高空高速侦察机电磁散射特性研究

王 菁，田秋丽，刘战合，赵一鸣

（1. 郑州航空工业管理学院航空工程学院，河南 郑州 450046；2. 郑州航空工业管理学院经济学院，河南 郑州 450046）

侦察机是作战支援飞机的重要组成部分，要求其具有更优秀的隐蔽、纵深探测能力，随着现代探测技术如雷达、红外灯探测器的快速发展，对航空飞行器的生存力提出了更大挑战，鉴于侦察机的战场环境特点，对其隐身性能提出更高需求[1-3]。当前，侦察机可分为有人和无人两类，尽管无人侦察机已成为重要的侦察和监视力量，但鉴于在处理战场任务、航时、数据集成、信息处理上的相对优势，有人侦察机依然占据重要地位。

SR-71是美军一款高空高速侦察机，具有飞行速度高、执行任务隐蔽的特点。其相关研究结果对高空高速飞行器布局的电磁散射特性及该类布局飞行器的隐身设计仍具有较高的参考研究意义。以SR-71为参考研究对象，建立其电磁分析模型，结合其作战环境特点，采用物理光学法，重点从入射电磁波频率、不同俯仰角两个维度出发，详细研究高空高速布局飞行器的RCS散射分布特性、重点影响角域的RCS均值变化规律。

1 电磁分析模型及研究方法

侦察机是获取敌方军事信息的重要空中力量，截止当前，美军装备了大量有人和无人侦察机，以U-2、SR-71为典型代表的高空高速飞行器成为美军侦察机主力机型，SR-71在设计过程中，尤其重视生存力，表现在当时设计条件下的电磁散射信号的有效控制。以SR-71为参考研究对象，建立相应的电磁分析模型，机身长31.5 m、翼展15.5 m、高4 m（包含尾翼）、前缘后掠角28.5°。其电磁分析模型如图1所示。

图1 电磁分析模型

高空高速侦察机具有纵深作战优势，在执行探测、侦察任务过程中，必然面临敌方海陆空平台的探测威胁。为研究目标在执行任务时的电磁散射特性，从两个方面入手，一是电磁波入射频率，设定为0.1～18 GHz，涵盖低频到高频；二是飞行器姿态，用方位角和俯仰角来表示，方位角范围为0～360°，俯仰角为±15°范围内。

用于RCS计算研究的方法总体上可分为精确算法和近似算法，精确算法在计算电大尺寸目标时效率低，无法用于高效的电磁分析，近似算法如物理光学法、几何光学法、一致绕射理论[4]等，在保证计算精度的同时，可获得高的计算效率，这一点对如大型目标尤其重要。基于实际需求，采用物理光学法[5，6]，对以上不同状态的RCS进行详细计算分析，以分析其电磁散射性能。同时，结合RCS曲线沿周向的分布特性，分析电磁散射与飞行器结构的影响关系，在此基础上，对重点角域内的RCS散射幅值进行分析研究，研究其变化规律。

2 RCS散射曲线分布特性

分析时，电磁波入射频率设定为：0.1、0.3、0.5、1、3、6、10、15、18 GHz，以模拟飞行器面临的各类雷达探测器频率；飞行器姿态角选择为俯仰角15°以内、步长5°计算。为分析研究方便，多频特性选取0.1 GHz、3 GHz、10GHz，俯仰角选择-15°、0°、15°分别为样本以研究多频散射特性、俯仰角影响。多频RCS计算曲线（俯仰角为0°）如图2所示。

图2 不同频率RCS计算曲线

不同俯仰角RCS计算曲线（10 GHz）如图3所示。

图3 不同俯仰角RCS计算曲线

图2表明，从RCS分布上看，飞行器在前向角域上并无明显散射波峰，但其RCS幅值稍大，约在0 dBsm上下震荡，结合飞行器布局可以看出，由于机翼采用大后掠技术、发动机的锥形进气口，大大降低了该部分电磁散射，对前向的贡献减小，其前向的贡献主要来源于机身头部散射，其外部形状将决定前向RCS大小。在方位角62°附近关于机身轴线对称分布一个较强散射波峰，为机翼前缘的散射贡献，由于后掠角较大，其散射已进入侧向影响范围，对前向隐身几乎无影响。同理，侧向90°附近为机身、V型垂尾、发动机侧面等结构影响，都为较强的电磁散射，因此在侧向较大范围上，电磁散射较大，接近20 dBsm。后向角域上RCS曲线较为复杂，这与飞行器后端复杂结构设计有关，可以看出，在128°左右存在一较强散射波峰，该波峰为机身后端倾斜截面的散射贡献，而在后向180°附近角域上，散射幅值接近前向，为飞机后端的发动机、机翼后缘、机身后端等结构电磁耦合贡献。

如图2所示，从频率影响来看，0.1 GHz入射频率时，散射曲线振荡较为平缓，相对来讲，RCS曲线幅值较高，其曲线靠外。频率增加时，曲线振荡性增加，表现在振幅加大，同时振荡频率明显增加，但在飞行器前向、后向角域上，RCS散射波峰和幅值变化不大，在侧向及其他角域上，频率增加时，RCS曲线有向内靠近趋势，尤其表现在10GHz的后部角域上。综上，频率增加时，散射曲线分布特征保持不变，但其振荡性更加明显，且电磁散射有减小趋势，利于提高隐身性能。

图3为俯仰角变化对RCS曲线分布的影响，可以看出，俯仰角在较小范围变化时（即-15～15°），RCS曲线分布特性基本不变。如前所述，前向、后向角域上的电磁散射稍强，但无明显散射波峰，且俯仰角变化时，曲线基本重合，说明电磁散射机理并未发生变化。在侧向较大角域上，俯仰角变化时，RCS散射曲线有一定差异，是由于俯仰角变化时，在偏离正侧向90°时（60～120°方位角范围内），对机身、垂尾，由于入射方向的变化减弱了该结构的电磁散射，因此，在有俯仰角时，RCS曲线有一定减小。而其他角域上，散射波峰、分布，均无明显变化。同时，对比图2和图3，还可以看出，在10 GHz频率上，RCS曲线散射波峰和分布更为明显，但分布结构特性未发生实质变化。

3 不同角域RCS均值变化规律

为进一步分析该目标在重点关注角域上的电磁散射水平，以该角域内的RCS均值（算术平均值）评价参考，定义前向30°角域为前向±15°范围（H-30）、后向30°角域为后向±15°范围（T-30）、侧向30°角域为正侧向±15°范围（S-30）、周向360°角域记为W-360。一般的，对飞行器执行任务而言，H-30和T-30角域为重要研究角域，以S-30和W-360角域为参考角域，W-360角域上的RCS均值可用来表示该类飞行器的整体电磁散射性能。不同频率、不同俯仰角时四个角域RCS均值变化曲线分别如图4、图5所示。

图4 频率变化时各角域RCS均值变化曲线

图5 俯仰角变化时各角域RCS均值变化曲线

图4可以看出，频率增加时，各向角域RCS均值表现不同，前向角域H-30上RCS均值较低，随后增加，在6 GHz最大，为5.5933dBsm，之后再降低，后向角域T-30角域上，变化规律与前向较为相似，但在低频段上，幅值较高；同时，侧向S-30和周向W-360角域上，RCS均值震荡变化。整体来看，侧向S-30角域的电磁散射较强，在16～19 dBsm之间，这是由于侧向电磁散射主要表现为机身、发动机等结构部件的镜面散射和垂尾的二面角散射；而周向W-360散射为各向角域散射的综合组成，RCS变化较小，在3～6 dBsm之间。结合RCS计算曲线，说明，该飞行器前向、后向的RCS幅值不大，有一定隐身性。

图5可以看出，与频率变化时散射特性有相似性，俯仰角由俯角15°向仰角15°增加时，侧向S-30角域的RCS均值大于其它三个角域，且基本处于10 dBsm以上，前向、后向、周向各角域上RCS均值在0 dBsm左右。从RCS均值变化趋势来看，前向H-30角域上，RCS均值先增加后减小，且在俯仰角0°时最大，为3.1553 dBsm，这与前向散射特性相关，在俯仰角偏离0°时，头部上下表面在俯角和仰角上会有一定偏离，降低了散射强度；后向H-30、周向W-360角域上，RCS均值呈震荡递增趋势，俯角时RCS均值低而仰角时高；侧向S-30角域RCS均值呈较大范围的振荡变化，RCS均值在俯仰角0°时最大，为16.5055 dBsm。

4 结论

针对某型高空高速侦察机建立了电磁分析模型，采用高频算法的物理光学法研究了不同频率、不同状态的RCS电磁散射特性，得到以下结论：

1）从RCS曲线分布来看，前向和后向无较明显散射波峰，由于飞行器结构影响，在方位角62°和128°上有散射波峰；频率增加时，RCS散射曲线的振荡性增加，高频时散射波峰较为明显；俯仰角变化时，对散射分布的特点无较大影响，侧向较大角域上，有一定影响。

2）从RCS均值变化规律来看，频率增加时，各向均值呈震荡趋势，且侧向角域RCS均值较高，其余三个角域接近；俯仰角变化时，侧向振荡性较大，最高可达16.5055 dBsm，前向先增大后减小，最大时为3.1553 dBsm，后向、周向振荡增加。研究结果对高空高速飞行器布局的电磁散射特性及该类布局飞行器的隐身设计都具有一定的参考研究意义。