中心線形狀對S形二元收斂噴管雷達(dá)隱身設(shè)計的影響

傅莉，王俊華，宮禹，徐悅

（1.沈陽航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，沈陽 110136；2.中國人民解放軍93808部隊，蘭州730000 3.航空工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110135；4.航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司4，沈陽 110000）

0 引言

戰(zhàn)機(jī)隱身性能已經(jīng)成為衡量現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)性能最重要的一項指標(biāo)，目前戰(zhàn)機(jī)的前向和側(cè)向隱身已通過外形設(shè)計和隱身涂層基本解決，而后向的隱身成為最大的問題，直接決定戰(zhàn)機(jī)綜合隱身性能，而戰(zhàn)機(jī)發(fā)動機(jī)尾噴管作為腔體結(jié)構(gòu)是戰(zhàn)機(jī)后向重要的雷達(dá)散射源之一[1-3]，成為影響戰(zhàn)機(jī)后向隱身性能的最重要部件。雷達(dá)波進(jìn)入腔體結(jié)構(gòu)后，經(jīng)過其內(nèi)部表面的多次反射及渦輪葉片的反射和其邊緣繞射[4]，最后返回入射方向，其在入射方向上達(dá)到10多個dBm2以上的雷達(dá)散射截面RCS影響。分析研究并設(shè)法降低發(fā)動機(jī)尾噴管的RCS已成為戰(zhàn)機(jī)隱身技術(shù)領(lǐng)域的重要課題。

戰(zhàn)機(jī)發(fā)動機(jī)噴管作為發(fā)動機(jī)排氣和推進(jìn)的重要部件，其尾部的高溫射流也是紅外探測器探測的重要目標(biāo)，因此在隱身噴管的設(shè)計時不僅要降低雷達(dá)信號而且也要降低其紅外信號。國內(nèi)外現(xiàn)役和在研制中的能夠有效降低雷達(dá)信號和紅外信號強(qiáng)度的噴管主要有3大形式。二元噴管，典型的是F-22戰(zhàn)斗機(jī)尾噴管；S形噴管，典型的是B-2轟炸機(jī)尾噴管；鋸齒裙邊形噴管，典型的是F-35戰(zhàn)斗機(jī)尾噴管。研究表明：S形噴管隱身性能最優(yōu)，S形噴管不僅可以增加電磁波在噴管內(nèi)腔的反射次數(shù)減弱和減少回波，而且在某些重點姿態(tài)角下，S形腔體結(jié)構(gòu)可以有效遮擋其內(nèi)部高溫部件，減小其紅外目標(biāo)特征。查閱文獻(xiàn)可知[5-7]，國外S形噴管技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且經(jīng)過了實戰(zhàn)的驗證。目前，中國已有不少院校及科研院所開展了對S形噴管的相關(guān)研究，大多都集中在S形噴管的型面設(shè)計、復(fù)雜流動機(jī)理、紅外輻射特性的研究。針對S形噴管電磁散射特性的研究很少，只有李岳鋒等[8-9]研究了出口寬高比對S形二元收斂噴管雷達(dá)散射截面的影響及不同出口形狀S形噴管的RCS特性，暫時未開展中心線形狀變化規(guī)律對S形噴管隱身性能影響的研究。

綜上所述，本文結(jié)合文獻(xiàn)[8]中的超橢圓方法在相同的截面積變化規(guī)律條件下設(shè)計了5種不同中心線形狀變化規(guī)律的S形二元收斂噴管，利用三維建模軟件進(jìn)行建模，并且基于多層快速多極子方法[10]MLFMM進(jìn)行仿真計算和分析，系統(tǒng)的開展中心線形狀變化規(guī)律對雷達(dá)隱身特性的影響研究，為S形二元收斂噴管隱身設(shè)計提供相關(guān)參考。

1 RCS基本概念及模型的建立

1.1 RCS基本概念

物體被電磁波照射，能量向各方向分布稱為電磁散射，物體本身通常稱作目標(biāo)或者散射體。返回到波源方向的散射能量（后向散射）形成物體的雷達(dá)回波，目標(biāo)回波的強(qiáng)度及電磁散射特性通常以RCS表征。RCS是雷達(dá)隱身技術(shù)中的關(guān)鍵概念，表征了目標(biāo)在雷達(dá)波照射下所產(chǎn)生回波強(qiáng)度的一種物理量[11]。

RCS定義

式中：R為目標(biāo)到雷達(dá)天線的距離；Ss為天線位置上目標(biāo)散射的功率密度；Si為目標(biāo)所在位置天線輻射功率密度。

引入電場和磁場的概念，式（1）還可表示為

式中：Ei、Hi分別為雷達(dá)波入射到目標(biāo)所在位置上的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度；Es、Hs分別為目標(biāo)散射場在雷達(dá)天線處可被天線接收的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度。

σ的單位為m2。為便于運(yùn)算和分布曲線的表達(dá)，在多數(shù)情況下，σ的單位取作dBm2（分貝平方米）。用以上2種單位表示的RCS存在如下?lián)Q算關(guān)系[12]

1.2 噴管的設(shè)計建模

本文研究的5種不同中心線變換規(guī)律的S形收斂噴管均結(jié)合文獻(xiàn)超橢圓方法設(shè)計，其面積變化規(guī)律均采用文獻(xiàn)[13]提出的緩急相當(dāng)?shù)淖兓?guī)律，其中噴管進(jìn)口面積等于發(fā)動機(jī)渦輪出口面積，尾噴管進(jìn)、出口面積比和截面縱向偏距相同。S形噴管基本幾何參數(shù)見表1。

表1 S形噴管基本外形尺寸參數(shù)

中心線變化規(guī)律選取文獻(xiàn)[14]中的5種中心線，編號為C、D、B的中心線方程是文獻(xiàn)[13]中常見的3條曲線。曲線形式如圖1所示，從左至右中心線方程拐點的x坐標(biāo)逐漸增加，方程見表2。

圖1 5條中心線方程的曲線形式

表2 中心線方程及參數(shù)

利用CATIA軟件曲面造型功能對5種不同中心線變化規(guī)律的S形二元收斂噴管造型，得到噴管3D型面，中心線C變化規(guī)律的模型如圖2所示，由于篇幅原因其他4種模型省略。

圖2 中心線C變化規(guī)律下S形噴管模型

2 FEKO軟件及仿真計算

目標(biāo)電磁散射特性的獲得有測量和計算2種方法。由于測量法需要嚴(yán)格的環(huán)境條件而且耗費(fèi)資源，所以仿真計算成為大家青睞的方法，F(xiàn)EKO軟件方便簡單而且準(zhǔn)確快速[9]，被廣為使用。FEKO計算目標(biāo)RCS時有很多算法，用戶可根據(jù)目標(biāo)大小、精確度、計算效率選擇合適的算法。基于模型的尺寸大小為非電大問題，選擇經(jīng)典的多層快速多極子方法（MLFMM），在保持精度的前提下是計算尾噴管RCS的最佳選擇，能夠方便、快速、精確地分析尾噴管的雷達(dá)散射特性。對于FEKO軟件MLFMM算法的可靠性，文獻(xiàn)[15]已經(jīng)驗證。

目前對于軍用飛機(jī)構(gòu)成威脅的雷達(dá)主要是預(yù)警雷達(dá)和火控雷達(dá)，波段主要是Ku、X、C、S和L波段，均屬于厘米波段。綜合考慮隱身飛機(jī)面對的最大威脅來自與S和L波段的預(yù)警雷達(dá)，所以仿真計算分別選取L、S波段下的典型頻率1、3 GHz，使用三角形面元網(wǎng)格計算，最大尺寸λ/8。考慮到計算量及形隱身噴管上下彎折的原因，本文只考慮噴管在紅線方位角上的雷達(dá)散射特性。電磁波入射方位角如圖3所示。雷達(dá)波沿紅線方位角入射，入射角度為Φ=-45°～45°，間隔0.5°入射，基于單站雷達(dá)，在水平極化和垂直極化2種條件下，采用Intel（R）Xeon（R）CPU、48 G內(nèi)存計算機(jī)進(jìn)行計算。

圖3 電磁波入射方位角

3 計算結(jié)果及分析

在水平極化頻率為1、3 GHz下不同中心線尾噴管RCS如圖4所示。總體看仿真結(jié)果以Φ=0°對稱分布，這與模型的對稱結(jié)構(gòu)相吻合，間接的證明了算法的準(zhǔn)確性。在尾噴管進(jìn)口采取短路設(shè)置下，尾噴管腔體散射效應(yīng)隨著中心線變化規(guī)律不同表現(xiàn)出不同的電磁散射特性，充分說明了在截面積變化規(guī)律相同的情況下，中心線變化規(guī)律影響著尾噴管電磁散射特性。

圖4 在水平極化頻率為1、3 GHz下不同中心線尾噴管RCS

從圖4（a）中可見，在水平極化頻率為1 GHz下，在入射角為-10°～10°時，中心線A的噴管RCS最大，而中心線E的噴管RCS最小，隨著中心線拐點逐漸前移，尾噴管RCS逐漸減小，在0°位置RCS最大差距為10 dBm2左右；在入射角為10°～30°時隨著入射角的增大中心線A、B和D的噴管RCS很快減小，其中中心線D的噴管降得最快RCS最小，而中心線C和E的噴管RCS逐漸增大到最大而后逐漸減小，整個變化率比較平緩。隨著入射角進(jìn)一步增大時，5種中心線的噴管RCS基本有著相同的變化趨勢。

從圖4（b）中可見，在水平極化頻率為3 GHz下5種噴管整體上相比于水平極化頻率為1 GHz下的表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，整體RCS波動更大，在0°處中心線C的噴管RCS最大，中心線B的噴管RCS最小；隨著入射角的增大中心線C的噴管RCS快速減小，而中心線B的噴管快速增大，其他3種噴管RCS變化幅度比較平緩；隨著入射角進(jìn)一步增大，5種噴管表現(xiàn)出了不同的變化規(guī)律。

在垂直極化頻率為1、3 GHz下不同中心線尾噴管的RCS如圖5所示。從圖中可見，與水平極化下表現(xiàn)出了一樣的對稱性，不同中心線的噴管表現(xiàn)出了不同的電磁散射特性，限于篇幅不再詳細(xì)展開分析。

圖5 在垂直極化頻率為1、3 GHz下不同中心線尾噴管RCS

為了綜合分析5種不同中心線尾噴管隱身性能，給出頻率1、3 GHz時水平極化及垂直極化下-30°～30°RCS均值，見表3。

表3 5種中心線尾噴管-30°～30°RCS均值dBm2

從表中可見，在不同頻率、不同極化條件下，5種噴管表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，RCS平均值最高的是1 GHz、水平極化條件下中心線B的噴管，其值為2.711dBm2；平均值最低的是3 GHz、水平極化條件下中心線E的噴管，其值為-2.209 dBm2。綜合分析可知中心線C的噴管整體雷達(dá)隱身性能較好，RCS平均值最高為0.953 dBm2、最低為-1.3 dBm2；其次為中心線E的噴管，RCS平均值最高為1.61 dBm2、最低為-2.209 dBm2。

4 結(jié)論

（1）中心線影響著噴管的雷達(dá)隱身性能，5種中心線噴管在不同頻率和不同極化條件下，表現(xiàn)出不同變化規(guī)律的雷達(dá)隱身特性。

（2）綜合分析5種中心線噴管雷達(dá)隱身性能，在緩急相當(dāng)?shù)慕孛娣e規(guī)律下，中心線C（緩急相當(dāng)）的噴管整體雷達(dá)隱身性能較好，RCS平均值最高為0.953 dBm2、最低為-1.3 dBm2；其次為中心線E（前急后緩）的噴管，RCS平均值最高為1.61 dBm2、最低為-2.209 dBm2。設(shè)計高隱身性S形二元收斂噴管時應(yīng)首先考慮使用中心線C和E。

本文只研究了中心線對S形二元收斂噴管雷達(dá)隱身性能的影響，中心線變化對S形二元收斂噴管氣動和紅外隱身性能的影響研究將在后續(xù)工作中進(jìn)行，為設(shè)計氣動性能和隱身性能兼優(yōu)的S形二元收斂噴管提供理論參考。