低RCS飞行器表面弱散射源研究
桑建华;张宗斌;王烁
【摘 要】To get known the influence on the Radar Cross Section （RCS） of front ctor which is arin by weak scatterers such as gaps of different width, stair heights and structure types including straight gaps and zigzag gaps, and to emphasize the importance of decreasing weak scatterers, the distributing status and characteristics o{ weak scattering sources like surface gaps and steps on the conventional vehicle are introduced. The radar backscatter strength of the gap is theoretically analyzed. The low RCS carrier and RCS testing models are de- signed, on which certain RCS experiments of gaps with different width, stair heights and architectures are car- ried on. The test results indicate that in order to control the surface electromagnetic defects （SEMD） of stealthy vehicles, it should take some measures such as reducing gap width and step height, replacing straight gaps by zigzag gaps, etc, which are proved to he high-effective ways in technology.%飞行器表面不同宽度缝隙、不同高度台阶、不同结构形式对缝（主要真毛领怎么清洗
包括横向对缝、锯齿对缝两种）等弱散射源对前方雷达截面（RCS）有着比较重要的影响，为了说明控制弱散射源的重要性，介绍了常规飞行器表面结构的缝隙、台阶等弱散射源的分布情况及特点，采用理论方法分析了缝隙的雷达后向散射强度，设计了低RCS载体和实验模型，开展了不同宽度缝隙、不同高度台阶、不同结构形式对缝的RCS实验。结果表明：减小缝隙宽度、台阶高度，采用锯齿缝隙代替直缝隙等方法，是控制隐身飞行器表面电磁缺陷的有效技术途径。
【期刊名称】《航空工程进展》
【年(卷),期】2012(003)003
【总页数】6页(P257-262)梦妖魔
【关键词】缝隙;台阶;表面电磁缺陷;弱散射源;雷达截面（RCS）;飞行器
【作 者】桑建华;张宗斌;王烁
【作者单位】成都飞机设计研究所,成都610091;成都飞机设计研究所,成都610091;成都飞机设计研究所,成都610091
【正文语种】中 文
【中图分类】V218
0 引 言
在现代作战飞行器上采用隐身技术成为不可逆转的趋势，并已成为作战飞机的基本要求[1]；在雷达隐身(简称隐身，下同)方面，采用外形隐身技术、控制三大强散射源(雷达天线舱散射、进气道腔体及发动机压气机散射、座舱散射)、采用雷达吸波材料等技术措施，降低雷达截面(RCS)，是实现隐身的主要(而且是重要的)技术途径[2]。但在解决以上问题后，对于极低RCS隐身飞行器而言，并未解决隐身问题的全部，飞行器表面结构大量存在的缝隙、台阶等弱散射源的隐身问题暴露了出来，如果不加以控制，一两条缝隙和台阶就足以破坏飞行器的隐身性能，何况飞行器存在成百上千的缝隙和台阶，其前向RCS可以达到1 m2左右，导致不能实现极低RCS隐身飞行器的隐身目标。
鉴于飞行器隐身技术的敏感性，在飞行器表面不同宽度缝隙、不同高度台阶、不同结构形式对缝等弱散射源对前方RCS的影响方面，从公开发表的文献中，很难检索到相关的研究
成果。在国内，关于飞行器表面弱散射源对RCS的影响研究已经起步，例如桑建华等[1]通过钻石体(一种低RCS载体)RCS实验，初步研究了缝隙、台阶等弱散射源的雷达电磁波后向散射问题，提出了飞行器表面电磁缺陷(EMD)的概念和初步的控制方法；由于受当时技术条件的限制，上述研究工作并不系统，缺乏理论指导，一直希望通过更加深入细致的研究加以完善和补充。
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本文简要介绍了常规飞行器表面结构的缝隙、台阶等弱散射源的分布情况及特点；采用理论方法分析了缝隙的RCS，设计了低RCS载体和实验模型，开展了不同宽度缝隙、不同高度台阶、不同结构形式对缝的RCS实验，目的是为了了解飞行器表面不同宽度缝隙、不同高度台阶、不同结构形式对缝(主要包括直对缝、锯齿对缝两种)等弱散射源对前方RCS的影响，说明控制弱散射源的重要性，指导隐身飞行器表面弱散射源控制。
1 常规飞行器表面缝隙、台阶特点分析
朊毒体受制造工艺、技术条件的限制，常规飞行器表面结构(蒙皮与蒙皮)的分离面、口盖与蒙皮结构分离面、天线等成品与蒙皮结构分离面，必然会形成一定宽度的缝隙和一定高度的台阶，形成弱散射源，常规飞行器表面蒙皮缝隙、台阶局部照片如图1和图2所示。常规飞行
器表面缝隙、台阶数量较大，典型飞行器表面的缝隙和台阶数量多达500～1 000条。
图1 典型飞行器表面局部缝隙照片Fig.1 Photo of typical vehicle gaps on the surface
图2 典型飞行器表面局部台阶照片Fig.2 Photo of typical vehicle steps on the surface
常规飞行器表面缝隙、台阶主要有以下特点：
(1) 缝隙和台阶主要分为基本垂直和平行飞行器纵向轴线方向两类，前者称为横向缝隙和台阶，后者称为纵向缝隙和台阶，典型飞行器表面局部缝隙、台阶分布示意图如图3所示；根据电磁散射理论，同长度、同宽度(或高度)的横向、纵向两类缝隙和台阶，对飞行器前方RCS贡献差异较大，其中横向缝隙和台阶的后向散射强度是纵向的两个数量级以上；因此，对强调前向隐身的飞行器而言，需要重点解决横向缝隙和台阶的隐身问题。
图3 典型飞行器表面局部缝隙(台阶)图Fig.3 Map of typical vehicle gaps on the surface
(2) 横向缝隙和台阶的长度跨度大，例如大气数据传感器等成品机座与机体间形成的缝隙和台阶只有几厘米的量级，机翼和舵面之间形成的缝隙可以达到一米以上量级，但大多数缝隙和台阶长度尺寸都在300～500 mm，如图 3所示。
(3) 不同常规飞行器的缝隙宽度尺寸和台阶高度尺寸大致相当；大多数缝隙宽度为1.0～2.0 mm，大多数台阶高度在0.3～0.5 mm，但部分成品机座与机体表面的台阶高度可能超过1 mm；此外，同一条缝隙或台阶也可能出现变宽度或高度的情况。
(4) 在常规飞行器表面，缝隙、台阶经常同时出现，典型飞行器表面局部缝隙、台阶照片如图4所示。
图4 典型飞行器表面局部缝隙、台阶照片Fig.4 Photo of typical vehicle gaps and steps on the surface
儿童书包(5) 多数情况下，雷达波都是以掠入射角度照射飞行器缝隙和台阶，研究发现掠入射角度6°～10°最具代表性(也最为重要)。而且缝隙和台阶具有明显的极化特性，在VV极化时行波散射强于HH极化，所以可重点研究VV极化后向散射。但研究的结论适用于任何飞行器，因为照射到飞行器上的电磁波是随机的。
根据上述特点，本文研究了不同类型、不同参数散射源的后向散射特点，并作了比较全面的对比分析。散射源包括横向缝隙、横向台阶、锯齿缝隙等。缝隙宽度0.20～1.15 mm，
阶差0.10 mm；台阶高度0.10～1.20 mm，宽度0.20～0.75 mm；锯齿缝隙宽度0.75 mm，阶差0.10 mm。三类散射源的掠入射角度均为8°。此外，在实验研究中还考虑了缝隙、台阶的非直线性，以及同时出现缝隙、台阶的情况。
2 理论分析
2.1 计算方法
采用多层快速多极子方法(MLFMA)[3]求解混合场积分方程(CFIE)并选择RWG型基函数，计算目标表面电流分布，采用下式计算散射场和RCS。
(1)
(2)
σ*=10 lgσ
(3)
式中：为雷达接收处的散射电场；为目标处的入射电场；σ为雷达散射截面(单位：m2)；σ*为雷达截面(对数形式，单位：dBsm)。
2.2 计算模型相信奇迹
以准菱形平板为载体研究缝隙的散射，平板的前后两头设计为锐角，有利于减弱平板镜面散射和行波散射，从而消除无关散射源对缝隙计算结果的影响4-6；设置四种直缝隙方案，长度均为400 mm，宽度分别为0.50 mm、0.75 mm、1.00 mm和1.15 mm；设置一种锯齿对缝方案，缝隙宽度为0.75 mm、齿间距为134 mm、齿顶高为77 mm。缝隙计算模型如图5所示。
(a) 侧视图
(b) 俯视图图5 缝隙计算模型Fig.5 Computing model of gaps
2.3 计算结果
3月12日植树节入射波频率为9.4 GHz，不同缝隙宽度的直缝隙单站RCS计算结果对比如图6所示。
图6 不同缝隙宽度对RCS峰值影响(VV极化)Fig.6 Influence of different gap widths on RCS (VV polarize)
从图6可以看出：直缝隙在0°方位角(入射波垂直于缝隙方向)附近产生行波散射波瓣，并且随着缝隙宽度增大，散射波瓣峰值增强；长度400 mm、宽度0.75 mm的直缝隙散射峰值达到-27 dBsm，宽度1.15 mm的缝隙散射峰值达到-23 dBsm；在其余方位角，二者的RCS计算结果基本相同；因此，缝隙宽度越大，行波散射越强。
在入射波频率为9.4 GHz的情况下，四种不同宽度缝隙行波散射的RCS峰值对比如表1所示，缝隙宽度从1.15 mm减少到0.50 mm，RCS峰值降低约5 dB。
表1 不同宽度缝隙VV极化行波散射峰值对比Table 1 Peak-value comparison of RCS between different gap widths (VV polarize)缝隙宽度/mm行波散射峰值/(dBsm)0.50-280.75-271.00-241.15-23
相同缝隙宽度的直缝隙与锯齿缝隙单站RCS计算结果对比如图7所示。在方位角0°附近，锯齿缝隙能有效降低直缝隙的行波散射峰值，局部减缩量达6 dB；在其余方位角，二者的RCS计算结果基本相同。
图7 不同缝隙类型RCS峰值对比(VV极化)Fig.7 Peak-value comparison of RCS between different gap types (VV polarize)
同时，计算分析了不同台阶阶差对不同方位RCS的影响，其一般性结论是：当电磁波垂直于阶差(对缝)入射时，台阶阶差越大，RCS的增量也越大，由于文章篇幅的限制，不在此一一论述。
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