机载设备结构隐身研发

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随着科技的发展，声达、雷达、红外等探测系统发现、跟踪目标的能力越来越强，新型远程雷达、先进探测系统和精确制导武器的技术飞速发展，也使得空间战场环境变得更加复杂。如何在满足各种力学特性的前提下，提高飞机突防能力和战场生存能力，是各国军方一直致力解决的问题，而战场生存能力的重要标志之一就是飞机自身的隐身能力。安装在飞行器外表面的机载设备作为内部系统与外界的连接环节，其功能是保护组件内部结构，有效隔离外界影响，具有对多波段雷达探测的隐身能力，同时降低对飞行器气动性能的影响。机载设备作为飞行器外表面的一部分，它的存在必然对飞行器的整体隐身特性造成影响，因此，隐身指标是机载设备设计的重要约束条件，在这类机载设备的结构设计过程中，除了要考虑气动特性和强度要求以外，还要通过对机载设备外形、结构细节进行巧妙设计，尽量减少对雷达波的反射，降低组件信号特征，使其满足隐身指标要求。本文主要围绕机载设备中与隐身要求相关的组件结构设计，从结构设计、仿真分析、测试验证等几个方面，开展针对雷达波的隐身设计技术研究。

1雷达波隐身原理

麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流的概念，揭示了自然界变化的电场和变化的磁场能够相互激发，形成统一的电磁场整体，而变化的电磁场在空问的传播就形成了电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论的基本方程，可以解决给定条件下电磁波传播和辐射问题…。雷达波是一种电磁波。雷达波照射在物体上会形成反射波、绕射波、爬行波等多种电磁散射。若这些散射波被敌方搜索系统捕捉到，就会勾勒出我方目标的大致形态和方位，散射波的强度越大，越容易被捕捉。描述雷达波散射强弱的指标就是雷达散射截面，是指目标对入射雷达波呈现的有效散射面积(RadarCrossSection，RCS)。式(1)为雷达散射截面计算公式式中：E为入射雷达波在目标处的电磁场强度；。为目标散射波在雷达处的电磁场强度；为目标所呈现的有效散射面积；R为目标到雷达天线的距离；R∞为目标处的入射波和雷达处的散射波都具有平面波的性质。因而消除了距离尺对雷达截面的影响。表l列出了不同物体雷达散射特性量级比较。通俗地讲，雷达波隐身就是要尽可能降低目标的雷达波散射截面。根据雷达波不同散射回波的的生成机理，经典的隐身设计方法通常在以下5个方面采取措施，尽量降低目标的散射回波：

(1)外形上可尽量多使用平行设计；

(2)各种接合部、口盖的边缘设计成锯齿形；

(3)平面部分尽量采用“V”字形斜面设计；

(4)保证设备表面电连续性；

(5)采用可伸缩机构等。

2机载设备隐身设计技术研究

实现机载设备隐身设计的技术途径主要包括构型隐身技术和雷达吸波材料技术。其中，构型隐身技术是通过目标的非常规结构设计形式降低其RCS，而雷达吸波技术是指利用雷达吸波材料吸收衰减入射的电磁波，并将其电磁能转换为热能耗散掉或使电磁波因干涉而消失的技术。由于物体会反射照向它的雷达波，从而被敌方雷达发现。因此，隐身设计的目标就是利用多种途径，尽量减少自身的特征信号，降低对外来电磁波的反射，通过对机载设备特征的有效控制，达到与所处环境难以区分的目的。对于机载设备来说，隐身设计主要针对单站雷达，隐身设计的要求就是在一定波段和探测方位上，通过合理的设计方案使机载设备RCS实物测试指标满足隐身设计要求。机载设备的隐身设计主要解决以下3个方面的技术问题：

(1)构形设计技术；

(2)二面角反射消除技术；

(3)外表面电连续性设计技术。

2．1构型设计技术

图l是球面目标散射雷达波的效果示意图…。球面目标对雷达波的散射强度和方向都一致，因而无法将回波偏转到远离雷达波入射方向，不能达到隐身效果。因此，机载设备外表面设计通常采用多面拼接技术。相比球形设计，其主要优点是气动性能好，并能够在一定角度范围内实现隐身。机载设备的隐身设计主要针对单站雷达，考虑到单站雷达的探测角一定，为了达到降低RCS的目的，设计机载设备构形时，应尽量使构形表面设计成与飞行器后掠角一致或平行的方向，以便将雷达波偏转出去，避开辐射源。由于正对鼻锥方向的散射回波很小，机载设备拼接面设计时，可根据需要将关心区域的设备构形设计成鼻锥形式，将雷达散射引导向少数几个窄的方位角内，从而保证机载设备在敏感方向上的回波很小。利用仿真计算可得到不同倾角组合的RCS数值，通过综合考虑机载设备内部功能组件布局空间的要求，以及机载设备结构强度、气动特性和隐身特性等设计指标要求，确定机载设备构形设计的最优方案。

2．2二面角反射消除技术

机载设备需要通过各种紧固方法将各类结构零部件组合在一起，并安装在飞行器上，因此在零件支撑部位和安装结合处等都有可能形成二面角结构。二面角是一种强反射源结构，图2为零件安装结合处产生的二面角反射示意图。根据雷达波散射原理，入射波会在二面角内经反复后从原路返回。因此，二面角构形属于强反射结构，在结构的隐身设计中是要严格回避的。为了避免在上述部位形成二面角反射，在设计方案上采取以下措施：

(1)在零件支撑部位，尽量采用楔形或锯齿结构取代传统的直角结构；

(2)外露的安装结合部位，采用沉陷方式将被联接的两个结构的外表面齐平。改进设计后，安装结合部位的结构设计示意图，如图3所示。

2．3外表面电连续性设计技术

根据麦克斯韦方程理论，当电磁波照射到目标表面时，能够在目标表面形成电场一磁场一电场的交替分布，当目标表面电连续性被突然中断时，则在中断处会产生新的散射源，通常造成目标表面电连续中断的因素有以下2点：

(1)介质突变，如不同材质零件之间的连接处；

(2)表面不平滑，如安装结合处的凹槽和紧固件突起的端头等。图4、图5分别表示了由于介质突变和表面凹槽形成散射源的情况示意图。为了实现机载设备表面组装零件之间的电连续，在设计方案上可采取以下措施：

(1)在非金属零件表面增加导电膜面，并使其与金属零件表面齐平，零件之间电极相互延伸搭接在一起，解决介质突变的问题；

(2)安装部位两边表面齐平，在安装结合处填充导电胶，填缝表面与结合处两边平齐；

(3)紧固件端头不得高于被紧固表面，端头沉陷处用导电胶填平。

3机载设备RCS仿真计算

在设计阶段，无法采用实测方法预估所设计结构的目标特性，而且由于机载设备结构的复杂性，导致其对隐身特性的影响不能直观判断，因此，必须通过电磁仿真的手段进行计算评估，以便将雷达反射截面限制在一定的范围之内。目前，比较有代表性的RCS仿真计算方法主要有代表高频方法的IPO，代表频域方法的MOM和代表时域方法的FDTD。FDTD是一种时域有限有限差分法，FDTD算法对求解区域进行体网格剖分，能够精确的描述求解区域的高度非均匀特性，由于在实际的应用系统中，机载设备内部的功能组件不能近似为理想导体，而是介质与金属混合的复杂电磁目标，因而对于需要综合考虑系统内外结构的RCS效应时，FDTD算法是一种较适合的选择。机载设备的RCS仿真分析，根据功能系统的特殊性和RCS指标的具体要求，主要采用FDTD算法进行RCS计算，并在不同波段，分别采用IPO法、MOM法进行验算。由于结构设计在UG软件等三维设计软件中完成，为了提高结构数字化模型向FDTD算法软件中转换的效率，专门针对UG软件和FDTD计算软件之间数据传输接口进行了研制开发，使得网格剖分模块和电磁计算模块与UG软件能够无缝链接，实现了结构设计、RCS仿真与优化的自动化过程。整个仿真和优化过程如图6所示。集成仿真使用方法：

(1)利用UG软件完成设备构形初步设计；

(2)在UG使用界面中调用网格剖分模块对结构模型进行剖分；

(3)自动转入FDTD仿真软件中设置计算条件，并对模型进行迭代求解，得到RCS仿真结果；

(4)根据RCS仿真结果在UG软件中修改设备构形设计，重复前面的步骤，直至满足要求；

(5)输出满足隐身指标要求的设计模型。

4机载设备RCS测试

RCS测试是机载设备获得RCS设计指标实际验证的最终手段。由于机载设备表面可能因装配工艺差异产生细小散射源，对产品RCS指标造成影响，这些细小的散射源在仿真计算时无法准确体现。因此，需要对机载设备实物进行RCS测试，验证当前的设计方案否达到分配指标要求。

4．1RCS测试原理

RCS测量的基本原理可以用式(2)所表示的雷达波传播方程予以描述。(41T)PRL，一u—P．G．GAF2。式中：6r为雷达反射截面；P和P分别为测量系统天线发射功率及接收功率；G。和G分别为发射天线增益及接收天线增益；F和F分别为发射天线及接收天线的方向图传播因子，F反映了由天线的发射波直达目标的电场强度及发射波反射后再射到目标的电场强度的共同影响，F则表示经目标散射后沿直达波路径返回接收天线的电场强度及沿反射路径返回天线的电场强度的共同影响；A为工作波长；为被测目标至天线的距离；为损耗因子，包括信号在系统内的损耗及在大气中的损耗。若发射与接收共用一个天线，则G=G=G，F=F=F在式(1)中，A、是已知的，P可由系统测量得到，但在实际操作中其他参数的描述是非常困难的，而且其中的损耗因子可随测量设备的环境温度及大气中的成分而变化。所以，利用某些已知具有准确RCS值的目标作为定标体，首先测得定标体的P、R，然后反推出其他参数的总值。因此将式(2)改写为如果定标体的RCS已知为，且它与天线之间的距离为R。，由测量系统测得的回波功率为P则由式(3)解得因此，通过定标体可以准确地标定K参数的总值，在已知被测目标与天线间距离R的情况下，由测量系统测出被测目标的回波功率P，就可由式(3)给出目标的准确RCS数值J。需要注意的是，在对目标进行测量时，式(3)右边的各参数与定标体测量时是一致的。然而，随着两种测量之间的时间间隔拉长，系统环境会变，系统性能会漂移，这些均会造成上述参数的改变。因此，在长时间的目标测量过程中，每隔一段时间，就需要做一次定标测量。

4．2RCS测试环境要求

在RCS测试过程中，测试技术、测试环境和测试设备等因素都将直接影响着测试结果的准确性。RCS测试分室外测试和室内测试2种，由于室内测试环境的稳定性容易控制，参数重复性好等优点，使得室内RCS测试成为获得准确测试数据的有效手段。室内RCS测量系统通常由天线、转台一支架组合与数据显示与处理等3个部分组成。在一定频率范围内测量时，将被测目标固定在支架上，然后对关心的角度和方位进行测量，为了保证RCS测试数据的可靠，必须在测试环境中减低或消除被测目标模型以外其他散射体的影响，使得测试环境中的背景散射远远低于被测目标的散射值，通常采用改变支架形状、在支架周围环绕吸波材料和设计专用的低RCS载体的方式降低环境回波对被测目标RCS的影响。

4．3RCS测试与数据处理

被测目标的RCS测试选择在室内进行，由馈源发射出的球面波经抛物面反射后变为平面波，利用这种技术在较小的场地范围内获得远场条件．8]。测试时的坐标方向定义如图7所示。与RCS仿真计算被测目标的方向定义相同，被测目标方位角定义：按逆时针方向，头向为0。，侧向为90。，尾向为180。。测试方式根据测试要求可以分为以下3种：

(1)不同极化形式(包括H—H和V—V)，不同指定频率的点频RCS测试，获得结构组件在指定频率点的水平极化和垂直极化散射特性曲线；

(2)扫频测试，可获得目标指定姿态角的RCS频率特性；

(3)设定频段，在某个关心角度范围内进行成像，可获得影响组件模型RCS数值散射点和强弱分布图。

对获得的RCS测试数据进行平滑和数值分析，可获得相应的机载设备RCS实际测试数值和组件上散射点的具体位置和强度，为进一步改进机载设备结构设计提供修改依据。

5结束语

机载设备结构组件隐身设计需要考虑的因素很多，除了保证理论构型、结构细节设计合理之外，还要保证制造和装配工艺的精细。在装配中，结构装配缝隙、螺钉头的处理，表面电连续性处理等都会成为影响产品隐身指标的重要原因，而设备表面由于涂覆材料而造成的台阶也可能对隐身指标产生影响。通过对机载设备结构设计、仿真分析和试验验证等阶段的隐身技术进行研究分析后发现，单纯地依靠仿真或实际测试产生的RCS数据作为评价隐身性能设计优劣都是不适合的。一般来说，实测结果中RCS数值低点要高于仿真计算的结果，原因是实测环境比仿真条件要复杂得多，也更加不容易控制，所以采用仿真计算方法对机载设备隐身设计结果进行修正时，为了避免仿真数据对设计方案的误导，可在进行仿真计算的同时，将仿真结果与同样的计算条件下，已有的实测数据进行参照对比，确认当前计算的可信度。通过采用设计、仿真与测试相结合的技术手段，能够保证机载设备隐身设计满足相应的技术指标要求。