飛翼布局雙站雷達散射截面仿真與分析

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(成都飛機工業(集團)有限責任公司技術中心，成都 610092)

飛翼布局雙站雷達散射截面仿真與分析

梁爽，聶暾，郭文，徐伊達，劉寧

(成都飛機工業(集團)有限責任公司技術中心，成都610092)

針對飛翼布局廣泛應用于隱身飛行器和雙站探測日益成為反隱身的重要手段，總結飛翼布局的雙站散射規律及雙站探測策略;采用多層快速多極子算法，仿真計算3種典型飛翼布局的雙站雷達散射截面;仿真計算結果表明，平行原則仍然適用于雙站雷達散射截面減縮；從反隱身角度考慮，接收雷達應布置在2倍機翼前緣/機身側棱后掠角和180°的雙站角位置，以捕捉目標較強的前向散射波峰；對抗水平極化的雷達，宜采用布局2和布局3形式的飛翼布局，對抗垂直極化的雷達，宜采用布局1和布局3形式的飛翼布局。

飛翼；雙站雷達散射截面；多層快速多極子；平行原則

0 引言

隱身技術可有效降低飛機被雷達發現及跟蹤的概率，提高飛機的生存力[1]。當前，外形隱身技術是最為有效的隱身手段，將入射波的后向散射回波(即單站情況)反射到重點角域范圍外，以降低正對雷達進行突防時的敏感性，提高突防能力。但若使用雙站雷達，則有可能在某些方向上捕捉到較強的前向散射回波，從而達到反隱身的目的。

宮健等[2]對某多面體外形隱身飛機進行雙站RCS仿真，得到該型隱身飛機雙站RCS隨頻率和雙站角變化的特性，以及有利于反隱身探測的方向。黃沛霖等[3]對某隱身飛機進行雙站RCS測試，得出雙站散射具有對稱性、相似性和弱耦合性的結論。寧超等[4]采用電磁理論預估和微博暗室測量相結合的方法，對某戰斗機的雙基地電磁散射特性進行了分析，得出電磁波迎頭方向入射時，雙站角較小時RCS無明顯增大趨勢，雙站角大于100°時明顯增大的趨勢的結論。聶亮等[5]采用時域有限差分法仿真計算了P、L波段高超聲速飛行器的雙站散射特性，并分析了入射波頻率和雙站角對RCS的影響。

飛翼布局由于無垂尾，消除了飛機在側向受雷達波照射時垂尾產生的強后向散射回波和垂尾與平尾之間由于耦合作用產生的二面角效應，使得飛機側向單站RCS大幅度降低[6]，同時由于采用扁平的機身和大后掠角機翼，其前向角域內單站RCS也處于較低的量級，由于具有上述優點，隱身飛機廣泛采用飛翼布局。隨著雙站雷達被廣泛用于探測隱身飛行器，總結飛翼布局雙站散射規律及對其雙站探測策略具有重要意義。對典型飛翼布局飛行器進行幾何建模和電磁建模，采用高精度快速RCS仿真分析算法，仿真計算并分析其雙站RCS規律，為飛翼布局的雙站隱身和反隱身提供數據參考。

1 仿真模型

為研究飛翼布局的雙站RCS散射規律，對3種具有代表性的飛翼進行仿真計算分析。其主要尺寸取自文獻[7]，未知尺寸結合三面圖和已知尺寸按比例推導得出。

布局1采用鉆石形平面形狀機身和靠后的機翼，機體具有單獨的側機身棱線，后緣為W形，每側機翼的前后緣平行，W形機翼的中間兩段與對側機翼的前緣平行且機翼翼尖切尖。布局2沒有單獨的側機身棱線，機身側棱和機翼前緣采用相同后掠角，機體前緣和后緣外廓線均呈V形，但互不平行。布局3機體呈鉆石形，機體外廓線由4條直線組成。上述3種飛翼布局形式的主要外形尺寸見圖1。

圖1中3種飛翼布局模型均采用NACA 63A006翼型通過放樣的方式形成，未考慮由于裝載、進排氣等因素在機背和機腹形成的凸起鼓包。采用這種近似平板形狀模型(如圖2所示)可排除進氣道、尾噴管等腔體和凸起曲面造成的多方位角鏡面反射等強散射源[8]，僅考察由布局形式不同所造成的不同雙站RCS特性。

圖2 近似平板模型示意圖

2 仿真計算狀態

L頻段是遠程地對空警戒雷達首選的頻段[9]，因此仿真頻率取L頻段。當電場方向平行于機體平面時為水平極化，垂直于機體平面時為垂直極化。雙站角定義為雷達發射機和接收機之間的夾角[10]，如圖3所示。由于考慮正對雷達突防時的雙站RCS，入射雷達波取0°方向，即垂直機頭方向入射。

圖3 雙站角定義

根據雙站RCS關于飛機縱向對稱面的對稱性[3]，只需仿真0°～180°雙站角范圍內雙站RCS，-180°～0°雙站角范圍內的雙站RCS可由其對稱得到。仰角在飛機對稱面內定義，由于隱身飛機最為關注的是前向威脅扇區仰角0°～10°內的RCS[11]，因此仿真計算了0°、5°和10°三個典型仰角的雙站RCS特性。

3 仿真算法選擇

RCS仿真計算算法分高頻近似算法和低頻精確算法兩種。高頻近似算法(如物理光學法、幾何光學法等)由于采取了一系列的近似假設[1]，具有計算效率高的優點，但由于假設目標照射陰影區表面電流為零，只適用于散射水平較高的常規飛行器RCS理論預估，若應用于隱身目標RCS計算會與真實值之間存在較大的誤差。低頻精確算法(如矩量法)采用的是嚴格的數值計算方法，具有計算結果精度高的優點，但計算量大導致其計算效率較低，一般多用于簡單外形目標的RCS仿真計算[12]。

多層快速多極子算法在矩量法基礎上由于采取一系列優化技術，將計算量降至O(NlogN)量級，存儲量降至O(N)量級，特別適合電大尺寸目標RCS的精確求解[13-14]。

由于采取了取消垂尾、采用扁平機身、大后掠角、平行設計等隱身措施，飛翼布局飛行器的電磁散射處于較低的水平。同時由于3個飛翼布局的電尺寸較大，屬于電大尺寸目標RCS求解問題，應采用多層快速多級子算法，在保證仿真計算精度的同時提高仿真效率。

4 仿真計算流程、結果及分析

4.1 仿真計算流程

仿真計算流程如圖4所示。首先是利用CAD軟件對飛翼外形進行幾何建模，并進行曲面質量檢查和修改，包括曲面的連續性、曲面的法向一致性、幾何清理等。再將曲面進行四邊形面元和三角面元網格混合剖分，并進行網格單元法向一致性、縱橫比、內角、最長邊/最短邊比值等項目檢查，并對不符合網格質量要求的面元進行調整直至網格質量符合要求為止。在獲得較高質量的網格后，進行仿真計算狀態定義，包括頻率、入射電磁波激勵、仰角、方位角、極化方式、雙站求解設置等，電磁建模完成后，進行仿真計算，并對計算結果進行后處理和分析。重復上述過程直到遍歷所有仰角。

圖4 仿真計算流程圖

4.2 布局1仿真計算結果及分析

布局1不同仰角下雙站RCS仿真計算結果如圖5所示。

圖5 布局1雙站RCS(水平極化)

圖6 布局1雙站RCS(垂直極化)

由圖5～6可見，在水平和垂直極化下，大部分雙站角對應的雙站RCS均在-10 dBsm以下，在0°～50°雙站角內更是降到-20 dBsm水平。全機雙站RCS曲線上呈現3個較為明顯的波峰，分析其對應的雙站角和布局1的幾何特征，3個波峰分別對應產生于機翼前緣、機體側棱和機體側向曲面，其中機翼前緣和機體側棱產生的波峰出現在2倍后掠角位置(雙站角64°和106°)，機體側向曲面產生的波峰出現在180°雙站角。水平極化下前2個峰值隨仰角的變化不敏感，180°雙站角對應的峰值隨仰角的增大略有降低。與水平極化相反的是，垂直極化下180°雙站角對應的峰值隨仰角的增大略有增加。

4.3 布局2仿真計算結果及分析

布局2不同仰角下雙站RCS仿真計算結果如圖7～8所示。

圖7 布局2雙站RCS(水平極化)

圖8 布局2雙站RCS(垂直極化)

由圖7可見，水平極化下0°～80°雙站角范圍內雙站RCS均處于-20 dBsm水平，全機RCS曲線呈現2個明顯波峰，分析其對應的雙站角和布局2的幾何特征，2個波峰分別對應產生于機翼前緣和機體側向曲面，機翼前緣對應的峰值隨仰角的變化不敏感，180°雙站角對應的峰值隨仰角的增大略有降低。

由圖8可見，垂直極化下全機RCS曲線呈現4個明顯的波峰，分析其對應的雙站角和布局2的幾何外形特征，前2個波峰(對應于38°和80°雙站角)分別為機翼和機身后緣隱區散射波峰，后2個波峰對應于機翼前緣和機體側向曲面的前向散射，除了機翼前緣前向散射波峰隨仰角的變化不敏感之外，其余3個波峰均隨著仰角的增大而增大。

4.4 布局3仿真計算結果及分析

布局3不同仰角下雙站RCS仿真計算結果如圖9～10所示。

圖9 布局3雙站RCS(水平極化)

圖10 布局3雙站RCS(垂直極化)

由圖9可見，水平極化下0°～80°雙站角范圍內RCS均處于-20 dBsm水平，全機RCS曲線呈現2個波峰，分析其對應的雙站角和布局3的幾何特征，2個波峰分別對應產生于機翼前緣和機體側向曲面，機翼前緣峰值隨仰角的變化不敏感，180°雙站角對應的峰值隨仰角的增大略有降低。

由圖10可見，垂直極化下全機RCS曲線呈現3個明顯的波峰，第1個波峰(對應于60°雙站角)為機翼后緣隱區散射波峰，后2個波峰對應于機翼前緣和機體側向曲面的前向散射，除了機翼前緣前向散射波峰隨仰角的變化不敏感之外，其余2個波峰均隨著仰角的增大而增大。

4.5 典型飛翼布局雙站RCS特性對比

在10°仰角下3種飛翼布局形式雙站RCS對比如圖11～12所示。

圖11 不同飛翼布局形式雙站RCS對比(水平極化) 圖12 不同飛翼布局形式雙站RCS對比(垂直極化)

由圖11可見，水平極化下0°～40°雙站角范圍內3種飛翼布局形式的雙站RCS均處于-20 dBsm水平，40°～110°雙站角范圍內布局1的雙站RCS明顯高于布局2和布局3，110°～180°雙站角范圍內布局2雙站RCS高于布局1和布局3。布局1由于機身側棱后掠角和機翼前緣后掠角不同，在0°～180°雙站角范圍內存在3個明顯的波峰，較之布局2和布局3在0°～180°雙站角范圍內存在2個明顯的波峰，雙站隱身特性更差。

由圖12可見，垂直極化下由于布局2未采用平行原則，0°～180°雙站角范圍內存在4個明顯的波峰，而布局1由于采用了平行原則將機翼/機身后緣隱區散射波峰合并入機翼前緣散射波峰中、布局2采用了只由4段直線組成的簡單外形，在0°～180°雙站角范圍內只存在3個明顯的波峰。

由于布局3的尺寸小于布局1和布局2，入射波又以較低的頻率入射，波長較長，布局3在L波段已進入諧振區，其雙站RCS曲線振蕩特性不如布局1和布局2劇烈。

5 結論

通過對3種典型飛翼布局進行雙站RCS仿真，在0°～30°雙站角范圍內3種飛翼布局在兩個極化下0°～10°仰角范圍內的雙站RCS均達到了-20 dBsm水平。同時可得出以下雙站散射規律和雙站探測策略。

1)與單站RCS減縮規律一樣，采用平行原則可在垂直極化下將翼面后緣的隱區散射波峰合并到前緣散射波峰中，減少波峰的數量，從而降低飛機被雷達探測的概率。

2)水平極化下180°雙站角對應的雙站RCS峰值隨仰角的增大略微減小，垂直極化相反；垂直極化下機翼前緣散射波峰隨仰角的增大而增大，水平極化下機翼前緣散射波峰隨仰角的變化不敏感。

3)從反隱身角度，接收雷達應布置在2倍機翼前緣/機身側棱后掠角和180°的雙站角位置，以捕捉目標較強的前向散射波峰。

4)對抗低頻水平極化的雷達，宜采用布局2和布局3形式的飛翼；對抗低頻垂直極化的雷達，宜采用布局1和布局3的形式的飛翼。

[1] 阮穎錚．雷達截面與隱身技術[M]．北京：國防工業出版社，1998

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SimulationandAnalysisofBistaticRCSofFlyingWings

Liang Shuang, Nie Tun, Guo Wen, Xu Yida, Liu Ning

(AVIC Chengdu Aircraft Industrial (Group) Co.,Ltd. Technical Center,Chengdu 610092,China)

It is important to summarize the bistatic RCS behavior and detecting strategy of flying wings with the flying wings widely used in stealth aircrafts and bistatic detecting has been anti-stealth measure. The bistatic RCS of three typical flying wings are numerically simulated with multilevel fast multipole algorithm (MLFMA). The numerical simulation results demonstrate the parallelism principle is also applicable to bistatic RCS reduction. The radar receiver should be located at twice the angle of wing leading edge or fuselage edge or at the bistatic angle of 180°in order to capture the strong forward-scattering RCS peak from anti-stealth point of view. It is appropriate to use configuration 2 and configuration 3 to confront the radar with horizontal polarization, and configuration 1 and configuration 3 are suitable to confront the radar with vertical polarization.

flying wings;bistatic radar cross section(bistatic RCS); multilevel fast multipole algorithm (MLFMA);parallelism principle

2017-05-16；

2017-06-07。

梁 爽(1982-)，男，四川自貢人，工學碩士，主管設計師(工程師)，主要從事飛機總體設計和隱身設計方向的研究。

1671-4598(2017)09-0242-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.062

V218

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