兩種通用直升機雷達散射特性計算與分析

包曉翔，張云飛，劉 凱

(北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京 100191)

0 引言

通用直升機一般執行戰術人員運輸、電子戰、空中救援、反潛、反艦、垂直補給等任務，是對地支援的主要武器，在現代戰爭中發揮著越來越大的作用。但其速度低，敏捷性差，容易受到地面和空中武器系統的攻擊［1］。在日益先進的反直升機兵器面前，不具備隱身能力的通用直升機在執行任務時的危險性將大大增加。因此，有必要對通用直升機雷達散射特性進行研究。

國外在直升機隱身方面的研究取得了不少成果，典型的是美國的RAH-66“科曼奇”隱身武裝直升機的首飛成功。國內積極開展了對直升機雷達散射特性的研究。蘇東林等［2］做了武裝直升機雷達散射截面估算方法研究;葉少波［3］建立了武裝直升機隱身外形優化的計算機輔助設計軟件系統;喬倩等［4］利用計算機圖形算法，研究了某直升機RCS的計算方法。但缺乏對通用直升機的隱身設計研究。

本文對兩種通用直升機雷達散射特性進行了計算。Ⅰ型通用直升機是用途較廣的一種多用途直升機，主要執行向前沿陣地運送突擊部隊和向對面目標進行攻擊及戰場搶救傷員，且其高原性能優越;Ⅱ型直升機為國際合作研制的中型多用途直升機，用于海上和陸地執行各種軍事任務。通過計算，分析影響雷達隱身性能的重要散射源及雷達散射特性，對于開展通用直升機雷達隱身設計研究具有重要的參考價值。

1 幾何建模及RCS計算

1.1 建立幾何外形

在CATIA中構建兩種通用直升機幾何外形模型(見圖1)。其技術參數［5］見表1。

表1 兩種通用直升機技術參數

采用有限元軟件MSC.Patran劃分直升機幾何模型的三角形網格(見圖2)，在模型曲率較大的地方采用了加密網格，輸出拓撲結構數據文件。

1.2 RCS 計算方法

RCS計算采用高頻估算法，即利用物理光學(PO)法計算表面散射，利用等效電磁流法(MEC)計算劈邊散射，綜合表面和劈邊的貢獻即得目標總的 RCS［6-7］。

圖1 兩種通用直升機幾何外形建模

圖2 網格劃分

RCS平方根的物理光學(PO)表達式為

式中:S為目標受到雷達照射的部分表面;r為局部原點到表面單元dS的矢量;n為物體表面的單位法矢量;^er表示接受裝置電極化方向單位矢量。

等效電磁流(MEC)法計算邊緣繞射的RCS平方根的表達式為

式中:t為強制邊緣單位矢量方向;θ為入射線i與t的夾角;s為散射方向單位矢量，其它參數見參考文獻［8］。

目標總RCS是所有n個面元和m個邊緣的RCS綜合相位之和

根據上述原理，用C語言編寫RCS計算程序，對CATIA輸出的拓撲結構數據的網格文件進行RCS計算。

2 雷達散射特性分析

在2～18GHz頻率，HH和VV極化下，計算兩種通用直升機RCS隨方位角變化的特性。

由于直升機在空中時旋翼處于旋轉狀態，其RCS隨時間周期性變化。計算靜態RCS時，考慮到最不利情況，將四片旋翼槳葉前緣法向分別沿平行和垂直于機身軸線的方向擺放。

計算狀態為:0°仰角，S(3GHz)、C(6GHz)、X(10GHz)、Ku(15GHz)四個波段，HH和VV極化。以下各圖中方位角180°為機頭方向，0°為尾向，90°/270°為機身側向。

表2 Ⅰ型通用直升機RCS算術平均值/(dBm2)

表3 Ⅱ型通用直升機RCS算術平均值/(dBm2)

由圖3～5及表2～3可得兩種通用直升機雷達散射特性:

1)雷達散射水平

在S、C、X、Ku四個波段，Ⅰ型通用直升機頭向、尾向、側向的±30°的RCS算術平均值分別為9.9～14.5dBm2、11.2 ～14.4dBm2、23.1 ～27.9dBm2。Ⅱ型通用直升機頭向、尾向、側向的±30°的RCS算術平均值分別為:9.1 ～ 12.5dBm2、5.1 ～ 10.0dBm2、23.1～28.7dBm2。其 RCS水平與同樣尺寸的戰斗機相當。在側向，兩種直升機的RCS均值相當。

2)方位特性

從圖1的幾何外形可看出，在機頭和機尾方向:復雜的槳轂、旋翼操縱系統及起落架系統(Ⅰ型直升機)構成直升機的主要散射源。在S和X段(圖3～4)，HH極化狀態下，Ⅰ型直升機頭向和尾向峰值比Ⅱ型直升機大，且Ⅰ型直升機頭向峰值范圍比Ⅱ型直升機的寬。主要是因為Ⅰ型直升機的起落架外置，Ⅱ型直升機在飛行時前起收入機身，主起收到整流罩中。在頭向和尾向，起落架的較強散射使Ⅰ型直升機的雷達水平較高。

Ⅰ、Ⅱ型直升機側向 RCS峰值達到了30～40dBm2量級。在機身側向，垂直尾翼有較強的鏡面散射(特別是Ⅱ型直升機的垂尾，近似于法線朝向側面的平板)，同時與平尾構成二面角反射器，散射極強。

對于直升機體積最大的部件—機身，Ⅰ型直升機機身側面有曲率半徑較大的曲面，產生很強的鏡面回波;Ⅱ型直升機的機身側面由傾斜平面及棱邊構成，與隱身直升機的外型相似，傾斜平面能使后向散射變為非后向散射，使得Ⅱ型直升機的機身部件雷達散射水平比Ⅰ型直升機低(圖5)。

圖3 直升機S段，HH極化RCS特性

圖4 直升機X波段，HH極化RCS特性

圖5 兩種直升機機身部件側向RCS均值對比

3)極化特性

兩種通用直升機在HH和VV極化兩種情況下RCS差別很小。這是因為常規直升機的鏡面散射是主要散射源。

4)頻率特性

總體上，RCS隨入射波頻率的增加而增大，還是因為常規直升機鏡面散射的高頻效應，即鏡面散射強度隨頻率增加而增大。

3 結論

1)兩種通用直升機雷達散射特性水平較高，在頭(尾)向RCS平均值為數平方米到數十平方米，在側向達數百平方米。

2)外置起落架是直升機較強的散射源，采用可收放式起落架不僅能降低散射水平，而且可以降低機身氣動阻力。

3)在機身側向，傾斜平面式機身比大曲率半徑曲面機身雷達散射水平低，在滿足氣動和裝載容積要求的基礎上，采用相交傾斜平面式機身有利于提高直升機雷達隱身性能。

［1］張呈林，郭才根.直升機總體設計［M］.北京:國防工業出版社，2006.

［2］蘇東林，宗國民，呂善偉.武裝直升飛機雷達散射截面的估算方法.北京航空航天大學學報［J］，1994，20(3):248-252.

［3］葉少波.武裝直升機隱身外形優化的計算機輔助設計系統［D］.北京航空航天大學，2004.

［4］倪先平.直升機手冊［M］.北京:航空工業出版社，2003.

［5］喬倩，許家棟，劉萌萌，等.直升機的RCS計算［J］.航空計算技術，2009，39(3):56-58.

［6］Youssef N N.Radar cross section of complex targets［C］//Proceedings of the IEEE 1989，77(5):722-734.

［7］Cui S M，Sakina K，Ando M.A mathematical proof of physical optics equivalent edge currents based upon the path of most rapid phase variation［J］.Ieice Transactions on Electronics，2000，E83-C:659-663.

［8］阮穎錚.雷達截面與隱身技術［M］.北京:國防工業出版社，1998.