飞行器部件低散射载体的分析与设计*

徐伊达，滕 杰，李景虎，梁 爽，周 萍

(航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司，成都 610091)

0 引 言

现代战争日趋呈现陆、海、空、天、电磁五位一体立体化[1]，在战争中把握先机最重要和最有效的突防战术技术手段就是发展隐身技术[2]，提升武器系统生存、突防和纵深打击能力。飞行器雷达隐身是隐身飞行器设计的首要因素，一般都以减小雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)作为隐身的首要任务，而外形隐身技术是雷达隐身最有效的举措之一[3]。外形隐身设计是隐身飞行器设计的基础，没有外形隐身就不可能造就真正的隐身飞行器[4-5]。减少强散射源是实现外形隐身的有效途径，但飞行器是组合体，即使制造工艺再完备也不可避免地存在大大小小的口盖、蒙皮缝隙、台阶等缺陷，在目标强散射源采取有效抑制措施后，弱散射源便成为影响目标隐身特性的主要因素。此时，各部件的散射叠加决定着目标整体的隐身性能，从而对各部件的隐身设计提出了更高的要求。

因此，开展部件隐身研究是飞行器整体目标隐身特性评估的先决条件和必然举措。部件尺寸一般较小，若将其放在整体目标上评估，一方面尺寸较大不易实施，另一方面整体RCS可能大于单独部件或细节的RCS，则无法准确获得部件的散射特性从而进行优化研究。然而，部件一旦脱离飞行器本体，则会产生原来并不存在的干扰源，难以保证部件评估结果的准确度。文献[6]设计钻石型低散射载体,用于测试螺钉、铆钉、缝隙等电磁缺陷对其RCS的影响。文献[7]采用金属平板载体,通过RCS测试分析,得到了缝隙电磁散射随缝隙宽度、间距的变化规律和极化特性。文献[8]从理论上分析了缝隙的后向散射规律,并设计了准菱形平板载体进行不同几何参数的台阶和缝隙的RCS测试。文献[9]设计了平板和杏仁体，用于研究不同缝隙所引起的目标散射特性影响。

本文设计了一种低散射载体，既可以与弱散射源一体化结构设计，模拟弱散射源的装机状态，还能利用载体的低散射特性消除弱散射源以外的其他散射杂波，进而准确地评估弱散射源的隐身特性。

1 低散射载体的必要性

以常见的飞行器整流罩为例，如图1(a)所示，部件单独隔离出来后，边缘、安装孔、内腔结构等干扰源暴露在外。而加装低散射载体与部件一体化设计如图1(b)所示，两者平滑紧密结合，缝隙、螺钉处用铝箔或导电胶封盖，便可消除边缘部件边缘、内腔结构散射干扰，达到模拟部件装机时的状态，这对获取部件真实的隐身特性至关重要。

图1 飞行器部件

评估是否加装低散射载体两种状态下的部件隐身特性，结果对比如图2所示，可见加装低散射载体后部件的RCS有了明显降低，其强散射主要集中在几个非威胁区域。

图2 X频段有无载体部件RCS结果对比

一般隐身部件的RCS评估都需要配置相应的低散射载体，加装低散射载体可消除干扰源对部件隐身评估影响，提升部件隐身评估的准确性，因而具有重要意义。

2 低散射载体的设计方案

2.1 设计机理

低散射载体的设计，主要涉及载体结构对入射电磁波的散射效应，其机理是电磁波在自由空间传播时，如果遇到障碍就会发生散射。散射主要包括反射和绕射，其中，反射包括镜面反射及多次反射，绕射包括边缘绕射和爬行波绕射。低散射载体的设计必要考虑抑制多种类型散射，根据电磁波散射的机理，遵循的抑制原则就是吸收、集中。吸收是指采用吸波材料对电磁波进行吸收衰减，原理是将电磁能量转换为热能；集中是指通过外形设计使电磁波反射到非威胁空间，是本文重点采用的方法。

2.2 设计思路

集中的设计思路是指通过外形设计，如直边缘后掠、平面后倾等方法[10]，使镜面反射、边缘绕射等强散射峰值偏离威胁角域，集中到无关区域。假设关注威胁角域(前向0±45°)的RCS，可将载体头部尖端夹角设计成70°，即前缘后掠角为55°，如图3所示。当电磁波头向0°入射时，边缘强散射峰值的位置出现在方位角55°方向，偏离了威胁角域10°。

图3 载体轮廓俯视图

采用扁平状的低散射载体外形设计，一般可以消除重点威胁角域内由镜面反射、多次反射、边缘绕射等引起的散射峰值，但要进一步降低载体的RCS，就必须抑制爬行波和行波的贡献。

2.2.1 爬行波影响

载体具有较大的金属表面，在相对入射面为垂直极化的电磁波照射下，除按几何光学原理将电磁波能量反射到入射线和表面法线对称的另一个方向外，还会在表面产生很强的表面波，该表面波会沿着表面传播即形成爬行波[3]。当金属表面形状有突变界限，或者当行波电流遇到载体后缘的不连续边界时均会产生反射，如图4所示，对后向RCS产生贡献。

图4 爬行波反射

假设入射方位角为±41°，后缘垂直于入射波方向，此时散射最强，如图5(a)所示；采用集中的处理方式对载体修形，将载体的后缘夹角减小到70°进行表面抑制，如图5(b)所示。此时，载体后缘产生的行波散射和前缘产生的边缘绕射峰值位置重合，均偏离前向区域10°。对两种载体进行仿真，如图6所示，可见调整后缘夹角可有效抑制爬行波散射，在威胁角域内不出现散射峰值，有利于大角域低散射的载体设计。

图5 VV极化行波散射示意图

图6 X频段改变后缘夹角前后载体RCS对比图(VV)

2.2.2 行波影响

当水平极化波入射时，载体表面与电场平行，不会出现行波电流；但载体边缘与电场成一定角度夹角，导致载体边缘会产生行波电流，遇到边缘突变后会产生反射，形成边缘的行波散射。

假设入射方位角为0°、后缘夹角70°时，载体属于细长型，尾端截断效应产生的行波电流沿两条后缘流动，在±35°附近会产生较强的行波散射，如图7(a)所示。但头尖钝形载体则不存在这一现象，因其后缘夹角为98°，尾端截断效应产生的行波散射在±49°方向较强，偏离了威胁角域，不会影响前向的RCS。对两种载体进行仿真，如图8所示，可见改变后缘夹角有利于抑制行波散射，但这与爬行波抑制方法发生了冲突。

图7 HH极化行波电流示意图

图8 X频段改变后缘夹角前后载体RCS对比图(HH)

2.2.3 局部外形影响

从上述研究分析可见，仅改变前、后缘角度无法同时满足爬行波和行波的抑制要求，可通过调整载体局部外形等方式来实现。其机理是表面波沿部件表面传播过程中，其曲率半径由大连续地变小，且没有明显的突变界限，随时沿其切线方向辐射能量，从而使爬行波逐步减弱并得到抑制，如图9所示。

图9 后缘弯曲时爬行波散射

图10给出了载体不同形式的尾部处理方式，由仿真结果(图11)可见，垂直极化时，尾部弯曲可有效抑制威胁角域内的行波散射。

图10 不同尾部外形

图11 X频段载体尾部弯曲前后的RCS对比图

2.2.4 入射频段影响

同一目标不同频段散射机理不同，低频段时，除上述散射机理外，爬行波散射、谐振效应将增强，此时波长较长，微小的外形变化对目标散射几乎毫无影响；高频段时，因波长较小，行波和爬行波在相同的路径下比低频区衰减更快。低散射载体RCS会随着频率的升高逐渐降低，这也是弱散射机理产生的正常现象。故载体设计的重点在于抑制低频段的低散射特性，而要在低频段获得良好的低散射效果，必须要放大载体尺寸。

3 验证实例

3.1 设计目标

当入射波处于X、Ku频段，设计了一款处于威胁区域(俯仰角域0°～-10°，前向角域0°～±45°)内、双极化情况下均满足RCS小于-40 dBm2的载体。

3.2 外形设计

根据上述载体设计思路，遵循行波抑制原则，本文设计的低散射载体外形如图12所示。载体上表面为平面，并对局部进行优化处理过程如图13所示。

图12 低散射载体外形图

图13 载体外形优化过程

3.3 理论分析

3.3.1 计算方法

本文选用基于矩量法[11]改进的特征基函数法[12]进行仿真计算。特征基函数方法是一种针对矩量法利用区域降阶技术的快速直接求解方法，通过一组构造在子区域上的特征基函数描述目标的未知电流，实现矩量方程的降阶和快速求解，大幅提升计算速度，适用于计算目标单站散射。

3.3.2 计算结果及分析

载体在不同频段、不同俯仰角度、不同极化方向的单站隐身性能仿真结果如图14和图15所示，可见威胁角域内均满足RCS小于-40 dBm2的设计目标。

图14 X频段不同俯仰RCS曲线

图15 Ku频段不同俯仰RCS曲线

3.4 实验研究

3.4.1 实验模型

低散射载体主要依靠光滑外形来达到低散射的目的，少许的型面突变将会破坏载体的低散射特性。因此，载体的制作采用数控加工的方式，其优点是加工精度高、工件变形小，不会出现蒙皮开裂、起皮等现象。

3.4.2 实验原理

雷达方程是进行RCS测量标定的基础：

(1)

式中：Pr为接收功率，Pt为发射功率，Gr为接收天线增益，Gt为发射天线增益，R为雷达天线与目标的距离，λ为波长，σ为目标雷达截面积。

在静态测试场测量标定体及目标时，测量系统的频率、极化、天线增益、发射功率及测试距离等参数相同，在接收机线性动态范围内可用RCS已知的标定体直接进行替代法测量标定。

被测目标的RCS为

(2)

式中：P0目为被测目标回波的接收机输出，P0标为定标体回波的接收机输出。

3.4.3 实验结果及分析

由于不同频率下载体出现峰值的角度不同，首先将目标设置立放状态，如图16所示，目的是确定行波散射峰值位置。然后将目标平放，调整行波散射峰值较强位置即目标俯仰角度-10°为测试角度，用来评估载体的隐身特性。载体在不同频段的垂直极化测试结果如图17所示，均满足RCS小于-40 dBm2的设计目标。

图16 载体平放测试状态

图17 不同频段-10°VV极化RCS曲线

仿真计算和测试结果均表明载体满足设计目标要求，说明低散射载体设计方法合理可行。

4 结 论

本文针对飞行器部件隐身评估的问题提出了支撑弱散射源评估隐身性能的低散射载体设计方法，依据设计机理制定设计方案，假定设计目标，并通过计算和测试两种手段进行验证，评估结果匹配性良好，满足低散射载体的设计要求。本方法后续可广泛应用到飞行器部件隐身研究中，具有一定的可行性和准确性，为飞行器整体隐身评估奠定基础，助力隐身化武器发展。