座舱及进气道对某飞翼布局电磁散射影响

2019-08-30刘战合王菁王晓璐周鹏石金祥

航空工程进展 2019年4期

刘战合，王菁，王晓璐，周鹏，石金祥

(1.郑州航空工业管理学院航空工程学院，郑州 450046)(2.郑州航空工业管理学院电子通信工程学院，郑州 450046)

0 引言

飞翼是现代军用飞行器的重要布局型式，具有升力大、航程远、高隐身性能等优势[1-3]，可用于执行轰炸(例如美军B-2隐身轰炸机)、对地攻击、空中加油等任务，随着飞翼飞行控制技术的发展，该布局型式也成为军用无人机的重要方式，例如美军X-47B、X-45C、X-45A等无人作战飞行器等。随着探测技术的发展和更新，对军用飞行器的突防能力提出了更高要求，实现的重要技术途径是隐身性能[4-6]。通常执行轰炸、对地攻击等任务的飞行器面临的探测器多数来自前方，同时，执行任务结束后，其后向将朝向探测方向，因此，其隐身性能的主要需求体现在前向和尾向一定范围内[7-9]。

为了提高隐身性能，飞翼布局飞行器通常采用埋入式弹舱、吸波材料、座舱玻璃镀膜、进气道口面锯齿化等技术以降低可探测信号[10-12]。即使采用了诸多手段，进气道、座舱依然是影响隐身性能的重要组成部分[4-5]。张彬乾等[1]研究飞翼布局的气动、隐身综合设计方法；M.V.Sevoor等[6]采用射线追踪法研究了几种不同布局飞翼的单站散射特性；张乐等[11]对飞翼布局的进气道气动、隐身设计进行了研究，分析座舱和进气道对飞翼布局的影响较少。

本文以美军B-2隐身轰炸机为基础，建立电磁分析模型，采用物理光学法(Physical Optics，简称PO)，计算不同状态(俯仰角、频率)下的RCS曲线，基于RCS均值相对增值概念，研究并分析座舱、进气道及二者兼具时对飞翼布局电磁散射贡献，为飞行器隐身设计提供技术参考。

1 基于B-2的飞翼布局电磁模型

以美军B-2隐身轰炸机为基础，建立四种三维实体电磁分析模型，依次定义为A、B、C、D，如图1所示，A为无进气道、座舱的电磁模型，B为仅含座舱的电磁模型，C为仅含两个进气道的电磁模型，D为含座舱、进气道的电磁模型。以A模型为基础，结合B、C、D逐次分析座舱、进气道、座舱和进气道对电磁散射的影响，其中座舱、进气道均采用曲面融合技术提高隐身性，进气道口面采用锯齿化处理。飞翼布局几何尺寸为：机身长21.2 m、翼展52.4 m、高4.54m、后掠角29.9°。

A B C D
图1 飞行器电磁计算模型
Fig.1 Electromagnetic computation models of aircrafts

如前所述，对本文研究对象的隐身轰炸机，在执行任务过程中，将面临来自敌方的多种平台探测器的跟踪、识别风险，考虑到飞翼布局基本不会有较大的机动动作，因此，研究时重点考虑前向和后向的隐身特性，本文中以飞行器前向30°(H-30)、后向30°(T-30)散射影响为主要研究内容，并兼顾侧向30°(S-30)、周向360°(W-360)角域散射特性。考虑到探测器频率的多样性，计算分析时入射电磁波频率分别包含1、3、6、10、15 GHz；同时，飞行器方位角为0°～360°，俯仰角设定为-10°、-5°、0°、5°、10°。

2 计算方法与精度验证

对本文计算目标，入射电磁波频率1、3、6、10、15 GHz分别对应的电尺寸为174.7、524、1 048、2 620，为典型的电大尺寸。用于飞行器目标的RCS计算方法可以分为低频和高频算法，低频方法如多层快速多极子算法(Multilevel Fast Multipole Algorithm，简称MLFMA)[13-14]、时域有限差分法(Finite Difference Time Domain，简称FDTD)尽管具有较高的计算精度，但在处理电大尺寸目标问题上会面临内存占用、计算速度、计算精度的较大难度，甚至不能完成计算；而高频算法如等效电流法、物理绕射理论、一致绕射理论等在处理电大尺寸问题上有较大优势，但计算精度较低。物理光学法与MLFMA同样基于表面积分方程，为提高计算速度，物理光学法仅保留了MLFMA[15]的面元自身耦合强散射作用，将面元之间的弱耦合散射作用忽略(适用于处理光滑目标)，保留了MLFMA的部分高精度优势。对本文电大尺寸光滑目标，忽略局部结构之间的弱散射作用，可采用物理光学法进行计算分析。基于切平面近似，得到面元上的RCS平方根为

(1)

基于目标网格划分，对所有散射面元求和，按相位叠加得到：

(2)

为了验证本文采用的PO方法数值结果正确性，以直角等腰三角形金属柱(直角边边长为1 m，金属柱高1 m)为计算分析对象，入射电磁波波长0.1 m，俯仰角0°。分别采用PO和高精度MLFMA计算，RCS曲线对比结果如图2所示，由于为等腰直角三角形，仅计算0°～180°角域范围(即沿等腰直角三角形高线对称的一半角域计算)。其中MLFMA(MOM)计算结果为HH极化。

图2 金属柱RCS计算对比曲线Fig.2 RCS comparison curves of metal pillar

从图2可以看出：二者RCS计算曲线吻合很好，0°～180°角域物理光学法和MLFMA误差为0.863 5 dB，其中90°～180°实际上接近于平板散射效果，表明PO方法有足够好的计算精度，可用于本文的光滑研究对象及其高频段RCS计算分析。

3 电磁散射影响研究方法

(3)

(4)

本文中RCS计算结果单位为dBsm，记第i个入射角的RCS为σdBsm,i，而σdBsm,i在RCS较小时将会小于0 dBsm，引起分析不便，因而主要讨论其算术均值：

(5)

为了研究在关注角域内的电磁散射影响规律，首先结合不同飞行器(电磁模型A、B、C、D)RCS散射曲线分布特点对比，并结合散射峰值幅值、宽度、位置及其变化特性来分析座舱、进气道的电磁散射影响。

为了量化分析其影响特点，区别于采用单独研究部件电磁散射特性的方法[11-12]，本文以飞行器整机为基础平台，分别将研究对象座舱、进气道、座舱和进气道与平台结合，通过相互比较来研究各部件电磁散射影响。

基于以上考虑，为了分析方便，定义电磁模型B、A在同一角域内的RCS算术均值的相对增值如下：

(6)

从式(6)可以看出：例如δB-A大于0 dB，表明电磁模型B相对A在关注角域内的电磁散射信号增强，而隐身性能减弱，即对A和B来说，座舱会增加该角域内的RCS，降低隐身性能，δB-A越大，电磁散射影响越大，隐身性能降低越明显。

4 电磁模型散射特性影响

4.1 座舱及进气道对RCS曲线特性影响

本文重点关注座舱和进气道对飞行器整机电磁散射的影响，以整机为基础，通过不同部件的相互对比来分析。考虑到飞翼本身具有较高的隐身性能，为了不破坏飞翼布局飞行器的高隐身性，座舱采用曲面光滑过渡，进气道为锯齿型口面，且方向平行于机翼前后缘方向，提高隐身性能。鉴于各频率、俯仰角下的影响特性类似，以俯仰角0°时、入射电磁波频率3 GHz为例进行分析，四种电磁模型RCS对比曲线如图3所示。

从图3可以看出：电磁模型A、B、C、D的RCS曲线分布具有一定的相似性，沿周向方位角依次在30°(波峰1)、90°(波峰2)、46°(波峰3)左右对称分布有6个散射波峰，由于四种模型的区别仅在于座舱和进气道，且考虑了隐身设计，RCS散射特性接近。波峰1为飞行器前缘的镜面散射，该波峰位置30°与飞行器后掠角29.9°一致；波峰2位于侧向90°，该波峰为机翼、机身、进气道、座舱等飞行器部件在侧向的镜面散射、绕射的综合表现；波峰3位机翼后缘的镜面散射综合表现，后缘采用锯齿型方式，将后向散射转化到波峰3对应位置，有效提高了后向隐身性能。

从RCS曲线整体分布特点来看，四种模型以6个波峰为核心，具有典型的隐身特性。

从曲线分布来看，座舱和进气道考虑了部分隐身设计，但其对飞行器电磁散射特性有一定影响。与A相比较，电磁模型B、C、D的散射曲线依次向外扩散，说明座舱、进气道、座舱和进气道散射影响依次增加；同时考虑隐身设计平滑过渡的座舱影响较小，而进气道、座舱和进气道的影响较大，且C和D接近。

从波峰分布和峰值大小变化规律来看，隐身处理后的座舱、进气道等部件并不影响波峰分布特点。对机翼前缘镜面散射的波峰1，仅考虑座舱的电磁模型B几乎不产生影响，而包含进气道的C和D模型对波峰1有一定贡献，使其波峰宽度变大，这是由于进气道口面采用锯齿化形状，而锯齿化边与前缘镜面散射叠加增加了散射强度和影响角域。对波峰2，座舱、进气道、座舱和进气道电磁影响依次增大，且变化范围较大，表现在波峰强度和宽度两方面，如前所述，波峰2电磁散射主要由机翼、机身、座舱、进气道侧向投影面积决定，而对侧向，座舱、进气道侧向面积相对较大，其镜面散射的耦合散射表现为重要组成部分。对波峰3，与波峰1类似，为机翼后缘和进气道尾喷口锯齿型口面的综合表现，座舱表现并不明显。

隐身性能主要从前向和后向一定角域来研究，从曲线分布来看，四种模型的曲线在前向角域内，曲线接近，说明本文考虑隐身化措施的座舱和进气道对前向散射影响较小；对后向角域，可以看出：模型B、C、D散射依次增强，表明响应各部件影响依次变大。

4.2 RCS相对增值分析

相对增值包含δB-A、δC-A、δD-A，对电磁模型A、B、C、D，C仅含进气道，可视为无人飞行器，D含座舱和进气道，为有人飞行器电磁模型。尽管模型有所不同，但四种模型的RCS相对增值变化规律相似，以δD-A为例进行分析，研究H-30、S-30、T-30、W-360角域内的RCS相对增值特点，进而分析对应部件的电磁散射影响。各种状态下δD-A的RCS相对增值如表1所示。

表1 模型D和A的RCS相对增值Table 1 RCS relative value of model A and D

从表1可以看出：座舱和进气道对飞行器电磁散射有重要影响，且因入射电磁波频率、俯仰角的变化而变化。前向和后向角域是飞行器隐身性能影响的重要角域，在前向和后向30°角域，即H-30、T-30，座舱和进气道的出现会在一定程度上增加该角域内的散射强度，且前向的影响较小，大多在10 dB以内，以满足前向隐身性能需求；而后向角域内影响较大，俯仰角为0°时，RCS相对增值在10 dB以上，最高时达22.572 2 dB。对侧向30°和周向，即S-30、W-360，结合图3的侧向波峰变化趋势，可以看出：座舱和进气道对侧向角域贡献最大，在15～28 dB以内，明显强于前向和后向影响，而对无需太多机动飞行的飞翼类型，侧向角域散射强度的增加对隐身性能影响不大；对周向360°角域，相对增值在10 dB左右，为座舱和进气道在周向RCS散射特性的影响，尤其受侧向峰值和相对增值影响较明显。可见，座舱和进气道的电磁散射影响大小依次为：S-30、T-30、W-360、H-30。同时，可以看出，俯仰角增加时，相对增值增大，而频率变化时增值振荡变化。

4.3 小结

四种模型的RCS曲线分布相似，具有较好的隐身性能；座舱、进气道的电磁散射影响在侧向最为明显，其次是后向、前向；考虑隐身设计的座舱和进气道不会产生前向和后向散射波峰，从而利于飞行器隐身。

5 座舱及进气道电磁散射特性影响

根据执行任务面临探测器特点，从两方面分析。一是来自不同方位角的雷达探测，即方位角和俯仰角的变化影响，计算时，每条RCS曲线已经计入方位角，因此主要分析俯仰角影响，即俯仰角响应特性；二是探测器不同的频率，需要研究多个不同频率下的座舱、进气道散射影响，即频率响应特性。

5.1 俯仰角响应特性

与上述分析角域相似，对隐身性能影响较为明显的前向30°角域(H-30)、后向30°角域(T-30)，及侧向30°角域(S-30)、周向360°角域(W-360)，采用RCS相对增值来分析响应模型部件带来的电磁散射影响。H-30、T-30角域RCS相对增值随俯仰角变化曲线如图4所示，S-30、W-360角域RCS相对增值随俯仰角变化曲线如图5所示，入射电磁波为3 GHz。

图4 相对增值俯仰角响应曲线(H-30、T-30)Fig.4 Response curves of relative values with pitch angle (H-30,T-30)

图5 相对增值俯仰角响应曲线(S-30、W-360)Fig.5 Response curves of relative values with pitch angle (S-30,W-360)

从图4～图5可以看出：俯仰角变化时，四个角域内相对增值基本大于0 dB，表明在较小的俯仰角范围内，座舱、进气道均会增加四个角域内的电磁散射，不同程度的降低隐身性能。

从图4可以看出：对H-30，俯仰角由-10°～10°增加时，B的相对增值变化幅值较小，在0～2 dB之间，说明考虑隐身的座舱对前向30角域隐身影响较小；而C和D模型在俯仰角增大时，相对均值有较大增加，结合表1，变化范围为2～12 dB，这是由于俯仰角的变化引起进气道口面角度的变化，产生了部分较强的耦合散射，同时也说明，俯仰角变化时，座舱对前向角域RCS影响不大，而进气道影响相对较强。对T-30，相对值均值变化特性基本一致，但进气道对电磁散射影响更为明显，俯仰角增加时，B的相对增值与前向角域变化接近，C、D的相对增值在5°时甚至达20 dB以上，因此，对后向来说，有必要进一步提高进气道尾喷口隐身性能。总体来看，考虑隐身的座舱对RCS相对增值影响较小，进气道影响较为明显(尽管从RCS曲线来看，本文锯齿化口面进气道在前向和后向并无散射峰值，具有较好隐身性)，同时，座舱和进气道的影响与单个进气道的影响接近。

从图5可以看出：俯仰角变化时，侧向和周向RCS相对增值的影响较小，同时具有与前向和后向角域部分类似规律。对S-30，对于同一模型，相对增值变化较小，这是由于俯仰角的变化不会引起侧向散射机理的变化；对W-360，模型B相对增值接近于0 dB，且随俯仰角变化较小，而对C和D，鉴于考虑到前向、后向、侧向的综合贡献，相对增值随俯仰角变大有一定增加。

总上所述，考虑隐身的座舱的模型B相对增值较小，且俯仰角的变化对其影响较小，考虑进气道的模型C、进气道和座舱综合作用的模型D散射特性接近，且相对增值较模型B大；俯仰角对不同角域有不同影响，T-30影响最大，其次是H-30、S-30、W-360。因此，要进一步提高飞行器隐身性能，可减小进气道在前向、后向的RCS散射。

5.2 频率响应特性

为了进一步研究频率对相对增值的影响，H-30、T-30角域RCS相对增值随频率变化曲线如图6所示，S-30、W-360角域RCS相对增值随频率变化曲线如图7所示，俯仰角为0°。

图6 相对增值频率响应曲线(H-30、T-30)Fig.6 Response curves of RCS relative values with frequency (H-30、T-30)

图7 相对增值频率响应曲线(S-30、W-360)Fig.7 Response curves of RCS relative values with frequency (S-30、W-360)

从图6～图7可以看出：随着入射电磁波频率的增加，四个角域的RCS相对增值呈不同的变化趋势，相对增值影响最为明显的是T-30，而W-360相对增值变化较小。

从图6可以看出：对H-30和T-30，频率增加时，模型B、C、D的相对增值变化趋势类似，相对增值大小依次为B、C、D，模型B最小。模型B的H-30和T-30相对增值分别在0、3dB左右振荡变化，表明座舱对H-30、T-30的电磁散射影响较小，几乎不影响该角域隐身性能，需要说明的是，在H-30，相对增值在-2.4～1dB之间；增加了进气道、座舱和进气道的模型C、D则不同，二者相对增值随频率的增加有减小趋势，其中D模型的H-30和T-30在频率1 GHz时最大，T-30在20 dB以上，说明进气道对飞行器的电磁散射影响较大，且对频率较为敏感。对H-30和T-30角域，H-30角域的相对增值较大，且变化趋势较为剧烈，说明进气道尾喷口口面隐身设计影响较大，对后向的电磁散射影响也较大。

对侧向S-30和周向W-360角域，从图7可以看出：相对增值变化趋势稍微不同，S-30角域RCS相对增值较W-360大，且受频率变化的影响也较大。从相对增值幅值角度讲，S-30角域为四个角域中最大者，结合RCS散射曲线图3，座舱、进气道的出现，增加了侧向的电磁散射，甚至是镜面散射效果。对模型B，频率增加时，S-30的相对增值在9.7～11.4 dB之间，W-360相对增值在3.1～3.6之间，均呈微弱振荡趋势，说明座舱尽管在一定程度上增加了电磁散射，但相对增值基本不随频率变化而变化；对模型C、D，入射电磁波频率增加时，S-30的相对增值逐渐增加，而W-360表现为较小幅度的减小趋势。观察模型C和D的相对增值变化曲线，可以看出：二者几乎重合，模型D表现最为突出，说明进气道、进气道及座舱的电磁散射影响基本接近，即相对进气道电磁散射贡献来讲，隐身化后的座舱电磁散射影响较小，已基本淹没在进气道的电磁散射中。