機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)隱身研發(fā)_優(yōu)秀論文

1、 機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)隱身研發(fā)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

2、, 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)過程中, 除了要考慮氣動(dòng)特性和強(qiáng)度要求以外, 還要通過對(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

3、和輻射問題。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

4、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

5、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)外來電磁波的反射, 通過對(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)備來說, 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)。21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)

6、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

7、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。22二面角反射消除技術(shù)機(jī)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(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

8、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。23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

9、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

10、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, FDTD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), FDTD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

11、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)化過程。整個(gè)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(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

12、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。41RCS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uPGGAF2。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反映了由天線的發(fā)射波直

13、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=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)改寫為如果定

14、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)量過程中, 每隔一段時(shí)間, 就需要做一次定標(biāo)測(cè)量。42RCS測(cè)試環(huán)境要求在RCS測(cè)試過程中, 測(cè)試技術(shù)、測(cè)試環(huán)境和測(cè)試設(shè)備等因

15、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

16、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)針方向, 頭向?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HH和VV), 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。通過對(duì)機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析和試驗(yàn)