论文部分内容阅读
摘 要：本文通过对隐身战斗机的隐身机理（包括雷达隐身和红外隐身）进行分析，并在此基础上对隐身目标进行三维建模以及电磁散射特性仿真分析，获取典型隐身目标的全向RCS特性，为武器系统的设计提供支撑。
关键词：典型目标 隐身特性 仿真评估
1引言
F-22和F-35是目前全球进入服役的第四代、多功能超声速隐身战斗机，代表了当今世界战斗机的最高水平，具备隐身、超声速巡航、非常规机动等诸多全新技术性能特征，尤其是其隐身特性相比三代机来说，有较大飞跃，对我国造成巨大的威胁，因此，开展对F-22和F-35的电磁散射特性研究，对我国防空武器的设计和研制尤其重要。
2隐身机理分析
2.1雷达隐身
2.1.1隐身外形设计
雷达的工作原理是当电磁波照射到目标上时会发生反射和散射，而雷达主要靠散射形成的回波来发现目标，隐身技术就是降低飞机对电磁波的散射程度。
不同波长的电磁波照射到飞机上的RCS差异很大，目前的防空雷达主要为分米波和厘米波，波长远小于目标尺寸，回波是各个部分散射的矢量叠加，因此局部的点、线、面的散射源就成了研究重点。
飞机的外形设计会很大程度的影响飞机的RCS，因此进行外形优化设计是最好的隐身手段，而在隐身飞机设计时会注意到以下几点。
（1）减小单一连续的平面面积，以降低镜面散射效应，降低雷达散射信号。
（2）飞机表面应尽量平滑过渡，不要有任何缺口、突出物等任何剧烈变化、不平滑的地方，避免表面完整和有缺口的物體形成较大RCS差别。
（3）把强散射源变成弱散射源，对于一个球体，把它拍扁，再把边缘销尖，从一个较强的散射源变成了边缘绕射或尖顶散射。圆柱体和纺锤体机身将边缘做的尖尖的，形成尖劈角以减小RCS。飞机的进气道、座舱和尾喷口在喷口做锯齿处理，把强信号特征的边缘绕射变为较弱的尖顶绕射，以减小RCS。
（4）对强散射源进行遮挡，对发动机进气口进行遮挡、采用S型进气道，使地面的防空雷达无法直接照射到发动机口，而在进气口有金属格栅，遮挡电磁波。
（5）控制散射方向，采用大后掠角机翼，把回波呈大角度散射开，以减小RCS，并避免互成90°的平面以降低角反射效应。
对于垂直角反射区域，将90°垂尾和尾翼改成V型垂尾，避免形成角反射器。
此外，还可集中将回波能量控制在很窄的方位内，可将飞机的机翼、尾翼等棱线设计为平行的，将散射面集中在同一个方向上，因此就算被雷达照射到了，也会一晃而过，RCS会瞬间急剧减小，雷达不能准确捕获到。
2.1.2吸波材料
由于飞机的隐身特殊布局会受到空气动力学的限制，其作用有限。其次RCS不仅和目标本身外形有关，也和物体的电磁特性有关，因此要采用吸波材料，能够损耗掉入射的电磁波。
吸波材料又分为两种，一种是涂覆上去的，另一种是结构型材料（如复合材料），F-117和B-2用的都是吸波涂料，所以每隔一段时间就要重新涂一遍，而且飞机还要付出额外的重量代价。
而对于复合材料，由于它本身具有一定的透波性和吸波性，而且复合材料的强度比金属涂料的好，抗疲劳度高等优点，现代战斗机在设计时会考虑大量采用复合材料，如F-35战斗机的尾翼、机翼后襟及机身下方等很多地方都大量采用了复合材料。
2.2红外隐身
红外线也是一种电磁波，物体会向外发出红外辐射，是一种高频电磁波，高于任何一种雷达的频率，所以几乎不可能用电子手段进行干扰。所以要想降低红外信号，最有效的就是降低温度。
对于飞机来说，热源就是气动加热、太阳辐射、尾喷口，最大的红外辐射源是发动机的尾喷口，所要必须对飞机尾喷口进行处理。
如B-2的尾喷口是扁平状的，可使与空气接触面变大且均匀，使排出的热气更快更多的与空气接触来降温，还可以用挡板对排气口进行遮挡。
3仿真分析
3.1F-22典型目标隐身特性分析
3.1.1目标三维建模
F-22采用翼身融合体，机翼为上单翼，采用修型的切尖菱形。根据F-22的几何特性建立三维模型，模型如下图所示。
3.1.2RCS仿真
采用P-UEST电磁仿真软件，利用多层快速多极子算法（Multilevel Fast Multipole Algorithm，MLFMA）进行电磁散射特性仿真。X波段的仿真结果见下图所示。
由仿真结果可见F-22在头部水平面±30°范围内的散射电平都很低，均值约-20dBsm，这和工业及情报部门对F-22隐身性能的认识非常吻合的。
3.2 F-35典型目标隐身特性分析
3.1.1目标三维建模
F-35在气动设计上沿用了F-22研制中积累的主要设计、制造经验，采用类似F-22战斗机的常规气动布局，根据F-35的几何特性建立三维模型，并根据需要对模型进行修补或简化，模型如下图所示。
3.1.2RCS仿真
X波段的仿真过程及结果见下图所示。
由仿真结果可见F-35在头部方向水平面±30°范围内的散射电平都很低，均值约-25dBsm。
4结论
通过对F-22和F-35典型隐身目标的机理分析，可知隐身技术的重点是外形隐身和材料隐身，以实现其头向区域低可探测性。F-22战机在头部水平面±30°范围内RCS均值约为-20dBsm，而F-35战机在头部水平面±30°范围内RCS均值约为-25dBsm。
参考文献：
[1] 王俊鸣.雷达目标电磁散射特性的仿真研究[M]，航天控制，2017，25（5），74-78
[2] 蔺国民.，隐身飞机综述[M]，航空制造技术，2005，73-76
[3] 姜浩.F-35战斗机气动及隐身特性分析[M]，飞机设计，2010，30（6）：1-10
关键词：典型目标 隐身特性 仿真评估
1引言
F-22和F-35是目前全球进入服役的第四代、多功能超声速隐身战斗机，代表了当今世界战斗机的最高水平，具备隐身、超声速巡航、非常规机动等诸多全新技术性能特征，尤其是其隐身特性相比三代机来说，有较大飞跃，对我国造成巨大的威胁，因此，开展对F-22和F-35的电磁散射特性研究，对我国防空武器的设计和研制尤其重要。
2隐身机理分析
2.1雷达隐身
2.1.1隐身外形设计
雷达的工作原理是当电磁波照射到目标上时会发生反射和散射，而雷达主要靠散射形成的回波来发现目标，隐身技术就是降低飞机对电磁波的散射程度。
不同波长的电磁波照射到飞机上的RCS差异很大，目前的防空雷达主要为分米波和厘米波，波长远小于目标尺寸，回波是各个部分散射的矢量叠加，因此局部的点、线、面的散射源就成了研究重点。
飞机的外形设计会很大程度的影响飞机的RCS，因此进行外形优化设计是最好的隐身手段，而在隐身飞机设计时会注意到以下几点。
（1）减小单一连续的平面面积，以降低镜面散射效应，降低雷达散射信号。
（2）飞机表面应尽量平滑过渡，不要有任何缺口、突出物等任何剧烈变化、不平滑的地方，避免表面完整和有缺口的物體形成较大RCS差别。
（3）把强散射源变成弱散射源，对于一个球体，把它拍扁，再把边缘销尖，从一个较强的散射源变成了边缘绕射或尖顶散射。圆柱体和纺锤体机身将边缘做的尖尖的，形成尖劈角以减小RCS。飞机的进气道、座舱和尾喷口在喷口做锯齿处理，把强信号特征的边缘绕射变为较弱的尖顶绕射，以减小RCS。
（4）对强散射源进行遮挡，对发动机进气口进行遮挡、采用S型进气道，使地面的防空雷达无法直接照射到发动机口，而在进气口有金属格栅，遮挡电磁波。
（5）控制散射方向，采用大后掠角机翼，把回波呈大角度散射开，以减小RCS，并避免互成90°的平面以降低角反射效应。
对于垂直角反射区域，将90°垂尾和尾翼改成V型垂尾，避免形成角反射器。
此外，还可集中将回波能量控制在很窄的方位内，可将飞机的机翼、尾翼等棱线设计为平行的，将散射面集中在同一个方向上，因此就算被雷达照射到了，也会一晃而过，RCS会瞬间急剧减小，雷达不能准确捕获到。
2.1.2吸波材料
由于飞机的隐身特殊布局会受到空气动力学的限制，其作用有限。其次RCS不仅和目标本身外形有关，也和物体的电磁特性有关，因此要采用吸波材料，能够损耗掉入射的电磁波。
吸波材料又分为两种，一种是涂覆上去的，另一种是结构型材料（如复合材料），F-117和B-2用的都是吸波涂料，所以每隔一段时间就要重新涂一遍，而且飞机还要付出额外的重量代价。
而对于复合材料，由于它本身具有一定的透波性和吸波性，而且复合材料的强度比金属涂料的好，抗疲劳度高等优点，现代战斗机在设计时会考虑大量采用复合材料，如F-35战斗机的尾翼、机翼后襟及机身下方等很多地方都大量采用了复合材料。
2.2红外隐身
红外线也是一种电磁波，物体会向外发出红外辐射，是一种高频电磁波，高于任何一种雷达的频率，所以几乎不可能用电子手段进行干扰。所以要想降低红外信号，最有效的就是降低温度。
对于飞机来说，热源就是气动加热、太阳辐射、尾喷口，最大的红外辐射源是发动机的尾喷口，所要必须对飞机尾喷口进行处理。
如B-2的尾喷口是扁平状的，可使与空气接触面变大且均匀，使排出的热气更快更多的与空气接触来降温，还可以用挡板对排气口进行遮挡。
3仿真分析
3.1F-22典型目标隐身特性分析
3.1.1目标三维建模
F-22采用翼身融合体，机翼为上单翼，采用修型的切尖菱形。根据F-22的几何特性建立三维模型，模型如下图所示。
3.1.2RCS仿真
采用P-UEST电磁仿真软件，利用多层快速多极子算法（Multilevel Fast Multipole Algorithm，MLFMA）进行电磁散射特性仿真。X波段的仿真结果见下图所示。
由仿真结果可见F-22在头部水平面±30°范围内的散射电平都很低，均值约-20dBsm，这和工业及情报部门对F-22隐身性能的认识非常吻合的。
3.2 F-35典型目标隐身特性分析
3.1.1目标三维建模
F-35在气动设计上沿用了F-22研制中积累的主要设计、制造经验，采用类似F-22战斗机的常规气动布局，根据F-35的几何特性建立三维模型，并根据需要对模型进行修补或简化，模型如下图所示。
3.1.2RCS仿真
X波段的仿真过程及结果见下图所示。
由仿真结果可见F-35在头部方向水平面±30°范围内的散射电平都很低，均值约-25dBsm。
4结论
通过对F-22和F-35典型隐身目标的机理分析，可知隐身技术的重点是外形隐身和材料隐身，以实现其头向区域低可探测性。F-22战机在头部水平面±30°范围内RCS均值约为-20dBsm，而F-35战机在头部水平面±30°范围内RCS均值约为-25dBsm。
参考文献：
[1] 王俊鸣.雷达目标电磁散射特性的仿真研究[M]，航天控制，2017，25（5），74-78
[2] 蔺国民.，隐身飞机综述[M]，航空制造技术，2005，73-76
[3] 姜浩.F-35战斗机气动及隐身特性分析[M]，飞机设计，2010，30（6）：1-10