飞机舵面缝隙缺陷建模及电磁散射特性分析*

马若冰，艾俊强，崔 力，张 扬

(航空工业第一飞机设计研究院，西安 710089)

0 引 言

现代军用飞机逐渐重视低雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)技术。飞机上的各个部件产生的散射强度不同：进气道、雷达天线舱、座舱为传统三大强散射源，而机身上的缝隙、口盖、台阶、紧固件等属于次散射源。经过数十年的研究，强散射源产生的散射已经可以通过外形隐身设计、吸波结构及材料应用等手段得到有效的抑制。随着强散射源的作用减弱，全机散射量级降低，此时次散射源对全机散射的贡献会相对增加[1-2]。为进一步降低全机RCS，必须对次散射源进行处理。飞机操纵舵面与安定面形成的缝隙就是一类典型次散射源。

目前的公开文献很少涉及飞机舵面缝隙散射机理研究。文献[3]研究了鸭翼对鸭式布局全机隐身性能的影响，通过全尺寸部件模型试验揭示了鸭翼的侧向缝散射在高频下对整机隐身性能构成较大影响。除此之外，更多已发表的文献对缝隙散射的研究主要以蒙皮对缝和口盖缝隙等为对象[4-7]。飞行器前向区域的隐身能力最为重要[8]，因此，有必要研究舵面缝隙在前向角域的电磁散射特性。

飞机头向±30°区域一般为重要雷达威胁角域，本文重点关注该角域的舵面缝隙散射。考虑到全机在该角域内散射源众多，为了避免其他部件散射的影响，提取舵面缝隙设计专用低散射载体，通过对比有无缝隙来研究其散射特性。

1 数值方法

1.1 几何建模及坐标轴定义

为了使研究不失一般性，选取对称薄翼型构建梯形机翼段，舵面弦长选取为25%平均气动弦长。舵面转轴与机翼后缘平行，舵面可以上下偏转，在机翼上形成前端、两侧共三条缝隙，并将缝隙简化为贯通直缝。由于机翼本身在飞机头向±30°有一定散射贡献，为了单独研究舵面缝隙，舵面从机翼段中取出，并依据其外形特点设计前向低散射载体。

文献[4-7]为蒙皮缝隙与台阶的散射研究设计了低散射载体，文献[9-10]为倾斜双垂尾和埋入式腔体设计了不同载体，但这些载体结构与舵面存在较大差异，因此舵面缝隙的研究需要设计专用载体。

载体设计基于舵面后缘几何外形，平面形状采用类三角形，前端收尖，前缘后掠角选择大于30°并且圆弧过渡到后缘，舵面侧面和前端截断处进行外形光滑过渡。为了消除两侧缝隙对前端缝隙散射的影响，只保留前端缝隙进行研究。前端缝隙为贯通缝隙，即缝隙贯穿了载体上下表面。处理过程和载体几何外形均如图1所示。

(a)模型构建过程示意图

定义电磁波在水平面内从x方向垂直缝隙照射时方位角为0°，从y方向平行缝隙照射时方位角为90°，如图1(b)所示。定义电场方向水平时为水平极化(Horizontal Polarization,HH)，电场方向垂直于水平面时为垂直极化(Vertial Polarization,VV)。

1.2 计算方法

本文载体模型可视为金属散射体，选择混合场积分方程(Combined Field Integral Equation,CFIE)，它是表面电场积分方程(Electric Field Integral Equation,EFIE)和表面磁场积分方程(Magnetic Field Integral Equation,MFIE)的线性组合，能够加快收敛速度并有效地解决处于内谐振频率时的稳定性和收敛性问题。其表达式为

(1)

式中：α为组合系数，根据实际情况可选择0～1之间的任何数。

快速多极子算法(Fast Multipole Method，FMM)由聚合、转移、配置三个步骤组成。多层快速多极子算法(Multilevel Fast Multipole Method，MLFMM)将快速多极子算法进行了多层级扩展[11-12]，许多已有研究[5,7,13]表明该计算方法与微波暗室测试结果较为吻合，可用于舵面缝隙等次散射源问题的研究。

1.3 仿真参数

假设飞机以2°～3°迎角飞行，雷达距离飞机较远，有2°～3°的仰角，则地面雷达对舵面参考平面约有5°仰角。仿真设置的计算参数和网格参数如表1所示。

表1 计算参数

1.4 评价方法

本文主要研究舵面缝隙前向-30°～30°角域的散射特性。在该方位角区间，0°方位角附近在VV极化条件下出现强RCS波峰，其他方位RCS值波动较强且不规则。引入RCS峰值、波峰宽度、均值增量三项评价指标，其定义见表2。

表2 评价指标定义

计算结果将结合RCS方位角分布曲线和三项评价指标进行综合分析。

2 初步特性分析

首先研究舵面缝隙的极化特性。对长度为4 000 mm、宽度为20 mm的典型缝隙各频率的HH极化和VV极化进行仿真计算。典型RCS分布曲线如图2所示，可见缝隙在VV极化下曲线波动比HH极化更为显著，HH极化缝隙对载体的RCS分布影响不大。

(a)2 GHz典型缝隙HH极化RCS曲线

若干频点下两种极化方式的±30°内RCS均值增量见表3，可见不同频率下舵面缝隙造成的RCS抬升量表现为在VV极化抬升明显(3.33～10.72 dB)，HH极化抬升较小(小于1.6 dB)。

表3 HH极化与VV极化±30°RCS均值增量对比

基于上述分析，本文后续主要关注缝隙在VV极化的散射特性。

从RCS分布曲线可以发现，除了0°方位角有明显波峰，其他角域也有明显的散射抬升。为了验证这种散射特性是否为贯通缝隙特有，设置槽缝与其对比。选择两种深度的槽缝，一种为典型蒙皮厚度和蒙皮对缝深度5 mm，另一种为本载体厚度一半左右180 mm。三种缝隙在2 GHz的RCS分布曲线如图3所示。

(a)5 mm深缝隙VV极化RCS曲线

由图3可见，5 mm深缝的RCS分布曲线仅在个别方位角相对干净载体略有抬升；180 mm深缝的RCS分布曲线相对干净载体有较明显波动，且在50°～80°之间出现明显鼓包；通缝的RCS分布曲线波动最大，在30°～80°之间形成连片波峰。

不同频率下三种缝隙的±30°均值增量曲线如图4所示。由图可见，在大多数频率下，通缝引起的均值增量高于4 dB， 5 mm缝隙和180 mm缝隙的均值增量接近，在2 dB以下。

图4 三种深度缝隙均值增量曲线对比

可以看出，缝隙深度对散射水平的影响不是线性的。5 mm深缝、180 mm深缝和通缝依次对应电连续性较好、电连续性适中和电连续性较差。缝隙为槽缝时，缝隙越深，电连续性越差，散射越强。而缝隙贯通时，产生的散射比不贯通深缝隙大幅增长。因此，通缝对载体上下表面电流连续的破坏引起的散射比槽缝更强。

结合前述极化特性，本文后续关注贯通缝隙在VV极化下的典型几何参数散射特性。

3 几何参数敏感性分析

该部分研究典型频率(1 GHz、3 GHz)下缝隙宽度、缝隙长度对RCS的影响规律和典型尺寸缝隙(长度为4 000 mm，宽度为20 mm)的频率特性，对于每一项参数，建立变参数系列模型进行仿真计算。

3.1 缝隙宽度的影响

建立缝隙长度为4 000 mm、缝隙宽度分别为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm的变参数模型，共10组。RCS统计结果见表4和图5。

表4 1 GHz与3 GHz不同缝隙宽度RCS对比

图5 RCS峰值随缝隙宽度变化曲线

由表4可见，1 GHz时波峰宽度、均值增量对缝隙宽度均较敏感。缝隙宽度越大，波峰宽度越宽，±30°内均值增量越大。缝隙宽度从1 mm增大至50 mm，波峰宽度增加5.7°，均值增量先增大后平缓，最大相差6.88 dB。3 GHz时缝隙宽度增加，波峰宽度、均值增量先增加后平缓并有一定下降。

峰值随缝隙宽度的变化在1 GHz和3 GHz一致，如图5所示。缝隙宽度增加，RCS峰值变大。缝隙宽度从1 mm增大至50 mm，对应1 GHz时的0.003 3λ～0.166 7λ，RCS峰值增大了5.65 dB；对应3 GHz时的0.01λ～0.5λ，RCS峰值变化更甚，增大了13.2 dB。

绝对尺寸相同的缝隙，在3 GHz对应产生的缺陷电尺寸更大。因此宽度相同时，3 GHz的峰值高于1 GHz，3 GHz曲线的变化范围也大于1 GHz。

3.2 缝隙长度的影响

建立缝隙宽度为20 mm、缝隙长度分别为500 mm、1 000 mm、1 500 mm、2 000 mm、2 500 mm、3 000 mm、3 500 mm、4 000 mm、4 500 mm、5 000 mm的变参数模型，共10组。RCS统计结果见表5和图6。

表5 1 GHz与3 GHz不同缝隙长度RCS对比

图6 RCS均值增量和峰值随缝隙长度变化曲线

由表5可见，波峰宽度对缝隙长度不敏感，形成较明显的波峰后，缝隙长度变化时波峰宽度变化较小，1 GHz时波峰宽度波动幅度仅为1.6°，3 GHz时波峰宽度波动幅度仅为1.7°。

由图6可见，峰值对缝隙长度较敏感，1 GHz时，随缝隙长度增大，峰值增大，5 000 mm(16.67λ) 缝隙RCS峰值比500 mm(1.67λ) 缝隙高8.3 dB；3 GHz时，峰值曲线整体呈现随长度增加而增大的趋势，5 000 mm(50λ) 缝隙RCS峰值比500 mm(5λ)缝隙高7.5 dB，个别数据略有波动。

均值增量随缝隙长度变化也有一定规律。1 GHz时，随着缝隙长度增加，均值增量先减小后增加，曲线分布呈现近似“U”形。在缝隙长度为3 000 mm(10λ)附近处均值增量达到极小值2.73 dB；3 GHz时，均值增量曲线整体呈现先减小后增加趋势，中间少量数据波动。

初步分析，缝隙长度增加，能量向波峰区域集中，峰值处能量增加，波峰外区域的散射占比下降，而前向±30°均值包含了这两部分贡献，“一增一降”形成了均值增量先减小后增大的变化特征。

3.3 频率的影响

缝隙尺寸固定，长度为4 000 mm，宽度为20 mm，选择0.5 GHz、1 GHz、2 GHz、3 GHz、4 GHz、5 GHz、6 GHz进行计算。仿真结果统计见表6和图7、图8。由表6可见，峰值随频率变化无明显规律，±30°内均值随频率升高而减小。

表6 不同频率下RCS峰值和均值对比

图7 不同频率缝隙RCS曲线对比

图8 ±30°均值增量和波峰宽度随频率变化曲线

初步分析，由于频率越高，缝隙散射能量越集中，表现为波峰变窄，波峰外区域散射变弱，如图7所示，同时作用形成±30°均值随频率升高而减小的变化特征。

由图8可见，波峰宽度对频率较敏感，随频率升高而减小，0.5 GHz时波峰比6 GHz时宽9.4°。

4 结束语

本文通过仿真研究了前向角域低散射载体上的飞机舵面缝隙的散射问题，分析了极化方式及电连续性对缝隙散射的影响，探究了散射对缝隙长度、缝隙宽度、入射频率三个参数的敏感性，得出如下结论：

(1)舵面缝隙在VV极化比在HH极化对前向隐身性能的影响更大——缝隙尺寸一定，计算频率从0.5 GHz增加至6 GHz，各频率下VV极化的RCS均值增量都比HH极化时大，最大相差10.5 dB；

(2)沟槽式散射随缝隙深度增加而增强，贯通缝隙散射显著强于沟槽式缝隙；

(3)缝隙宽度影响RCS峰值、波峰宽度和均值增量——1 GHz的RCS峰值、波峰宽度、均值增量均随缝隙宽度增加而增加；3 GHz的RCS峰值随缝隙宽度增加而增加，波峰宽度和均值增量随缝隙宽度增加先增加后平缓并有一定下降；

(4)缝隙长度影响RCS峰值和均值增量——缝隙长度增加，RCS峰值增加，1 GHz时最大相差8.3 dB，3 GHz时最大相差7.5 dB；±30°均值增量先减小后增大；

(5)缝隙尺寸一定(长度为4 000 mm，宽度为20 mm)，频率从0.5 GHz增加至6 GHz，波峰宽度减小，最大相差9.8°；±30°均值减小，最大相差13.19 dB。

本文重点对舵面前端缝隙在飞机头向的电磁散射特性进行了分析，其他角域的散射特性、舵面侧端缝隙的散射特点以及舵面散射的抑制需进一步研究。