飞行器的发动机进气道通常为大口径空腔结构，进入空腔的雷达波经腔体内壁的多次反射以及压缩机叶片的反射后，可在入射方向贡献RCS超过10 dBsm，因而也就成为了飞行器机头方向区域的明显强散射源，分析并研究如何缩减进气道RCS已然成为国内外隐身飞机设计的重要课题，其中进气道隐身进口格栅技术是典型的措施之一。

目前，飞机进口格栅气动和隐身综合设计已见诸于工程应用，典型的成功应用案例为F-117A和RQ170飞机。F-117A飞机发动机没有深埋机体，进气道基本没有弯曲，主要通过进气口格栅形成雷达屏障，且进气口是斜切的，能够避免和机头方向形成直角，网格状的格栅能够保证具有足够的进气流，满足发动机的正常工作。另外，其网格本身尺寸较小，相对于入射的雷达波，类似于倾斜的平面，F-117A飞机就是这样通过采用斜置平面格栅阻止雷达波直接入射到发动机的。RQ170飞翼无人机进气道则采用机头背部进气形式，当雷达波从飞行器前下方入射时，机翼及机身会对进气道构成一定遮挡，同时为了机头方向进气道强散射源隐身缩减考虑，在进口设置了进口格栅，主要利用格栅屏蔽作用达到良好的隐身效果，并且重量代价小、综合效费比高，同时也几乎不会带来额外的维护使用问题。F-117A与RQ170两种典型飞机进口格栅示意图如图 1所示。

图 1 两种典型飞行器进口格栅 Figure 1 Grille of two typical aircrafts

对于格栅的电磁散射特性研究，国内外做了大量的仿真研究和实验论证，如桑建华^[1]在论著中对格栅进行了一部分的阐述，并给出了格栅初步RCS测试结果，但格栅电磁散射特性方面的研究在公开期刊文献中发表仍极少。梁德旺等^[2]在进气道内部安装了格栅，并研究了其对进气道气动性能和电磁散射特性的影响。国外学者如Rumpf等^[3]研究了气动格栅技术在远程Typhon导弹和Triton冲压发动机，以及其他相关的先进推进项目中的应用，并取得良好的整流效果；Chiccine等^[4]则在RJ43-MA-3冲压发动机上使用了气动格栅，并将其置于燃烧室的进口处，研究表明了气动格栅可以降低燃烧室的进口流动畸变；Piercy等^[5]在NASA开展了采用气动格栅降低进气道扩压器出口流动畸变的研究，结果表明效果良好。国内学者如康玉东等^[6]结合了数值模拟方法开展了气动格栅设计研究，利用其改善进气道出口流场畸变对亚燃冲压发动机燃烧室性能的不利影响；梁思^[7]和陈建华^[8]等结合试验开展了进气道下游安装气动格栅对性能的影响研究，明显减少了进气道出口流畅畸变。另一方面，国内外学者^[9-11]针对金属网栅开展了隐身技术和雷达波屏蔽效能等研究，实现网栅的隐身或屏蔽电磁干扰等功能。

以上研究都对本文工作提供了一定的参考，不过其主要集中在进气道或发动机内气动格栅整流效果，或者金属网栅的隐身技术和电磁屏蔽干扰等研究，针对进气道进口格栅电磁散射特性研究极少。因而本文研究工作将基于斜切45°规则进口格栅耦合直腔进气道，开展进口格栅特征几何参数对电磁散射特性影响的研究，并进行隐身试验验证和分析。

进气道进口格栅主要分为两类^[12]：反射性格栅和吸收性格栅。反射性格栅是用金属材料制成的网状格栅，而吸收性格栅则是在金属格栅表面(包括管状网眼内表面)施以涂覆型吸波材料，或者加入吸收剂的复合材料制造格栅。本文的研究工作是基于纯金属材料格栅开展的。

进口格栅技术就是在进气道进口安装金属网栅，其设计原理是：一方面使得雷达波在栅网上进行散射，将入射电磁波绝大部分能量反射到雷达接收不到的方向上，从而使得雷达波不进入进气道，也即格栅屏蔽作用；另一方面还迫使进入进气道的雷达波在腔体内部和格栅之间形成多次反射，既加强波的衰减，又加大腔体出口雷达波的散乱程度，从而使得回波强度减小。

斜切45°规则进口格栅耦合直腔进气道模型如图 2所示。直腔进气道几何参数如图 2(a)所示，进口平面斜切45°(即格栅倾角)，进口截面尺寸为240 mm×240 mm，直腔体下底面长度为800 mm，进口格栅为5 mm×5 mm和15 mm×15 mm两种尺寸，直腔体壁板及进口格栅厚度均为2 mm。

图 2 规则进口格栅耦合直腔进气道模型 Figure 2 Regular grille coupling with straight cavity

图 3为15 mm×15 mm格栅局部示意图。其中15 mm表示格栅平面之间距离为15 mm，由于进口平面尺寸固定为240 mm，因而格栅建模时第一层网栅间距为12.7 mm，其余各层孔尺寸均为等间距15 mm；5 mm×5 mm格栅模型相应的第一层网栅间距为4.7 mm；对于两种格栅模型，沿直腔流向方向尺寸均为15 mm，格栅厚度均为2 mm。

图 3 15 mm×15 mm格栅进口局部示意图 Figure 3 Import of 15 mm×15 mm grille

近年来，国内外针对各种电尺寸目标电磁散射特性的数值算法主要分为两类：(1) 高频近似算法；(2) 低频积分方法。其中高频近似算法在计算电尺寸较小的复杂结构目标时，会忽略目标各个子散射体之间极强的电磁互耦，从而造成极大的计算误差，而低频算法则将该极强的电磁互耦进行了考虑，能够精确地求解任意复杂形状目标的电磁散射问题。

多层快速多极子^[13-16](Multilevel fast multipole method，MLFMM)方法是目前发展最为成熟并且应用最为广泛的一种低频算法，它既能加快积分方程的求解速度，又能够保持矩量法的计算精度。

基于进口格栅的电尺寸较小且外形较复杂，为了获取较高的计算精度和计算效率，本文格栅电磁散射特性计算均采用MLFMM算法。隐身计算采用成熟的商业软件FEKO，其中频率10 GHz垂直极化下直腔耦合5 mm×5 mm格栅仿真角度示意图如图 4所示，其中φ表示入射波角度，雷达波入射角度为-40°~40°，间隔1°入射，计算表面网格按照最大尺寸λ/8(λ为电磁波长)剖分，使用三角形面元网格，网格数量为46 178个。

图 4 仿真角度示意图 Figure 4 Incident wave coordinate system

为了更直观地定量表征格栅隐身效果，本文将定义一个参数——格栅电磁屏蔽效率η，其定义为“格栅模型”相对“进口开放”模型的RCS缩减量

格栅的设计尺寸与飞行器雷达隐身的主要设计频率是相关的，依照相关各型雷达数据统计来看^[1]，针对飞行器在L，S和X波段下的雷达数量分别约占20%，25%和30%，其余波段约占25%，因而通常解决X波段的隐身问题是首要的。本文格栅研究时选取X波段下10 GHz作为设计频率。

图 5所示为10 GHz垂直极化下不同直腔进气道模型RCS对比，由图可知，使用进口格栅达到了良好的隐身效果，15 mm×15 mm格栅模型较直腔进口开放模型在入射角域-40°~40°内RCS值均更小，且角域0°~10°内RCS缩减约达15 dBsm以上，随着格栅尺寸进一步减小，隐身效果进一步增强；其中5mm×5 mm格栅模型电磁屏蔽效能接近于直腔进口封闭模型，甚至在某些入射角度上格栅模型RCS值还要更小，这可能是由于进口格栅处散射与腔体外壁散射叠加造成的。

图 5 10 GHz垂直极化下不同直腔进气道模型RCS Figure 5 RCS of the inlet with different grilles(10 GHz-VV)

表 1给出了10 GHz垂直极化下角域-40°~40°内4种直腔模型RCS均值对比，由表明显可知，格栅孔间距尺寸逐渐减小时，隐身效果明显增强。另外，格栅孔间距尺寸达到15 mm (也即λ/2) 时，格栅电磁屏蔽效率η约为43.13%，而格栅孔间距尺寸达到5 mm(也即λ/6) 时，电磁屏蔽效率η达到了99.7%，格栅能够几乎屏蔽所有电磁能量，达到非常良好的隐身效果。

表 1(Table 1)

表 1 10 GHz垂直极化下-40°~40°角域RCS均值 Table 1 Mean value of RCS of the inlet with different grilles at the azimuth angle from -40° to 40° (10 GHz-VV) 模型 进口 封闭 5 mm× 5 mm格栅 15 mm× 15 mm格栅 进口 开放 RCS均值/ dBsm -25.06 -24.96 -5.68 9.02

表 1 10 GHz垂直极化下-40°~40°角域RCS均值 Table 1 Mean value of RCS of the inlet with different grilles at the azimuth angle from -40° to 40° (10 GHz-VV)

格栅的电磁屏蔽效果还可能与雷达波极化方式有关，图 6给出了10 GHz水平极化下不同直腔进气道模型RCS对比。由图可知，水平极化下格栅的电磁屏蔽效果总体上与垂直极化下基本一致，不过5 mm×5 mm格栅模型电磁屏蔽效能与直腔进口封闭模型更加接近；对比直腔进口开放与15 mm×15 mm格栅模型，在机头方向角域0°~15°内格栅模型取得良好的隐身效果，RCS缩减量最大值达到20.19 dBsm。不过随着入射角度逐渐增大时，格栅电磁屏蔽效果减小，甚至在入射角度33°时，格栅模型RCS值更大，这可能是因为入射角度较大时直腔外壁的散射影响逐渐增大造成的；同样，在水平极化下，随着格栅尺寸缩小，电磁屏蔽效果进一步增大。

图 6 10 GHz水平极化下不同直腔进气道模型RCS Figure 6 RCS of the inlet with different grilles(10 GHz-HH)

表 2所示为10 GHz水平极化下角域-40°~40°内模型RCS均值对比，由表可知，15 mm×15 mm格栅模型电磁屏蔽效率约为43.11%，与垂直极化下效率非常接近，而5 mm×5 mm格栅模型隐身效果从均值来看，甚至要略微优于直腔进口封闭模型，达到了相当好的隐身效果。

表 2(Table 2)

表 2 10 GHz水平极化下-40°~40°角域RCS均值 Table 2 Mean value of RCS of the inlet with different grilles at the azimuth angle from -40° to 40° (10 GHz-HH) 模型 进口 封闭 5 mm× 5 mm格栅 15 mm× 15 mm格栅 进口 开放 RCS均值/ dBsm -22.2 -22.74 -7.37 3.87

表 2 10 GHz水平极化下-40°~40°角域RCS均值 Table 2 Mean value of RCS of the inlet with different grilles at the azimuth angle from -40° to 40° (10 GHz-HH)

格栅的电磁屏蔽效果与雷达波频率是密切相关的，为了进一步研究不同频率下格栅隐身效果，选取了L和S波段下的典型频率1 GHz和3 GHz进行仿真计算。

图 7所示为3 GHz垂直极化下不同直腔进气道模型RCS对比。由图可知，进口开放时，内腔为明显强散射点，尤其是正机头方向会形成较强的镜面反射，具有最大峰值；对比两种格栅模型，其RCS变化趋势与数值基本一致，在3 GHz下，15 mm×15 mm格栅已经具有非常良好的电磁屏蔽效果，随着格栅尺寸进一步缩小，格栅电磁屏蔽效能基本不变，这主要是因为3 GHz下对应的波长为100 mm，15 mm×15 mm格栅模型其孔间距尺寸约为λ/7，格栅孔间距尺寸相对于雷达波长已经足够小，电磁波会被格栅屏蔽于腔体之外；另外对比两种格栅模型与进口封闭模型，在角域0°~7°范围内，格栅隐身效果逐渐与进口封闭模型接近，表明格栅隐身果逐渐变好，而角域增大时，格栅模型RCS与进口封闭模型基本一致，某些角域隐身效果甚至更好，这是由于随着入射角度增大，直腔外壁散射对于格栅的影响越来越大造成的。

图 7 3 GHz垂直极化下不同直腔进气道模型RCS Figure 7 RCS curves of the inlet with different grilles(3 GHz-VV)

图 8为1 GHz垂直极化下不同直腔进气道模型RCS对比。由图可知，两种格栅模型与进口封闭模型电磁屏蔽效果已基本完全一致，这是因为1 GHz下对应波长为300 mm，两种格栅模型格栅孔间距尺寸已远小于波长，雷达波由于波长过长而被格栅完全屏蔽于腔体之外，也即两种格栅模型在1 GHz下基本达到了完全屏蔽电磁波的效果。不过随着雷达波入射角度的增大，腔体外壁的散射影响会逐渐加剧，格栅进口处散射与腔体外壁散射叠加的效应也会逐渐增强，这可能也就导致了在角域-38°~-32°和32°~38°内进口开放模型隐身效果较另3种模型甚至更好，这也充分表明了格栅进口的电磁屏蔽效果主要还是体现在正机头方向附近较小的角域内(如-20°~20°)。

图 8 1 GHz垂直极化下不同直腔进气道模型RCS Figure 8 RCS curves of the inlet with different grilles (1 GHz-VV)

格栅倾角作为格栅特征几何参数之一，其定义可参考图 2(a)，该模型格栅倾角为45°，本文共建立了4个不同格栅倾角模型，分别为30°，45°，60°及90°，不同倾角的格栅模型保持进口边界尺寸为240 mm×240 mm，其中格栅倾角为30°及90°模型如图 9所示。选取3.1节5 mm×5 mm格栅作为孔间距，并研究频率10 GHz垂直极化下格栅电磁散射特性。

图 9 不同格栅倾角模型示意图 Figure 9 Inlets of different grille inclination angle

图 10为10 GHz垂直极化下不同格栅倾角模型RCS对比。由图可知，格栅倾角为90°时格栅屏蔽效果明显较差，其在角域-40°~40°内较其他倾角模型RCS均要更大。对比格栅倾角30°，45°和60°模型，在正机头方向附近小角域(0°~2°)，随着格栅倾角增大，格栅屏蔽效果逐渐减弱；由于入射角度增大时，直腔外壁散射影响会逐渐增大，因而重点关注0°~30°角域内RCS的变化，在此角域内格栅倾角30°与45°模型电磁屏蔽效能变化不显著，随着入射角度变化两种倾角模型RCS成波动趋势，RCS值大小交替变化，而对比格栅倾角45°与60°模型，格栅倾角60°模型RCS基本都大于45°模型，隐身效能明显减弱。

图 10 10 GHz垂直极化下不同格栅倾角模型RCS Figure 10 RCS curves of the inlet with different grille inclination angles (10 GHz-VV)

为了更明确分析不同格栅倾角模型RCS变化，表 3给出了机头方向-30°~30°角域RCS均值对比，由表可知，格栅倾角90°模型由于正机头方向存在较强的镜面反射，RCS均值明显较高；对于4个格栅倾角模型，随着倾角逐渐增大，倾角45°模型较30°模型RCS均值略微增大，仅增加了0.312 dBsm；而倾角60°模型较45°模型RCS均值增幅变大，增加了1.762 dBsm；格栅倾角由60°向90°变化时，RCS均值剧增26.476 dBsm；综上可知，随着格栅倾角逐渐增大，格栅电磁屏蔽效果是逐渐减弱的，且在小倾角下格栅屏蔽效能仅略微减弱，倾角进一步增大时，屏蔽效果减弱且减弱的幅度逐渐增大，格栅倾角为90°时隐身效果最差。

表 3(Table 3)

表 3 不同格栅倾角模型机头方向-30°~30°RCS均值 Table 3 Mean value of RCS of the inlet with different grille inclination angles at the azimuth angle from -30° to 30° 格栅倾角/(°) 30 45 60 90 RCS均值/dBsm -23.144 -22.832 -21.07 5.406

表 3 不同格栅倾角模型机头方向-30°~30°RCS均值 Table 3 Mean value of RCS of the inlet with different grille inclination angles at the azimuth angle from -30° to 30°

格栅厚度定义如图 11所示。

图 11 格栅厚度定义示意图 Figure 11 Definition of grille thickness

由于格栅孔间距为5 mm时电磁屏蔽效果接近进口封闭模型，基本达到了完全屏蔽的效果，采用5 mm格栅孔间距模型进行格栅厚度的影响对比时可能差异较小，因而选取格栅孔间距为15 mm模型，格栅倾角为45°，并选取3个格栅厚度进行研究，分别为2 mm，3.5 mm及5 mm；仿真频率为10 GHz，极化方式为垂直极化，雷达波入射角度同样为-40°~40°。

图 12所示为10 GHz垂直极化下不同格栅厚度模型RCS对比，由图可知，随着格栅厚度的增加，格栅电磁屏蔽的效果是逐渐变优的；在正机头方向0°附近，3种不同格栅厚度模型RCS值较接近，这可能是由于3种模型在正机头方向0°附近格栅进口处产生较强的镜面反射与腔体内部多次反射叠加效果较接近，随着雷达波入射角度增大，格栅厚度的电磁屏蔽效果逐渐凸显；另外，还可发现，格栅厚度由2 mm变化到3.5 mm时，RCS值减小较明显，而格栅厚度由3.5 mm变化到5 mm时，RCS值虽然也是减小的，但是缩减幅度明显降低，甚至局部角域RCS值还略微增加。综上可知，随着格栅厚度的增加，格栅电磁屏蔽性能是增强的，但是增强的幅度逐渐减小。

图 12 10 GHz垂直极化下不同格栅厚度模型RCS Figure 12 RCS curves of the inlet with different grille thickness(10 GHz-VV)

为了验证格栅电磁散射特性数值计算的可靠性，基于第3节的研究，加工制作了相同的4个试验模型，模型制作选取2 mm椴木板作为腔体边框及进口格栅板，使用激光切割机进行模型的分割，并分别贴上铝箔，最终组装出试验模型，隐身测试在西北工业大学国防科技重点实验室微波暗室进行。测试时模型入射角度为φ=-60°~60°，角度间隔为0.2°，采用水平极化方式(HH)，测试频率为10 GHz。其中进口开放直腔进气道测试模型、5 mm×5 mm和15 mm×15 mm进口格栅直腔进气道测试模型如图 13所示，为了更真实地模拟进气道模型，选取的模型为斜切式进口，进气道下底面长度为800 mm，直腔外使用吸波材料包裹。

图 13 斜切45°进口耦合直腔进气道试验测试模型 Figure 13 Oblique import grille of 45° coupling with straight cavity

4种直腔体模型测试RCS对比如图 14所示。由图可知，腔体会形成明显的强散射，对比进口开放与封闭模型，在机头方向-30°~30°大部分角域内，腔体RCS较进口封闭模型增大约20 dBsm，这也是研究进口格栅屏蔽效能的意义所在。由图还可知，15 mm×15 mm(λ/2) 进口格栅模型电磁屏蔽效率已达到约50%，而随着格栅尺寸进一步减小至5 mm×5 mm(λ/6) 时，格栅模型的散射特性与进口封闭模型相当接近，几乎达到了完全屏蔽的效果。另外，随着雷达波入射角度的增大(如角域-60°~-40°和40°~60°)，测试结果对称性减弱且4个模型RCS变化较不规律，这主要是由于入射角度增大时，腔体内部电磁散射影响逐渐减弱，且腔体外部吸波材料包裹可能存在一定缝隙，以及存在一定的外壁散射影响，因而在研究进口格栅的屏蔽效能时，可重点关注机头方向稍小角域范围(如-40°~40°角域)散射特性。

图 14 斜切进口直腔进气道耦合格栅模型RCS测试对比 Figure 14 RCS comparison of grille coupling with straight cavity

为了验证所建立的数值计算方法的可靠性，分别针对4种斜切进口直腔进气道模型进行数值计算与试验RCS对比，如图 15所示。由对比结果可知，在机头方向角域-30°~30°内，4种模型测试与仿真结果均吻合得较好，验证了所建立的电磁散射特性数值计算方法是可靠的。其中直腔进口开放计算结果与试验最接近，然后是5 mm×5 mm格栅和直腔进口封闭模型，这3种模型与试验相对吻合更好的原因是格栅与腔体内、外壁之间的散射叠加相对较小(5 mm×5 mm格栅模型电磁波几乎无法进入腔体内部)，而15 mm×15 mm格栅模型误差稍大，这是因为此格栅不能完全屏蔽电磁波进入腔体，未进入腔体的电磁波在格栅表面的散射、部分进入腔体内部的电磁波经多次反射回来的散射以及在腔体外壁电磁波的散射相互叠加，导致散射更加复杂，计算精度略有下降。另外还需要指出的是，计算结果数值上整体略高于试验结果，这主要是因为在仿真计算时，腔体外壁未设置全吸波特性，而试验时在外壁均包裹了一层尖劈式吸波材料，计算时外壁散射会导致数值略有增加。

图 15 不同格栅孔间距模型试验测试与仿真RCS对比 Figure 15 RCS comparison on models with different grille hole spacing between simu lation and experiment

由图还可知，随着雷达波入射角度的增大(如角域-60°~-30°和30°~60°)，测试与仿真结果的数值误差越来越大，这也主要是由于腔体外壁镜面反射、边缘绕射等影响逐渐增大造成的。对于斜切进口直腔格栅的电磁散射特性研究，由于腔体内部散射主要影响机头方向较小角域，并结合仿真计算的精度，可仅计算-40°~40°角域RCS值，并重点关注角域-30°~30°内RCS变化。

通过对斜切45°规则进口格栅耦合直腔进气道进行电磁散射特性影响研究，并制作模型进行隐身试验验证和分析，可以得到以下结论：

(1) 随着格栅孔间距(尺寸)逐渐变小，电磁屏蔽效果逐渐增强，且在格栅孔间距小于或等于λ/6时，格栅隐身效果则基本保持一致；格栅孔间距尺寸达到λ/2时，格栅电磁屏蔽效率约达到43%；

(2) 随着格栅倾角逐渐增大，格栅电磁屏蔽效果逐渐减弱，且在小倾角下格栅屏蔽效能仅略微减弱，倾角进一步增大时，屏蔽效果减弱且减弱的幅度逐渐增大；

(3) 随着格栅厚度的增加，格栅电磁屏蔽性能增强，但增强的幅度逐渐减小；

(4) 5 mm×5 mm格栅，15 mm×15 mm格栅，进口开放和封闭模型计算与试验结果在机头方向角域-30°~30°内吻合较好，验证了所建立的格栅数值计算方法是可靠的。