直升机平尾电磁散射特性研究

徐雅楠

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001）

0.引言

常规直升机由于布局外形复杂和外挂部件多样，具有强烈的雷达散射特性，面临着敌方地面防空体系中的预警/制导雷达的严重威胁，军用直升机为了提高生存能力和战斗力，在超视距空战中确保先敌发现、先敌发射的优势，世界各国都在大力发展和研究目标特征信号减缩技术或称“低可探测性技术”，也就是我们通常所说的隐身技术[1]。隐身技术的本质是降低直升机的雷达、红外、声、激光、可见光等信号特征，使其难以被敌方的各种探测设备发现、探测和跟踪，使敌方的武器系统不能或发挥微弱的作用。对于隐身直升机来说，因为雷达是防卫系统中主要的探测设备，故一般都以减少RCS作为隐身的首要任务。随着现代电子技术飞速发展，现代化防空武器的性能不断提升，日臻完善的敌方雷达系统更降低了常规直升机生存力和任务效能。远程和中远程对空警戒P、L、S波段雷达主要针对中高空飞机或导弹，具有探测距离远的特点，但此类雷达在远距离上受地球曲率影响严重，在近距离上又通常由于俯仰角问题存在盲区，因此对于低空飞行的直升机威胁较小。在中近程警戒雷达与战术防空系统中，L、S、C、X直到Ku、Ka波段均有体现，其中X波段不但在型号数量上占绝大多数，17km～185km的作用范围也基本覆盖了其他波段。故本文以X波段为典型雷达威胁波段，开展雷达隐身设计。

外形隐身技术和吸波材料隐身技术是目前使用的主要雷达隐身技术[2]。飞行器隐身设计中，外形隐身技术是目前运用最广泛、最有效的隐身技术，该项技术主要是通过合理地改变目标的外形布局，控制、缩减目标在雷达威胁的主要范围内的雷达散射截面，从而达到隐身目的。常规单旋翼带尾桨布局的直升机在机身头向的RCS主要来自进气道、主桨毂、平尾、尾桨榖、座舱等。由于直升机平尾承担提供俯仰和航向稳定性的重要作用[3]，是保证直升机具有良好俯仰和航向通道飞行品质的重要部件，因此平尾必须在保证气动特性的前提下进行雷达隐身设计。

在直升机型号研制过程中，通常采用风洞试验的方法确定直升机平尾面积、安装角等设计参数，通过得到的风洞试验数据，结合飞行品质的初步计算结果确定直升机平尾面积，然后对平尾截面翼型和安装方式进行选取，最后进行不同平尾安装角风洞试验，结合飞行载荷的计算结果最终确定平尾的一系列设计参数。在直升机初步设计阶段，可能会设计多种构型的平尾，而风洞试验周期较长，且试验花费较大，因此难以满足直升机初步设计阶段的平尾选型需求。故仿真分析在直升机初步设计阶段可缩短直升机研制的设计周期并降低研制成本。

本文的综合仿真分析方法对平尾结构的散射特性进行分析，发现平尾的不同结构尺寸、不同前掠角和后掠角的散射特性均有不同。

1.计算过程与方法

1.1 过程

本文求解目标RCS的主要步骤如图1所示。

图1 求解目标RCS过程框图

1.2 方法

本文针对电大尺寸的平尾结构，采用高频计算方法进行仿真分析。其中平尾结构尺寸为：弦长1030mm、展长4344mm。

本文采用综合分析方法，主要包括物理光学法、等效电磁流法、射线追踪法和物理绕射理论[4]。该方法首先采用物理光学法计算目标上一次散射的贡献，即面元的反射作用[5]；其次采用等效电磁流法+物理绕射理论组合方法计算几何模型边缘的电磁散射，即边缘绕射作用；然后采用射线追踪法计算多次散射的贡献，即多次反射作用；最后所有散射作用的电磁散射场值按照相位进行矢量叠加，分析求得目标的总电磁散射特征。

2.仿真分析

2.1 平尾尺寸

如图2所示，给出了基准平尾结构在不同极化方式（垂直极化VV、水平极化HH）下的RCS分布，可以看出在0°和180°时出现峰值，主要是由前缘曲面的镜面反射（强散射）造成的。直升机接近敌方时，受威胁方向主要是头向，所以本文主要以头向（方位角150°～210°）为主要角域进行仿真分析。如图3所示，给出了相同展弦比不同平尾结构尺寸的散射特性均值、峰值分布，分别为0.5倍、0.6倍、0.7倍、0.8倍和0.9倍、基准平尾结构尺寸。由图可知，不同的极化方式下平尾结构的RCS值相差较小，基本可以忽略。当平尾结构尺寸从0.5倍逐渐增加到基准尺寸，RCS值呈逐渐上升趋势。未来设计隐身直升机时，在兼顾气动效率的前提下应尽可能选择较小尺寸的平尾结构。

图2 不同极化方式的RCS分布

图3 不同平尾尺寸的RCS均、峰值

2.2 几何特征

在平尾翼型确定的前提下减弱平尾结构的电磁散射特征，可以通过改变平尾的前掠和后掠角度，将回波主瓣和较强副瓣偏转出头向雷达威胁角域，将前向曲面镜面反射（强散射），转变为较弱的边缘绕射（弱散射），有效降低平尾头向RCS。

保证平尾面积相同，对平尾结构进行不同前掠角度、后掠角度的处理，仿真分析得到的RCS分布如图4和图5所示。可以看出：（1）平尾后掠角度低于30°时，通过增加平尾后掠角达到降低平尾结构RCS散射值效果不明显，平尾后掠角度高于30°时，平尾结构RCS散射值突降，继续增加平尾后掠角，平尾结构RCS散射值降低幅度减弱。（2）平尾前掠角度低于30°时，通过增加平尾前掠角达到降低平尾结构RCS散射值效果不明显，平尾前掠角度高于30°时，平尾结构RCS散射值突降，在45°和50°平尾前掠角时RCS散射值增加是因为平尾结构自身形成角反射器（强散射），随着平尾前掠角的增加，角反射器减弱至消失，平尾结构RCS散射值降低。

图4 不同后掠角下的均值

图5 不同前掠角下的均值

3.结论

根据仿真结果和现有直升机型号平尾设计，平尾雷达隐身设计可以通过改变平尾结构尺寸、平尾前掠角或后掠角。

（1）强散射与入射方位角相关，在RCS曲线的峰值方位体现。（2）随着平尾结构尺寸增大，平尾结构的散射特征增强。（3）适当增加平尾结构的前掠角或后掠角可以有效减缩RCS特性。