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军用直升机隐身特性分析研究

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作者:原作原创  来源:网络转载  发布时间:2018-02-07 09:37:00

   摘 要:针对直升机在执行任务时飞行速度小,飞行高度低,雷达、红外信号特征强这一现象,文章提出了军用直升机的隐身设计方案。采用RCS高频估算方法对常规军用直升机外形设计进行RCS计算,对直升机重要散射源分析,在保持机体尺寸、容积和水平尾翼,垂直尾翼的平衡能力与改形前相当的前提下,运用飞行器隐身设计原则和方法对其进行雷达隐身设计。 

  关键词:军用直升机;RCS;高频方法;隐身设计
中图分类号:V214 文献标志码:A 文章编号:2095-2945(2018)05-0001-04
Abstract: In view of the phenomena that the helicopters' low velocity and flight height, obvious characteristics of radar and infrared signal during tasks, the stealth design scheme of military helicopters is put forward in this paper. The estimation method of RCS high frequency is used to calculate the RCS of the configuration designed for the conventional military helicopters and analyze the significant scattering source. Under the premise of maintaining the size, volume of the fuselage and the balanced capacities of horizontal and vertical tail as same as before, designing radar stealth performance for the helicopter utilizing the principles and methods of aircraft stealth design.
Keyword: Keyword: military helicopters; RCS; method of high frequency; stealth design
引言
军用直升机用途广泛,在现代战争中发挥着越来越大的作用。但其在执行任务时飞行速度小、飞行高度低,雷达、红外信号特征强,面临着空中、地面等多种雷达、红外制导武器的威胁。目前使用的雷达隐身技术主要为吸波材料隐身技术和外形隐身技术。外形隐身技术时目前飞行器隐身设计中运用最广泛、最有效的隐身技术,该项技术主要是通过合理地改变目标的外形布局,控制、缩减目标在雷达威胁的主要范围内的雷达散射截面,从而达到隐身目的。RCS高频估算方法一般是采用多面体模拟计算对象的外形,计算镜面散射采用物理光学法,计算部件间构成的边缘绕射采用等效电磁流法,其具有算法简单、通用性强、计算快速的特点,对硬件的要求不高,可以用于计算大型目标,且计算频率几乎不受限制。
本文采用物理光学法和等效电磁流法作为RCS数值计算方法,分析直升機机头方向、机身侧向和尾向的强散射源,结合固定翼飞机的隐身设计经验,考虑到常规军用直升机气动性能及几何外形特点,依据外形隐身设计原则对直升机进行隐身设计。对隐身改型方案进行气动特性估算,以得到隐身和气动综合性能较好的设计方案。
1 计算方法
在电磁学算法中,以麦克斯韦方程组为基础,产生不同的算法,大体分为精确算法和高频近似法两种。精确算法,如时域有限差分法(FDTD)、快速多级子算法(FMM)、矩量法(MOM)等方法计算精度高,但对于高频段、大型目标,由于对计算机硬件要求高,运算时间长,因此效率很低。高频近似算法对上述目标的计算效率高,不能处理表面波等弱散射效应,不能计算低频区散射,但能满足工程的估算要求。本文采用工程中使用的高频近似算法:利用物理光学法(PO)计算表面散射,利用等效电磁流法(ECM)计算劈边散射。进行电磁计算网格划分,完成部件间相互遮挡判断、消除阴影区后,将面元散射和边缘绕射进行相位叠加,得到目标总的RCS。
2 直升机RCS计算分析
本文运用高频近似法计算了通用直升机(不含旋翼和尾桨)在S,C,X,Ku四个波段上的RCS值,从数据上分析,HH极化和VV极化在机身正向和侧向的均值以及峰值都差别不大,在尾向上稍微有点差别。
观察机体在S,C,X,Ku四个波段,0°仰角,HH极化的RCS曲线(如图1)可以看出,在机头方向,从0°开始随方位角增加,RCS曲线呈现震荡起伏并下降趋势,而且随雷达波频率增加,0°方位角的RCS峰值增大,从S波段的小于20dBm2,到C波段的20dBm2,到X波段的略低于30dBm2,到Ku波段的约30dBm2,而波峰的宽度逐渐减小,这体现了典型的镜面散射特点,因此,可以初步判断在机头方向有较强的镜面散射源。
2.1 机头座舱部分分析
对机头座舱部分进行计算分析,可以判断机头座舱部分不是主要散射源,因此单独将进气道口面进行了分析,结合对比进气道口面与机体在机头方向的RCS均值可以发现,两者几乎相差不多。
2.2 发动机舱部分分析
分析发动机机舱与机体在机身侧向的RCS均值可见,在S和C波段,两者相差不到2dB,可以认为在这两个波段,发动机舱时直升机机体侧向的最强散射源,但在X和Ku波段,两者差值达到4dB,因此除了发动机舱外,可能还有其它的强散射源。
2.3 发动机舱后部分析
发动机舱后部在机身侧向的RCS均值约为5dBm2,与机体十几dBm2的值相差较大,因此可以判定,发动机舱后部不是机身侧向的最主要散射源,所以在后期进行RCS减缩的外形设计中,与发动机舱一起综合考虑。
 2.4 机体尾部分析
机体尾部在机身侧向的RCS均值约为4dBm2,与机体相差较大,因此判定机体尾部不是机身侧向的最主要散射源。
综上所述,进气道,发动机舱,垂尾等部件为重要的散射源,因此直升机的隐身改形设计将围绕这几个部分进行。
3 直升机隐身特性优化
3.1 直升机隐身特性优化
3.1.1 机舱、发动机舱优化方案
对直升机舱及发动机舱进行了隐身设计,从下图可以看出,在机身侧面形成了倾斜平面和棱边外形,统筹协调全机各部件布置将机身侧面以及尾梁部分的侧向倾角设置为相同或近似角度,使侧向雷达反射波远离重点的方位角范围。
3.1.2 进气口优化方案
普通直升机的进气道可以产生较强的角反射器效应,是较强的雷达反射体,如果将直升机的两台涡轴发动机埋入机身上部两侧,进气道在机身两侧上方采用埋入式,不会对雷达波形成强反射。本文将进气道口设计成菱形,可以有效的减少雷达波的反射。
3.1.3 旋翼机尾桨桨毂整流罩优化方案
由于旋翼和尾桨的桨毂RCS偏高,为了降低散射水平对桨毂的操纵系统和电传机构等进行保护,本文采用低散射水平的桨毂罩。直升机桨毂的气动外形不好,距桨柱及机身很近,且处于旋转状态,干扰效应很大,其废阻占全机废阻20%~30%,安装桨毂罩可以降低阻力。旋翼桨毂安装了整流罩,将一些电传系统包裹在里面,由于改形前的整流罩设计在0°~360°的方位角范围内各个方向都存在较强的回波,因此对整流罩进行了低RCS的整形设计,如图5所示。
3.2 改形前后外形对比分析
依次截取机身的各个不同部位的剖面进行对比分析,可以看出机身外形变化不大。按顺序依次命名为平面1,平面2,平面3和平面4。
改形前后机身分别在四个平面截取横截面对比。
对直升机机身的尺寸进行对比,改形之后直升机的长度和高度尺寸基本不变,机身的宽度增加了大约7.5%,对比改形前后的形状,改形后保持了原有的流线型机身,从机身剖面图看,改形前机身最大截面积约为5.14m2,改形后机身截面积约为5.19m2,截面积变化为1%,总体来说外形变化不大。
4 改形后RCS计算与测试
4.1 改形后计算结果
对改形后机体进行RCS计算,得出的结果与改形前进行简单的对比分析,可以看出改形的效果显著。
从计算结果可以看出,虽然改形前后直升机的尺寸变化不大,但是在机头±30°和侧向±30°RCS均值降低了14.7dB~19.2dB和11.1dB~14.4dB,雷达散射水平降低效果非常显著。
4.2 改形后测试分析
实际测试的模型为真机1:10的缩比模型,根据相似理论,为得到真机RCS数据,将缩比模型的RCS放大102即100倍,即将原始模型测试的RCS分贝数增加20dB;同时将对应的雷达波频率降低到1/10,即真机所对应的雷达波频率变为3GHz,4GHz,6GHz和9.5GHz。
通过对计算结果和测试结果进行对比,认为四个频率的试验结果与计算结果在机身头向和侧向的RCS数据吻合较好,选取3GHz频率下的情况进行分析,从图中可以看出,计算结果比试验结果小一些,但是两者的数量级相当。
5 结束语
提出了散射源分析的“部件分解”法,运用该方法进行解剖和RCS计算分析,确定了主要雷达散射源,在保持機体尺寸、容积和阻力与原型机相当前提下,对直升机的隐身特性进行优化设计,将最终方案制作成缩比模型进行RCS测试,统计分析表明,直升机的隐身特性得到了很大的改善,验证了采用的高频算法的准确性。
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