吸波材料脱落对球面收敛喷管电磁散射特性的影响

2021-07-07郭霄杨青真文振华李树豪方鹏亚

航空学报 2021年6期

郭霄，杨青真，文振华，*，李树豪，方鹏亚

1.郑州航空工业管理学院航空工程学院，郑州 450046

2.西北工业大学动力与能源学院，西安 710029

降低作战飞机雷达散射截面积(Radar Cross Section，RCS)是提高作战飞机作战能力和生存能力的一项重要措施[1]。飞机发动机喷管是典型的腔体结构目标，是作战飞机后向电磁散射特性的重要贡献源之一。对航空发动机喷管采用相应的RCS缩减措施可以有效地降低作战飞机后向的雷达散射截面积，提高飞机的作战能力和生存力。

外形设计和使用雷达吸波材料(Radar Absorbing Material，RAM)是缩减目标RCS的2种常用措施。雷达吸波材料的基本作用原理是将入射的电磁波所携带的电磁能转化成热能耗散或者使电磁波因干涉而消失。雷达吸波材料按照其是否参与结构受力分为：结构类吸波材料和非结构类吸波材料。非结构类吸波材料一般指如吸波涂层类等不参与飞行器结构总体受力的材料[2]。

国内外学者对于吸波涂层在飞行器及进/排气系统上的应用及缩减效果分析开展了大量的研究。Woo等[3]对NASA提出的标准杏核体以及其他几种旋转体在不同频率下的RCS分别进行了数值模拟计算和室内暗室测试试验，并对部分旋转体进行了涂覆RAM的试验测试。研究结果表明物理光学法和矩量法均适用于NASA杏核体的电磁散射特性计算，数值模拟结果与试验测试结果基本一致。Strifors和Gaunaurd[4]研究了2种不同性质的雷达吸波材料对于典型球体目标的RCS的影响，并将球体涂覆结果与涂覆同样吸波材料的平板的回波结果进行了对比分析，研究结果表明在球体目标上涂覆吸波材料对于目标RCS的影响与平板目标的影响一致。Mosallaei和Rahmat-samii[5]研究了雷达吸波材料对于矩形、球形等规则形状腔体的雷达散射截面积的缩减效果，采用遗传算法得到吸波材料在规则腔体的最优涂覆组合形式。Mallahzadeh等[6]针对飞行器这类电大尺寸目标的RCS特性计算开发了基于抛物方程的数值模拟算法；分别采用其开发的算法和物理光学法计算球体和某型飞机的RCS用以验证算法的精度。马东立和武哲[7]研究了适用于求解吸波材料涂覆后光滑金属凸表面RCS的工程修正方法，并用该方法研究了在机翼前、后缘涂覆吸波材料对整机RCS的影响；研究结果表明在机翼前、后缘涂覆吸波材料可以有效缩减飞机整体的RCS。刘军辉和张云飞[8]在室内暗室中对直升机旋翼部分有无吸波材料涂层的模型进行了整机RCS的试验测试，测试结果表明在直升机旋翼部分涂覆1 mm厚的吸波材料可以在8～18 GHz波段水平极化方式下有效地缩减整机的RCS峰值与均值；在垂直极化方式下吸波材料对于直升机整机的RCS缩减效果并不明显。李江海等[9]基于涂覆结构表面的电磁场阻抗边界条件，建立了表面电磁流的新的积分方程，并利用快速算法求解；对多种目标的数值计算表明所开发的数值算法在不增加计算量和存储量的前提下，显著改善了迭代求解的收敛性。周超等[10]研究了介质涂覆对目标电磁散射特性的影响，推导了基于表面积分方程的高阶矩量法；在此基础上用高阶矩量法计算分析了某型巡航导弹和高速飞行器涂覆吸波材料的双站RCS散射特性，研究结果表明高阶矩量法能够有效解决电大尺寸复杂介质涂覆目标的RCS计算。何小祥等[11]将迭代物理光学(Iterative Physical Optics，IPO)方法推广应用于非完全理想导体边界的电磁散射问题的计算，建立了相应的理论模型，并将其开发的方法应用于内壁涂覆吸波材料的电大尺寸腔体的电磁散射分析中。王龙等[12]研究了涂覆吸波材料对二元S弯进气道的电磁特性影响规律，分析了不同电参数的吸波材料对进气道RCS的影响。高翔等[13]研究了在双S弯喷管不同位置涂覆RAM对RCS缩减作用的影响，研究结果表明在不同的位置涂覆吸波材料对喷管的后向RCS影响差异显著，在特定的位置涂覆吸波材料可以在减小吸波材料使用量的基础上得到较好的RCS缩减效果。

航空用涂覆型吸波材料脱落的主要原因是在实际使用中受到气流的高速冲刷。目前针对航空用涂覆型吸波材料脱落形式的研究较少，本文中借鉴文献[14]中的研究成果，总结出适用于航空用涂覆型吸波材料的主要的脱落形式。根据脱落面积和脱落位置，可以将脱落分为局部脱落和随机脱落。局部脱落是指在某一位置出现连续的超过一定面积的吸波材料脱落；而随机脱落是指在随机位置出现的面积较小的吸波材料脱落。

在飞行器的日常使用中，由于RAM受到气流的冲击，可能会引发材料的脱落，RAM脱落后会对雷达散射的缩减作用产生不利的影响；综合现有文献发现，针对RAM脱落后对RCS缩减效果的影响研究较少，为此本文开展了吸波材料脱落对RCS缩减效果的影响的研究工作，采用加入阻抗边界条件的迭代物理光学算法，对SCFN吸波涂覆方案开展不同脱落概率下对于其RCS缩减效果的影响的数值模拟计算分析。

1 计算方法

1.1 腔体RCS计算方法

迭代物理光学方法[15-16]是在物理光学方法基础上，考虑电磁波在腔体内的多次散射之后的一种迭代方法求解方式。IPO方法的基本计算思路为

J=J0+J1

(1)

式中：J0为物理光学方法产生的初始感应电流；J1为对初始电流的修正项。

在IPO方法中加入等效阻抗边界条件[17-21]之后，使得IPO方法能够有效地计算RAM涂覆之后腔体的RCS。等效阻抗边界条件通过使用一个等效阻抗或者一个偏微分方程作用于目标及其周围空间界面上，从而避开了研究吸波材料内部复杂的电磁波传播过程，简化了计算过程。

阻抗边界条件主要适用于非理想导体表面以及涂覆有薄层介质的导体表面。它将一个常数与导体表面电磁场的切向分量联系起来，数学表达式简单，在工程上获得了广泛的应用。阻抗边界条件的定义为

(2)

式中：Z为自由空间阻抗；Zs为绝对阻抗；ηr为表面的相对阻抗。当壁面材料为理想导体时Zs=0;Et为目标表面电场切向分量；Ht为目标表面磁场切向分量。

1.2 脱落模型

在针对单端开口腔体RCS仿真计算中，采用非结构网格对壁面进行划分。在计算吸波材料脱落时，吸波材料涂覆区域面元网格存在理想导体(脱落面元)和阻抗(未脱落面元)边界2种边界条件。为了能够有效地模拟吸波材料在使用过程的随机脱落行为，在处理涂覆区域的面元网格时使用随机数生成函数，使用此函数产生一个[0,1]范围内的随机数，当脱落概率小于此随机数时，认为该位置的RAM涂层没有发生脱落，即将该位置上面元指定为阻抗边界条件；反之则该面元指定为理想导体边界。

1.3 RCS缩减效率定义

为准确描述吸波材料对于球面收敛二元矢量喷管(SCFN)的RCS缩减能力的影响，且可定量地表征吸波材料的隐身效果，定义了一个参数——吸波材料缩减效率A：

(3)

式中:σ0为无RAM涂层的SCFN的RCS均值；σ为存在RAM涂层且无脱落时SCFN的RCS均值；σn为RAM涂层不同脱落概率下SCFN的RCS均值。

2 计算模型

图1为所研究的模型示意图。根据文献[22] 的研究结论，在SCFN喷管平直段和球面收敛段涂覆吸波材料可以在降低吸波材料使用量的基础上达到较为良好的RCS缩减效果。本文针对文献[22]中涂覆方案6进行了RAM涂层随机脱落数值模拟，主要研究了脱落概率对于吸波材料对RCS缩减效果的影响；研究所使用的雷达吸波材料电属性如下：μr=1.0，εr=6.11-j0.78；吸波材料涂覆厚度为0.006 m。文献[22]中涂覆方案6指在SCFN喷管球面收敛段和扩张段涂覆吸波材料。

图1 计算模型示意图

3 结果与分析

RCS计算条件设置如下：雷达入射频率为10 GHz，由于球面收敛二元矢量喷管为典型的非轴对称结构喷管，需要综合考虑其在俯仰和偏航探测面内的RCS角向分布，因此在俯仰和偏航探测平面内计算角度为0°～40°，脱落概率分别设定为0.1、0.3、0.5、0.7和0.9。图2为计算角度设置图，图中“Pitch plane”是俯仰探测面；“Yaw plane”是偏航探测面。

图2 雷达探测角设置示意图

3.1 俯仰探测面

图3为俯仰探测面水平、垂直极化方式下不同RAM脱落概率下SCFN的RCS角向分布曲线，图中0曲线代表参考[22]中涂覆方案6下SCFN的RCS分布。由图3(a)可知，在水平极化方式下，在0°～40°探测角θ范围内，不同脱落概率下SCFN的RCS角向分布规律相似，在部分探测角下会存在差异。在0°～10°探测角范围内，RAM脱落后SCFN的后向RCS角向分布与未发生脱落下的RCS分布规律接近，RCS幅值差较小，这主要是因为在该角度范围内，对SCFN的RCS起到主要影响的是其进口端面，而本文研究的涂覆方案则是在其出口和球面收敛段进行RAM涂覆。在10°～30°探测角范围内，当脱落概率大于等于0.5后，SCFN的RCS角向分布规律与其他脱落概率下的SCFN的RCS角向分布存在较大的差异，且RCS幅值差异也较大，这可能是因为随着入射角的增加，能够直接照射到RAM涂覆区域的雷达波增加，且随着随机脱落概率的增大，壁面脱落的RAM的面积增加，对于入射电磁波能量的影响增强，经过壁面一次反射之后，在经过球面收敛段和平直段的多次反射，由于壁面区域是随机脱落，所以经过多次反射的电磁波的能量差异较大。在30°～40°探测角范围内，不同脱落概率下SCFN的RCS角向分布规律相似，主要差异体现在RCS幅值上，这主要是因为在该探测角区域内，对SCFN的RCS贡献的主要区域就是RAM涂覆的区域，RAM材料的脱落直接降低了RAM的涂覆面积，从而降低了对RCS的缩减能力。由图3(b)可知，在垂直极化方式下，不同脱落概率下SCFN的RCS角向分布规律与未脱落下SCFN的RCS角向分布规律相似，且RCS幅值差异也较小。只有在较大的探测角下，脱落后SCFN与未脱落时SCFN的RCS幅值差较大，这是因为SCFN自身以和本文所用的RAM均具有一定的极化特性。

图3 俯仰探测面水平和垂直极化方式下不同脱落概率模型RCS角向分布曲线

图4所示为俯仰探测面内水平极化方式下15°探测角不同RAM涂层脱落概率下SCFN的壁面感应电流密度(JMOD)分布云图。由图可知，在该探测角度下，不同脱落概率下SCFN壁面上的感应电流密度分布的差异较小，只有在脱落概率为0.9时SCFN的进口端面存在一个高密度感应电流分布区域，但是该区域面积很小，这主要是因为在该脱落概率下，壁面吸波材料脱落较多，对于入射雷达波入射能量的吸收能力降低。

图4 俯仰探测面水平极化方式下θ=15°时不同脱落概率模型表面感应电流密度分布云图

表1为俯仰探测面2种极化方式下不同脱落概率模型的RCS均值及缩减效率。表中的脱落面元面积所占比例是脱落的面元总面积除以RAM涂覆区域的总面积。由表可知，在不同的脱落概率下，壁面RAM的实际脱落面积占比均小于脱落概率；当RAM涂层的脱落概率小于等于0.7时，壁面未脱落的RAM仍可以保持无脱落情况下70%左右的RCS缩减效果；当脱落概率大于0.7时，RAM涂层保留的RCS缩减能力迅速下降。因此，当RAM脱落概率大于0.7时，需要及时对脱落位置的RAM进行修补。通过对均值的分析，在水平极化方式下，当RAM的脱落概率达到0.3时，与无脱落条件下的SCFN的RCS均值相比，其RCS均值增大了21.54%，当脱落概率达到0.9时，与无脱落条件下的SCFN的RCS均值相比，其RCS均值增大了66.41%；在垂直极化方式下，当脱落概率达到0.9时，与无脱落条件下的SCFN的RCS均值相比，其RCS均值增大了43.15%。

表1 俯仰探测面水平和垂直极化方式下不同脱落概率模型RCS均值

3.2 偏航探测面

图5为偏航探测面水平、垂直极化方式下不同脱落概率下SCFN的RCS角向分布曲线。由图5(a)可知，在水平极化方式下，不同脱落概率下SCFN的RCS角向分布规律相似，且RCS幅值相差较小；这主要是因为在偏航探测面内，入射电磁波进入腔体直接照射的面积较小，且在该区域没有涂覆吸波材料。由图5(b)可知，在垂直极化方式下，不同脱落概率下SCFN的RCS角向分布存在2种规律。当RAM涂层的脱落概率小于0.5时，SCFN的后向RCS角向分布规律与无脱落时喷管的RCS分布规律相似，当RAM涂层脱落概率大于等于0.5时，喷管的RCS角向分布规律在小角度下出现较大的变化。在0°～10°探测角范围内，2种RCS分布规律的差异体现的较为明显；当探测角大于10°之后，2种规律之间的差异变小，主要差异体现在SCFN的RCS幅值差，这主要是因为在大探测角角度下，入射电磁波能够直接照射到喷管内壁面涂覆吸波材料区域，该区域吸波材料脱落直接影响了经过该区域反射进入腔体的雷达波的能量，进而影响了腔体的RCS值。

图5 水平和垂直极化方式下不同脱落概率SCFN的偏航探测面内RCS角向分布曲线

图6为垂直极化方式下偏航探测面内0°探测角时不同RAM涂层脱落概率下SCFN壁面感应电流密度分布云图。由图可知，随着RAM涂层脱落概率的增加，壁面上高密度感应电流分布区域的位置并没有反生变化，但是强度变大了，这主要是因为在SCFN的RAM涂层脱落之后，其雷达波的吸收能力下降。

图6 偏航探测面垂直极化方式下θ=0°时不同脱落概率模型表面感应电流密度分布云图

表2为偏航探测面2种极化方式下不同RAM涂层脱落概率SCFN的RCS均值及缩减效率。由表可知，在偏航探测面，未脱落RAM的RCS缩减能力较其在俯仰平面内的表现更弱。在水平极化方式下，当脱落概率大于0.1时，未脱落的RAM的RCS缩减能力大幅度下降；在垂直极化方式下，当RAM涂层脱落概率达到0.7时，未脱落的RAM涂层仍旧可以保持50%左右的RCS缩减能力。综合来看，当RAM涂层脱落达到0.5时，需要及时修补RAM涂层。通过对均值的分析，在水平极化方式下，当脱落概率达到0.5时，SCFN的RCS均值有一个较大的变化，与无脱落情况相比，其RCS均值增大了21.04%；在垂直极化方式下，当脱落概率达到0.9时，其RCS均值增大了15.87%。吸波材料的脱落在俯仰探测面内对于RCS均值的影响要大于在偏航探测面内。