徐伊達(dá)，滕 杰，李景虎，梁 爽，周 萍

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610091)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)日趨呈現(xiàn)陸、海、空、天、電磁五位一體立體化[1]，在戰(zhàn)爭(zhēng)中把握先機(jī)最重要和最有效的突防戰(zhàn)術(shù)技術(shù)手段就是發(fā)展隱身技術(shù)[2]，提升武器系統(tǒng)生存、突防和縱深打擊能力。飛行器雷達(dá)隱身是隱身飛行器設(shè)計(jì)的首要因素，一般都以減小雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section,RCS)作為隱身的首要任務(wù)，而外形隱身技術(shù)是雷達(dá)隱身最有效的舉措之一[3]。外形隱身設(shè)計(jì)是隱身飛行器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，沒有外形隱身就不可能造就真正的隱身飛行器[4-5]。減少?gòu)?qiáng)散射源是實(shí)現(xiàn)外形隱身的有效途徑，但飛行器是組合體，即使制造工藝再完備也不可避免地存在大大小小的口蓋、蒙皮縫隙、臺(tái)階等缺陷，在目標(biāo)強(qiáng)散射源采取有效抑制措施后，弱散射源便成為影響目標(biāo)隱身特性的主要因素。此時(shí)，各部件的散射疊加決定著目標(biāo)整體的隱身性能，從而對(duì)各部件的隱身設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

因此，開展部件隱身研究是飛行器整體目標(biāo)隱身特性評(píng)估的先決條件和必然舉措。部件尺寸一般較小，若將其放在整體目標(biāo)上評(píng)估，一方面尺寸較大不易實(shí)施，另一方面整體RCS可能大于單獨(dú)部件或細(xì)節(jié)的RCS，則無法準(zhǔn)確獲得部件的散射特性從而進(jìn)行優(yōu)化研究。然而，部件一旦脫離飛行器本體，則會(huì)產(chǎn)生原來并不存在的干擾源，難以保證部件評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)鉆石型低散射載體,用于測(cè)試螺釘、鉚釘、縫隙等電磁缺陷對(duì)其RCS的影響。文獻(xiàn)[7]采用金屬平板載體,通過RCS測(cè)試分析,得到了縫隙電磁散射隨縫隙寬度、間距的變化規(guī)律和極化特性。文獻(xiàn)[8]從理論上分析了縫隙的后向散射規(guī)律,并設(shè)計(jì)了準(zhǔn)菱形平板載體進(jìn)行不同幾何參數(shù)的臺(tái)階和縫隙的RCS測(cè)試。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了平板和杏仁體，用于研究不同縫隙所引起的目標(biāo)散射特性影響。

本文設(shè)計(jì)了一種低散射載體，既可以與弱散射源一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模擬弱散射源的裝機(jī)狀態(tài)，還能利用載體的低散射特性消除弱散射源以外的其他散射雜波，進(jìn)而準(zhǔn)確地評(píng)估弱散射源的隱身特性。

1 低散射載體的必要性

以常見的飛行器整流罩為例，如圖1(a)所示，部件單獨(dú)隔離出來后，邊緣、安裝孔、內(nèi)腔結(jié)構(gòu)等干擾源暴露在外。而加裝低散射載體與部件一體化設(shè)計(jì)如圖1(b)所示，兩者平滑緊密結(jié)合，縫隙、螺釘處用鋁箔或?qū)щ娔z封蓋，便可消除邊緣部件邊緣、內(nèi)腔結(jié)構(gòu)散射干擾，達(dá)到模擬部件裝機(jī)時(shí)的狀態(tài)，這對(duì)獲取部件真實(shí)的隱身特性至關(guān)重要。

圖1 飛行器部件

評(píng)估是否加裝低散射載體兩種狀態(tài)下的部件隱身特性，結(jié)果對(duì)比如圖2所示，可見加裝低散射載體后部件的RCS有了明顯降低，其強(qiáng)散射主要集中在幾個(gè)非威脅區(qū)域。

圖2 X頻段有無載體部件RCS結(jié)果對(duì)比

一般隱身部件的RCS評(píng)估都需要配置相應(yīng)的低散射載體，加裝低散射載體可消除干擾源對(duì)部件隱身評(píng)估影響，提升部件隱身評(píng)估的準(zhǔn)確性，因而具有重要意義。

2 低散射載體的設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)機(jī)理

低散射載體的設(shè)計(jì)，主要涉及載體結(jié)構(gòu)對(duì)入射電磁波的散射效應(yīng)，其機(jī)理是電磁波在自由空間傳播時(shí)，如果遇到障礙就會(huì)發(fā)生散射。散射主要包括反射和繞射，其中，反射包括鏡面反射及多次反射，繞射包括邊緣繞射和爬行波繞射。低散射載體的設(shè)計(jì)必要考慮抑制多種類型散射，根據(jù)電磁波散射的機(jī)理，遵循的抑制原則就是吸收、集中。吸收是指采用吸波材料對(duì)電磁波進(jìn)行吸收衰減，原理是將電磁能量轉(zhuǎn)換為熱能；集中是指通過外形設(shè)計(jì)使電磁波反射到非威脅空間，是本文重點(diǎn)采用的方法。

2.2 設(shè)計(jì)思路

集中的設(shè)計(jì)思路是指通過外形設(shè)計(jì)，如直邊緣后掠、平面后傾等方法[10]，使鏡面反射、邊緣繞射等強(qiáng)散射峰值偏離威脅角域，集中到無關(guān)區(qū)域。假設(shè)關(guān)注威脅角域(前向0±45°)的RCS，可將載體頭部尖端夾角設(shè)計(jì)成70°，即前緣后掠角為55°，如圖3所示。當(dāng)電磁波頭向0°入射時(shí)，邊緣強(qiáng)散射峰值的位置出現(xiàn)在方位角55°方向，偏離了威脅角域10°。

圖3 載體輪廓俯視圖

采用扁平狀的低散射載體外形設(shè)計(jì)，一般可以消除重點(diǎn)威脅角域內(nèi)由鏡面反射、多次反射、邊緣繞射等引起的散射峰值，但要進(jìn)一步降低載體的RCS，就必須抑制爬行波和行波的貢獻(xiàn)。

2.2.1 爬行波影響

載體具有較大的金屬表面，在相對(duì)入射面為垂直極化的電磁波照射下，除按幾何光學(xué)原理將電磁波能量反射到入射線和表面法線對(duì)稱的另一個(gè)方向外，還會(huì)在表面產(chǎn)生很強(qiáng)的表面波，該表面波會(huì)沿著表面?zhèn)鞑ゼ葱纬膳佬胁╗3]。當(dāng)金屬表面形狀有突變界限，或者當(dāng)行波電流遇到載體后緣的不連續(xù)邊界時(shí)均會(huì)產(chǎn)生反射，如圖4所示，對(duì)后向RCS產(chǎn)生貢獻(xiàn)。

圖4 爬行波反射

假設(shè)入射方位角為±41°，后緣垂直于入射波方向，此時(shí)散射最強(qiáng)，如圖5(a)所示；采用集中的處理方式對(duì)載體修形，將載體的后緣夾角減小到70°進(jìn)行表面抑制，如圖5(b)所示。此時(shí)，載體后緣產(chǎn)生的行波散射和前緣產(chǎn)生的邊緣繞射峰值位置重合，均偏離前向區(qū)域10°。對(duì)兩種載體進(jìn)行仿真，如圖6所示，可見調(diào)整后緣夾角可有效抑制爬行波散射，在威脅角域內(nèi)不出現(xiàn)散射峰值，有利于大角域低散射的載體設(shè)計(jì)。

圖5 VV極化行波散射示意圖

圖6 X頻段改變后緣夾角前后載體RCS對(duì)比圖(VV)

2.2.2 行波影響

當(dāng)水平極化波入射時(shí)，載體表面與電場(chǎng)平行，不會(huì)出現(xiàn)行波電流；但載體邊緣與電場(chǎng)成一定角度夾角，導(dǎo)致載體邊緣會(huì)產(chǎn)生行波電流，遇到邊緣突變后會(huì)產(chǎn)生反射，形成邊緣的行波散射。

假設(shè)入射方位角為0°、后緣夾角70°時(shí)，載體屬于細(xì)長(zhǎng)型，尾端截?cái)嘈?yīng)產(chǎn)生的行波電流沿兩條后緣流動(dòng)，在±35°附近會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的行波散射，如圖7(a)所示。但頭尖鈍形載體則不存在這一現(xiàn)象，因其后緣夾角為98°，尾端截?cái)嘈?yīng)產(chǎn)生的行波散射在±49°方向較強(qiáng)，偏離了威脅角域，不會(huì)影響前向的RCS。對(duì)兩種載體進(jìn)行仿真，如圖8所示，可見改變后緣夾角有利于抑制行波散射，但這與爬行波抑制方法發(fā)生了沖突。

圖7 HH極化行波電流示意圖

圖8 X頻段改變后緣夾角前后載體RCS對(duì)比圖(HH)

2.2.3 局部外形影響

從上述研究分析可見，僅改變前、后緣角度無法同時(shí)滿足爬行波和行波的抑制要求，可通過調(diào)整載體局部外形等方式來實(shí)現(xiàn)。其機(jī)理是表面波沿部件表面?zhèn)鞑ミ^程中，其曲率半徑由大連續(xù)地變小，且沒有明顯的突變界限，隨時(shí)沿其切線方向輻射能量，從而使爬行波逐步減弱并得到抑制，如圖9所示。

圖9 后緣彎曲時(shí)爬行波散射

圖10給出了載體不同形式的尾部處理方式，由仿真結(jié)果(圖11)可見，垂直極化時(shí)，尾部彎曲可有效抑制威脅角域內(nèi)的行波散射。

圖10 不同尾部外形

圖11 X頻段載體尾部彎曲前后的RCS對(duì)比圖

2.2.4 入射頻段影響

同一目標(biāo)不同頻段散射機(jī)理不同，低頻段時(shí)，除上述散射機(jī)理外，爬行波散射、諧振效應(yīng)將增強(qiáng)，此時(shí)波長(zhǎng)較長(zhǎng)，微小的外形變化對(duì)目標(biāo)散射幾乎毫無影響；高頻段時(shí)，因波長(zhǎng)較小，行波和爬行波在相同的路徑下比低頻區(qū)衰減更快。低散射載體RCS會(huì)隨著頻率的升高逐漸降低，這也是弱散射機(jī)理產(chǎn)生的正常現(xiàn)象。故載體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于抑制低頻段的低散射特性，而要在低頻段獲得良好的低散射效果，必須要放大載體尺寸。

3 驗(yàn)證實(shí)例

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

當(dāng)入射波處于X、Ku頻段，設(shè)計(jì)了一款處于威脅區(qū)域(俯仰角域0°～-10°，前向角域0°～±45°)內(nèi)、雙極化情況下均滿足RCS小于-40 dBm2的載體。

3.2 外形設(shè)計(jì)

根據(jù)上述載體設(shè)計(jì)思路，遵循行波抑制原則，本文設(shè)計(jì)的低散射載體外形如圖12所示。載體上表面為平面，并對(duì)局部進(jìn)行優(yōu)化處理過程如圖13所示。

圖12 低散射載體外形圖

圖13 載體外形優(yōu)化過程

3.3 理論分析

3.3.1 計(jì)算方法

本文選用基于矩量法[11]改進(jìn)的特征基函數(shù)法[12]進(jìn)行仿真計(jì)算。特征基函數(shù)方法是一種針對(duì)矩量法利用區(qū)域降階技術(shù)的快速直接求解方法，通過一組構(gòu)造在子區(qū)域上的特征基函數(shù)描述目標(biāo)的未知電流，實(shí)現(xiàn)矩量方程的降階和快速求解，大幅提升計(jì)算速度，適用于計(jì)算目標(biāo)單站散射。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

載體在不同頻段、不同俯仰角度、不同極化方向的單站隱身性能仿真結(jié)果如圖14和圖15所示，可見威脅角域內(nèi)均滿足RCS小于-40 dBm2的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖14 X頻段不同俯仰RCS曲線

圖15 Ku頻段不同俯仰RCS曲線

3.4 實(shí)驗(yàn)研究

3.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

低散射載體主要依靠光滑外形來達(dá)到低散射的目的，少許的型面突變將會(huì)破壞載體的低散射特性。因此，載體的制作采用數(shù)控加工的方式，其優(yōu)點(diǎn)是加工精度高、工件變形小，不會(huì)出現(xiàn)蒙皮開裂、起皮等現(xiàn)象。

3.4.2 實(shí)驗(yàn)原理

雷達(dá)方程是進(jìn)行RCS測(cè)量標(biāo)定的基礎(chǔ)：

(1)

式中：Pr為接收功率，Pt為發(fā)射功率，Gr為接收天線增益，Gt為發(fā)射天線增益，R為雷達(dá)天線與目標(biāo)的距離，λ為波長(zhǎng)，σ為目標(biāo)雷達(dá)截面積。

在靜態(tài)測(cè)試場(chǎng)測(cè)量標(biāo)定體及目標(biāo)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的頻率、極化、天線增益、發(fā)射功率及測(cè)試距離等參數(shù)相同，在接收機(jī)線性動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)可用RCS已知的標(biāo)定體直接進(jìn)行替代法測(cè)量標(biāo)定。

被測(cè)目標(biāo)的RCS為

(2)

式中：P0目為被測(cè)目標(biāo)回波的接收機(jī)輸出，P0標(biāo)為定標(biāo)體回波的接收機(jī)輸出。

3.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由于不同頻率下載體出現(xiàn)峰值的角度不同，首先將目標(biāo)設(shè)置立放狀態(tài)，如圖16所示，目的是確定行波散射峰值位置。然后將目標(biāo)平放，調(diào)整行波散射峰值較強(qiáng)位置即目標(biāo)俯仰角度-10°為測(cè)試角度，用來評(píng)估載體的隱身特性。載體在不同頻段的垂直極化測(cè)試結(jié)果如圖17所示，均滿足RCS小于-40 dBm2的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖16 載體平放測(cè)試狀態(tài)

圖17 不同頻段-10°VV極化RCS曲線

仿真計(jì)算和測(cè)試結(jié)果均表明載體滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，說明低散射載體設(shè)計(jì)方法合理可行。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)飛行器部件隱身評(píng)估的問題提出了支撐弱散射源評(píng)估隱身性能的低散射載體設(shè)計(jì)方法，依據(jù)設(shè)計(jì)機(jī)理制定設(shè)計(jì)方案，假定設(shè)計(jì)目標(biāo)，并通過計(jì)算和測(cè)試兩種手段進(jìn)行驗(yàn)證，評(píng)估結(jié)果匹配性良好，滿足低散射載體的設(shè)計(jì)要求。本方法后續(xù)可廣泛應(yīng)用到飛行器部件隱身研究中，具有一定的可行性和準(zhǔn)確性，為飛行器整體隱身評(píng)估奠定基礎(chǔ)，助力隱身化武器發(fā)展。