某型無人艇載設備防護罩的隱身設計與仿真

錢前進

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所,河南 鄭州 450000)

隨著雷達探測系統的目標搜索、跟蹤能力的迅速提高,艦艇等傳統的任務平臺被發現和命中的概率不斷地增加,為了提高其生存能力,必須降低艦艇自身信號特征,實現隱身。雷達隱身技術主要運用外形設計、吸波隱身材料和等離子體等隱身技術來降低探測目標的平均雷達散射截面積(Radar Cross Section,RCS),從而降低被探測目標的信號特征。其中外形設計主要利用不同外形的物體具有不同的雷達波散射特性,實現目標反射波偏離雷達發射方向[1-2]。外形設計隱身技術具有環境適應性好、適應頻帶寬、效果好等優點。在開展外形隱身設計時應盡量避免強反射源,主要考慮以下幾個方面的因素[3-4]:(1)避免鏡面反射；(2)避免防護罩外側暴露的縫隙、腔體、缺口等；(3)避免防護罩外側的邊緣或尖頂結構；(4)減小外形尺寸；(5)使用埋入式可升降的作戰平臺；(6)采用多棱面外形、外形融合技術,避免角反射器結構等。文獻[5]對某型防護罩模型開展RCS 仿真和散熱圖分析,提出了對身管全覆蓋,改變防護罩的側面傾角和采用“V”型斜面的手段,并通過RCS 仿真驗證了方法的合理性。文獻[6]將大口徑艦炮的防護罩設計為多面體,通過改進各面板的傾角獲得了隱身性能較好的設計方案,并通過RCS 仿真驗證了方案的合理性。

但單純依靠外形隱身設計無法達到最佳隱身效果,因此采用外形隱身設計輔助吸波隱身材料是艦艇雷達隱身設計中的首選手段[7-8]。文獻[7]設計了3 種傾斜角度的防護罩隱身方案,采用PO 算法進行RCS 仿真,確定了艦面設備防護罩的優選設計方案,并通過涂覆隱身材料進一步提高了防護罩的隱身性能。

為了滿足艦艇的指標要求,通常將探測設備和打擊單元集成布置,并安裝在無人艇艇甲板面的開闊位置。無人艇體積小,在強化艇體隱身設計后其RCS 并不大,如果集成布置后的設備不采取隱身措施處理,會產生強烈的雷達反射亮點,對整個艇的隱身性能產生舉足輕重的影響。由于設備集成布置后的結構比較復雜難以通過外形設計降低RCS 值,因此需要設計一種隱身防護罩降低其RCS 值。

1 雷達散射截面積計算

雷達散射截面積是目標的假想面積,用一個各向均勻的等效反射器的投影面積表示,該等效反射器與被定義的目標物體在接收方向單位立體角內具有相同的回波功率。雷達散射截面積一般用符號σ 表示,其理論定義式為[9]:

式中,ES,HS分別為散射電場和磁場,Ei,Hi分別為入射電場和磁場,R 為目標和接收天線的距離。

RCS 可以直觀地理解為雷達接收機位置的散射功率密度和目標物體處的入射功率密度之比。RCS 是目標物體的屬性,與雷達的距離無關[10]。

σ 的常用單位是m2,但是由于目標物體的RCS 變化的動態范圍很大,通常也以對數形式給出,使用dBsm分貝平方米表示,即:

式中,右邊σ 的單位是m2。

2 初始模型

考慮到防護罩全生命周期內的經濟性和可維護性,防護罩主要采用外形隱身設計技術。根據某型設備的集成布置特點,設計了滿足安裝要求的防護罩,初始模型如圖1 所示。防護罩周向共7 個傾斜面,各面均向上內傾10°,設傾角內傾為正值。

圖1 防護罩初始模型

在無人艇的工作場景中,對無人艇威脅最大的是艦載搜索雷達和火控雷達,且多為單站雷達,主要工作在S 波段(2～4GHz)和X 波段(8～12GHz),仿真中取這兩個波段的中心頻點3GHz 和10GHz。防護罩外形尺寸顯然大于波長,是典型的電大尺寸問題求解。高頻物理光學法(physical optics,PO)是快速求解電大尺寸物體RCS 的常用算法,該算法通過對感應場的近似積分而求得反射面上的電流分布；多層快速多極子法(Multi Level FastMultipole Method,MLFMM)是精確地全波算法,計算結果精確但是計算代價大；多層快速多極子與高頻物理光學法混合算法(MLFMM+PO)能夠在保證計算精度的同時提高求解速度,適合求解電大尺寸問題。

3 初始模型的仿真分析

防護罩坐標系設置如圖2 所示,取防護罩正前方為X 軸正方向。

圖2 防護罩坐標系設定

雷達對水面目標的探測方向近似平行于水面[11],在仰角方向上基本限制在相對于水面0°～3°,在方位角方向上是均等的[6]。選取探測仰角θ 為87°～90°,間隔1°；方位角φ 為0°～360°,間隔1°,進行單站RCS 仿真計算,防護罩為全金屬化物體,采用平面波,極化方式采用垂直極化。

分別在3GHz 和10GHz 的頻率下,計算不同探測仰角時的RCS 值,將仿真結果歸一化處理如圖3。

圖3 不同探測仰角周向RCS 垂直極化對比

不同頻率下,不同探測仰角的RCS 均值對比如表1。

表1 不同頻率、不同探測仰角的RCS 均值(m2)

由圖3 和表1 分析可知:(1)同一頻率下,隨著探測仰角的減小,防護罩周向RCS仿真值增大,即增大防護罩可探測面與雷達波的夾角,可以減小防護罩的RCS 值；(2)在最大探測仰角時,不同頻率的RCS 均值大于0.1m2,不滿足設計要求的RCS 值小于0.05m2,需要對初始防護罩進行優化。

4 防護罩優化及仿真分析

根據3 節中的仿真結果,增大防護罩各個面的傾角,考慮到無人艇安裝空間限制,各面傾角范圍設為10°～30°,間隔1°。采用垂直極化方式在遠場單站RCS、平面波、探測仰角為90°時,對各個模型在不同頻率下(3GHz 和10GHz)的RCS 進行仿真計算。

各模型的RCS 均值計算結果如表2。

表2 3GHz 和10GHz 下防護罩周向RCS 均值(m2)

由表2 和圖4 仿真結果可知,隨著防護罩傾角增大,防護罩周向RCS 仿真值逐漸減小,在防護罩周向各面傾角為22°時,防護罩在3GHz 和10GHz 下均有較小的RCS 值,并且滿足RCS 均值小于0.05m2的設計要求。

圖4 3GHZ 和10GHZ 時防護罩周向RCS 均值結果對比

優化后的防護罩三維模型如圖5 所示。

圖5 優化后防護罩三維模型

在探測仰角87°時計算優化后防護罩在不同波段下的RCS 均值,并與防護罩初始模型的RCS 仿真值對比,歸一化處理后結果如圖6 所示。

圖6 防護罩優化前后周向RCS 仿真值對比

由圖6 可知,在探測仰角為87°時,與初始模型相比,優化后的防護罩在S 波段中心頻點的RCS 均值降低97%,在X 波段中心頻點的RCS 均值降低78%,防護罩的隱身性能明顯提高,滿足無人艇的雷達隱身需要。

5 結論

本文針對某型無人艇載集成設備的雷達隱身需求,設計了滿足無人艇安裝空間要求的防護罩,并利用外形隱身設計方法,通過改變防護罩周向各斜面的傾角,得到了隱身性較好的防護罩外形,為同類產品防護罩的設計具有重要的指導意義。