武裝無人直升機雷達散射截面特性計算及分析

何豐澤

雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS）是反映目標雷達散射特性的一個重要參數。本文建立了某武裝無人直升機的兩種幾何外形模型，采用物理光學法和等效電磁流法作為雷達散射截面數值計算方法，計算了雷達散射截面特性并進行了對比分析，提出了改進武裝無人直升機雷達隱身特性的措施。

近年來，無人駕駛技術的快速發展，無人機在現代戰爭中的發揮著越來越重要的作用。無人直升機作為無人機中重要的一類，它具有獨特的飛行性能及使用價值，正日益成為人們關注的焦點。

為了提高現代軍用直升機生存力和作戰能力，隱身技術已被逐漸采用。雷達隱身是直升機隱身技術的重要內容之一，同時也與直升機的氣動外形關系密切。國外對直升機隱身研究取得了不少成果。最為典型的是美國的“科曼奇”隱身武裝直升機。在雷達隱身方面，RAH-66“科曼奇”武裝直升機采用了多面體圓滑邊設計，并采用吸波材料，其雷達散射截面大約是AH-64D直升機的1/630，體現了其良好的雷達隱身性能。國內也積極開展了對直升機的雷達散射特性的研究。

蘇東林等人做了武裝直升機雷達散射截面估算方法研究；葉少波建立了武裝直升機隱身外形優化的計算機輔助設計軟件系統；蔣相聞等基于面元邊緣法做了某型武裝直升機雷達散射截面計算分析；包曉翔等對通用直升機的雷達散射特性進行計算及分析。但國內的研究起步較晚，與國外的先進水平還存在一定的差距，特別是在應用設計方面相對比較落后。

無人直升機不同于固定翼飛機，它飛行高度低，其雷達回波容易被山丘等障礙物遮擋，也可能被地面雜波淹沒；但由于直升機的飛行速度較慢，留給雷達的預警時間較長，因而較容易被雷達捕捉。因此，對于察打一體的武裝無人直升機而言，為了提高武裝無人直升機在現代戰場的生存能力，雷達隱身設計將會成為未來武裝無人直升機設計必不可少的一環。

本文對某型無人機直升機兩種不同外形的靜態雷達散射特性進行計算及對比分析。首先，建立無人直升機幾何外形模型；采用物理光學法（PO）和等效電磁流法（MEC）作為數值計算方法；然后計算并對比分析了兩種無人直升機的雷達散射特性；最后，借鑒直升機隱身設計技術，對未來武裝無人直升機的隱身發展提供了一些參考。

幾何建模及RCS計算

建立模型

本節利用三維CAD軟件CATIA，對國內某型武裝無人直升機進行構建幾何外形。為了方便雷達散射截面的計算，需要將整個飛機模型拼接成一個曲面。考慮到直升機進氣口一般帶有過濾網罩，其格柵間距比電磁波波長小，電磁波將無法進入進氣道而反射出去.因此在進氣處，利用封閉曲面等效代替過濾網罩。

為了便于計算，對無人機的一些其他部位也做了簡化處理。其CAD建模如圖1所示。

為了計算雷達散射截面值，需要在CATIA中劃分直升機幾何外形的三角形網格，并在模型曲率較大的地方采用了加密網格。

雷達散射截面計算方法

在雷達散射截面計算前，需將輸出的網格數據進行消隱遮擋處理，陰影區和被遮擋部件的面元和邊緣不參與雷達散射截面計算。

總目標雷達散射截面是所有n個面元和m個邊緣的雷達散射截面之和：

根據上述原理，利用雷達散射截面計算程序，對CATIA輸出地拓撲結構數據的網格文件進行雷達散射截面計算。

雷達散射截面計算結果與分析

通過計算分析武裝無人直升機雷達散射特性：方位特性、極化特性以及頻率特性。

由于無人直升機在空中時旋翼處于旋轉狀態，其雷達散射截面值隨時間周期性變化。在求靜態雷達散射截面值時，不考慮旋翼雷達散射截面變化的情況，在這里只計算槳葉處于頭尾向的情況。

計算狀態：俯仰角和滾轉角均取O°，選取S波段（3GHz）、C波段（6GHz），X波段（10GHz）、Ku波段（15GHz）4個波段，采用HH和VV兩種極化方式。其中O°為機頭方向，180°為機尾方向。計算結果如表l和圖3所示。

其中圖3的橫坐標表示方位角度數，縱坐標為雷達散射截面值，單位是-2dBm2。

根據以上圖表可得出：

在4個不同的波段上，頭向、尾向、側向±30°的雷達散射截面算術平均值分別為-3.14-1.97dB㎡，-1.3-0.87dB㎡，4.88-5.74dB㎡。

（1）方位特性

從波形圖可以看出，無人直升機雷達散射截面峰值出現在側面。從C波段來看，左側最大峰值為22.2dB㎡，右側最大峰值為20.8dB㎡。從無人直升機的幾何外形可以看出，機身側向具有曲率半徑較大的曲面，產生很強的鏡面回波；垂直尾翼在側向有較強的鏡面散射，同時與平尾構成二面角，散射極強；外置起落架以及外掛的武器彈藥也是較強的散射源。尾槳位于直升機左側，垂尾分布在右側，導致左右兩側雷達散射截面不完全對稱。

（2）極化特性

從表格及圖表數據來看，雷達散射截面在HH和VV兩種情況下變化不是很大，表明鏡面反射占雷達散射截面總體水平的主要部分。

（3）頻率特性

從總體上來看，雷達散射截面隨入射波頻率的增加而增大，這主要由鏡面散射的高頻效應（即鏡面散射強度隨頻率增加而增強）引起。

改型無人直升機雷達散射截面計算及分析

為了提高武裝無人直升機的氣動及雷達隱身特性，并使外形更加美觀，因此對無人機的外形進行了重新設計。整個無人機外形如圖4所示，整個機身采用了類似武裝直升機的設計，兩邊增加了副翼，整個機身橫截面傾向于呈六邊形，取代了曲率較大的機身側面。

為了驗證新外形的雷達隱身特性，對新的外形進行雷達散射截面計算，計算方法與前面一致。

（1）改型無人直升機全機雷達散熱特性

同之前的方法一致，對改型后的無人直升機進行劃分網格，計算方式與之前保持一致，俯仰角和滾轉角均取0°，選取S波段（3GHz）、C波段（6GHz）、X波段（10GHz）、Ku波段（15GHz）4個波段，采用HH和VV兩種極化方式。得到的結果如下表所示。

從表中可以看出，在4個不同的波段上，頭向、尾向、側向±30°的RCS算術平均值分別為-3.77～1.42dB㎡，-3.29～O.lldB㎡，2.59～5.lOdB㎡。

改型后的C波段的雷達散射截面方位特性圖如圖5所示，同時為了和基本型進行對比分析，圖6列出了C波段下兩個不同外形的無人直升機各部位雷達散射截面對比圖。

由此可知，改型后的無人直升機和改型前的雷達散射截面值相比：

1）在C波段下，HH極化方式下，頭向±30°雷達散射截面相比減小了24%，尾向±30°雷達散射截面減小了47%，左側±30°雷達散射截面相比減小了33%，右側±30°雷達散射截面減小了16%；

2）在C波段下，VV極化方式下，頭向±30°雷達散射截面相比減小了22%，尾向±30°雷達散射截面減小了50%，左側±30°雷達散射截面相比減小了30%，右側±30°雷達散射截面減小了17%。總體來說，改型之后的武裝無人直升機雷達散射截面特性有了20%左右的減小。

無人直升機總體的雷達散射截面值有了一定的減小，分析其原因主要應該是兩側的外掛武器形成較強的散射源，對機體的隱身特性造成較大的影響，并且機身側面曲率半徑較大，使得側面的雷達散射截面出現較大增加。其他大部分方位角的雷達散射截面繞-2dB㎡上下波動，并改型后的外形對于HH和VV兩種極化方式，變化也不敏感。

（2）武裝無人直升機各部位雷達散射截面分析

為了分析無人直升機的各部位雷達散射截面值，將改型的無人直升機各部件進行分別建模劃分網格進行計算。

如圖7所示，圖中列出了改型的無人直升機的各個部件在C波段下，采用HH極化方式得到的機頭及側面的雷達散射截面算術平均值。從圖中可以看出，主旋翼和機身的雷達散射截面值最大，起落架及武器外掛部分也占有較大部分雷達散射截面，由于垂尾在側向會產生較強的鏡面反射，使得垂尾的側向雷達散射截面值遠大與正面，對雷達隱身特性產生了較大的影響。

武裝無人直升機雷達隱身特性分析

無人直升機有廣闊的應用前景，它具有空中攝錄、監視與偵察、主動攻擊、中繼通信、空中科學試驗搭載平臺、模擬旋翼類靶標等功能。在未來的作戰領域，武裝無人直升機也將在其中發揮著重要作用。為了提高無人直升機的生存作戰能力，雷達隱身特性也將成為一項重要的戰術指標之一。對武裝無人直升機的雷達散射特性及雷達散射截面縮減研究有著重要的理論意義及實用價值。

根據直升機的雷達散射特性特點，并綜合之前的計算和分析可以得出：

（1）通過對某型的無人直升機進行計算分析后，這款無人直升機尺寸較小，前后向平均雷達散射截面面積在零點幾到幾平方米左右，側向雷達散射截面平均值在5dB㎡左右，具有較好的雷達隱身特性。

（2）直升機與其他飛行器最大的區別在于其機體頂部裝配有一個較大尺寸的旋翼，且旋翼槳葉前后緣與槳尖部位曲率較大，是直升機主要的強散射源之一。但是旋翼是直升機最主要氣動部件，提供了幾乎全部升力，還涉及噪聲振動等學科，難以采取外形隱身措施，可以通過采用吸波材料等措施加以改進。

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

（4）外掛武器系統也是較強的雷達散射源，但是外掛武器有發射彈藥、導彈飛行等使用要求，無法對滑軌、導彈彈體等直接進行外形隱身設計。可以考慮設計整形罩將武器外掛包裹其中，既可以降低雷達散射截面水平，又起到整流的作用。

（5）在機身側向，雷達散射截面峰值達到最大，對隱身的影響最大，采用傾斜平面式機身比大曲率半徑曲面機身雷達散射水平低，在滿足氣動和裝載容積要求的基礎上，采用相交傾斜平面式機身有利于提高直升機雷達隱身性能。為了消除垂尾在側面較強的雷達散射截面，可以采用傾斜式的垂尾或做成折線型以消除較大的鏡面反射。

結論

本文基于CATIA及雷達散射截面計算軟件，對同一武裝無人直升機的兩種不同外形進行了網格繪制建模，并分析估算了武裝無人直升機的整體及各部件的雷達散射截面特性，對兩者的計算結果進行了對比，最后對武裝無人直升機的雷達散射截面縮減進行了分析，根據數據及分析提出了一些改進措施，希望能夠對以后的無人直升機隱身設計提供了一些參考。