两种通用直升机雷达散射特性计算与分析

包晓翔，张云飞，刘 凯

(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191)

0 引言

通用直升机一般执行战术人员运输、电子战、空中救援、反潜、反舰、垂直补给等任务，是对地支援的主要武器，在现代战争中发挥着越来越大的作用。但其速度低，敏捷性差，容易受到地面和空中武器系统的攻击［1］。在日益先进的反直升机兵器面前，不具备隐身能力的通用直升机在执行任务时的危险性将大大增加。因此，有必要对通用直升机雷达散射特性进行研究。

国外在直升机隐身方面的研究取得了不少成果，典型的是美国的RAH-66“科曼奇”隐身武装直升机的首飞成功。国内积极开展了对直升机雷达散射特性的研究。苏东林等［2］做了武装直升机雷达散射截面估算方法研究;叶少波［3］建立了武装直升机隐身外形优化的计算机辅助设计软件系统;乔倩等［4］利用计算机图形算法，研究了某直升机RCS的计算方法。但缺乏对通用直升机的隐身设计研究。

本文对两种通用直升机雷达散射特性进行了计算。Ⅰ型通用直升机是用途较广的一种多用途直升机，主要执行向前沿阵地运送突击部队和向对面目标进行攻击及战场抢救伤员，且其高原性能优越;Ⅱ型直升机为国际合作研制的中型多用途直升机，用于海上和陆地执行各种军事任务。通过计算，分析影响雷达隐身性能的重要散射源及雷达散射特性，对于开展通用直升机雷达隐身设计研究具有重要的参考价值。

1 几何建模及RCS计算

1.1 建立几何外形

在CATIA中构建两种通用直升机几何外形模型(见图1)。其技术参数［5］见表1。

表1 两种通用直升机技术参数

采用有限元软件MSC.Patran划分直升机几何模型的三角形网格(见图2)，在模型曲率较大的地方采用了加密网格，输出拓扑结构数据文件。

1.2 RCS 计算方法

RCS计算采用高频估算法，即利用物理光学(PO)法计算表面散射，利用等效电磁流法(MEC)计算劈边散射，综合表面和劈边的贡献即得目标总的 RCS［6-7］。

图1 两种通用直升机几何外形建模

图2 网格划分

RCS平方根的物理光学(PO)表达式为

式中:S为目标受到雷达照射的部分表面;r为局部原点到表面单元dS的矢量;n为物体表面的单位法矢量;^er表示接受装置电极化方向单位矢量。

等效电磁流(MEC)法计算边缘绕射的RCS平方根的表达式为

式中:t为强制边缘单位矢量方向;θ为入射线i与t的夹角;s为散射方向单位矢量，其它参数见参考文献［8］。

目标总RCS是所有n个面元和m个边缘的RCS综合相位之和

根据上述原理，用C语言编写RCS计算程序，对CATIA输出的拓扑结构数据的网格文件进行RCS计算。

2 雷达散射特性分析

在2～18GHz频率，HH和VV极化下，计算两种通用直升机RCS随方位角变化的特性。

由于直升机在空中时旋翼处于旋转状态，其RCS随时间周期性变化。计算静态RCS时，考虑到最不利情况，将四片旋翼桨叶前缘法向分别沿平行和垂直于机身轴线的方向摆放。

计算状态为:0°仰角，S(3GHz)、C(6GHz)、X(10GHz)、Ku(15GHz)四个波段，HH和VV极化。以下各图中方位角180°为机头方向，0°为尾向，90°/270°为机身侧向。

表2 Ⅰ型通用直升机RCS算术平均值/(dBm2)

表3 Ⅱ型通用直升机RCS算术平均值/(dBm2)

由图3～5及表2～3可得两种通用直升机雷达散射特性:

1)雷达散射水平

在S、C、X、Ku四个波段，Ⅰ型通用直升机头向、尾向、侧向的±30°的RCS算术平均值分别为9.9～14.5dBm2、11.2 ～14.4dBm2、23.1 ～27.9dBm2。Ⅱ型通用直升机头向、尾向、侧向的±30°的RCS算术平均值分别为:9.1 ～ 12.5dBm2、5.1 ～ 10.0dBm2、23.1～28.7dBm2。其 RCS水平与同样尺寸的战斗机相当。在侧向，两种直升机的RCS均值相当。

2)方位特性

从图1的几何外形可看出，在机头和机尾方向:复杂的桨毂、旋翼操纵系统及起落架系统(Ⅰ型直升机)构成直升机的主要散射源。在S和X段(图3～4)，HH极化状态下，Ⅰ型直升机头向和尾向峰值比Ⅱ型直升机大，且Ⅰ型直升机头向峰值范围比Ⅱ型直升机的宽。主要是因为Ⅰ型直升机的起落架外置，Ⅱ型直升机在飞行时前起收入机身，主起收到整流罩中。在头向和尾向，起落架的较强散射使Ⅰ型直升机的雷达水平较高。

Ⅰ、Ⅱ型直升机侧向 RCS峰值达到了30～40dBm2量级。在机身侧向，垂直尾翼有较强的镜面散射(特别是Ⅱ型直升机的垂尾，近似于法线朝向侧面的平板)，同时与平尾构成二面角反射器，散射极强。

对于直升机体积最大的部件—机身，Ⅰ型直升机机身侧面有曲率半径较大的曲面，产生很强的镜面回波;Ⅱ型直升机的机身侧面由倾斜平面及棱边构成，与隐身直升机的外型相似，倾斜平面能使后向散射变为非后向散射，使得Ⅱ型直升机的机身部件雷达散射水平比Ⅰ型直升机低(图5)。

图3 直升机S段，HH极化RCS特性

图4 直升机X波段，HH极化RCS特性

图5 两种直升机机身部件侧向RCS均值对比

3)极化特性

两种通用直升机在HH和VV极化两种情况下RCS差别很小。这是因为常规直升机的镜面散射是主要散射源。

4)频率特性

总体上，RCS随入射波频率的增加而增大，还是因为常规直升机镜面散射的高频效应，即镜面散射强度随频率增加而增大。

3 结论

1)两种通用直升机雷达散射特性水平较高，在头(尾)向RCS平均值为数平方米到数十平方米，在侧向达数百平方米。

2)外置起落架是直升机较强的散射源，采用可收放式起落架不仅能降低散射水平，而且可以降低机身气动阻力。

3)在机身侧向，倾斜平面式机身比大曲率半径曲面机身雷达散射水平低，在满足气动和装载容积要求的基础上，采用相交倾斜平面式机身有利于提高直升机雷达隐身性能。

［1］张呈林，郭才根.直升机总体设计［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［2］苏东林，宗国民，吕善伟.武装直升飞机雷达散射截面的估算方法.北京航空航天大学学报［J］，1994，20(3):248-252.

［3］叶少波.武装直升机隐身外形优化的计算机辅助设计系统［D］.北京航空航天大学，2004.

［4］倪先平.直升机手册［M］.北京:航空工业出版社，2003.

［5］乔倩，许家栋，刘萌萌，等.直升机的RCS计算［J］.航空计算技术，2009，39(3):56-58.

［6］Youssef N N.Radar cross section of complex targets［C］//Proceedings of the IEEE 1989，77(5):722-734.

［7］Cui S M，Sakina K，Ando M.A mathematical proof of physical optics equivalent edge currents based upon the path of most rapid phase variation［J］.Ieice Transactions on Electronics，2000，E83-C:659-663.

［8］阮颖铮.雷达截面与隐身技术［M］.北京:国防工业出版社，1998.