不同布局無人作戰飛機電磁隱身性能分析

劉戰合， 羅明強， 夏陸林， 周 鵬， 楊 朋

(1.鄭州航空工業管理學院航空工程學院， 鄭州 450046； 2.鄭州航空工業管理學院無人機研究院， 鄭州 450046； 3.北京航空航天大學航空科學與工程學院， 北京 100191； 4.鄭州航空工業管理學院智能工程學院， 鄭州 450046)

無人機已成為現代戰爭的重要武器平臺，廣泛用于執行偵察、反恐、預警、對地攻擊、空中作戰等軍事任務[1-4]。無人作戰飛機通常以奪取制空權的空中作戰或格斗為主要任務，可兼顧對地打擊、反恐、偵察等任務，成為當前和未來空中武器平臺的主要組成部分[5-7]，如美軍X-45A、X-45C，法國達索公司神經元等，部分無人作戰飛機也通常被稱為察打一體無人機，如捕食者、彩虹等。

隱身技術可有效提高飛行器突防能力，成為無人作戰飛機采用的重要技術手段[8-10]，不同布局無人作戰飛機具有不同的氣動、隱身性能，是多種技術需求的高效綜合[4,7]。隱身性能主要包含電磁隱身、聲隱身、可見光隱身、紅外隱身等，當前無人作戰飛機主要考慮電磁隱身，也是研究的重點。針對戰斗機[1,8]、飛翼布局飛行器[2,5,7]等，已有學者進行了部分研究，但不同布局無人作戰飛機的電磁隱身性能研究較少。隨著無人機技術的迅猛發展，面向空中格斗的無人作戰飛機將成為空中主要作戰力量，有必要從不同布局結構特點出發，研究并掌握隱身性能與作戰任務、布局設計等的影響關系。

針對現有投入戰場使用的3種典型氣動布局無人作戰飛機，采用物理光學法(physical optics,PO)[6-7,10-11]，以研究3種典型布局無人作戰飛機的隱身性能，結合雷達散射截面(radar cross section，RCS)[10,12]曲線、不同威脅角域下的RCS算術均值及其變化規律，并分析RCS曲線分布、不同入射頻率、不同姿態角下的電磁散射特性與布局設計的對應關系，以進一步改善無人作戰飛機的生存力。

1 無人作戰飛機電磁分析模型

當前，以攻擊性為目的的無人機研究和應用呈上升趨勢，如中國的彩虹系列、翼龍系列，美軍捕食者A、捕食者B、X-45A、X-45C、X-47B、復仇者、A-10、幻影射線等，法國達索公司的神經元無人機等。通過對以上無人機進行分析，基于布局設計考慮，將其分為3種，分別建立電磁布局A、B、C[6-7]，分別對應螺旋槳動力常規布局(如中國彩虹、美軍捕食者A、捕食者B等)、機動性能較好的無尾飛翼布局(美軍X-45A、X-47B等，采用分段式平行前緣、渦扇動力)、三角形飛翼布局(法國達索神經元無人機、美軍X-45C、美軍A-12等，采用翼身融合度較高設計、渦扇動力)。分別以捕食者B、X-45A、神經元無人作戰飛機為參考，完成電磁建模，幾何尺寸分別為：布局A機身長10 m、翼展14 m、高3 m、機翼無后掠、雙垂尾斜置，布局B機身長8.0 m、翼展12.5 m、高0.95 m、后掠角41.3°，布局C機身長10 m、翼展12.5 m、高1.9 m、前緣后掠角60°、后緣后掠角38°。3種布局無人作戰飛機的三維實體電磁模型如圖1所示。

圖1 3種布局無人作戰飛行器電磁模型Fig.1 Electromagnetic computation models of aircrafts

結合各類無人機作戰環境特點，執行任務過程中，可能面臨來自海基、陸基、空基等多平臺探測器威脅，為提高無人作戰飛機戰場生存能力，有必要考慮探測器威脅角域、電磁波入射頻率等因素，從無人機角度出發，將俯仰角范圍設置為-15°、-10°、-5°、0°、5°、10°、15°，方位角范圍為0°～360°，電磁波入射頻率設定為1、3、6、10、15、18 GHz。同時，由于高頻區RCS曲線一般呈現較為劇烈的起伏現象，研究中結合無人機有重要影響的幾個角域：前向30°(H-30)、側向30°(S-30)、后向30°(T-30)、周向360(W-360)角域，以對應角域RCS算術均值為研究對象，結合其幅值大小、變化規律、RCS曲線分布規律，詳細分析幾類典型布局無人作戰飛機的隱身性能及電磁散射特性。

2 基于PO的電磁散射計算方法

一般來說，RCS計算效率和精度在很大程度上取決于計算目標電尺寸，即目標典型幾何尺寸與入射電磁波波長之比，根據電尺寸大小可將電磁散射分為低頻區(瑞利區)、諧振區和高頻區。為平衡計算效率和精度，不同的散射區域會采用不同的電磁計算方法，基于積分方程法的矩量法(method of moments，MOM)[13-14]、時域有限差分法(finite difference time domain method，FDTD)[14]、有限元法等均具有較高的計算精度，適用于低頻區精確求解，為提高計算精度，MOM的快速改進方法-多層快速多極子算法(multilevel fast multipole algorithm，MLFMA)[12-13]極大提高了計算效率，將積分方程方法的求解區域提高至諧振區和部分高頻區，但在高頻區尤其是超高頻區，MLFMA計算效率極大降低，同時會損失一定計算精度。

物理光學法與矩量法同樣基于積分方程，保留了矩量法計算過程中的自耦合作用，而將對計算結果影響績效的互耦合作用忽略，即忽略目標部件之間的相互耦合作用，以快速提高計算效率，適用于光滑目標電磁散射計算。以上假設條件尤其適用于高頻區，從散射機理來看，電大尺寸尤其是超大電尺寸目標，目標各部件間的耦合散射相對自耦合影響較弱，這使得物理光學法在高頻區具有較高的計算精度，保留了矩量法等精確算法的部分計算精度。

基于以上考慮，由于3種布局無人機具有表面光滑的特點，處于高頻區，其局部結構間的耦合散射影響可忽略，適用于物理光學法的快速計算分析。基于目標網格劃分，按相位疊加對所有散射面元即網格面元求和得[6-7,10]

(1)

(2)

分別為電磁波入射方向單位矢量、散射方向單位矢量；

分別為接收雷達電場單位矢量、發射雷達磁場單位矢量；r為從局部源到計算面元的位置矢量。

對電磁分析布局A、B、C，入射電磁波頻率1、3、6、10、15、18 GHz時，布局A對應電尺寸分別為46.7、140、280、466.7、840 m，布局B和模型C典型幾何尺寸均為12.5 m，電尺寸相同，分別為41.6、125、250、416.7、625、750 m，均為典型的電大尺寸目標，處于高頻區，適用于采用物理光學法進行計算分析。

3 RCS散射曲線分布特性

3種無人作戰飛機從動力裝置、氣動布局、作戰特點等角度來看，具有較大區別，布局A為前期偵察機的衍生，采用螺旋槳為動力，具有察打一體特點，同時采用大展弦比機翼設計以實現較好的巡航性能；相對而言，布局B和布局C采用渦扇動力，具有更高的速度優勢和打擊能力，同時結合表面吸波材料涂覆以提高翼身性能。結合以上無人機特點，重點從電磁隱身角度進行分析。

入射電磁波頻率為6 GHz、俯仰角0°時，3個電磁模型的RCS計算曲線如圖2所示。

圖2 入射電磁波頻率為6 GHz時3個模型RCS計算曲線Fig.2 RCS curves of three models when the incident electromagnetic wave is 6 GHz

可以看出，對無人作戰飛機布局A，其RCS曲線沿周向360°分布有4個散射波峰，分別位于前向0°、側向0°、后向180°、側向270°方位角上，該分布特點與其布局有直接關系。前向0°附近散射波峰為無人機頭部、機翼和垂尾前緣散射綜合貢獻，為提高低速巡航性能和機動性能，機翼并未采用后掠方式，其前緣成為前向0°附近角域上散射波峰主要貢獻；側向90°和270°角域附件的散射波峰為機身側面、機翼翼尖側面及垂尾的貢獻，貢獻較大者為機身側面及機身側面與機翼翼根形成的二面角散射，而由于機翼翼尖側面面積較小、垂尾斜置，故二者貢獻較小；后向180°附近角域散射波峰較強，這是由于機身后端面及發動機端面的鏡面散射效果，同時，機翼、垂尾后緣也有一定貢獻。

與布局A散射形成對比，布局B采用翼身融合、多段前緣和后緣平行技術、進氣道唇口鋸齒化處理等外形隱身技術，其RCS散射曲線分布特點有較大變化。由于采用機翼后掠及隱身融合，其前向30°角域上，并未出現散射波峰，總體來看，沿周向分布6個較強波峰，沿機身軸線對稱分布于方位角46°附近，且波峰較窄，為機翼前緣、機身、進氣道結構部分的散射疊加；側向方位角90°附近波峰產生機理與布局A類似，為機身、進氣道側面等的貢獻；方位角140°附近存在一較強散射波峰，為機身后端面、機翼翼尖側面積、機翼后緣、尾噴口端面的疊加貢獻。

模型C與布局B均為飛翼布局，但模型C布局更簡單，采用類似三角形布局飛翼布局形式，考慮到氣動性能、隱身性能，前后緣后掠角不同，與布局B相同，進氣道位于機身背部，以減小進氣道、發動機產生的雷達、紅外信號，提高電磁、紅外隱身性能。從RCS曲線來看，前向和后向30°角域上并未出現散射波峰，這與布局B相同，說明兩種布局在前向和后向均有較好的隱身性能。與布局結構相關，模型C在方位角40°、120°附近沿機身軸線對稱分布4個散射波峰，由于前后緣后掠角并不相同，同時機身背部進氣道結構相對較大，引起散射波峰寬度的增加，40°波峰為機翼前緣、機身、鋸齒化進氣道唇口的散射貢獻，120°散射波峰為機翼后緣、機身后端面、尾噴口鋸齒后端面的綜合效果。

綜上分析可以看出，從隱身性能角度來看，盡管散射波峰數目較少，但布局A在前、后向均有散射波峰，不具備較好電磁隱身性能，而飛翼布局的布局B和C在前、后向角域上均具有較好的隱身性能，布局B采用了平行分布的外形設計手段，散射波峰較窄，而模型C為了取得更好的高速性能，采用了更大的后掠角和不同的前后緣后掠，結合背部進氣道結構，增加了散射波峰寬度，但模型C在側向由于較好翼身融合，散射強度較小。

4 RCS曲線頻率和俯仰角響應特性

就當前無人作戰飛機來說，多執行反恐作戰、局部戰爭、對地攻擊、空中作戰及戰略戰術偵察任務等，飛行過程中，將面臨來自方向上(對無人機而言，可以從不同方位角、俯仰角來研究)的不同頻率的雷達探測。由于方位角在RCS計算時已經考慮，因此對無人作戰飛機而言，可從電磁波頻率和俯仰角兩個維度來進行研究。根據三種無人作戰飛機模型布局特點，以布局A來研究頻率對RCS曲線的變化影響，而以模型C研究俯仰角的影響特性。

俯仰角為0°時布局A的3、10、15 GHz的RCS散射曲線如圖3所示。

圖3 布局A多頻RCS計算曲線Fig.3 RCS curves with different frequencies of model A

考慮到多頻散射規律可區分性，圖3以3、10、15 GHz入射頻率進行研究，可以看出，頻率變化時，同一布局的散射曲線分布即波峰、波谷及曲線沿周向的分布規律不變，不同入射頻率的RCS散射曲線具有較大的相似性，由于研究對象處于高頻區，而高頻區內的電磁散射機理在頻率變化時并未發生較大變化，因此曲線分布規律相似。圖3也可以看出，電磁波入射頻率增加時，RCS散射曲線向內有一定壓縮，這一現象表現在波峰位置為波峰寬度變窄，波峰較為尖銳，且幅值有一定較低，但并未影響波峰位置方位角，即對分布特性影響不明顯；同時，頻率增加時，RCS散射曲線振蕩較為劇烈，說明無人作戰飛機的各個部件的電磁耦合逐漸明顯，以上特性尤其在前向和后向一定角域表現突出。從隱身角度來看，頻率增加時，RCS減小，且散射波峰變窄，幅值減小，其電磁隱身性能有一定增加，但并未改變其隱身性能本質。

與多頻散射特性研究方法類似，入射電磁波頻率3 GHz時，模型C俯仰角為-15°、0°、-15°的RCS計算曲線分別如圖4所示。

圖4 入射電磁波頻率為3 GHz布局C不同俯仰角 RCS計算曲線Fig.4 RCS curves in different pitch angles of model C when the incident electromagnetic wave is 3 GHz

如前所述，布局B和C在氣動布局上，均采用了飛翼布局，以模型C為研究對象，研究俯仰角的電磁散射響應特性。圖4表明，對模型C，迎角分別為-15°、0°、15°時，電磁散射曲線變化較小，其分布特點和表現形式基本一致，3條曲線重合度較高。觀察曲線分布情況，從角域分布來看，在前向和后向一定角域上，較小的俯仰角不至于引起RCS曲線和幅值的較大變化，即隱身性能能保持較高的水平，分析認為是由于電磁波以較小俯仰角入射時，并未引起電磁散射機理的明顯變化，且機身頭部、進氣道、尾噴口均采用了外形隱身技術，影響較小。而在其他角域上，尤其對稱分布的4個峰值附近，可以看出，俯仰角變化時，其RCS有一定增加，這是由于該方位角上，為機翼前緣、機身側向、進氣道唇口或尾噴口端面的截面鏡面散射貢獻，而俯仰角較小變化時，該部分面積有一定增加，從而增強電磁散射幅值，但由于機理并未產生劇烈變化，因此并不影響散射曲線分布特點和形式。

5 不同角域散射特性分析

5.1 RCS算術均值

結合前述的RCS曲線分布研究，對隱身性能，還需從其幅值大小、威脅角域等方面進行詳細分析，基于重點關注角域RCS算術均值及幅值變化規律，進一步研究無人作戰飛機的電磁隱身性能。一定角域內，RCS算術均值可以量化表示該角域內的電磁散射幅值大小[6,10]，可表示為

(3)

(4)

5.2 不同角域RCS算術均值

對3種無人作戰飛機電磁模型，基于RCS數據計算了不同俯仰角、不同頻率狀態下重點關注角域H-30°、S-30°、T-30°、W-360°的算術均值，以分析各布局模型在對應角域上的RCS幅值及變化規律，進而分析隱身性能。限于篇幅并與圖3、圖4形成區別，表1和表2列出了布局A在3 GHz時不同俯仰角狀態、模型C在俯仰角0°時不同入射頻率的RCS算術均值。

分析以布局A為常規布局、C為飛翼布局，從表1可以看出，俯仰角在較小范圍內變化時，各向角域RCS算術均值均有一定變化，對H-30°角域，RCS算術均值隨俯仰角變化呈振蕩趨勢，在-15°、0°、15°俯仰角最小，其余俯仰角情況較大，變化范圍-14.914 7～-8.718 7 dBsm，從RCS算術均值來看，均值較小，結合RCS曲線分布，可以看出，該角域上無人機正前向0°附近存在一較大散射波峰，最高值接近20 dBsm左右，由于波峰較窄，前向30°角域上算術均值平均化，因此其前向隱身性稍差。側向S-30°角域上，由于散射機理并未產生實質改變，俯仰角變化時，算術均值未發生較大變化，變化區間在-7.909 4～-4.406 8 dBsm，俯仰角變化時，僅雙垂尾側面方向的改變對其造成了較大影響，從而改變了散射幅值。而在后向T-30°角域上，布局A建模時，機身后端面采用平面進行近似，結合機翼后緣、垂尾后緣及機身結構部分，共同對后向T-30°角域有貢獻，而俯仰角變化時，機身后端面部分鏡面散射貢獻逐漸降低，因此，RCS算術均值在俯仰角0°附近時為-0.876 1～1.152 3 dBsm，而俯仰角繼續增大時，RCS算術均值降低為±15°俯仰角的-10 dBsm左右。周向W-360°上為所有方位角RCS的均值，表示了全部周向隱身性能的大小，RCS算術均值基本在-16 dBsm左右，俯仰角變化時，RCS算術均值變化較小，說明較小的俯仰角變化并未從根本上改變電磁散射耦合機理，僅部分散射大小有一定變化。

表1 布局A不同俯仰角的RCS算術均值

表2 布局C不同頻率的RCS算術均值

與俯仰角響應特性形成對比，表2為布局C在1～18 GHz入射頻率下的RCS算術均值，可以看出，頻率較俯仰角響應特性形式單一，前向H-30°、后向T-30°、側向S-30°、周向W-360°各角域上的RCS算術均值均單調降低，降低幅值各不相同，在前向H-30°角域上，由-21.292 7 dBsm降低至-34.267 3 dBsm，而后向T-30角域上，由-18.950 6 dBsm降低至-30.401 3 dBsm。參考圖4多頻RCS曲線，頻率增加時，曲線在不同程度上向內壓縮，尤其在散射波峰上，有效降低了散射強度，這一點對3個布局來說相似，RCS均值的降低在一定程度上提高了無人作戰飛機在該角域上的隱身性能。

5.3 RCS算術均值變化規律

實際執行任務中，對無人機作戰飛機隱身性能有重要影響的角域為前向和后向，因此，研究時，以前向H-30°、后向T-30°為參考，詳細研究3種布局的算術均值變化規律。俯仰角為0°時，3種布局電磁模型的RCS算術均值頻率響應曲線如圖5所示，俯仰角響應曲線如圖6所示。

散射曲線分布特點和不同角域的RCS幅值是無人作戰飛機隱身性能的主要表現，也與布局分布特點、結構設計特點、部件設計思路等有較大關系。不同布局飛行器決定其散射特性，也對RCS算術均值有直接影響。從圖5可以看出，入射電磁波頻率增加時，3種布局的前向H-30°、后向T-30°角域的RCS算術均值呈振蕩減小趨勢，即頻率增加時，隱身性能有一定提高。同時，頻率響應曲線也表現出了異同點，首先，就3種布局來說，布局A算術均值最大，布局B稍大，布局C最小，布局A前向H-30°、后向T-30°角域RCS算術均值受波峰影響，提高了幅值，而布局B和C在前向H-30°、后向T-30°角域不存在散射波峰，相對RCS幅值較小，因此RCS算術均值較小，具有較高的隱身性能。其次，前向H-30° 和后向T-30°角域響應曲線表現特性各異，可以看出，對前向角域，3種布局頻率響應曲線振蕩較小，且頻率相等時，RCS算術均值大小(前向隱身性能)依次為布局A、布局B、布局C，三者降低幅值有一定差異，布局A與B最大差值為9.359 4 dBsm(頻率10 GHz)，布局B與C最大差值為5.704 7 dBsm(頻率3 GHz)；而在后向T-30°角域，由于機身后端面的鏡面散射較強，布局A的RCS算術均值在各頻率上最高，且與布局B和布局C差異較大，布局B、C頻率響應曲線較為接近，且布局B的RCS算術均值頻率響應曲線較為平緩。最后，可以看出，布局C在前、后向角域上具有較好的隱身性能，布局B次之，而布局A最差；布局C前向H-30°角域RCS算術均值最低可達-34.308 7 dBsm，后向T-30°角域上最低為-30.401 3 dBsm，隱身性能優秀。

圖5 RCS均值頻率響應曲線Fig.5 Curves of RCS arithmetic mean value with different frequencies

圖6 入射電射電磁波頻率為3 GHz RCS均值俯 仰角響應曲線Fig.6 Curves of RCS arithmetic mean value with different pitch angles when the incident electromagnetic wave is 3 GHz

從圖6可以看出，俯仰角變化時，不同布局的前向、后向RCS算術均值響應曲線呈振蕩變化趨勢。首先，與多頻相應曲線類似，受限于RCS散射曲線分布規律及散射機理，在前向、后向角域上，布局A的機翼前后緣、機身及后端面散射效果決定了前后向散射波峰的出現，而俯仰角變化時，這一散射效果并未發生明顯減弱，使布局A具有最高的RCS算術均值，隱身性能最弱，布局B和布局C均值響應曲線較為接近。其次，俯仰角增加或減小時，在對應入射電磁波方向上，對布局A，前向RCS算術均值與機翼前緣、機身頭部等投影面積相關，后向呈較小范圍的振蕩趨勢，而在后向角域上，表現為中間高兩端低的形式，主要是后端面鏡面散射的效果；但對于布局B和C，機翼后掠且采用翼身融合的外形隱身技術，在其前向和后向角域上，俯仰角變化較小時，散射機理均未發生較大變化，且幅值變化較小，因此，其前向和后向角域上的RCS算術均值響應曲線變化較小。對布局B，俯仰角變大時，前向RCS算術均值逐漸增加，但幅值較小，這一效果是由于背部進氣道遮擋影響所致；同時，可以看出，俯仰角在-15°～15°時，布局B、C的前、后向算術均值基本在-20 dBsm以下，二者均具有較好的俯仰角隱身性能，進一步說明翼身融合、進氣道鋸齒化、機翼前后緣后掠角設計等外形隱身技術的作用。

6 結論

從實際作戰角度出發，基于現有不同三種不同氣動布局的無人作戰飛機，建立了電磁分析模型，計算了不同入射頻率、俯仰角狀態下的RCS曲線，并進行詳細研究，得出如下結論。

(1)RCS散射曲線分布特性：布局與結構形式是構成散射特性分布的重要因素，傳統布局A在前向和后向均有散射波峰，為機翼前緣、機身、進氣道裝置的綜合效果，隱身性能較差，采用分段平行式前緣的飛翼布局B，前、后向均無散射波峰，同時機翼前、后緣、進氣道等產生的波峰較窄，三角形飛翼布局C與B相似，前后向隱身性能較好，而不同的機翼前后緣后掠角、較復雜的機身和進氣道結構等引起散射波峰寬度的增加。

(2)頻率響應特性：頻率增加時，三種布局散射曲線向內壓縮，各角域RCS算術均值隨著頻率的增加而減小，隱身性能同時提高；布局A、B、C的前、后向角域上的隱身性能依次提高，布局C前向角域RCS算術均值最低可達-34.308 7 dBsm，后向角域為-30.401 3 dBsm，具有較高的隱身性能。

(3)俯仰角響應特性：俯仰角變化時，三種布局的RCS算術均值呈振蕩變化趨勢，同時，布局A的算術均值最大，布局B和C次之；俯角或仰角增大時，布局A的前向角域RCS算術均值減小，后向角域呈振蕩趨勢，布局B和C在小的俯仰角變化范圍內，散射機理未發生明顯變化，RCS算術均值振蕩變化，但布局B的前向角域在俯角時由于進氣道唇口遮擋等，其RCS算術均值較低，隱身性能較好。