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隨著科技的發展，聲達、雷達、紅外等探測系統發現、跟蹤目標的能力越來越強，新型遠程雷達、先進探測系統和精確制導武器的技術飛速發展，也使得空間戰場環境變得更加復雜。如何在滿足各種力學特性的前提下，提高飛機突防能力和戰場生存能力，是各國軍方一直致力解決的問題，而戰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備作為內部系統與外界的連接環節，其功能是保護組件內部結構，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，隱身指標是機載設備設計的重要約束條件，在這類機載設備的結構設計過程中，除了要考慮氣動特性和強度要求以外，還要通過對機載設備外形、結構細節進行巧妙設計，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備中與隱身要求相關的組件結構設計，從結構設計、仿真分析、測試驗證等幾個方面，開展針對雷達波的隱身設計技術研究。

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，形成統一的電磁場整體，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捕捉到，就會勾勒出我方目標的大致形態和方位，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。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。根據雷達波不同散射回波的的生成機理，經典的隱身設計方法通常在以下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計；

(2)各種接合部、口蓋的邊緣設計成鋸齒形；

(3)平面部分盡量采用“V”字形斜面設計；

(4)保證設備表面電連續性；

(5)采用可伸縮機構等。

2機載設備隱身設計技術研究

實現機載設備隱身設計的技術途徑主要包括構型隱身技術和雷達吸波材料技術。其中，構型隱身技術是通過目標的非常規結構設計形式降低其RCS，而雷達吸波技術是指利用雷達吸波材料吸收衰減入射的電磁波，并將其電磁能轉換為熱能耗散掉或使電磁波因干涉而消失的技術。由于物體會反射照向它的雷達波，從而被敵方雷達發現。因此，隱身設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，通過對機載設備特征的有效控制，達到與所處環境難以區分的目的。對于機載設備來說，隱身設計主要針對單站雷達，隱身設計的要求就是在一定波段和探測方位上，通過合理的設計方案使機載設備RCS實物測試指標滿足隱身設計要求。機載設備的隱身設計主要解決以下3個方面的技術問題：

(1)構形設計技術；

(2)二面角反射消除技術；

(3)外表面電連續性設計技術。

2．1構型設計技術

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到遠離雷達波入射方向，不能達到隱身效果。因此，機載設備外表面設計通常采用多面拼接技術。相比球形設計，其主要優點是氣動性能好，并能夠在一定角度范圍內實現隱身。機載設備的隱身設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，設計機載設備構形時，應盡量使構形表面設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，機載設備拼接面設計時，可根據需要將關心區域的設備構形設計成鼻錐形式，將雷達散射引導向少數幾個窄的方位角內，從而保證機載設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數值，通過綜合考慮機載設備內部功能組件布局空間的要求，以及機載設備結構強度、氣動特性和隱身特性等設計指標要求，確定機載設備構形設計的最優方案。

2．2二面角反射消除技術

機載設備需要通過各種緊固方法將各類結構零部件組合在一起，并安裝在飛行器上，因此在零件支撐部位和安裝結合處等都有可能形成二面角結構。二面角是一種強反射源結構，圖2為零件安裝結合處產生的二面角反射示意圖。根據雷達波散射原理，入射波會在二面角內經反復后從原路返回。因此，二面角構形屬于強反射結構，在結構的隱身設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構取代傳統的直角結構；

(2)外露的安裝結合部位，采用沉陷方式將被聯接的兩個結構的外表面齊平。改進設計后，安裝結合部位的結構設計示意圖，如圖3所示。

2．3外表面電連續性設計技術

根據麥克斯韋方程理論，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，當目標表面電連續性被突然中斷時，則在中斷處會產生新的散射源，通常造成目標表面電連續中斷的因素有以下2點：

(1)介質突變，如不同材質零件之間的連接處；

(2)表面不平滑，如安裝結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突變和表面凹槽形成散射源的情況示意圖。為了實現機載設備表面組裝零件之間的電連續，在設計方案上可采取以下措施：

(1)在非金屬零件表面增加導電膜面，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，解決介質突變的問題；

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

(3)緊固件端頭不得高于被緊固表面，端頭沉陷處用導電膠填平。

3機載設備RCS仿真計算

在設計階段，無法采用實測方法預估所設計結構的目標特性，而且由于機載設備結構的復雜性，導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。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，FDTD算法對求解區域進行體網格剖分，能夠精確的描述求解區域的高度非均勻特性，由于在實際的應用系統中，機載設備內部的功能組件不能近似為理想導體，而是介質與金屬混合的復雜電磁目標，因而對于需要綜合考慮系統內外結構的RCS效應時，FDTD算法是一種較適合的選擇。機載設備的RCS仿真分析，根據功能系統的特殊性和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。由于結構設計在UG軟件等三維設計軟件中完成，為了提高結構數字化模型向FDTD算法軟件中轉換的效率，專門針對UG軟件和FDTD計算軟件之間數據傳輸接口進行了研制開發，使得網格剖分模塊和電磁計算模塊與UG軟件能夠無縫鏈接，實現了結構設計、RCS仿真與優化的自動化過程。整個仿真和優化過程如圖6所示。集成仿真使用方法：

(1)利用UG軟件完成設備構形初步設計；

(2)在UG使用界面中調用網格剖分模塊對結構模型進行剖分；

(3)自動轉入FDTD仿真軟件中設置計算條件，并對模型進行迭代求解，得到RCS仿真結果；

(4)根據RCS仿真結果在UG軟件中修改設備構形設計，重復前面的步驟，直至滿足要求；

(5)輸出滿足隱身指標要求的設計模型。

4機載設備RCS測試

RCS測試是機載設備獲得RCS設計指標實際驗證的最終手段。由于機載設備表面可能因裝配工藝差異產生細小散射源，對產品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。因此，需要對機載設備實物進行RCS測試，驗證當前的設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分別為測量系統天線發射功率及接收功率；G。和G分別為發射天線增益及接收天線增益；F和F分別為發射天線及接收天線的方向圖傳播因子，F反映了由天線的發射波直達目標的電場強度及發射波反射后再射到目標的電場強度的共同影響，F則表示經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，包括信號在系統內的損耗及在大氣中的損耗。若發射與接收共用一個天線，則G=G=G，F=F=F在式(1)中，A、是已知的，P可由系統測量得到，但在實際操作中其他參數的描述是非常困難的，而且其中的損耗因子可隨測量設備的環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，系統環境會變，系統性能會漂移，這些均會造成上述參數的改變。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測試環境要求

在RCS測試過程中，測試技術、測試環境和測試設備等因素都將直接影響著測試結果的準確性。RCS測試分室外測試和室內測試2種，由于室內測試環境的穩定性容易控制，參數重復性好等優點，使得室內RCS測試成為獲得準確測試數據的有效手段。室內RCS測量系統通常由天線、轉臺一支架組合與數據顯示與處理等3個部分組成。在一定頻率范圍內測量時，將被測目標固定在支架上，然后對關心的角度和方位進行測量，為了保證RCS測試數據的可靠，必須在測試環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、在支架周圍環繞吸波材料和設計專用的低RCS載體的方式降低環境回波對被測目標RCS的影響。

4．3RCS測試與數據處理

被測目標的RCS測試選擇在室內進行，由饋源發射出的球面波經拋物面反射后變為平面波，利用這種技術在較小的場地范圍內獲得遠場條件．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。，側向為90。，尾向為180。。測試方式根據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，獲得結構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角的RCS頻率特性；

(3)設定頻段，在某個關心角度范圍內進行成像，可獲得影響組件模型RCS數值散射點和強弱分布圖。

對獲得的RCS測試數據進行平滑和數值分析，可獲得相應的機載設備RCS實際測試數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備結構設計提供修改依據。

5結束語

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