雷達吸波材料涂敷對軸對稱塞式噴管RCS的影響分析

摘 要：航空發動機排氣系統是作戰飛機后向電磁散射的主要貢獻源，在排氣系統涂敷雷達吸波材料能夠有效降低其后向雷達散射截面積。為了研究雷達吸波材料涂敷方案對軸對稱塞式噴管電磁散射特性的影響，設計了7種不同的涂敷方案，獲得了噴管后向雷達散射截面積分布。數值研究結果表明：在噴管壁面和塞錐壁面涂敷雷達吸波材料均能夠降低噴管后向的RCS；在噴管出口區域涂敷能夠在使用較少的雷達吸波材料的前提下，獲得較好的RCS縮減效果；在塞錐前部區域涂敷雷達吸波材料能夠提供最大的單位面積縮減效率。

關鍵詞：雷達吸波材料；軸對稱；塞式噴管；雷達散射截面積；涂敷方案

中圖分類號：V231" " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " 文章編號：1007 - 9734 （2024） 06 - 0031 - 07

0 引 言

隨著戰爭形態的改變，下一代作戰飛行器需要進一步提升自身的機動能力和隱身能力，從而提升作戰飛行器總體的生存率和隱蔽性［1］。航空發動機的尾噴管是典型的電大尺寸腔體結構，是飛行器后向電磁散射的主要貢獻源［2］。目前，常用于航空發動機噴管雷達散射截面積（RCS， radar cross section）縮減的措施主要是外形修形和涂敷雷達吸波材料（RAM， radar absorbing material）。雷達吸波材料通過將入射到吸波材料上的電磁波所攜帶的電磁能轉化成熱能耗散或者使電磁波因干涉而消失［3］。Mosallaei［4］等人采用遺傳算法得到吸波材料在矩形、球形等規則腔體的最優涂敷組合形式，獲得到最佳RCS縮減效果。何小祥［5］等人建立了非完全理想導體邊界的電磁散射問題理論模型，并將其開發的方法應用于內壁涂敷吸波材料的電大尺寸腔體的電磁散射分析中。王龍［6］等研究了不同電參數的雷達吸波材料涂敷對S彎進氣道的電磁特性影響，獲得了電參數對進氣道RCS的影響規律。西北工業大學楊青真［7］［8］團隊研究了雷達吸波材料涂敷位置對S彎噴管、球面收斂二元矢量噴管電磁散射特性的影響，以及不同涂敷位置對雷達吸波材料RCS縮減作用的影響。

塞式噴管作為一種機械調節式矢量噴管，具有較好的氣動性能和紅外抑制特性［9］，同時在電磁散射抑制方面也具有一定的優勢；與傳統鐘形噴管相比，塞式噴管可以作為一種高度補償類噴管應用于固體火箭發動機上。國內外學者針對塞式噴管的氣動、電磁散射和紅外輻射性能開展了一系列的研究。在氣動特性研究方面，國內學者采用實驗和計算模擬的方式研究了塞式噴管設計參數、冷卻措施對流場流動性能的影響。王旭［10］等人采用計算流體力學的方法分析了塞式噴管幾何設計參數—塞錐角度和幾何矢量角對噴管氣動性能的影響，數值分析結果表明高空狀態下塞式噴管的推力系數與地面狀態下相比有更大的損失；增加塞錐后體長度能夠縮短塞錐尾部低壓區。周兵［11］等人通過試驗測試的方式獲得了不同吹風比條件下，二元塞式噴管塞錐壁面多斜孔氣膜冷卻對塞錐壁面溫度、噴管出口截面處溫度以及對噴管紅外輻射特性的影響。試驗結果表明，增大吹風比可以有效提高氣膜的冷卻效率，降低噴管出口中心區域溫度，進而降低整個噴管后向的紅外輻射強度。征建生［12］針對塞錐所處工作環境的特點及其結構特點，提出了塞錐前緣弧面段沖擊冷卻與直段氣膜冷卻相結合的冷卻結構、塞錐后緣出口截面以內采用沖擊冷卻與出口截面以外采用氣膜冷卻相結合的冷卻方式，并對其影響塞錐表面冷卻特性和噴管氣動性能進行了數值研究，研究結果表明：噴管總壓恢復系數和推力系數隨著吹風比、開孔率和矢量偏轉的增加而下降。盛超［13］等人開展了熱態下塞式矢量噴管內流動特性的試驗，獲得了不同落壓比下塞式噴管幾何矢量角對塞式噴管總壓恢復系數、推力系數和氣動矢量角的影響規律。李泓瑾［14］等人采用數值仿真得到隨海拔高度變化時不同擴張比的塞式噴管推力性能的基本變化規律，數值結果表明塞式噴管的推力優勢會隨著海拔高度的提升有明顯的下降；在低海拔下，推力優勢明顯。李修明［15］等人針對導彈推進系統性能需求，設計了一套環喉形固體塞式噴管，通過移動膨脹唇部位置實現推力可調，對其推力性能進行了數值模擬預估和冷態試驗測試；結果表明測試結果與數值模擬結果得到的推力性能吻合，塞式噴管推力可實現4∶1的調節變化。在電磁散射方面，陳玲玲［16］等人研究了塞錐錐頂角對塞式噴管后向電磁散射特性的影響，數值計算結果表明塞錐的存在會增大0°探測角下噴管的雷達散射截面積；但是噴管后向整體的RCS均值得到了10%以上的降低。

綜合已有文獻發現，現有的研究主要集中在研究塞式噴管設計參數對噴管氣動性能特性和目標特性的研究，對RCS縮減措施尤其是雷達吸波材料涂敷對電磁散射特性影響的研究較少。為此，本文采用彈跳射線法對設計的7種雷達吸波材料涂敷方案的噴管后向RCS進行了計算分析。

1 計算模型與方法

1.1" 計算模型

本文中塞錐的前錐半錐頂角β固定為30°，塞錐后錐半錐頂角α固定為15°，塞錐半徑比固定為0.25（塞錐最大半徑r與內涵進口半徑R之比）。本文計算所用的軸對稱塞式噴管如圖1所示。

1.2" 雷達吸波材料涂敷方案設計

為研究介質在不同涂敷區域對軸對稱塞式噴管RCS的影響，且在仿真模擬中便于在不同區域進行介質涂敷，在設計涂敷方案時，需要考慮中心錐外表面和噴管殼體內外壁面，因此本文對噴管殼體及塞錐均進行了區域劃分，分別劃分出編碼為1、2、3、4、5、6的六個區域。對噴管殼體進行區域劃分，分別在距進氣口截面300mm處、600mm處、1000mm處、1400mm處、1700mm處建立平面，并對殼體進行拆分體操作，殼體區域劃分如圖2所示。

對塞錐進行區域劃分，根據塞錐自身幾何特征，分別在距塞錐后錐頂點200mm處、400mm處、460mm處、535mm處、635mm處建立平面，并對塞錐進行拆分體操作，塞錐區域劃分如圖3所示。

本文根據所劃分區域共設計8個涂敷方案，分別為涂敷外殼1、2區域，涂敷外殼3、4區域，涂敷外殼5、6區域，涂敷塞錐1、2區域，涂敷塞錐3、4區域，涂敷塞錐5、6區域，以下分別稱為Model 2、Model 3、Model 4、Model 5、Model 6、Model 7。一組對比方案不予涂敷，稱為Model 0；一組對比方案每個區域進行全涂敷，稱為Model 1。以全涂敷方案的涂敷面積為基準面積１，其他涂敷方案的面積與全涂敷相比確定其涂敷面積比例。噴管外壁面涂敷方案和塞錐涂敷方案分別如表1和表2所示。

2 計算方法

2.1" 彈跳射線法

本文采用彈跳射線算法模擬涂敷吸波材料的電大尺寸腔體電磁散射特性計算，研究不同涂敷位置對RCS的影響。首先用幾何光學射線來模擬入射電磁波在物體表面的多次反射，追蹤射線在傳播過程中的場強和相位變化，最后當射線離開物體時利用物理光學求解散射場，解決了物理光學法沒有考慮電磁波在目標表面多次反射的問題，該算法具有簡練容易實現、物理推導清晰、誤差小等優點[17]。

根據彈跳射線法，目標的總散射場為[18][19]：

[Esr，ω=jωZ0e-jrωc4πrcs×ss×n×Hr，ω+1Z0Er，ω×nejs?riωcds]" " （1）

式中E（[r]，ω）和H（[r]，ω）分別為目標表面處的總電場和總磁場。

2.2" 雷達吸波材料RCS縮減能力表征參數

在本文中，為準確描述吸波材料不同涂敷方案對于軸對稱塞式噴管RCS均值縮減能力的影響，定義如下兩個特征參數：縮減效果A[5]、單位面積提供的縮減效果B。

A= [σ0-σnσ0-σall] （2）

B= [Ak] （3）

式中：[k]為不同涂敷方案下涂敷面積所占比例；[σn]為不同涂敷方案下模型的RCS均值；[σ0]為未涂敷模型的RCS均值；[σall]為全涂敷方案下模型的RCS均值。

3 計算結果與分析

本文中，入射雷達波頻率為10GHz，入射角范圍為0°～30°，入射角設置如圖4所示。

3.1噴管壁面涂敷方案對RCS的影響分析

圖5所示為水平極化方式下不同噴管壁面涂敷設計方案RCS角向分布曲線。由圖可知，在大部分入射角下，在噴管外壁面涂敷雷達吸波材料能夠降低塞式噴管后向的RCS幅值，Model 1具有最優的RCS縮減能力。在0°～5°入射角范圍內，三種壁面涂敷方案與Model 0的RCS幅值差異較小。在5°～10°入射角范圍內，Model 2的RCS角向分布規律與Model 0接近且兩者的RCS幅值差較小，Model 3和Model 4與Model 1的角向分布規律存在比較大的差異。在該入射角范圍內，這兩種涂敷方案的RCS縮減能力較為明顯，這主要是因為在小入射角下，入射電磁波直接照射的區域主要是喉道及噴管出口區域，Model 2中在該區域無涂敷。當入射角大于10°之后，Model 2、Model 3和Model 4的后向RCS角向分布與Model 0接近，且RCS幅值差異較小；Model 2在更多的入射角下的RCS大于Model 3和Model 4，即Model 2在大入射角范圍內的RCS縮減能力較差，這主要是因為入射到Model 2涂敷區域的電磁波角度與壁面法向方向偏離較大，降低了吸波材料的RCS縮減能力。

圖6是垂直極化方式下不同噴管壁面涂敷設計方案RCS角向分布曲線。由圖可知，在靠近噴管入口區域涂敷吸波材料對噴管RCS的角向分布規律和幅值的影響均較小。在5°～15°入射角范圍內，Model 2和Model 3展現了較好的RCS縮減能力。當入射角大于15°之后，在壁面區域涂敷吸波材料的RCS縮減效果較差。

表3為兩種極化方式下不同壁面區域雷達吸波材料涂敷方案的RCS均值及特征參數。由表可知，在兩種極化方式下全涂敷方案都可以達到較好的RCS縮減效果。三種壁面涂敷方案，在水平極化方式下，Model 3的RCS均值最小，Model 4的單位面積提供的RCS縮減效率最高；在垂直極化方式下，Model 4的RCS均值最小，單位面積提供的RCS縮減效率也是最高的。綜合來看，三種涂敷方案中，Model 4的RCS縮減效果較好。

3.2" 塞錐表面涂敷方案對RCS的影響

圖7為水平極化方式下不同塞錐區域涂敷設計方案的RCS角向分布曲線。由圖可知，在大部分入射角范圍內，Model 6、Model 7的RCS角向分布規律與Model 0接近，與Model 0的RCS幅值差較小；在5°～10°入射角范圍內，Model 5與其他涂敷方案的RCS幅值差較大。在部分入射角下，塞錐區域涂敷設計方案的RCS幅值會大于Model 0，這可能是因為在這些入射角下，入射雷達波在經過塞錐與壁面的反射后會在塞錐前部區域匯聚，這部分電磁波所攜帶的能量被吸波材料吸收，降低了返回的電磁波的電場強度，進而降低了后向的RCS幅值。在入射角大于15°之后，在塞錐任何區域涂敷雷達吸波材料對軸對稱噴管后向RCS的分布規律和幅值的影響都較小。

圖8為垂直極化方式下不同塞錐區域涂敷設計方案的噴管RCS角向分布曲線。

由圖可知，在5°入射角附近， RCS角向分布曲線在此入射角下出現一個波谷；Model 6、Model 7在此入射角下則出現一個波峰；在5°～15°入射角范圍內，Model 5的RCS幅值低于Model 0、Model 6和Model 7，這主要是因為在該入射角范圍內，Model 5所涂敷的塞錐區域處于入射電磁波經過壁面反射之后的區域。當入射角大于15°時，在塞錐區域涂敷雷達吸波材料還能保持一定的RCS縮減能力，Model 6和Model 7的RCS分布規律接近，與Model 5的分布規律存在差異。

表4為兩種極化方式下三種不同塞錐涂敷方案的RCS均值和縮減效果特征參數。由表可知，在兩種極化方式下，Model 5的RCS均值最小，Model 6的RCS均值最大；在塞錐區域涂敷雷達吸波材料，垂直極化方式下涂敷方案的RCS縮減能力優于水平極化方式下。所有涂敷方案中，Model 5單位面積的RCS縮減效率最大。

4 結論與分析

本文采用彈跳射線法對七種不同涂敷方案的軸對稱塞式噴管的后向RCS特性進行了分析，結果表明：

（1）在噴管壁面和塞錐區域涂敷雷達吸波材料能夠達到最好的RCS縮減效果。

（2）在兩種極化方式下，在噴管喉道附近區域涂敷雷達吸波材料能夠達到的RCS縮減效果較好，RCS縮減效果可以達到全涂敷方案的49%，但是涂敷面積僅占37%。

（3）在兩種極化方式下，在塞錐前部區域涂敷雷達吸波材料設計方案的RCS縮減效果可以達到全涂敷方案的31%，涂敷面積僅占1.4%；Model 5方案的單位面積縮減效率最高。

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責任編校：裴媛慧，陳 強

Influence of Radar Absorbing Material on the RCS of Axisymmetric Plug Nozzle

GUO Xiao1，XIA Xinru1，CHEN Haobo2，LI Heng3，ZHAO Zhujun1

（1.School of Aeronautical Engineering，Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou 450046，China；

2.AVIC Jonhon Optronic Technology Co.Ltd.，Luoyang 471000，China；

3.Sichuan Gas Turbine Research Establishment，Aero Engine Corporation of China，Chengdu 610500，China）

Abstract：The aeroengine exhaust system" is the main contributor to the backward electromagnetic scattering of combat aircraft.It can effectively reduce the cross-sectional area of backward radar scattering by coating the radar absorbing material.Seven kinds of radar absorbing material （RAM） coating schemes were designed to get out the influence on radar cross section（RCS） of axisymmetric plug nozzle.The backward radar cross section distribution was studied by shooting and bouncing ray method.The numerical simulation results show that it can reduce the RCS by coating RAM on the nozzle wall surface and the plug wall surface.The better backward RCS reduction effect can be reached that coating RAM on the outlet aera under the premise by using less RAM.It can provide the largest reduction efficiency per unit area by coating RAM on the front plug area.

Key words：radar absorbing material;axisymmetric;plug nozzle;radar cross section；coating scheme