雷达吸波材料涂敷对轴对称塞式喷管RCS的影响分析

摘 要：航空发动机排气系统是作战飞机后向电磁散射的主要贡献源，在排气系统涂敷雷达吸波材料能够有效降低其后向雷达散射截面积。为了研究雷达吸波材料涂敷方案对轴对称塞式喷管电磁散射特性的影响，设计了7种不同的涂敷方案，获得了喷管后向雷达散射截面积分布。数值研究结果表明：在喷管壁面和塞锥壁面涂敷雷达吸波材料均能够降低喷管后向的RCS；在喷管出口区域涂敷能够在使用较少的雷达吸波材料的前提下，获得较好的RCS缩减效果；在塞锥前部区域涂敷雷达吸波材料能够提供最大的单位面积缩减效率。

关键词：雷达吸波材料；轴对称；塞式喷管；雷达散射截面积；涂敷方案

中图分类号：V231" " " " " " "文献标识码：A" " " " " " " 文章编号：1007 - 9734 （2024） 06 - 0031 - 07

0 引 言

随着战争形态的改变，下一代作战飞行器需要进一步提升自身的机动能力和隐身能力，从而提升作战飞行器总体的生存率和隐蔽性［1］。航空发动机的尾喷管是典型的电大尺寸腔体结构，是飞行器后向电磁散射的主要贡献源［2］。目前，常用于航空发动机喷管雷达散射截面积（RCS， radar cross section）缩减的措施主要是外形修形和涂敷雷达吸波材料（RAM， radar absorbing material）。雷达吸波材料通过将入射到吸波材料上的电磁波所携带的电磁能转化成热能耗散或者使电磁波因干涉而消失［3］。Mosallaei［4］等人采用遗传算法得到吸波材料在矩形、球形等规则腔体的最优涂敷组合形式，获得到最佳RCS缩减效果。何小祥［5］等人建立了非完全理想导体边界的电磁散射问题理论模型，并将其开发的方法应用于内壁涂敷吸波材料的电大尺寸腔体的电磁散射分析中。王龙［6］等研究了不同电参数的雷达吸波材料涂敷对S弯进气道的电磁特性影响，获得了电参数对进气道RCS的影响规律。西北工业大学杨青真［7］［8］团队研究了雷达吸波材料涂敷位置对S弯喷管、球面收敛二元矢量喷管电磁散射特性的影响，以及不同涂敷位置对雷达吸波材料RCS缩减作用的影响。

塞式喷管作为一种机械调节式矢量喷管，具有较好的气动性能和红外抑制特性［9］，同时在电磁散射抑制方面也具有一定的优势；与传统钟形喷管相比，塞式喷管可以作为一种高度补偿类喷管应用于固体火箭发动机上。国内外学者针对塞式喷管的气动、电磁散射和红外辐射性能开展了一系列的研究。在气动特性研究方面，国内学者采用实验和计算模拟的方式研究了塞式喷管设计参数、冷却措施对流场流动性能的影响。王旭［10］等人采用计算流体力学的方法分析了塞式喷管几何设计参数—塞锥角度和几何矢量角对喷管气动性能的影响，数值分析结果表明高空状态下塞式喷管的推力系数与地面状态下相比有更大的损失；增加塞锥后体长度能够缩短塞锥尾部低压区。周兵［11］等人通过试验测试的方式获得了不同吹风比条件下，二元塞式喷管塞锥壁面多斜孔气膜冷却对塞锥壁面温度、喷管出口截面处温度以及对喷管红外辐射特性的影响。试验结果表明，增大吹风比可以有效提高气膜的冷却效率，降低喷管出口中心区域温度，进而降低整个喷管后向的红外辐射强度。征建生［12］针对塞锥所处工作环境的特点及其结构特点，提出了塞锥前缘弧面段冲击冷却与直段气膜冷却相结合的冷却结构、塞锥后缘出口截面以内采用冲击冷却与出口截面以外采用气膜冷却相结合的冷却方式，并对其影响塞锥表面冷却特性和喷管气动性能进行了数值研究，研究结果表明：喷管总压恢复系数和推力系数随着吹风比、开孔率和矢量偏转的增加而下降。盛超［13］等人开展了热态下塞式矢量喷管内流动特性的试验，获得了不同落压比下塞式喷管几何矢量角对塞式喷管总压恢复系数、推力系数和气动矢量角的影响规律。李泓瑾［14］等人采用数值仿真得到随海拔高度变化时不同扩张比的塞式喷管推力性能的基本变化规律，数值结果表明塞式喷管的推力优势会随着海拔高度的提升有明显的下降；在低海拔下，推力优势明显。李修明［15］等人针对导弹推进系统性能需求，设计了一套环喉形固体塞式喷管，通过移动膨胀唇部位置实现推力可调，对其推力性能进行了数值模拟预估和冷态试验测试；结果表明测试结果与数值模拟结果得到的推力性能吻合，塞式喷管推力可实现4∶1的调节变化。在电磁散射方面，陈玲玲［16］等人研究了塞锥锥顶角对塞式喷管后向电磁散射特性的影响，数值计算结果表明塞锥的存在会增大0°探测角下喷管的雷达散射截面积；但是喷管后向整体的RCS均值得到了10%以上的降低。

综合已有文献发现，现有的研究主要集中在研究塞式喷管设计参数对喷管气动性能特性和目标特性的研究，对RCS缩减措施尤其是雷达吸波材料涂敷对电磁散射特性影响的研究较少。为此，本文采用弹跳射线法对设计的7种雷达吸波材料涂敷方案的喷管后向RCS进行了计算分析。

1 计算模型与方法

1.1" 计算模型

本文中塞锥的前锥半锥顶角β固定为30°，塞锥后锥半锥顶角α固定为15°，塞锥半径比固定为0.25（塞锥最大半径r与内涵进口半径R之比）。本文计算所用的轴对称塞式喷管如图1所示。

1.2" 雷达吸波材料涂敷方案设计

为研究介质在不同涂敷区域对轴对称塞式喷管RCS的影响，且在仿真模拟中便于在不同区域进行介质涂敷，在设计涂敷方案时，需要考虑中心锥外表面和喷管壳体内外壁面，因此本文对喷管壳体及塞锥均进行了区域划分，分别划分出编码为1、2、3、4、5、6的六个区域。对喷管壳体进行区域划分，分别在距进气口截面300mm处、600mm处、1000mm处、1400mm处、1700mm处建立平面，并对壳体进行拆分体操作，壳体区域划分如图2所示。

对塞锥进行区域划分，根据塞锥自身几何特征，分别在距塞锥后锥顶点200mm处、400mm处、460mm处、535mm处、635mm处建立平面，并对塞锥进行拆分体操作，塞锥区域划分如图3所示。

本文根据所划分区域共设计8个涂敷方案，分别为涂敷外壳1、2区域，涂敷外壳3、4区域，涂敷外壳5、6区域，涂敷塞锥1、2区域，涂敷塞锥3、4区域，涂敷塞锥5、6区域，以下分别称为Model 2、Model 3、Model 4、Model 5、Model 6、Model 7。一组对比方案不予涂敷，称为Model 0；一组对比方案每个区域进行全涂敷，称为Model 1。以全涂敷方案的涂敷面积为基准面积１，其他涂敷方案的面积与全涂敷相比确定其涂敷面积比例。喷管外壁面涂敷方案和塞锥涂敷方案分别如表1和表2所示。

2 计算方法

2.1" 弹跳射线法

本文采用弹跳射线算法模拟涂敷吸波材料的电大尺寸腔体电磁散射特性计算，研究不同涂敷位置对RCS的影响。首先用几何光学射线来模拟入射电磁波在物体表面的多次反射，追踪射线在传播过程中的场强和相位变化，最后当射线离开物体时利用物理光学求解散射场，解决了物理光学法没有考虑电磁波在目标表面多次反射的问题，该算法具有简练容易实现、物理推导清晰、误差小等优点[17]。

根据弹跳射线法，目标的总散射场为[18][19]：

[Esr，ω=jωZ0e-jrωc4πrcs×ss×n×Hr，ω+1Z0Er，ω×nejs⋅riωcds]" " （1）

式中E（[r]，ω）和H（[r]，ω）分别为目标表面处的总电场和总磁场。

2.2" 雷达吸波材料RCS缩减能力表征参数

在本文中，为准确描述吸波材料不同涂敷方案对于轴对称塞式喷管RCS均值缩减能力的影响，定义如下两个特征参数：缩减效果A[5]、单位面积提供的缩减效果B。

A= [σ0-σnσ0-σall] （2）

B= [Ak] （3）

式中：[k]为不同涂敷方案下涂敷面积所占比例；[σn]为不同涂敷方案下模型的RCS均值；[σ0]为未涂敷模型的RCS均值；[σall]为全涂敷方案下模型的RCS均值。

3 计算结果与分析

本文中，入射雷达波频率为10GHz，入射角范围为0°～30°，入射角设置如图4所示。

3.1喷管壁面涂敷方案对RCS的影响分析

图5所示为水平极化方式下不同喷管壁面涂敷设计方案RCS角向分布曲线。由图可知，在大部分入射角下，在喷管外壁面涂敷雷达吸波材料能够降低塞式喷管后向的RCS幅值，Model 1具有最优的RCS缩减能力。在0°～5°入射角范围内，三种壁面涂敷方案与Model 0的RCS幅值差异较小。在5°～10°入射角范围内，Model 2的RCS角向分布规律与Model 0接近且两者的RCS幅值差较小，Model 3和Model 4与Model 1的角向分布规律存在比较大的差异。在该入射角范围内，这两种涂敷方案的RCS缩减能力较为明显，这主要是因为在小入射角下，入射电磁波直接照射的区域主要是喉道及喷管出口区域，Model 2中在该区域无涂敷。当入射角大于10°之后，Model 2、Model 3和Model 4的后向RCS角向分布与Model 0接近，且RCS幅值差异较小；Model 2在更多的入射角下的RCS大于Model 3和Model 4，即Model 2在大入射角范围内的RCS缩减能力较差，这主要是因为入射到Model 2涂敷区域的电磁波角度与壁面法向方向偏离较大，降低了吸波材料的RCS缩减能力。

图6是垂直极化方式下不同喷管壁面涂敷设计方案RCS角向分布曲线。由图可知，在靠近喷管入口区域涂敷吸波材料对喷管RCS的角向分布规律和幅值的影响均较小。在5°～15°入射角范围内，Model 2和Model 3展现了较好的RCS缩减能力。当入射角大于15°之后，在壁面区域涂敷吸波材料的RCS缩减效果较差。

表3为两种极化方式下不同壁面区域雷达吸波材料涂敷方案的RCS均值及特征参数。由表可知，在两种极化方式下全涂敷方案都可以达到较好的RCS缩减效果。三种壁面涂敷方案，在水平极化方式下，Model 3的RCS均值最小，Model 4的单位面积提供的RCS缩减效率最高；在垂直极化方式下，Model 4的RCS均值最小，单位面积提供的RCS缩减效率也是最高的。综合来看，三种涂敷方案中，Model 4的RCS缩减效果较好。

3.2" 塞锥表面涂敷方案对RCS的影响

图7为水平极化方式下不同塞锥区域涂敷设计方案的RCS角向分布曲线。由图可知，在大部分入射角范围内，Model 6、Model 7的RCS角向分布规律与Model 0接近，与Model 0的RCS幅值差较小；在5°～10°入射角范围内，Model 5与其他涂敷方案的RCS幅值差较大。在部分入射角下，塞锥区域涂敷设计方案的RCS幅值会大于Model 0，这可能是因为在这些入射角下，入射雷达波在经过塞锥与壁面的反射后会在塞锥前部区域汇聚，这部分电磁波所携带的能量被吸波材料吸收，降低了返回的电磁波的电场强度，进而降低了后向的RCS幅值。在入射角大于15°之后，在塞锥任何区域涂敷雷达吸波材料对轴对称喷管后向RCS的分布规律和幅值的影响都较小。

图8为垂直极化方式下不同塞锥区域涂敷设计方案的喷管RCS角向分布曲线。

由图可知，在5°入射角附近， RCS角向分布曲线在此入射角下出现一个波谷；Model 6、Model 7在此入射角下则出现一个波峰；在5°～15°入射角范围内，Model 5的RCS幅值低于Model 0、Model 6和Model 7，这主要是因为在该入射角范围内，Model 5所涂敷的塞锥区域处于入射电磁波经过壁面反射之后的区域。当入射角大于15°时，在塞锥区域涂敷雷达吸波材料还能保持一定的RCS缩减能力，Model 6和Model 7的RCS分布规律接近，与Model 5的分布规律存在差异。

表4为两种极化方式下三种不同塞锥涂敷方案的RCS均值和缩减效果特征参数。由表可知，在两种极化方式下，Model 5的RCS均值最小，Model 6的RCS均值最大；在塞锥区域涂敷雷达吸波材料，垂直极化方式下涂敷方案的RCS缩减能力优于水平极化方式下。所有涂敷方案中，Model 5单位面积的RCS缩减效率最大。

4 结论与分析

本文采用弹跳射线法对七种不同涂敷方案的轴对称塞式喷管的后向RCS特性进行了分析，结果表明：

（1）在喷管壁面和塞锥区域涂敷雷达吸波材料能够达到最好的RCS缩减效果。

（2）在两种极化方式下，在喷管喉道附近区域涂敷雷达吸波材料能够达到的RCS缩减效果较好，RCS缩减效果可以达到全涂敷方案的49%，但是涂敷面积仅占37%。

（3）在两种极化方式下，在塞锥前部区域涂敷雷达吸波材料设计方案的RCS缩减效果可以达到全涂敷方案的31%，涂敷面积仅占1.4%；Model 5方案的单位面积缩减效率最高。

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责任编校：裴媛慧，陈 强

Influence of Radar Absorbing Material on the RCS of Axisymmetric Plug Nozzle

GUO Xiao1，XIA Xinru1，CHEN Haobo2，LI Heng3，ZHAO Zhujun1

（1.School of Aeronautical Engineering，Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou 450046，China；

2.AVIC Jonhon Optronic Technology Co.Ltd.，Luoyang 471000，China；

3.Sichuan Gas Turbine Research Establishment，Aero Engine Corporation of China，Chengdu 610500，China）

Abstract：The aeroengine exhaust system" is the main contributor to the backward electromagnetic scattering of combat aircraft.It can effectively reduce the cross-sectional area of backward radar scattering by coating the radar absorbing material.Seven kinds of radar absorbing material （RAM） coating schemes were designed to get out the influence on radar cross section（RCS） of axisymmetric plug nozzle.The backward radar cross section distribution was studied by shooting and bouncing ray method.The numerical simulation results show that it can reduce the RCS by coating RAM on the nozzle wall surface and the plug wall surface.The better backward RCS reduction effect can be reached that coating RAM on the outlet aera under the premise by using less RAM.It can provide the largest reduction efficiency per unit area by coating RAM on the front plug area.

Key words：radar absorbing material;axisymmetric;plug nozzle;radar cross section；coating scheme