高空高速偵察機(jī)電磁散射特性研究

王 菁，田秋麗，劉戰(zhàn)合，趙一鳴

（1. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；2. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

偵察機(jī)是作戰(zhàn)支援飛機(jī)的重要組成部分，要求其具有更優(yōu)秀的隱蔽、縱深探測能力，隨著現(xiàn)代探測技術(shù)如雷達(dá)、紅外燈探測器的快速發(fā)展，對航空飛行器的生存力提出了更大挑戰(zhàn)，鑒于偵察機(jī)的戰(zhàn)場環(huán)境特點(diǎn)，對其隱身性能提出更高需求[1-3]。當(dāng)前，偵察機(jī)可分為有人和無人兩類，盡管無人偵察機(jī)已成為重要的偵察和監(jiān)視力量，但鑒于在處理戰(zhàn)場任務(wù)、航時、數(shù)據(jù)集成、信息處理上的相對優(yōu)勢，有人偵察機(jī)依然占據(jù)重要地位。

SR-71是美軍一款高空高速偵察機(jī)，具有飛行速度高、執(zhí)行任務(wù)隱蔽的特點(diǎn)。其相關(guān)研究結(jié)果對高空高速飛行器布局的電磁散射特性及該類布局飛行器的隱身設(shè)計仍具有較高的參考研究意義。以SR-71為參考研究對象，建立其電磁分析模型，結(jié)合其作戰(zhàn)環(huán)境特點(diǎn)，采用物理光學(xué)法，重點(diǎn)從入射電磁波頻率、不同俯仰角兩個維度出發(fā)，詳細(xì)研究高空高速布局飛行器的RCS散射分布特性、重點(diǎn)影響角域的RCS均值變化規(guī)律。

1 電磁分析模型及研究方法

偵察機(jī)是獲取敵方軍事信息的重要空中力量，截止當(dāng)前，美軍裝備了大量有人和無人偵察機(jī)，以U-2、SR-71為典型代表的高空高速飛行器成為美軍偵察機(jī)主力機(jī)型，SR-71在設(shè)計過程中，尤其重視生存力，表現(xiàn)在當(dāng)時設(shè)計條件下的電磁散射信號的有效控制。以SR-71為參考研究對象，建立相應(yīng)的電磁分析模型，機(jī)身長31.5 m、翼展15.5 m、高4 m（包含尾翼）、前緣后掠角28.5°。其電磁分析模型如圖1所示。

圖1 電磁分析模型

高空高速偵察機(jī)具有縱深作戰(zhàn)優(yōu)勢，在執(zhí)行探測、偵察任務(wù)過程中，必然面臨敵方海陸空平臺的探測威脅。為研究目標(biāo)在執(zhí)行任務(wù)時的電磁散射特性，從兩個方面入手，一是電磁波入射頻率，設(shè)定為0.1～18 GHz，涵蓋低頻到高頻；二是飛行器姿態(tài)，用方位角和俯仰角來表示，方位角范圍為0～360°，俯仰角為±15°范圍內(nèi)。

用于RCS計算研究的方法總體上可分為精確算法和近似算法，精確算法在計算電大尺寸目標(biāo)時效率低，無法用于高效的電磁分析，近似算法如物理光學(xué)法、幾何光學(xué)法、一致繞射理論[4]等，在保證計算精度的同時，可獲得高的計算效率，這一點(diǎn)對如大型目標(biāo)尤其重要?；趯嶋H需求，采用物理光學(xué)法[5，6]，對以上不同狀態(tài)的RCS進(jìn)行詳細(xì)計算分析，以分析其電磁散射性能。同時，結(jié)合RCS曲線沿周向的分布特性，分析電磁散射與飛行器結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，對重點(diǎn)角域內(nèi)的RCS散射幅值進(jìn)行分析研究，研究其變化規(guī)律。

2 RCS散射曲線分布特性

分析時，電磁波入射頻率設(shè)定為：0.1、0.3、0.5、1、3、6、10、15、18 GHz，以模擬飛行器面臨的各類雷達(dá)探測器頻率；飛行器姿態(tài)角選擇為俯仰角15°以內(nèi)、步長5°計算。為分析研究方便，多頻特性選取0.1 GHz、3 GHz、10GHz，俯仰角選擇-15°、0°、15°分別為樣本以研究多頻散射特性、俯仰角影響。多頻RCS計算曲線（俯仰角為0°）如圖2所示。

圖2 不同頻率RCS計算曲線

不同俯仰角RCS計算曲線（10 GHz）如圖3所示。

圖3 不同俯仰角RCS計算曲線

圖2表明，從RCS分布上看，飛行器在前向角域上并無明顯散射波峰，但其RCS幅值稍大，約在0 dBsm上下震蕩，結(jié)合飛行器布局可以看出，由于機(jī)翼采用大后掠技術(shù)、發(fā)動機(jī)的錐形進(jìn)氣口，大大降低了該部分電磁散射，對前向的貢獻(xiàn)減小，其前向的貢獻(xiàn)主要來源于機(jī)身頭部散射，其外部形狀將決定前向RCS大小。在方位角62°附近關(guān)于機(jī)身軸線對稱分布一個較強(qiáng)散射波峰，為機(jī)翼前緣的散射貢獻(xiàn)，由于后掠角較大，其散射已進(jìn)入側(cè)向影響范圍，對前向隱身幾乎無影響。同理，側(cè)向90°附近為機(jī)身、V型垂尾、發(fā)動機(jī)側(cè)面等結(jié)構(gòu)影響，都為較強(qiáng)的電磁散射，因此在側(cè)向較大范圍上，電磁散射較大，接近20 dBsm。后向角域上RCS曲線較為復(fù)雜，這與飛行器后端復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，可以看出，在128°左右存在一較強(qiáng)散射波峰，該波峰為機(jī)身后端傾斜截面的散射貢獻(xiàn)，而在后向180°附近角域上，散射幅值接近前向，為飛機(jī)后端的發(fā)動機(jī)、機(jī)翼后緣、機(jī)身后端等結(jié)構(gòu)電磁耦合貢獻(xiàn)。

如圖2所示，從頻率影響來看，0.1 GHz入射頻率時，散射曲線振蕩較為平緩，相對來講，RCS曲線幅值較高，其曲線靠外。頻率增加時，曲線振蕩性增加，表現(xiàn)在振幅加大，同時振蕩頻率明顯增加，但在飛行器前向、后向角域上，RCS散射波峰和幅值變化不大，在側(cè)向及其他角域上，頻率增加時，RCS曲線有向內(nèi)靠近趨勢，尤其表現(xiàn)在10GHz的后部角域上。綜上，頻率增加時，散射曲線分布特征保持不變，但其振蕩性更加明顯，且電磁散射有減小趨勢，利于提高隱身性能。

圖3為俯仰角變化對RCS曲線分布的影響，可以看出，俯仰角在較小范圍變化時（即-15～15°），RCS曲線分布特性基本不變。如前所述，前向、后向角域上的電磁散射稍強(qiáng)，但無明顯散射波峰，且俯仰角變化時，曲線基本重合，說明電磁散射機(jī)理并未發(fā)生變化。在側(cè)向較大角域上，俯仰角變化時，RCS散射曲線有一定差異，是由于俯仰角變化時，在偏離正側(cè)向90°時（60～120°方位角范圍內(nèi)），對機(jī)身、垂尾，由于入射方向的變化減弱了該結(jié)構(gòu)的電磁散射，因此，在有俯仰角時，RCS曲線有一定減小。而其他角域上，散射波峰、分布，均無明顯變化。同時，對比圖2和圖3，還可以看出，在10 GHz頻率上，RCS曲線散射波峰和分布更為明顯，但分布結(jié)構(gòu)特性未發(fā)生實質(zhì)變化。

3 不同角域RCS均值變化規(guī)律

為進(jìn)一步分析該目標(biāo)在重點(diǎn)關(guān)注角域上的電磁散射水平，以該角域內(nèi)的RCS均值（算術(shù)平均值）評價參考，定義前向30°角域為前向±15°范圍（H-30）、后向30°角域為后向±15°范圍（T-30）、側(cè)向30°角域為正側(cè)向±15°范圍（S-30）、周向360°角域記為W-360。一般的，對飛行器執(zhí)行任務(wù)而言，H-30和T-30角域為重要研究角域，以S-30和W-360角域為參考角域，W-360角域上的RCS均值可用來表示該類飛行器的整體電磁散射性能。不同頻率、不同俯仰角時四個角域RCS均值變化曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 頻率變化時各角域RCS均值變化曲線

圖5 俯仰角變化時各角域RCS均值變化曲線

圖4可以看出，頻率增加時，各向角域RCS均值表現(xiàn)不同，前向角域H-30上RCS均值較低，隨后增加，在6 GHz最大，為5.5933dBsm，之后再降低，后向角域T-30角域上，變化規(guī)律與前向較為相似，但在低頻段上，幅值較高；同時，側(cè)向S-30和周向W-360角域上，RCS均值震蕩變化。整體來看，側(cè)向S-30角域的電磁散射較強(qiáng)，在16～19 dBsm之間，這是由于側(cè)向電磁散射主要表現(xiàn)為機(jī)身、發(fā)動機(jī)等結(jié)構(gòu)部件的鏡面散射和垂尾的二面角散射；而周向W-360散射為各向角域散射的綜合組成，RCS變化較小，在3～6 dBsm之間。結(jié)合RCS計算曲線，說明，該飛行器前向、后向的RCS幅值不大，有一定隱身性。

圖5可以看出，與頻率變化時散射特性有相似性，俯仰角由俯角15°向仰角15°增加時，側(cè)向S-30角域的RCS均值大于其它三個角域，且基本處于10 dBsm以上，前向、后向、周向各角域上RCS均值在0 dBsm左右。從RCS均值變化趨勢來看，前向H-30角域上，RCS均值先增加后減小，且在俯仰角0°時最大，為3.1553 dBsm，這與前向散射特性相關(guān)，在俯仰角偏離0°時，頭部上下表面在俯角和仰角上會有一定偏離，降低了散射強(qiáng)度；后向H-30、周向W-360角域上，RCS均值呈震蕩遞增趨勢，俯角時RCS均值低而仰角時高；側(cè)向S-30角域RCS均值呈較大范圍的振蕩變化，RCS均值在俯仰角0°時最大，為16.5055 dBsm。

4 結(jié)論

針對某型高空高速偵察機(jī)建立了電磁分析模型，采用高頻算法的物理光學(xué)法研究了不同頻率、不同狀態(tài)的RCS電磁散射特性，得到以下結(jié)論：

1）從RCS曲線分布來看，前向和后向無較明顯散射波峰，由于飛行器結(jié)構(gòu)影響，在方位角62°和128°上有散射波峰；頻率增加時，RCS散射曲線的振蕩性增加，高頻時散射波峰較為明顯；俯仰角變化時，對散射分布的特點(diǎn)無較大影響，側(cè)向較大角域上，有一定影響。

2）從RCS均值變化規(guī)律來看，頻率增加時，各向均值呈震蕩趨勢，且側(cè)向角域RCS均值較高，其余三個角域接近；俯仰角變化時，側(cè)向振蕩性較大，最高可達(dá)16.5055 dBsm，前向先增大后減小，最大時為3.1553 dBsm，后向、周向振蕩增加。研究結(jié)果對高空高速飛行器布局的電磁散射特性及該類布局飛行器的隱身設(shè)計都具有一定的參考研究意義。