劉戰(zhàn)合，王菁，姬金祖，王曉璐，楊永攀

(1.鄭州航空工業(yè)管理學院 航空工程學院，鄭州 450046) (2.北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100083)

0 引 言

隱身技術是提高飛行器戰(zhàn)場生存能力的重要手段之一[1-2]，對于飛行器，隱身主要包含電磁隱身(雷達隱身)、紅外隱身、可見光隱身、聲隱身等[3]，對于固定翼飛行器，電磁隱身尤顯重要，尤其在頭向一定角域內，而衡量電磁隱身的主要技術參數(shù)為雷達散射截面(Radar Cross Section ，簡稱RCS)[4-6]。

原則上，隱身飛機一般采用內藏式彈艙來代替外掛式[3]。即便如此，當前先進的隱身戰(zhàn)斗機依然在某些型號上采用外掛方式。但從隱身角度考慮，由于飛行器本體已經采用了隱身技術，外掛方式將會大幅增加頭向RCS，從而降低頭向隱身性；對于常規(guī)戰(zhàn)斗機，大多采用外掛方式，而常規(guī)戰(zhàn)斗機的隱身性能較差，通常受多種因素影響，例如進氣道、座艙、雷達艙等[3,7-9]。李建華等[1]以雙S隱身進氣道為目標研究了其隱身設計，并分析了對流場的影響；劉戰(zhàn)合等[10]、鄧金萍等[11]以飛機座艙為目標，分別研究了實現(xiàn)座艙隱身化的鈮摻雜ITO鍍膜工藝和座艙風擋對炫光分布的影響規(guī)律。而外掛物是飛行器的重要部分，包含備用油箱、不同型號的導彈、炸彈等。岳奎志等[7-9]研究了戰(zhàn)斗機局部部件、飛機結構對飛行器隱身性能的影響，姬金祖等[4]、張揚等[5]研究了機身截面和側棱的電磁散射影響，岳奎志等[6]研究了帶導彈時飛行器布局改變的RCS特性，但對外掛設備的電磁散射影響特點及規(guī)律研究較少。

本文基于物理光學法，對不同電磁波入射頻率、不同角域的飛行器RCS進行計算分析，重點研究外掛物在不同狀態(tài)下對飛行器電磁散射特性的影響關系，以期對提高飛行器隱身性能、研究生存能力產生重要的意義。

1 研究目標簡介

為了分析外掛物對飛行器電磁散射特性的影響，建立某型常規(guī)戰(zhàn)斗機電磁模型，并左右各布置兩個外掛物，分別模擬副油箱、導彈。該模型機身長20 m，翼展13 m，有外掛設備時電磁模型如圖1所示，去除外掛后為對應無外掛設備的電磁模型。圖1中外掛設備呈對稱分布，左右各兩個不同類型外掛設備，由各一個副油箱和導彈組成，用來模擬外掛設備對戰(zhàn)斗機電磁隱身性能即電磁散射特性的影響。實際中根據作戰(zhàn)需求，外掛設備數(shù)目和類型會更多，對其隱身性能尤其是頭向隱身性能將會有更大影響。本文通過有、無外掛設備對比來分析外掛設備對隱身性能的影響關系。

(a) 左視圖

(b) 俯視圖

(c) 主視圖

為了保證真實性，對于無外掛設備電磁模型，適當增加機翼機身厚度以模擬內置彈倉。對于有、無外掛設備的兩種電磁模型，分別研究不同狀態(tài)下的RCS特性，以對比二者隱身性能。計算時電磁波入射頻率分別包含3、6、10、15、18 GHz，模型俯仰角分別為-15°、-10°、-5°、0°、5°、10°、15°，電磁波入射角變化范圍為0～360°，共70余條RCS計算曲線。

實際研究中，定義頭向30°角域為飛行器正頭向左右各15°方位角(入射角)范圍，以該角域內RCS算術均值為分析依據，表征頭向波峰幅值變化關系；相應定義尾向是30°角域，周向是360°角域。

2 電磁散射特性分析方法

2.1 RCS計算方法及正確性驗證

飛行器目標尤其是三代戰(zhàn)斗機均可以視為金屬目標，對整機飛行器，可采用金屬目標RCS計算方法[8-9]。RCS計算方法從目標電尺寸來說，分為低頻和高頻計算方法。低頻計算方法一般具有較高的計算精度，例如矩量法(Method of Moments，簡稱MOM)[4,12]及其快速方法(例如，多層快速多極子算法(Multilevel Fast Multipole Algorithm，簡稱MLFMA))[13-15]、時域有限差分法(Finite Difference Time Domain，簡稱FDTD)等；高頻計算方法為近似算法，將一些對計算結果影響不大的項進行近似或忽略，例如物理光學法(PO)、幾何光學法、物理繞射理論、幾何繞射理論、等效電流等方法，一般對電大尺寸目標具有高效的求解效率。

物理光學法與矩量法出發(fā)點均為Stratton-Chu積分方程[5-6]，包含電場和磁場積分方程。矩量法通過求內積將積分方程變?yōu)榭蓴?shù)值求解的方程組，其系數(shù)矩陣表示目標本身源、場之間的耦合作用，也包含自耦合強作用，即矩量法不僅考慮自身的強耦合作用，也考慮目標各部分之間的相互影響，引起計算量增大。為了提高計算速度，在矩量法基礎上，開發(fā)了快速多極子算法、多層快速多極子算法等，來加快各部分之間耦合作用的求解。相對而言，物理光學法僅考慮自耦和作用，完全忽略各部分之前的相互作用[3]，從而大幅加快計算速度，但該方法不能用于計算復雜物體表面的邊緣、尖劈影響。本文飛行器目標為光滑目標，且局部之間無明顯耦合現(xiàn)象，同時，計算時目標處于電大尺寸范圍，適合采用物理光學法進行計算分析。

為了驗證本文物理光學法計算結果正確性，以等邊三角形金屬柱為計算對象，邊長為1 m，入射電磁波波長為0.1 m，俯仰角為0°。分別采用本文物理光學法和高精度矩量法計算，其RCS曲線結果對比如圖2所示，由于為等邊三角形，僅計算0～60°角域范圍。

圖2 金屬柱RCS計算對比曲線

從圖2可以看出：物理光學法與矩量法RCS計算曲線吻合較好，物理光學法0～60°角域算術均值為0.819 0 dBsm，矩陣法為0.894 4 dBsm，誤差為0.075 4 dB，表明本文物理光學法有足夠好的計算精度，可用于分析本文研究對象和計算頻率。

2.2 外掛設備影響分析方法

外掛設備對飛行器電磁散射有重要影響，一方面，結合RCS散射曲線分布形式，對比有無外掛設備RCS曲線，從波峰位置、大小等變化來分析，討論外掛設備影響特性。另一方面，結合前述電磁模型，對兩種飛行器模型，在重點影響角域內，以有外掛設備和無外掛設備電磁模型為目標，基于二者之間角域內的RCS均值差異來分析外掛設備的電磁散射特性影響。

定義有無外掛設備RCS相對增量為

G=σ有外掛-σ無外掛

(1)

式中：G為RCS相對增量，單位為dB；σ有外掛、σ無外掛分別為有、無外掛設備電磁模型在對應研究角域內的RCS算術均值或幾何均值。

3 電磁模型RCS散射分布特性

3.1 RCS曲線分布特性

以上述有、無外掛設備電磁模型為對象，研究其RCS曲線分布特性，俯仰角0°時入射電磁波頻率為10 GHz時的有、無外掛RCS散射曲線如圖3所示。

圖3 0°俯仰角有無外掛RCS計算對比

從圖3可以看出：對有外掛模型，其RCS曲線與飛行器外形有直接關系，沿周向對稱分布有8個散射波峰，其中飛行器正頭向、側向、尾向散射波峰最強，50°、165°左右兩波峰較弱。頭向波峰是由于機頭、副油箱、導彈頭部接近鏡面散射產生的疊加效果；側向波峰是機身側向、外掛側向散射的綜合效果，由于側向投影面積較大，導致其RCS較大；尾向散射波峰與發(fā)動機尾噴口有直接關系，同時外掛設備的尾部形狀、機翼后緣影響也較為明顯。對于兩個次波峰(50°、165°左右)，50°角域波峰是機翼、鴨翼前緣的散射效果，165°角域波峰是尾向各部件耦合效果。

從圖3還可以看出：外掛設備對飛行器的電磁散射影響表現(xiàn)在以下兩個方面：一是對頭向和尾向波峰表現(xiàn)最為明顯，從隱身角度而言，尤其是頭向角域，無外掛設備的RCS曲線波峰獲得了較大降低，同時，波峰寬度變窄，尾向表現(xiàn)一致；二是在周向大范圍內，除了50°、165°角域波峰無較大變化外，無外掛設備的RCS曲線表現(xiàn)為不同程度的向內收縮，降低了散射強度，為外掛設備影響。

3.2 RCS曲線俯仰角特性

飛行器在執(zhí)行任務過程中，會有復雜的機動動作，包括俯仰、滾轉等，針對有外掛設備飛行器電磁模型，以入射頻率10 GHz為例，分析俯仰角對RCS散射的影響，俯仰角選擇-10°、0°、10°，其RCS曲線如圖4所示。

圖4 頻率10 GHz不同俯仰角RCS

從圖4可以看出：對于俯仰角較大的-10°和10°，RCS散射曲線分布規(guī)律有一定的變化，首先，從波峰來講，由于俯仰角的變化，頭向和尾向的兩個波峰消失，這是由于一般的鏡面散射主要表現(xiàn)在10°以內，而在俯仰角-10°和10°時，對頭向和尾向的散射波峰產生主要貢獻的機頭、外掛設備、及其他部位已經并非鏡面散射，從而使得其RCS極大降低；其次，側向波峰依然存在，這是由于理論上講，俯仰角變化一般不引起側向散射原理的變化，因此其散射波峰特性一般不發(fā)生較大變化；最后，其他部位散射波峰大小變化較小，但在有俯仰角、36°入射角時，存在一較小波峰，而原來由于機翼前緣散射的50°角域波峰消失，與頭向和尾向波峰消失原因類似。由此得出，俯仰角變化時，會在前向和尾向的RCS有較大影響，同時，其他方向的散射也會有一定影響。

4 不同角域外掛設備散射影響

飛行器尤其是戰(zhàn)斗機在執(zhí)行作戰(zhàn)任務時，威脅最大的角域是其頭向一定角域，結合RCS散射曲線的分布特征，重點關注飛行器頭向、尾向及周向各角域內的RCS幅值大小，一般采用算數(shù)均值或幾何均值來描述。由于尾向與頭向散射具有類似影響規(guī)律，本文結合戰(zhàn)斗機實際情況，對有、無外掛設備的戰(zhàn)斗機電磁模型的頭向30°和周向360°角域算術均值變化規(guī)律進行研究，以分析其電磁隱身性能。

4.1 頭向30°角域算術均值變化規(guī)律

對于頭向30°角域，不同入射頻率、不同俯仰角下有、無外掛設備模型的算術均值變化曲線如圖5～圖6所示。

圖5 有外掛設備模型不同頻率均值變化曲線

圖6 無外掛設備模型不同頻率均值變化曲線

從圖5～圖6可以看出：有外掛設備飛行器頭向30°角域RCS算術均值隨俯仰角呈“W”型分布，俯仰角為0°時，頭向RCS算術均值最大，結合RCS曲線，該角域內存在一較強的散射波峰，為各種接近鏡面散射的疊加，俯仰角變大時，算術均值先變小后增大，是外掛設備的散射影響；對于無外掛設備模型，其RCS算術均值曲線接近倒“V”型分布，與有外掛設備散射類似，也在俯仰角0°時，散射最強，但幅值比有外掛時小，俯仰角變大時，均值震蕩變小。

同時，從圖5～圖6可以看出：有無外掛設備模型表現(xiàn)出一定的共性，即頻率特性；對于兩種模型，俯仰角0°時，各頻率下的RCS均值基本接近，俯仰角增大時，頻率越大，其RCS均值越低，但其不同俯仰角下的曲線形式表現(xiàn)一致。

為了進一步研究外掛設備對頭向30°角域算術均值的影響，其相對增量值如表1所示。

表1 有、無外掛模型頭向30°角域相對增量

從表1可以看出：對于飛行器頭向30°角域，3～18 GHz、-15～15°俯仰角情況下，外掛設備均在不同程度上增大散射幅值，大致范圍在10～25dB，即外掛設備可在各種情況下增大頭向散射，從而降低其頭向隱身性能。結合圖3可以看出：外掛設備的存在，不僅體現(xiàn)在頭向30°，對尾向、周向均有一定影響。同時，從表1也可以看出：相對增量與入射頻率、俯仰角有一定關系，其變化關系如圖7所示。

圖7 頭向不同頻率相對增量曲線

從圖7和表1可以看出：外掛設備會明顯增加頭向散射強度，俯仰角變化時，其相對增量呈類似前述的“W”型，即在0°入射角時較大，隨俯仰角變大相對增量先降低后增大，在俯仰角為-5°和5°時相對增量最??；頻率的增大，不改變曲線變化趨勢，僅影響曲線幅值大小，俯仰角0°時，頻率3 GHz時相對增量最大，隨后減小，而在俯仰角-15°和15°時基本接近，其他俯仰角情況下，相對增量隨頻率呈震蕩趨勢；尾向RCS散射特性與頭向類似，且其對隱身性能影響較弱，不再進行展開論述。

4.2 周向角域算術均值變化規(guī)律

外掛設備對隱身性能的影響不僅限于頭向和尾向，對周向也有較大影響，由于其算術均值規(guī)律基本一致，僅討論有外掛模型周向算術均值特性。為了進一步分析外掛設備對沿飛行器周向分布的電磁散射影響，基于RCS算術均值，主要研究其相對增量特性。有外掛模型周向算數(shù)均值曲線如圖8所示，外掛設備的相對增量影響關系如圖9所示。

圖8 有外掛設備模型不同頻率均值變化曲線

圖9 周向不同頻率均值增量值曲線

對于有外掛飛行器，俯仰角、頻率均對其頭向RCS有重要影響，從圖8可以看出：俯仰角變化時，其周向均值與無外掛頭向30°角域類似，也呈倒“V”型分布，各不同頻率下俯仰角0°時，RCS均值最高，且大小接近；俯仰角變大時，逐漸降低，表現(xiàn)為頻率越大，降低速率越高，在-15°、15°、18 GHz時，達到最小。

從圖9可以看出：外掛帶來的RCS相對增量在所有俯仰角情況均大于0 dB，且呈震蕩分布，表明從周向來講，外掛設備的存在增加了電磁散射，但幅值相對頭向30°角域較??；頻率的變化并不影響相對增量的分布規(guī)律，僅在較小范圍內影響其幅值大小，各頻率下的相對增量呈現(xiàn)粘合現(xiàn)象；在-5°、0、5°俯仰角時，相對增量較小，為10 dB左右，而在更大俯仰角時，相對增量較大，為15 dB左右。-15～15°俯仰角變化時，相對增量在7～17 dB范圍變化。

外掛設備對整機電磁散射特性的影響，還與外掛設備的數(shù)目、類型有關，為了提升其隱身性能，可通過提高外掛設備的外形隱身來改善整機隱身性能。

5 結 論

(1) RCS曲線波峰與飛行器外形有直接關系，沿周向分布有強弱散射波峰8個，分別對應飛行器各重要部件散射，頭向波峰是機頭和外掛設備的綜合影響。

(2) 外掛設備在較大范圍內提高頭向、尾向、周向電磁散射強度；頭向30°角域，有外掛模型算術均值隨俯仰角呈“W”型分布，無外掛模型接近倒“V”型分布；周向上，有外掛模型呈倒“V”型分布。

(3) 頭向30°角域，相對增量呈“W”型分布，而周向上呈震蕩分布；頭向相對幅值增量更大，在10～25 dB，周向較小，為7～17 dB。

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