徐頂國(guó) 魏子豪 駱盛 劉鈞圣 王軍 趙軍民

摘要：隱身飛機(jī)的出現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的作戰(zhàn)能力提出了更高的要求，增大敵方目標(biāo)自身雷達(dá)散射特性是未來(lái)導(dǎo)彈反隱身技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。為了實(shí)現(xiàn)低RCS目標(biāo)電磁增強(qiáng)，本文擬針對(duì)典型隱身飛機(jī)，基于電磁理論和導(dǎo)彈反隱身技術(shù)，設(shè)計(jì)了幾種不同的目標(biāo)RCS增強(qiáng)方案；利用基于多層快速多極子算法（MLFMM）的FEKO軟件，計(jì)算、分析不同增強(qiáng)方案在低RCS目標(biāo)載體上的RCS特性和增強(qiáng)效果，其結(jié)論為未來(lái)導(dǎo)彈反隱身技術(shù)和智能化導(dǎo)彈的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：隱身飛機(jī)；反隱身；雷達(dá)截面積；多層快速多極子算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TN02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.05.006

目前，美、日等國(guó)家已開(kāi)始批量裝備第五代（美、俄稱(chēng)謂）隱身戰(zhàn)斗機(jī)F-22、F-35，俄羅斯的第五代戰(zhàn)斗機(jī)蘇-57也已經(jīng)服役，該類(lèi)作戰(zhàn)飛機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)就是具有先進(jìn)的隱身性能，不僅可以減小被發(fā)現(xiàn)的距離，還使全機(jī)的雷達(dá)散射特性大幅度減小，導(dǎo)致來(lái)襲導(dǎo)彈的脫靶率大大增大。以F-22為例，如圖1所示，取F-22的前向RCS為0.01m2，與前向0.1m2的作戰(zhàn)目標(biāo)比較，在其他條件相同的情況下，前者的超視距空戰(zhàn)效能比后者高出5倍左右。

因此，迫切需要破解以F-22為代表的第五代戰(zhàn)斗機(jī)的隱身性能，快速提升對(duì)F-22等隱身飛機(jī)的防御、打擊和威懾能力。

對(duì)于極低RCS的隱身飛機(jī)而言，導(dǎo)彈如何能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)搜索、跟蹤、攻擊低可探測(cè)性目標(biāo)，增大敵方低RCS目標(biāo)的散射特性是未來(lái)導(dǎo)彈反隱身技術(shù)和智能化導(dǎo)彈的一個(gè)重要發(fā)展方向。

鑒于反隱身技術(shù)的敏感性，從公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中，國(guó)外關(guān)于利用導(dǎo)彈技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)敵方自身目標(biāo)特征增強(qiáng)研究的相關(guān)成果和論文很難檢索到。在國(guó)內(nèi)，也沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的類(lèi)似基于導(dǎo)彈反隱身技術(shù)的目標(biāo)特性增強(qiáng)研究[1-9]，本文擬針對(duì)典型隱身飛機(jī)，基于電磁理論和彈射技術(shù)，設(shè)計(jì)了幾種不同的RCS特性增強(qiáng)方案，并建立典型的低RCS外形數(shù)值模型；利用基于多層快速多極子算法（MLFMM）的FEKO軟件，計(jì)算、分析不同增強(qiáng)方案對(duì)某低RCS目標(biāo)的RCS特性和RCS增強(qiáng)效果，其方案和結(jié)論為未來(lái)導(dǎo)彈反隱身技術(shù)和智能化導(dǎo)彈的發(fā)展提供參考。

1研究理論

1.1計(jì)算方法

本文采用多層快速多極子算法（MLFMA），該方法是一種快速有效地求解電磁散射的方法，具有計(jì)算能力穩(wěn)定、速度快、精度高等特點(diǎn)[7-10]。通過(guò)多層快速多極子方法求解混合積分方程（CFIE）并選擇RWG型基函數(shù)計(jì)算目標(biāo)表面電流分布，采用式（1）～式（3）計(jì)算散射場(chǎng)和雷達(dá)截面積（RCS）：

利用基于基于多層快速多極子算法的FEKO軟件進(jìn)行計(jì)算。采用遠(yuǎn)場(chǎng)平面波照射，計(jì)算類(lèi)型為單站RCS，極化方式為水平極化（HH）和垂直極化（VV），計(jì)算方位角為0°～180°，計(jì)算步長(zhǎng)為1°，其中0°方位角定義為電磁波從機(jī)頭沿飛機(jī)軸線向后照射。

1.2計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該多層快速多極子算法方法對(duì)尖點(diǎn)繞射尖點(diǎn)、前緣行波散射、表面縫隙等弱散射的精度。設(shè)計(jì)了一個(gè)低RCS載體[4]，如圖2所示。擬通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)兩種方法對(duì)比分析不同橫向縫隙在±15°內(nèi)的RCS誤差范圍。

圖3給出了9.41GHz頻段仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，在方位角±15°范圍，兩種橫向縫隙的RCS值變化基本趨于一致。說(shuō)明該理論算法和計(jì)算結(jié)果是正確可行的。

由于縫隙散射和彈坑散射都屬于弱散射范疇，故該方法對(duì)彈坑等散射特性的仿真計(jì)算，也同樣是適用的。

2電磁增強(qiáng)方案和仿真對(duì)比分析

為了評(píng)估不同的低RCS目標(biāo)電磁特性增強(qiáng)方案，需要設(shè)計(jì)一種雷達(dá)散射量級(jí)同F(xiàn)-22前向等效的低RCS目標(biāo)載體數(shù)模模型進(jìn)行方法研究。在典型杏仁核外形的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)低散射外形模型，如圖4、圖5所示。利用上述方法的FEKO軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，其在X波段上，控制其RCS低于-30dBsm。

在其低RCS載體平臺(tái)上，開(kāi)展不同彈RCS增強(qiáng)方案對(duì)低RCS載體的雷達(dá)散射特性和RCS貢獻(xiàn)研究。

（1）單球方案

在低散射平臺(tái)上設(shè)置20mm直徑小球，浸入一半的體積。通過(guò)仿真計(jì)算，在X波段，方位角±15°，俯仰角0°，其RCS均值為0.0021m2，如圖6所示。

（2）雙球方案

在低散射平臺(tái)上設(shè)置兩個(gè)小球端射的情況。通過(guò)仿真計(jì)算，在X波段，方位角±45°，俯仰角0°，其RCS均值0.0044m2，如圖7所示。

若增大端射小球間距，RCS均值略有降低，約0.0041m2，如圖8所示。

（3）多球方案

在低散射平臺(tái)上設(shè)置10個(gè)小球，位置隨機(jī)分布。通過(guò)仿真計(jì)算，在X波段，方位角±45°，俯仰角0°，其RCS均值0.014m2，如圖9所示。

（4）多六面體彈孔方案

如果將缺陷設(shè)為彈孔形式，則RCS增強(qiáng)效果不明顯。 10個(gè)六面體彈孔的計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果如圖10所示，其位置、角度隨機(jī)。整體均值在0.004m2左右，若要達(dá)到預(yù)期的增強(qiáng)效果，需進(jìn)一步增加缺陷的數(shù)量。

（5）表面電磁缺陷方案

橫向縫隙缺陷對(duì)RCS的增強(qiáng)效果分析。當(dāng)目標(biāo)表面形成縫隙缺陷時(shí)，表面行波在縫隙處由于電磁不連續(xù)而產(chǎn)生后向回波散射。縫隙散射與縫隙的間隙、臺(tái)階以及深度存在一定的相關(guān)性。本節(jié)對(duì)典型縫隙進(jìn)行仿真計(jì)算。

設(shè)置6種不同參數(shù)的狀態(tài)如下：（1）0.2mm寬，0.5mm深（淺裂紋）；（2）0.5mm寬，0.5mm深；（3）0.5mm寬，2mm深（蒙皮砸穿）；（4）1.5mm寬，2mm深；（5）0.2mm寬，2mm深，0.5mm臺(tái)階；（6）0.2mm寬，2mm深，1mm臺(tái)階。

在低散射平臺(tái)上設(shè)置縫隙，縫隙長(zhǎng)度300mm，并對(duì)局部網(wǎng)格加密，如圖11所示在低散射平臺(tái)上設(shè)置縫隙及局部網(wǎng)格加密示意圖。各狀態(tài)RCS計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，0.2mm寬度縫隙，X波段RCS約-30dBsm。增大縫隙寬度，導(dǎo)致RCS增大。當(dāng)縫隙寬度增大至1.5mm，產(chǎn)生RCS峰值-26dBsm。另一方面，增大臺(tái)階，RCS迅速增大。對(duì)于0.2mm縫隙，臺(tái)階1mm，RCS可達(dá)-22dBsm。

在RCS特性上，縫隙在前向方位上產(chǎn)生峰值，超過(guò)一定方位角后，RCS迅速下降，增大效率不高。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析幾種不同RCS增強(qiáng)方案的仿真結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：在同一方位角方向上射擊，采用端射可以有效增強(qiáng)該方位上的RCS；采用彈頭形狀的RCS增強(qiáng)效果比采用彈孔的RCS增強(qiáng)效果要好；彈頭分布密集的RCS增強(qiáng)效果比彈頭稀疏的RCS增強(qiáng)效果要好；采用多邊形狀彈坑的RCS增強(qiáng)效果優(yōu)于球形的RCS增強(qiáng)效果；電磁缺陷對(duì)低RCS目標(biāo)前向具有RCS增強(qiáng)效果。

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（責(zé)任編輯王昕）

作者簡(jiǎn)介

徐頂國(guó)（1985-）男，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：飛行器總體設(shè)計(jì)與武器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

Tel：18182420878

E-mail：xudingguo2003@126.com

魏子豪（2001-）男，學(xué)士，主要研究方向：自動(dòng)化。

駱盛（1986-）男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：武器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

劉鈞圣（1979-）男，碩士，研究員。主要研究方向：導(dǎo)彈武器系統(tǒng)總體研究。

王軍（1977-）男，博士，研究員。主要研究方向：空地導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研究。

趙軍民（1980-）男，碩士，研究員。主要研究方向：空地導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研究。

Study on the Method to Enhance the Scattering Characteristics of the Low RCS Targets

Xu Dingguo1，*，Wei Zihao2，Luo Sheng1，Liu Junsheng1，Wang Jun1，Zhao Junmin1

1. Xian Modern Control Technology Research Institute，Xian 710065，China 2. Beihang University，Beijing 100191，China

Abstract： The emergence of stealth aircraft puts forward better requirements for the combat capability of missiles. Increasing the scattering characteristics of enemys stealth aircraft is an important development direction of antistealth technology of the future missile. In order to enhance the scattering of the low RCS target， this paper is based on electromagnetic theory and anti-stealth technology of missile， several different enhancement schemes are designed. The scattering characteristic and the enhancement effect at deferent band and azimuth are calculated and analyzed with FEKO software， based on multilevel fast multiple method （MLFMM）. The conclusion provides reference for the development of anti-stealth technology and smart missile in the future.

Key Words： stealth aircraft； anti-stealth； RCS； MLFMM