加力燃燒室涂覆吸波材料對發(fā)動機排氣系統(tǒng)雷達散射特性的影響

陳瀚賾, 李中生, 鄧洪偉, 楊勝男, 王 旭, 王 群

(1. 中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所, 沈陽 110015; 2. 空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室, 沈陽 110043)

0 引 言

雷達是利用電磁波探測目標的電子裝備, 是軍事領域中的主流探測系統(tǒng), 降低飛行器雷達特征信號對提升作戰(zhàn)能力具有重要作用[1]。 由渦輪、 加力燃燒室與噴管組成的航空發(fā)動機排氣系統(tǒng)是典型的腔體結(jié)構(gòu), 其雷達散射截面(Radar Cross Section, RCS)占整個飛行器后向RCS約90%, 降低排氣系統(tǒng)的雷達信號特征對于提升飛行器后向隱身能力具有重要意義[2-3]。 加力燃燒室部件結(jié)構(gòu)復雜, 存在較多的散射源, 雷達波照射到加力部件后產(chǎn)生的散射回波能量較強, 因此, 降低加力燃燒室的雷達特征信號是提升飛行器后向雷達隱身能力的重點[4-5]。

對加力燃燒室部件進行結(jié)構(gòu)修形設計, 使散射回波向非威脅方向偏折是降低加力燃燒室雷達特征信號的一種手段[6-8]。 然而修形設計易對加力燃燒室的氣動性能、 燃燒效率產(chǎn)生影響。 涂覆吸波材料可以吸收照射到飛行器表面的雷達波能量, 將其轉(zhuǎn)化為熱能耗散或者通過干涉使雷達波相消, 減弱散射回波的信號特征[9-11], 在不改變外形的條件下縮減雷達特征信號。 因此涂覆吸波材料是提升發(fā)動機排氣系統(tǒng)雷達隱身能力的常用手段。 高翔等[12]研究了介質(zhì)涂覆位置對雙S彎排氣系統(tǒng)在X波段雷達散射特性的影響。 結(jié)果表明在雙S彎排氣系統(tǒng)內(nèi)壁面進行介質(zhì)涂覆對雷達負探測角范圍內(nèi)的RCS縮減效果明顯。 郭宵等[13-14]研究了球面收斂噴管應用吸波介質(zhì)及吸波介質(zhì)脫落對X波段雷達散射特性的影響。 結(jié)果表明僅在球面收斂噴管出口和球面段進行涂覆, 可以在吸波材料減少30%的條件下達到全涂覆方案80%的縮減效果。 在俯仰探測面, 當吸波材料脫落概率達到0.7時, 仍具有68.19%的RCS縮減能力。 宋宇等[15]研究了二元塞式噴管涂覆吸波介質(zhì)對電磁散射特性的影響。 結(jié)果表明塞錐和出口壁面是二元塞式噴管雷達散射的主要來源, 對塞錐和出口壁面涂覆吸波介質(zhì)是獲取綜合收益最大的方法。

在前期關于涂覆吸波材料縮減發(fā)動機雷達特征信號的相關研究中, 主要針對不同形式的噴管開展, 缺乏對雷達信號特征更大且結(jié)構(gòu)復雜的加力燃燒室開展涂覆吸波材料對雷達散射特性的影響研究。 本文建立典型排氣系統(tǒng)物理模型, 擬定不同的加力燃燒室吸波材料涂覆方案, 仿真分析不同方案對排氣系統(tǒng)在S波段、 X波段典型頻點雷達散射特性的影響。

1 物理模型

圖1為本文建立的發(fā)動機排氣系統(tǒng)雷達散射特性計算物理模型。 模型包含渦輪葉片、 承力框架、 混合器筒體、 波瓣混合器、 加力內(nèi)錐、 火焰穩(wěn)定器、 加力筒體、 軸對稱噴管。 由于發(fā)動機在裝機環(huán)境下, 筒體外壁面并不會被雷達波照射。 因此, 在仿真計算時通常將發(fā)動機裝配在低散射載體中, 并將載體外表面設置為全吸波狀態(tài), 從而消除外壁面對RCS的貢獻, 以模擬發(fā)動機真實使用環(huán)境。

圖1 雷達散射特性計算物理模型Fig.1 Physical model of computing radar scattering characteristic

2 吸波材料涂覆方案

加力燃燒室主要包含加力內(nèi)錐、 火焰穩(wěn)定器、 波瓣混合器、 加力筒體, 本文在渦輪、 噴管等部位均不涂覆吸波材料的條件下, 共擬定5種加力燃燒室吸波材料涂覆方案, 如表1所示, 并將吸波材料在各波段對雷達波的反射率設置為-4 dB。 Case 1為本文的基準方案, 在所有部位均未涂覆吸波材料, Case 2～Case 4分別為在加力燃燒室不同部位涂覆吸波材料的方案, Case 5在所有加力燃燒室部件均涂覆吸波材料。 Case 2～Case 4結(jié)合不同工程使用需求分別擬定了3種吸波材料涂覆方案。

表1 吸波材料涂覆方案Table 1 Microwave absorbing material coating schemes

3 計算方法

彈跳射線法(Shooting and Bouncing Ray, SBR)較好地兼顧了復雜腔體散射的計算精度與計算效率, 目前廣泛應用于發(fā)動機進氣、 排氣系統(tǒng)的雷達散射特性仿真計算中。 本文采用彈跳射線法對排氣系統(tǒng)物理模型進行數(shù)值仿真計算。 SBR包含射線管生成及跟蹤、 射線場強跟蹤和遠區(qū)散射場積分計算3個部分[16-18]:

(1) 射線管生成及跟蹤: 將入射的雷達波離散為射線, 利用一系列緊密相連的射線管來模擬雷達波入射到表面時的情況。 通過對所有射線管進行路徑追蹤就可以模擬雷達波在目標的傳播過程。

(2) 射線場強跟蹤: 對射線管與目標表面的交點場強進行跟蹤計算, 可求得電磁場的幅度。 雷達波經(jīng)過一次反射后, 射線及場強信息進行更新, 反射射線更新為入射射線, 反射場強更新為入射場強, 如此迭代直到射線脫離目標或者射線達到終止條件。

(3) 遠區(qū)散射場積分計算: 根據(jù)對射線路徑跟蹤和場強跟蹤的分析, 可以求出射線經(jīng)過多次反射回到射線口面時的電場分布, 將口面上的電場等效為磁流源, 對感應電流進行口徑積分, 得到目標體的遠區(qū)散射場, 表達式為

?exp[-jk(i-s)·rd]dSd

(1)

式中:Es是遠區(qū)散射場;i和s為沿著入射方向、 散射方向的單位矢量;n為面元法向矢量;Hi為入射波的磁場強度;R為場點到原點的路徑長度;Sd為明區(qū)面元;rd為場點距該面元的距離長度。

最后, 將所有射線管得到的散射場進行矢量疊加, 得到目標體的遠區(qū)散射總場, 具體表達為

(2)

式中: 第一個求和符號表示所有射線管散射場的疊加; 第二個求和符號表示對所有射線管照亮面元的散射場的疊加,n表示每條射線管照亮的面元總個數(shù),m表示射線管總數(shù)。

4 計算方法驗證

角反射結(jié)構(gòu)是一種強散射源, 在本文建立的發(fā)動機排氣系統(tǒng)模型中, 火焰穩(wěn)定器類似角反射結(jié)構(gòu)。 為了驗證本文采用的SBR的計算精度, 以圖2所示角反射器為例(藍色區(qū)域為涂覆吸波材料的區(qū)域, 橙色區(qū)域為未涂覆隱身材料的金屬區(qū)域), 進行了數(shù)值仿真計算與試驗測試結(jié)果的對比驗證。

圖2 角反射器模型Fig.2 Corner reflector model

圖3為試驗測試RCS分布曲線與數(shù)值仿真計算RCS分布曲線的對比情況。 在0°～45°范圍內(nèi), 數(shù)值計算的RCS分布規(guī)律與試驗測試的RCS分布規(guī)律基本一致。 由于角反射器實物表面特性與仿真計算中設定的表面特性存在差異, 測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的RCS數(shù)值略有偏差但偏差較小, 數(shù)值計算的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合相對較好, 從而驗證了本文采用的計算方法SBR具有較好的計算精度。

圖3 測試與仿真數(shù)據(jù)對比Fig.3 Comparison of test data and simulation data

5 計算邊界條件

圖4顯示了計算探測點布置方式。 本文將俯仰角設置為0°, 將水平探測面的方位角設置為-30°～+30°, 方位角間隔設置為0.3°。 極化方式設置為水平極化、 垂直極化, 計算選取S波段與X波段的典型頻點。

圖4 雷達散射特性計算探測點Fig.4 Radar scattering characteristic calculation detection point

6 計算結(jié)果分析

6.1 低散射載體信號特征驗證

為了驗證本文建立的低散射載體特征信號是否滿足遠小于目標特征的信號要求, 以水平極化為例, 利用圖5所示的驗證計算模型對低散射載體在S波段、 X 波段雷達信號特征進行仿真計算, 并將結(jié)果與Case 1的計算結(jié)果進行對比。

圖5 低散射載體驗證計算物理模型Fig.5 Verification of computational physical model for low scattering carrier

本文對所有RCS計算結(jié)果進行無量綱處理。 RCS分布曲線圖的縱坐標無量綱雷達散射截面定義為RCS/RCSmax, RCSmax為在該極化方式下, 不同方案在整個探測角域內(nèi)RCS的最大值。 圖6顯示了低散射載體與目標的計算結(jié)果, 在兩個波段典型頻點下, 低散射載體在-30°～+30°范圍內(nèi)的RCS均遠小于Case 1的RCS, 表明本文建立的低散射載體滿足要求。

圖6 RCS對比情況(水平極化)Fig.6 Comparison of RCS (horizontal polarization)

6.2 SAR成像分析

為了獲取雷達波強散射源分布, 以X波段為例, 仿真計算了雷達波從水平方位角0°入射時排氣系統(tǒng)的合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像, 結(jié)果如圖7～8所示。

圖7 SAR成像(X波段水平極化)Fig.7 SAR imaging(X-band horizontal polarization)

圖8 SAR成像(X波段垂直極化)Fig.8 SAR imaging(X-band vertical polarization)

當雷達波從方位角0°入射到排氣系統(tǒng)的腔體中, 直接照射到火焰穩(wěn)定器、 承力框架支板、 渦輪葉片, 隨后在腔體內(nèi)各部件間繼續(xù)發(fā)生多次反射形成最后的散射總場。 在水平極化方式下, 對于未涂覆吸波材料的Case 1, 由于火焰穩(wěn)定器內(nèi)環(huán)、 中環(huán)、 外環(huán)及傳焰槽類似角反射結(jié)構(gòu), 雷達波在照射火焰穩(wěn)定器時, 會進入凹槽內(nèi)部, 形成較強的鏡面散射回波, 因此在火焰穩(wěn)定器位置形成了特征信號最強的能量云團, 火焰穩(wěn)定器也是發(fā)動機排氣系統(tǒng)中雷達特征信號最強的散射源。 雷達波在照射渦輪葉片及承力框架的支板端面時, 也會發(fā)生鏡面散射, 然而由于支板端面面積相對較小, 葉片具有傾斜角度未構(gòu)成直接鏡面散射源, 因此在上述兩個部位, 形成了特征信號弱于火焰穩(wěn)定器信號特征的能量云團。 加力內(nèi)錐與波瓣混合器未構(gòu)成鏡面散射源, 雷達信號特征弱于火焰穩(wěn)定器、 渦輪葉片等部位。 在軸對稱噴管的出口截面及喉道截面, 排氣系統(tǒng)空間發(fā)生劇烈變化, 雷達波在兩個截面處會聚集形成能量相對較強的特征信號。 而由加力筒體形成的腔體空間沒有固體結(jié)構(gòu), 散射回波疊加形成的信號特征較弱。 在加力部件不同區(qū)域涂覆吸波材料后, 不僅涂覆材料部位的特征信號明顯下降, 對部分未涂覆材料區(qū)域的特征信號也存在影響。 這是由于雷達波在腔體內(nèi)各部件多次反射過程中, 不斷被吸波材料耗散, 最終不僅在涂覆吸波材料部位的信號特征下降, 而在整個排氣系統(tǒng)腔體空間的信號特征均下降。 Case 2在加力筒體、 加力內(nèi)錐涂覆吸波材料, 使雷達波在加力筒體段的腔體空間疊加形成的散射總場信號特征明顯下降。 加力內(nèi)錐處信號特征也有下降, 然而由于附近的火焰穩(wěn)定器信號特征明顯更強, 因此內(nèi)錐及其附近的信號特征降幅有限。 Case 3～Case 5吸波材料涂覆部位更多, 在整個排氣系統(tǒng)腔體內(nèi)的雷達信號特征均低于Case 1, 這3個方案在SAR成像中信號特征能量分布較為接近, 在涂覆位置不同處信號特征略有差異。 由于火焰穩(wěn)定器是腔體內(nèi)最強的散射源, 這3個方案均在火焰穩(wěn)定器涂覆吸波材料, 因此該位置的信號特征明顯下降, 而雷達波在腔體內(nèi)反射的過程中, 仍會到達火焰穩(wěn)定器, 吸波材料繼續(xù)消耗雷達波能量, 因此排氣系統(tǒng)內(nèi)部其他區(qū)域的信號特征也均下降。 Case 3～Case 5在加力筒體中間區(qū)域集中出現(xiàn)能量極低的信號特征條帶, 這是由于在火焰穩(wěn)定器涂敷吸波材料對散射回波的信號特征強度及散射方向改變較大, 直接改變了散射總場的信號強度及方向, 雷達波在該區(qū)域存在較強的干涉相消效果, 導致產(chǎn)生局部能量極低的信號特征條帶。 同時在加力筒體涂敷吸波材料會進一步降低該區(qū)域的信號特征, 因此Case 4、 Case 5在該區(qū)域的信號特征較Case 3進一步下降。 雷達波從方位角0°入射時, 加力內(nèi)錐、 加力筒體等部位對于雷達信號特征的影響遠小于火焰穩(wěn)定器, 因此在兩個部位涂覆吸波材料的差異對SAR成像中信號特征能量分布的影響相對有限。

對于垂直極化, 散射源的信號特征強弱分布與水平極化基本一致, 部分區(qū)域的能量云團形狀略有差異。 表明兩種極化方式下, 強、 弱散射源的分布特征一致, 火焰穩(wěn)定器仍是信號特征最強的雷達波散射源, 渦輪葉片及支板部位是次強散射源。 在加力燃燒室部件涂覆吸波材料對降低排氣系統(tǒng)腔體內(nèi)的雷達信號特征具有較好效果。

6.3 RCS分布規(guī)律分析

圖9～12顯示了S波段、 X波段在水平極化、 垂直極化方式下的RCS分布曲線。 由于兩種極化方式下強散射源分布情況基本一致, 因此不同吸波材料涂覆方案對RCS縮減效果的影響規(guī)律具有相似性。 以水平極化為例對各方案RCS分布規(guī)律進行分析。 對于S波段, Case 1、 Case 2的RCS分布規(guī)律相對較為接近, 兩種方案在方位角-16°～+16°范圍內(nèi)形成了較強的RCS寬角域波峰, 在±16°之后, RCS不斷震蕩下降。 Case 2在加力內(nèi)錐、 加力筒體兩個部位涂覆吸波材料, 對RCS的縮減效果主要體現(xiàn)在±20°之后, 此時雷達波主要照射到噴管與加力筒體部位, 因此在加力筒體涂覆吸波材料具有較好效果。 雷達波在±15°范圍內(nèi)可以直接照射到加力內(nèi)錐, 而內(nèi)錐的雷達波信號特征遠低于火焰穩(wěn)定器、 渦輪葉片等部位, 因此在火焰穩(wěn)定器、 渦輪葉片不涂覆吸波材料的條件下, 僅在加力內(nèi)錐涂覆吸波材料對該角域RCS縮減效果有限。 Case 3、 Case 4、 Case 5的RCS分布規(guī)律較為接近。 這3種方案在-10°～+10°范圍內(nèi)形成了較強的RCS寬角域波峰, 隨后RCS快速下降, 在±14°形成散射波谷。 在±14°之后, RCS不斷震蕩。 與未涂覆吸波材料的Case 1相比, Case 3～Case 5在整個探測范圍內(nèi)對RCS具有較好的縮減效果, 其中對-18°～+18°范圍內(nèi)的RCS縮減效果較為明顯, 表明在火焰穩(wěn)定器涂覆吸波材料對縮減排氣系統(tǒng)后向RCS具有重要作用。 Case 4在-10°～+10°范圍內(nèi)的RCS大于Case 3、 Case 5的RCS, 表明在火焰穩(wěn)定器涂覆吸波材料縮減其信號特征的情況下, 繼續(xù)在加力內(nèi)錐涂覆吸波材料可以繼續(xù)縮減RCS。 在±20°之后, Case 3的RCS大于Case 4、 Case 5的RCS, 體現(xiàn)了在加力筒體涂覆吸波涂層的收益。

圖9 S波段RCS分布曲線(水平極化)Fig.9 S-band RCS distributioncurve (horizontal polarization)

圖10 X波段RCS分布曲線 (水平極化)Fig.10 X-band RCS distribution curve(horizontal polarization)

圖11 S波段RCS分布曲線(垂直極化)Fig.11 S-band RCS distribution curve(vertical polarization)

圖12 X波段RCS分布曲線(垂直極化)Fig.12 X-band RCS distribution curve(vertical polarization)

對于X波段, 由于雷達波波長較S波段雷達波短, 對各部位細節(jié)特征的探測能力更強, 因此RCS震蕩特性明顯增強, 且散射波峰、 波谷數(shù)量有所增加。 與S波段相比, X波段雷達波照射到排氣系統(tǒng)各部位產(chǎn)生的散射機理有所變化, 然而兩個波段強散射源分布規(guī)律基本一致, 因此在各部位涂覆吸波材料后對X波段RCS影響規(guī)律、 影響機理與S波段仍具有相似性, 而對RCS縮減數(shù)值與縮減角域有所差異。 其中Case 3～Case 5仍是對RCS具有較好縮減效果的3種方案, 對Case 1中0°、 ±10°、 ±18°方位角處形成的散射波峰具有較強的消弱效果。

6.4 RCS均值降幅分析

表2顯示了在方位角-30°～+30°范圍內(nèi)不同方案的RCS均值降幅。 對于S波段, Case 3～Case 5在兩種極化方式下的RCS均值降幅遠大于Case 2的RCS均值降幅, 表明在本文的研究條件下, 在火焰穩(wěn)定器涂覆吸波材料對縮減RCS具有較好的效果。 其中Case 5涂覆部位最多, 對RCS縮減效果最好, 在水平極化、 垂直極化兩種方式下RCS均值降幅分別達90.9%和92.3%。 而與Case 5相比, Case 3、 Case 4兩種方案的RCS縮減效果略有下降, 表明在火焰穩(wěn)定器涂覆吸波材料情況下, 在加力內(nèi)錐、 加力筒體涂覆吸波材料對RCS縮減效果有限。

表2 方位角-30°～+30°的RCS均值降幅統(tǒng)計表Table 2 Statistical Table of RCS mean Reduction of azimuth angle at -30°～+30°

對于X波段, 由于雷達波波長變短, 照射到排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的散射機理與S波段有所差異, 各部件的雷達信號特征發(fā)生變化。 Case 2對兩種極化方式下的RCS均值縮減效果較S波段有所提升, Case 3～Case 5對RCS均值的縮減效果較S波段有所下降, 其中縮減效果最好的Case 5對水平極化、 垂直極化RCS均值縮減效果分別達90.2%和88.4%。 Case 3在兩種極化方式下的RCS均值降幅均大于Case 4, 表明在加力內(nèi)錐涂覆吸波材料對X波段RCS均值的縮減效果好于S波段。

在S波段與X波段, Case 2對水平極化與垂直極化方式下的RCS均值縮減效果差異明顯大于其余方案, 且均為對水平極化RCS的均值縮減效果好于垂直極化。 其中X波段, Case 2對水平極化RCS均值的縮減效果為35.7%, 對垂直極化RCS均值的縮減效果為29.4%, 在兩種極化方式下RCS均值降幅差異達6.3%。 這是由于在不同極化方式下, 雷達波在火焰穩(wěn)定器、 加力內(nèi)錐與加力筒體部位的耦合散射情況有所區(qū)別。 在水平極化方式下, 雷達波照射到火焰穩(wěn)定器后產(chǎn)生的散射回波到達加力內(nèi)錐與加力筒體的能量更多, 在上述兩個部件涂敷吸波材料對其收益相對較大, 因此對水平極化的RCS縮減效果大于垂直極化。

7 結(jié) 論

本文擬定了5種不同的加力燃燒室吸波材料涂覆方案, 仿真分析了5種方案對發(fā)動機排氣系統(tǒng)在S波段、 X波段典型頻點水平極化與垂直極化雷達散射特性的影響, 獲取的結(jié)論如下:

(1) 火焰穩(wěn)定器是發(fā)動機排氣系統(tǒng)中雷達特征信號最強的散射源, 在該部位涂覆雷達吸波材料對縮減排氣系統(tǒng)S波段、 X波段雷達特征信號收益最大。

(2) 隨著雷達波波長減小, 對排氣系統(tǒng)各部位細節(jié)特征的探測能力更強, 因此X波段的 RCS震蕩特性明顯增強, 散射波峰、 波谷數(shù)量增加。 然而兩個波段強散射源分布規(guī)律基本一致, 不同涂覆方案對S波段與X波段RCS縮減效果的影響規(guī)律、 影響機理具有相似性, 而縮減數(shù)值與縮減角域有所差異。

(3) 在加力內(nèi)錐、 火焰穩(wěn)定器、 波瓣混合器、 加力筒體4個部位均涂覆吸波材料是對S波段、 X波段在方位角-30°～+30°范圍內(nèi)RCS均值縮減效果最好的方案, 對S波段水平極化、 垂直極化RCS均值縮減效果達92.3%和92.0%, 對X波段水平極化、 垂直極化RCS均值縮減效果達90.2%和88.4%, 表明在加力燃燒室涂覆吸波材料對提升發(fā)動機后向雷達隱身性能具有重要作用。