兩種通用直升機(jī)雷達(dá)散射特性計算與分析

包曉翔，張云飛，劉 凱

(北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

0 引言

通用直升機(jī)一般執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)人員運(yùn)輸、電子戰(zhàn)、空中救援、反潛、反艦、垂直補(bǔ)給等任務(wù)，是對地支援的主要武器，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越大的作用。但其速度低，敏捷性差，容易受到地面和空中武器系統(tǒng)的攻擊［1］。在日益先進(jìn)的反直升機(jī)兵器面前，不具備隱身能力的通用直升機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時的危險性將大大增加。因此，有必要對通用直升機(jī)雷達(dá)散射特性進(jìn)行研究。

國外在直升機(jī)隱身方面的研究取得了不少成果，典型的是美國的RAH-66“科曼奇”隱身武裝直升機(jī)的首飛成功。國內(nèi)積極開展了對直升機(jī)雷達(dá)散射特性的研究。蘇東林等［2］做了武裝直升機(jī)雷達(dá)散射截面估算方法研究;葉少波［3］建立了武裝直升機(jī)隱身外形優(yōu)化的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件系統(tǒng);喬倩等［4］利用計算機(jī)圖形算法，研究了某直升機(jī)RCS的計算方法。但缺乏對通用直升機(jī)的隱身設(shè)計研究。

本文對兩種通用直升機(jī)雷達(dá)散射特性進(jìn)行了計算。Ⅰ型通用直升機(jī)是用途較廣的一種多用途直升機(jī)，主要執(zhí)行向前沿陣地運(yùn)送突擊部隊和向?qū)γ婺繕?biāo)進(jìn)行攻擊及戰(zhàn)場搶救傷員，且其高原性能優(yōu)越;Ⅱ型直升機(jī)為國際合作研制的中型多用途直升機(jī)，用于海上和陸地執(zhí)行各種軍事任務(wù)。通過計算，分析影響雷達(dá)隱身性能的重要散射源及雷達(dá)散射特性，對于開展通用直升機(jī)雷達(dá)隱身設(shè)計研究具有重要的參考價值。

1 幾何建模及RCS計算

1.1 建立幾何外形

在CATIA中構(gòu)建兩種通用直升機(jī)幾何外形模型(見圖1)。其技術(shù)參數(shù)［5］見表1。

表1 兩種通用直升機(jī)技術(shù)參數(shù)

采用有限元軟件MSC.Patran劃分直升機(jī)幾何模型的三角形網(wǎng)格(見圖2)，在模型曲率較大的地方采用了加密網(wǎng)格，輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件。

1.2 RCS 計算方法

RCS計算采用高頻估算法，即利用物理光學(xué)(PO)法計算表面散射，利用等效電磁流法(MEC)計算劈邊散射，綜合表面和劈邊的貢獻(xiàn)即得目標(biāo)總的 RCS［6-7］。

圖1 兩種通用直升機(jī)幾何外形建模

圖2 網(wǎng)格劃分

RCS平方根的物理光學(xué)(PO)表達(dá)式為

式中:S為目標(biāo)受到雷達(dá)照射的部分表面;r為局部原點到表面單元dS的矢量;n為物體表面的單位法矢量;^er表示接受裝置電極化方向單位矢量。

等效電磁流(MEC)法計算邊緣繞射的RCS平方根的表達(dá)式為

式中:t為強(qiáng)制邊緣單位矢量方向;θ為入射線i與t的夾角;s為散射方向單位矢量，其它參數(shù)見參考文獻(xiàn)［8］。

目標(biāo)總RCS是所有n個面元和m個邊緣的RCS綜合相位之和

根據(jù)上述原理，用C語言編寫RCS計算程序，對CATIA輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的網(wǎng)格文件進(jìn)行RCS計算。

2 雷達(dá)散射特性分析

在2～18GHz頻率，HH和VV極化下，計算兩種通用直升機(jī)RCS隨方位角變化的特性。

由于直升機(jī)在空中時旋翼處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，其RCS隨時間周期性變化。計算靜態(tài)RCS時，考慮到最不利情況，將四片旋翼槳葉前緣法向分別沿平行和垂直于機(jī)身軸線的方向擺放。

計算狀態(tài)為:0°仰角，S(3GHz)、C(6GHz)、X(10GHz)、Ku(15GHz)四個波段，HH和VV極化。以下各圖中方位角180°為機(jī)頭方向，0°為尾向，90°/270°為機(jī)身側(cè)向。

表2 Ⅰ型通用直升機(jī)RCS算術(shù)平均值/(dBm2)

表3 Ⅱ型通用直升機(jī)RCS算術(shù)平均值/(dBm2)

由圖3～5及表2～3可得兩種通用直升機(jī)雷達(dá)散射特性:

1)雷達(dá)散射水平

在S、C、X、Ku四個波段，Ⅰ型通用直升機(jī)頭向、尾向、側(cè)向的±30°的RCS算術(shù)平均值分別為9.9～14.5dBm2、11.2 ～14.4dBm2、23.1 ～27.9dBm2。Ⅱ型通用直升機(jī)頭向、尾向、側(cè)向的±30°的RCS算術(shù)平均值分別為:9.1 ～ 12.5dBm2、5.1 ～ 10.0dBm2、23.1～28.7dBm2。其 RCS水平與同樣尺寸的戰(zhàn)斗機(jī)相當(dāng)。在側(cè)向，兩種直升機(jī)的RCS均值相當(dāng)。

2)方位特性

從圖1的幾何外形可看出，在機(jī)頭和機(jī)尾方向:復(fù)雜的槳轂、旋翼操縱系統(tǒng)及起落架系統(tǒng)(Ⅰ型直升機(jī))構(gòu)成直升機(jī)的主要散射源。在S和X段(圖3～4)，HH極化狀態(tài)下，Ⅰ型直升機(jī)頭向和尾向峰值比Ⅱ型直升機(jī)大，且Ⅰ型直升機(jī)頭向峰值范圍比Ⅱ型直升機(jī)的寬。主要是因為Ⅰ型直升機(jī)的起落架外置，Ⅱ型直升機(jī)在飛行時前起收入機(jī)身，主起收到整流罩中。在頭向和尾向，起落架的較強(qiáng)散射使Ⅰ型直升機(jī)的雷達(dá)水平較高。

Ⅰ、Ⅱ型直升機(jī)側(cè)向 RCS峰值達(dá)到了30～40dBm2量級。在機(jī)身側(cè)向，垂直尾翼有較強(qiáng)的鏡面散射(特別是Ⅱ型直升機(jī)的垂尾，近似于法線朝向側(cè)面的平板)，同時與平尾構(gòu)成二面角反射器，散射極強(qiáng)。

對于直升機(jī)體積最大的部件—機(jī)身，Ⅰ型直升機(jī)機(jī)身側(cè)面有曲率半徑較大的曲面，產(chǎn)生很強(qiáng)的鏡面回波;Ⅱ型直升機(jī)的機(jī)身側(cè)面由傾斜平面及棱邊構(gòu)成，與隱身直升機(jī)的外型相似，傾斜平面能使后向散射變?yōu)榉呛笙蛏⑸洌沟芒蛐椭鄙龣C(jī)的機(jī)身部件雷達(dá)散射水平比Ⅰ型直升機(jī)低(圖5)。

圖3 直升機(jī)S段，HH極化RCS特性

圖4 直升機(jī)X波段，HH極化RCS特性

圖5 兩種直升機(jī)機(jī)身部件側(cè)向RCS均值對比

3)極化特性

兩種通用直升機(jī)在HH和VV極化兩種情況下RCS差別很小。這是因為常規(guī)直升機(jī)的鏡面散射是主要散射源。

4)頻率特性

總體上，RCS隨入射波頻率的增加而增大，還是因為常規(guī)直升機(jī)鏡面散射的高頻效應(yīng)，即鏡面散射強(qiáng)度隨頻率增加而增大。

3 結(jié)論

1)兩種通用直升機(jī)雷達(dá)散射特性水平較高，在頭(尾)向RCS平均值為數(shù)平方米到數(shù)十平方米，在側(cè)向達(dá)數(shù)百平方米。

2)外置起落架是直升機(jī)較強(qiáng)的散射源，采用可收放式起落架不僅能降低散射水平，而且可以降低機(jī)身氣動阻力。

3)在機(jī)身側(cè)向，傾斜平面式機(jī)身比大曲率半徑曲面機(jī)身雷達(dá)散射水平低，在滿足氣動和裝載容積要求的基礎(chǔ)上，采用相交傾斜平面式機(jī)身有利于提高直升機(jī)雷達(dá)隱身性能。

［1］張呈林，郭才根.直升機(jī)總體設(shè)計［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［2］蘇東林，宗國民，呂善偉.武裝直升飛機(jī)雷達(dá)散射截面的估算方法.北京航空航天大學(xué)學(xué)報［J］，1994，20(3):248-252.

［3］葉少波.武裝直升機(jī)隱身外形優(yōu)化的計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)［D］.北京航空航天大學(xué)，2004.

［4］倪先平.直升機(jī)手冊［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2003.

［5］喬倩，許家棟，劉萌萌，等.直升機(jī)的RCS計算［J］.航空計算技術(shù)，2009，39(3):56-58.

［6］Youssef N N.Radar cross section of complex targets［C］//Proceedings of the IEEE 1989，77(5):722-734.

［7］Cui S M，Sakina K，Ando M.A mathematical proof of physical optics equivalent edge currents based upon the path of most rapid phase variation［J］.Ieice Transactions on Electronics，2000，E83-C:659-663.

［8］阮穎錚.雷達(dá)截面與隱身技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1998.