飛機表面電磁缺陷研究的低散射載體設計

朱林寰，蘇 飛，葉文娟，李沛恒，許 鼎

(1.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007；2.北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100083)

0 引言

隨著美國F-117、F-22和F-35等隱身飛機在作戰(zhàn)任務中的優(yōu)秀表現(xiàn)，世界上航空強國都在開展雷達散射截面積縮減(Radar Cross Section Reduce，RCSR)技術研究，并從事低RCS隱身飛機的設計及制造,陸續(xù)有新型號隱身飛機投入使用，帶來了RCSR技術的快速發(fā)展。隱身飛機主散射源為座艙/機身/外掛及導彈/垂尾的鏡面反射、進氣道/尾噴口的腔體散射、翼面前后緣的邊緣繞射、垂尾和平尾形成的二面角反射、外露天線和傳感器的尖點繞射等，上述主要散射源在采取有效的抑制措施后，RCS可以降低至負十幾至幾十分貝平方米(dBsm)，此時隱身涂層損傷、結(jié)構(gòu)縫隙和階差等電磁缺陷產(chǎn)生的弱電磁散射源占飛機總體散射比重將大幅增加[1-3]，在某些極化和姿態(tài)角下影響非常明顯，甚至躍升為主散射源?；诖耍陔[身飛機設計及外場維護中需要對飛機上弱散射源開展研究。飛機表面隱身涂層損傷、結(jié)構(gòu)縫隙和階差的電磁散射強度較弱，現(xiàn)有的用于研究上述低散射缺陷問題的電磁計算方法存在精度局限性[4-6]，主要采用測量方式開展弱散射源研究。在制作隱身涂層損傷、結(jié)構(gòu)縫隙和階差研究樣件時，若對樣件邊緣不進行低散射處理，涂層損傷、結(jié)構(gòu)縫隙和階差的散射將會堙沒在樣件邊緣繞射和垂直反射中；若對每類式樣和規(guī)格的樣件進行低散射處理，既會進一步增大樣件尺寸，也將大幅增加研究的時間成本和樣件制造成本。因此，設計樣件測試用的低散射載體是解決上述問題的最有效方法，能夠有效提升弱散射源研究工作效率并降低研究成本[7]。

本文優(yōu)化設計了一種空心低散射載體，可將樣件嵌套到載體中開展電磁散射特性測試。除測試隱身涂層損傷、結(jié)構(gòu)縫隙和階差等研究樣件外，也可用于攻角傳感器、航行燈等機載小部件的隱身性能檢測，以準確評估弱散射源的電磁散射特性。

1 低散射載體設計

1.1 低散射設計主要技術

目標低散射設計技術主要有2方面，一方面是低散射外形設計技術，另一方面是低散射材料設計技術。目前低散射載體主要還是采用外形設計技術，典型目標外形散射機理主要為鏡面反射、邊緣繞射、尖頂繞射、角點繞射、爬行波繞射和行波繞射等。低散射載體外形設計時需同時考慮降低上述散射類型的散射強度，主要原則是改變散射回波的方向，使散射能量集中在非測試、無關區(qū)域，保證低散射載體前向散射能量最少[1]。

1.2 低散射外形設計方法

針對低散射幾何外形設計問題，許小劍[8]提出了一個用于低散射幾何外形設計的萬能解析公式，通過對公式中3個參數(shù)的控制可實現(xiàn)各種低散射幾何截面外形設計，且通過電磁散射的高頻漸近技術，可將該解析式中的形狀控制參數(shù)同物體的低散射特性直接聯(lián)系起來，從而在設計階段直接預估幾何外形控制參數(shù)對目標低散射性能的影響。萬能公式定義了2段沿x軸對稱的、可用于構(gòu)建低散射外形截面的余弦指數(shù)曲線，如式(1)所示：

(1)

式中，H為截面的高度；L為截面的長度；μ為截面的形狀控制因子。

本文中低散射載體外形設計思路是借鑒杏仁體、單曲率橄欖體和雙曲率橄欖體等簡單光滑形體，參照萬能解析公式沿x軸對稱構(gòu)建低散射外形的思想，建立一個前后和左右均對稱的半剖棱椎體參數(shù)化模型，如圖1所示。通過對模型前后、左右、上下調(diào)整，可以得到一個可承載研究樣件或飛機表面凸出機載部件散射特性測試的低散射載體。無論模型的頂點高度，底面長寬如何變化，永遠可以剛好包絡一個給定尺寸的代表內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間的長方體區(qū)域。對低散射載體與研究樣件的連接方式、低散射載體尖消度、倒圓半徑進行調(diào)整，可以獲得該模型在何種尺寸參數(shù)下?lián)碛械淖钚∏跋騌CS[9]。

圖1 理想化低散射載體優(yōu)化用參數(shù)模型Fig.1 Optimized parameter model for idealized low-scattering carrier

1.3 仿真算法選擇

基于麥克斯韋方程組的電磁算法有很多，從數(shù)值計算方法上可分為時域方法(Time Domain，TD)和頻域方法(Frequeney Domain，F(xiàn)D)兩大類。頻域方法從頻域麥克斯韋方程的微分形式或積分形式出發(fā)，求解麥克斯韋方程在給定邊界條件下的近似解；時域方法對麥克斯韋方程按時間步進后求解有關場量，模擬瞬態(tài)電磁場與各類媒介的相互作用，真實反映電磁場傳播過程。但實際使用中多采用頻域方法，因為在滿足求解目的的前提下，頻域方法在對電大尺寸、復雜結(jié)構(gòu)目標的散射建模效率和求解能力上有較大優(yōu)勢。

從求解的方程形式可以分成積分方程法(IE)和微分方程法(DE)，積分方程法的求解區(qū)域維數(shù)可以比微分方程法少一維，誤差僅限于求解區(qū)域的邊界，故精度高，所以復雜目標仿真計算時多選擇積分方程法。然而常規(guī)的積分方程法(如矩量法)雖具有計算結(jié)果精度高的優(yōu)點，但計算量大，計算效率較低且收斂性較差，一般用于簡單目標的RCS計算分析，例如圓錐體、球體等。以矩量法為例，其計算存儲矩陣為滿陣，具有O(N2～N3)的計算復雜度和O(N2)的存儲復雜度，客觀限制了算法的計算能力。各種快速求解方法的相繼提出，使得矩量法的求解能力有了質(zhì)的飛躍，其中最為有效的是美國耶魯大學V.Rokhlin提出的快速多極子法(Fast Multiple Method，F(xiàn)MM)。三維散射問題的快速多極子法的數(shù)學基礎主要利用球面波的加法定理對積分方程中格林函數(shù)進行處理，并將積分方程轉(zhuǎn)化為矩陣方程。導體表面S上的電場積分方程用并矢Green函數(shù)來表達，如式(2)所示 ，轉(zhuǎn)化為矩陣方程，如式(3)所示[10-12]：

r∈S，

(2)

(3)

由于多層快速多極子法在保證計算精度的同時大大降低了計算量和存儲量，所以采用多層快速多極子算法對低散射載體進行仿真，保證低散射載體仿真效率和計算精度。

1.4 設計過程

因為低散射載體以半剖棱椎體參數(shù)化模型為基礎，已經(jīng)消除了前向區(qū)域內(nèi)的鏡面反射、多次繞射、邊緣繞射和角點繞射等強散射峰值，在優(yōu)化過程中需重點考慮爬行波和行波影響。低散射載體材質(zhì)為金屬，在X波段垂直極化電磁波入射下，雖然大部分入射電磁波能量反射到非主要威脅區(qū)域，但表面形成的較強的爬行波遇到表面不連續(xù)或載體后緣不連續(xù)邊界時會產(chǎn)生后向散射，如圖2所示。

圖2 行波散射Fig.2 Traveling wave scattering

為降低行波后向散射，僅對前后緣尖削度進行調(diào)整無法滿足爬行波和行波抑制要求，可通過調(diào)整低散射載體局部外形來實現(xiàn)，減少明顯的突變不連續(xù)邊界，將電磁波能量沿邊界切線方向輻射，降低后向散射，如圖3所示[13]。

圖3 不連續(xù)處倒角可降低后向散射Fig.3 Chamfering discontinuities can reduce backscatter

對低散射載體參數(shù)模型的尖消度、倒角半徑進行調(diào)整，不斷優(yōu)化、仿真得到載體模型如圖4所示。這種優(yōu)化方法同時考慮了三維尺寸對低散射載體RCS的綜合影響，優(yōu)化效率較好，優(yōu)化過程示意如圖5所示。最終優(yōu)化為水滴型低散射外形，上部具有測試部件接口，部件接口方式如圖6所示。

圖4 低散射載體模型Fig.4 Low-scattering carrier model

圖5 低散射載體模型優(yōu)化過程Fig.5 Optimization process of low-scattering carrier model

圖6 測試部件接口示意Fig.6 Schematic diagram of test component interface

2 仿真結(jié)果分析

2.1 仿真狀態(tài)

載體方位角和俯仰角的計算狀態(tài)定義如下：規(guī)定電磁波沿著載體前尖劈中心的方位為270°，載體左側(cè)與其縱軸線垂直方向的方位為0°，載體右側(cè)與其縱軸線垂直方向的方位為180°；規(guī)定電磁波沿著載體底平面方向的俯仰為90°，設定俯仰角0°為入射波垂直于載體曲面最高點法線入射方向，俯仰角180°為入射波垂直于載體底面平面最高點法線入射方向，仿真計算狀態(tài)示意圖如圖7所示。

圖7 仿真計算狀態(tài)圖Fig.7 Simulation calculation status

對載體在單站狀態(tài)、V-V極化(H-H極化)、頻率10 GHz、方位180°～360°、俯仰70°～110°采用多層快速多極子算法進行仿真，得出在不同俯仰角下的不同方位RCS值。V-V極化不同俯仰角度低散射載體仿真RCS對比曲線圖如圖8、圖9和圖10所示。H-H極化不同俯仰角度低散射載體仿真RCS對比曲線圖如圖11、圖12和圖13所示。從RCS曲線上看，V-V極化和H-H極化的RCS曲線趨勢差異不大，但在方位210°～330°范圍內(nèi)，V-V極化RCS變化幅度比H-H極化大，這主要與尖劈狀載體外形相關。

圖8 俯仰角70°，80°，90°散射特性對比圖(V-V)Fig.8 Comparison of scattering characteristics at pitch angles of 70°,80°and 90°(V-V)

圖9 俯仰角90°，100°，110°散射特性對比圖(V-V)Fig.9 Comparison of scattering characteristics at pitch angles of 90°,100°and 110°(V-V)

圖10 俯仰角85°，90°，95°散射特性對比圖(V-V)Fig.10 Comparison of scattering characteristics at pitch angles of 85°,90°and 95°(V-V)

圖11 俯仰角70°，80°，90°散射特性對比圖(H-H)Fig.11 Comparison of scattering characteristics at pitch angles of 70°,80°and 90°(H-H)

圖12 俯仰角90°，100°，110°散射特性對比圖(H-H)Fig.12 Comparison of scattering characteristics at pitch angles of 90°,100°and 110°(H-H)

圖13 俯仰角85°，90°，95°散射特性對比圖(H-H)Fig.13 Comparison of scattering characteristics at pitch angles of 85°,90°and 95°(H-H)

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖8～圖13所示，低散射載體在V-V極化、H-H極化下，俯仰角分別為70°,80°,85°,90°,95°,100°,110°，方位角在180°～360°,225°～315°(低散射載體主要使用角度范圍)范圍內(nèi)的RCS均值如表1和表2所示。表1是對俯仰角度為70°,80°,85°,90°的載體RCS均值進行平均，表2是對俯仰角度為70°,80°,85°,90°,95°,100°,110°的載體RCS均值進行平均。

表1 低散射載體散射特性均值

表2 低散射載體散射特性均值

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知，在V-V極化、H-H極化下，低散射載體在方位180°～360°內(nèi)散射均值差異不大，但在方位225°～315°內(nèi)有較大差異，相差1個數(shù)量級左右，主要和低散射載體外形相關。載體在俯仰70°～90°、方位225°～315°范圍內(nèi)時的電磁散射較低，RCS均值低于-40 dBsm，此時載體的前緣尖削度約為65°，類似于隱身飛機設計中的機翼布局及其平面形狀設計，主要將前向RCS散射的峰值偏移到方位角225°～315°之外，以降低載體前向散射水平。在V-V極化下，俯仰角度上RCS最低值不是出現(xiàn)在俯仰角90°，而是出現(xiàn)在俯仰角度85°左右，因為俯仰角為90°時，載體以縱軸面為對稱的2個曲面前緣與載體底面連接處不連續(xù)，且由于垂直極化電場對載體的影響及電磁波入射角度的原因產(chǎn)生部分行波繞射產(chǎn)生后向散射，導致載體在俯仰角為90°下的散射量級大于俯仰角為85°時的量級；在H-H極化下，RCS俯仰角度最低值出現(xiàn)在俯仰角100°左右，主要與載體外形相關。在V-V、H-H極化下，方位180°～360°范圍內(nèi)，載體散射在俯仰角度上的RCS主要是隨著電磁波入射方向與載體夾角的增加而增大。V-V極化下RCS最大與最小均值相差10 dBsm左右，H-H極化下RCS最大與最小均值相差4 dBsm。根據(jù)上述分析可知，在V-V、H-H極化下，圖3外形低散射載體在電磁散射特性測試研究主要關注的角度范圍內(nèi)(方位225°～315°，俯仰70°～110°)，RCS量級均值都達到-40 dBsm左右，而一般長度5 cm，寬度1 mm橫向縫隙在X波段、V-V極化下RCS量級為-30 dBsm左右，根據(jù)仿真結(jié)果可知，載體能夠滿足飛機隱身涂層損傷、結(jié)構(gòu)縫隙和階差等電磁散射缺陷樣件測試用途[14-17]。

3 載體制造及實測情況

為了降低低散射載體重量，載體材料選用鋁合金材料。因為載體對表面要求較高，表面要光滑連續(xù)，不能出現(xiàn)型面突變，同時要求存放損傷樣件的凹槽加工精度精確，在損傷樣件放置后與四周縫隙控制在0.1 mm左右，所以載體不能通過鋁板鈑金鉚接而成，只能采用整體鋁合金塊數(shù)控加工銑切而成，這樣有效提升了加工精度，杜絕了工件變形、表面開裂和起皮等問題。加工后低散射載體如圖14所示。

(a) 未安裝損傷樣件

(b) 安裝損傷樣件后

利用低散射載體對損傷樣件(具體如圖15所示)進行電磁散射特性測試，研究不同寬度水平縫隙的電磁散射特性的影響[12-14]，損傷樣件各縫隙尺寸如表3所示。在俯仰角度為80°(載體底面平面方向為90°)，方位角范圍在240°～300°(載體縱軸線前向為270°)，頻率為10 GHz，V-V極化方式下，測得損傷樣件RCS曲線如圖16所示，對其進行SAR成像處理，損傷樣件X波段二維SAR成像如圖17所示[18-20]。

圖15 損傷樣件Fig.15 Damaged sample

表3 損傷樣件縫隙尺寸

圖16 安裝損傷樣件后的低散射載體實測散射特性圖Fig.16 Scattering characteristics of low-scattering carrier with damaged sample

圖17 安裝損傷樣件后的低散射載體二維散射成像圖Fig.17 Two-dimensional imaging of scattering characteristics of low-scattering carrier with damaged sample

根據(jù)圖16、圖17測試數(shù)據(jù)及二維散射成像可知，低散射載體設計能夠滿足損傷樣件電磁散射特性測試，載體散射量級低于損傷缺陷1～2個數(shù)量級。

4 結(jié)束語

不同于傳統(tǒng)的表面缺陷-低散射載體一體化設計研究思路，本文提出了一種可安裝不同電磁缺陷損傷樣件或飛機表面小型傳感器散射特性測試的低散射載體，在充分分析杏仁體、單曲率橄欖體和雙曲率橄欖體等簡單光滑低散射形體設計思路的基礎上，首次提出了以前后和左右均對稱的半剖棱椎體參數(shù)化模型為基礎的低散射載體優(yōu)化方法，合理規(guī)避了載體設計時前向區(qū)域內(nèi)鏡面反射、多次繞射、邊緣繞射和角點繞射等強散射對測試的影響，同時重點分析了電磁爬行波后向散射的作用機理，通過對載體的不連續(xù)處倒角、合理確定尖削度等方式，將電磁波能量沿邊界切線方向輻射或反射到非測試區(qū)域，有效降低后向散射。仿真和實測結(jié)果顯示，該載體能夠保證電磁缺陷散射特性測試數(shù)據(jù)的準確性，在不同電磁散射量級飛行器的電磁缺陷研究中具有廣闊的應用前景。