變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)后向雷達(dá)隱身性能計(jì)算

崔金輝，李大為

(中國(guó)航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015)

1 引言

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(VCE)是在常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)部件形狀、尺寸、位置達(dá)到改變熱力循環(huán)的目的，可通過調(diào)節(jié)流量、增壓比和涵道比使發(fā)動(dòng)機(jī)在多種飛行條件和工作狀態(tài)下都具有良好的使用性能和較高的工作效率，可有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率和航程等[1-3]。

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)由于其明顯的性能優(yōu)勢(shì)，得到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和技術(shù)人員的大量研究，取得了很多有價(jià)值的成果[4-8]。從公開文獻(xiàn)資料看，目前的研究主要集中于變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的部件優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能計(jì)算、優(yōu)勢(shì)分析和數(shù)學(xué)建模[9-12]，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)雷達(dá)隱身特性的研究較少。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)由于流路結(jié)構(gòu)上的改變，必然會(huì)對(duì)后向雷達(dá)隱身性能產(chǎn)生影響，而后向雷達(dá)隱身特性對(duì)飛機(jī)的綜合隱身性能起著至關(guān)重要的作用，因此有必要對(duì)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的后向雷達(dá)隱身特性進(jìn)行計(jì)算，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和隱身性能優(yōu)化提供參考。

早期對(duì)腔體雷達(dá)散射截面積(RCS)的計(jì)算分析，應(yīng)用較多的是模式匹配方法[13]，該方法在計(jì)算規(guī)則且軸向變化不大的腔體時(shí)具有較高的可靠性，但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。后來發(fā)展了一些基于射線理論的高頻近似方法，如彈跳射線法(SBR)[14]、廣義射線法(GRE)[15]等，雖縮短了計(jì)算周期，但增加了計(jì)算復(fù)雜度，且由追蹤射線的積累誤差而導(dǎo)致射線出射點(diǎn)位置與方向發(fā)生偏移，影響了計(jì)算結(jié)果精度。因此，文中采用兼顧可靠性和計(jì)算速度的物理光學(xué)迭代法(IPO)[16-17]，計(jì)算變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)后向雷達(dá)隱身性能。

本文對(duì)帶分流環(huán)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和不帶分流環(huán)且具有相似幾何結(jié)構(gòu)的常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行后向雷達(dá)隱身性能計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為后續(xù)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)和約束條件。

2 物理模型

對(duì)不帶加力燃燒室的雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和常規(guī)單外涵構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模，其二維結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。常規(guī)構(gòu)型單外涵發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)外涵氣流在渦輪出口截面處混合后經(jīng)噴管排出。雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在低壓渦輪出口處增加了內(nèi)外涵分流環(huán)和第二外涵引射閥門，其中引射閥門主要控制第二外涵的打開和關(guān)閉，分流環(huán)類似于收斂噴管，使內(nèi)涵氣流加速后單獨(dú)排出。第二外涵關(guān)閉模式下，只有第一外涵的氣流排出；第二外涵打開模式(變循環(huán)模式)下，第二外涵氣流經(jīng)引射閥門排出后與第一外涵氣流混合，然后經(jīng)噴管排出發(fā)動(dòng)機(jī)。為計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)后向電磁隱身性能，根據(jù)計(jì)算需要并參考發(fā)動(dòng)機(jī)后體結(jié)構(gòu)，完成了發(fā)動(dòng)機(jī)后向隱身性能計(jì)算所需的三維簡(jiǎn)化構(gòu)型，如圖3和圖4所示。

圖1 雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型Fig.1 Configuration of VCE with double bypass

圖2 常規(guī)單外涵發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型Fig.2 Configuration of engine with single bypass

圖3 雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)隱身性能計(jì)算模型Fig.3 Stealth performance computing model of VCE with double bypass

圖4 常規(guī)單外涵發(fā)動(dòng)機(jī)隱身性能計(jì)算模型Fig.4 Stealth performance computing model of engine with single bypass

3 計(jì)算方法和網(wǎng)格劃分原則

3.1 物理光學(xué)迭代法

Obelleiro-Basteiro等提出的物理光學(xué)迭代法[16-17]是一種有效分析電大尺寸腔體散射特性的高頻近似方法，該方法考慮了電磁波的多次散射，經(jīng)多次迭代完成對(duì)物體表面實(shí)際感應(yīng)電流的計(jì)算。相比SBR法，IPO法提高了計(jì)算精度，且計(jì)算時(shí)每平方波長(zhǎng)僅需劃分9～16 塊小面元就可獲得較好的精度，適合于計(jì)算角反射器、腔體等物體的電磁散射，目前已在隱身計(jì)算領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[18-21]。

3.2 網(wǎng)格劃分原則

進(jìn)行RCS 計(jì)算時(shí)，需要對(duì)腔體內(nèi)壁面進(jìn)行離散，將其劃分為多個(gè)面網(wǎng)格。由于腔體壁面感應(yīng)電流的計(jì)算僅與腔體內(nèi)壁面上的面網(wǎng)格有關(guān)，而與腔體內(nèi)部體網(wǎng)格的疏密和數(shù)量無關(guān)，因此對(duì)腔體劃分網(wǎng)格時(shí)按照面網(wǎng)格密集而體網(wǎng)格稀疏的原則。

對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，首先在腔體內(nèi)壁面生成較為密集的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以面網(wǎng)格為基礎(chǔ)設(shè)置體網(wǎng)格的生長(zhǎng)率——生長(zhǎng)率越大網(wǎng)格越少，反之亦然。文中設(shè)定生長(zhǎng)率為10 000(即足夠大)。體網(wǎng)格也采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果沒有影響，降低體網(wǎng)格數(shù)量可加快計(jì)算速度。圖5 給出了雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)后向雷達(dá)隱身性能計(jì)算時(shí)的面網(wǎng)格示意圖，圖中從內(nèi)到外依次是錐體、分流環(huán)和噴管壁面。

圖5 面網(wǎng)格示意圖(后視圖)Fig.5 Sketch of surface mesh(back view)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)隱身特性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，設(shè)定入射波的波長(zhǎng)λ為0.03 m(頻率為10 GHz)。

4.1 算法驗(yàn)證

為驗(yàn)證RCS 數(shù)值計(jì)算方法的可靠性，對(duì)某圓柱腔體模型[21]進(jìn)行RCS數(shù)值計(jì)算。圖6示出了水平極化和垂直極化方式下本文計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。圖中，σ表示RCS 的大?。沪缺硎救肷浞轿唤堑拇笮?，變化范圍為從0°到40°，0°入射方位角即電磁波以平行于噴管軸線的方向從噴管出口垂直射入腔體內(nèi)部?？梢?，計(jì)算結(jié)果雖不能與試驗(yàn)結(jié)果完全重合，但在相同入射方位角下相差較小，變化趨勢(shì)亦基本吻合。證明了本文采用的RCS 數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。

圖6 RCS計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig.6 Comparison of calculation results and test results of RCS

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

為分析雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的雷達(dá)隱身性能，借助物理光學(xué)迭代法，對(duì)雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和常規(guī)構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)做計(jì)算，得到兩種構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)在水平極化和垂直極化方式下腔體的RCS。

RCS隨入射方位角的變化如圖7所示。計(jì)算結(jié)果表明，任意入射方位角下，無論是水平極化還是垂直極化，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)后向腔體RCS均小于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的RCS。這主要是因?yàn)樽冄h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的分流環(huán)具有遮擋效果，使得入射電磁波尤其是小角度入射電磁波，無法直接照射在渦輪后尾椎和發(fā)動(dòng)機(jī)噴管入口之前的部件，同時(shí)分流環(huán)的曲面形壁面可以使入射電磁波發(fā)生多次折射，進(jìn)而削弱了入射電磁波的能量，減少了電磁波回波百分比，降低了雷達(dá)探測(cè)面積，由此提高了隱身性能。而常規(guī)構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)，由于電磁波入射到腔體內(nèi)部后經(jīng)過的反射次數(shù)少，甚至大部分小角度入射的電磁波直接沿入射方向垂直反射，極大地增加了被雷達(dá)探測(cè)到的幾率，因此其隱身性能較差。

圖7 不同極化方式下RCS與θ之間的關(guān)系Fig.7 The relationship between RCS and θ in different polarizations

4.3 感應(yīng)電流結(jié)果分析

為更加清楚、直觀地分析變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)后向RCS計(jì)算結(jié)果存在差異的原因，用感應(yīng)電流的分析方法對(duì)兩種類型發(fā)動(dòng)機(jī)的隱身性能進(jìn)行分析。

理論研究表明，物體表面感應(yīng)電流線密度(A)越大，輻射場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)和RCS 越大，即雷達(dá)探測(cè)到的反射面積越大[22]。因此，電磁波在某一入射方位角下感應(yīng)電流線密度的大小可以間接反映該方位角上RCS的大小，感應(yīng)電流線密度越大RCS就越大，感應(yīng)電流線密度越小RCS 就越小。腔體感應(yīng)電流線密度可利用磁場(chǎng)積分方程(MFIE)[19，23]求得。

以入射方位角為20°時(shí)的計(jì)算結(jié)果為例，圖8示出了水平極化和垂直極化方式下兩種類型發(fā)動(dòng)機(jī)噴管壁面感應(yīng)電流線密度分布云圖，圖中左側(cè)為帶分流環(huán)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，右側(cè)為不帶分流環(huán)的常規(guī)構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)?？梢姡綐O化方式下，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管壁面感應(yīng)電流線密度為0.000 2～0.001 4 A/m，常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管壁面感應(yīng)電流線密度為0.000 2～0.002 2 A/m；垂直極化方式下，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管壁面感應(yīng)電流線密度為0.000 2～0.001 8 A/m，常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管壁面感應(yīng)電流線密度為0.000 2～0.003 4 A/m。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)感應(yīng)電流線密度明顯小于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)感應(yīng)電流線密度，并且從分布上看，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管壁面上感應(yīng)電流較高的區(qū)域較小。這說明變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管壁面產(chǎn)生的輻射場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)比常規(guī)構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)的小，對(duì)應(yīng)的雷達(dá)散射截面積小，從本質(zhì)上解釋了兩種構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)RCS存在差異的原因。

圖8 不同極化方式下的感應(yīng)電流線密度分布云圖(θ=20°)Fig.8 Contour of induced current linear density distribution in different polarizations(θ=20°)

5 結(jié)論

基于所給出的兩種不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)雷達(dá)隱身性能的計(jì)算和分析，得出以下結(jié)論：

(1) 在計(jì)算航空發(fā)動(dòng)機(jī)后向雷達(dá)隱身性能方面，本文提出的RCS 數(shù)值計(jì)算方法可靠，相同入射方位角下數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

(2) 文中計(jì)算的帶分流環(huán)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)后向雷達(dá)隱身性能優(yōu)于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)，驗(yàn)證了分流環(huán)能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)后向雷達(dá)隱身性能。

(3) 變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管壁面感應(yīng)電流線密度比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的小，是兩種類型發(fā)動(dòng)機(jī)后向雷達(dá)隱身性能存在差異的本質(zhì)原因。

(4) 文中計(jì)算采用的帶分流環(huán)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，是變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)系列構(gòu)型中的一種概念方案，主要借助于其設(shè)計(jì)方案完成變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)隱身性能計(jì)算方法的完善和說明，計(jì)算結(jié)果不能代表其他構(gòu)型變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的隱身性能水平。另外，文中未計(jì)算分流環(huán)的使用對(duì)噴管內(nèi)部流場(chǎng)和發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響，因此在設(shè)計(jì)帶分流環(huán)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，還需在氣動(dòng)和隱身性能之間進(jìn)行權(quán)衡。