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飞行器隐身技术基本知识学习笔记

已有 4143 次阅读 2014-10-1 18:58 |个人分类:博士综合课笔记|系统分类:科研笔记| 飞行器, 隐身技术, 雷达隐身

飞行器隐身技术基本知识学习笔记


一、飞行器雷达隐身/RCS基本概念

   军事上的需求和现代科学技术的发展,使得对飞行器进行探测的技术日益完善。这对飞行器的生存力构成了严重的威胁。隐身技术则通过降低飞行器被探测的可能性提高其生存能力。

飞行器被发现的概率大小,主要决定于其产生的信号强度与背景噪声强度之比,即信噪比。信号的强度可以大致用物体的RCS(雷达反射截面)进行表征。RCS可用一个各向均匀辐射的等效反射器的投影面积来定义,或使用公式                                                    

                                       

其物理意义为,在采用相同的雷达波进行照射的条件下,若使用截面面积为 $\sigma$ 的导体球代替被照射飞行器,则在接受天线处将收到具有相同功率密度的回波。

RCS与飞行器生存能力的大致关系可以通过雷达方程体现出来,即


                                                                     

这个方程首先从一个方面体现了隐身的相对性意义,即所谓隐身,并不是指完全不可见,可能发现的最大距离降低。其次,这一公式可以提供最大探测距离随雷达反射截面变化情况的基本观念,其大致为RCS缩减为1/16,则最大发现距离减半。这说明为了减小最大发现距离,即增强飞行器的生存能力,需要极大地降低RCS


二、飞行器外形隐身设计

由基本概念可以看到,飞行器的隐身技术基本等同于降低其RCS的技术。

1、飞行器RCS计算

   为降低RCS,就需要对特定目标、飞行器的RCS进行计算,这主要有两钟方法。一种是对散射场进行严格求解,从而得出飞行器的RCS,这一类包括经典解法、矩量法、有限时域差分法等;另一种则是高频分析法,其利用在高频区总散射场可以看做若干散射源散射场的合成这一性质,将飞行器RCS的计算分解为对散射源RCS的计算与合成。

在高频情况下,散射源的散射机理主要有镜面反射、边缘绕射、夹顶绕射、爬行波绕射、行波绕射、非细长体电磁边界突变绕射等。而这些散射源的散射场可以用几何光学法、物理光学法、几何绕射理论、物理绕射理论等方法进行计算。散射源的散射场得到后,可用相对相位法、随机相位法等方法进行合成,得到复杂飞行器的RCS。对于复杂目标,还可以使用板元边缘法等方法。

一般情况下,RCS大致与下列几个因素相关:

l 飞行器的物理特性,即飞行器材料的电特性

l 飞行器的几何外形

l 飞行器被雷达波照射的方位

l 入射波的波长

l 入射场极化形式和接收天线的极化形式

其中第45条由雷达系统决定,第三条由飞行器与雷达波的相对姿态决定,这些并不是可以在飞行器设计中改变的。因此,RCS缩减中从飞行器的外形及使用材料上想办法的可能更多一些。


2、飞行器RCS缩减

飞行器RCS的缩减主要有改变外形、采用吸波材料、阻抗加载三种途径。其中外形设计有相对重要的影响与作用。在外形设计中,为了使得飞行器具有较好的隐身特性,通常从以下几个方面进行考虑:

l 改善总体布局,减少散射源

散射源数目的减少可以降低RCS。在飞行器设计中应尽量减少、合并有关部件,去除外挂物;同时在飞行器表面避免开口、缝隙、台阶等不平滑的设计。总之,保持飞行器的光滑与连续。

l 改强散射源为弱散射源

降低每个散射源的强度,也可以从总体上降低飞行器的RCS。例如可以将飞行器的机翼前缘设计得比较锋利,变镜面反射为边缘绕射,以降低散射源的强度。

l 对强散射源进行遮挡

由于被遮挡的散射源对整体RCS的贡献较小,对于强散射源,可以对其进行遮挡。例如,可以将发动机短舱置于机身背部或机翼后上方;利用S型进气道遮挡压气机;在飞行员座舱盖的表面蒸镀不透波的金属膜。这些方法在B-2F-22等飞机的设计上有所应用。

l 控制散射方向,使散射能量集中在雷达威胁区域之外

在飞行器突防中,只有一部分方向上的回波是危险的,因此可以通过外形设计将回波导向威胁较小的方向,从而降低RCS。应用这一原理的典型例子是F-117的平板外形,其通过将表面布置得与垂直方向成一定的角度,使得大部分辐射能量被导引到其他方向散射掉。

l 消除角反射器效应

在飞行器设计中,可以将相互垂直的翼面、垂尾与平尾进行倾斜,以减弱其回波。

l 将雷达回波能量集中于少数很窄的方位

将回波能量导向其他方向后,在某些方位飞行器仍具有较大回波,这是难以完全消除的。为了进一步降低飞行器被探测的可能性,可以将不同散射源产生的回波的方向集中到若干较窄的方向上。这样,雷达不能收到连续的回波信号。在具体设计中,可以将飞行器边缘的方向统一到少数几个方向上,使得飞行器仅有几个非常尖锐的回波峰。F-22B-2相互平行的机翼前缘、后缘、接缝等均是在这一原理指导下设计出来的。

对于吸波材料的使用和阻抗加载的方法,由于时间有限,没有能够作基本的学习,就不进行总结了。


P.S.上述总结中的内容主要来自南京航空学院的余雄庆、杨景佐老师编写的《飞行器隐身设计基础》



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