座舱隐身对常规战斗机电磁散射特性的影响

2024-01-21刘战合王菁张芦石金祥张璇

科学技术与工程 2023年36期

刘战合, 王菁, 张芦, 石金祥, 张璇

(1.郑州航空工业管理学院航空宇航学院, 郑州 450046; 2.武汉理工大学船海与能源动力工程学院, 武汉 430070; 3.南京航空航天大学航空学院, 南京 210016)

隐身技术即低可探测技术是提高武器系统战场生存力和突防能力的重要技术手段[1-2],通过主动或被动降低自身可探测信号来实现,外形隐身是飞行器隐身常用的技术途径。尽管隐身战斗机已逐渐服役并形成初步战斗力(如F-22、J-20等),但生产及维护成本较高,限制其大量装备,相对来说,常规战斗机(相对于隐身战斗机)如F-15、F-16、F-18、J-10等依然占据重要地位。

为应对当前探测技术尤其是雷达探测技术的高速发展[3-5],有必要采用隐身改进技术手段提高现役常规战斗机的生存力。贾高伟等[3]详细介绍了面向隐身飞机的3个雷达散射截面(radar cross section,RCS)测试方法及其测试原理等。刘战合等[6]以两种飞翼布局飞行器为目标,研究了锯齿化进气道口面对整机电磁散射的影响,发现锯齿化可显著提升飞行器头向和尾向的隐身性能。蔡超等[7]以无人飞行器的动态RCS数据为基础提出一种隐身突防航迹规划方法,并通过仿真分析发现位姿调整可有效提高无人机躲避动态威胁探测的能力。针对高超声速飞行器,周文硕等[8]研究了锐边化类美军C-HGB高速飞行器目标的气动隐身性能,并详细探究了不同锐边化方法对雷达散射截面的影响。洪苇江等[9]研究了机翼前缘尖化对飞翼布局飞行器的气动和隐身性能的影响特性,研究发现合理的前缘尖化对气动性能影响较小,雷达散射截面降低较为明显。马前阔等[10]面向双基站雷达隐身飞机的动态电磁散射特性分析,提出了一种改进的混合对数正态分布模型并进行了仿真分析,表明提出的模型具有较高的复杂电磁散射特性拟合精度。

综上可知,对飞行器来说,前向(机头方向)一定角域内的RCS[11]的大小及变化规律对飞行器隐身性能影响至关重要。座舱、进气道、雷达舱是影响飞行器头向隐身性能的重要散射源[6],对常规战斗机,座舱的电磁散射影响研究尚鲜见报道。鉴于此,以某型常规战斗机为基础,通过有无座舱对比分析,模拟座舱隐身化作用,研究其对整机电磁散特性的影响规律。以某型常规战斗机为基础,建立常规和隐身两种电磁分析模型,采用物理光学法(physical optics, PO)[6,11],数值研究典型状态下的RCS散射曲线,通过对比两种电磁模型散射特点,基于RCS均值相对减缩值概念,重点分析不同俯仰角、电磁波入射频率下座舱隐身对飞行器前向角域电磁散射特性的影响,为常规战斗机的准隐身改进提供参考。

1 座舱隐身原理及电磁分析模型

1.1 座舱隐身原理

尽管座舱、进气道、雷达舱均属于腔体散射源,但由于功能不同,采用的隐身技术不一。对进气道,可采用多种处理技术,如J-10、J-20、J-31等型号采用Bump进气道,F-22采用S弯进气道,B-2为背负式进气道等技术;对雷达舱,采用频率选择表面(frequency selective surface, FSS)[12]技术实现电磁波的选择性通过,屏蔽威胁波段的电磁波。

对座舱,隐身技术途径是座舱玻璃表面金属化(或导电化),即采用座舱玻璃镀膜[Au或ITO(indium tin oxide]膜等,方块电阻一般小于30 Ω)[3,13]使座舱玻璃表面在电磁波入射时形成屏蔽层(所谓的黄金座舱),将腔体散射变为座舱玻璃外形的表面散射,以便采用外形隐身技术对座舱玻璃进行修形处理,提高头向隐身性(如J-20、F-22)[10,14]。为研究方便,称座舱玻璃未镀膜时为常规座舱[4],如图1(a)所示,相应的,座舱镀膜时为隐身座舱[4],如图1(b)所示。

图1 座舱隐身前后电磁散射对比示意图Fig.1 Comparison of electromagnetic scattering with and without cockpit stealth

在飞行器前向一定角域,对常规座舱[图1(a)],电磁波入射至座舱玻璃时,由于未采用表面镀膜技术,表面电导率较小、表面电阻较大,电磁波几乎可完全通过,即座舱玻璃对电磁波来说并无阻碍,使座舱内形成较强的腔体或镜面散射,严重破坏前向隐身性能,此时,座舱外形的改变并不影响前向电磁散射特性。

对隐身座舱[图1(b)],电磁波入射至座舱玻璃时,由于镀膜玻璃的电导率较大、表面电阻较小,会在玻璃表面感应出表面电流,出现类似金属化表面效果,因此,座舱表面外形会影响电磁散射特性(尤其是前向),即腔体散射演变为玻璃外形的表面散射,在此基础上,可进一步优化座舱玻璃外形,以提高隐身性能。但对常规三代飞行器(如F-16、J-10等),座舱外形已基本设计成熟,如进一步修改外形,会造成气动、改进、制造等成本增加,因此有效改进的策略之一是使用镀膜玻璃座舱,提高飞行器前向隐身性能。

1.2 电磁散射分析模型

以某轻型常规战斗机为基础,分别建立常规座舱、隐身座舱飞行器电磁分析模型,如图2所示。如前所述,对电磁波而言,常规座舱飞行器电磁模型即为不包含座舱玻璃的飞行器电磁模型,而隐身座舱飞行器电磁模型为带座舱玻璃的飞行器电磁模型。机身长16 m,翼展9.6 m,机翼后掠角49°。

图2 电磁计算模型Fig.2 Electromagnetic computation models

如图2所示,借鉴常规战斗机座舱形式,其长度为2.77 m、宽1.03 m、深度0.56 m,座舱前端距机头3.5 m。随着日益先进的探测系统发展,尤其是雷达探测技术革新,对常规战斗机(相对隐身战斗机而言)战场生存能力提出了更高要求,其受到的探测来自于海陆空各个方位,且探测频率更宽。而对常规战斗机,其前向一定角域内的RCS影响尤其重要,因此,依据战场需求,研究时以前向一定角域电磁散射特性为主,辅以其他相关角域电磁散射特性来综合分析。考虑到雷达电磁波频率的多样性,将入射电磁波频率设定为1、3、6、10、15、18 GHz,电尺寸分别为53、159.9、319.8、533.3、799.5、959.4,为典型的电大尺寸目标;关注角域定义为前向(即机头方向)30°(H-30°)和更大范围的前向60°(H-60°)角域散射特性为主要研究内容,兼顾侧向60°(S-60°)、后向(机尾方向)30度(T-30°)、周向360°(W-360°)角域。电磁波入射方位角为0°～360°,俯仰角设定为-10°、-5°、0°、5°、10°,俯仰角为正时对应飞机抬头,为负时对应飞机低头。

2 电磁散射分析方法简介

2.1 电磁散射快速计算方法

对常规战斗机的电大尺寸金属目标,其电磁散射特性可采用并行策略的数值计算方法,具有较高的计算精度,如并行多层快速多极子算法(parallel multilevel fast multipole algorithm, PMLFMA)[15]、时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)[16]等,也可采用高频近似方法,如物理光学法、几何光学法、物理绕射理论、射线追踪法等。

就常规战斗机来说,属于典型的电大尺寸计算目标,如采用数值计算方法,即便是并行策略,尽管可以获得较为精确的计算结果,但计算内存、效率会有较大的损失,甚至不能完成计算,缺乏工程应用性。高频近似方法(如物理光学法)尽管对一些弱耦合散射项有一定取舍,但对电大尺寸目标依然有较高的计算精度,同时有较高的计算效率,可用于分析常规战斗机目标的电磁散射特性,考虑到座舱的腔体散射计算效果,对物理光学法采用了遮挡处理。

物理光学法是高频近似方法中常用方法之一,该方法从电磁场积分方程出发,忽略面元间的相互耦合,以面元自耦合来求得散射场。采用物理光学法计算目标的RCS[11],计算公式为

(1)

式(1)中:σ为目标RCS;i为目标网格计算面元编号;σi为第i个计算面元的复数RCS。

(2)

2.2 座舱隐身电磁散射影响分析方法

基于1.1节所述座舱隐身原理,针对电磁分析模型A和B,考虑到隐身一般体现在一定角域尤其是头向角域内的RCS散射特性,在重点研究角域,飞行器电磁模型B相对于A的RCS相对减缩值可表示为

(3)

给定关注角域内,算术均值[17]可表示为

(4)

式(4)中:σi为第i个入射角的RCS,dBsm;N为该角域上的RCS采样点数目。

综上,对座舱隐身的电磁散射特性,首先通过两种电磁模型的RCS曲线对比来分析座舱隐身前后对曲线分布的影响特点,包含散射波峰波谷变化特点、曲线与飞行器结构的影响关系等;其次,基于不同角域的RCS算术均值,研究座舱隐身在不同频率、俯仰角时对电磁散射幅值的影响关系;最后,以RCS相对减缩值为基准,重点研究座舱隐身对飞行器电磁散射特性即隐身性能的影响规律。

3 座舱隐身对RCS曲线分布的影响

为分析采用座舱隐身措施前后的RCS曲线分布变化规律,从飞行器俯仰角变化和入射电磁波频率两方面着手,由于变化规律的相似性,选取A、B两种电磁模型入射波频率6 GHz(俯仰角0°、5°)的RCS散射曲线如图3所示,俯仰角0°(入射电磁波频率分别为3、10 GHz)的RCS散射曲线如图4所示。

图3 两种模型不同俯仰角RCS曲线(6 GHz)Fig.3 RCS curves of two models with different pitch angle(6 GHz)

图4 两种模型不同频率RCS曲线(俯仰角0°)Fig.4 RCS curves of two models with different frequencies(in the pitch angle of 0°)

从图3可以看出,同一状态下,采用镀膜等技术之后的座舱具有明显的前向隐身效果,即RCS曲线在前向一定角域内差异较大。从曲线分布来看,对模型A来说,沿周向依次在0°、40°、90°、135°、180°附近包含有对称分布的9个散射波峰,与之对应,座舱隐身模型B在前向0°处较强散射波峰消失。

如前所述,俯仰角0°、5°下,方位角0°附近角域散射波峰表现为座舱、进气道及其他部件在前向的综合散射效果,方位角0°附近角域主要为座舱腔体的散射贡献,边条翼也有较少贡献。方位角40°附近角域散射波峰较窄,幅值接近20 dBsm,为机翼前缘的散射效果。方位角90°附近角域波峰较宽,为机身侧面、垂尾、机翼侧向等耦合散射,影响范围较大,幅值较高,从作战特点来看,该范围内对常规战斗机的隐身性能影响较小。方位角135°附近角域附近时尾喷口外部边缘切口的散射贡献,该角域影响偏离后向30°角域,对后向隐身性能影响较小。方位角180°附近角域散射波峰为尾喷口截面、垂尾、机翼后缘散射耦合的综合表现,影响较大者为尾喷口截面的镜面散射效果,降低了后向隐身性能。

俯仰角变化时,两种模型的RCS散射曲线均有一定变化,主要表现在前向H-60°角域。对模型A,俯仰角增大时,前向H-60°角域上的散射波峰变窄,幅值变小,尤其在前向H-30°表现更为明显,该现象是由于座舱腔体散射俯仰角0°向5°变化时,腔体散射效果减弱,同时,这一现象在俯仰角10°时更为明显;整体来看,在其他角域上,较小的俯仰角并未引起散射曲线的较大变化,即散射特性在一定俯仰角内具有一定的相似性。而对模型B,俯仰角变化时,在全向上,两条曲线基本重合,仅方位角135°附近角域附近波峰在俯仰角增加时变小,这是由于尾喷口外部边缘斜切口的镜面散射变小,这一现象在模型A的散射曲线上也有一定表现,尽管该角域上峰值有所降低,但对后向隐身性能影响并不明显。以上散射特性表明,座舱隐身化措施对前向较多角域影响较大,且在俯仰角变化时,依然具有一定隐身性能。

由于各频率下散射规律基本一致,仅列出3 GHz和10 GHz的RCS散射曲线。从图4可以看出,模型A和B相比而言,座舱隐身措施依然在前向有较明显影响,除前向角域外,沿周向分布的其他角域上的曲线分布、波峰形式和特点基本一致,即采用座舱隐身技术后的模型B的散射曲线仅在前向H-60°角域范围变现为内陷,而其他角域位置基本重合,散射影响并不明显,这点与俯仰角散射特性有一定区别。

同时,由于3、10 GHz下研究对象的典型电尺寸分别为159、533,尽管二者差异较大,但均处于明显的高频散射区域。从图4也可以看出,两种频率下,对应的散射曲线基本重合,但10 GHz散射曲线振荡较为剧烈。以上散射特点说明,采用镀膜技术的座舱隐身措施对前向有较大影响,且该影响在频率变化时依然有效,即座舱隐身可实现前向多频隐身性能,在此基础上,也可以通过优化座舱玻璃外部形状进一步提高隐身性能。

从图5散射曲线可以看出,前向H-30°角域,座舱隐身可以降低RCS幅值约20 dB以上。综合俯仰角变化特性,经过对座舱镀膜和外部修形之后,飞行器的前向一定角域内的RCS获得了较大降低,并在不同俯仰角和频率上均具有电磁散射减缩效果,且曲线表现为一定的相似性,提高了飞行器隐身性能。

H、S、T、W分别表示前向、侧向、后向、周向图5 不同角域RCS均值俯仰角响应曲线Fig.5 Response curves of RCS mean values with pitch angle in different angular domains

4 座舱隐身措施的电磁散射影响

结合以上RCS散射曲线分布特点,为进一步分析座舱隐身措施的电磁散射影响,分别计算了座舱非隐身、隐身电磁模型的RCS算术均值和座舱隐身模型B的相对减缩值,分别从改变俯仰角和频率两个维度来分析座舱隐身前后电磁散射响应特性。

4.1 电磁散射俯仰角响应特性

鉴于各频率下俯仰角特性相似,以6 GHz为例进行研究,模型B在不同俯仰角(-15°～15°)下各角域(H-30°、H-60°、S-60°、T-30°、W-360°)的RCS均值及RCS相对减缩值曲线分别如图5、图6所示。

H、S、T、W分别表示前向、侧向、后向、周向图6 不同角域相对减缩值俯仰角响应曲线Fig.6 Response curves of relative reduction values with pitch angle in different angular domains

对座舱隐身模型B,结合RCS均值变化曲线(图5)和散射曲线分布曲线(图3)可以看出,俯仰角改变时,不同角域RCS均值响应特性有一定区别,对前向角域,其散射机理相同,H-30°和H-60°角域的RCS均值曲线变化特征基本一致,仅在较大俯仰角10°、15°时有较小区别,表现为H-30角域较高,这是由于H-60°角域更广,其散射特性受附近RCS振荡特性影响而降低;以上特点也表现在图3中,两种俯仰角的前向角域上,RCS曲线基本接近,说明散射机理并未明显改变,这一点也体现在其它角域。在H-30°和H-60°角域上,RCS均值曲线在俯仰角增加时,呈较小的振荡增加趋势,变化范围为-23.008 7～-19.372 dBsm,即-20 dBsm,仰角15°时达到最大-14.248 dBsm,在俯仰角较大时增加,其原因是由于此时机头下方部位散射增强。

侧向S-60°、后向T-30°、周向W-360°角域RCS均值曲线变化特性相似,T-30°、W-360°角域振荡较为剧烈。S-60°在-0.264 1～5.868 9 dBsm范围,是由于俯仰角变化不会引起侧向散射机理的改变,依然是机身、垂尾、机翼等结构的散射耦合作用。而T-30°、W-360°角域变化范围为-8.197 3～5.911 6 dBsm,整体上俯仰角0度时RCS均值较高,其余俯仰角较小,对后向T-30°角域,俯仰角为0°时表现为尾喷口的镜面散射,俯仰角增大或减小时,镜面散射效果减弱,因此,对T-30°角域,可以看出,俯仰角0°RCS均值最高,两端依次降低;W-360°角域为周向各角域的算术平均,即为所有角域上电磁散射的综合效果,仅在0°时较强,其余俯仰角变化较小。

为进一步分析座舱隐身的电磁散射影响,采用RCS相对减缩值进行分析,从图6可以看出,座舱隐身对RCS相对减缩值的影响主要体现在:一是前向与侧向、后向、周向等角域的相对减缩值变化特性有较大区别;二是前向角域的相对减缩值振幅更强,隐身性能影响更为明显。在H-30°和H-60°角域上,0°俯仰角时,减缩效果最高,可达19.788 7 dB,俯仰角±5度仍具有较高的减缩效果,±10°俯仰角减缩效果不明显,但在±15°时有一定减缩效果,可以看出,对H-30°和H-60°角域,RCS均值减缩曲线呈“W”形分布,中部更高;结合散射曲线(图3),俯仰角变化时,模型A的前向角域波峰有降低趋势,这是由于座舱的腔体散射效果影响,而模型B基本不变,这一散射区别会引起在俯仰角变化时的RCS相对减缩值有逐步减小趋势。

对S-60°、T-30°、W-360°角域,座舱的腔体散射表现各不相同,变化范围为-2.787 8～3.583 8 dB,总体来看,RCS相对减缩值随俯仰角变化而呈振荡趋势,且W-360°受各前向角域影响在0°俯仰角时较大。结合图3可以看出,除前向角域两种模型散射曲线有较大区别外,其余角域有较小变化,且俯仰角的变化并未引起散射机理的较大变化。同时,尽管座舱对前向贡献较大,而在其他角域影响较小,其原因是由于该腔体散射在其他角域上已淹没于该角域上镜面散射等强散射范围内。

4.2 电磁散射响频率响应特性

座舱隐身电磁模型B在俯仰角0°不同入射频率的各角域(H-30°、H-60°、S-60°、T-30°、W-360°)的RCS均值、减缩值变化曲线如图7、图8所示。

H、S、T、W分别表示前向、侧向、后向、周向图7 不同角域RCS均值频率响应曲线Fig.7 Response curves of RCS mean values with frequency in different angular domains

H、S、T、W分别表示前向、侧向、后向、周向图8 不同角域RCS减缩值频率响应曲线Fig.8 Response curves of RCS relative reduction values with frequency in different angular domains

对模型B,从图7可以看出,频率增加时,各角域RCS均值呈降低趋势,即RCS均值随频率升高而降低,1、3、6 GHz时降低速度较快,6、10、15、18 GHz较为平缓,逐渐趋近于定值,同时,各角域RCS均值由大到小依次为S-30°、T-30°、W-360°、H-60°、H-30°,前向角域最低,说明在多频下前向隐身性能最好。

前向H-30°、H-60°角域的两条RCS均值变曲线基本粘合,且变化趋势相同,结合散射曲线(图4)可以看出,频率的改变不会引起电磁散射机理的改变,但其RCS幅值随频率增加由-12.707 7 dBsm逐步减小为-22.712 dBsm,说明座舱隐身在研究频率范围内(高频区)有较好的隐身效果。在S-60°、T-30°角域上,分别存在较强的散射波峰,且波峰较宽,此时座舱隐身的影响较小,因此两个角域上的RCS均值较高,在2.646 5～8.297 2 dBsm,且大多在5.5 dBsm附近。周向W-360°角域介于前向和侧向或后向之间,均值曲线变化平缓,仅在低频1 GHz时较大,周向RCS均值较低也是座舱隐身效果的表现。

在以上RCS均值变化研究基础上,模型B的RCS相对减缩值变化规律更能体现座舱隐身效果,图8相对减缩值曲线说明,一是座舱隐身在各角域的隐身性能表现不一,对RCS相对减缩值,H-30°、H-60°、W-360°、T-30°、S-60°各角域在不同的频率上均依次降低;二是频率变化时,前向H-30°、H-60°角域相对减缩值均在10 dB以上,而其余角域相对减缩值在0 dB。

频率增加时,前向H-30°和H-60°角域上,RCS相对减缩值表现为先增大后减小的振荡趋势,其大小在11.498 6～24.667 4 dB,15 GHz时座舱隐身措施对相对减缩值的提高效果最好,同时,频率的增加并未改变座舱隐身措施的作用,改进后的模型B在前向保持较好的隐身性能,其前向腔体散射消失。在S-60°和T-30°角域上,由于座舱隐身的散射效果并未造成该部分散射机理的太大变化,因此,对应角域内的RCS相对减缩值在0 dB附近振荡,且对频率的变化并不明显,二者曲线也基本重合。对周向W-360°角域,受前向角域隐身效果影响,相对减缩值在1.797 2～4.378 1 dB,综合隐身性能有一定的提高。

对比分析可知,座舱隐身措施在较小俯仰角、多频上均具有较强的隐身性能,且主要影响前向一定角域内的RCS相对减缩值,表现为前向散射波峰消失,即座舱的腔体强散射作用明显减弱;而其余角域影响不大,但对周向隐身性能有较弱提高。