導(dǎo)語：機載設(shè)備結(jié)構(gòu)隱身研發(fā)一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

隨著科技的發(fā)展，聲達、雷達、紅外等探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、跟蹤目標的能力越來越強，新型遠程雷達、先進探測系統(tǒng)和精確制導(dǎo)武器的技術(shù)飛速發(fā)展，也使得空間戰(zhàn)場環(huán)境變得更加復(fù)雜。如何在滿足各種力學(xué)特性的前提下，提高飛機突防能力和戰(zhàn)場生存能力，是各國軍方一直致力解決的問題，而戰(zhàn)場生存能力的重要標志之一就是飛機自身的隱身能力。安裝在飛行器外表面的機載設(shè)備作為內(nèi)部系統(tǒng)與外界的連接環(huán)節(jié)，其功能是保護組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有效隔離外界影響，具有對多波段雷達探測的隱身能力，同時降低對飛行器氣動性能的影響。機載設(shè)備作為飛行器外表面的一部分，它的存在必然對飛行器的整體隱身特性造成影響，因此，隱身指標是機載設(shè)備設(shè)計的重要約束條件，在這類機載設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，除了要考慮氣動特性和強度要求以外，還要通過對機載設(shè)備外形、結(jié)構(gòu)細節(jié)進行巧妙設(shè)計，盡量減少對雷達波的反射，降低組件信號特征，使其滿足隱身指標要求。本文主要圍繞機載設(shè)備中與隱身要求相關(guān)的組件結(jié)構(gòu)設(shè)計，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析、測試驗證等幾個方面，開展針對雷達波的隱身設(shè)計技術(shù)研究。

1雷達波隱身原理

麥克斯韋提出的渦旋電場和位移電流的概念，揭示了自然界變化的電場和變化的磁場能夠相互激發(fā)，形成統(tǒng)一的電磁場整體，而變化的電磁場在空問的傳播就形成了電磁波。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論的基本方程，可以解決給定條件下電磁波傳播和輻射問題…。雷達波是一種電磁波。雷達波照射在物體上會形成反射波、繞射波、爬行波等多種電磁散射。若這些散射波被敵方搜索系統(tǒng)捕捉到，就會勾勒出我方目標的大致形態(tài)和方位，散射波的強度越大，越容易被捕捉。描述雷達波散射強弱的指標就是雷達散射截面，是指目標對入射雷達波呈現(xiàn)的有效散射面積(RadarCrossSection，RCS)。式(1)為雷達散射截面計算公式式中：E為入射雷達波在目標處的電磁場強度；。為目標散射波在雷達處的電磁場強度；為目標所呈現(xiàn)的有效散射面積；R為目標到雷達天線的距離；R∞為目標處的入射波和雷達處的散射波都具有平面波的性質(zhì)。因而消除了距離尺對雷達截面的影響。表l列出了不同物體雷達散射特性量級比較。通俗地講，雷達波隱身就是要盡可能降低目標的雷達波散射截面。根據(jù)雷達波不同散射回波的的生成機理，經(jīng)典的隱身設(shè)計方法通常在以下5個方面采取措施，盡量降低目標的散射回波：

(1)外形上可盡量多使用平行設(shè)計；

(2)各種接合部、口蓋的邊緣設(shè)計成鋸齒形；

(3)平面部分盡量采用“V”字形斜面設(shè)計；

(4)保證設(shè)備表面電連續(xù)性；

(5)采用可伸縮機構(gòu)等。

2機載設(shè)備隱身設(shè)計技術(shù)研究

實現(xiàn)機載設(shè)備隱身設(shè)計的技術(shù)途徑主要包括構(gòu)型隱身技術(shù)和雷達吸波材料技術(shù)。其中，構(gòu)型隱身技術(shù)是通過目標的非常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計形式降低其RCS，而雷達吸波技術(shù)是指利用雷達吸波材料吸收衰減入射的電磁波，并將其電磁能轉(zhuǎn)換為熱能耗散掉或使電磁波因干涉而消失的技術(shù)。由于物體會反射照向它的雷達波，從而被敵方雷達發(fā)現(xiàn)。因此，隱身設(shè)計的目標就是利用多種途徑，盡量減少自身的特征信號，降低對外來電磁波的反射，通過對機載設(shè)備特征的有效控制，達到與所處環(huán)境難以區(qū)分的目的。對于機載設(shè)備來說，隱身設(shè)計主要針對單站雷達，隱身設(shè)計的要求就是在一定波段和探測方位上，通過合理的設(shè)計方案使機載設(shè)備RCS實物測試指標滿足隱身設(shè)計要求。機載設(shè)備的隱身設(shè)計主要解決以下3個方面的技術(shù)問題：

(1)構(gòu)形設(shè)計技術(shù)；

(2)二面角反射消除技術(shù)；

(3)外表面電連續(xù)性設(shè)計技術(shù)。

2．1構(gòu)型設(shè)計技術(shù)

圖l是球面目標散射雷達波的效果示意圖…。球面目標對雷達波的散射強度和方向都一致，因而無法將回波偏轉(zhuǎn)到遠離雷達波入射方向，不能達到隱身效果。因此，機載設(shè)備外表面設(shè)計通常采用多面拼接技術(shù)。相比球形設(shè)計，其主要優(yōu)點是氣動性能好，并能夠在一定角度范圍內(nèi)實現(xiàn)隱身。機載設(shè)備的隱身設(shè)計主要針對單站雷達，考慮到單站雷達的探測角一定，為了達到降低RCS的目的，設(shè)計機載設(shè)備構(gòu)形時，應(yīng)盡量使構(gòu)形表面設(shè)計成與飛行器后掠角一致或平行的方向，以便將雷達波偏轉(zhuǎn)出去，避開輻射源。由于正對鼻錐方向的散射回波很小，機載設(shè)備拼接面設(shè)計時，可根據(jù)需要將關(guān)心區(qū)域的設(shè)備構(gòu)形設(shè)計成鼻錐形式，將雷達散射引導(dǎo)向少數(shù)幾個窄的方位角內(nèi)，從而保證機載設(shè)備在敏感方向上的回波很小。利用仿真計算可得到不同傾角組合的RCS數(shù)值，通過綜合考慮機載設(shè)備內(nèi)部功能組件布局空間的要求，以及機載設(shè)備結(jié)構(gòu)強度、氣動特性和隱身特性等設(shè)計指標要求，確定機載設(shè)備構(gòu)形設(shè)計的最優(yōu)方案。

2．2二面角反射消除技術(shù)

機載設(shè)備需要通過各種緊固方法將各類結(jié)構(gòu)零部件組合在一起，并安裝在飛行器上，因此在零件支撐部位和安裝結(jié)合處等都有可能形成二面角結(jié)構(gòu)。二面角是一種強反射源結(jié)構(gòu)，圖2為零件安裝結(jié)合處產(chǎn)生的二面角反射示意圖。根據(jù)雷達波散射原理，入射波會在二面角內(nèi)經(jīng)反復(fù)后從原路返回。因此，二面角構(gòu)形屬于強反射結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)的隱身設(shè)計中是要嚴格回避的。為了避免在上述部位形成二面角反射，在設(shè)計方案上采取以下措施：

(1)在零件支撐部位，盡量采用楔形或鋸齒結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的直角結(jié)構(gòu)；

(2)外露的安裝結(jié)合部位，采用沉陷方式將被聯(lián)接的兩個結(jié)構(gòu)的外表面齊平。改進設(shè)計后，安裝結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖，如圖3所示。

2．3外表面電連續(xù)性設(shè)計技術(shù)

根據(jù)麥克斯韋方程理論，當電磁波照射到目標表面時，能夠在目標表面形成電場一磁場一電場的交替分布，當目標表面電連續(xù)性被突然中斷時，則在中斷處會產(chǎn)生新的散射源，通常造成目標表面電連續(xù)中斷的因素有以下2點：

(1)介質(zhì)突變，如不同材質(zhì)零件之間的連接處；

(2)表面不平滑，如安裝結(jié)合處的凹槽和緊固件突起的端頭等。圖4、圖5分別表示了由于介質(zhì)突變和表面凹槽形成散射源的情況示意圖。為了實現(xiàn)機載設(shè)備表面組裝零件之間的電連續(xù)，在設(shè)計方案上可采取以下措施：

(1)在非金屬零件表面增加導(dǎo)電膜面，并使其與金屬零件表面齊平，零件之間電極相互延伸搭接在一起，解決介質(zhì)突變的問題；

(2)安裝部位兩邊表面齊平，在安裝結(jié)合處填充導(dǎo)電膠，填縫表面與結(jié)合處兩邊平齊；

(3)緊固件端頭不得高于被緊固表面，端頭沉陷處用導(dǎo)電膠填平。

3機載設(shè)備RCS仿真計算

在設(shè)計階段，無法采用實測方法預(yù)估所設(shè)計結(jié)構(gòu)的目標特性，而且由于機載設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致其對隱身特性的影響不能直觀判斷，因此，必須通過電磁仿真的手段進行計算評估，以便將雷達反射截面限制在一定的范圍之內(nèi)。目前，比較有代表性的RCS仿真計算方法主要有代表高頻方法的IPO，代表頻域方法的MOM和代表時域方法的FDTD。FDTD是一種時域有限有限差分法，F(xiàn)DTD算法對求解區(qū)域進行體網(wǎng)格剖分，能夠精確的描述求解區(qū)域的高度非均勻特性，由于在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，機載設(shè)備內(nèi)部的功能組件不能近似為理想導(dǎo)體，而是介質(zhì)與金屬混合的復(fù)雜電磁目標，因而對于需要綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)外結(jié)構(gòu)的RCS效應(yīng)時，F(xiàn)DTD算法是一種較適合的選擇。機載設(shè)備的RCS仿真分析，根據(jù)功能系統(tǒng)的特殊性和RCS指標的具體要求，主要采用FDTD算法進行RCS計算，并在不同波段，分別采用IPO法、MOM法進行驗算。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計在UG軟件等三維設(shè)計軟件中完成，為了提高結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型向FDTD算法軟件中轉(zhuǎn)換的效率，專門針對UG軟件和FDTD計算軟件之間數(shù)據(jù)傳輸接口進行了研制開發(fā)，使得網(wǎng)格剖分模塊和電磁計算模塊與UG軟件能夠無縫鏈接，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計、RCS仿真與優(yōu)化的自動化過程。整個仿真和優(yōu)化過程如圖6所示。集成仿真使用方法：

(1)利用UG軟件完成設(shè)備構(gòu)形初步設(shè)計；

(2)在UG使用界面中調(diào)用網(wǎng)格剖分模塊對結(jié)構(gòu)模型進行剖分；

(3)自動轉(zhuǎn)入FDTD仿真軟件中設(shè)置計算條件，并對模型進行迭代求解，得到RCS仿真結(jié)果；

(4)根據(jù)RCS仿真結(jié)果在UG軟件中修改設(shè)備構(gòu)形設(shè)計，重復(fù)前面的步驟，直至滿足要求；

(5)輸出滿足隱身指標要求的設(shè)計模型。

4機載設(shè)備RCS測試

RCS測試是機載設(shè)備獲得RCS設(shè)計指標實際驗證的最終手段。由于機載設(shè)備表面可能因裝配工藝差異產(chǎn)生細小散射源，對產(chǎn)品RCS指標造成影響，這些細小的散射源在仿真計算時無法準確體現(xiàn)。因此，需要對機載設(shè)備實物進行RCS測試，驗證當前的設(shè)計方案否達到分配指標要求。

4．1RCS測試原理

RCS測量的基本原理可以用式(2)所表示的雷達波傳播方程予以描述。(41T)PRL，一u—P．G．GAF2。式中：6r為雷達反射截面；P和P分別為測量系統(tǒng)天線發(fā)射功率及接收功率；G。和G分別為發(fā)射天線增益及接收天線增益；F和F分別為發(fā)射天線及接收天線的方向圖傳播因子，F(xiàn)反映了由天線的發(fā)射波直達目標的電場強度及發(fā)射波反射后再射到目標的電場強度的共同影響，F(xiàn)則表示經(jīng)目標散射后沿直達波路徑返回接收天線的電場強度及沿反射路徑返回天線的電場強度的共同影響；A為工作波長；為被測目標至天線的距離；為損耗因子，包括信號在系統(tǒng)內(nèi)的損耗及在大氣中的損耗。若發(fā)射與接收共用一個天線，則G=G=G，F(xiàn)=F=F在式(1)中，A、是已知的，P可由系統(tǒng)測量得到，但在實際操作中其他參數(shù)的描述是非常困難的，而且其中的損耗因子可隨測量設(shè)備的環(huán)境溫度及大氣中的成分而變化。所以，利用某些已知具有準確RCS值的目標作為定標體，首先測得定標體的P、R，然后反推出其他參數(shù)的總值。因此將式(2)改寫為如果定標體的RCS已知為，且它與天線之間的距離為R。，由測量系統(tǒng)測得的回波功率為P則由式(3)解得因此，通過定標體可以準確地標定K參數(shù)的總值，在已知被測目標與天線間距離R的情況下，由測量系統(tǒng)測出被測目標的回波功率P，就可由式(3)給出目標的準確RCS數(shù)值J。需要注意的是，在對目標進行測量時，式(3)右邊的各參數(shù)與定標體測量時是一致的。然而，隨著兩種測量之間的時間間隔拉長，系統(tǒng)環(huán)境會變，系統(tǒng)性能會漂移，這些均會造成上述參數(shù)的改變。因此，在長時間的目標測量過程中，每隔一段時間，就需要做一次定標測量。

4．2RCS測試環(huán)境要求

在RCS測試過程中，測試技術(shù)、測試環(huán)境和測試設(shè)備等因素都將直接影響著測試結(jié)果的準確性。RCS測試分室外測試和室內(nèi)測試2種，由于室內(nèi)測試環(huán)境的穩(wěn)定性容易控制，參數(shù)重復(fù)性好等優(yōu)點，使得室內(nèi)RCS測試成為獲得準確測試數(shù)據(jù)的有效手段。室內(nèi)RCS測量系統(tǒng)通常由天線、轉(zhuǎn)臺一支架組合與數(shù)據(jù)顯示與處理等3個部分組成。在一定頻率范圍內(nèi)測量時，將被測目標固定在支架上，然后對關(guān)心的角度和方位進行測量，為了保證RCS測試數(shù)據(jù)的可靠，必須在測試環(huán)境中減低或消除被測目標模型以外其他散射體的影響，使得測試環(huán)境中的背景散射遠遠低于被測目標的散射值，通常采用改變支架形狀、在支架周圍環(huán)繞吸波材料和設(shè)計專用的低RCS載體的方式降低環(huán)境回波對被測目標RCS的影響。

4．3RCS測試與數(shù)據(jù)處理

被測目標的RCS測試選擇在室內(nèi)進行，由饋源發(fā)射出的球面波經(jīng)拋物面反射后變?yōu)槠矫娌?，利用這種技術(shù)在較小的場地范圍內(nèi)獲得遠場條件．8]。測試時的坐標方向定義如圖7所示。與RCS仿真計算被測目標的方向定義相同，被測目標方位角定義：按逆時針方向，頭向為0。，側(cè)向為90。，尾向為180。。測試方式根據(jù)測試要求可以分為以下3種：

(1)不同極化形式(包括H—H和V—V)，不同指定頻率的點頻RCS測試，獲得結(jié)構(gòu)組件在指定頻率點的水平極化和垂直極化散射特性曲線；

(2)掃頻測試，可獲得目標指定姿態(tài)角的RCS頻率特性；

(3)設(shè)定頻段，在某個關(guān)心角度范圍內(nèi)進行成像，可獲得影響組件模型RCS數(shù)值散射點和強弱分布圖。

對獲得的RCS測試數(shù)據(jù)進行平滑和數(shù)值分析，可獲得相應(yīng)的機載設(shè)備RCS實際測試數(shù)值和組件上散射點的具體位置和強度，為進一步改進機載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計提供修改依據(jù)。

5結(jié)束語

機載設(shè)備結(jié)構(gòu)組件隱身設(shè)計需要考慮的因素很多，除了保證理論構(gòu)型、結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計合理之外，還要保證制造和裝配工藝的精細。在裝配中，結(jié)構(gòu)裝配縫隙、螺釘頭的處理，表面電連續(xù)性處理等都會成為影響產(chǎn)品隱身指標的重要原因，而設(shè)備表面由于涂覆材料而造成的臺階也可能對隱身指標產(chǎn)生影響。通過對機載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析和試驗驗證等階段的隱身技術(shù)進行研究分析后發(fā)現(xiàn)，單純地依靠仿真或?qū)嶋H測試產(chǎn)生的RCS數(shù)據(jù)作為評價隱身性能設(shè)計優(yōu)劣都是不適合的。一般來說，實測結(jié)果中RCS數(shù)值低點要高于仿真計算的結(jié)果，原因是實測環(huán)境比仿真條件要復(fù)雜得多，也更加不容易控制，所以采用仿真計算方法對機載設(shè)備隱身設(shè)計結(jié)果進行修正時，為了避免仿真數(shù)據(jù)對設(shè)計方案的誤導(dǎo)，可在進行仿真計算的同時，將仿真結(jié)果與同樣的計算條件下，已有的實測數(shù)據(jù)進行參照對比，確認當前計算的可信度。通過采用設(shè)計、仿真與測試相結(jié)合的技術(shù)手段，能夠保證機載設(shè)備隱身設(shè)計滿足相應(yīng)的技術(shù)指標要求。