武裝無人直升機(jī)雷達(dá)散射截面特性計(jì)算及分析

何豐澤

雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section，RCS）是反映目標(biāo)雷達(dá)散射特性的一個(gè)重要參數(shù)。本文建立了某武裝無人直升機(jī)的兩種幾何外形模型，采用物理光學(xué)法和等效電磁流法作為雷達(dá)散射截面數(shù)值計(jì)算方法，計(jì)算了雷達(dá)散射截面特性并進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了改進(jìn)武裝無人直升機(jī)雷達(dá)隱身特性的措施。

近年來，無人駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的發(fā)揮著越來越重要的作用。無人直升機(jī)作為無人機(jī)中重要的一類，它具有獨(dú)特的飛行性能及使用價(jià)值，正日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

為了提高現(xiàn)代軍用直升機(jī)生存力和作戰(zhàn)能力，隱身技術(shù)已被逐漸采用。雷達(dá)隱身是直升機(jī)隱身技術(shù)的重要內(nèi)容之一，同時(shí)也與直升機(jī)的氣動(dòng)外形關(guān)系密切。國外對(duì)直升機(jī)隱身研究取得了不少成果。最為典型的是美國的“科曼奇”隱身武裝直升機(jī)。在雷達(dá)隱身方面，RAH-66“科曼奇”武裝直升機(jī)采用了多面體圓滑邊設(shè)計(jì)，并采用吸波材料，其雷達(dá)散射截面大約是AH-64D直升機(jī)的1/630，體現(xiàn)了其良好的雷達(dá)隱身性能。國內(nèi)也積極開展了對(duì)直升機(jī)的雷達(dá)散射特性的研究。

蘇東林等人做了武裝直升機(jī)雷達(dá)散射截面估算方法研究；葉少波建立了武裝直升機(jī)隱身外形優(yōu)化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)；蔣相聞等基于面元邊緣法做了某型武裝直升機(jī)雷達(dá)散射截面計(jì)算分析；包曉翔等對(duì)通用直升機(jī)的雷達(dá)散射特性進(jìn)行計(jì)算及分析。但國內(nèi)的研究起步較晚，與國外的先進(jìn)水平還存在一定的差距，特別是在應(yīng)用設(shè)計(jì)方面相對(duì)比較落后。

無人直升機(jī)不同于固定翼飛機(jī)，它飛行高度低，其雷達(dá)回波容易被山丘等障礙物遮擋，也可能被地面雜波淹沒；但由于直升機(jī)的飛行速度較慢，留給雷達(dá)的預(yù)警時(shí)間較長，因而較容易被雷達(dá)捕捉。因此，對(duì)于察打一體的武裝無人直升機(jī)而言，為了提高武裝無人直升機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)場的生存能力，雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)將會(huì)成為未來武裝無人直升機(jī)設(shè)計(jì)必不可少的一環(huán)。

本文對(duì)某型無人機(jī)直升機(jī)兩種不同外形的靜態(tài)雷達(dá)散射特性進(jìn)行計(jì)算及對(duì)比分析。首先，建立無人直升機(jī)幾何外形模型；采用物理光學(xué)法（PO）和等效電磁流法（MEC）作為數(shù)值計(jì)算方法；然后計(jì)算并對(duì)比分析了兩種無人直升機(jī)的雷達(dá)散射特性；最后，借鑒直升機(jī)隱身設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)未來武裝無人直升機(jī)的隱身發(fā)展提供了一些參考。

幾何建模及RCS計(jì)算

建立模型

本節(jié)利用三維CAD軟件CATIA，對(duì)國內(nèi)某型武裝無人直升機(jī)進(jìn)行構(gòu)建幾何外形。為了方便雷達(dá)散射截面的計(jì)算，需要將整個(gè)飛機(jī)模型拼接成一個(gè)曲面。考慮到直升機(jī)進(jìn)氣口一般帶有過濾網(wǎng)罩，其格柵間距比電磁波波長小，電磁波將無法進(jìn)入進(jìn)氣道而反射出去.因此在進(jìn)氣處，利用封閉曲面等效代替過濾網(wǎng)罩。

為了便于計(jì)算，對(duì)無人機(jī)的一些其他部位也做了簡化處理。其CAD建模如圖1所示。

為了計(jì)算雷達(dá)散射截面值，需要在CATIA中劃分直升機(jī)幾何外形的三角形網(wǎng)格，并在模型曲率較大的地方采用了加密網(wǎng)格。

雷達(dá)散射截面計(jì)算方法

在雷達(dá)散射截面計(jì)算前，需將輸出的網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行消隱遮擋處理，陰影區(qū)和被遮擋部件的面元和邊緣不參與雷達(dá)散射截面計(jì)算。

總目標(biāo)雷達(dá)散射截面是所有n個(gè)面元和m個(gè)邊緣的雷達(dá)散射截面之和：

根據(jù)上述原理，利用雷達(dá)散射截面計(jì)算程序，對(duì)CATIA輸出地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的網(wǎng)格文件進(jìn)行雷達(dá)散射截面計(jì)算。

雷達(dá)散射截面計(jì)算結(jié)果與分析

通過計(jì)算分析武裝無人直升機(jī)雷達(dá)散射特性：方位特性、極化特性以及頻率特性。

由于無人直升機(jī)在空中時(shí)旋翼處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，其雷達(dá)散射截面值隨時(shí)間周期性變化。在求靜態(tài)雷達(dá)散射截面值時(shí)，不考慮旋翼雷達(dá)散射截面變化的情況，在這里只計(jì)算槳葉處于頭尾向的情況。

計(jì)算狀態(tài)：俯仰角和滾轉(zhuǎn)角均取O°，選取S波段（3GHz）、C波段（6GHz），X波段（10GHz）、Ku波段（15GHz）4個(gè)波段，采用HH和VV兩種極化方式。其中O°為機(jī)頭方向，180°為機(jī)尾方向。計(jì)算結(jié)果如表l和圖3所示。

其中圖3的橫坐標(biāo)表示方位角度數(shù)，縱坐標(biāo)為雷達(dá)散射截面值，單位是-2dBm2。

根據(jù)以上圖表可得出：

在4個(gè)不同的波段上，頭向、尾向、側(cè)向±30°的雷達(dá)散射截面算術(shù)平均值分別為-3.14-1.97dB㎡，-1.3-0.87dB㎡，4.88-5.74dB㎡。

（1）方位特性

從波形圖可以看出，無人直升機(jī)雷達(dá)散射截面峰值出現(xiàn)在側(cè)面。從C波段來看，左側(cè)最大峰值為22.2dB㎡，右側(cè)最大峰值為20.8dB㎡。從無人直升機(jī)的幾何外形可以看出，機(jī)身側(cè)向具有曲率半徑較大的曲面，產(chǎn)生很強(qiáng)的鏡面回波；垂直尾翼在側(cè)向有較強(qiáng)的鏡面散射，同時(shí)與平尾構(gòu)成二面角，散射極強(qiáng)；外置起落架以及外掛的武器彈藥也是較強(qiáng)的散射源。尾槳位于直升機(jī)左側(cè)，垂尾分布在右側(cè)，導(dǎo)致左右兩側(cè)雷達(dá)散射截面不完全對(duì)稱。

（2）極化特性

從表格及圖表數(shù)據(jù)來看，雷達(dá)散射截面在HH和VV兩種情況下變化不是很大，表明鏡面反射占雷達(dá)散射截面總體水平的主要部分。

（3）頻率特性

從總體上來看，雷達(dá)散射截面隨入射波頻率的增加而增大，這主要由鏡面散射的高頻效應(yīng)（即鏡面散射強(qiáng)度隨頻率增加而增強(qiáng)）引起。

改型無人直升機(jī)雷達(dá)散射截面計(jì)算及分析

為了提高武裝無人直升機(jī)的氣動(dòng)及雷達(dá)隱身特性，并使外形更加美觀，因此對(duì)無人機(jī)的外形進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。整個(gè)無人機(jī)外形如圖4所示，整個(gè)機(jī)身采用了類似武裝直升機(jī)的設(shè)計(jì)，兩邊增加了副翼，整個(gè)機(jī)身橫截面傾向于呈六邊形，取代了曲率較大的機(jī)身側(cè)面。

為了驗(yàn)證新外形的雷達(dá)隱身特性，對(duì)新的外形進(jìn)行雷達(dá)散射截面計(jì)算，計(jì)算方法與前面一致。

（1）改型無人直升機(jī)全機(jī)雷達(dá)散熱特性

同之前的方法一致，對(duì)改型后的無人直升機(jī)進(jìn)行劃分網(wǎng)格，計(jì)算方式與之前保持一致，俯仰角和滾轉(zhuǎn)角均取0°，選取S波段（3GHz）、C波段（6GHz）、X波段（10GHz）、Ku波段（15GHz）4個(gè)波段，采用HH和VV兩種極化方式。得到的結(jié)果如下表所示。

從表中可以看出，在4個(gè)不同的波段上，頭向、尾向、側(cè)向±30°的RCS算術(shù)平均值分別為-3.77～1.42dB㎡，-3.29～O.lldB㎡，2.59～5.lOdB㎡。

改型后的C波段的雷達(dá)散射截面方位特性圖如圖5所示，同時(shí)為了和基本型進(jìn)行對(duì)比分析，圖6列出了C波段下兩個(gè)不同外形的無人直升機(jī)各部位雷達(dá)散射截面對(duì)比圖。

由此可知，改型后的無人直升機(jī)和改型前的雷達(dá)散射截面值相比：

1）在C波段下，HH極化方式下，頭向±30°雷達(dá)散射截面相比減小了24%，尾向±30°雷達(dá)散射截面減小了47%，左側(cè)±30°雷達(dá)散射截面相比減小了33%，右側(cè)±30°雷達(dá)散射截面減小了16%；

2）在C波段下，VV極化方式下，頭向±30°雷達(dá)散射截面相比減小了22%，尾向±30°雷達(dá)散射截面減小了50%，左側(cè)±30°雷達(dá)散射截面相比減小了30%，右側(cè)±30°雷達(dá)散射截面減小了17%。總體來說，改型之后的武裝無人直升機(jī)雷達(dá)散射截面特性有了20%左右的減小。

無人直升機(jī)總體的雷達(dá)散射截面值有了一定的減小，分析其原因主要應(yīng)該是兩側(cè)的外掛武器形成較強(qiáng)的散射源，對(duì)機(jī)體的隱身特性造成較大的影響，并且機(jī)身側(cè)面曲率半徑較大，使得側(cè)面的雷達(dá)散射截面出現(xiàn)較大增加。其他大部分方位角的雷達(dá)散射截面繞-2dB㎡上下波動(dòng)，并改型后的外形對(duì)于HH和VV兩種極化方式，變化也不敏感。

（2）武裝無人直升機(jī)各部位雷達(dá)散射截面分析

為了分析無人直升機(jī)的各部位雷達(dá)散射截面值，將改型的無人直升機(jī)各部件進(jìn)行分別建模劃分網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

如圖7所示，圖中列出了改型的無人直升機(jī)的各個(gè)部件在C波段下，采用HH極化方式得到的機(jī)頭及側(cè)面的雷達(dá)散射截面算術(shù)平均值。從圖中可以看出，主旋翼和機(jī)身的雷達(dá)散射截面值最大，起落架及武器外掛部分也占有較大部分雷達(dá)散射截面，由于垂尾在側(cè)向會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的鏡面反射，使得垂尾的側(cè)向雷達(dá)散射截面值遠(yuǎn)大與正面，對(duì)雷達(dá)隱身特性產(chǎn)生了較大的影響。

武裝無人直升機(jī)雷達(dá)隱身特性分析

無人直升機(jī)有廣闊的應(yīng)用前景，它具有空中攝錄、監(jiān)視與偵察、主動(dòng)攻擊、中繼通信、空中科學(xué)試驗(yàn)搭載平臺(tái)、模擬旋翼類靶標(biāo)等功能。在未來的作戰(zhàn)領(lǐng)域，武裝無人直升機(jī)也將在其中發(fā)揮著重要作用。為了提高無人直升機(jī)的生存作戰(zhàn)能力，雷達(dá)隱身特性也將成為一項(xiàng)重要的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)之一。對(duì)武裝無人直升機(jī)的雷達(dá)散射特性及雷達(dá)散射截面縮減研究有著重要的理論意義及實(shí)用價(jià)值。

根據(jù)直升機(jī)的雷達(dá)散射特性特點(diǎn)，并綜合之前的計(jì)算和分析可以得出：

（1）通過對(duì)某型的無人直升機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析后，這款無人直升機(jī)尺寸較小，前后向平均雷達(dá)散射截面面積在零點(diǎn)幾到幾平方米左右，側(cè)向雷達(dá)散射截面平均值在5dB㎡左右，具有較好的雷達(dá)隱身特性。

（2）直升機(jī)與其他飛行器最大的區(qū)別在于其機(jī)體頂部裝配有一個(gè)較大尺寸的旋翼，且旋翼槳葉前后緣與槳尖部位曲率較大，是直升機(jī)主要的強(qiáng)散射源之一。但是旋翼是直升機(jī)最主要?dú)鈩?dòng)部件，提供了幾乎全部升力，還涉及噪聲振動(dòng)等學(xué)科，難以采取外形隱身措施，可以通過采用吸波材料等措施加以改進(jìn)。

（3）外置起落架是直升機(jī)較強(qiáng)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(jī)身氣動(dòng)阻力。

（4）外掛武器系統(tǒng)也是較強(qiáng)的雷達(dá)散射源，但是外掛武器有發(fā)射彈藥、導(dǎo)彈飛行等使用要求，無法對(duì)滑軌、導(dǎo)彈彈體等直接進(jìn)行外形隱身設(shè)計(jì)。可以考慮設(shè)計(jì)整形罩將武器外掛包裹其中，既可以降低雷達(dá)散射截面水平，又起到整流的作用。

（5）在機(jī)身側(cè)向，雷達(dá)散射截面峰值達(dá)到最大，對(duì)隱身的影響最大，采用傾斜平面式機(jī)身比大曲率半徑曲面機(jī)身雷達(dá)散射水平低，在滿足氣動(dòng)和裝載容積要求的基礎(chǔ)上，采用相交傾斜平面式機(jī)身有利于提高直升機(jī)雷達(dá)隱身性能。為了消除垂尾在側(cè)面較強(qiáng)的雷達(dá)散射截面，可以采用傾斜式的垂尾或做成折線型以消除較大的鏡面反射。

結(jié)論

本文基于CATIA及雷達(dá)散射截面計(jì)算軟件，對(duì)同一武裝無人直升機(jī)的兩種不同外形進(jìn)行了網(wǎng)格繪制建模，并分析估算了武裝無人直升機(jī)的整體及各部件的雷達(dá)散射截面特性，對(duì)兩者的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，最后對(duì)武裝無人直升機(jī)的雷達(dá)散射截面縮減進(jìn)行了分析，根據(jù)數(shù)據(jù)及分析提出了一些改進(jìn)措施，希望能夠?qū)σ院蟮臒o人直升機(jī)隱身設(shè)計(jì)提供了一些參考。