王 菁，田秋麗，劉戰(zhàn)合，趙一鳴

（1. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；2. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

偵察機(jī)是作戰(zhàn)支援飛機(jī)的重要組成部分，要求其具有更優(yōu)秀的隱蔽、縱深探測(cè)能力，隨著現(xiàn)代探測(cè)技術(shù)如雷達(dá)、紅外燈探測(cè)器的快速發(fā)展，對(duì)航空飛行器的生存力提出了更大挑戰(zhàn)，鑒于偵察機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)其隱身性能提出更高需求[1-3]。當(dāng)前，偵察機(jī)可分為有人和無(wú)人兩類(lèi)，盡管無(wú)人偵察機(jī)已成為重要的偵察和監(jiān)視力量，但鑒于在處理戰(zhàn)場(chǎng)任務(wù)、航時(shí)、數(shù)據(jù)集成、信息處理上的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，有人偵察機(jī)依然占據(jù)重要地位。

SR-71是美軍一款高空高速偵察機(jī)，具有飛行速度高、執(zhí)行任務(wù)隱蔽的特點(diǎn)。其相關(guān)研究結(jié)果對(duì)高空高速飛行器布局的電磁散射特性及該類(lèi)布局飛行器的隱身設(shè)計(jì)仍具有較高的參考研究意義。以SR-71為參考研究對(duì)象，建立其電磁分析模型，結(jié)合其作戰(zhàn)環(huán)境特點(diǎn)，采用物理光學(xué)法，重點(diǎn)從入射電磁波頻率、不同俯仰角兩個(gè)維度出發(fā)，詳細(xì)研究高空高速布局飛行器的RCS散射分布特性、重點(diǎn)影響角域的RCS均值變化規(guī)律。

1 電磁分析模型及研究方法

偵察機(jī)是獲取敵方軍事信息的重要空中力量，截止當(dāng)前，美軍裝備了大量有人和無(wú)人偵察機(jī)，以U-2、SR-71為典型代表的高空高速飛行器成為美軍偵察機(jī)主力機(jī)型，SR-71在設(shè)計(jì)過(guò)程中，尤其重視生存力，表現(xiàn)在當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)條件下的電磁散射信號(hào)的有效控制。以SR-71為參考研究對(duì)象，建立相應(yīng)的電磁分析模型，機(jī)身長(zhǎng)31.5 m、翼展15.5 m、高4 m（包含尾翼）、前緣后掠角28.5°。其電磁分析模型如圖1所示。

圖1 電磁分析模型

高空高速偵察機(jī)具有縱深作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)，在執(zhí)行探測(cè)、偵察任務(wù)過(guò)程中，必然面臨敵方海陸空平臺(tái)的探測(cè)威脅。為研究目標(biāo)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的電磁散射特性，從兩個(gè)方面入手，一是電磁波入射頻率，設(shè)定為0.1～18 GHz，涵蓋低頻到高頻；二是飛行器姿態(tài)，用方位角和俯仰角來(lái)表示，方位角范圍為0～360°，俯仰角為±15°范圍內(nèi)。

用于RCS計(jì)算研究的方法總體上可分為精確算法和近似算法，精確算法在計(jì)算電大尺寸目標(biāo)時(shí)效率低，無(wú)法用于高效的電磁分析，近似算法如物理光學(xué)法、幾何光學(xué)法、一致繞射理論[4]等，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，可獲得高的計(jì)算效率，這一點(diǎn)對(duì)如大型目標(biāo)尤其重要?；趯?shí)際需求，采用物理光學(xué)法[5，6]，對(duì)以上不同狀態(tài)的RCS進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析，以分析其電磁散射性能。同時(shí)，結(jié)合RCS曲線沿周向的分布特性，分析電磁散射與飛行器結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，對(duì)重點(diǎn)角域內(nèi)的RCS散射幅值進(jìn)行分析研究，研究其變化規(guī)律。

2 RCS散射曲線分布特性

分析時(shí)，電磁波入射頻率設(shè)定為：0.1、0.3、0.5、1、3、6、10、15、18 GHz，以模擬飛行器面臨的各類(lèi)雷達(dá)探測(cè)器頻率；飛行器姿態(tài)角選擇為俯仰角15°以內(nèi)、步長(zhǎng)5°計(jì)算。為分析研究方便，多頻特性選取0.1 GHz、3 GHz、10GHz，俯仰角選擇-15°、0°、15°分別為樣本以研究多頻散射特性、俯仰角影響。多頻RCS計(jì)算曲線（俯仰角為0°）如圖2所示。

圖2 不同頻率RCS計(jì)算曲線

不同俯仰角RCS計(jì)算曲線（10 GHz）如圖3所示。

圖3 不同俯仰角RCS計(jì)算曲線

圖2表明，從RCS分布上看，飛行器在前向角域上并無(wú)明顯散射波峰，但其RCS幅值稍大，約在0 dBsm上下震蕩，結(jié)合飛行器布局可以看出，由于機(jī)翼采用大后掠技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)的錐形進(jìn)氣口，大大降低了該部分電磁散射，對(duì)前向的貢獻(xiàn)減小，其前向的貢獻(xiàn)主要來(lái)源于機(jī)身頭部散射，其外部形狀將決定前向RCS大小。在方位角62°附近關(guān)于機(jī)身軸線對(duì)稱分布一個(gè)較強(qiáng)散射波峰，為機(jī)翼前緣的散射貢獻(xiàn)，由于后掠角較大，其散射已進(jìn)入側(cè)向影響范圍，對(duì)前向隱身幾乎無(wú)影響。同理，側(cè)向90°附近為機(jī)身、V型垂尾、發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面等結(jié)構(gòu)影響，都為較強(qiáng)的電磁散射，因此在側(cè)向較大范圍上，電磁散射較大，接近20 dBsm。后向角域上RCS曲線較為復(fù)雜，這與飛行器后端復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，可以看出，在128°左右存在一較強(qiáng)散射波峰，該波峰為機(jī)身后端傾斜截面的散射貢獻(xiàn)，而在后向180°附近角域上，散射幅值接近前向，為飛機(jī)后端的發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)翼后緣、機(jī)身后端等結(jié)構(gòu)電磁耦合貢獻(xiàn)。

如圖2所示，從頻率影響來(lái)看，0.1 GHz入射頻率時(shí)，散射曲線振蕩較為平緩，相對(duì)來(lái)講，RCS曲線幅值較高，其曲線靠外。頻率增加時(shí)，曲線振蕩性增加，表現(xiàn)在振幅加大，同時(shí)振蕩頻率明顯增加，但在飛行器前向、后向角域上，RCS散射波峰和幅值變化不大，在側(cè)向及其他角域上，頻率增加時(shí)，RCS曲線有向內(nèi)靠近趨勢(shì)，尤其表現(xiàn)在10GHz的后部角域上。綜上，頻率增加時(shí)，散射曲線分布特征保持不變，但其振蕩性更加明顯，且電磁散射有減小趨勢(shì)，利于提高隱身性能。

圖3為俯仰角變化對(duì)RCS曲線分布的影響，可以看出，俯仰角在較小范圍變化時(shí)（即-15～15°），RCS曲線分布特性基本不變。如前所述，前向、后向角域上的電磁散射稍強(qiáng)，但無(wú)明顯散射波峰，且俯仰角變化時(shí)，曲線基本重合，說(shuō)明電磁散射機(jī)理并未發(fā)生變化。在側(cè)向較大角域上，俯仰角變化時(shí)，RCS散射曲線有一定差異，是由于俯仰角變化時(shí)，在偏離正側(cè)向90°時(shí)（60～120°方位角范圍內(nèi)），對(duì)機(jī)身、垂尾，由于入射方向的變化減弱了該結(jié)構(gòu)的電磁散射，因此，在有俯仰角時(shí)，RCS曲線有一定減小。而其他角域上，散射波峰、分布，均無(wú)明顯變化。同時(shí)，對(duì)比圖2和圖3，還可以看出，在10 GHz頻率上，RCS曲線散射波峰和分布更為明顯，但分布結(jié)構(gòu)特性未發(fā)生實(shí)質(zhì)變化。

3 不同角域RCS均值變化規(guī)律

為進(jìn)一步分析該目標(biāo)在重點(diǎn)關(guān)注角域上的電磁散射水平，以該角域內(nèi)的RCS均值（算術(shù)平均值）評(píng)價(jià)參考，定義前向30°角域?yàn)榍跋颉?5°范圍（H-30）、后向30°角域?yàn)楹笙颉?5°范圍（T-30）、側(cè)向30°角域?yàn)檎齻?cè)向±15°范圍（S-30）、周向360°角域記為W-360。一般的，對(duì)飛行器執(zhí)行任務(wù)而言，H-30和T-30角域?yàn)橹匾芯拷怯?，以S-30和W-360角域?yàn)閰⒖冀怯?，W-360角域上的RCS均值可用來(lái)表示該類(lèi)飛行器的整體電磁散射性能。不同頻率、不同俯仰角時(shí)四個(gè)角域RCS均值變化曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 頻率變化時(shí)各角域RCS均值變化曲線

圖5 俯仰角變化時(shí)各角域RCS均值變化曲線

圖4可以看出，頻率增加時(shí)，各向角域RCS均值表現(xiàn)不同，前向角域H-30上RCS均值較低，隨后增加，在6 GHz最大，為5.5933dBsm，之后再降低，后向角域T-30角域上，變化規(guī)律與前向較為相似，但在低頻段上，幅值較高；同時(shí)，側(cè)向S-30和周向W-360角域上，RCS均值震蕩變化。整體來(lái)看，側(cè)向S-30角域的電磁散射較強(qiáng)，在16～19 dBsm之間，這是由于側(cè)向電磁散射主要表現(xiàn)為機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)等結(jié)構(gòu)部件的鏡面散射和垂尾的二面角散射；而周向W-360散射為各向角域散射的綜合組成，RCS變化較小，在3～6 dBsm之間。結(jié)合RCS計(jì)算曲線，說(shuō)明，該飛行器前向、后向的RCS幅值不大，有一定隱身性。

圖5可以看出，與頻率變化時(shí)散射特性有相似性，俯仰角由俯角15°向仰角15°增加時(shí)，側(cè)向S-30角域的RCS均值大于其它三個(gè)角域，且基本處于10 dBsm以上，前向、后向、周向各角域上RCS均值在0 dBsm左右。從RCS均值變化趨勢(shì)來(lái)看，前向H-30角域上，RCS均值先增加后減小，且在俯仰角0°時(shí)最大，為3.1553 dBsm，這與前向散射特性相關(guān)，在俯仰角偏離0°時(shí)，頭部上下表面在俯角和仰角上會(huì)有一定偏離，降低了散射強(qiáng)度；后向H-30、周向W-360角域上，RCS均值呈震蕩遞增趨勢(shì)，俯角時(shí)RCS均值低而仰角時(shí)高；側(cè)向S-30角域RCS均值呈較大范圍的振蕩變化，RCS均值在俯仰角0°時(shí)最大，為16.5055 dBsm。

4 結(jié)論

針對(duì)某型高空高速偵察機(jī)建立了電磁分析模型，采用高頻算法的物理光學(xué)法研究了不同頻率、不同狀態(tài)的RCS電磁散射特性，得到以下結(jié)論：

1）從RCS曲線分布來(lái)看，前向和后向無(wú)較明顯散射波峰，由于飛行器結(jié)構(gòu)影響，在方位角62°和128°上有散射波峰；頻率增加時(shí)，RCS散射曲線的振蕩性增加，高頻時(shí)散射波峰較為明顯；俯仰角變化時(shí)，對(duì)散射分布的特點(diǎn)無(wú)較大影響，側(cè)向較大角域上，有一定影響。

2）從RCS均值變化規(guī)律來(lái)看，頻率增加時(shí)，各向均值呈震蕩趨勢(shì)，且側(cè)向角域RCS均值較高，其余三個(gè)角域接近；俯仰角變化時(shí)，側(cè)向振蕩性較大，最高可達(dá)16.5055 dBsm，前向先增大后減小，最大時(shí)為3.1553 dBsm，后向、周向振蕩增加。研究結(jié)果對(duì)高空高速飛行器布局的電磁散射特性及該類(lèi)布局飛行器的隱身設(shè)計(jì)都具有一定的參考研究意義。