典型目標隱身特性分析與仿真評估研究

單震華

摘 要：本文通過對隱身戰斗機的隱身機理（包括雷達隱身和紅外隱身）進行分析，并在此基礎上對隱身目標進行三維建模以及電磁散射特性仿真分析，獲取典型隱身目標的全向RCS特性，為武器系統的設計提供支撐。

關鍵詞：典型目標 隱身特性 仿真評估

1引言

F-22和F-35是目前全球進入服役的第四代、多功能超聲速隱身戰斗機，代表了當今世界戰斗機的最高水平，具備隱身、超聲速巡航、非常規機動等諸多全新技術性能特征，尤其是其隱身特性相比三代機來說，有較大飛躍，對我國造成巨大的威脅，因此，開展對F-22和F-35的電磁散射特性研究，對我國防空武器的設計和研制尤其重要。

2隱身機理分析

2.1雷達隱身

2.1.1隱身外形設計

雷達的工作原理是當電磁波照射到目標上時會發生反射和散射，而雷達主要靠散射形成的回波來發現目標，隱身技術就是降低飛機對電磁波的散射程度。

不同波長的電磁波照射到飛機上的RCS差異很大，目前的防空雷達主要為分米波和厘米波，波長遠小于目標尺寸，回波是各個部分散射的矢量疊加，因此局部的點、線、面的散射源就成了研究重點。

飛機的外形設計會很大程度的影響飛機的RCS，因此進行外形優化設計是最好的隱身手段，而在隱身飛機設計時會注意到以下幾點。

（1）減小單一連續的平面面積，以降低鏡面散射效應，降低雷達散射信號。

（2）飛機表面應盡量平滑過渡，不要有任何缺口、突出物等任何劇烈變化、不平滑的地方，避免表面完整和有缺口的物體形成較大RCS差別。

（3）把強散射源變成弱散射源，對于一個球體，把它拍扁，再把邊緣銷尖，從一個較強的散射源變成了邊緣繞射或尖頂散射。圓柱體和紡錘體機身將邊緣做的尖尖的，形成尖劈角以減小RCS。飛機的進氣道、座艙和尾噴口在噴口做鋸齒處理，把強信號特征的邊緣繞射變為較弱的尖頂繞射，以減小RCS。

（4）對強散射源進行遮擋，對發動機進氣口進行遮擋、采用S型進氣道，使地面的防空雷達無法直接照射到發動機口，而在進氣口有金屬格柵，遮擋電磁波。

（5）控制散射方向，采用大后掠角機翼，把回波呈大角度散射開，以減小RCS，并避免互成90°的平面以降低角反射效應。

對于垂直角反射區域，將90°垂尾和尾翼改成V型垂尾，避免形成角反射器。

此外，還可集中將回波能量控制在很窄的方位內，可將飛機的機翼、尾翼等棱線設計為平行的，將散射面集中在同一個方向上，因此就算被雷達照射到了，也會一晃而過，RCS會瞬間急劇減小，雷達不能準確捕獲到。

2.1.2吸波材料

由于飛機的隱身特殊布局會受到空氣動力學的限制，其作用有限。其次RCS不僅和目標本身外形有關，也和物體的電磁特性有關，因此要采用吸波材料，能夠損耗掉入射的電磁波。

吸波材料又分為兩種，一種是涂覆上去的，另一種是結構型材料（如復合材料），F-117和B-2用的都是吸波涂料，所以每隔一段時間就要重新涂一遍，而且飛機還要付出額外的重量代價。

而對于復合材料，由于它本身具有一定的透波性和吸波性，而且復合材料的強度比金屬涂料的好，抗疲勞度高等優點，現代戰斗機在設計時會考慮大量采用復合材料，如F-35戰斗機的尾翼、機翼后襟及機身下方等很多地方都大量采用了復合材料。

2.2紅外隱身

紅外線也是一種電磁波，物體會向外發出紅外輻射，是一種高頻電磁波，高于任何一種雷達的頻率，所以幾乎不可能用電子手段進行干擾。所以要想降低紅外信號，最有效的就是降低溫度。

對于飛機來說，熱源就是氣動加熱、太陽輻射、尾噴口，最大的紅外輻射源是發動機的尾噴口，所要必須對飛機尾噴口進行處理。

如B-2的尾噴口是扁平狀的，可使與空氣接觸面變大且均勻，使排出的熱氣更快更多的與空氣接觸來降溫，還可以用擋板對排氣口進行遮擋。

3仿真分析

3.1F-22典型目標隱身特性分析

3.1.1目標三維建模

F-22采用翼身融合體，機翼為上單翼，采用修型的切尖菱形。根據F-22的幾何特性建立三維模型，模型如下圖所示。

3.1.2RCS仿真

采用P-UEST電磁仿真軟件，利用多層快速多極子算法（Multilevel Fast Multipole Algorithm，MLFMA）進行電磁散射特性仿真。X波段的仿真結果見下圖所示。

由仿真結果可見F-22在頭部水平面±30°范圍內的散射電平都很低，均值約-20dBsm，這和工業及情報部門對F-22隱身性能的認識非常吻合的。

3.2 F-35典型目標隱身特性分析

3.1.1目標三維建模

F-35在氣動設計上沿用了F-22研制中積累的主要設計、制造經驗，采用類似F-22戰斗機的常規氣動布局，根據F-35的幾何特性建立三維模型，并根據需要對模型進行修補或簡化，模型如下圖所示。

3.1.2RCS仿真

X波段的仿真過程及結果見下圖所示。

由仿真結果可見F-35在頭部方向水平面±30°范圍內的散射電平都很低，均值約-25dBsm。

4結論

通過對F-22和F-35典型隱身目標的機理分析，可知隱身技術的重點是外形隱身和材料隱身，以實現其頭向區域低可探測性。F-22戰機在頭部水平面±30°范圍內RCS均值約為-20dBsm，而F-35戰機在頭部水平面±30°范圍內RCS均值約為-25dBsm。

參考文獻：

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