偏心比對(duì)S形流道雷達(dá)散射特性的影響

李岳鋒，廖華琳，卿太木，楊青真，母鴻瑞，鄧雪嬌

（1.中國(guó)渦輪燃?xì)庋芯吭海啥?10500；2.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072）

偏心比對(duì)S形流道雷達(dá)散射特性的影響

李岳鋒1，廖華琳1，卿太木1，楊青真2，母鴻瑞1，鄧雪嬌1

（1.中國(guó)渦輪燃?xì)庋芯吭海啥?10500；2.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072）

在進(jìn)/出口形狀、進(jìn)/出口面積、中心線變化規(guī)律、面積變化規(guī)律等設(shè)計(jì)參數(shù)不變的條件下，采用超橢圓方法設(shè)計(jì)了11種不同偏心比的S形流道。同時(shí)，借助迭代物理光學(xué)法與等效邊緣電磁流繞射方法，對(duì)不同偏心比的S形流道進(jìn)行了雷達(dá)散射特性的數(shù)值仿真分析。結(jié)果表明：若將不同偏心比S形流道的雷達(dá)散射截面變化曲線看作是波的傳播軌跡，相對(duì)于偏心比為0的流道，偏心比改變了波的相位、振幅；偏心比越大，其相位越滯后、振幅越小。

偏心比；迭代物理光學(xué)法；等效邊緣電磁流法；單端開口腔體；散射；繞射；雷達(dá)散射截面；隱身技術(shù)

1　引言

單端開口腔體結(jié)構(gòu)是雷達(dá)目標(biāo)的一類特殊結(jié)構(gòu)，通常會(huì)在一個(gè)較寬的頻段內(nèi)對(duì)目標(biāo)的雷達(dá)散射截面（RCS）產(chǎn)生很大貢獻(xiàn)。入射雷達(dá)波進(jìn)入單端開口腔體后，經(jīng)過腔體表面的直接反射、多次反射和口徑邊緣繞射，反射波沿入射方向返回被雷達(dá)直接接收，形成單站雷達(dá)主要的發(fā)現(xiàn)/鎖定信號(hào)。進(jìn)氣道和噴管是飛機(jī)上的典型單端開口腔體結(jié)構(gòu)，是飛機(jī)前向和后向主要的雷達(dá)散射源。其腔體結(jié)構(gòu)的特征尺寸與入射電磁波波長(zhǎng)相差較大，在電磁學(xué)上屬于電大尺寸結(jié)構(gòu)。同時(shí)，腔體結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在電磁波的多次反射，使得其電磁散射求解成為電磁學(xué)上的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電大尺寸腔體結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真算法進(jìn)行了充分的研究，以高頻算法和高低頻耦合算法為主，包括彈跳射線法［1］、導(dǎo)波模式法［2］、迭代物理光學(xué)法［3］及高低頻耦合算法［4-6］等。其中，迭代物理光學(xué)法因其精度高、占用內(nèi)存小等優(yōu)點(diǎn)，在電大尺寸腔體結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真中應(yīng)用較多。

目前，針對(duì)軍用飛機(jī)腔體強(qiáng)散射的抑制措施主要有如下幾種：①將進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)成背負(fù)式，利用機(jī)身對(duì)腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行遮擋，如美國(guó)的“全球鷹”隱身無人偵察機(jī)；②在進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)出口截面處采用網(wǎng)狀格柵，對(duì)入射和反射雷達(dá)波進(jìn)行過濾，如美國(guó)的F-117及RQ-170無人機(jī)；③將進(jìn)排氣系統(tǒng)流道設(shè)計(jì)成S形，以增加電磁波在流道內(nèi)部的反射次數(shù)，改變反射波方向，減弱反射波能量，如美國(guó)的F-117、B-2、F-22、F-35、X-47B等。現(xiàn)役隱身飛機(jī)有時(shí)也將①和③或②和③措施組合使用，如“全球鷹”采用的是①和③組合，而F-117、RQ-170采用②和③組合。由上述典型隱身飛機(jī)的組合隱身措施可知，將腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成S形是減小其雷達(dá)散射截面最有效的辦法之一。國(guó)內(nèi)外針對(duì)S形流道電磁散射特性的研究較多，但詳細(xì)分析不同偏心比對(duì)S形流道電磁散射特性的研究較少［7-8］。

通過對(duì)F-117、F-22、F-35及J-20等隱身飛機(jī)布局的分析可知，其進(jìn)氣道均采用平行四邊形或類菱形進(jìn)口，由此可推斷平行四邊形或類菱形進(jìn)出口流道是隱身飛機(jī)的較好選擇。基于上述分析，本文采用超橢圓方法設(shè)計(jì)了11種上下彎折、偏心比不同的菱形S形流道，并對(duì)這11種S形流道的電磁散射特性進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，研究結(jié)果可為此類S形流道的雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)提供參考。

2　物理模型

在進(jìn)口/出口形狀、進(jìn)口/出口面積、面積變化規(guī)律、中心線變化規(guī)律等設(shè)計(jì)參數(shù)不變的條件下，采用超橢圓方法［9］設(shè)計(jì)了11種不同偏心比的菱形S形流道，其中S形流道中心線選擇前急后緩、面積變化選擇緩急相當(dāng)?shù)淖兓?guī)律［10］。偏心比D/L的變化范圍為0～10/24，變化因子為1/24。圖1示出了偏心比為5/24的菱形S形流道，圖中D為S形流道進(jìn)出口截面中心點(diǎn)在垂直方向的距離，L為S形流道在水平方向的長(zhǎng)度，其菱形對(duì)角線比A/B為1.75。

圖1　偏心比為5/24的菱形S形流道Fig.1 Diamond S-shaped inlet/nozzle with eccentricity ratio 5/24

3　數(shù)值方法

主要采用等效邊緣電磁流方法（EEC）［11］模擬S形流道口徑邊緣繞射場(chǎng)的RCS，采用迭代物理光學(xué)法（IPO）［12］模擬S形流道腔體內(nèi)部散射場(chǎng)的RCS。由于迭代物理光學(xué)法基于物理光學(xué)近似，只有能相互照射的面元之間才能產(chǎn)生等效電磁流，因此在采用IPO方法計(jì)算等效電磁流之前，需要對(duì)腔體內(nèi)部壁面面元進(jìn)行遮擋關(guān)系判斷。本文采用文獻(xiàn)［13］提出的射線追蹤方法提高遮擋關(guān)系的判斷效率，進(jìn)而提高迭代物理光學(xué)法的計(jì)算效率。

因迭代物理光學(xué)法是高頻算法，在目標(biāo)特征尺寸遠(yuǎn)大于入射波波長(zhǎng)時(shí)目標(biāo)散射場(chǎng)的計(jì)算才有效。鑒于此，本文將研究的S流道終端處的旋轉(zhuǎn)部件假設(shè)為平面，以保證S形流道內(nèi)部散射場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性。其求解S形流道RCS的步驟如下：①根據(jù)入射場(chǎng)與電磁場(chǎng)等效原理，求得S形流道口徑面的等效電磁場(chǎng)；②根據(jù)S形流道口徑面上的等效電磁場(chǎng)，由Kirchhoff公式求得S形流道壁面上的初始磁場(chǎng)；③判斷S形噴管壁面各個(gè)面元之間的遮擋/照射關(guān)系；④根據(jù)遮擋/照射關(guān)系與磁場(chǎng)積分方程，迭代求得壁面各個(gè)面元的真實(shí)電磁流分布；⑤根據(jù)壁面的真實(shí)電磁流分布與Kirchhoff公式，求得S形流道口徑面上的電磁場(chǎng)分布；⑥根據(jù)等效原理，求得S形流道的反射電磁場(chǎng)；⑦根據(jù)入射電場(chǎng)與反射電場(chǎng)，求得S形噴管的RCS。

4　結(jié)果與分析

本文計(jì)算的入射波頻率 f=6 GHz，S形流道壁面采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為4萬。

4.1水平極化方式

圖2是水平極化方式下不同偏心比S形流道邊緣繞射場(chǎng)的RCS隨探測(cè)角的變化規(guī)律。因邊緣繞射場(chǎng)只與流道的進(jìn)出口形狀有關(guān)，而本文分析的11 種S形流道均為菱形過渡到圓的流道，所以不同偏心比S形流道邊緣繞射場(chǎng)的RCS變化規(guī)律保持一致。由圖2可知，在0°探測(cè)角時(shí)，S形流道邊緣繞射場(chǎng)的RCS最大。這主要是因?yàn)?°探測(cè)角時(shí)的入射電磁波與流道邊緣切向垂直，此時(shí)在邊緣任意點(diǎn)處產(chǎn)生的繞射場(chǎng)是以平面?zhèn)鞑サ男问较蛩闹苌⑸洌疚挠?jì)算的是單站雷達(dá)時(shí)的電磁特性，因此繞射場(chǎng)定有一條繞射波沿入射方向返回被雷達(dá)直接接收，導(dǎo)致0°探測(cè)角處的繞射場(chǎng)RCS最大。在0°～7°探測(cè)角范圍內(nèi)，邊緣繞射場(chǎng)的RCS呈快速下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)殡S著探測(cè)角度的偏大，在0°探測(cè)角形成的平面繞射場(chǎng)轉(zhuǎn)換成錐面繞射波，此時(shí)形成的繞射波與入射反向形成一定夾角，使得沿入射方向返回的繞射波急劇減少。在7°～40°探測(cè)角范圍內(nèi)，邊緣繞射場(chǎng)的RCS呈波狀變化，其波峰值呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，這與入射電場(chǎng)的極化方式密切相關(guān)。水平極化方式下邊緣繞射場(chǎng)的RCS在小探測(cè)角時(shí)會(huì)大幅度降低，在大探測(cè)角時(shí)呈緩慢升高趨勢(shì)。

圖2水平極化方式下邊緣繞射場(chǎng)的RCSFig.2 The RCS of diffraction under horizontal polarization

圖3是水平極化方式下11種不同偏心比S形流道腔體內(nèi)部散射場(chǎng)的RCS隨探測(cè)角的變化規(guī)律。可見，模型A處于0°探測(cè)角時(shí)其散射場(chǎng)的RCS最大，這主要是因?yàn)樵?°探測(cè)角時(shí)入射電磁波直射在假設(shè)的流道終端面上形成強(qiáng)反射導(dǎo)致。因?yàn)槟Ｐ虯的偏心比為0，因此其散射場(chǎng)的RCS關(guān)于0°探測(cè)角對(duì)稱。隨著探測(cè)角的增大，模型A散射場(chǎng)的RCS呈有波動(dòng)的降低趨勢(shì)。這主要是因?yàn)殡S著探測(cè)角的增大，入射波對(duì)流道假設(shè)終端面的直接照射變?yōu)閷?duì)流道下側(cè)壁面的斜照射，而呈波動(dòng)變化主要是與入射電磁波在空間呈波狀傳播有直接關(guān)系。

圖3　水平極化方式下內(nèi)腔散射場(chǎng)的RCSFig.3 The RCS of scattering under horizontal polarization

對(duì)比這11種模型發(fā)現(xiàn)，隨著偏心比的增大，S形流道散射場(chǎng)的RCS最大值偏離0°移向正探測(cè)角，且偏心比越大偏離的角度越大；帶有偏心比的10種S形流道散射場(chǎng)的RCS值不再關(guān)于0°探測(cè)角對(duì)稱，且偏心比越大正探測(cè)角與負(fù)探測(cè)角范圍內(nèi)的RCS值差異越大。造成最大值偏離的主要原因，是偏心比增大使得0°探測(cè)角時(shí)S形流道第一個(gè)拐彎處對(duì)其終端面的遮擋增大，此時(shí)入射電磁波只能部分或完全不能照射在S形流道終端的假設(shè)面上。上述分析既可說明S形流道最大值偏離0°探測(cè)角的原因，又可說明其最大值降低的原因。

值得注意的是，當(dāng)偏心比增大至6/24（模型G）與7/24（模型H）時(shí)，0°附近的RCS不再隨偏心比的增大而降低，而是略有升高，但其散射場(chǎng)的RCS還是遠(yuǎn)低于偏心比為0的流道。偏心比為7/24時(shí)偏離0°探測(cè)角的最大值也較其他S形流道有所提高。

分析模型A和模型B的RCS變化規(guī)律可知，若將模型A的變化規(guī)律視為波的傳播路徑，模型B相比模型A來說則是相位滯后、振幅降低的波的傳播路徑。推及到其余幾種S形流道中可以發(fā)現(xiàn)，偏心比越大，波的相位越滯后，其振幅越小。

綜合上述分析可知，S形流道相對(duì)直流道來說，其散射場(chǎng)的RCS有所降低，特別是偏心比越大，RCS降幅越大。其在-10°～10°探測(cè)角范圍內(nèi)散射場(chǎng)的RCS遠(yuǎn)小于直流道，這表明S形流道是降低腔體結(jié)構(gòu)RCS有效的手段之一。

圖4　垂直極化方式下邊緣繞射場(chǎng)的RCSFig.4 The RCS of diffraction under vertical polarization

4.2垂直極化方式

圖4是垂直極化方式下不同偏心比S形流道邊緣繞射場(chǎng)的RCS隨探測(cè)角的變化規(guī)律。與水平極化方式類似，在0°探測(cè)角處，S形流道邊緣繞射場(chǎng)的RCS最大。全局探測(cè)范圍內(nèi)，垂直極化方式下繞射場(chǎng)的RCS均高于水平極化。0°～40°探測(cè)角范圍內(nèi)，隨著探測(cè)角的增大，繞射場(chǎng)的RCS呈波狀變化，且波峰值緩慢降低、降幅較小，與水平極化方式下繞射場(chǎng)RCS先急速下降后緩慢升高的變化趨勢(shì)不同。

圖5是垂直極化方式下11種不同偏心比S形流道腔體內(nèi)部散射場(chǎng)的RCS隨探測(cè)角的變化規(guī)律。垂直極化與水平極化方式下散射場(chǎng)的RCS變化趨勢(shì)較為類似，但也有不同之處。相同之處在于模型G和模型H在0°探測(cè)角處的RCS有所回升，都可將11種流道散射場(chǎng)的RCS變化規(guī)律認(rèn)為是不同相位與振幅的波傳播路徑。不同之處在于模型A散射場(chǎng)的RCS變化趨勢(shì)有所不同，模型B～模型F在0°～10°探測(cè)角區(qū)間內(nèi)散射場(chǎng)的RCS降低幅度較大。

圖5　垂直極化方式下內(nèi)腔散射場(chǎng)的RCSFig.5 The RCS of scattering under vertical polarization

5　結(jié)論

（1）偏心比對(duì)S形流道邊緣繞射場(chǎng)的RCS無任何影響。

（2）在-10°～10°探測(cè)角范圍內(nèi)，偏心比可有效減小流道散射場(chǎng)的RCS，且隨著偏心比的增大其效果越明顯；在-20°～20°探測(cè)范圍內(nèi)，偏心比為5/24的S形流道較其他流道有更低的RCS。

（3）若將不同偏心比的RCS變化曲線看作是波的傳播路徑，相對(duì)于直流道，偏心比改變了波的相位、振幅，且偏心比越大，其相位越滯后、振幅越小。

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Investigation on radar cross-section of S-shaped channel with different eccentric ratio

LI Yue-feng1，LIAO Hua-lin1，QING Tai-mu1，YANG Qing-zhen2，MU Hong-rui1，DENG Xue-jiao1

（1.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China；2.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

Under the conditions where the shape and area of intake and outlet，the area variation and the center-line variation are constant，11 S-shaped diamond inlets/nozzles with different eccentricity-ratio were designed by the super-ellipse method.The radar cross-section（RCS）of the scattering filed were analyzed with iterative physical optic approach and equivalent edge currents method.The results show that if the change curve of the RCS of channel with different eccentricity is considered as the wave trajectory，com?pared with the channel with the eccentricity-ratio 0，the eccentricity-ratio changes the phase and amplitude of the wave.And the larger the eccentricity-ratio is，the phase lags more and the amplitude gets smaller.

eccentricityratio；iterativephysicalopticapproach（IPO）；equivalentedgecurrentsmethod（EEC）；open-ended cavity；scattering；diffraction；radar cross-section（RCS）；stealthtechnology

V228.7；V211

A

1672-2620（2016）04-0013-04

2016-06-27；

2016-08-11

李岳鋒（1984-），男，陜西富平人，博士，工程師，主要從事進(jìn)排氣系統(tǒng)氣動(dòng)、紅外及雷達(dá)隱身研究工作。