直升機(jī)武器外掛的隱身設(shè)計(jì)與RCS計(jì)算

侯雪劍，劉昊雨，張?jiān)骑w，吳裕平

(1.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

直升機(jī)武器外掛的隱身設(shè)計(jì)與RCS計(jì)算

侯雪劍1，劉昊雨1，張?jiān)骑w1，吳裕平2

(1.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

建立某直升機(jī)武器外掛的外形模型，采用物理光學(xué)法和等效電磁流法計(jì)算了武器外掛在HH極化、2～18GHz頻率的RCS特性。進(jìn)行武器外掛RCS減縮研究，提出了直升機(jī)武器外掛整形罩的隱身設(shè)計(jì)方法，將原武器外掛在4個(gè)波段、三個(gè)重要方向下的RCS水平從1.5m2～18.6m2降低到0.004 m2～0.06 m2，減縮量達(dá)23～40dB，有效降低了其在主要散射方向上的雷達(dá)散射水平。分析了改型前后的氣動(dòng)特性，保證了改型對(duì)直升機(jī)的氣動(dòng)性能影響較小。

武器外掛；RCS；雷達(dá)隱身技術(shù)；直升機(jī)

0 引言

軍用直升機(jī)廣泛用于對(duì)地攻擊、機(jī)降登陸、武器運(yùn)送、后勤支援、戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)、偵察巡邏、指揮控制、通信聯(lián)絡(luò)、反潛掃雷、電子對(duì)抗等任務(wù)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演著越來越重要的角色。隨著反直升機(jī)武器系統(tǒng)的不斷發(fā)展，軍用直升機(jī)的生存能力越來越重要，“隱身”已成為現(xiàn)代直升機(jī)重要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)之一[1]。雷達(dá)隱身是直升機(jī)隱身技術(shù)的重要內(nèi)容，開展直升機(jī)的雷達(dá)散射特性分析和雷達(dá)散射截面RCS減縮研究有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。

近些年來國(guó)內(nèi)對(duì)于直升機(jī)隱身技術(shù)的研究逐漸增多。蘇東林[2]等研究了武裝直升機(jī)雷達(dá)散射截面估算的方法；葉少波[3]建立了武裝直升機(jī)隱身外形優(yōu)化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)；蔣相聞[4,5]等基于面元邊緣法研究了某型武裝直升機(jī)的RCS特性，計(jì)算了兩型武裝直升機(jī)沿方位角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角三個(gè)方向上的雷達(dá)散射特性。包曉翔[6]仿真計(jì)算了某通用直升機(jī)的RCS特性，并提出了通用直升機(jī)隱身外形設(shè)計(jì)方法。但目前國(guó)內(nèi)的研究多是對(duì)于直升機(jī)整體隱身性能的研究。根據(jù)固定翼飛機(jī)隱身研究的經(jīng)驗(yàn)，如果在進(jìn)行了很好隱身設(shè)計(jì)的飛機(jī)機(jī)體上外掛常規(guī)武器系統(tǒng)，其RCS水平竟與未進(jìn)行任何隱身設(shè)計(jì)的飛機(jī)相當(dāng)。因此，對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行了機(jī)體隱身設(shè)計(jì)的直升機(jī)來說，武器外掛等對(duì)于RCS的貢獻(xiàn)是不可忽視的[7]。

外掛武器和副油箱使得直升機(jī)的作戰(zhàn)能力得到提升，作戰(zhàn)半徑也得到增加。一般直升機(jī)將外掛物掛載在短翼掛架上，會(huì)使得整個(gè)飛行器的隱身性能降低，而且飛行阻力也會(huì)增加。因此，外掛的隱身設(shè)計(jì)不僅要考慮隱身問題，還要考慮氣動(dòng)問題。

本文借鑒固定翼飛機(jī)的隱身設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)直升機(jī)武器外掛進(jìn)行隱身設(shè)計(jì)，擬采用加整形罩的方法降低直升機(jī)武器外掛的RCS，并盡量保證直升機(jī)氣動(dòng)特性不變差。

1 研究方法

1.1隱身改型設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有的直升機(jī)外掛武器的調(diào)研，設(shè)計(jì)一種導(dǎo)彈系統(tǒng)外掛的原始模型如圖1所示，其結(jié)構(gòu)由掛架、滑軌和導(dǎo)彈幾個(gè)部分組成，外形較為復(fù)雜，其隱身性能較差。

外掛武器系統(tǒng)有發(fā)射彈藥、導(dǎo)彈飛行等使用要求，無法對(duì)滑軌、導(dǎo)彈彈體等直接進(jìn)行外形隱身設(shè)計(jì)。考慮設(shè)計(jì)一種整形罩(圖2、圖3)將武器外掛包裹其中，既可以降低RCS水平，又起到整流的作用。整形罩的外形設(shè)計(jì)方案來源于隱身戰(zhàn)機(jī)保形外掛的設(shè)計(jì)思想。

整形罩外形中段主要采用凹凸曲面形式，其主要思路是(圖4)：采用兩個(gè)凸曲面形成一個(gè)容器，以包容整個(gè)武器系統(tǒng)，利用上下兩個(gè)凹曲面構(gòu)成的尖劈對(duì)凸曲面的側(cè)面形成“占位”，以減弱具有較長(zhǎng)長(zhǎng)度的凸曲面在側(cè)向的強(qiáng)散射。該設(shè)計(jì)有兩個(gè)要點(diǎn)：一是要控制凹凸曲面交界點(diǎn)(拐點(diǎn))切線與鉛垂線的夾角(傾角)，由于整形罩在該拐點(diǎn)形成一個(gè)小平面，傾角越大則小平面越向上或向下偏轉(zhuǎn)，在機(jī)身側(cè)向(0°仰角)產(chǎn)生的散射回波越小；但該角度如果過大，會(huì)使得凹曲面過于向外側(cè)延伸，導(dǎo)致整形罩寬度過大，影響整體布置，并顯著增大阻力。一般該角度宜取20°～30°。二是兩個(gè)凹曲面構(gòu)成的尖劈角，該尖劈角如果過大，會(huì)使得具有較長(zhǎng)長(zhǎng)度的直尖劈的邊緣繞射增強(qiáng)。一般該角度不宜超過35°。

整形罩的縱向剖面盡量采用流線型。前段和尾段采用尖劈形，并與中段的凹凸曲面光滑過渡，即保證所有縱向剖面線的一階導(dǎo)數(shù)沿縱向連續(xù)，特別在前段與中段、中段與尾段的交界處。目的是防止整形罩表面形成尖劈角而產(chǎn)生額外的邊緣繞射。

1.2 RCS計(jì)算方法

對(duì)武器外掛的RCS計(jì)算采用物理光學(xué)法與等效電磁流法相結(jié)合的方法[8]，該算法及相應(yīng)計(jì)算程序已經(jīng)通過與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比進(jìn)行了驗(yàn)證[6]，本文不再贅述。

隱身設(shè)計(jì)的目的是降低飛行器在重要方向上的RCS水平。根據(jù)以往的研究成果[9]，飛行器的重要的方位角范圍為：機(jī)頭方向(方位0°±30°)，機(jī)身側(cè)向(方位90°±30°，270°±30°)，機(jī)尾方向(方位180°±30°)。飛行器的隱身性能不能以某個(gè)位置的RCS水平來判定，而要以一定范圍內(nèi)的RCS水平作為考察基準(zhǔn)，這里采用飛行器重要方向上的RCS算術(shù)均值大小來評(píng)定隱身性能的優(yōu)劣。

1.3氣動(dòng)阻力研究方法

武器外掛對(duì)直升機(jī)的影響主要表現(xiàn)為增加直升機(jī)的氣動(dòng)阻力[10]，所以本文建立武器外掛的非結(jié)構(gòu)流場(chǎng)模型，并使用ANASYS進(jìn)行流場(chǎng)仿真，計(jì)算隱身設(shè)計(jì)前后模型的氣動(dòng)阻力和阻力系數(shù)，以此來進(jìn)行氣動(dòng)特性分析。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 RCS計(jì)算結(jié)果

分別計(jì)算了HH極化、四種不同頻率下原始武器外掛(簡(jiǎn)稱原型)和增加整形罩之后的外掛(簡(jiǎn)稱改型)的雷達(dá)散射特性，如圖5-圖8所示。

1) S波段(3Hz)

統(tǒng)計(jì)機(jī)頭方向、機(jī)身側(cè)向、機(jī)尾方向的RCS均值如表1所示。

表1 原型與改型RCS均值對(duì)比

2) C波段(6Hz)

統(tǒng)計(jì)機(jī)頭方向、機(jī)身側(cè)向、機(jī)尾方向的RCS均值如表2所示。

表2 原型與改型RCS均值對(duì)比

3) X波段(10Hz)

統(tǒng)計(jì)機(jī)頭方向、機(jī)身側(cè)向、機(jī)尾方向的RCS均值如表3所示。

表3 原型與改型RCS均值對(duì)比

4) Ku波段(15Hz)

統(tǒng)計(jì)機(jī)頭方向、機(jī)身側(cè)向、機(jī)尾方向的RCS均值如表4所示。

表4 原型與改型RCS均值對(duì)比

綜合以上計(jì)算結(jié)果可知，原始外掛武器在S、C、X、Ku四種波段，HH極化條件下，在各個(gè)重要的方位角方向上RCS均值都很高，機(jī)頭方向RCS在1.5～3.0m2范圍內(nèi)，機(jī)身側(cè)向RCS在11.2～18.6m2范圍內(nèi)，機(jī)尾方向RCS在4.4～13.5m2范圍內(nèi)，均需要采取隱身設(shè)計(jì)。隱身設(shè)計(jì)后，外掛武器艙的RCS水平整體上得到降低，機(jī)頭方向RCS低于0.005m2，機(jī)身側(cè)向RCS低于0.062m2，機(jī)尾方向RCS低于0.004m2，均達(dá)到很低的量級(jí)。RCS減縮量為：機(jī)頭方向28～35dB，機(jī)身側(cè)向23～29dB，機(jī)尾方向36～40dB，隱身設(shè)計(jì)效果顯著。

2.2氣動(dòng)阻力分析

將模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行流場(chǎng)仿真計(jì)算，模型網(wǎng)格劃分如圖9、圖10所示。原始外掛網(wǎng)格數(shù)約為246萬，整形罩模型網(wǎng)格數(shù)約為44萬，兩種模型網(wǎng)格尺寸相同，由于原始外掛模型相對(duì)于整形罩模型外形復(fù)雜，所以原始外掛模型網(wǎng)格數(shù)量與整形罩相差較多。選用壓力基求解器，湍流計(jì)算使用了Spalart-Allmaras模型，流場(chǎng)邊界設(shè)置為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)，來流馬赫數(shù)設(shè)置為Ma=0.24，約為直升機(jī)的巡航速度。

流場(chǎng)仿真計(jì)算表明，原始外掛模型的氣動(dòng)阻力為530N，整形罩的氣動(dòng)阻為590N。整形罩與原始外掛相比阻力略有增加。原因是加整形罩后外掛尺寸有所增加，但是整形罩在一定程度上起到了整流作用，所以阻力增加不大。因此整形罩方案并未造成過多的氣動(dòng)阻力損失，方案可行。

3 結(jié)束語

構(gòu)造一種直升機(jī)武器外掛的外形模型，根據(jù)外形隱身設(shè)計(jì)原則對(duì)其進(jìn)行隱身設(shè)計(jì)，采用RCS高頻近似算法(物理光學(xué)法和等效電磁流理論)進(jìn)行RCS計(jì)算。在三個(gè)重要方位角范圍，對(duì)武器外掛圓形和隱身改型的RCS均值進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明武器外掛隱身改型方案相對(duì)于原型的隱身性能有所提升，證明了設(shè)計(jì)的合理性，達(dá)到了隱身效果。氣動(dòng)阻力方面，整形罩的阻力比原始外掛的阻力增加較小，整形罩的設(shè)計(jì)方案并未造成顯著的氣動(dòng)損失。

當(dāng)然，采用整形罩的缺點(diǎn)是給武器的發(fā)射使用設(shè)置了困難，雖然可以用設(shè)計(jì)整形罩開啟機(jī)構(gòu)的方法解決，但也會(huì)帶來機(jī)構(gòu)復(fù)雜、重量增加的問題。這是取得隱身效果后所付出的必要代價(jià)。對(duì)該代價(jià)的評(píng)估有待于進(jìn)一步的研究。

[1] 張呈林，郭才根.直升機(jī)總體設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

[2] 蘇東林，宗國(guó)民，呂善偉.武裝直升飛機(jī)雷達(dá)散射截面的估算方法[J]．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1994,20(3):248-252.

[3] 葉少波.武裝直升機(jī)隱身外形優(yōu)化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)[D]．北京：北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，2004.

[4] 蔣相聞，招啟軍，徐國(guó)華.基于面元邊緣法的直升機(jī)RCS計(jì)算與分析[J]．南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2011,43(3):429-434.

[5] 蔣相聞，招啟軍，徐國(guó)華.兩型武裝直升機(jī)雷達(dá)散射特性計(jì)算[J]．直升機(jī)技術(shù),2010,4(3):11-14.

[6] 包曉翔，張?jiān)骑w，杜曉松.通用直升機(jī)雷達(dá)散射特性及RCS減縮[J]．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2011,39(6):745-750.

[7] 張?jiān)骑w，張 考.常規(guī)外掛物散射特性及RCS縮減設(shè)計(jì)研究[J].飛機(jī)設(shè)計(jì),1999,(4):1-5.

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[9] 顧誦芬，解思適.飛機(jī)總體設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

[10] 飛機(jī)雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)指南[Z].中國(guó)人民解放軍總裝備部隱身技術(shù)專業(yè)組,2006.

[11] Tumer S D.RESPECT: Rapid electromagnetic scattering predictor for extremely complex targets[C].IEE Proceedings，1990.

StealthDesignandRCSCalculationforHelicopterExternalWeaponStores

HOU Xuejian1,LIU Haoyu1,ZHANG Yunfei1,WU Yuping2

(1.School of Aeronautic Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China； 2.China Helicopter Research and Development Institute,Jingdezheng 333001,China)

It was established for a outline model of helicopter external stores,and the physical optics and the equivalent currents theory were used to calculate the RCS of the external stores.It was put forward that the stealth design method of outline shaping cover for helicopter RCS reduction in three important direction.The average RCS of the external weapon store has been reduced form 1.5m2～ 18.6 m2to 0.004m2～0.05m2at four frequency band.The RCS reduction value reaches to 23～40dB.By analysis of CFD,the aerodynamic drag of the external stores has no significantly increase.

external weapon stores;Radar Cross Section;radar stealth technology;helicopter

2016-12-16

侯雪劍(1992-)，男，內(nèi)蒙古赤峰市人，碩士研究生，研究方向?yàn)镽CS計(jì)算及雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)研究。

1673-1220(2017)03-010-04

V218

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