導(dǎo)語(yǔ)：機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)隱身研發(fā)一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，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(dá)、雷達(dá)、紅外等探測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、跟蹤目標(biāo)的能力越來(lái)越強(qiáng)，新型遠(yuǎn)程雷達(dá)、先進(jìn)探測(cè)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(chǎng)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(jī)突防能力和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，是各國(guó)軍方一直致力解決的問(wèn)題，而戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的重要標(biāo)志之一就是飛機(jī)自身的隱身能力。安裝在飛行器外表面的機(jī)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(hù)組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有效隔離外界影響，具有對(duì)多波段雷達(dá)探測(cè)的隱身能力，同時(shí)降低對(duì)飛行器氣動(dòng)性能的影響。機(jī)載設(shè)備作為飛行器外表面的一部分，它的存在必然對(duì)飛行器的整體隱身特性造成影響，因此，隱身指標(biāo)是機(jī)載設(shè)備設(shè)計(jì)的重要約束條件，在這類機(jī)載設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了要考慮氣動(dòng)特性和強(qiáng)度要求以外，還要通過(guò)對(duì)機(jī)載設(shè)備外形、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行巧妙設(shè)計(jì)，盡量減少對(duì)雷達(dá)波的反射，降低組件信號(hào)特征，使其滿足隱身指標(biāo)要求。本文主要圍繞機(jī)載設(shè)備中與隱身要求相關(guān)的組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析、測(cè)試驗(yàn)證等幾個(gè)方面，開(kāi)展針對(duì)雷達(dá)波的隱身設(shè)計(jì)技術(shù)研究。

1雷達(dá)波隱身原理

麥克斯韋提出的渦旋電場(chǎng)和位移電流的概念，揭示了自然界變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)能夠相互激發(fā)，形成統(tǒng)一的電磁場(chǎng)整體，而變化的電磁場(chǎng)在空問(wèn)的傳播就形成了電磁波。根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)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(wèn)題…。雷達(dá)波是一種電磁波。雷達(dá)波照射在物體上會(huì)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(huì)勾勒出我方目標(biāo)的大致形態(tài)和方位，散射波的強(qiáng)度越大，越容易被捕捉。描述雷達(dá)波散射強(qiáng)弱的指標(biāo)就是雷達(dá)散射截面，是指目標(biāo)對(duì)入射雷達(dá)波呈現(xiàn)的有效散射面積(RadarCrossSection，RCS)。式(1)為雷達(dá)散射截面計(jì)算公式式中：E為入射雷達(dá)波在目標(biāo)處的電磁場(chǎng)強(qiáng)度；。為目標(biāo)散射波在雷達(dá)處的電磁場(chǎng)強(qiáng)度；為目標(biāo)所呈現(xiàn)的有效散射面積；R為目標(biāo)到雷達(dá)天線的距離；R∞為目標(biāo)處的入射波和雷達(dá)處的散射波都具有平面波的性質(zhì)。因而消除了距離尺對(duì)雷達(dá)截面的影響。表l列出了不同物體雷達(dá)散射特性量級(jí)比較。通俗地講，雷達(dá)波隱身就是要盡可能降低目標(biāo)的雷達(dá)波散射截面。根據(jù)雷達(dá)波不同散射回波的的生成機(jī)理，經(jīng)典的隱身設(shè)計(jì)方法通常在以下5個(gè)方面采取措施，盡量降低目標(biāo)的散射回波：

(1)外形上可盡量多使用平行設(shè)計(jì)；

(2)各種接合部、口蓋的邊緣設(shè)計(jì)成鋸齒形；

(3)平面部分盡量采用“V”字形斜面設(shè)計(jì)；

(4)保證設(shè)備表面電連續(xù)性；

(5)采用可伸縮機(jī)構(gòu)等。

2機(jī)載設(shè)備隱身設(shè)計(jì)技術(shù)研究

實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備隱身設(shè)計(jì)的技術(shù)途徑主要包括構(gòu)型隱身技術(shù)和雷達(dá)吸波材料技術(shù)。其中，構(gòu)型隱身技術(shù)是通過(guò)目標(biāo)的非常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式降低其RCS，而雷達(dá)吸波技術(shù)是指利用雷達(dá)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(huì)反射照向它的雷達(dá)波，從而被敵方雷達(dá)發(fā)現(xiàn)。因此，隱身設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是利用多種途徑，盡量減少自身的特征信號(hào)，降低對(duì)外來(lái)電磁波的反射，通過(guò)對(duì)機(jī)載設(shè)備特征的有效控制，達(dá)到與所處環(huán)境難以區(qū)分的目的。對(duì)于機(jī)載設(shè)備來(lái)說(shuō)，隱身設(shè)計(jì)主要針對(duì)單站雷達(dá)，隱身設(shè)計(jì)的要求就是在一定波段和探測(cè)方位上，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)方案使機(jī)載設(shè)備RCS實(shí)物測(cè)試指標(biāo)滿足隱身設(shè)計(jì)要求。機(jī)載設(shè)備的隱身設(shè)計(jì)主要解決以下3個(gè)方面的技術(shù)問(wèn)題：

(1)構(gòu)形設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)。

2．1構(gòu)型設(shè)計(jì)技術(shù)

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

2．2二面角反射消除技術(shù)

機(jī)載設(shè)備需要通過(guò)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(qiáng)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(dá)波散射原理，入射波會(huì)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(qiáng)反射結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)的隱身設(shè)計(jì)中是要嚴(yán)格回避的。為了避免在上述部位形成二面角反射，在設(shè)計(jì)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(gè)結(jié)構(gòu)的外表面齊平。改進(jìn)設(shè)計(jì)后，安裝結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖，如圖3所示。

2．3外表面電連續(xù)性設(shè)計(jì)技術(shù)

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

(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(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備表面組裝零件之間的電連續(xù)，在設(shè)計(jì)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(wèn)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(jī)載設(shè)備RCS仿真計(jì)算

在設(shè)計(jì)階段，無(wú)法采用實(shí)測(cè)方法預(yù)估所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)特性，而且由于機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致其對(duì)隱身特性的影響不能直觀判斷，因此，必須通過(guò)電磁仿真的手段進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，以便將雷達(dá)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(jì)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(shí)域方法的FDTD。FDTD是一種時(shí)域有限有限差分法，F(xiàn)DTD算法對(duì)求解區(qū)域進(jìn)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(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，機(jī)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(biāo)，因而對(duì)于需要綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)外結(jié)構(gòu)的RCS效應(yīng)時(shí)，F(xiàn)DTD算法是一種較適合的選擇。機(jī)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(biāo)的具體要求，主要采用FDTD算法進(jìn)行RCS計(jì)算，并在不同波段，分別采用IPO法、MOM法進(jìn)行驗(yàn)算。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在UG軟件等三維設(shè)計(jì)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(mén)針對(duì)UG軟件和FDTD計(jì)算軟件之間數(shù)據(jù)傳輸接口進(jìn)行了研制開(kāi)發(fā)，使得網(wǎng)格剖分模塊和電磁計(jì)算模塊與UG軟件能夠無(wú)縫鏈接，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、RCS仿真與優(yōu)化的自動(dòng)化過(guò)程。整個(gè)仿真和優(yōu)化過(guò)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(jì)；

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

(3)自動(dòng)轉(zhuǎn)入FDTD仿真軟件中設(shè)置計(jì)算條件，并對(duì)模型進(jìn)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(jì)，重復(fù)前面的步驟，直至滿足要求；

(5)輸出滿足隱身指標(biāo)要求的設(shè)計(jì)模型。

4機(jī)載設(shè)備RCS測(cè)試

RCS測(cè)試是機(jī)載設(shè)備獲得RCS設(shè)計(jì)指標(biāo)實(shí)際驗(yàn)證的最終手段。由于機(jī)載設(shè)備表面可能因裝配工藝差異產(chǎn)生細(xì)小散射源，對(duì)產(chǎn)品RCS指標(biāo)造成影響，這些細(xì)小的散射源在仿真計(jì)算時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確體現(xiàn)。因此，需要對(duì)機(jī)載設(shè)備實(shí)物進(jìn)行RCS測(cè)試，驗(yàn)證當(dāng)前的設(shè)計(jì)方案否達(dá)到分配指標(biāo)要求。

4．1RCS測(cè)試原理

RCS測(cè)量的基本原理可以用式(2)所表示的雷達(dá)波傳播方程予以描述。(41T)PRL，一u—P．G．GAF2。式中：6r為雷達(dá)反射截面；P和P分別為測(cè)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(dá)目標(biāo)的電場(chǎng)強(qiáng)度及發(fā)射波反射后再射到目標(biāo)的電場(chǎng)強(qiáng)度的共同影響，F(xiàn)則表示經(jīng)目標(biāo)散射后沿直達(dá)波路徑返回接收天線的電場(chǎng)強(qiáng)度及沿反射路徑返回天線的電場(chǎng)強(qiáng)度的共同影響；A為工作波長(zhǎng)；為被測(cè)目標(biāo)至天線的距離；為損耗因子，包括信號(hào)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(gè)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(cè)量得到，但在實(shí)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(cè)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(zhǔn)確RCS值的目標(biāo)作為定標(biāo)體，首先測(cè)得定標(biāo)體的P、R，然后反推出其他參數(shù)的總值。因此將式(2)改寫(xiě)為如果定標(biāo)體的RCS已知為，且它與天線之間的距離為R。，由測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的回波功率為P則由式(3)解得因此，通過(guò)定標(biāo)體可以準(zhǔn)確地標(biāo)定K參數(shù)的總值，在已知被測(cè)目標(biāo)與天線間距離R的情況下，由測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出被測(cè)目標(biāo)的回波功率P，就可由式(3)給出目標(biāo)的準(zhǔn)確RCS數(shù)值J。需要注意的是，在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，式(3)右邊的各參數(shù)與定標(biāo)體測(cè)量時(shí)是一致的。然而，隨著兩種測(cè)量之間的時(shí)間間隔拉長(zhǎng)，系統(tǒng)環(huán)境會(huì)變，系統(tǒng)性能會(huì)漂移，這些均會(huì)造成上述參數(shù)的改變。因此，在長(zhǎng)時(shí)間的目標(biāo)測(cè)量過(guò)程中，每隔一段時(shí)間，就需要做一次定標(biāo)測(cè)量。

4．2RCS測(cè)試環(huán)境要求

在RCS測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試技術(shù)、測(cè)試環(huán)境和測(cè)試設(shè)備等因素都將直接影響著測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。RCS測(cè)試分室外測(cè)試和室內(nèi)測(cè)試2種，由于室內(nèi)測(cè)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(diǎn)，使得室內(nèi)RCS測(cè)試成為獲得準(zhǔn)確測(cè)試數(shù)據(jù)的有效手段。室內(nèi)RCS測(cè)量系統(tǒng)通常由天線、轉(zhuǎn)臺(tái)一支架組合與數(shù)據(jù)顯示與處理等3個(gè)部分組成。在一定頻率范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，將被測(cè)目標(biāo)固定在支架上，然后對(duì)關(guān)心的角度和方位進(jìn)行測(cè)量，為了保證RCS測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠，必須在測(cè)試環(huán)境中減低或消除被測(cè)目標(biāo)模型以外其他散射體的影響，使得測(cè)試環(huán)境中的背景散射遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于被測(cè)目標(biāo)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(jì)專用的低RCS載體的方式降低環(huán)境回波對(duì)被測(cè)目標(biāo)RCS的影響。

4．3RCS測(cè)試與數(shù)據(jù)處理

被測(cè)目標(biāo)的RCS測(cè)試選擇在室內(nèi)進(jìn)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(chǎng)地范圍內(nèi)獲得遠(yuǎn)場(chǎng)條件．8]。測(cè)試時(shí)的坐標(biāo)方向定義如圖7所示。與RCS仿真計(jì)算被測(cè)目標(biāo)的方向定義相同，被測(cè)目標(biāo)方位角定義：按逆時(shí)針?lè)较颍^向?yàn)?。，側(cè)向?yàn)?0。，尾向?yàn)?80。。測(cè)試方式根據(jù)測(cè)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(diǎn)頻RCS測(cè)試，獲得結(jié)構(gòu)組件在指定頻率點(diǎn)的水平極化和垂直極化散射特性曲線；

(2)掃頻測(cè)試，可獲得目標(biāo)指定姿態(tài)角的RCS頻率特性；

(3)設(shè)定頻段，在某個(gè)關(guān)心角度范圍內(nèi)進(jìn)行成像，可獲得影響組件模型RCS數(shù)值散射點(diǎn)和強(qiáng)弱分布圖。

對(duì)獲得的RCS測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑和數(shù)值分析，可獲得相應(yīng)的機(jī)載設(shè)備RCS實(shí)際測(cè)試數(shù)值和組件上散射點(diǎn)的具體位置和強(qiáng)度，為進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供修改依據(jù)。

5結(jié)束語(yǔ)

機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)組件隱身設(shè)計(jì)需要考慮的因素很多，除了保證理論構(gòu)型、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)合理之外，還要保證制造和裝配工藝的精細(xì)。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(huì)成為影響產(chǎn)品隱身指標(biāo)的重要原因，而設(shè)備表面由于涂覆材料而造成的臺(tái)階也可能對(duì)隱身指標(biāo)產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證等階段的隱身技術(shù)進(jìn)行研究分析后發(fā)現(xiàn)，單純地依靠仿真或?qū)嶋H測(cè)試產(chǎn)生的RCS數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)隱身性能設(shè)計(jì)優(yōu)劣都是不適合的。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)測(cè)結(jié)果中RCS數(shù)值低點(diǎn)要高于仿真計(jì)算的結(jié)果，原因是實(shí)測(cè)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(jì)算方法對(duì)機(jī)載設(shè)備隱身設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正時(shí)，為了避免仿真數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)方案的誤導(dǎo)，可在進(jìn)行仿真計(jì)算的同時(shí)，將仿真結(jié)果與同樣的計(jì)算條件下，已有的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參照對(duì)比，確認(rèn)當(dāng)前計(jì)算的可信度。通過(guò)采用設(shè)計(jì)、仿真與測(cè)試相結(jié)合的技術(shù)手段，能夠保證機(jī)載設(shè)備隱身設(shè)計(jì)滿足相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求。