电大尺寸进气系统隐身与进气综合特性

胡筵晨，殷越，王忠义，乔松松，王强

（1.哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.北京航空航天大学 动力与能源工程学院,北京 100191）

隐身性能是进气系统的重要性能，隐身技术中的中雷达隐身技术是最先发展的飞行器隐身技术［1］，也是最重要的隐身技术。评价隐身性能的一个重要的指标是雷达散射截面积（radar cross sec‐tion,RCS），20 世纪90 年代起，各个国家都对雷达特征的缩减越来越重视，将雷达特征截面积作为一个重要的指标进行评估［2］。运用各种方法来降低进气系统的RCS 是隐身性能的重要途径。对于进气系统，进气与排气的阻力损失均有经验要求，现有学者多对小尺寸的进气系统RCS 特性进行探究，对于电大尺寸的RCS 特性，目前已有许多相关算法的研究取得了一定的进展［3］，而对电大尺寸的进气特性研究较少，本文将在考虑大尺寸进气性能的情况下对大尺寸进气系统RCS特性进行研究。

在探究进气系统隐身特性时，目前国内外研究的进气系统基本未涉及电大尺寸系统。1961 年美国研发的F-117A 设计对其发动机专门进行了隐身处理，并把进气道设计成了矩形，在进气口采用格栅进行屏蔽［4］。并分别提出了若干优化方法和设计准则。桑建华［5］进行实验，测试出了进气系统的屏蔽格栅RCS 的实验值；张乐［6］对飞行器的进气系统进行综合性能研究。目前，对于大尺寸进气道，国内外可以查到的相关研究报导较少，杜晓佳［7］对大尺寸进气系统的百叶单元隐身特性进行了系统的评估，并就其特定尺寸的进气单元进行了详细分析，陈炀［8］提出了减少大尺寸腔体反射的2 种方式。国内外许多学者也对大尺寸进气道的流动性能进行了研究，孙鹏等［9］对大尺寸进气系统进气特性运用数值模拟的方法进行了整个进气舱室的流动特性研究。于洋等［10］对进气系统百叶窗的进气性能进行了研究，其聚焦于风向对进气总压的影响；楚武利等［11］对风速与风向对进气流量的影响做了详细研究。

进气结构是典型的空腔结构，若不增加屏蔽系统，则进气系统的雷达反射面积比较大［12］，进气屏蔽系统是发动机外部进气舱室进口安装的结构，可以屏蔽雷达探测波、防止异物进入进气管路，能改变进气空气流动特性，对动力系统的正常运行产生很大影响。进行大尺寸进气结构的电磁散射特性与流动特性的设计与优化，并使之具有良好的隐身性能与气动性能，对于动力装置的整体性能具有积极的意义。

考虑到进气结构的进气种类较多，几何设计参数也较多，对所有种类以及参数进行考察计算资源占用较多，时长较长。本文以某典型进气结构设计方案为研究对象，对进气结构进行参数化建模并细化研究部分参数的改变对进气系统的电磁散射特性及流动特性的影响。

1 进气系统模型及仿真条件建立

1.1 模型介绍

本文研究的是船舶进气系统的典型结构——进气百叶结构，模型尺寸及形状参考某进气舱室一个单元，几何外形与几何尺寸如图1所示，由于进气平面通常不是垂直平面，设置倾角为与竖直方向呈15°夹角，厚度为4 mm，仿真材料为PEC（prefect electric conductor）。

图1 腔体结构及尺寸示意Fig.1 Schematic diagram of cavity structure and size

在腔体出口加横百叶屏蔽结构，根据本文基础腔体模型，选取横百叶基础尺寸角度为45°，百叶板L宽为75 mm，百叶间距D为50 mm，百叶厚度为4 mm，如图2所示。

图2 百叶结构及尺寸示意Fig.2 Schematic diagram of louver structure and dimen‐sion

1.2 仿真条件

Ku、K、X 高频波段主要用于跟踪及导弹的控制和末制导、近程搜索［13］，所以选取10 GHz进行探究，设定材料为理想电导体，由于电尺寸约为165 个波长，采用垂直极化，由于现有探测雷达多为单站雷达，为-60°～60°，角度间隔1°，俯仰角为90°。

在ANSYS Fluent求解器中进行数值求解计算，对相关参数进行设置时相关条件如下所示：计算工质为理想气体，湍流模型为k-ε模型，进口条件为通过进行进口速度的计算，核算进口速度约为6 m/s，出口条件设置出口为0 Pa。壁面条件设置壁面固体绝热无滑移，为了高效计算，设置平移周期壁面，本文所建立的格栅结构上下壁面和左右壁面设置为周期性边界，百叶结构上下壁面设置为周期壁面。收敛标准：计算的全局残差降至10～6，且残差保持稳定。

2 数值模拟方法

由于本文探究的腔体几何尺寸较大，且研究的入射频率为10 GHz，所以本文研究的对象为电大尺寸的，低频算法具有计算精度高的优点，但其计算速度慢，在进行计算时所需内存大［14］，进行大尺寸有关RCS 模拟时，通常使用快速多极子算法（multi level fast multipole method,MLFMM）、物理光学法（physi‐cal optics,PO）、射线追踪法（ray launching geometri‐cal optics,RL-GO）。

RL-GO 算法的物理概念清晰，且算法容易实现，并且能够快速地获取腔体内部散射分布，可计算任意复杂形状的腔体，本文选用RL-GO 算法进行计算，可行性验证选择文献［15］的腔体测量实验。验证结果如图3所示，雷达波入射角度增大时，RCS 变化较不规律且与计算值差距较大，这是因为入射角度增大时，腔体内部电磁散射影响逐渐减弱，且腔体外部吸波材料包裹可能存在一定缝隙，存在一定的外壁散射影响。所以使用RL-GO 法进行RCS 计算是比较可信的。

图3 RL-GO算法计算RCS与PO算法及实验值对比Fig.3 Calculation results of RL-GO algorithm were com‐pared with those of PO algorithm and experimental values

3 尺寸百叶参数综合分析

3.1 百叶角度对综合性能的影响分析

对百叶参数进行考察，由于参数较多且范围较细，为了提高计算效率，保证计算精度，采用正交实验的方式进行。

选取百叶角度进行RCS 及流动数值计算，选取角度30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°进行研究。取进出口压差计算结果如表1所示，可以得出：总压损失随着百叶角度的增大而减小。

表1 不同百叶角度结构的压力损失Table 1 Pressure loss of structures with different louver angles

对百叶的流场进行进一步分析。随着角度的减小，入射方向相对于百叶片安装方向的偏离角度逐渐增大，使得流动分离情况越来越严重，同时，随着通流面积的减小，前后压差增大才能保证进口速度达到设定值，百叶角度的增大可以使得百叶对空气流动的阻碍程度逐渐降低，30°时阻力较大使整体流域压力较大，60°时流域整体压力小的同时，流动更加均匀，可以发现，角度增大对流动的改善程度越来越好，且从30°～60°整体改善程度是越来越小的，在45°后改善程度细微。图4 为30°～60°百叶压力云图，图5 为30°～60°百叶近叶片处速度云图。

图4 30°～60°百叶压力云图Fig.4 30°～60° louver pressure cloud

图5 30°～60°百叶近叶片处速度云图Fig.5 30°～60° velocity cloud of louver near blade

由图5 可以得出以下结论：在百叶入口位置，入口处气流偏转角随着百叶安装角增大而增大，所以产生了较大的局部低速区，进入百叶后速度梯度也较大，在百叶下部出现了一个明显的涡。下部的回流情况也逐渐得到了改善。观察百叶出口位置，由于较大的角度在百叶通道中流动状态较好，所以出口处较大角度的结构速度梯度更小，流动的均匀性也更好。对以上所研究的角度进行RCS 性能仿真分析结果如图6所示。

图6 RCS随百叶角度变化情况Fig.6 RCS changes with the angle of the louver

由图6 可以得出以下结论：总体趋势看RCS 随着百叶角度的减小逐渐减小，当百叶的安装角为30°时，进气系统对腔体的屏蔽达到了一个较好的效果，特别是在-56°、-24°、-12°、12°、24°、56°角度，其RCS达到了一个较低的值，而安装角为35°、40°、50°时也有入射角度达到了较好的屏蔽效果，而在百叶角度为60°时，几乎无屏蔽效果。这是由于随着百叶安装角度的增大，百叶对进气口的封闭效果逐渐减弱，较大的腔体暴露面积使得RCS 较高，可以看到，在百叶安装角度为60°时，几乎没有屏蔽效果。将所有角度RCS取均值如表2所示。

表2 RCS均值随百叶角度变化情况Table 2 Mean value of RCS varies with the angle of the louver

RCS 缩减值和压力损失2 个指标存在矛盾，将低阻力作为设计目标的同时难以实现较高的屏蔽效果，而追求较高的屏蔽效果时容易使压力损失较大。所以，设置权重对设计结构的综合性能进行考察，本文关注重点在考察的结构参数范围内，尽量平衡2 个指标，所以本文RCS 缩减值与压力损失2 个特性权重设置为1∶1，若有其他研究要求可以酌情修改权重，公式为：

式中：X为性能评价指标；c为RCS缩减权重值，本文取值50；d为压损权重值，本文取值50；Hi为第i项RCS 缩减值；Hmax为RCS 最大缩减值；Hmin为RCS 最小缩减值；Ii为第i项压损缩减值；Imax为压损最大值；Imin为压损最小值。

将计算结果进行样条拟合绘制变化曲线如图7所示。分析图7，可以看到百叶角度为50°时，X为最大值，百叶角度为35°时，X为最小值，百叶角度为50°时，其性能为本文考虑的最优，所以选取50°对下一个百叶板长结构参数进行讨论。

图7 x随百叶角度变化Fig.7 x varies with the louver angle

3.2 百叶间距对综合性能的影响分析

基于3.1节的研究内容，本节确定百叶安装角度为 50°，选取板间距为20、30、40、50、60、70、80 mm进行研究。

取进出口压差，计算结果如表3所示，可以得出：总压损失随着百叶间距的增大而减小。对百叶的流场进行进一步的分析。图8为20～80 mm百叶压力云图，图9为20～80 mm百叶近叶片处速度云图。

表3 不同百叶间距结构的压力损失Table 3 Pressure loss of louver structure with different spacing

图8 20～80 mm百叶压力云图Fig.8 20～80 mm louver pressure cloud

图9 20～80 mm百叶近叶片处速度云图Fig.9 20～80 mm velocity cloud of louver near blade

随着通流面积增大，前后压差在一定的情况下，依然能保证进口速度达到设定值，百叶对空气流动的阻碍程度逐渐降低，20 mm 时流通面积较小，百叶片对气体的流动阻碍较大，使得整体流域压力较大，在80 mm 的时候流域整体压力小的同时，百叶后部分的流动更加均匀，可以发现，间距增大使得改善趋势一直保持比较好的程度。

观察近百叶片处总压分布情况，可以看到，大部分角度下在百叶板下部、尾部均出现了明显的涡结构，随着百叶间距的增大，分离涡面积逐渐变大，但同时速度变化剧烈程度也逐渐降低，可以看到，在百叶板临近处有分离产生，这是由于大的板间距使得流体有更多的空间流动发展，使得在确定的压差控制下，间距大的结构的速度突变程度更小，通流状态上更好，虽然叶下方涡随着间距的增大逐渐变大，但大的流通面积也使得流动阻力更低，并且百叶尾部的涡随着间距的增大逐渐减小直至消失，所以压力变化更平缓，压力损失就越小。

对以上所选的间距进行RCS 性能仿真分析，选取分析频率为10 GHz，模型材料选用PEC，俯仰角θ设置为90°，选取水平入射角ϕ为-60°～60°，角度间隔设为1°。入射波采用垂直极化，将不同参数的计算结果进行对比分析，如图10所示。

图10 RCS随百叶结构间距变化情况Fig.10 RCS changes with the Spacing of the louver

由图10 可得，总体来看间距为50、30 mm 时，部分范围角域屏蔽效果较好，在-54°～-48°、-24°～-9°、9°～24°、48°～54°这4 个等威胁角域较其他尺寸50 mm 间距的屏蔽性能较好，在-51°～-35°、35°～51°这2 个角域间距为30 mm 的百叶结构表现出良好的屏蔽性能，其余结构只有间距为20 mm 的百叶总体屏蔽效能比较优异，将所有角度RCS 值取均值得到表4 数据。

表4 RCS均值随百叶间距变化情况Table 4 Mean value of RCS varies with the spacing of the louver

将RCS 数据与流动数据代入式（1）进行计算得到如图11的结果。

图11 x随百叶角度变化Fig.11 x varies with the louver Spacing

由图11 可以看出，在百叶板间距为50 mm 时，x为最大值，在百叶间距为20 mm时，x为最小值，百叶间距的x变化规律相较于百叶角度不太明显，这是由于百叶间距的变化对RCS这个性能指标的影响不单单遵循间距依次变化的规律，所以间距为50 mm 的百叶结构是当前权重的最优参数，选择此参数对百叶的板长进行计算分析。

3.3 百叶板长对综合性能的影响分析

基于3.1 节与3.2 节的研究内容，本节确定百叶安装角度为50°、百叶间距为50 mm，选取长度45、55、65、75、85、95、105 mm百叶进行研究。

取进出口压差计算结果如表5 所示，总压损失随着百叶板长增大呈先减少后增大的趋势。对百叶的流场进行进一步的分析。

表5 不同百叶板长结构的压力损失Table 5 Pressure loss of louver structure with different plate lengths

如图12 所示，百叶板长的变化对总体压力场的变化影响较之前2 个参数而言不大，百叶板对气流有导流作用的同时也会阻碍气体的流动，在加强流体的均匀性的同时也增加了收缩通道长度，进而对流体的流动产生阻力，较短的板长达不到较好的导流作用，气体的流动情况紊乱会导致高的压力损失。

图12 45～105 mm百叶压力云图Fig.12 45～105 mm louver pressure cloud

观察近百叶片处速度分布情况如图13 所示，可以看到，在百叶板下部、尾部出现了流动涡，在板长较小时，百叶下部和尾部的涡连在了一起且涡较大，此时百叶片主要起到的作用是扰流而不是导流，随着百叶板长的增大，流动涡紊乱程度逐渐得到改善，在百叶板进口产生流动分离，在后段会重新再附着，所以较长的板长对流体的整流作用较好，但是过长的板长使得气体流动中有更多的阻力和损失，所以出现了如表5的数据变化情况。

图13 45～105 mm百叶近叶片处速度云图Fig.13 45～105 mm velocity cloud of louver near blade

对以上所选的板长进行RCS 性能仿真分析，选取分析频率为10 GHz，模型材料选用PEC，俯仰角θ设置为90°，选取水平入射角ϕ为-60°～60°。角度间隔设为1°。入射波采用垂直极化方式。

分析图14可以看出，总体来看板长为75、85 mm时，部分范围角域屏蔽效果较好，在12°～23、-12°～-23、48°～51°、-48°～-51°，2个威胁角域较其余尺寸75 mm与80 mm板长的屏蔽性能较好。45 mm板长结构在4°、-4°这2个角度屏蔽性能优于其他结构，75 mm 板长结构在23°、-23°这2 个角度屏蔽性能优于其他结构，将所有角度RCS值取均值得表6数据。

表6 RCS均值随百叶间距变化情况Table 6 Mean value of RCS varies with the plate lengths of the louver

图14 RCS随百叶结构板长变化情况Fig.14 RCS changes with the plate lengths of the louver

将RCS 数据与流动数据代入式（1）进行计算得到如图15 所示结果，在百叶板长为65 mm 时，X为最大值，百叶板长为105 时，X为最小值，由此可得，65 mm板长结构符合本文所需结构要求。

图15 x随百叶角度变化Fig.15 x varies with the louver plate lengths

3.4 百叶参数对综合性能的影响分析

将原始计算数据转换为信噪比：

式中：Ss为压损的性能指标；SL为RCS缩减值的性能指标，dB；Y为数值计算得到的原始数据，即RCS 缩减值和压力损失的原始数据；n为每个案例的重复次数，在本文的数值模拟中每个参数值只进行了一次模拟，所以n为1。

计算各几何参数对RCS 特性和进气特性的贡献率为：

式中：i为控制因子，k为控制因子之和［16］，得到各个控制因素对信噪比RCS 缩减值的影响情况如图16所示。

图16 百叶参数对信噪比RCS缩减值的贡献率Fig.16 Contribution rate of louver parameters to SNRRCS

由图16可以得出结论，对RCS缩减值信噪比的贡献率：百叶角度＞百叶间距＞百叶板长，其中百叶角度这个参数的贡献率明显大于其他2 个参数，因为百叶角度更直观地影响着腔体的暴露面积，而且角度的改变使得雷达反射强度发生改变的机理相对其他2 个参数更加复杂。所以百叶角度对信噪比的贡献率更大。

对压力损失计算数据进行处理，得到各个控制因素对信噪比RCS缩减值的影响情况图17所示。

图17 百叶参数对信噪比压力损失的贡献率Fig.17 Contribution rate of louver parameters to SNRPressure Loss

相较于RCS 缩减值，百叶各参数对压力损失的贡献率更为均匀，对信噪比压力的贡献率：百叶角度＞百叶板长＞百叶间距，这是因为对于流动性质来说百叶角度会影响气流进气的偏转角，大的偏转角会造成较大的进气不均匀性以及造成严重的流动分离情况，而百叶间距和百叶板长2 个参数的改变主要是影响流通面积以及百叶板下涡的结构，百叶角度对压力损失贡献率更大。

4 结论

1)作为一个腔体结构，对进气系统进行屏蔽结构的安装可以有效缩减进气系统的电磁散射效应，百叶结构在完成其电磁屏蔽任务的同时，也承担着进气任务。

2)选择合适的算法进行仿真对于性能的高效分析是很有必要的，低频算法计算精准，而对于电大尺寸目标的仿真消耗资源大、效率小，传统高频近似算法在处理腔体这种强散射结构时精度不高，所以选用改进的高频算法能更好地保证计算效率和精度。

3)百叶安装角度为50°、百叶间距为50 mm、百叶板长为60 mm 时所得到的结构是在保证优异的进气流动特性情况下所得到的最优RCS 特性结构。对于RCS 缩减值的贡献率，3 个参数中，百叶角度＞百叶间距＞百叶板长；对于压力损失的贡献率，3 个参数中，百叶角度＞百叶板长＞百叶间距。