座艙及進氣道對某飛翼布局電磁散射影響

劉戰(zhàn)合，王菁，王曉璐，周鵬，石金祥

(1.鄭州航空工業(yè)管理學院 航空工程學院，鄭州 450046)(2.鄭州航空工業(yè)管理學院 電子通信工程學院，鄭州 450046)

0 引 言

飛翼是現(xiàn)代軍用飛行器的重要布局型式，具有升力大、航程遠、高隱身性能等優(yōu)勢[1-3]，可用于執(zhí)行轟炸(例如美軍B-2隱身轟炸機)、對地攻擊、空中加油等任務，隨著飛翼飛行控制技術的發(fā)展，該布局型式也成為軍用無人機的重要方式，例如美軍X-47B、X-45C、X-45A等無人作戰(zhàn)飛行器等。隨著探測技術的發(fā)展和更新，對軍用飛行器的突防能力提出了更高要求，實現(xiàn)的重要技術途徑是隱身性能[4-6]。通常執(zhí)行轟炸、對地攻擊等任務的飛行器面臨的探測器多數(shù)來自前方，同時，執(zhí)行任務結束后，其后向將朝向探測方向，因此，其隱身性能的主要需求體現(xiàn)在前向和尾向一定范圍內[7-9]。

為了提高隱身性能，飛翼布局飛行器通常采用埋入式彈艙、吸波材料、座艙玻璃鍍膜、進氣道口面鋸齒化等技術以降低可探測信號[10-12]。即使采用了諸多手段，進氣道、座艙依然是影響隱身性能的重要組成部分[4-5]。張彬乾等[1]研究飛翼布局的氣動、隱身綜合設計方法；M.V.Sevoor等[6]采用射線追蹤法研究了幾種不同布局飛翼的單站散射特性；張樂等[11]對飛翼布局的進氣道氣動、隱身設計進行了研究，分析座艙和進氣道對飛翼布局的影響較少。

本文以美軍B-2隱身轟炸機為基礎，建立電磁分析模型，采用物理光學法(Physical Optics，簡稱PO)，計算不同狀態(tài)(俯仰角、頻率)下的RCS曲線，基于RCS均值相對增值概念，研究并分析座艙、進氣道及二者兼具時對飛翼布局電磁散射貢獻，為飛行器隱身設計提供技術參考。

1 基于B-2的飛翼布局電磁模型

以美軍B-2隱身轟炸機為基礎，建立四種三維實體電磁分析模型，依次定義為A、B、C、D，如圖1所示，A為無進氣道、座艙的電磁模型，B為僅含座艙的電磁模型，C為僅含兩個進氣道的電磁模型，D為含座艙、進氣道的電磁模型。以A模型為基礎，結合B、C、D逐次分析座艙、進氣道、座艙和進氣道對電磁散射的影響，其中座艙、進氣道均采用曲面融合技術提高隱身性，進氣道口面采用鋸齒化處理。飛翼布局幾何尺寸為：機身長21.2 m、翼展52.4 m、高4.54m、后掠角29.9°。

A B C D
圖1 飛行器電磁計算模型
Fig.1 Electromagnetic computation models of aircrafts

如前所述，對本文研究對象的隱身轟炸機，在執(zhí)行任務過程中，將面臨來自敵方的多種平臺探測器的跟蹤、識別風險，考慮到飛翼布局基本不會有較大的機動動作，因此，研究時重點考慮前向和后向的隱身特性，本文中以飛行器前向30°(H-30)、后向30°(T-30)散射影響為主要研究內容，并兼顧側向30°(S-30)、周向360°(W-360)角域散射特性?？紤]到探測器頻率的多樣性，計算分析時入射電磁波頻率分別包含1、3、6、10、15 GHz；同時，飛行器方位角為0°～360°，俯仰角設定為-10°、-5°、0°、5°、10°。

2 計算方法與精度驗證

對本文計算目標，入射電磁波頻率1、3、6、10、15 GHz分別對應的電尺寸為174.7、524、1 048、2 620，為典型的電大尺寸。用于飛行器目標的RCS計算方法可以分為低頻和高頻算法，低頻方法如多層快速多極子算法(Multilevel Fast Multipole Algorithm，簡稱MLFMA)[13-14]、時域有限差分法(Finite Difference Time Domain，簡稱FDTD)盡管具有較高的計算精度，但在處理電大尺寸目標問題上會面臨內存占用、計算速度、計算精度的較大難度，甚至不能完成計算；而高頻算法如等效電流法、物理繞射理論、一致繞射理論等在處理電大尺寸問題上有較大優(yōu)勢，但計算精度較低。物理光學法與MLFMA同樣基于表面積分方程，為提高計算速度，物理光學法僅保留了MLFMA[15]的面元自身耦合強散射作用，將面元之間的弱耦合散射作用忽略(適用于處理光滑目標)，保留了MLFMA的部分高精度優(yōu)勢。對本文電大尺寸光滑目標，忽略局部結構之間的弱散射作用，可采用物理光學法進行計算分析?；谇衅矫娼疲玫矫嬖系腞CS平方根為

(1)

基于目標網(wǎng)格劃分，對所有散射面元求和，按相位疊加得到：

(2)

為了驗證本文采用的PO方法數(shù)值結果正確性，以直角等腰三角形金屬柱(直角邊邊長為1 m，金屬柱高1 m)為計算分析對象，入射電磁波波長0.1 m，俯仰角0°。分別采用PO和高精度MLFMA計算，RCS曲線對比結果如圖2所示，由于為等腰直角三角形，僅計算0°～180°角域范圍(即沿等腰直角三角形高線對稱的一半角域計算)。其中MLFMA(MOM)計算結果為HH極化。

圖2 金屬柱RCS計算對比曲線Fig.2 RCS comparison curves of metal pillar

從圖2可以看出：二者RCS計算曲線吻合很好，0°～180°角域物理光學法和MLFMA誤差為0.863 5 dB，其中90°～180°實際上接近于平板散射效果，表明PO方法有足夠好的計算精度，可用于本文的光滑研究對象及其高頻段RCS計算分析。

3 電磁散射影響研究方法

(3)

(4)

本文中RCS計算結果單位為dBsm，記第i個入射角的RCS為σdBsm,i，而σdBsm,i在RCS較小時將會小于0 dBsm，引起分析不便，因而主要討論其算術均值：

(5)

為了研究在關注角域內的電磁散射影響規(guī)律，首先結合不同飛行器(電磁模型A、B、C、D)RCS散射曲線分布特點對比，并結合散射峰值幅值、寬度、位置及其變化特性來分析座艙、進氣道的電磁散射影響。

為了量化分析其影響特點，區(qū)別于采用單獨研究部件電磁散射特性的方法[11-12]，本文以飛行器整機為基礎平臺，分別將研究對象座艙、進氣道、座艙和進氣道與平臺結合，通過相互比較來研究各部件電磁散射影響。

基于以上考慮，為了分析方便，定義電磁模型B、A在同一角域內的RCS算術均值的相對增值如下：

(6)

從式(6)可以看出：例如δB-A大于0 dB，表明電磁模型B相對A在關注角域內的電磁散射信號增強，而隱身性能減弱，即對A和B來說，座艙會增加該角域內的RCS，降低隱身性能，δB-A越大，電磁散射影響越大，隱身性能降低越明顯。

4 電磁模型散射特性影響

4.1 座艙及進氣道對RCS曲線特性影響

本文重點關注座艙和進氣道對飛行器整機電磁散射的影響，以整機為基礎，通過不同部件的相互對比來分析?？紤]到飛翼本身具有較高的隱身性能，為了不破壞飛翼布局飛行器的高隱身性，座艙采用曲面光滑過渡，進氣道為鋸齒型口面，且方向平行于機翼前后緣方向，提高隱身性能。鑒于各頻率、俯仰角下的影響特性類似，以俯仰角0°時、入射電磁波頻率3 GHz為例進行分析，四種電磁模型RCS對比曲線如圖3所示。

從圖3可以看出：電磁模型A、B、C、D的RCS曲線分布具有一定的相似性，沿周向方位角依次在30°(波峰1)、90°(波峰2)、46°(波峰3)左右對稱分布有6個散射波峰，由于四種模型的區(qū)別僅在于座艙和進氣道，且考慮了隱身設計，RCS散射特性接近。波峰1為飛行器前緣的鏡面散射，該波峰位置30°與飛行器后掠角29.9°一致；波峰2位于側向90°，該波峰為機翼、機身、進氣道、座艙等飛行器部件在側向的鏡面散射、繞射的綜合表現(xiàn)；波峰3位機翼后緣的鏡面散射綜合表現(xiàn)，后緣采用鋸齒型方式，將后向散射轉化到波峰3對應位置，有效提高了后向隱身性能。

從RCS曲線整體分布特點來看，四種模型以6個波峰為核心，具有典型的隱身特性。

從曲線分布來看，座艙和進氣道考慮了部分隱身設計，但其對飛行器電磁散射特性有一定影響。與A相比較，電磁模型B、C、D的散射曲線依次向外擴散，說明座艙、進氣道、座艙和進氣道散射影響依次增加；同時考慮隱身設計平滑過渡的座艙影響較小，而進氣道、座艙和進氣道的影響較大，且C和D接近。

從波峰分布和峰值大小變化規(guī)律來看，隱身處理后的座艙、進氣道等部件并不影響波峰分布特點。對機翼前緣鏡面散射的波峰1，僅考慮座艙的電磁模型B幾乎不產(chǎn)生影響，而包含進氣道的C和D模型對波峰1有一定貢獻，使其波峰寬度變大，這是由于進氣道口面采用鋸齒化形狀，而鋸齒化邊與前緣鏡面散射疊加增加了散射強度和影響角域。對波峰2，座艙、進氣道、座艙和進氣道電磁影響依次增大，且變化范圍較大，表現(xiàn)在波峰強度和寬度兩方面，如前所述，波峰2電磁散射主要由機翼、機身、座艙、進氣道側向投影面積決定，而對側向，座艙、進氣道側向面積相對較大，其鏡面散射的耦合散射表現(xiàn)為重要組成部分。對波峰3，與波峰1類似，為機翼后緣和進氣道尾噴口鋸齒型口面的綜合表現(xiàn)，座艙表現(xiàn)并不明顯。

隱身性能主要從前向和后向一定角域來研究，從曲線分布來看，四種模型的曲線在前向角域內，曲線接近，說明本文考慮隱身化措施的座艙和進氣道對前向散射影響較?。粚笙蚪怯?，可以看出：模型B、C、D散射依次增強，表明響應各部件影響依次變大。

4.2 RCS相對增值分析

相對增值包含δB-A、δC-A、δD-A，對電磁模型A、B、C、D，C僅含進氣道，可視為無人飛行器，D含座艙和進氣道，為有人飛行器電磁模型。盡管模型有所不同，但四種模型的RCS相對增值變化規(guī)律相似，以δD-A為例進行分析，研究H-30、S-30、T-30、W-360角域內的RCS相對增值特點，進而分析對應部件的電磁散射影響。各種狀態(tài)下δD-A的RCS相對增值如表1所示。

表1 模型D和A的RCS相對增值Table 1 RCS relative value of model A and D

從表1可以看出：座艙和進氣道對飛行器電磁散射有重要影響，且因入射電磁波頻率、俯仰角的變化而變化。前向和后向角域是飛行器隱身性能影響的重要角域，在前向和后向30°角域，即H-30、T-30，座艙和進氣道的出現(xiàn)會在一定程度上增加該角域內的散射強度，且前向的影響較小，大多在10 dB以內，以滿足前向隱身性能需求；而后向角域內影響較大，俯仰角為0°時，RCS相對增值在10 dB以上，最高時達22.572 2 dB。對側向30°和周向，即S-30、W-360，結合圖3的側向波峰變化趨勢，可以看出：座艙和進氣道對側向角域貢獻最大，在15～28 dB以內，明顯強于前向和后向影響，而對無需太多機動飛行的飛翼類型，側向角域散射強度的增加對隱身性能影響不大；對周向360°角域，相對增值在10 dB左右，為座艙和進氣道在周向RCS散射特性的影響，尤其受側向峰值和相對增值影響較明顯?？梢姡摵瓦M氣道的電磁散射影響大小依次為：S-30、T-30、W-360、H-30。同時，可以看出，俯仰角增加時，相對增值增大，而頻率變化時增值振蕩變化。

4.3 小 結

四種模型的RCS曲線分布相似，具有較好的隱身性能；座艙、進氣道的電磁散射影響在側向最為明顯，其次是后向、前向；考慮隱身設計的座艙和進氣道不會產(chǎn)生前向和后向散射波峰，從而利于飛行器隱身。

5 座艙及進氣道電磁散射特性影響

根據(jù)執(zhí)行任務面臨探測器特點，從兩方面分析。一是來自不同方位角的雷達探測，即方位角和俯仰角的變化影響，計算時，每條RCS曲線已經(jīng)計入方位角，因此主要分析俯仰角影響，即俯仰角響應特性；二是探測器不同的頻率，需要研究多個不同頻率下的座艙、進氣道散射影響，即頻率響應特性。

5.1 俯仰角響應特性

與上述分析角域相似，對隱身性能影響較為明顯的前向30°角域(H-30)、后向30°角域(T-30)，及側向30°角域(S-30)、周向360°角域(W-360)，采用RCS相對增值來分析響應模型部件帶來的電磁散射影響。H-30、T-30角域RCS相對增值隨俯仰角變化曲線如圖4所示，S-30、W-360角域RCS相對增值隨俯仰角變化曲線如圖5所示，入射電磁波為3 GHz。

圖4 相對增值俯仰角響應曲線(H-30、T-30)Fig.4 Response curves of relative values with pitch angle (H-30,T-30)

圖5 相對增值俯仰角響應曲線(S-30、W-360)Fig.5 Response curves of relative values with pitch angle (S-30,W-360)

從圖4～圖5可以看出：俯仰角變化時，四個角域內相對增值基本大于0 dB，表明在較小的俯仰角范圍內，座艙、進氣道均會增加四個角域內的電磁散射，不同程度的降低隱身性能。

從圖4可以看出：對H-30，俯仰角由-10°～10°增加時，B的相對增值變化幅值較小，在0～2 dB之間，說明考慮隱身的座艙對前向30角域隱身影響較??；而C和D模型在俯仰角增大時，相對均值有較大增加，結合表1，變化范圍為2～12 dB，這是由于俯仰角的變化引起進氣道口面角度的變化，產(chǎn)生了部分較強的耦合散射，同時也說明，俯仰角變化時，座艙對前向角域RCS影響不大，而進氣道影響相對較強。對T-30，相對值均值變化特性基本一致，但進氣道對電磁散射影響更為明顯，俯仰角增加時，B的相對增值與前向角域變化接近，C、D的相對增值在5°時甚至達20 dB以上，因此，對后向來說，有必要進一步提高進氣道尾噴口隱身性能。總體來看，考慮隱身的座艙對RCS相對增值影響較小，進氣道影響較為明顯(盡管從RCS曲線來看，本文鋸齒化口面進氣道在前向和后向并無散射峰值，具有較好隱身性)，同時，座艙和進氣道的影響與單個進氣道的影響接近。

從圖5可以看出：俯仰角變化時，側向和周向RCS相對增值的影響較小，同時具有與前向和后向角域部分類似規(guī)律。對S-30，對于同一模型，相對增值變化較小，這是由于俯仰角的變化不會引起側向散射機理的變化；對W-360，模型B相對增值接近于0 dB，且隨俯仰角變化較小，而對C和D，鑒于考慮到前向、后向、側向的綜合貢獻，相對增值隨俯仰角變大有一定增加。

總上所述，考慮隱身的座艙的模型B相對增值較小，且俯仰角的變化對其影響較小，考慮進氣道的模型C、進氣道和座艙綜合作用的模型D散射特性接近，且相對增值較模型B大；俯仰角對不同角域有不同影響，T-30影響最大，其次是H-30、S-30、W-360。因此，要進一步提高飛行器隱身性能，可減小進氣道在前向、后向的RCS散射。

5.2 頻率響應特性

為了進一步研究頻率對相對增值的影響，H-30、T-30角域RCS相對增值隨頻率變化曲線如圖6所示，S-30、W-360角域RCS相對增值隨頻率變化曲線如圖7所示，俯仰角為0°。

圖6 相對增值頻率響應曲線(H-30、T-30)Fig.6 Response curves of RCS relative values with frequency (H-30、T-30)

圖7 相對增值頻率響應曲線(S-30、W-360)Fig.7 Response curves of RCS relative values with frequency (S-30、W-360)

從圖6～圖7可以看出：隨著入射電磁波頻率的增加，四個角域的RCS相對增值呈不同的變化趨勢，相對增值影響最為明顯的是T-30，而W-360相對增值變化較小。

從圖6可以看出：對H-30和T-30，頻率增加時，模型B、C、D的相對增值變化趨勢類似，相對增值大小依次為B、C、D，模型B最小。模型B的H-30和T-30相對增值分別在0、3dB左右振蕩變化，表明座艙對H-30、T-30的電磁散射影響較小，幾乎不影響該角域隱身性能，需要說明的是，在H-30，相對增值在-2.4～1dB之間；增加了進氣道、座艙和進氣道的模型C、D則不同，二者相對增值隨頻率的增加有減小趨勢，其中D模型的H-30和T-30在頻率1 GHz時最大，T-30在20 dB以上，說明進氣道對飛行器的電磁散射影響較大，且對頻率較為敏感。對H-30和T-30角域，H-30角域的相對增值較大，且變化趨勢較為劇烈，說明進氣道尾噴口口面隱身設計影響較大，對后向的電磁散射影響也較大。

對側向S-30和周向W-360角域，從圖7可以看出：相對增值變化趨勢稍微不同，S-30角域RCS相對增值較W-360大，且受頻率變化的影響也較大。從相對增值幅值角度講，S-30角域為四個角域中最大者，結合RCS散射曲線圖3，座艙、進氣道的出現(xiàn)，增加了側向的電磁散射，甚至是鏡面散射效果。對模型B，頻率增加時，S-30的相對增值在9.7～11.4 dB之間，W-360相對增值在3.1～3.6之間，均呈微弱振蕩趨勢，說明座艙盡管在一定程度上增加了電磁散射，但相對增值基本不隨頻率變化而變化；對模型C、D，入射電磁波頻率增加時，S-30的相對增值逐漸增加，而W-360表現(xiàn)為較小幅度的減小趨勢。觀察模型C和D的相對增值變化曲線，可以看出：二者幾乎重合，模型D表現(xiàn)最為突出，說明進氣道、進氣道及座艙的電磁散射影響基本接近，即相對進氣道電磁散射貢獻來講，隱身化后的座艙電磁散射影響較小，已基本淹沒在進氣道的電磁散射中。

5.3 小 結

俯仰角對RCS相對增值變化趨勢有較大影響，俯仰角增加時，模型B的各向角域相對增值變化不大，模型C、D的H-30、T-30、W-360相對增值震蕩增加，S-30震蕩變化；在仰角5°時影響最大，模型D在T-30的相對增值可達25.194 2 dB。

入射頻率增加，四個模型的相對增值變化趨勢不一，模型B的各向角域相對增值變化較小，模型C、D在H-30、T-30相對增值震蕩減小，S-30相對增值逐漸增加，W-360呈較弱減小趨勢；1 GHz時模型D在T-30的相對增值可達22.572 2 dB。

6 結 論

(1)采用曲面融合技術等隱身技術的座艙和進氣道不影響飛行器RCS曲線周向分布特性，利于實現(xiàn)飛行器隱身，座艙、進氣道會增強側向電磁散射，對后向有一定影響，前向無明顯影響。

(2)俯仰角增加時，座艙對各向角域相對增值影響較小，而進氣道、混合座艙和進氣道的部件在前向、后向、周向角域上的電磁散射相對增值呈震蕩性增加趨勢，側向角域震蕩變化。頻率增加時，座艙的RCS相對增值影響較小，進氣道、混合座艙和進氣道的部件在前向、后向上相對增值震蕩減小，隱身性能提高。

(3)隱身化座艙的電磁散射影響較弱，前向相對增值僅為-2.4～1 dB，進氣道、混合座艙和進氣道的部件電磁散射影響較大，幅值接近，進氣道引起的前向相對增值在2～12 dB之間。