加力燃烧室涂覆吸波材料对发动机排气系统雷达散射特性的影响

陈瀚赜, 李中生, 邓洪伟, 杨胜男, 王 旭, 王 群

(1. 中国航发沈阳发动机研究所, 沈阳 110015; 2. 空军装备部驻沈阳地区第二军事代表室, 沈阳 110043)

0 引 言

雷达是利用电磁波探测目标的电子装备, 是军事领域中的主流探测系统, 降低飞行器雷达特征信号对提升作战能力具有重要作用[1]。 由涡轮、 加力燃烧室与喷管组成的航空发动机排气系统是典型的腔体结构, 其雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS)占整个飞行器后向RCS约90%, 降低排气系统的雷达信号特征对于提升飞行器后向隐身能力具有重要意义[2-3]。 加力燃烧室部件结构复杂, 存在较多的散射源, 雷达波照射到加力部件后产生的散射回波能量较强, 因此, 降低加力燃烧室的雷达特征信号是提升飞行器后向雷达隐身能力的重点[4-5]。

对加力燃烧室部件进行结构修形设计, 使散射回波向非威胁方向偏折是降低加力燃烧室雷达特征信号的一种手段[6-8]。 然而修形设计易对加力燃烧室的气动性能、 燃烧效率产生影响。 涂覆吸波材料可以吸收照射到飞行器表面的雷达波能量, 将其转化为热能耗散或者通过干涉使雷达波相消, 减弱散射回波的信号特征[9-11], 在不改变外形的条件下缩减雷达特征信号。 因此涂覆吸波材料是提升发动机排气系统雷达隐身能力的常用手段。 高翔等[12]研究了介质涂覆位置对双S弯排气系统在X波段雷达散射特性的影响。 结果表明在双S弯排气系统内壁面进行介质涂覆对雷达负探测角范围内的RCS缩减效果明显。 郭宵等[13-14]研究了球面收敛喷管应用吸波介质及吸波介质脱落对X波段雷达散射特性的影响。 结果表明仅在球面收敛喷管出口和球面段进行涂覆, 可以在吸波材料减少30%的条件下达到全涂覆方案80%的缩减效果。 在俯仰探测面, 当吸波材料脱落概率达到0.7时, 仍具有68.19%的RCS缩减能力。 宋宇等[15]研究了二元塞式喷管涂覆吸波介质对电磁散射特性的影响。 结果表明塞锥和出口壁面是二元塞式喷管雷达散射的主要来源, 对塞锥和出口壁面涂覆吸波介质是获取综合收益最大的方法。

在前期关于涂覆吸波材料缩减发动机雷达特征信号的相关研究中, 主要针对不同形式的喷管开展, 缺乏对雷达信号特征更大且结构复杂的加力燃烧室开展涂覆吸波材料对雷达散射特性的影响研究。 本文建立典型排气系统物理模型, 拟定不同的加力燃烧室吸波材料涂覆方案, 仿真分析不同方案对排气系统在S波段、 X波段典型频点雷达散射特性的影响。

1 物理模型

图1为本文建立的发动机排气系统雷达散射特性计算物理模型。 模型包含涡轮叶片、 承力框架、 混合器筒体、 波瓣混合器、 加力内锥、 火焰稳定器、 加力筒体、 轴对称喷管。 由于发动机在装机环境下, 筒体外壁面并不会被雷达波照射。 因此, 在仿真计算时通常将发动机装配在低散射载体中, 并将载体外表面设置为全吸波状态, 从而消除外壁面对RCS的贡献, 以模拟发动机真实使用环境。

图1 雷达散射特性计算物理模型Fig.1 Physical model of computing radar scattering characteristic

2 吸波材料涂覆方案

加力燃烧室主要包含加力内锥、 火焰稳定器、 波瓣混合器、 加力筒体, 本文在涡轮、 喷管等部位均不涂覆吸波材料的条件下, 共拟定5种加力燃烧室吸波材料涂覆方案, 如表1所示, 并将吸波材料在各波段对雷达波的反射率设置为-4 dB。 Case 1为本文的基准方案, 在所有部位均未涂覆吸波材料, Case 2～Case 4分别为在加力燃烧室不同部位涂覆吸波材料的方案, Case 5在所有加力燃烧室部件均涂覆吸波材料。 Case 2～Case 4结合不同工程使用需求分别拟定了3种吸波材料涂覆方案。

表1 吸波材料涂覆方案Table 1 Microwave absorbing material coating schemes

3 计算方法

弹跳射线法(Shooting and Bouncing Ray, SBR)较好地兼顾了复杂腔体散射的计算精度与计算效率, 目前广泛应用于发动机进气、 排气系统的雷达散射特性仿真计算中。 本文采用弹跳射线法对排气系统物理模型进行数值仿真计算。 SBR包含射线管生成及跟踪、 射线场强跟踪和远区散射场积分计算3个部分[16-18]:

(1) 射线管生成及跟踪: 将入射的雷达波离散为射线, 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) 射线场强跟踪: 对射线管与目标表面的交点场强进行跟踪计算, 可求得电磁场的幅度。 雷达波经过一次反射后, 射线及场强信息进行更新, 反射射线更新为入射射线, 反射场强更新为入射场强, 如此迭代直到射线脱离目标或者射线达到终止条件。

(3) 远区散射场积分计算: 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, 对感应电流进行口径积分, 得到目标体的远区散射场, 表达式为

∬exp[-jk(i-s)·rd]dSd

(1)

式中:Es是远区散射场;i和s为沿着入射方向、 散射方向的单位矢量;n为面元法向矢量;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

(2)

式中: 第一个求和符号表示所有射线管散射场的叠加; 第二个求和符号表示对所有射线管照亮面元的散射场的叠加,n表示每条射线管照亮的面元总个数,m表示射线管总数。

4 计算方法验证

角反射结构是一种强散射源, 在本文建立的发动机排气系统模型中, 火焰稳定器类似角反射结构。 为了验证本文采用的SBR的计算精度, 以图2所示角反射器为例(蓝色区域为涂覆吸波材料的区域, 橙色区域为未涂覆隐身材料的金属区域), 进行了数值仿真计算与试验测试结果的对比验证。

图2 角反射器模型Fig.2 Corner reflector model

图3为试验测试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分布规律与试验测试的RCS分布规律基本一致。 由于角反射器实物表面特性与仿真计算中设定的表面特性存在差异, 测试数据与仿真数据的RCS数值略有偏差但偏差较小, 数值计算的结果与试验结果吻合相对较好, 从而验证了本文采用的计算方法SBR具有较好的计算精度。

图3 测试与仿真数据对比Fig.3 Comparison of test data and simulation data

5 计算边界条件

图4显示了计算探测点布置方式。 本文将俯仰角设置为0°, 将水平探测面的方位角设置为-30°～+30°, 方位角间隔设置为0.3°。 极化方式设置为水平极化、 垂直极化, 计算选取S波段与X波段的典型频点。

图4 雷达散射特性计算探测点Fig.4 Radar scattering characteristic calculation detection point

6 计算结果分析

6.1 低散射载体信号特征验证

为了验证本文建立的低散射载体特征信号是否满足远小于目标特征的信号要求, 以水平极化为例, 利用图5所示的验证计算模型对低散射载体在S波段、 X 波段雷达信号特征进行仿真计算, 并将结果与Case 1的计算结果进行对比。

图5 低散射载体验证计算物理模型Fig.5 Verification of computational physical model for low scattering carrier

本文对所有RCS计算结果进行无量纲处理。 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为在该极化方式下, 不同方案在整个探测角域内RCS的最大值。 图6显示了低散射载体与目标的计算结果, 在两个波段典型频点下, 低散射载体在-30°～+30°范围内的RCS均远小于Case 1的RCS, 表明本文建立的低散射载体满足要求。

图6 RCS对比情况(水平极化)Fig.6 Comparison of RCS (horizontal polarization)

6.2 SAR成像分析

为了获取雷达波强散射源分布, 以X波段为例, 仿真计算了雷达波从水平方位角0°入射时排气系统的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像, 结果如图7～8所示。

图7 SAR成像(X波段水平极化)Fig.7 SAR imaging(X-band horizontal polarization)

图8 SAR成像(X波段垂直极化)Fig.8 SAR imaging(X-band vertical polarization)

当雷达波从方位角0°入射到排气系统的腔体中, 直接照射到火焰稳定器、 承力框架支板、 涡轮叶片, 随后在腔体内各部件间继续发生多次反射形成最后的散射总场。 在水平极化方式下, 对于未涂覆吸波材料的Case 1, 由于火焰稳定器内环、 中环、 外环及传焰槽类似角反射结构, 雷达波在照射火焰稳定器时, 会进入凹槽内部, 形成较强的镜面散射回波, 因此在火焰稳定器位置形成了特征信号最强的能量云团, 火焰稳定器也是发动机排气系统中雷达特征信号最强的散射源。 雷达波在照射涡轮叶片及承力框架的支板端面时, 也会发生镜面散射, 然而由于支板端面面积相对较小, 叶片具有倾斜角度未构成直接镜面散射源, 因此在上述两个部位, 形成了特征信号弱于火焰稳定器信号特征的能量云团。 加力内锥与波瓣混合器未构成镜面散射源, 雷达信号特征弱于火焰稳定器、 涡轮叶片等部位。 在轴对称喷管的出口截面及喉道截面, 排气系统空间发生剧烈变化, 雷达波在两个截面处会聚集形成能量相对较强的特征信号。 而由加力筒体形成的腔体空间没有固体结构, 散射回波叠加形成的信号特征较弱。 在加力部件不同区域涂覆吸波材料后, 不仅涂覆材料部位的特征信号明显下降, 对部分未涂覆材料区域的特征信号也存在影响。 这是由于雷达波在腔体内各部件多次反射过程中, 不断被吸波材料耗散, 最终不仅在涂覆吸波材料部位的信号特征下降, 而在整个排气系统腔体空间的信号特征均下降。 Case 2在加力筒体、 加力内锥涂覆吸波材料, 使雷达波在加力筒体段的腔体空间叠加形成的散射总场信号特征明显下降。 加力内锥处信号特征也有下降, 然而由于附近的火焰稳定器信号特征明显更强, 因此内锥及其附近的信号特征降幅有限。 Case 3～Case 5吸波材料涂覆部位更多, 在整个排气系统腔体内的雷达信号特征均低于Case 1, 这3个方案在SAR成像中信号特征能量分布较为接近, 在涂覆位置不同处信号特征略有差异。 由于火焰稳定器是腔体内最强的散射源, 这3个方案均在火焰稳定器涂覆吸波材料, 因此该位置的信号特征明显下降, 而雷达波在腔体内反射的过程中, 仍会到达火焰稳定器, 吸波材料继续消耗雷达波能量, 因此排气系统内部其他区域的信号特征也均下降。 Case 3～Case 5在加力筒体中间区域集中出现能量极低的信号特征条带, 这是由于在火焰稳定器涂敷吸波材料对散射回波的信号特征强度及散射方向改变较大, 直接改变了散射总场的信号强度及方向, 雷达波在该区域存在较强的干涉相消效果, 导致产生局部能量极低的信号特征条带。 同时在加力筒体涂敷吸波材料会进一步降低该区域的信号特征, 因此Case 4、 Case 5在该区域的信号特征较Case 3进一步下降。 雷达波从方位角0°入射时, 加力内锥、 加力筒体等部位对于雷达信号特征的影响远小于火焰稳定器, 因此在两个部位涂覆吸波材料的差异对SAR成像中信号特征能量分布的影响相对有限。

对于垂直极化, 散射源的信号特征强弱分布与水平极化基本一致, 部分区域的能量云团形状略有差异。 表明两种极化方式下, 强、 弱散射源的分布特征一致, 火焰稳定器仍是信号特征最强的雷达波散射源, 涡轮叶片及支板部位是次强散射源。 在加力燃烧室部件涂覆吸波材料对降低排气系统腔体内的雷达信号特征具有较好效果。

6.3 RCS分布规律分析

图9～12显示了S波段、 X波段在水平极化、 垂直极化方式下的RCS分布曲线。 由于两种极化方式下强散射源分布情况基本一致, 因此不同吸波材料涂覆方案对RCS缩减效果的影响规律具有相似性。 以水平极化为例对各方案RCS分布规律进行分析。 对于S波段, Case 1、 Case 2的RCS分布规律相对较为接近, 两种方案在方位角-16°～+16°范围内形成了较强的RCS宽角域波峰, 在±16°之后, RCS不断震荡下降。 Case 2在加力内锥、 加力筒体两个部位涂覆吸波材料, 对RCS的缩减效果主要体现在±20°之后, 此时雷达波主要照射到喷管与加力筒体部位, 因此在加力筒体涂覆吸波材料具有较好效果。 雷达波在±15°范围内可以直接照射到加力内锥, 而内锥的雷达波信号特征远低于火焰稳定器、 涡轮叶片等部位, 因此在火焰稳定器、 涡轮叶片不涂覆吸波材料的条件下, 仅在加力内锥涂覆吸波材料对该角域RCS缩减效果有限。 Case 3、 Case 4、 Case 5的RCS分布规律较为接近。 这3种方案在-10°～+10°范围内形成了较强的RCS宽角域波峰, 随后RCS快速下降, 在±14°形成散射波谷。 在±14°之后, RCS不断震荡。 与未涂覆吸波材料的Case 1相比, Case 3～Case 5在整个探测范围内对RCS具有较好的缩减效果, 其中对-18°～+18°范围内的RCS缩减效果较为明显, 表明在火焰稳定器涂覆吸波材料对缩减排气系统后向RCS具有重要作用。 Case 4在-10°～+10°范围内的RCS大于Case 3、 Case 5的RCS, 表明在火焰稳定器涂覆吸波材料缩减其信号特征的情况下, 继续在加力内锥涂覆吸波材料可以继续缩减RCS。 在±20°之后, Case 3的RCS大于Case 4、 Case 5的RCS, 体现了在加力筒体涂覆吸波涂层的收益。

图9 S波段RCS分布曲线(水平极化)Fig.9 S-band RCS distributioncurve (horizontal polarization)

图10 X波段RCS分布曲线 (水平极化)Fig.10 X-band RCS distribution curve(horizontal polarization)

图11 S波段RCS分布曲线(垂直极化)Fig.11 S-band RCS distribution curve(vertical polarization)

图12 X波段RCS分布曲线(垂直极化)Fig.12 X-band RCS distribution curve(vertical polarization)

对于X波段, 由于雷达波波长较S波段雷达波短, 对各部位细节特征的探测能力更强, 因此RCS震荡特性明显增强, 且散射波峰、 波谷数量有所增加。 与S波段相比, X波段雷达波照射到排气系统各部位产生的散射机理有所变化, 然而两个波段强散射源分布规律基本一致, 因此在各部位涂覆吸波材料后对X波段RCS影响规律、 影响机理与S波段仍具有相似性, 而对RCS缩减数值与缩减角域有所差异。 其中Case 3～Case 5仍是对RCS具有较好缩减效果的3种方案, 对Case 1中0°、 ±10°、 ±18°方位角处形成的散射波峰具有较强的消弱效果。

6.4 RCS均值降幅分析

表2显示了在方位角-30°～+30°范围内不同方案的RCS均值降幅。 对于S波段, Case 3～Case 5在两种极化方式下的RCS均值降幅远大于Case 2的RCS均值降幅, 表明在本文的研究条件下, 在火焰稳定器涂覆吸波材料对缩减RCS具有较好的效果。 其中Case 5涂覆部位最多, 对RCS缩减效果最好, 在水平极化、 垂直极化两种方式下RCS均值降幅分别达90.9%和92.3%。 而与Case 5相比, Case 3、 Case 4两种方案的RCS缩减效果略有下降, 表明在火焰稳定器涂覆吸波材料情况下, 在加力内锥、 加力筒体涂覆吸波材料对RCS缩减效果有限。

表2 方位角-30°～+30°的RCS均值降幅统计表Table 2 Statistical Table of RCS mean Reduction of azimuth angle at -30°～+30°

对于X波段, 由于雷达波波长变短, 照射到排气系统产生的散射机理与S波段有所差异, 各部件的雷达信号特征发生变化。 Case 2对两种极化方式下的RCS均值缩减效果较S波段有所提升, Case 3～Case 5对RCS均值的缩减效果较S波段有所下降, 其中缩减效果最好的Case 5对水平极化、 垂直极化RCS均值缩减效果分别达90.2%和88.4%。 Case 3在两种极化方式下的RCS均值降幅均大于Case 4, 表明在加力内锥涂覆吸波材料对X波段RCS均值的缩减效果好于S波段。

在S波段与X波段, Case 2对水平极化与垂直极化方式下的RCS均值缩减效果差异明显大于其余方案, 且均为对水平极化RCS的均值缩减效果好于垂直极化。 其中X波段, Case 2对水平极化RCS均值的缩减效果为35.7%, 对垂直极化RCS均值的缩减效果为29.4%, 在两种极化方式下RCS均值降幅差异达6.3%。 这是由于在不同极化方式下, 雷达波在火焰稳定器、 加力内锥与加力筒体部位的耦合散射情况有所区别。 在水平极化方式下, 雷达波照射到火焰稳定器后产生的散射回波到达加力内锥与加力筒体的能量更多, 在上述两个部件涂敷吸波材料对其收益相对较大, 因此对水平极化的RCS缩减效果大于垂直极化。

7 结 论

本文拟定了5种不同的加力燃烧室吸波材料涂覆方案, 仿真分析了5种方案对发动机排气系统在S波段、 X波段典型频点水平极化与垂直极化雷达散射特性的影响, 获取的结论如下:

(1) 火焰稳定器是发动机排气系统中雷达特征信号最强的散射源, 在该部位涂覆雷达吸波材料对缩减排气系统S波段、 X波段雷达特征信号收益最大。

(2) 随着雷达波波长减小, 对排气系统各部位细节特征的探测能力更强, 因此X波段的 RCS震荡特性明显增强, 散射波峰、 波谷数量增加。 然而两个波段强散射源分布规律基本一致, 不同涂覆方案对S波段与X波段RCS缩减效果的影响规律、 影响机理具有相似性, 而缩减数值与缩减角域有所差异。

(3) 在加力内锥、 火焰稳定器、 波瓣混合器、 加力筒体4个部位均涂覆吸波材料是对S波段、 X波段在方位角-30°～+30°范围内RCS均值缩减效果最好的方案, 对S波段水平极化、 垂直极化RCS均值缩减效果达92.3%和92.0%, 对X波段水平极化、 垂直极化RCS均值缩减效果达90.2%和88.4%, 表明在加力燃烧室涂覆吸波材料对提升发动机后向雷达隐身性能具有重要作用。