武装无人直升机雷达散射截面特性计算及分析

何丰泽

雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）是反映目标雷达散射特性的一个重要参数。本文建立了某武装无人直升机的两种几何外形模型，采用物理光学法和等效电磁流法作为雷达散射截面数值计算方法，计算了雷达散射截面特性并进行了对比分析，提出了改进武装无人直升机雷达隐身特性的措施。

近年来，无人驾驶技术的快速发展，无人机在现代战争中的发挥着越来越重要的作用。无人直升机作为无人机中重要的一类，它具有独特的飞行性能及使用价值，正日益成为人们关注的焦点。

为了提高现代军用直升机生存力和作战能力，隐身技术已被逐渐采用。雷达隐身是直升机隐身技术的重要内容之一，同时也与直升机的气动外形关系密切。国外对直升机隐身研究取得了不少成果。最为典型的是美国的“科曼奇”隐身武装直升机。在雷达隐身方面，RAH-66“科曼奇”武装直升机采用了多面体圆滑边设计，并采用吸波材料，其雷达散射截面大约是AH-64D直升机的1/630，体现了其良好的雷达隐身性能。国内也积极开展了对直升机的雷达散射特性的研究。

苏东林等人做了武装直升机雷达散射截面估算方法研究；叶少波建立了武装直升机隐身外形优化的计算机辅助设计软件系统；蒋相闻等基于面元边缘法做了某型武装直升机雷达散射截面计算分析；包晓翔等对通用直升机的雷达散射特性进行计算及分析。但国内的研究起步较晚，与国外的先进水平还存在一定的差距，特别是在应用设计方面相对比较落后。

无人直升机不同于固定翼飞机，它飞行高度低，其雷达回波容易被山丘等障碍物遮挡，也可能被地面杂波淹没；但由于直升机的飞行速度较慢，留给雷达的预警时间较长，因而较容易被雷达捕捉。因此，对于察打一体的武装无人直升机而言，为了提高武装无人直升机在现代战场的生存能力，雷达隐身设计将会成为未来武装无人直升机设计必不可少的一环。

本文对某型无人机直升机两种不同外形的静态雷达散射特性进行计算及对比分析。首先，建立无人直升机几何外形模型；采用物理光学法（PO）和等效电磁流法（MEC）作为数值计算方法；然后计算并对比分析了两种无人直升机的雷达散射特性；最后，借鉴直升机隐身设计技术，对未来武装无人直升机的隐身发展提供了一些参考。

几何建模及RCS计算

建立模型

本节利用三维CAD软件CATIA，对国内某型武装无人直升机进行构建几何外形。为了方便雷达散射截面的计算，需要将整个飞机模型拼接成一个曲面。考虑到直升机进气口一般带有过滤网罩，其格栅间距比电磁波波长小，电磁波将无法进入进气道而反射出去.因此在进气处，利用封闭曲面等效代替过滤网罩。

为了便于计算，对无人机的一些其他部位也做了简化处理。其CAD建模如图1所示。

为了计算雷达散射截面值，需要在CATIA中划分直升机几何外形的三角形网格，并在模型曲率较大的地方采用了加密网格。

雷达散射截面计算方法

在雷达散射截面计算前，需将输出的网格数据进行消隐遮挡处理，阴影区和被遮挡部件的面元和边缘不参与雷达散射截面计算。

总目标雷达散射截面是所有n个面元和m个边缘的雷达散射截面之和：

根据上述原理，利用雷达散射截面计算程序，对CATIA输出地拓扑结构数据的网格文件进行雷达散射截面计算。

雷达散射截面计算结果与分析

通过计算分析武装无人直升机雷达散射特性：方位特性、极化特性以及频率特性。

由于无人直升机在空中时旋翼处于旋转状态，其雷达散射截面值随时间周期性变化。在求静态雷达散射截面值时，不考虑旋翼雷达散射截面变化的情况，在这里只计算桨叶处于头尾向的情况。

计算状态：俯仰角和滚转角均取O°，选取S波段（3GHz）、C波段（6GHz），X波段（10GHz）、Ku波段（15GHz）4个波段，采用HH和VV两种极化方式。其中O°为机头方向，180°为机尾方向。计算结果如表l和图3所示。

其中图3的横坐标表示方位角度数，纵坐标为雷达散射截面值，单位是-2dBm2。

根据以上图表可得出：

在4个不同的波段上，头向、尾向、侧向±30°的雷达散射截面算术平均值分别为-3.14-1.97dB㎡，-1.3-0.87dB㎡，4.88-5.74dB㎡。

（1）方位特性

从波形图可以看出，无人直升机雷达散射截面峰值出现在侧面。从C波段来看，左侧最大峰值为22.2dB㎡，右侧最大峰值为20.8dB㎡。从无人直升机的几何外形可以看出，机身侧向具有曲率半径较大的曲面，产生很强的镜面回波；垂直尾翼在侧向有较强的镜面散射，同时与平尾构成二面角，散射极强；外置起落架以及外挂的武器弹药也是较强的散射源。尾桨位于直升机左侧，垂尾分布在右侧，导致左右两侧雷达散射截面不完全对称。

（2）极化特性

从表格及图表数据来看，雷达散射截面在HH和VV两种情况下变化不是很大，表明镜面反射占雷达散射截面总体水平的主要部分。

（3）频率特性

从总体上来看，雷达散射截面随入射波频率的增加而增大，这主要由镜面散射的高频效应（即镜面散射强度随频率增加而增强）引起。

改型无人直升机雷达散射截面计算及分析

为了提高武装无人直升机的气动及雷达隐身特性，并使外形更加美观，因此对无人机的外形进行了重新设计。整个无人机外形如图4所示，整个机身采用了类似武装直升机的设计，两边增加了副翼，整个机身横截面倾向于呈六边形，取代了曲率较大的机身侧面。

为了验证新外形的雷达隐身特性，对新的外形进行雷达散射截面计算，计算方法与前面一致。

（1）改型无人直升机全机雷达散热特性

同之前的方法一致，对改型后的无人直升机进行划分网格，计算方式与之前保持一致，俯仰角和滾转角均取0°，选取S波段（3GHz）、C波段（6GHz）、X波段（10GHz）、Ku波段（15GHz）4个波段，采用HH和VV两种极化方式。得到的结果如下表所示。

从表中可以看出，在4个不同的波段上，头向、尾向、侧向±30°的RCS算术平均值分别为-3.77～1.42dB㎡，-3.29～O.lldB㎡，2.59～5.lOdB㎡。

改型后的C波段的雷达散射截面方位特性图如图5所示，同时为了和基本型进行对比分析，图6列出了C波段下两个不同外形的无人直升机各部位雷达散射截面对比图。

由此可知，改型后的无人直升机和改型前的雷达散射截面值相比：

1）在C波段下，HH极化方式下，头向±30°雷达散射截面相比减小了24%，尾向±30°雷达散射截面减小了47%，左侧±30°雷达散射截面相比减小了33%，右侧±30°雷达散射截面减小了16%；

2）在C波段下，VV极化方式下，头向±30°雷达散射截面相比减小了22%，尾向±30°雷达散射截面减小了50%，左侧±30°雷达散射截面相比减小了30%，右侧±30°雷达散射截面减小了17%。总体来说，改型之后的武装无人直升机雷达散射截面特性有了20%左右的减小。

无人直升机总体的雷达散射截面值有了一定的减小，分析其原因主要应该是两侧的外挂武器形成较强的散射源，对机体的隐身特性造成较大的影响，并且机身侧面曲率半径较大，使得侧面的雷达散射截面出现较大增加。其他大部分方位角的雷达散射截面绕-2dB㎡上下波动，并改型后的外形对于HH和VV两种极化方式，变化也不敏感。

（2）武裝无人直升机各部位雷达散射截面分析

为了分析无人直升机的各部位雷达散射截面值，将改型的无人直升机各部件进行分别建模划分网格进行计算。

如图7所示，图中列出了改型的无人直升机的各个部件在C波段下，采用HH极化方式得到的机头及侧面的雷达散射截面算术平均值。从图中可以看出，主旋翼和机身的雷达散射截面值最大，起落架及武器外挂部分也占有较大部分雷达散射截面，由于垂尾在侧向会产生较强的镜面反射，使得垂尾的侧向雷达散射截面值远大与正面，对雷达隐身特性产生了较大的影响。

武装无人直升机雷达隐身特性分析

无人直升机有广阔的应用前景，它具有空中摄录、监视与侦察、主动攻击、中继通信、空中科学试验搭载平台、模拟旋翼类靶标等功能。在未来的作战领域，武装无人直升机也将在其中发挥着重要作用。为了提高无人直升机的生存作战能力，雷达隐身特性也将成为一项重要的战术指标之一。对武装无人直升机的雷达散射特性及雷达散射截面缩减研究有着重要的理论意义及实用价值。

根据直升机的雷达散射特性特点，并综合之前的计算和分析可以得出：

（1）通过对某型的无人直升机进行计算分析后，这款无人直升机尺寸较小，前后向平均雷达散射截面面积在零点几到几平方米左右，侧向雷达散射截面平均值在5dB㎡左右，具有较好的雷达隐身特性。

（2）直升机与其他飞行器最大的区别在于其机体顶部装配有一个较大尺寸的旋翼，且旋翼桨叶前后缘与桨尖部位曲率较大，是直升机主要的强散射源之一。但是旋翼是直升机最主要气动部件，提供了几乎全部升力，还涉及噪声振动等学科，难以采取外形隐身措施，可以通过采用吸波材料等措施加以改进。

（3）外置起落架是直升机较强的散射源，采用可收放式起落架不仅能降低散射水平，而且可以降低机身气动阻力。

（4）外挂武器系统也是较强的雷达散射源，但是外挂武器有发射弹药、导弹飞行等使用要求，无法对滑轨、导弹弹体等直接进行外形隐身设计。可以考虑设计整形罩将武器外挂包裹其中，既可以降低雷达散射截面水平，又起到整流的作用。

（5）在机身侧向，雷达散射截面峰值达到最大，对隐身的影响最大，采用倾斜平面式机身比大曲率半径曲面机身雷达散射水平低，在满足气动和装载容积要求的基础上，采用相交倾斜平面式机身有利于提高直升机雷达隐身性能。为了消除垂尾在侧面较强的雷达散射截面，可以采用倾斜式的垂尾或做成折线型以消除较大的镜面反射。

结论

本文基于CATIA及雷达散射截面计算软件，对同一武装无人直升机的两种不同外形进行了网格绘制建模，并分析估算了武装无人直升机的整体及各部件的雷达散射截面特性，对两者的计算结果进行了对比，最后对武装无人直升机的雷达散射截面缩减进行了分析，根据数据及分析提出了一些改进措施，希望能够对以后的无人直升机隐身设计提供了一些参考。