某型無人艇載設(shè)備防護(hù)罩的隱身設(shè)計(jì)與仿真

錢前進(jìn)

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所,河南 鄭州 450000)

隨著雷達(dá)探測系統(tǒng)的目標(biāo)搜索、跟蹤能力的迅速提高,艦艇等傳統(tǒng)的任務(wù)平臺(tái)被發(fā)現(xiàn)和命中的概率不斷地增加,為了提高其生存能力,必須降低艦艇自身信號(hào)特征,實(shí)現(xiàn)隱身。雷達(dá)隱身技術(shù)主要運(yùn)用外形設(shè)計(jì)、吸波隱身材料和等離子體等隱身技術(shù)來降低探測目標(biāo)的平均雷達(dá)散射截面積(Radar Cross Section,RCS),從而降低被探測目標(biāo)的信號(hào)特征。其中外形設(shè)計(jì)主要利用不同外形的物體具有不同的雷達(dá)波散射特性,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)反射波偏離雷達(dá)發(fā)射方向[1-2]。外形設(shè)計(jì)隱身技術(shù)具有環(huán)境適應(yīng)性好、適應(yīng)頻帶寬、效果好等優(yōu)點(diǎn)。在開展外形隱身設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免強(qiáng)反射源,主要考慮以下幾個(gè)方面的因素[3-4]:(1)避免鏡面反射；(2)避免防護(hù)罩外側(cè)暴露的縫隙、腔體、缺口等；(3)避免防護(hù)罩外側(cè)的邊緣或尖頂結(jié)構(gòu)；(4)減小外形尺寸；(5)使用埋入式可升降的作戰(zhàn)平臺(tái)；(6)采用多棱面外形、外形融合技術(shù),避免角反射器結(jié)構(gòu)等。文獻(xiàn)[5]對(duì)某型防護(hù)罩模型開展RCS 仿真和散熱圖分析,提出了對(duì)身管全覆蓋,改變防護(hù)罩的側(cè)面傾角和采用“V”型斜面的手段,并通過RCS 仿真驗(yàn)證了方法的合理性。文獻(xiàn)[6]將大口徑艦炮的防護(hù)罩設(shè)計(jì)為多面體,通過改進(jìn)各面板的傾角獲得了隱身性能較好的設(shè)計(jì)方案,并通過RCS 仿真驗(yàn)證了方案的合理性。

但單純依靠外形隱身設(shè)計(jì)無法達(dá)到最佳隱身效果,因此采用外形隱身設(shè)計(jì)輔助吸波隱身材料是艦艇雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)中的首選手段[7-8]。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了3 種傾斜角度的防護(hù)罩隱身方案,采用PO 算法進(jìn)行RCS 仿真,確定了艦面設(shè)備防護(hù)罩的優(yōu)選設(shè)計(jì)方案,并通過涂覆隱身材料進(jìn)一步提高了防護(hù)罩的隱身性能。

為了滿足艦艇的指標(biāo)要求,通常將探測設(shè)備和打擊單元集成布置,并安裝在無人艇艇甲板面的開闊位置。無人艇體積小,在強(qiáng)化艇體隱身設(shè)計(jì)后其RCS 并不大,如果集成布置后的設(shè)備不采取隱身措施處理,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的雷達(dá)反射亮點(diǎn),對(duì)整個(gè)艇的隱身性能產(chǎn)生舉足輕重的影響。由于設(shè)備集成布置后的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜難以通過外形設(shè)計(jì)降低RCS 值,因此需要設(shè)計(jì)一種隱身防護(hù)罩降低其RCS 值。

1 雷達(dá)散射截面積計(jì)算

雷達(dá)散射截面積是目標(biāo)的假想面積,用一個(gè)各向均勻的等效反射器的投影面積表示,該等效反射器與被定義的目標(biāo)物體在接收方向單位立體角內(nèi)具有相同的回波功率。雷達(dá)散射截面積一般用符號(hào)σ 表示,其理論定義式為[9]:

式中,ES,HS分別為散射電場和磁場,Ei,Hi分別為入射電場和磁場,R 為目標(biāo)和接收天線的距離。

RCS 可以直觀地理解為雷達(dá)接收機(jī)位置的散射功率密度和目標(biāo)物體處的入射功率密度之比。RCS 是目標(biāo)物體的屬性,與雷達(dá)的距離無關(guān)[10]。

σ 的常用單位是m2,但是由于目標(biāo)物體的RCS 變化的動(dòng)態(tài)范圍很大,通常也以對(duì)數(shù)形式給出,使用dBsm分貝平方米表示,即:

式中,右邊σ 的單位是m2。

2 初始模型

考慮到防護(hù)罩全生命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性,防護(hù)罩主要采用外形隱身設(shè)計(jì)技術(shù)。根據(jù)某型設(shè)備的集成布置特點(diǎn),設(shè)計(jì)了滿足安裝要求的防護(hù)罩,初始模型如圖1 所示。防護(hù)罩周向共7 個(gè)傾斜面,各面均向上內(nèi)傾10°,設(shè)傾角內(nèi)傾為正值。

圖1 防護(hù)罩初始模型

在無人艇的工作場景中,對(duì)無人艇威脅最大的是艦載搜索雷達(dá)和火控雷達(dá),且多為單站雷達(dá),主要工作在S 波段(2～4GHz)和X 波段(8～12GHz),仿真中取這兩個(gè)波段的中心頻點(diǎn)3GHz 和10GHz。防護(hù)罩外形尺寸顯然大于波長,是典型的電大尺寸問題求解。高頻物理光學(xué)法(physical optics,PO)是快速求解電大尺寸物體RCS 的常用算法,該算法通過對(duì)感應(yīng)場的近似積分而求得反射面上的電流分布；多層快速多極子法(Multi Level FastMultipole Method,MLFMM)是精確地全波算法,計(jì)算結(jié)果精確但是計(jì)算代價(jià)大；多層快速多極子與高頻物理光學(xué)法混合算法(MLFMM+PO)能夠在保證計(jì)算精度的同時(shí)提高求解速度,適合求解電大尺寸問題。

3 初始模型的仿真分析

防護(hù)罩坐標(biāo)系設(shè)置如圖2 所示,取防護(hù)罩正前方為X 軸正方向。

圖2 防護(hù)罩坐標(biāo)系設(shè)定

雷達(dá)對(duì)水面目標(biāo)的探測方向近似平行于水面[11],在仰角方向上基本限制在相對(duì)于水面0°～3°,在方位角方向上是均等的[6]。選取探測仰角θ 為87°～90°,間隔1°；方位角φ 為0°～360°,間隔1°,進(jìn)行單站RCS 仿真計(jì)算,防護(hù)罩為全金屬化物體,采用平面波,極化方式采用垂直極化。

分別在3GHz 和10GHz 的頻率下,計(jì)算不同探測仰角時(shí)的RCS 值,將仿真結(jié)果歸一化處理如圖3。

圖3 不同探測仰角周向RCS 垂直極化對(duì)比

不同頻率下,不同探測仰角的RCS 均值對(duì)比如表1。

表1 不同頻率、不同探測仰角的RCS 均值(m2)

由圖3 和表1 分析可知:(1)同一頻率下,隨著探測仰角的減小,防護(hù)罩周向RCS仿真值增大,即增大防護(hù)罩可探測面與雷達(dá)波的夾角,可以減小防護(hù)罩的RCS 值；(2)在最大探測仰角時(shí),不同頻率的RCS 均值大于0.1m2,不滿足設(shè)計(jì)要求的RCS 值小于0.05m2,需要對(duì)初始防護(hù)罩進(jìn)行優(yōu)化。

4 防護(hù)罩優(yōu)化及仿真分析

根據(jù)3 節(jié)中的仿真結(jié)果,增大防護(hù)罩各個(gè)面的傾角,考慮到無人艇安裝空間限制,各面傾角范圍設(shè)為10°～30°,間隔1°。采用垂直極化方式在遠(yuǎn)場單站RCS、平面波、探測仰角為90°時(shí),對(duì)各個(gè)模型在不同頻率下(3GHz 和10GHz)的RCS 進(jìn)行仿真計(jì)算。

各模型的RCS 均值計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 3GHz 和10GHz 下防護(hù)罩周向RCS 均值(m2)

由表2 和圖4 仿真結(jié)果可知,隨著防護(hù)罩傾角增大,防護(hù)罩周向RCS 仿真值逐漸減小,在防護(hù)罩周向各面傾角為22°時(shí),防護(hù)罩在3GHz 和10GHz 下均有較小的RCS 值,并且滿足RCS 均值小于0.05m2的設(shè)計(jì)要求。

圖4 3GHZ 和10GHZ 時(shí)防護(hù)罩周向RCS 均值結(jié)果對(duì)比

優(yōu)化后的防護(hù)罩三維模型如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化后防護(hù)罩三維模型

在探測仰角87°時(shí)計(jì)算優(yōu)化后防護(hù)罩在不同波段下的RCS 均值,并與防護(hù)罩初始模型的RCS 仿真值對(duì)比,歸一化處理后結(jié)果如圖6 所示。

圖6 防護(hù)罩優(yōu)化前后周向RCS 仿真值對(duì)比

由圖6 可知,在探測仰角為87°時(shí),與初始模型相比,優(yōu)化后的防護(hù)罩在S 波段中心頻點(diǎn)的RCS 均值降低97%,在X 波段中心頻點(diǎn)的RCS 均值降低78%,防護(hù)罩的隱身性能明顯提高,滿足無人艇的雷達(dá)隱身需要。

5 結(jié)論

本文針對(duì)某型無人艇載集成設(shè)備的雷達(dá)隱身需求,設(shè)計(jì)了滿足無人艇安裝空間要求的防護(hù)罩,并利用外形隱身設(shè)計(jì)方法,通過改變防護(hù)罩周向各斜面的傾角,得到了隱身性較好的防護(hù)罩外形,為同類產(chǎn)品防護(hù)罩的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。