郭霄， 楊青真， 施永強(qiáng)， 楊惠成， 白進(jìn)

西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院， 西安 710029

介質(zhì)涂覆位置對球面收斂噴管電磁散射特性影響

郭霄*， 楊青真， 施永強(qiáng)， 楊惠成， 白進(jìn)

西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院， 西安 710029

外形設(shè)計(jì)和隱身材料使用是縮減目標(biāo)雷達(dá)散射截面積(RCS)的兩種常用方法。為了研究雷達(dá)吸波材料(RAM)對于球面收斂矢量噴管(SCFN)的RCS減縮效果，采用引入阻抗邊界條件后的迭代物理光學(xué)(IPO)法，研究了球面收斂二元噴管及8種吸波材料涂覆方案的電磁散射特性，并獲得了X波段下9種模型的后向RCS隨探測角度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：吸波材料涂覆可以有效地縮減球面收斂噴管的RCS；合理的涂覆方案可以在保證RCS縮減效果的基礎(chǔ)上，降低吸波材料的使用量；相比全涂覆方案，僅在噴管出口和球面段進(jìn)行涂覆，可以在吸波材料減少30%使用量的情況下，達(dá)到全涂覆方案80%的縮減效果。

迭代物理光學(xué)； 阻抗邊界條件； 雷達(dá)吸波材料； 球面收斂矢量噴管； 雷達(dá)散射截面積

飛機(jī)發(fā)動機(jī)噴管是典型的腔體結(jié)構(gòu)，腔體結(jié)構(gòu)是一種強(qiáng)散射源，對于飛機(jī)的目標(biāo)雷達(dá)散射截面積(RCS)有巨大的貢獻(xiàn)，對噴管進(jìn)行RCS縮減可以有效地縮減飛機(jī)的目標(biāo)RCS[1]。球面收斂矢量噴管(SCFN)的收斂段采用萬向節(jié)的球形結(jié)構(gòu)，擴(kuò)張段則采用矩形截面。SCFN可以兼顧軸對稱截面結(jié)構(gòu)矢量效率高、壓力分布均勻以及矩形截面結(jié)構(gòu)易于與機(jī)身進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，是唯一列入美國IHPTET計(jì)劃的矢量噴管[2]。國內(nèi)外學(xué)者針對SCFN的流動特性開展了研究，Taylor針對9種不同的SCFN進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對球面收斂段與矩形擴(kuò)張段鏈接設(shè)計(jì)給出了大量的參考結(jié)論[3-4]。張靖周等通過實(shí)驗(yàn)的手段獲得了SCFN的熱射流特征，觀察到了出口截面的“馬鞍”形異形總壓分布以及熱射流的不對稱分布[5]。王宏亮研究了喉部不同的寬高比對SCFN噴管流動特性的影響[6]。對于SCFN噴管的電磁隱身特性，崔金輝等將射線追蹤法應(yīng)用在SCFN的電磁散射特性計(jì)算中[7-9]。楊勝男等研究了SCFN噴管的電磁散射特性，計(jì)算了不同頻率下的SCFN的RCS特性，得到了頻率對SCFN噴管電磁特性的影響[10]。SCFN是重要的矢量噴管，但從已經(jīng)公開的研究資料來看其氣動特性研究有待補(bǔ)充，雷達(dá)散射特性研究仍需完善，介質(zhì)涂覆的研究還未開展。如何對SCFN噴管進(jìn)行有效的涂覆不僅對于SCFN的隱身特性具有重要的意義，同時(shí)對于SCFN噴管的氣動設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值[11-12]。

本文以迭代物理光學(xué)(Iterative Physical Optics, IPO)法為基礎(chǔ)，通過引入阻抗邊界條件實(shí)現(xiàn)涂覆吸波材料的電大尺寸腔體電磁散射特性計(jì)算，研究了不同涂覆位置對SCFN RCS的影響。

1 計(jì)算方法

IPO法是建立在物理光學(xué)近似的基礎(chǔ)之上，考慮腔體壁面之間的電磁波多次反射，通過迭代方法求解電場積分方程，進(jìn)而求解得到腔體的電磁散射場的一種電磁數(shù)值計(jì)算方法[13]。IPO用光學(xué)電流與修正電流疊加來近似目標(biāo)表面的真實(shí)電流，因此IPO法可以解決深度較大的腔體散射問題。為了提高IPO法的迭代計(jì)算效率，在迭代計(jì)算中引入前后向迭代物理光學(xué)方法和松弛因子技術(shù)[14]。

為了能夠計(jì)算涂覆有吸波材料的電大尺寸腔體電磁散射問題，在IPO的基礎(chǔ)之上引入阻抗邊界條件。阻抗邊界條件最早由Leontovich提出，在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外的科研工作者對阻抗邊界進(jìn)行了深入的研究，使其能夠滿足介質(zhì)涂覆數(shù)值模擬計(jì)算[15-19]。

一般阻抗邊界條件的矢量形式為

n×E=Zsn×n×H

(1)

式中：E和H分別為電場和磁場；n為面元法向矢量；Zs為絕對阻抗。

通常認(rèn)為絕對阻抗Zs和入射波角度有關(guān)。對于折射率較大的吸波材料，可以近似認(rèn)為Zs與入射角度無關(guān)，因此可得

(2)

式中：εr、μr為相對磁導(dǎo)率和相對介電常數(shù)；t為涂覆吸波材料的厚度；k為自由空間波數(shù)；Z0為自由空間波阻抗。

阻抗邊界條件避免了對于吸波材料內(nèi)部復(fù)雜的電磁波計(jì)算分析，從而簡化了計(jì)算。在滿足下述條件基礎(chǔ)上,阻抗邊界條件適用于計(jì)算涂覆介質(zhì)的非理想導(dǎo)體、粗糙表面以及等離子體等：涂覆層介質(zhì)的折射系數(shù)和損耗較大；涂覆層表面的曲率半徑遠(yuǎn)大于吸波材料的波長；在涂覆材料表面，外部場在和波長相比擬的尺度范圍內(nèi)變化平緩。采用阻抗邊界條件的IPO法可以在保證計(jì)算精度的情況下對涂覆吸波材料的腔體目標(biāo)進(jìn)行有效的計(jì)算。

為了驗(yàn)證本文開發(fā)的結(jié)合阻抗邊界條件的IPO法對介質(zhì)涂覆的單端開口腔體的計(jì)算精度問題，對如圖 1所示的全涂覆單端開口圓柱腔體計(jì)算模型進(jìn)行了數(shù)值模擬[20]。圖1中sc面為腔體壁面，sa面為腔體口徑面，圓柱底面半徑R=60 mm，圓柱高為120 mm。腔體內(nèi)壁全部涂覆吸波材料，μr=1.0，εr=6.11-j0.78；吸波材料厚度為6 mm。圖2為本文開發(fā)的軟件的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果的RCS曲線；圖中縱坐標(biāo)為雷達(dá)散射截面積，橫坐標(biāo)θ為探測角；從圖中可以看出在計(jì)算的角度范圍內(nèi)，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合相對較好。

圖1 驗(yàn)證模型
Fig.1 Test model

圖2 水平和垂直極化方式下RCS曲線
Fig.2 RCS curves in horizontal and vertical polarization

2 研究對象

本文以球面收斂二元矢量噴管為研究對象，在噴管進(jìn)口處安裝了環(huán)形混合器和中心錐。由于SCFN內(nèi)部的結(jié)構(gòu)沒有被完全幾何遮擋，在設(shè)計(jì)介質(zhì)涂覆方案時(shí)，需要考慮中心錐外表面和混合器內(nèi)外壁面。根據(jù)SCFN噴管自身的幾何特征，將噴管壁面分為3個區(qū)域(如圖3所示)。本文共設(shè)計(jì)了9種涂覆方案(如表1所示)。Model 0為無涂覆的基準(zhǔn)模型，Model 2為全涂覆模型；Model 1、Model 3、Model 4和Model 5為對噴管某一位置進(jìn)行涂覆的模型；Model 6、Model 7 與Model 8為對噴管壁面進(jìn)行組合涂覆的模型。以全涂覆方案的涂覆面積為基準(zhǔn)面積1，其他涂覆方案的面積與全涂覆相比確定其涂覆面積比例。

圖3 雷達(dá)吸波材料涂覆區(qū)域示意圖
Fig.3 Illustration of radar absorbing material coating part

表1 不同涂覆方案涂覆位置Table 1 Coating part in different coating program

注：●代表在該位置涂覆吸波材料，○代表該位置未涂覆吸波材料。

3 結(jié)果與分析

圖4為雷達(dá)探測角度示意圖。本文計(jì)算條件設(shè)置如下：俯仰和偏航探測面探測角計(jì)算范圍：0°～40°；入射波波長λ=0.03 m；每個平方波長上有16個網(wǎng)格，壁面網(wǎng)格總數(shù)為34 454。

3.1 俯仰探測面

圖5(a)為俯仰探測面水平極化方式下不同涂覆方案下的球面收斂矢量噴管RCS曲線。從圖中可以看出，在0° 探測角下，Model 0的RCS最大；Model 2的RCS最?。煌扛参ú牧系哪Ｐ偷腞CS均比基準(zhǔn)模型的RCS要小。在0°～40° 探測角范圍，Model 0的RCS在大部分探測角下大于其他模型的RCS；Model 1、Model 4和Model 5三種模型僅對外壁面的單個位置進(jìn)行了涂覆，在0°～5° 范圍內(nèi)，3種模型的RCS相差較小，隨著探測角的增加，3種模型的RCS的差異增大，這是因?yàn)椋谳^小的探測角下，電磁波直接照射的主要部位是噴管進(jìn)口端面的平板，在大角度下，電磁波可以直接照射噴管壁面的不同位置，在不同位置涂覆吸波材料，對電磁波的消減作用不同；Model 2、Model 6、 Model 7和Model 8為組合涂覆方案，在0° 探測角下，這4種模型的RCS小于上述4種單獨(dú)涂覆方案的RCS，這是因?yàn)橥扛裁娣e的增大之后，對多次反射的電磁波也有較好的吸收；Model 2和Model 7的涂覆方案對RCS的縮減效果類似，在這兩種方案中，均對噴管出口位置涂覆了吸波材料。在0°～15° 探測角范圍內(nèi)，隨著探測角的增大，所有模型的RCS呈現(xiàn)下降的趨勢。在15°～25° 探測角范圍內(nèi)，SCFN進(jìn)口壁面部分與噴管壁面會形成角反射器效應(yīng)，在該探測角范圍會出現(xiàn)一個RCS峰值區(qū)域。在整個探測角區(qū)域內(nèi)，Model 1、Model 3、Model 4和Model 5的RCS角向分布相似；Model 2、Model 6、Model 7 與Model 8的RCS角向分布相似。在大角度探測角范圍內(nèi)(30°～40°)，不同模型的RCS角向分布差異較大，Model 1、Model 3、Model 5與Model 0的RCS角向分布相似，Model 2、Model 6、Model 7與Model 8對RCS的縮減效果較好。

圖4 雷達(dá)探測角設(shè)置示意圖
Fig.4 Setting of radan detecting angles

圖5 俯仰探測面水平和垂直極化方式下不同模型RCS角向分布曲線
Fig.5 RCS curves of different models in horizontal and vertical polarization in pitch plane

圖5(b)為俯仰探測面垂直極化方式下不同模型的RCS角向分布曲線。在0°～40° 范圍內(nèi)，所有模型的RCS隨著探測角的增大而減?。籑odel 3的RCS角向分布與Model 0基本重合，只有在個別探測角下存在差異，這說明單純涂覆噴管內(nèi)部組件中心錐和混合器對于噴管的RCS縮減作用不明顯。Model 1與Model 0的角向分布曲線也基本重合，這與水平極化方式下模型的RCS角向分布不同，這是因?yàn)镾CFN和所涂覆的吸波材料都具有一定的極化特性。Model 4、Model 5的RCS角向分布說明涂覆吸波材料對縮減RCS有一定的效果，但是從圖上看效果并不明顯，在較大的探測角下，涂覆吸波材料之后的模型RCS會大于Model 0的RCS；Model 2、Model 6、Model 7與Model 8對RCS的縮減效果相比只涂覆單一位置的模型Model 1、Model 3、Model 4與Model 5要好；在15°～25°范圍內(nèi)，Model 2和Model 7有很明顯的RCS縮減效果。

圖6 俯仰探測面水平和垂直極化方式下θ=20° 時(shí)電流分布
Fig.6 Current distribution at θ=20° in horizontal and vertical polarization in pitch plane

圖6(a)為俯仰探測面水平極化方式下θ=20° 時(shí)電流分布云圖；圖中JMOD為感應(yīng)電流密度分布。在該探測角下，噴管二元出口上壁面、噴管進(jìn)口端面區(qū)域和Part 1區(qū)域的部分壁面能夠被入射電磁波直接照射，在被直接照射到的區(qū)域涂覆吸波材料可以直接吸收入射的電磁波，從而也降低了經(jīng)過壁面反射的電磁波的強(qiáng)度，降低了模型的RCS；在模型進(jìn)口端面直接照射區(qū)域會出現(xiàn)一個中等電流強(qiáng)度區(qū)域，這主要是模型進(jìn)口底面和環(huán)形混合器壁面形成了一個二面角區(qū)域，二面角區(qū)域是強(qiáng)散射結(jié)構(gòu)；Model 1和Model 5中等電流強(qiáng)度區(qū)域所占面積大，且電流強(qiáng)度峰值較大，Model 2的該區(qū)域所占面積最?。籑odel 3、Model 4、Model 6、Model 7和Model 8的中等電流強(qiáng)度區(qū)域所占的面積大小接近，但是電流峰值大小有差異。圖6(b)為俯仰探測面垂直極化方式下θ=20° 時(shí)不同模型的壁面電流分布云圖。在垂直極化方式下，不同模型的中等電流強(qiáng)度區(qū)域相比水平極化方式下的模型的中等電流強(qiáng)度區(qū)域向上移動，這說明模型具有一定的極化特性。不同模型的中等電流強(qiáng)度區(qū)域位置差別不大。

在本文中，為方便比較不同涂覆方案對于RCS均值的縮減效果，縮減效果定義為

(3)

式中：A為縮減效果；σn為不同涂覆方案下模型的RCS均值；σ0為基準(zhǔn)模型的RCS均值。

表2和表3為俯仰探測面兩種極化方式下不同探測角范圍內(nèi)模型的RCS均值。SCFN噴管在較小的探測角范圍內(nèi)具有較大的RCS均值，隨著探測角范圍的增大，噴管模型的均值減小。涂覆吸波材料對于RCS都具有一定的縮減作用，不同的涂覆方案對于RCS的縮減作用不一樣；在兩種極化方式下，Model 2對于RCS的縮減作用最為明顯，在水平極化方式下，Model 7可以達(dá)到全涂覆模型90%的RCS縮減效果，節(jié)省了33%的吸波材料使用；在垂直極化方式下，Model 6相比全涂覆方案減少了60%的吸波材料使用，但是可以達(dá)到全涂覆方案75% RCS縮減效果。

表2 俯仰探測面水平極化方式下不同探測角度范圍內(nèi)模型RCS均值

表3 俯仰探測面垂直極化方式下不同探測角度范圍內(nèi)模型RCS均值

3.2 偏航探測面

圖7(a)為偏航探測面在水平極化方式下不同模型的RCS角向分布曲線。在0°～40° 探測角范圍內(nèi)，不同模型的RCS角向分布規(guī)律相似；在大部分探測角下，Model 0都具有最大的RCS；Model 1、Model 3、Model 4與Model 5和Model 0的角向RCS分布差別較小，在較大探測角下，Model 4和Model 5的RCS會大于Model 0的RCS；Model 6、Model 7和Model 8的模型RCS角向分布接近，對RCS具有相對較好的RCS縮減效果，Model 7具有更好的縮減效果；Model 7的RCS角向分布接近全涂覆模型，在大部分探測角范圍內(nèi)都具有相對較好的RCS縮減作用。

圖7(b)為偏航探測面在垂直極化方式下不同涂覆模型的RCS角向分布曲線。在0°～40° 范圍內(nèi)，在大部分探測角下，Model 0的模型RCS大于涂覆吸波材料的模型；Model 4和Model 0的RCS角向分布較為相似，Model 1只有在較大的探測角度下才體現(xiàn)出一定的RCS縮減作用，而Model 3只有在θ=15° 附近體現(xiàn)出一定的縮減作用。在較小的探測角范圍內(nèi)，Model 1～Model 8都不具有較好的RCS縮減作用。在較大的探測角度下，組合涂覆方案的RCS縮減效果更好，這是因?yàn)榻M合涂覆能夠覆蓋更多的噴管壁面區(qū)域。

圖7 偏航探測面水平和垂直極化方式下不同模型RCS角向分布曲線
Fig.7 RCS curves of different models in horizontal and vertical polarization in yaw plane

圖8為偏航探測面不同極化方式下θ=20° 時(shí)不同模型的電流分布云圖。對于所有模型，在被入射電磁波直接照射的區(qū)域會出現(xiàn)一個中等強(qiáng)度電流區(qū)域，但是電流強(qiáng)度小于俯仰探測面下的電流強(qiáng)度；在偏航平面下，壁面上的電流強(qiáng)度較?。辉贛odel 2和Model 7的壁面電流強(qiáng)度明顯要小于其他模型的壁面電流強(qiáng)度。

圖8 偏航探測面水平和垂直極化方式下θ=20° 時(shí)電流分布
Fig.8 Current distribution at θ=20° in horizontal and vertical polarization in yaw plane

表4和表5為偏航探測面兩種極化方式下不同探測角范圍內(nèi)的模型RCS均值?？梢钥闯?，在兩種極化方式下，Model 2在各個探測角范圍內(nèi)都具有最好的RCS縮減效果；Model 7可以達(dá)到全涂覆方案90%的縮減效果。

表4 偏航探測面水平極化方式下不同探測角度范圍內(nèi)模型RCS均值

表5 偏航探測面垂直極化方式下不同探測角度范圍內(nèi)模型RCS均值

4 結(jié) 論

本文對無吸波材料涂覆的SCFN和8種不同涂覆方案的SCFN進(jìn)行了電磁散射特性的數(shù)值仿真。

1) 在兩個探測平面下，無論是水平極化還是垂直極化方式下，隨著探測角范圍的增大，所有模型的RCS均值都減小，在較大的探測角下，SCFN噴管具有較小的RCS。

2) 對噴管內(nèi)部的混合器和中心錐表面涂覆吸波材料，對于SCFN的RCS縮減作用并不明顯。

3) 在兩個探測面內(nèi)，表面全涂覆吸波材料的模型Model 2，明顯具有較小的RCS。

4) 與表面全涂覆吸波材料的方案Model 2相比，只在球面收斂段和噴管平直段涂覆吸波材料的Model 7減少了33%吸波材料用量，但可達(dá)到前者90%的RCS縮減量。

致 謝

感謝西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院羅發(fā)教授提供的耐高溫吸波材料及相應(yīng)物性參數(shù)用于仿真及試驗(yàn)研究，感謝西北工業(yè)大學(xué)無人機(jī)特種技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)測試提供技術(shù)支持。

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Electromagneticscatteringcharacteristicsofsphericalconvergentvectornozzlewithcoatingmediumatdifferentparts

GUOXiao*,YANGQingzhen,SHIYongqiang,YANGHuicheng,BAIJin

SchoolofPowerandEnergy,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710029,China

Shapedesignandstealthmaterialsaregenerallyusedtoreducetheradarcrosssection(RCS)ofthetarget.Toinvestigatethereductioneffectofradarabsorbingmaterial(RAM)ontheRCSofthesphericalconvergentvectornozzle(SCFN),theelectromagneticscatteringcharacteristicsofSCFNwithoutcoatingradarabsorbingmaterialandeightcoatingsolutionsarestudiedandthebackwardRCSchangingruleoftheninemodelsinXbandareobtainedbyusingtheiterativephysicsoptics(IPO)withimpedanceboundarycondition.TheresultsshowthatcoatingtheRAMcaneffectivelyreducetheRCSoftheSCFN.AreasonablecoatingprogramcanreducetheusageoftheRAMandensuretheRCSreductioneffectatthesametime.Itisfoundthat80%reductioneffectoftheRCScanbeachievedand30%lessRAMsareusedbycoatingonlythewallofthesphericalareaandnozzleexit.

iterativephysicsoptics;impedanceboundarycondition;radarabsorbingmaterial;sphericalconvergentvectornozzle;radarcrosssection

2016-05-11;Revised2016-10-14;Accepted2016-11-10;Publishedonline2016-11-211444

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2016-05-11；退修日期2016-10-14；錄用日期2016-11-10; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

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郭霄， 楊青真， 施永強(qiáng), 等. 介質(zhì)涂覆位置對球面收斂噴管電磁散射特性影響J. 航空學(xué)報(bào)，2017，38(4):320430.GUOX,YANGQZ,SHIYQ,etal.ElectromagneticscatteringcharacteristicsofsphericalconvergentvectornozzlewithcoatingmediumatdifferentpartsJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(4):320430.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0295

V231

A

1000-6893(2017)04-320430-09

(責(zé)任編輯： 蘇磊)