尾槳葉靜態(tài)RCS特性分析及隱身設(shè)計

周琪琛 徐雅楠 吳凱華

（中國直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001）

0.引言

翼面類部件是飛行器的重要雷達散射源，而直升機的尾槳是區(qū)別于固定翼飛行器最直觀的特征。尾槳葉的幾何外形和尾槳葉的前后緣特征，使得邊緣繞射和鏡面反射在散射機理中占主要作用。因而，對槳葉RCS特性的準確預(yù)估是增強直升機雷達隱身性能的前提。國內(nèi)外對于在直升機尾槳葉的RCS特性分析方面研究不多，特別在研究槳葉中參數(shù)變化引起的RCS特性分析以及在可應(yīng)用于尾槳葉的雷達隱身設(shè)計方法上的研究較少。對尾槳葉電磁散射特性的獲取，可以采用實測和仿真2種手段，實測方法雖然結(jié)果準確但是需要在特定的電磁環(huán)境下測量，通常在特定尺寸的微波暗室或者專業(yè)的外場環(huán)境測試，會耗費大量的人力財力。而隨著計算電磁學(xué)以及高性能計算機的快速發(fā)展，目前對電磁問題的求解方法主要有低頻數(shù)值方法和高頻近似方法，低頻數(shù)值方法包含了矩量法、有限元、時域有限差分方法，此類方法通常用于求解電小尺寸目標的電磁散射問題，高頻近似方法包含了幾何光學(xué)法、物理光學(xué)法等，主要用于求解電大尺寸目標的電磁散射問題?；谟嬎汶姶艑W(xué)的這些數(shù)值計算方法，可以快速有效地仿真出可信的結(jié)果，并且與實際測量結(jié)果較為接近，從而在工程領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

鑒于此，本文著重考慮應(yīng)用于直升機尾槳葉的隱身設(shè)計方法，并應(yīng)用一種計入邊緣繞射的彈跳射線方法（SBR）開展槳葉的電磁散射特性研究。一方面，開展尾槳傾斜角參數(shù)等影響因素對槳葉RCS影響機理和響應(yīng)特性的分析。另一方面，對尾槳葉進行結(jié)構(gòu)和材料隱身設(shè)計，分析尾槳葉經(jīng)隱身設(shè)計后的RCS減縮效果，得到一些可以指導(dǎo)直升機尾槳隱身設(shè)計的結(jié)論。

1.電磁散射計算方法

當(dāng)在計算電大尺寸目標的電磁特性時，為了兼顧計算精度與計算效率，通常采用高頻近似方法，而幾何光學(xué)法和幾何繞射理論（GTD）這類高頻方法將電磁波簡化為射線傳播的方式來求解散射場。但物理光學(xué)法在求解多次反射的電磁散射問題上有所欠缺，幾何光學(xué)法在求解效率較低，因而考慮將物理光學(xué)法和幾何光學(xué)法結(jié)合起來，即為彈跳射線法（SBR），可高效地求解多次反射的電磁散射問題，使用物理光學(xué)法求解遠區(qū)散射場，通過幾何光學(xué)法來求解多階反射場，并結(jié)合了邊緣繞射計算方法。因而，本文運用彈跳射線方法并結(jié)合繞射理論對直升機槳葉的RCS特性進行仿真分析。

1.1 彈跳射線法

SBR方法主要分為射線路徑追蹤、射線強度追蹤和遠場積分3部分。

（1）射線路徑追蹤。利用一系列緊密相連的射線管來模擬電磁波入射到目標表面，對所有射線管進行路徑追蹤來模擬電磁波在目標表面的傳播過程。（2）射線強度追蹤。對射線與目標表面的交點場強進行跟蹤計算。（3）遠場區(qū)域積分。通過射線路徑跟蹤和場強跟蹤計算出射線經(jīng)多次反射后回到射線口面時的電場分布，將射線口面上的電場等效為磁流源進行口徑積分，可得目標表面的散射場：

式中：Z0為自由空間的特征波阻抗；為觀察點的單位矢量；為目標表面面元的單位法矢量；r'為目標表面面元任一面元的位置矢量；r為觀察點位置矢量；E(r',ω)和H(r',ω)分別為目標表面的總電場和總磁場。

1.2 邊緣繞射

在槳葉的電磁散射特性計算過程中，爬行波產(chǎn)生的邊緣繞射是一種不可忽視的散射現(xiàn)象，在目標總散射場中起到了相當(dāng)?shù)呢暙I。本文計入物理繞射理論（PTD）來計算槳葉前緣和后緣的繞射場。

棱邊結(jié)構(gòu)散射示意如圖1所示，iβ是入射波方向和棱邊的夾角，sβ是反射波方向和棱邊的夾角。遠場的計算公式為：

圖1 棱邊結(jié)構(gòu)散射示意

其中Ie和Im是棱邊上的等效電流和等效磁流在觀察點處，總的散射場強是散射場和邊緣繞射場的疊加，總的場強為：

其中，M是散射場的階數(shù)，N是剖分后目標上棱邊的數(shù)目。

2.尾槳參數(shù)對隱身特性影響分析

2.1 尾槳葉旋轉(zhuǎn)角

圖2所示給出了尾槳葉位于30°旋轉(zhuǎn)角的網(wǎng)格示意圖，選取尾槳葉旋轉(zhuǎn)角α為 0°、15°、30°、45°、60°、75°計算單站RCS（由于旋轉(zhuǎn)角為90°的RCS響應(yīng)分布情況與0°一致，故省略）。

圖2 網(wǎng)格示意

雷達波工作頻率為10GHz，尾槳葉為4片，展長1.1m，弦長0.3m，采用NACA0012對稱翼型。

圖3所示給出了尾槳葉位于不同旋轉(zhuǎn)角α的RCS分布曲線，由于尾槳葉相對中心為對稱分布，入射波從方位角ψ=180°～360°入射的RCS響應(yīng)與0°～180°一致，因此，入射波方位角選取為0°～180°。間距角為1°，VV、HH曲線分別代表垂直極化的測量值和水平極化的測量值?？梢钥闯觯?/p>

圖3 不同尾槳葉旋轉(zhuǎn)角的RCS分布

（1）不同旋轉(zhuǎn)角下的RCS最大值出現(xiàn)在入射波垂直于槳盤平面時，ψ=90°，此時，槳葉產(chǎn)生的鏡面反射為主要散射源，鏡面反射發(fā)生時，反射波的大部分能量集中在和入射角相等的反射角的方向上，入射波垂直于槳盤平面，則反射波的大部分能量集中在垂直于槳盤平面的方向，本文計算目標RCS為單站RCS，因此，入射波垂直于槳盤平面時RCS值明顯大于其他入射波方位角。（2）不同旋轉(zhuǎn)角下的RCS值相對方位角90°呈對稱分布，這是由于尾槳葉相對尾槳旋轉(zhuǎn)中心對稱分布。（3）當(dāng)尾槳發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，在0°＜ψ＜89°和81°＜ψ＜179°范圍內(nèi)的RCS值明顯降低。

表1、表2和圖4給出了尾槳葉旋轉(zhuǎn)角為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90 的 RCS 峰值和均值?？梢钥闯?，隨著尾槳旋轉(zhuǎn)角度不斷增大，旋翼RCS峰值幾乎不變，均值呈現(xiàn)兩頭大中間小的趨勢。

表1 RCS均/峰值（垂直極化）

表2 RCS均/峰值（水平極化）

圖4 RCS均/峰值

2.2 傾斜尾槳

圖5所示給出了尾槳葉位于20°傾斜角的網(wǎng)格示意圖，選取槳盤傾斜角度為 0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°計算單站RCS，雷達波工作頻率為10GHz，尾槳葉為4片，展長1.1m，弦長0.3m，采用NACA0012對稱翼型。

圖5 傾斜尾槳網(wǎng)格示意

圖6所示給出了尾槳位于不同傾斜角β的RCS分布曲線，入射波方位角同樣選取為0°～180°，間距角為1°，VV、HH曲線分別代表垂直極化的測量值和水平極化的測量值?？梢钥闯觯?/p>

圖6 不同尾槳葉槳盤傾角RCS分布

（1）不同尾槳傾斜角下的RCS最大值仍出現(xiàn)在入射波方位角ψ=90°。（2）隨著尾槳傾斜角增大，RCS最大值不斷減小，當(dāng)尾槳傾斜角β=45°時，RCS最大值（垂直極化）為4.97dBsm，相比于β=0°下降約29.63dBsm。這是由于尾槳傾斜時反射波不再與入射波方向相同，接收端接受到的能量大幅下降，且隨著傾斜角度增大，能量降幅越大。（3）當(dāng)尾槳發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，在20°＜ψ＜89°和81°＜ψ＜160°范圍內(nèi)的RCS值明顯降低。

表3、表4、圖7給出了傾斜尾槳角度為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°的 RCS 峰值和均值?？梢钥闯觯S著尾槳傾斜角度不斷增大，RCS均值、峰值不斷減小，且傾斜角在0°～10°之間下降較快。

表3 RCS均/峰值（垂直極化）

表4 RCS均/峰值（水平極化）

圖7 RCS均/峰值

3.尾槳結(jié)構(gòu)隱身和涂層隱身設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)隱身

尾槳葉內(nèi)部的隱身設(shè)計受制于內(nèi)部空間尺寸、制造工藝、動力學(xué)特性等因素的限制，考慮到這些因素，參考固定翼機翼的隱身設(shè)計思路，在尾槳葉前緣內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用尖劈形棱邊設(shè)計，將前緣鉛條前向曲面的鏡面反射作用轉(zhuǎn)化為棱邊的邊緣繞射作用。本文僅分析內(nèi)部尖劈的角度對槳葉RCS的影響，材料的填充方式、電磁參數(shù)等不在此考慮。雷達波工作頻率為10GHz，尾槳葉為4片，展長1.1m，弦長0.3m，采用NACA0012對稱翼型，旋轉(zhuǎn)角和傾斜角均為0°。

圖8所示給出了在尾槳葉內(nèi)部前緣處設(shè)置不同尖劈角度γ的切向剖面示意，圖9所示給出了槳葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)尖劈形狀處理后的槳葉RCS分布，表5、表6給出了在尾槳葉內(nèi)部前緣處設(shè)置尖劈角度γ為30°、60°和無尖劈的RCS峰值和均值?？梢钥闯觯?/p>

表5 RCS均/峰值（垂直極化）

表6 RCS均/峰值（水平極化）

圖8 內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意

圖9 槳葉RCS分布

（1）尖劈角度γ=30°時，在方位角 70°～ 80°、100°～ 110°之間出現(xiàn)局部峰值；尖劈角度γ=60°時，在方位角45°～70°、110°～135°之間出現(xiàn)局部峰值。（2）使用尖劈結(jié)構(gòu)后，RCS均值有所下降，且角度γ為30°時，均值下降較為明顯。

3.2 涂層隱身

隨著各種新型隱身涂層材料的出現(xiàn)，并且考慮到尾槳葉的外形結(jié)構(gòu)目前主要以滿足氣動設(shè)計要求為主，通過在尾槳葉表面上涂覆吸波材料一定程度上既保證槳葉的氣動特性，又起到了降低槳葉RCS特性的目的。為研究隱身涂層對于槳葉RCS的減縮效果，采用雷達吸波材料對槳葉進行全涂覆處理。

圖10、表7、表8所示給出了槳葉涂覆某隱身涂層前后的RCS特性分布。雷達波工作頻率為10GHz，尾槳葉為4片，展長1.1m，弦長0.3m，，采用NACA0012對稱翼型，旋轉(zhuǎn)角和傾斜角均為0°?？梢钥闯?，RCS峰值下降約10dBsm，RCS均值下降約9dBsm。經(jīng)全涂覆處理后槳葉RCS減縮效果良好。

圖10 涂覆隱身涂層前后RCS分布

表7 RCS均/峰值（垂直極化）

表8 RCS均/峰值（水平極化）

4.結(jié)論

（1）尾槳在不同旋轉(zhuǎn)角下的RCS最大值出現(xiàn)在方位角90°且相對呈對稱分布。隨著尾槳旋轉(zhuǎn)角度不斷增大旋翼RCS峰值幾乎不變，均值呈現(xiàn)兩頭大中間小的趨勢。（2）尾槳在不同傾斜角下的RCS最大值出現(xiàn)在方位角90°。隨著尾槳傾斜角增大RCS最大值不斷減小。（3）槳葉尖劈能夠改變局部峰值分布，且降低了RCS均值。（4）涂覆隱身涂料能夠有效降低尾槳RCS值。