艦炮隱身設(shè)計與RCS仿真

宋洪震，康總寬，杜喜昭，曹中臣

(西北機電工程研究所艦載武器總體部，陜西咸陽712099)

0 引言

隨著現(xiàn)代高精度軍用光電子技術(shù)的快速發(fā)展和大量應(yīng)用，雷達探測技術(shù)得到很大提高，使得艦船被發(fā)現(xiàn)、跟蹤甚至命中的概率大大提高，極大改變了海戰(zhàn)場的攻防態(tài)勢。艦船作為海軍主要的戰(zhàn)斗力量之一，在廣闊的海面上，受到來自空中、水下、海上多方面的威脅，艦船被發(fā)現(xiàn)概率越大，在海戰(zhàn)中受到的攻擊概率就越大。因此，艦船如何控制和降低自身雷達特征信號，使敵方雷達探測系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)和跟蹤，或使敵方雷達發(fā)現(xiàn)己方艦船的探測距離減小，已成為當(dāng)今各國海軍重點關(guān)注的問題[1]。

目前，國內(nèi)外對艦船的雷達隱身設(shè)計主要集中于艦體和艙面上層建筑方面的隱身外形設(shè)計和隱身材料的應(yīng)用[2]。法國“拉斐特”級護衛(wèi)艦上的常規(guī)甲板裝備罩有能減少雷達有效反射面積的異形板，艦尾的“響尾蛇”地空導(dǎo)彈發(fā)射裝置裝有雷達回波屏蔽板，大部分桅桿和上層設(shè)施的蓋板都用玻璃纖維增強塑料制造，在蓋板上還涂了一種特殊的雷達反射涂層和油漆，以減少雷達電磁波的反射強度[1]。英國45型驅(qū)逐艦的桅桿主體是全封閉八面體隱身結(jié)構(gòu)設(shè)計[3]。黃龍等[4]基于隱身外形技術(shù)設(shè)計了3種艦面設(shè)備隱身防護罩方案，并對優(yōu)選方案開展了雷達吸波涂料涂覆前后的RCS仿真。劉圣杰等[5]使用FEKO軟件對某艦載發(fā)射裝置在不同姿態(tài)角下的雷達隱身性能進行了仿真。軒新想等[6]基于RCS對無人艇載光電轉(zhuǎn)臺的外形進行了優(yōu)化。張彤等[7]探究了在不同頻率下的形狀參數(shù)對于船舶某裝置整體RCS的影響規(guī)律，并根據(jù)仿真結(jié)果最終得到了各形狀參數(shù)的最佳設(shè)置方案。

作為艦船重要的艦載武器設(shè)備，艦炮位于艦船甲板寬闊地帶，無法與艦船上層建筑進行結(jié)構(gòu)融合設(shè)計，使得其對艦船隱身性能的影響較為突出。各國海軍對艦船隱身性能的迫切需求，促使艦炮隱身成為艦船重要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。目前，國內(nèi)外對艦炮的隱身設(shè)計主要集中于防護罩隱身外形設(shè)計和隱身材料的應(yīng)用。美國155 mm先進火炮系統(tǒng)（AGS）、瑞典博福斯MK3型57 mm艦炮都采用整體隱身炮塔，不使用時可將火炮隱藏在炮塔內(nèi)。國內(nèi)H/PJ26型單管76 mm艦炮、H/PJ87型單管100 mm艦炮、H/PJ38型單管130 mm艦炮都采用了隱身外形設(shè)計。隱身材料存在適應(yīng)波段窄、吸收率有限、成本過高、環(huán)境適應(yīng)性差等缺點，而外形隱身設(shè)計具有效果好、適應(yīng)波段寬、不需維護等優(yōu)點，是新式武器系統(tǒng)在設(shè)計和研制過程中最為有效和首先應(yīng)當(dāng)采用的隱身途徑[1,8–9]。本文基于艦炮總體布局設(shè)計要求和隱身外形設(shè)計原則，對艦炮防護罩進行了外形隱身設(shè)計，并使用物理光學(xué)法對艦炮外露部分進行RCS仿真來評估該艦炮的隱身性能。

1 雷達散射截面積

雷達散射截面積（RCS）的定義是基于平面波照射下目標(biāo)各向同性散射的概念，是定量表征目標(biāo)散射強弱的物理量。通常用σ來表示RCS的量值，m2。目標(biāo)雷達散射截面積（RCS）公式為：

其中：Pt為雷達發(fā)射功率；Pr為雷達接收功率；G為雷達發(fā)射和接收天線增益；λ為雷達波長；R為目標(biāo)到雷達的距離。從式中可知，σ與R的四次方成正比，當(dāng)雷達設(shè)計參數(shù)確定后，減小目標(biāo)的RCS，能大大降低雷達的探測距離。

由于RCS變化范圍很大，在實際應(yīng)用中常用分貝值（dBsm）表達，即相對于1 m2的分貝數(shù)，公式為：

目標(biāo)的RCS取決于下列因素[1,9]：

ε′ ε′′μ′

1）目標(biāo)的幾何外形和材料的電參數(shù)（ ， ，和μ′′）；

2）目標(biāo)被雷達照射的方位；

3）入射波的頻率和波形；

4）入射場和接收天線的極化形式。

2 防護罩外形隱身設(shè)計

2.1 外形隱身設(shè)計原則

對于艦炮的威脅雷達波來自于敵方艦船或空中平臺，它們二者都接近水面，最大可能的觀察角限制在一個小的仰角范圍內(nèi)（最多1°～2°），但在方位角平面內(nèi)，所有方向的威脅是等可能的，因此在方位角平面內(nèi)外形隱身設(shè)計要遵守以下原則[1,4,9]：

1）避免出現(xiàn)任何較大平面和凸?fàn)顝澢砻妗⑦吘墶⒗饨恰⒓舛恕㈤g隙、缺口；

2）避免鏡面反射和角反射器結(jié)構(gòu)；

3）避免兩平板正交；

4）避免暴露腔體結(jié)構(gòu)。

2.2 防護罩外形隱身設(shè)計

某艦炮設(shè)計時，要求防護罩必須滿足外形隱身、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安裝空間、整體重量、造型美觀等方面的需求。從艦炮整體結(jié)構(gòu)布局出發(fā)，再結(jié)合外形隱身設(shè)計原則，設(shè)計了如下外形的防護罩，如圖1所示。

圖1 艦炮外形Fig.1 Naval gun shape

3 艦炮RCS仿真

防護罩將艦炮的炮架及安裝于炮床之上的各種裝置全部遮蔽，防護罩和身管、護套、護盾共同構(gòu)成艦炮外露部分，其模型如圖1所示。對艦炮外露部分進行RCS仿真，更能表現(xiàn)艦炮的整體隱身性能。由于該組合體是電大尺寸物體，因此使用高性能計算機仿真平臺，利用物理光學(xué)法對組合體進行RCS仿真。

3.1 物理光學(xué)法[9 –11]

物理光學(xué)法（Physical Optics），簡稱PO方法，是一種計算電大尺寸物體雷達散射截面的電磁仿真算法。物理光學(xué)法通過對感應(yīng)場的近似積分而求得散射場，計算表面感應(yīng)電流時完全忽略了各部分感應(yīng)電流相互之間的影響，而僅根據(jù)入射場獨立地近似確定表面感應(yīng)電流。

空間中某一點的散射場是由Stratton-Chu積分方程給出。對于一個有限散射體的閉合表面S，觀察點P位于表面S之外，如圖2所示。

圖2 源點和場點示意圖[10]Fig.2 Diagrammatic sketch of source point and field point

圖中：r為遠(yuǎn)區(qū)場點P的位置矢量；r′為表面點Q的位置矢量；S?是散射方向的單位矢量；R為表面點Q到場點P的矢量，R=r?r′。

從Stratton-Chu積分方程，可得P點處的散射場：

式中：HS為散射磁場；ω為角頻率；E為空間的總電場；H為總磁場；S為目標(biāo)表面；n?為表面單位法向矢量；ψ為自由空間格林函數(shù)：

其中，R=|R|=|r?r′|。

在應(yīng)用物理光學(xué)法來分析目標(biāo)的散射場問題時，需要從Stratton-Chu積分方程出發(fā)，并做如下3點假設(shè)：

1）物體表面的曲率半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長；

2）物體表面上只有被入射平面波直接照射到的區(qū)域才會產(chǎn)生感應(yīng)電流；

3）物體的受照射表面上的感應(yīng)電流特性和在入射點與表面相切的無限大平面上的電流特性相同。

目前使用物理光學(xué)法計算目標(biāo)雷達散射截面，普遍是將目標(biāo)表面剖分為許多小三角形面元，用這些小三角形面元來求解散射場，對于求解其中的積分，只需要在每個三角形上進行計算，這對于計算任意形狀目標(biāo)的雷達散射截面提供了極大地便利。

3.2 參數(shù)設(shè)置

1）艦載火控雷達對艦炮的威脅最大，其頻率范圍8～12.5 GHz。雷達頻率越高，對目標(biāo)的定位精度越好，因此仿真頻率設(shè)定為12 GHz。

2）仿真坐標(biāo)系：以防護罩正前方水平指向為縱軸（x軸）正向，回轉(zhuǎn)中心豎直向上為豎軸正向（z軸），橫軸正向按照右手法則確定（y軸）。

3）仿真角域：θ角（仰角）為入射波與橫軸縱軸平面（x?y平面）的夾角，x軸正向為0°；φ角（方位角）為入射波與橫軸豎軸平面（y?z平面）的夾角，y軸正向為0°。

4）采樣點：0°≤φ≤180°，每5°取一個采樣角；0°≤θ≤3°為雷達主要探測仰角范圍，每1°取一個采樣點。

5）仿真參數(shù)：仿真結(jié)果為遠(yuǎn)場單站RCS，極化形式為垂直極化，dBsm。

6）為全金屬化物體。

3.3 仿真結(jié)果分析

艦炮RCS仿真結(jié)果如圖3所示。

對比圖中艦炮RCS分布曲線可知，艦炮的強散射源位于防護罩正前方（φ=90°）和兩側(cè)面（φ=0°，φ=180°），其他方位角的RCS值都比較小，絕大部分在0 dBsm以下。各強散射源處的RCS數(shù)值和方位角平面內(nèi)的RCS平均值如表1所示。

由表1可知，隨著仰角的增大，艦炮兩側(cè)面（φ=0°，φ=180°）RCS值從大變小然后又增大，正前方（φ=90°）RCS值逐漸減小。造成該種現(xiàn)象的原因可能是：

1）在0°和180°方位角時，雷達照射區(qū)域主要是多塊不同傾斜角度的面板和身管，隨著仰角從0°增大到2°，下部面板減少的雷達截面等效面積比上部面板增加的雷達截面等效面積多，從而總的雷達截面等效面積減小，RCS值也就變小。仰角增大到3°時，上部增加的雷達截面等效面積比下部減少的雷達截面等效面積大，從而總的雷達截面等效面積增大，RCS值也就變大。

2）在90°方位角時，雷達照射區(qū)域除了防護罩的傾斜面板，還有帶小錐度的空心身管、半圓形護盾和護套。在仰角0°時身管的腔體結(jié)構(gòu)、護套與防護罩面板構(gòu)成的角反射器結(jié)構(gòu)、護盾凸?fàn)钋娼Y(jié)構(gòu)對RCS值的貢獻較大。隨著仰角的增大，前述結(jié)構(gòu)造成的影響逐漸減小，總的雷達截面等效面積減小，RCS值也就變小。

4 結(jié)語

通過以上仿真和分析，可知：

1）除了方位角0°，90°，180°以外，其他方位角內(nèi)的RCS值都較小，可以較好減小艦炮的雷達特征信號，提高了艦炮的隱身性能。

圖3 艦炮RCS仿真結(jié)果Fig.3 RCSsimulation results of naval gun

2）強散射源與具體的方位有關(guān)，并在RCS分布曲線的峰值對應(yīng)方位得到體現(xiàn)。

3）側(cè)面大尺寸面板、身管的腔體結(jié)構(gòu)、護套與防護罩面板構(gòu)成的角反射器結(jié)構(gòu)、護盾凸?fàn)钋娼Y(jié)構(gòu)對艦炮RCS值貢獻較大。

表1 RCS數(shù)值表Tab.1 RCSdata table