头部外形对无人机气动/隐身性能影响

刘战合　游泽宇　王菁　苗楠

摘要：       为研究头部形状对无人机气动/隐身性能的影响， 建立了头部外形改进前后的分析模型。 基于FLUENT和物理光学法， 研究了不同状态下的气动/隐身性能影响， 提出气动性能影响分析的相对变化率概念。 结果表明， 头部外形改进可明显提高无人机气动性能， 迎角4°时， 升力系数相对增加率、 阻力系数相对减小率、 升阻比相对增加率分别为0.225 8%， 5.505%， 6.065%; 头部外形改进后， 机身下方具有更大面积的高压区而其头部高压区相对较小， 增加了升力， 减小了阻力; 头部外形改进对散射曲线分布影响不大， 前向角域RCS曲线向内收缩较大， 隐身性能提高， 头部外形改进在频率和俯仰角变化时均有隐身性能提升效果， 频率增加时， 前向角域降低幅值最大可达6.637 0 dB， 俯仰角变化时可达11.457 7 dB; 头部外形曲面融合技术可有效提高无人机气动/隐身性能。

关键词：      无人机; 气动/隐身性能;  升力系数; 阻力系数; 电磁散射

中图分类号：       V279文献标识码：     A文章编号：       1673-5048（2020）02-0039-08

0引言

无人机是现代军事力量中的重要平台， 已广泛用于侦察、 监视、 作战等[1-3]， 由于执行任务的不同， 总体外形有所区别。 对侦察无人机， 需要携带探测雷达、 红外光电设备等， 载荷类型、 安装位置和方式等会带来无人机外形尤其是机身外形的较大变化[4-6]， 较小的外形改变对气动性能、 电磁散射特性等影响较小， 外形改变较大时， 会有较大影响。

随着军事技术的快速发展， 大型侦察、 察打一体无人机均已投入实际应用， 模块式探测设备尤其是共形探测技术未来将装备于侦察、 攻击型无人机。 无人机隐身性能的优劣对其战场生存力影响明显[7-8]， 针对不同布局无人机的电磁散射特性[9-10]及进气道的电磁影响[11-12]， 已有相关文献开展了较为深入的研究。 就当前情况来看， 探测设备如雷达等会较大地改变飞行器外形， 如美军“全球鹰”、 “捕食者”、 “复仇者”等无人机头部。 以“全球鹰”为例， 其头部安装了高分辨率的合成孔径雷达及其他光电设备， 使得头部外形明显增大， 从而使无人机气动性能、 隐身性能发生较大改变， 有必要进行详细研究。

为分析头部外形改变对无人机气动性能、 隐身性能的影响规律， 以美军“全球鹰”无人机为参考研究对象， 分别建立头部凸起和修正后的三维模型， 通过二者对比分析气动性能、 隐身性能的变化规律。 基于FLUENT软件， 采用N-S方程， 研究了两种模型的升力系数、 阻力系数、 升阻比及关键位置的压力云图差异， 以分析头部外形带来的气动性能变化; 基于高频算法中的物理光学法（Physical Optics， PO）分析了头部外形改变前后的RCS（Radar Cross Section）曲线变化趋势， 以RCS算术均值变化特性分析了重要威胁角域内的隐身性能及产生原因， 为飞行器设计提供技术参考。

1无人机分析模型建立

为分析头部形状影响， 以“全球鹰”无人机为参考， 建立分析模型A， 进一步借鉴“彩虹”无人机、 “捕食者”等攻击型无人机机头形状， 模拟共形雷达技术对头部的影响情况， 仅对模型A头部采用曲面修形改进分析头部外形的气动/隐身性能影响， 且头部宽度不变。 在模型A的基础上建立模型B， 两种分析模型示意图如图1所示。

模型A与B翼展相同， 均为35 m， 二者平均气动弦长为1.45 m， 展弦比为24.14， 机身长度均为13 m， 高度（未计垂尾高度）分别为2.85 m， 机翼参考面积为51.03 m2。 对气动特性， 以巡航马赫速度0.6为例， 飞行高度为15 000 m， 研究头部修形前后两种模型升力系数、 阻力系数、 升阻比等气动性能影响; 对于电磁隐身性能， 主要讨论不同入射频率、 俯仰角RCS曲线变化特性及重要角域上的RCS均值影响。

2气动/隱身性能计算方法

2.1气动性能计算方法

以建立的两种模型A与B为研究对象， 巡航马赫数为0.6时， 控制方程选择可压缩连续性方程和定常可压缩N-S方程， 采用远场压力条件为边界条件， 湍流模型为k-ω SST模型， 飞机表面为非滑移边界， 设置气体为理想气体。 计算平台为FLUENT软件， 计算时收敛残差为1.0×10-4， 网格由ICEM软件生成， 模型A计算网格如图2所示。

航空兵器2020年第27卷第2期刘战合， 等：  头部外形对无人机气动/隐身性能影响根据执行任务飞行情况， 计算气动性能时俯仰角设定为-2°～14°， 间隔步长为2°， 计算不同状态的升力系数、 阻力系数、 升阻比， 分析了典型状态压力云图对升力、 阻力的影响关系。

2.2电磁隐身性能计算方法

“全球鹰”为一种高空侦察无人机， 面临不同频率、 不同入射角的电磁波照射。 根据其作战任务情况， 入射频率为0.3～18 GHz（以兼顾低频米波预警雷达和防空导弹导引头频段）。 电磁计算方法一般可根据电尺寸分为高频和低频算法[13-14]， 对本文研究目标（电大尺寸或超大电尺寸）， 适用于典型的高频计算方法。 物理光学法与矩量法均基于电磁场积分方程[15-16]。 为提高计算速度并保证一定的精度， 在目标电磁耦合作用上， 物理光学法保留了矩量法的面元自身耦合作用， 而忽略了不同面元间的相互耦合[9-10， 13]。

与频率变化分析类似， 侧向S-30角域上， 俯仰角偏离0°时， 模型B有一定的电磁散射减缩效果， 且两种模型在俯仰角为-15°～15°时， RCS均值有减小趋势， 0°俯仰角时， 两种模型侧向散射机理变化较小， 均值较为接近， 在其他俯仰角时， 二者RCS均值差异较小， 最大时仅为3.423 9 dB（俯仰角5°时）。 周向W-360角域上， 受各向角域影响， 不同俯仰角上， 模型B的RCS均值均较小， 说明隐身性能有一定提高。

5结论

针对头部形状对无人机的气动/隐身性能影响， 以某型侦察机为参考对象， 建立了头部外形改进前后的两种模型A和B， 采用FLUENT、 物理光学法分别计算分析了不同状态下的气动性能、 电磁散射特性， 得到研究结论如下：

（1） 气动性能影响。 在-2°～14°迎角上， 模型B的升力系数较高， 阻力系数降低较为明显， 尤其在迎角较低时， 提高了巡航性能， 同时， 升阻比增加明显。 4°迎角时， 升力系数相对增加率为0.225 8%， 阻力系数相对减小率为5.505%， 升阻比相对增加率为6.065%。 对迎角4°和10°， 模型B机身下方高压区面积大于模型A， 具有更大的升力系数， 模型B机身头部高压区相对较小， 降低了阻力系数; 以上结果在10°迎角上高压区显示更为明显。

（2） 电磁散射影响。 从散射曲线分布上来看， 头部外形的修改主要影响前向角域， 使对应角域上RCS曲线向内收敛， 而对后向角域影响较小， 同时， 对RCS分布特点影响不大; 频率增加时， 波峰更为明显， 震荡性增大， 俯仰角变化时， 方位角39°和128°上波峰强度变小， 其他方位角上变化较小。 对RCS均值， 模型B在前向角域有较低的RCS均值， 隐身性能提高较为明显， 频率增加时， 模型B隐身性能提高， 15 GHz时减缩6.637 0 dB; 模型B在不同俯仰角上表现出类似现象， 前向角域影响最大， 俯仰角15°时减缩可达11.457 7 dB。

（3） 头部外形气动/隐身融合。 在满足任务需求设计的前提下， 头部外形对气动性能、 隐身性能均有一定影响， 采用曲面平滑过渡技术、 尽量降低来流及雷达入射方向的头部有效截面积可获得气动和隐身性能的有效提升， 曲面平滑过渡可有效降低镜面散射效果， 同时达到降低气动阻力的目的， 降低截面积对降低阻力、 电磁散射均有积极效果。

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Abstract： In order to study the influence of head shape on aerodynamic/stealth performance of UAV（Unmanned Aerial Vehicle）， analysis models with and without improvement of head shape are established. The effects of aerodynamic/stealth performance with different status are studied by FLUENT and physical optics method， and the conception of relative variation rate of aerodynamic performance influence analysis is proposed. The results show that the aerodynamic performance of UAV could be significantly improved by the improvement of head shape. When the angle of attack is 4 °， the relative increase rate of lift coefficient， the relative reduction rate of drag coefficient， and the relative increase rate of lifttodrag ratio are 0.225 8%， 5.505% and 6.065% respectively. There exists a larger high pressure area below the fuselage in improved model and its high pressure area in head is relatively small， which increases the lift and reduces the drag. The improvement of head shape has little effect on the distribution of scattering curve. The inward shrinkage of RCS curve in forward angle domain is large and the stealthy performance is improved. Besides， the improvement of head shape has lifting effect on stealth performance with the variation of frequency and pitch angle. The reduction amplitude of the forward angle domain can reach 6.637 0 dB and 11.457 7 dB when the frequency and pitch angle change. The surface fusion technology of head shape can effectively improve the aerodynamic/stealth performance of UAV.

Key words： UAV; aerodynamic/stealth performance ; lift coefficient; drag coefficient;  electromagnetic scattering