基于RCS的艦炮防護罩隱身外形設(shè)計及優(yōu)化

宋洪震，姚忠，康總寬，杜喜昭

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，隱身對于艦船的生存力有著重要的意義[1-4]。水面艦船隱身主要包括雷達隱身、聲隱身、紅外隱身以及其他物理場隱身。對于現(xiàn)代艦船，其海上探測手段主要依靠雷達，海上作戰(zhàn)主要的攻擊武器中如艦炮、反艦導彈等也要依靠雷達系統(tǒng)來完成對目標的指示和制導[5]，因此雷達隱身就特別重要。作為艦面上重要的舾裝件，艦炮位于艦面明顯和開闊的位置，結(jié)構(gòu)上無法與艦船上層建筑融為一體，因其體積大，雷達特征信號顯著，對艦船的隱身性能有較大的影響[6-11]。艦炮的雷達隱身已成為各國海軍的重點關(guān)注問題之一。目前國內(nèi)外對于艦炮隱身的技術(shù)手段主要集中于外形隱身技術(shù)和雷達吸波材料的應(yīng)用[9-12]。外形隱身設(shè)計具有效果好、適應(yīng)波段寬、不需維護等優(yōu)點，是新式武器系統(tǒng)在設(shè)計和研制過程中最為有效和首先應(yīng)當采用的隱身途徑[1,11-12]。如今國內(nèi)外中大口徑艦炮皆使用了具有隱身性能的多面體防護罩，有的還涂覆了吸波涂料[7]。文獻[10]以艦面設(shè)備防護罩為對象，設(shè)計3種不同傾角的隱身外形方案，使用物理光學法對3種方案進行了RCS仿真，確定了隱身外形傾角優(yōu)選方案。文獻[11]使用矩量法對某型無人武器站防護罩初始模型進行了RCS仿真，根據(jù)仿真結(jié)果改進了防護罩側(cè)面的傾斜角度和使用V字形斜面，對無人武器站進行整體覆蓋，實現(xiàn)了武器站整體隱身，為體積較小且需外露的目標實現(xiàn)隱身設(shè)計提供了一種可行的方法。大口徑艦炮防護罩體積大，使用文獻[10-11]隱身外形方案會造成防護罩體積臃腫，質(zhì)量增加，而且尺寸過大的平板結(jié)構(gòu)會增大雷達散射特性，從而使防護罩的隱身性能大大降低。從大口徑艦炮總體布局出發(fā)，利用外形隱身技術(shù)，筆者設(shè)計了一種多面體外形隱身防護罩初始模型，使用物理光學法對其進行RCS仿真來評估防護罩的隱身性能。

1 雷達隱身理論

1.1 雷達截面(RCS)

雷達截面(RCS)是一種表征目標雷達散射強弱的物理量，常用σ來表示量值，單位m2.目標的RCS與目標的幾何外形、尺寸、材料電磁參數(shù)、目標在雷達入射時的姿態(tài)角、入射波的頻率和波形、極化方式等因素有關(guān)[1,12]。目標RCS表示為

(1)

式中：Pt為雷達發(fā)射功率；Pr為雷達接收功率；Gt為雷達發(fā)射增益；Gr為接收天線增益；λ為雷達波長；R為目標到雷達的距離。

從式(1)可知，目標的RCS與探測距離R的四次方成正比。在雷達設(shè)計參數(shù)確定的情況下，降低目標的RCS，可大大縮短雷達的探測距離。

由于RCS值波動比較大，在實際應(yīng)用中常用分貝值(即相對于1 m2的分貝數(shù))來表示：

σdBsm=10 lgσ.

(2)

1.2 外形隱身設(shè)計原則

由于垂直面的鏡面反射>二面角反射>凹腔反射>曲面鏡面反射>爬行波繞射>邊緣反射>尖頂反射>傾斜平面鏡面反射[13],因此在艦炮防護罩外形隱身設(shè)計時應(yīng)盡量避免強反射源，主要考慮以下幾點因素[1,7,8,12]：

1)避免有可能產(chǎn)生鏡面反射的平面、大曲率半徑的鏡面；

2)避免防護罩外側(cè)暴露的縫隙、腔體、缺口等；

3)消除或減少防護罩外側(cè)的邊緣和尖頂結(jié)構(gòu)；

4)避免角反射器結(jié)構(gòu)(如3個平面垂直相形成的角反射器，會使照射過來的電磁波通過多重反射，返回到原來的方向，而且在寬廣的范圍內(nèi),呈現(xiàn)很大的反射面積)；

5)盡量實現(xiàn)防護罩外側(cè)面平滑、干凈，將必須的凸出物和外掛物與防護罩融合體設(shè)計；

6)考慮面對的是單站雷達還是雙站雷達。

2 防護罩初始模型

大口徑艦炮要求防護罩要滿足結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、內(nèi)部空間可供人操作設(shè)備和走動、低RCS等技術(shù)指標。以防護罩長、寬、高為尺寸約束條件，結(jié)合外形隱身設(shè)計原則，設(shè)計了多面體外形隱身防護罩初始模型，如圖1所示。除面板13是內(nèi)傾8°，其余面板都是內(nèi)傾5°，傾角內(nèi)傾為正。

防護罩外形最大尺寸大于200波長(X波段)，屬于電大尺寸物體，占用的CPU核數(shù)和內(nèi)存很大，在一般工作站計算機上難以實現(xiàn)全尺寸計算。因此筆者建立了如圖1所示的防護罩1∶20縮比模型，在電磁仿真軟件FEKO[14]中使用物理光學法(Physical Optics，PO)進行RCS仿真。

2.1 物理光學法(PO)

物理光學法[12,15]是一種計算電大尺寸物體雷達散射截面的電磁仿真算法。物理光學法通過對感應(yīng)場的近似積分而求得散射場，計算表面感應(yīng)電流時完全忽略了各部分感應(yīng)電流相互之間的影響，而僅根據(jù)入射場獨立的近似確定表面感應(yīng)電流。

在應(yīng)用物理光學法來分析目標的散射場問題時，需要從Stratton-Chu積分方程出發(fā)，并做如下假設(shè)：物體表面的曲率半徑遠遠大于波長；物體表面上只有被入射平面波直接照射到的區(qū)域才會產(chǎn)生感應(yīng)電流；物體的受照射表面上的感應(yīng)電流特性和在入射點與表面相切的無限大平面上的電流特性相同。目前使用物理光學法計算目標雷達散射截面，普遍是將目標表面剖分為許多小三角形面元，用這些小三角形面元來求解散射場，對于求解其中的積分，只需要在每個三角形上進行計算，這為計算任意形狀目標的雷達散射截面提供了極大的便利。

防護罩縮比模型尺寸大于仿真頻率波長的10倍，因此其雷達散射特征屬于高頻散射特征區(qū)，而且防護罩外形特征主要是平板結(jié)構(gòu)，因此采用物理光學法(PO)對防護罩進行仿真計算。

2.2 仿真設(shè)定

在FEKO中，坐標系設(shè)置如圖2所示。

對于艦炮的威脅主要是來自敵方艦船和空中雷達的探測，多為單站雷達，二者對艦炮的探測方向近似平行于水面[12]，在仰角方向上基本限制在相對于水面0°～3°，在方位角方向上是均等的。因此，在FEKO中選取探測仰角θ為87°～90°、方位角φ為0°～360°進行遠場單站RCS計算。對艦炮威脅最大的是艦載火控雷達，主要處于X波段，頻率8～12.5 GHz.在仿真中取8、10、12.5 GHz 3種頻率，采用平面波，極化方式分別采用垂直極化、水平極化，防護罩為全金屬化物體。

2.3 仿真結(jié)果分析

對防護罩進行多頻率、多探測仰角下的RCS仿真，結(jié)果如圖3、4所示。

對比圖3、4中RCS曲線可知：

1)防護罩周向RCS的強散射源都處于0°(360°)、90°、180°、270°方位，而且曲線分布規(guī)律一致。

2)同一頻率下，探測仰角從87°增大到90°，防護罩的RCS值逐漸變小。這表明防護罩的RCS值與探測角度有關(guān)，雷達波入射方向與防護罩面板法線之間的夾角(也就是入射角)越大，防護罩的RCS值越小。因此，增大面板的傾斜角度可以減小防護罩的RCS值。

3)在0°(360°)、180°附近雷達特征主波瓣較窄，而在90°、270°附近雷達特征主波瓣寬大，這表明防護罩在0°(360°)、180°附近很窄的區(qū)域內(nèi)雷達特征信號明顯，在90°、270°附近較寬區(qū)域(也就是防護罩兩側(cè)面)內(nèi)的雷達特征信號明顯。這些區(qū)域隱身效果不好，需要采取措施削弱。

3 防護罩外形優(yōu)化

從上述仿真結(jié)果分析中可知：在同一頻率下，防護罩在探測仰角87°時RCS值最大，而通過優(yōu)化防護罩周向各面板的傾斜角度可以減小防護罩周向RCS值。因此，以防護罩周向RCS值極大值為目標函數(shù)，以防護罩底部外形尺寸和空間體積為約束函數(shù)，以各面板傾斜角度為優(yōu)化參數(shù)，在FEKO軟件中采用單純形法算法進行優(yōu)化求解。各面板傾斜角度優(yōu)化設(shè)置如表1所示，優(yōu)化后的防護罩外形如圖5所示。

表1 防護罩周向面板角度表

用垂直極化方式和水平極化方式分別在遠場單站RCS、平面波、多頻率(8、10、12.5 GHz)條件下，對優(yōu)化后的防護罩在探測仰角87°時的RCS進行仿真計算。RCS分布曲線如圖6、7所示。

從圖6、7可知：與優(yōu)化前的防護罩相比，優(yōu)化后的防護罩周向RCS值有明顯降低，尤其在防護罩0°(360°)方位的RCS值降幅最大(傾角變化最大的地方)，在頻率為8、10、12.5 GHz時分別降低了223.9%、137.4%和144.3%，RCS最大值在頻率為8、10、12.5 GHz時分別降低了13%、29.2%和56.6%，而且角度優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的雷達特征主波瓣也明顯收窄，防護罩的隱身性能得到明顯改善。

4 結(jié)束語

針對大口徑艦炮對艦船雷達隱身性能的突出影響，按照隱身外形設(shè)計原則，設(shè)計了一種多面體外形隱身防護罩。通過優(yōu)化防護罩周向各面板的傾斜角度，得到了隱身性能較好的防護罩外形。與優(yōu)化前的防護罩相比，優(yōu)化后的防護罩周向RCS值有明顯降低，防護罩的雷達特征信號得到較好地削弱，防護罩的隱身性能得到很大提高，為其他相似產(chǎn)品防護罩的隱身設(shè)計提供了技術(shù)參考。