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    外掛設(shè)備對(duì)飛行器電磁散射特性的影響

    2018-05-31 07:00:42劉戰(zhàn)合王菁姬金祖王曉璐楊永攀
    航空工程進(jìn)展 2018年2期
    關(guān)鍵詞:角域外掛波峰

    劉戰(zhàn)合,王菁,姬金祖,王曉璐,楊永攀

    (1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 航空工程學(xué)院,鄭州 450046) (2.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083)

    0 引 言

    隱身技術(shù)是提高飛行器戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的重要手段之一[1-2],對(duì)于飛行器,隱身主要包含電磁隱身(雷達(dá)隱身)、紅外隱身、可見光隱身、聲隱身等[3],對(duì)于固定翼飛行器,電磁隱身尤顯重要,尤其在頭向一定角域內(nèi),而衡量電磁隱身的主要技術(shù)參數(shù)為雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section ,簡(jiǎn)稱RCS)[4-6]。

    原則上,隱身飛機(jī)一般采用內(nèi)藏式彈艙來代替外掛式[3]。即便如此,當(dāng)前先進(jìn)的隱身戰(zhàn)斗機(jī)依然在某些型號(hào)上采用外掛方式。但從隱身角度考慮,由于飛行器本體已經(jīng)采用了隱身技術(shù),外掛方式將會(huì)大幅增加頭向RCS,從而降低頭向隱身性;對(duì)于常規(guī)戰(zhàn)斗機(jī),大多采用外掛方式,而常規(guī)戰(zhàn)斗機(jī)的隱身性能較差,通常受多種因素影響,例如進(jìn)氣道、座艙、雷達(dá)艙等[3,7-9]。李建華等[1]以雙S隱身進(jìn)氣道為目標(biāo)研究了其隱身設(shè)計(jì),并分析了對(duì)流場(chǎng)的影響;劉戰(zhàn)合等[10]、鄧金萍等[11]以飛機(jī)座艙為目標(biāo),分別研究了實(shí)現(xiàn)座艙隱身化的鈮摻雜ITO鍍膜工藝和座艙風(fēng)擋對(duì)炫光分布的影響規(guī)律。而外掛物是飛行器的重要部分,包含備用油箱、不同型號(hào)的導(dǎo)彈、炸彈等。岳奎志等[7-9]研究了戰(zhàn)斗機(jī)局部部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)飛行器隱身性能的影響,姬金祖等[4]、張揚(yáng)等[5]研究了機(jī)身截面和側(cè)棱的電磁散射影響,岳奎志等[6]研究了帶導(dǎo)彈時(shí)飛行器布局改變的RCS特性,但對(duì)外掛設(shè)備的電磁散射影響特點(diǎn)及規(guī)律研究較少。

    本文基于物理光學(xué)法,對(duì)不同電磁波入射頻率、不同角域的飛行器RCS進(jìn)行計(jì)算分析,重點(diǎn)研究外掛物在不同狀態(tài)下對(duì)飛行器電磁散射特性的影響關(guān)系,以期對(duì)提高飛行器隱身性能、研究生存能力產(chǎn)生重要的意義。

    1 研究目標(biāo)簡(jiǎn)介

    為了分析外掛物對(duì)飛行器電磁散射特性的影響,建立某型常規(guī)戰(zhàn)斗機(jī)電磁模型,并左右各布置兩個(gè)外掛物,分別模擬副油箱、導(dǎo)彈。該模型機(jī)身長(zhǎng)20 m,翼展13 m,有外掛設(shè)備時(shí)電磁模型如圖1所示,去除外掛后為對(duì)應(yīng)無外掛設(shè)備的電磁模型。圖1中外掛設(shè)備呈對(duì)稱分布,左右各兩個(gè)不同類型外掛設(shè)備,由各一個(gè)副油箱和導(dǎo)彈組成,用來模擬外掛設(shè)備對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)電磁隱身性能即電磁散射特性的影響。實(shí)際中根據(jù)作戰(zhàn)需求,外掛設(shè)備數(shù)目和類型會(huì)更多,對(duì)其隱身性能尤其是頭向隱身性能將會(huì)有更大影響。本文通過有、無外掛設(shè)備對(duì)比來分析外掛設(shè)備對(duì)隱身性能的影響關(guān)系。

    (a) 左視圖

    (b) 俯視圖

    (c) 主視圖

    為了保證真實(shí)性,對(duì)于無外掛設(shè)備電磁模型,適當(dāng)增加機(jī)翼機(jī)身厚度以模擬內(nèi)置彈倉。對(duì)于有、無外掛設(shè)備的兩種電磁模型,分別研究不同狀態(tài)下的RCS特性,以對(duì)比二者隱身性能。計(jì)算時(shí)電磁波入射頻率分別包含3、6、10、15、18 GHz,模型俯仰角分別為-15°、-10°、-5°、0°、5°、10°、15°,電磁波入射角變化范圍為0~360°,共70余條RCS計(jì)算曲線。

    實(shí)際研究中,定義頭向30°角域?yàn)轱w行器正頭向左右各15°方位角(入射角)范圍,以該角域內(nèi)RCS算術(shù)均值為分析依據(jù),表征頭向波峰幅值變化關(guān)系;相應(yīng)定義尾向是30°角域,周向是360°角域。

    2 電磁散射特性分析方法

    2.1 RCS計(jì)算方法及正確性驗(yàn)證

    飛行器目標(biāo)尤其是三代戰(zhàn)斗機(jī)均可以視為金屬目標(biāo),對(duì)整機(jī)飛行器,可采用金屬目標(biāo)RCS計(jì)算方法[8-9]。RCS計(jì)算方法從目標(biāo)電尺寸來說,分為低頻和高頻計(jì)算方法。低頻計(jì)算方法一般具有較高的計(jì)算精度,例如矩量法(Method of Moments,簡(jiǎn)稱MOM)[4,12]及其快速方法(例如,多層快速多極子算法(Multilevel Fast Multipole Algorithm,簡(jiǎn)稱MLFMA))[13-15]、時(shí)域有限差分法(Finite Difference Time Domain,簡(jiǎn)稱FDTD)等;高頻計(jì)算方法為近似算法,將一些對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的項(xiàng)進(jìn)行近似或忽略,例如物理光學(xué)法(PO)、幾何光學(xué)法、物理繞射理論、幾何繞射理論、等效電流等方法,一般對(duì)電大尺寸目標(biāo)具有高效的求解效率。

    物理光學(xué)法與矩量法出發(fā)點(diǎn)均為Stratton-Chu積分方程[5-6],包含電場(chǎng)和磁場(chǎng)積分方程。矩量法通過求內(nèi)積將積分方程變?yōu)榭蓴?shù)值求解的方程組,其系數(shù)矩陣表示目標(biāo)本身源、場(chǎng)之間的耦合作用,也包含自耦合強(qiáng)作用,即矩量法不僅考慮自身的強(qiáng)耦合作用,也考慮目標(biāo)各部分之間的相互影響,引起計(jì)算量增大。為了提高計(jì)算速度,在矩量法基礎(chǔ)上,開發(fā)了快速多極子算法、多層快速多極子算法等,來加快各部分之間耦合作用的求解。相對(duì)而言,物理光學(xué)法僅考慮自耦和作用,完全忽略各部分之前的相互作用[3],從而大幅加快計(jì)算速度,但該方法不能用于計(jì)算復(fù)雜物體表面的邊緣、尖劈影響。本文飛行器目標(biāo)為光滑目標(biāo),且局部之間無明顯耦合現(xiàn)象,同時(shí),計(jì)算時(shí)目標(biāo)處于電大尺寸范圍,適合采用物理光學(xué)法進(jìn)行計(jì)算分析。

    為了驗(yàn)證本文物理光學(xué)法計(jì)算結(jié)果正確性,以等邊三角形金屬柱為計(jì)算對(duì)象,邊長(zhǎng)為1 m,入射電磁波波長(zhǎng)為0.1 m,俯仰角為0°。分別采用本文物理光學(xué)法和高精度矩量法計(jì)算,其RCS曲線結(jié)果對(duì)比如圖2所示,由于為等邊三角形,僅計(jì)算0~60°角域范圍。

    圖2 金屬柱RCS計(jì)算對(duì)比曲線

    從圖2可以看出:物理光學(xué)法與矩量法RCS計(jì)算曲線吻合較好,物理光學(xué)法0~60°角域算術(shù)均值為0.819 0 dBsm,矩陣法為0.894 4 dBsm,誤差為0.075 4 dB,表明本文物理光學(xué)法有足夠好的計(jì)算精度,可用于分析本文研究對(duì)象和計(jì)算頻率。

    2.2 外掛設(shè)備影響分析方法

    外掛設(shè)備對(duì)飛行器電磁散射有重要影響,一方面,結(jié)合RCS散射曲線分布形式,對(duì)比有無外掛設(shè)備RCS曲線,從波峰位置、大小等變化來分析,討論外掛設(shè)備影響特性。另一方面,結(jié)合前述電磁模型,對(duì)兩種飛行器模型,在重點(diǎn)影響角域內(nèi),以有外掛設(shè)備和無外掛設(shè)備電磁模型為目標(biāo),基于二者之間角域內(nèi)的RCS均值差異來分析外掛設(shè)備的電磁散射特性影響。

    定義有無外掛設(shè)備RCS相對(duì)增量為

    G=σ有外掛-σ無外掛

    (1)

    式中:G為RCS相對(duì)增量,單位為dB;σ有外掛、σ無外掛分別為有、無外掛設(shè)備電磁模型在對(duì)應(yīng)研究角域內(nèi)的RCS算術(shù)均值或幾何均值。

    3 電磁模型RCS散射分布特性

    3.1 RCS曲線分布特性

    以上述有、無外掛設(shè)備電磁模型為對(duì)象,研究其RCS曲線分布特性,俯仰角0°時(shí)入射電磁波頻率為10 GHz時(shí)的有、無外掛RCS散射曲線如圖3所示。

    圖3 0°俯仰角有無外掛RCS計(jì)算對(duì)比

    從圖3可以看出:對(duì)有外掛模型,其RCS曲線與飛行器外形有直接關(guān)系,沿周向?qū)ΨQ分布有8個(gè)散射波峰,其中飛行器正頭向、側(cè)向、尾向散射波峰最強(qiáng),50°、165°左右兩波峰較弱。頭向波峰是由于機(jī)頭、副油箱、導(dǎo)彈頭部接近鏡面散射產(chǎn)生的疊加效果;側(cè)向波峰是機(jī)身側(cè)向、外掛側(cè)向散射的綜合效果,由于側(cè)向投影面積較大,導(dǎo)致其RCS較大;尾向散射波峰與發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口有直接關(guān)系,同時(shí)外掛設(shè)備的尾部形狀、機(jī)翼后緣影響也較為明顯。對(duì)于兩個(gè)次波峰(50°、165°左右),50°角域波峰是機(jī)翼、鴨翼前緣的散射效果,165°角域波峰是尾向各部件耦合效果。

    從圖3還可以看出:外掛設(shè)備對(duì)飛行器的電磁散射影響表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:一是對(duì)頭向和尾向波峰表現(xiàn)最為明顯,從隱身角度而言,尤其是頭向角域,無外掛設(shè)備的RCS曲線波峰獲得了較大降低,同時(shí),波峰寬度變窄,尾向表現(xiàn)一致;二是在周向大范圍內(nèi),除了50°、165°角域波峰無較大變化外,無外掛設(shè)備的RCS曲線表現(xiàn)為不同程度的向內(nèi)收縮,降低了散射強(qiáng)度,為外掛設(shè)備影響。

    3.2 RCS曲線俯仰角特性

    飛行器在執(zhí)行任務(wù)過程中,會(huì)有復(fù)雜的機(jī)動(dòng)動(dòng)作,包括俯仰、滾轉(zhuǎn)等,針對(duì)有外掛設(shè)備飛行器電磁模型,以入射頻率10 GHz為例,分析俯仰角對(duì)RCS散射的影響,俯仰角選擇-10°、0°、10°,其RCS曲線如圖4所示。

    圖4 頻率10 GHz不同俯仰角RCS

    從圖4可以看出:對(duì)于俯仰角較大的-10°和10°,RCS散射曲線分布規(guī)律有一定的變化,首先,從波峰來講,由于俯仰角的變化,頭向和尾向的兩個(gè)波峰消失,這是由于一般的鏡面散射主要表現(xiàn)在10°以內(nèi),而在俯仰角-10°和10°時(shí),對(duì)頭向和尾向的散射波峰產(chǎn)生主要貢獻(xiàn)的機(jī)頭、外掛設(shè)備、及其他部位已經(jīng)并非鏡面散射,從而使得其RCS極大降低;其次,側(cè)向波峰依然存在,這是由于理論上講,俯仰角變化一般不引起側(cè)向散射原理的變化,因此其散射波峰特性一般不發(fā)生較大變化;最后,其他部位散射波峰大小變化較小,但在有俯仰角、36°入射角時(shí),存在一較小波峰,而原來由于機(jī)翼前緣散射的50°角域波峰消失,與頭向和尾向波峰消失原因類似。由此得出,俯仰角變化時(shí),會(huì)在前向和尾向的RCS有較大影響,同時(shí),其他方向的散射也會(huì)有一定影響。

    4 不同角域外掛設(shè)備散射影響

    飛行器尤其是戰(zhàn)斗機(jī)在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí),威脅最大的角域是其頭向一定角域,結(jié)合RCS散射曲線的分布特征,重點(diǎn)關(guān)注飛行器頭向、尾向及周向各角域內(nèi)的RCS幅值大小,一般采用算數(shù)均值或幾何均值來描述。由于尾向與頭向散射具有類似影響規(guī)律,本文結(jié)合戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)際情況,對(duì)有、無外掛設(shè)備的戰(zhàn)斗機(jī)電磁模型的頭向30°和周向360°角域算術(shù)均值變化規(guī)律進(jìn)行研究,以分析其電磁隱身性能。

    4.1 頭向30°角域算術(shù)均值變化規(guī)律

    對(duì)于頭向30°角域,不同入射頻率、不同俯仰角下有、無外掛設(shè)備模型的算術(shù)均值變化曲線如圖5~圖6所示。

    圖5 有外掛設(shè)備模型不同頻率均值變化曲線

    圖6 無外掛設(shè)備模型不同頻率均值變化曲線

    從圖5~圖6可以看出:有外掛設(shè)備飛行器頭向30°角域RCS算術(shù)均值隨俯仰角呈“W”型分布,俯仰角為0°時(shí),頭向RCS算術(shù)均值最大,結(jié)合RCS曲線,該角域內(nèi)存在一較強(qiáng)的散射波峰,為各種接近鏡面散射的疊加,俯仰角變大時(shí),算術(shù)均值先變小后增大,是外掛設(shè)備的散射影響;對(duì)于無外掛設(shè)備模型,其RCS算術(shù)均值曲線接近倒“V”型分布,與有外掛設(shè)備散射類似,也在俯仰角0°時(shí),散射最強(qiáng),但幅值比有外掛時(shí)小,俯仰角變大時(shí),均值震蕩變小。

    同時(shí),從圖5~圖6可以看出:有無外掛設(shè)備模型表現(xiàn)出一定的共性,即頻率特性;對(duì)于兩種模型,俯仰角0°時(shí),各頻率下的RCS均值基本接近,俯仰角增大時(shí),頻率越大,其RCS均值越低,但其不同俯仰角下的曲線形式表現(xiàn)一致。

    為了進(jìn)一步研究外掛設(shè)備對(duì)頭向30°角域算術(shù)均值的影響,其相對(duì)增量值如表1所示。

    表1 有、無外掛模型頭向30°角域相對(duì)增量

    從表1可以看出:對(duì)于飛行器頭向30°角域,3~18 GHz、-15~15°俯仰角情況下,外掛設(shè)備均在不同程度上增大散射幅值,大致范圍在10~25dB,即外掛設(shè)備可在各種情況下增大頭向散射,從而降低其頭向隱身性能。結(jié)合圖3可以看出:外掛設(shè)備的存在,不僅體現(xiàn)在頭向30°,對(duì)尾向、周向均有一定影響。同時(shí),從表1也可以看出:相對(duì)增量與入射頻率、俯仰角有一定關(guān)系,其變化關(guān)系如圖7所示。

    圖7 頭向不同頻率相對(duì)增量曲線

    從圖7和表1可以看出:外掛設(shè)備會(huì)明顯增加頭向散射強(qiáng)度,俯仰角變化時(shí),其相對(duì)增量呈類似前述的“W”型,即在0°入射角時(shí)較大,隨俯仰角變大相對(duì)增量先降低后增大,在俯仰角為-5°和5°時(shí)相對(duì)增量最?。活l率的增大,不改變曲線變化趨勢(shì),僅影響曲線幅值大小,俯仰角0°時(shí),頻率3 GHz時(shí)相對(duì)增量最大,隨后減小,而在俯仰角-15°和15°時(shí)基本接近,其他俯仰角情況下,相對(duì)增量隨頻率呈震蕩趨勢(shì);尾向RCS散射特性與頭向類似,且其對(duì)隱身性能影響較弱,不再進(jìn)行展開論述。

    4.2 周向角域算術(shù)均值變化規(guī)律

    外掛設(shè)備對(duì)隱身性能的影響不僅限于頭向和尾向,對(duì)周向也有較大影響,由于其算術(shù)均值規(guī)律基本一致,僅討論有外掛模型周向算術(shù)均值特性。為了進(jìn)一步分析外掛設(shè)備對(duì)沿飛行器周向分布的電磁散射影響,基于RCS算術(shù)均值,主要研究其相對(duì)增量特性。有外掛模型周向算數(shù)均值曲線如圖8所示,外掛設(shè)備的相對(duì)增量影響關(guān)系如圖9所示。

    圖8 有外掛設(shè)備模型不同頻率均值變化曲線

    圖9 周向不同頻率均值增量值曲線

    對(duì)于有外掛飛行器,俯仰角、頻率均對(duì)其頭向RCS有重要影響,從圖8可以看出:俯仰角變化時(shí),其周向均值與無外掛頭向30°角域類似,也呈倒“V”型分布,各不同頻率下俯仰角0°時(shí),RCS均值最高,且大小接近;俯仰角變大時(shí),逐漸降低,表現(xiàn)為頻率越大,降低速率越高,在-15°、15°、18 GHz時(shí),達(dá)到最小。

    從圖9可以看出:外掛帶來的RCS相對(duì)增量在所有俯仰角情況均大于0 dB,且呈震蕩分布,表明從周向來講,外掛設(shè)備的存在增加了電磁散射,但幅值相對(duì)頭向30°角域較?。活l率的變化并不影響相對(duì)增量的分布規(guī)律,僅在較小范圍內(nèi)影響其幅值大小,各頻率下的相對(duì)增量呈現(xiàn)粘合現(xiàn)象;在-5°、0、5°俯仰角時(shí),相對(duì)增量較小,為10 dB左右,而在更大俯仰角時(shí),相對(duì)增量較大,為15 dB左右。-15~15°俯仰角變化時(shí),相對(duì)增量在7~17 dB范圍變化。

    外掛設(shè)備對(duì)整機(jī)電磁散射特性的影響,還與外掛設(shè)備的數(shù)目、類型有關(guān),為了提升其隱身性能,可通過提高外掛設(shè)備的外形隱身來改善整機(jī)隱身性能。

    5 結(jié) 論

    (1) RCS曲線波峰與飛行器外形有直接關(guān)系,沿周向分布有強(qiáng)弱散射波峰8個(gè),分別對(duì)應(yīng)飛行器各重要部件散射,頭向波峰是機(jī)頭和外掛設(shè)備的綜合影響。

    (2) 外掛設(shè)備在較大范圍內(nèi)提高頭向、尾向、周向電磁散射強(qiáng)度;頭向30°角域,有外掛模型算術(shù)均值隨俯仰角呈“W”型分布,無外掛模型接近倒“V”型分布;周向上,有外掛模型呈倒“V”型分布。

    (3) 頭向30°角域,相對(duì)增量呈“W”型分布,而周向上呈震蕩分布;頭向相對(duì)幅值增量更大,在10~25 dB,周向較小,為7~17 dB。

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