直升機平尾電磁散射特性研究

徐雅楠

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001）

0.引言

常規直升機由于布局外形復雜和外掛部件多樣，具有強烈的雷達散射特性，面臨著敵方地面防空體系中的預警/制導雷達的嚴重威脅，軍用直升機為了提高生存能力和戰斗力，在超視距空戰中確保先敵發現、先敵發射的優勢，世界各國都在大力發展和研究目標特征信號減縮技術或稱“低可探測性技術”，也就是我們通常所說的隱身技術[1]。隱身技術的本質是降低直升機的雷達、紅外、聲、激光、可見光等信號特征，使其難以被敵方的各種探測設備發現、探測和跟蹤，使敵方的武器系統不能或發揮微弱的作用。對于隱身直升機來說，因為雷達是防衛系統中主要的探測設備，故一般都以減少RCS作為隱身的首要任務。隨著現代電子技術飛速發展，現代化防空武器的性能不斷提升，日臻完善的敵方雷達系統更降低了常規直升機生存力和任務效能。遠程和中遠程對空警戒P、L、S波段雷達主要針對中高空飛機或導彈，具有探測距離遠的特點，但此類雷達在遠距離上受地球曲率影響嚴重，在近距離上又通常由于俯仰角問題存在盲區，因此對于低空飛行的直升機威脅較小。在中近程警戒雷達與戰術防空系統中，L、S、C、X直到Ku、Ka波段均有體現，其中X波段不但在型號數量上占絕大多數，17km～185km的作用范圍也基本覆蓋了其他波段。故本文以X波段為典型雷達威脅波段，開展雷達隱身設計。

外形隱身技術和吸波材料隱身技術是目前使用的主要雷達隱身技術[2]。飛行器隱身設計中，外形隱身技術是目前運用最廣泛、最有效的隱身技術，該項技術主要是通過合理地改變目標的外形布局，控制、縮減目標在雷達威脅的主要范圍內的雷達散射截面，從而達到隱身目的。常規單旋翼帶尾槳布局的直升機在機身頭向的RCS主要來自進氣道、主槳轂、平尾、尾槳榖、座艙等。由于直升機平尾承擔提供俯仰和航向穩定性的重要作用[3]，是保證直升機具有良好俯仰和航向通道飛行品質的重要部件，因此平尾必須在保證氣動特性的前提下進行雷達隱身設計。

在直升機型號研制過程中，通常采用風洞試驗的方法確定直升機平尾面積、安裝角等設計參數，通過得到的風洞試驗數據，結合飛行品質的初步計算結果確定直升機平尾面積，然后對平尾截面翼型和安裝方式進行選取，最后進行不同平尾安裝角風洞試驗，結合飛行載荷的計算結果最終確定平尾的一系列設計參數。在直升機初步設計階段，可能會設計多種構型的平尾，而風洞試驗周期較長，且試驗花費較大，因此難以滿足直升機初步設計階段的平尾選型需求。故仿真分析在直升機初步設計階段可縮短直升機研制的設計周期并降低研制成本。

本文的綜合仿真分析方法對平尾結構的散射特性進行分析，發現平尾的不同結構尺寸、不同前掠角和后掠角的散射特性均有不同。

1.計算過程與方法

1.1 過程

本文求解目標RCS的主要步驟如圖1所示。

圖1 求解目標RCS過程框圖

1.2 方法

本文針對電大尺寸的平尾結構，采用高頻計算方法進行仿真分析。其中平尾結構尺寸為：弦長1030mm、展長4344mm。

本文采用綜合分析方法，主要包括物理光學法、等效電磁流法、射線追蹤法和物理繞射理論[4]。該方法首先采用物理光學法計算目標上一次散射的貢獻，即面元的反射作用[5]；其次采用等效電磁流法+物理繞射理論組合方法計算幾何模型邊緣的電磁散射，即邊緣繞射作用；然后采用射線追蹤法計算多次散射的貢獻，即多次反射作用；最后所有散射作用的電磁散射場值按照相位進行矢量疊加，分析求得目標的總電磁散射特征。

2.仿真分析

2.1 平尾尺寸

如圖2所示，給出了基準平尾結構在不同極化方式（垂直極化VV、水平極化HH）下的RCS分布，可以看出在0°和180°時出現峰值，主要是由前緣曲面的鏡面反射（強散射）造成的。直升機接近敵方時，受威脅方向主要是頭向，所以本文主要以頭向（方位角150°～210°）為主要角域進行仿真分析。如圖3所示，給出了相同展弦比不同平尾結構尺寸的散射特性均值、峰值分布，分別為0.5倍、0.6倍、0.7倍、0.8倍和0.9倍、基準平尾結構尺寸。由圖可知，不同的極化方式下平尾結構的RCS值相差較小，基本可以忽略。當平尾結構尺寸從0.5倍逐漸增加到基準尺寸，RCS值呈逐漸上升趨勢。未來設計隱身直升機時，在兼顧氣動效率的前提下應盡可能選擇較小尺寸的平尾結構。

圖2 不同極化方式的RCS分布

圖3 不同平尾尺寸的RCS均、峰值

2.2 幾何特征

在平尾翼型確定的前提下減弱平尾結構的電磁散射特征，可以通過改變平尾的前掠和后掠角度，將回波主瓣和較強副瓣偏轉出頭向雷達威脅角域，將前向曲面鏡面反射（強散射），轉變為較弱的邊緣繞射（弱散射），有效降低平尾頭向RCS。

保證平尾面積相同，對平尾結構進行不同前掠角度、后掠角度的處理，仿真分析得到的RCS分布如圖4和圖5所示。可以看出：（1）平尾后掠角度低于30°時，通過增加平尾后掠角達到降低平尾結構RCS散射值效果不明顯，平尾后掠角度高于30°時，平尾結構RCS散射值突降，繼續增加平尾后掠角，平尾結構RCS散射值降低幅度減弱。（2）平尾前掠角度低于30°時，通過增加平尾前掠角達到降低平尾結構RCS散射值效果不明顯，平尾前掠角度高于30°時，平尾結構RCS散射值突降，在45°和50°平尾前掠角時RCS散射值增加是因為平尾結構自身形成角反射器（強散射），隨著平尾前掠角的增加，角反射器減弱至消失，平尾結構RCS散射值降低。

圖4 不同后掠角下的均值

圖5 不同前掠角下的均值

3.結論

根據仿真結果和現有直升機型號平尾設計，平尾雷達隱身設計可以通過改變平尾結構尺寸、平尾前掠角或后掠角。

（1）強散射與入射方位角相關，在RCS曲線的峰值方位體現。（2）隨著平尾結構尺寸增大，平尾結構的散射特征增強。（3）適當增加平尾結構的前掠角或后掠角可以有效減縮RCS特性。