中心線形狀對S形二元收斂噴管雷達隱身設計的影響

傅莉，王俊華，宮禹，徐悅

（1.沈陽航空航天大學自動化學院，沈陽 110136；2.中國人民解放軍93808部隊，蘭州730000 3.航空工業(yè)沈陽飛機設計研究所，沈陽 110135；4.航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司4，沈陽 110000）

0 引言

戰(zhàn)機隱身性能已經成為衡量現代戰(zhàn)機性能最重要的一項指標，目前戰(zhàn)機的前向和側向隱身已通過外形設計和隱身涂層基本解決，而后向的隱身成為最大的問題，直接決定戰(zhàn)機綜合隱身性能，而戰(zhàn)機發(fā)動機尾噴管作為腔體結構是戰(zhàn)機后向重要的雷達散射源之一[1-3]，成為影響戰(zhàn)機后向隱身性能的最重要部件。雷達波進入腔體結構后，經過其內部表面的多次反射及渦輪葉片的反射和其邊緣繞射[4]，最后返回入射方向，其在入射方向上達到10多個dBm2以上的雷達散射截面RCS影響。分析研究并設法降低發(fā)動機尾噴管的RCS已成為戰(zhàn)機隱身技術領域的重要課題。

戰(zhàn)機發(fā)動機噴管作為發(fā)動機排氣和推進的重要部件，其尾部的高溫射流也是紅外探測器探測的重要目標，因此在隱身噴管的設計時不僅要降低雷達信號而且也要降低其紅外信號。國內外現役和在研制中的能夠有效降低雷達信號和紅外信號強度的噴管主要有3大形式。二元噴管，典型的是F-22戰(zhàn)斗機尾噴管；S形噴管，典型的是B-2轟炸機尾噴管；鋸齒裙邊形噴管，典型的是F-35戰(zhàn)斗機尾噴管。研究表明：S形噴管隱身性能最優(yōu)，S形噴管不僅可以增加電磁波在噴管內腔的反射次數減弱和減少回波，而且在某些重點姿態(tài)角下，S形腔體結構可以有效遮擋其內部高溫部件，減小其紅外目標特征。查閱文獻可知[5-7]，國外S形噴管技術的發(fā)展已經相當成熟，并且經過了實戰(zhàn)的驗證。目前，中國已有不少院校及科研院所開展了對S形噴管的相關研究，大多都集中在S形噴管的型面設計、復雜流動機理、紅外輻射特性的研究。針對S形噴管電磁散射特性的研究很少，只有李岳鋒等[8-9]研究了出口寬高比對S形二元收斂噴管雷達散射截面的影響及不同出口形狀S形噴管的RCS特性，暫時未開展中心線形狀變化規(guī)律對S形噴管隱身性能影響的研究。

綜上所述，本文結合文獻[8]中的超橢圓方法在相同的截面積變化規(guī)律條件下設計了5種不同中心線形狀變化規(guī)律的S形二元收斂噴管，利用三維建模軟件進行建模，并且基于多層快速多極子方法[10]MLFMM進行仿真計算和分析，系統(tǒng)的開展中心線形狀變化規(guī)律對雷達隱身特性的影響研究，為S形二元收斂噴管隱身設計提供相關參考。

1 RCS基本概念及模型的建立

1.1 RCS基本概念

物體被電磁波照射，能量向各方向分布稱為電磁散射，物體本身通常稱作目標或者散射體。返回到波源方向的散射能量（后向散射）形成物體的雷達回波，目標回波的強度及電磁散射特性通常以RCS表征。RCS是雷達隱身技術中的關鍵概念，表征了目標在雷達波照射下所產生回波強度的一種物理量[11]。

RCS定義

式中：R為目標到雷達天線的距離；Ss為天線位置上目標散射的功率密度；Si為目標所在位置天線輻射功率密度。

引入電場和磁場的概念，式（1）還可表示為

式中：Ei、Hi分別為雷達波入射到目標所在位置上的電場強度和磁場強度；Es、Hs分別為目標散射場在雷達天線處可被天線接收的電場強度和磁場強度。

σ的單位為m2。為便于運算和分布曲線的表達，在多數情況下，σ的單位取作dBm2（分貝平方米）。用以上2種單位表示的RCS存在如下換算關系[12]

1.2 噴管的設計建模

本文研究的5種不同中心線變換規(guī)律的S形收斂噴管均結合文獻超橢圓方法設計，其面積變化規(guī)律均采用文獻[13]提出的緩急相當的變化規(guī)律，其中噴管進口面積等于發(fā)動機渦輪出口面積，尾噴管進、出口面積比和截面縱向偏距相同。S形噴管基本幾何參數見表1。

表1 S形噴管基本外形尺寸參數

中心線變化規(guī)律選取文獻[14]中的5種中心線，編號為C、D、B的中心線方程是文獻[13]中常見的3條曲線。曲線形式如圖1所示，從左至右中心線方程拐點的x坐標逐漸增加，方程見表2。

圖1 5條中心線方程的曲線形式

表2 中心線方程及參數

利用CATIA軟件曲面造型功能對5種不同中心線變化規(guī)律的S形二元收斂噴管造型，得到噴管3D型面，中心線C變化規(guī)律的模型如圖2所示，由于篇幅原因其他4種模型省略。

圖2 中心線C變化規(guī)律下S形噴管模型

2 FEKO軟件及仿真計算

目標電磁散射特性的獲得有測量和計算2種方法。由于測量法需要嚴格的環(huán)境條件而且耗費資源，所以仿真計算成為大家青睞的方法，FEKO軟件方便簡單而且準確快速[9]，被廣為使用。FEKO計算目標RCS時有很多算法，用戶可根據目標大小、精確度、計算效率選擇合適的算法。基于模型的尺寸大小為非電大問題，選擇經典的多層快速多極子方法（MLFMM），在保持精度的前提下是計算尾噴管RCS的最佳選擇，能夠方便、快速、精確地分析尾噴管的雷達散射特性。對于FEKO軟件MLFMM算法的可靠性，文獻[15]已經驗證。

目前對于軍用飛機構成威脅的雷達主要是預警雷達和火控雷達，波段主要是Ku、X、C、S和L波段，均屬于厘米波段。綜合考慮隱身飛機面對的最大威脅來自與S和L波段的預警雷達，所以仿真計算分別選取L、S波段下的典型頻率1、3 GHz，使用三角形面元網格計算，最大尺寸λ/8。考慮到計算量及形隱身噴管上下彎折的原因，本文只考慮噴管在紅線方位角上的雷達散射特性。電磁波入射方位角如圖3所示。雷達波沿紅線方位角入射，入射角度為Φ=-45°～45°，間隔0.5°入射，基于單站雷達，在水平極化和垂直極化2種條件下，采用Intel（R）Xeon（R）CPU、48 G內存計算機進行計算。

圖3 電磁波入射方位角

3 計算結果及分析

在水平極化頻率為1、3 GHz下不同中心線尾噴管RCS如圖4所示。總體看仿真結果以Φ=0°對稱分布，這與模型的對稱結構相吻合，間接的證明了算法的準確性。在尾噴管進口采取短路設置下，尾噴管腔體散射效應隨著中心線變化規(guī)律不同表現出不同的電磁散射特性，充分說明了在截面積變化規(guī)律相同的情況下，中心線變化規(guī)律影響著尾噴管電磁散射特性。

圖4 在水平極化頻率為1、3 GHz下不同中心線尾噴管RCS

從圖4（a）中可見，在水平極化頻率為1 GHz下，在入射角為-10°～10°時，中心線A的噴管RCS最大，而中心線E的噴管RCS最小，隨著中心線拐點逐漸前移，尾噴管RCS逐漸減小，在0°位置RCS最大差距為10 dBm2左右；在入射角為10°～30°時隨著入射角的增大中心線A、B和D的噴管RCS很快減小，其中中心線D的噴管降得最快RCS最小，而中心線C和E的噴管RCS逐漸增大到最大而后逐漸減小，整個變化率比較平緩。隨著入射角進一步增大時，5種中心線的噴管RCS基本有著相同的變化趨勢。

從圖4（b）中可見，在水平極化頻率為3 GHz下5種噴管整體上相比于水平極化頻率為1 GHz下的表現出不同的變化規(guī)律，整體RCS波動更大，在0°處中心線C的噴管RCS最大，中心線B的噴管RCS最小；隨著入射角的增大中心線C的噴管RCS快速減小，而中心線B的噴管快速增大，其他3種噴管RCS變化幅度比較平緩；隨著入射角進一步增大，5種噴管表現出了不同的變化規(guī)律。

在垂直極化頻率為1、3 GHz下不同中心線尾噴管的RCS如圖5所示。從圖中可見，與水平極化下表現出了一樣的對稱性，不同中心線的噴管表現出了不同的電磁散射特性，限于篇幅不再詳細展開分析。

圖5 在垂直極化頻率為1、3 GHz下不同中心線尾噴管RCS

為了綜合分析5種不同中心線尾噴管隱身性能，給出頻率1、3 GHz時水平極化及垂直極化下-30°～30°RCS均值，見表3。

表3 5種中心線尾噴管-30°～30°RCS均值dBm2

從表中可見，在不同頻率、不同極化條件下，5種噴管表現出不同的變化規(guī)律，RCS平均值最高的是1 GHz、水平極化條件下中心線B的噴管，其值為2.711dBm2；平均值最低的是3 GHz、水平極化條件下中心線E的噴管，其值為-2.209 dBm2。綜合分析可知中心線C的噴管整體雷達隱身性能較好，RCS平均值最高為0.953 dBm2、最低為-1.3 dBm2；其次為中心線E的噴管，RCS平均值最高為1.61 dBm2、最低為-2.209 dBm2。

4 結論

（1）中心線影響著噴管的雷達隱身性能，5種中心線噴管在不同頻率和不同極化條件下，表現出不同變化規(guī)律的雷達隱身特性。

（2）綜合分析5種中心線噴管雷達隱身性能，在緩急相當的截面積規(guī)律下，中心線C（緩急相當）的噴管整體雷達隱身性能較好，RCS平均值最高為0.953 dBm2、最低為-1.3 dBm2；其次為中心線E（前急后緩）的噴管，RCS平均值最高為1.61 dBm2、最低為-2.209 dBm2。設計高隱身性S形二元收斂噴管時應首先考慮使用中心線C和E。

本文只研究了中心線對S形二元收斂噴管雷達隱身性能的影響，中心線變化對S形二元收斂噴管氣動和紅外隱身性能的影響研究將在后續(xù)工作中進行，為設計氣動性能和隱身性能兼優(yōu)的S形二元收斂噴管提供理論參考。