火焰稳定器外环修形对发动机排气系统雷达散射特性的影响

陈瀚赜， 尚守堂， 王旭， 邓洪伟， 杨胜男， 王伟

(中国航发沈阳发动机研究所， 沈阳 110015)

随着各种雷达探测技术的快速发展，作战飞行器雷达隐身性能很大程度决定了其在战场的生存能力，因此飞行器雷达隐身技术已经成为各大军事强国的重点研究对象[1-3]。作为飞行器的动力装置，航空发动机的雷达隐身特性是飞行器整体雷达隐身特性的重要组成部分。其中，由末级涡轮、加力燃烧室、喷管组成的发动机排气系统雷达散射特征信号占整个作战飞行器后向雷达散射特征信号的90%以上。所以发动机排气系统的雷达隐身特性成为了飞行器后向隐身特性的关注重点[4-6]。

针对发动机排气系统的雷达散射特性，近年来许多学者已经开展了大量研究工作。杨胜男等[7]等开展了球面二元矢量喷管的电磁散射特性计算研究。杨胜男等[8]等利用数值仿真的方法研究了发动机腔体的电磁散射特性。王俊琦等[9]研究了轴对称喷管出口锯齿修形对发动机雷达散截面的影响。陈玲玲等[10]研究了轴对称塞式喷管的电磁散射特性。郭霄等[11]利用数值模拟方法研究了几何矢量角对球面收敛矢量喷管雷达散射截面(radar cross section，RCS)的影响。姚伦标等[12]利用数值模拟研究了蒸发腔的不同修形结构对发动机后向雷达隐身特性的影响。

在前期对发动机排气系统雷达散射特性的研究中，针对喷管部件的雷达散射特性研究较多，而针对结构更加复杂、信号特征贡献更大的加力燃烧室雷达散射特性以及RCS缩减技术的研究相对较少。火焰稳定器作为加力燃烧室的重要部件，其对稳定燃烧有着重要的作用。火焰稳定器结构与角反射器结构较为相似，雷达波在照射到凹槽结构时，会发生较强的二次反射与三次反射，因此缩减火焰稳定器的雷达特征信号对提升发动机雷达隐身性能具有重要意义。现以火焰稳定器外环为切入点，利用数值仿真的方法研究在X波段10 GHz频点下，火焰稳定器外环修形对发动机排气系统雷达散射特性的影响。

1 计算模型

图1、图2所示分别为火焰稳定器示意图与外环修形前、后的示意图。未采取修形措施的方案为基准方案，记为方案A，如图2(a)所示。本文设计的两种火焰稳定器外环修形方案利用倾斜挡板对火焰稳定器外环进行遮挡，避免雷达波直接照射至外环的凹槽部分，使散射回波向不同方向偏折。两种不同的修形方案的倾斜方向不同，图2(b)所示方案使照射到外环的雷达波向腔体中心方向散射，该方案记为方案B。图2(c)所示方案使照射到外环的雷达波向外筒体壁面方向散射，该方案记为方案C。

图1 火焰稳定器示意图Fig.1 Schematic diagram of flame stabilizer

图2 火焰稳定器外环修形方案Fig.2 Flame stabilizer outer ring morphology mode

为了获取不同修形角度对发动机排气系统雷达散射特性的影响，两个修形方案均拟定了3个修形角度，分别记为β、β+15°、β+30°。

图3所示为排气系统雷达散射特性的物理模型。本文建立的排气系统物理模型包含加力燃烧室与喷管。在加力燃烧室入口建立进口截面使排气系统物理模型形成单端开口腔体。由于发动机在装机环境下，筒体外壁面被飞机遮挡不会被雷达波照射。因此在仿真计算时，将发动机装配在RCS较低的低散射载体中，并将载体表面的反射率设置较低，从而消除发动机排气系统外壁面对RCS的贡献。

图3 雷达散射特性物理模型Fig.3 Radar scattering characteristics calculation model

2 计算方法

弹跳射线法[13-15](shooting and bouncing ray，SBR)将几何光学法方法和物理光学法方法进行结合，较好地兼顾了复杂腔体散射的计算精度与计算效率。SBR包含对雷达波射线的跟踪、雷达场强跟踪和口径积分三部分。

(1)射线跟踪：利用一系列紧密相连的射线管来模拟雷达波入射到表面时的情况。通过对所有射线管进行路径追踪就可以模拟雷达波在目标的传播过程。

(2)雷达场强跟踪：对射线管与目标表面的交点场强进行跟踪计算。

在均匀介质中，雷达波电场的传播表达式为

(1)

式(1)中：exp(-jkr)表示相位延迟，其中r为介质长度，k为雷达波的单位矢量，表示波传播的方向；E1为入射电场；E2为透射电场;S和S′为介质的横截面积。

在非均匀介质中，雷达波会发生反射和透射，此时的电场传播表达式为

(2)

(3)

式中：Rh/v和Th/v代表反射系数和透射系数；Ei、Er与Et分别代表入射场、反射场和折射场；S1、S2、S3分别表示入射截面积、反射截面积和透射截面积；r1、r2与r3表示入射介质、反射介质和折射介质的路径长度。

(3)口径积分：根据对射线路径跟踪和场强跟踪的分析，可以求出射线经过多次反射回到射线口面时的电场分布，将口面上的电场等效为磁流源，进行口径积分，利用感应电流积分后得到目标体的远区散射场，表达式为

∬exp[-jk(i-s)rd]dSd

(4)

式(4)中：Es为远区散射场；i和s为沿着入射方向、散射方向的单位矢量；n为面元法矢；Hi为入射波的磁场强度；R为场点到原点的路径长度；Sd为明区面元；rd为场点距该面元的距离长度。

最后，将所有射线管得到的散射场进行矢量叠加，得到目标体的远区散射总场，具体表达为

(5)

式(5)中:n表示每条射线管照亮的面元总个数;m表示射线管总数。

3 计算方法可行性验证

火焰稳定器外环具有“V”形特征，雷达波照射至外环时会产生较强的二次、三次散射，与角反射器具有相似性。以图4所示角反射器为例，验证本文采用的计算方法SBR的计算精度。角反射器具体参数如下:边长a为300 mm，b为250 mm，两个面之间的夹角为90°。

图4 验证模型Fig.4 Verification model

本文中对水平探测面0°～45°范围内，角反射器在X波段10 GHz的RCS分布规律进行了数值仿真计算与试验测试结果的对比验证。试验测试在某微波暗室进行，利用大型单反射面、宽频馈源和其他辅助设备可在近距离内将球面波变换为平面波，形成RCS测试所需要的远场条件。角反射器架设在低RCS泡沫支架系统，按照圆扫描方式测试。测试流程按照国军标开展，确保结果的准确性。

图5显示了试验测试的RCS分布曲线与数值仿真计算RCS分布曲线的对比情况。在0°～45°范围内，数值计算的RCS震荡规律与试验测试的RCS震荡规律总体较为接近。在3°～10°内，角反射器两个平板对雷达波的耦合作用较强，因此RCS震荡特性较强。部分波峰、波谷在出现方位上，仿真结果与试验数据略有偏差，这与测试中角反射器实物的表面特性与仿真计算中设定的金属导体表面特性存在差异有关。RCS均值是隐身指标评判的重要依据，通过数据统计，试验测试RCS均值与数值仿真RCS均值的偏差为0.02%，因此本文采用的计算方法SBR法具有较好的计算精度。

图5 试验测试与数值仿真雷达散射截面对比情况Fig.5 RCS comparison of test and numerical simulation

4 计算域及计算网格

图6显示了计算探测点布置方式。为了获取俯仰角对排气系统雷达散射特性的影响，本文将俯仰角分别设置为0°与10°，在两个俯仰角度下，将水平探测面的探测角度(方位角)设置为-30°～30°，探测角间隔设置为0.2°。本文设置的雷达布站方式为单站，表示天线与接收机处于同一方位，其意义为雷达波从设置的探测角度进入排气系统，在腔体内部经历多次反射后，沿原路径返回的雷达波将被接收机捕获。本文计算的极化方式为水平极化、垂直极化，频点选择为X波段10 GHz。

图6 雷达散射特性计算探测点Fig.6 Radar scattering characteristics calculation detection point

在本文的雷达散射特性计算中，采用全模计算。计算网格为面网格。在划分网格时，对排气系统各部件进行网格加密，保证网格尺寸小于计算波长的1/10。

5 计算结果分析

5.1 RCS分布规律分析

对所有雷达散射特性的计算结果均进行了无量纲处理。RCS分布曲线图的纵坐标无量纲雷达散射截面定义为RCS/RCSmax，RCSmax为方案A在该极化方式俯仰角0°时，雷达散射截面的最大值。

图7～图10显示了俯仰角为0°、10°时，两种火焰稳定器外环修形方案对水平极化、垂直极化RCS分布规律的影响。综合各探测角度的计算结果，外环修形对水平极化、垂直极化的RCS分布影响规律基本一致。由于发动机排气系统内存在多个部件，雷达波入射到排气系统内部后在不同部件之间要发生多次反射，因此发动机排气系统在两种极化方式下的RCS分布规律呈现较强的震荡特性，在RCS分布曲线上形成了多个强散射峰值。当俯仰角为0°时，在水平探测面-6°～6°范围内，雷达波并未照射火焰稳定器外环，因此各模型的RCS分布规律基本一致。随着方位角的增加，雷达波开始直接照射火焰稳定器外环，而火焰稳定器外环的修形结构改变了雷达波的散射方向，消除了外环结构的角反射器特征。在水平探测面-26°～-16°与16°～26°范围内，修形结构对排气系统的RCS具有明显的缩减效果。且随着修形角度的减小，修形结构的倾斜度增加，增强了照射在火焰稳定器外环的雷达波向非威胁方向偏折的效果，外环修形对RCS的缩减效果明显提升。随着方位角的进一步增加，火焰稳定器外环被遮挡，雷达波直接照射到加力筒体，产生的二次、三次反射回波会到达火焰稳定器外环，而方案C的修形结构增强加力筒体与火焰稳定器的反射耦合作用，反而增强了散射回波的强度，从而使排气系统的RCS有所增加。

图7 外环修形对水平极化雷达散射截面分布规律影响(俯仰角0°)Fig.7 Impact of outer ring molding of horizontal polarization RCS distribution law(pitch angle 0°)

图8 外环修形对垂直极化雷达散射截面分布规律影响(俯仰角0°)Fig.8 Impact of outer ring molding of vertical polarization RCS distribution law(pitch angle 0°)

图9 外环修形对水平极化雷达散射截面分布规律影响(俯仰角10°)Fig.9 Impact of outer ring molding of horizontal polarization RCS distribution law(pitch angle 10°)

当俯仰角为10°时，随着俯仰角的增加，雷达波直接照射到的区域发生变化。加力内锥等散射源被遮挡，火焰稳定器外环在整个水平探测面均可被雷达波照射，火焰稳定器外环的信号特征对发动机后向的贡献有所增加。因此选取合适的外环方案及修形角度，对排气系统的RCS具有明显的缩减效果，且随着修形角度的减小，RCS的缩减效果也明显提升。在本文的修形结构中，方案B-(β+30°)的RCS大于未修形时的RCS，这是由于在特定的俯仰角下，修形会构成镜面散射源，使雷达波产生信号特征较强的镜面散射回波，导致排气系统的RCS反而有所增加。

表1显示了在俯仰角0°时，火焰稳定器外环修形对排气系统RCS均值降幅的影响。与基准模型方案A相比，方案B、方案C在水平极化与垂直极化方式下的RCS均值均有所下降，且随着修形角度的减小，其对排气系统RCS均值的缩减效果也随之提升。方案C-β是最优的修形方案，其对排气系统水平极化与垂直极化RCS均值的缩减效果为10.9%与13.6%。

表1 外环修形对排气系统雷达散射截面均值降幅的影响(俯仰角0°)Table 1 Impact of outer ring molding of exhaust system RCS mean decline(pitch angle 0°)

表2显示了在俯仰角10°时，火焰稳定器外环修形对排气系统RCS均值降幅的影响。随着俯仰角的增加，加力内锥等强散射源被遮挡，火焰稳定器外环特征信号占比有所增加，采取修形后的RCS缩减效果也明显增加。与俯仰角0°的规律一致，方案C-β是最优的修形方案，其对排气系统水平极化与垂直极化RCS均值的缩减效果为27.5%与37.4%。对于方案B，当修形角度为β+30°时，修形结构对照射到的入射雷达波构成了镜面散射源，因此排气系统的RCS均值有所增加。

表2 外环修形对排气系统雷达散射截面均值降幅的影响(俯仰角10°)Table 2 Impact of outer ring molding of exhaust system RCS mean decline(pitch angle 10°)

5.2 热点分布规律分析

在利用弹跳射线法计算目标的雷达散射特性中，将雷达波最后一次从目标反射到接收机的射线幅度转换成RCS值，贴合到目标表面上，形成了各部位的热点分布，热点强度较大的部位即为雷达波的强散射源。通过获取排气系统的热点分布规律，可以确定雷达波的强散射源以及初步获取对特定部位应用雷达隐身措施后的隐身效果。以垂直极化为例，选取对RCS缩减效果较好的方案B-β、方案C-β分析火焰稳定器外环修形对排气系统热点强度分布规律的影响。

图11～图14显示了在不同探测角度下，排气系统在垂直方式下的热点分布规律。修形结构改变了照射在火焰稳定器外环的雷达波的散射方向，消除了火焰稳定器外环的角反射器特征，降低了火焰稳定器外环的热点强度。且方案C-β的火焰稳定器外环的热点强度低于方案B-β外环的热点强度，表明该方案的修形效果相对较好。而该方案火焰稳定器外环附近的加力筒体的热点强度有所增加。表明在该角度下，外环修形结构使照射在火焰稳定器外环的雷达波向加力筒体方向散射，从而减弱了直接沿尾喷口返回接收机的雷达波回波的能量。

图11 垂直极化热点分布规律(俯仰角0°,方位角10°)Fig.11 Distribution of vertical polarization hotspots, pitch angle 0° and azimuth angle 10°

图12 垂直极化热点分布规律(俯仰角0°,方位角20°)Fig.12 Distribution of vertical polarization hotspots, pitch angle 0° and azimuth angle 20°

图13 垂直极化热点分布规律(俯仰角10°,方位角10°)Fig.13 Distribution of vertical polarization hotspots, pitch angle 10° and azimuth angle 10°

图14 垂直极化热点分布规律(俯仰角10°,方位角20°)Fig.14 Distribution of vertical polarization hotspots, pitch angle 10° and azimuth angle 20°

6 结论与展望

(1)两种火焰稳定器外环修形结构改变了照射到外环雷达波的散射方向，使散射回波分别向非威胁方向偏折，消除了外环的角反射器特征，对水平探测面-26°～-16°与16°～26°的RCS具有明显的缩减效果。

(2)减小修形角度，修形结构的倾斜度增加，增强了照射在火焰稳定器外环的雷达波向非威胁方向偏折的效果，提升其对RCS的缩减效果。

(3)随着俯仰角的增加，火焰稳定器外环在整个水平探测面均可被雷达波照射，其信号特征对排气系统总信号特征的贡献有所增加，采取修形措施后对水平极化与垂直极化RCS的缩减效果也明显提升，最大可达27.5%与37.4%。

(4)为了降低发动机后向雷达特征信号，提升飞行器战场突防力与生存力，利用弹跳射线法对火焰稳定器外环修形开展了仿真研究。后续应对研究内容继续开展试验验证，获取修形方式、修形角度对RCS缩减效果的影响及规律，并利用试验数据对计算方法进行修正，进一步提升仿真计算精度。