摘要
基于某简化的排气腔体静态雷达散射截面积(Radar cross section, RCS)测试结果,分析了稳定器采用吸波材料后对发动机后向RCS的缩减效果;在不改变加力燃烧室传统结构基础上,针对现有某型稳定器结构从隐身修形设计角度建立了5种不同稳定器蒸发腔简化腔体RCS计算模型,分别在高频10 GHz、低频1.5 GHz下对比分析了不同稳定器蒸发腔结构的RCS特征、稳定器倾斜布置对腔体RCS的影响。结果表明:传统非隐身一体化设计的排气腔体结构中,高频下稳定器采用隐身措施后的RCS缩减效果显著;几种针对稳定器蒸发管式蒸发腔结构的修形设计,均能在高频下带来一定的RCS缩减收益,低频下缩减不明显;具有横向及纵向复合倾斜的平板结构蒸发腔较其他结构的RCS缩减效果好,同时可改善功能材料的使用工况,提高其使用可靠性;稳定器在0°~20°倾斜布置对后向腔体RCS有一定抑制作用。
现代战争中,飞行器的低可探测性能已成为其战场生存能力的一项重要技术指标。飞行器的低可探测性可分为雷达隐身、红外隐身、光学隐身和声学隐身等多学科方向。根据目前战时环境的主要探测手段,飞行器的隐身能力主要指雷达隐身和红外隐身,而发动机的后向低可探测性能将直接影响着飞机的后向隐身性
发动机的后向RCS构成主要是由低压涡轮、加力燃烧室及可调喷管等部件组成的排气腔体RCS,其具有腔体散射机理复杂、散射强度高和宽角域等特征,是飞机后向的主要雷达散射贡献源之一。火焰稳定器是航空涡轮发动机加力燃烧室的基本结构之一,是实现加力点火及稳定燃烧的关键功能部件,但其位于加力燃烧室的某一横截面上,雷达波照射后可形成直接镜面反射或与壁面多次反射及绕射等相互作用后形成强回波散射,通过简化模拟测试得出对其采用隐身措施后在高频下对腔体RCS缩减高达60%左右。对于非隐身设计发动机,稳定可靠工作是其设计的重要出发点,但对于具有隐身需求的航空发动机,基于稳定、可靠工作结构的隐身改进设计也是其重要研究方向。
本文基于某型蒸发式稳定器结构,在不改变稳定器主体结构的前提下,从隐身修形设计角度改进设计稳定器蒸发腔局部结构及倾斜布置,一方面使结构修形具有一定的RCS缩减效果;另一方面改善功能材料的使用工况,以提高发动机的后向雷达隐身能力。
为了评估稳定器对发动机后向腔体RCS的贡献大小,开展了简化排气腔体的静态RCS测试。状态1为稳定器蒸发腔金属状态,状态2为稳定器蒸发腔采用高频(8~18 GHz)具有较好吸波性能的吸波材料(低频性能较差)遮挡,目标的其他结构一致。分别对目标0°俯仰在L、S、C、X及Ku波段几个核心频点的水平极化(Horizontal to horizontal, HH)及垂直极化(Vertical to vertical, VV)开展RCS测试,其在±45°统计角域均值缩减对比如
从
可以得出,高频下在稳定器蒸发腔采用吸波材料涂覆对发动机排气腔体的后向RCS缩减效果显著,对于非隐身一体化设计的航空发动机加力燃烧室,采取相应措施(如隐身涂层、修形设计等)降低稳定器对排气腔体RCS的贡献将直接缩减发动机后向RCS大小。
针对航空发动机排气系统这类电大尺寸复杂腔体目标的电磁散射求解问题,其计算规模之大是目前低频数值算法难以解决的瓶颈,采用高频近似算法是在兼顾效率与精度的相对有效办法之
假定入射电磁波为平面波,对于如
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图1 腔体结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of the cavity
式中:为该点由基尔霍夫近似得到的入射磁场强度;、由入射平面波的电场与磁场获得;n为腔体内壁面Sc上任一点指向腔内的法向单位矢量;rc为该点的位置矢量;ra为腔体口径面Sa上的位置矢量;Z为自由空间波阻抗;k为自由空间波数;j为虚数单位;为哈密顿算
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式中:下标n表示迭代次数;在腔体内壁面Sc区域内主值积分,考虑各个面元之间的遮挡关
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式中:用(-jω)代替,其中ω为自由空间波矢,便可得到散射电场
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相比于其他高频方法,IPO能够有效解决电大尺寸腔体散射问题,每平方波长网格剖分9~16个面元即可达到精度要求,不需要矩阵求逆,内存消耗少,同时为了提高IPO方法的迭代计算效率,在迭代过程中采用前后向物理光学法迭代方
在喷管的雷达散射特性计算过程中,喷管壁面采用三角面网格的大小与计算的电磁波入射波长相关。为了满足迭代物理光学法计算精度需求,每波长平方等于9~16面元这一条件,其网格边长计算公式为
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式中:为入射波的波长;c为光速;f为入射波的频率;a为网格边长。同时,由于IPO与腔体内部网格无关,为了提高计算效率,可以在腔体内部生成较粗的内部连通体网格,提高其计算效率。
本文IPO算法程序是基于西工大动力与能源学院研究成果,为了验证IPO方法的正确性,以文献[

图2 验证计算模型
Fig.2 Validated calculation model
利用IPO程序仿真计算结果与文献[

图3 腔体散射验证计算结果对比
Fig.3 Comparison of calculation results of scattering filed of cavity
此外,在文献[
基于稳定器在传统加力燃烧室构成的发动机后向RCS中为主要强散射贡献源之一,通过对现有某型蒸发式稳定器结构及特征进行分析,在不改变稳定器整体结构及布置情况下,将火焰稳定器简化为由12个径向稳定器环形布置。按照通过对蒸发腔局部结构修形将入射电磁波偏置到非后向可直接探测方向的设计原则,设计了4种不同的稳定器蒸发腔改进结构(如

图4 不同稳定器蒸发腔结构修形简化模型
Fig.4 Flame stabilizer with different evaporation chamber simplified models
发动机的排气腔体的简化结构示意如

图5 发动机排气腔体结构示意图
Fig.5 Schematic diagram of engine exhaust cavity structure

图6 简化的腔体计算模型
Fig.6 Simplified calculation cavity model
根据当前军用体制探测雷达的常规威胁波段主要在L、S、C、X、Ku等,综合计算资源分别选择1.5 GHz(L波段)、10 GHz(X波段)作为低频及高频的计算频点。设定雷达探测平面为xoy,x轴正方向入射的探测方位角θ为0°,计算时θ取0°~45°,间隔为1°。采用单站雷达系统进行模拟,分别计算得到在HH、VV不同极化方式下,不同结构在不同波段典型频点下的点频RCS对比曲线。
高频10 GHz时不同极化的RCS曲线分布分别如图

图7 10 GHz时水平极化下RCS曲线
Fig.7 RCS curves of HH at 10 GHz

图8 10 GHz时垂直极化下RCS曲线
Fig.8 RCS curves of VV at 10 GHz

图9 1.5 GHz时水平极化下RCS曲线
Fig.9 RCS curves of HH at 1.5 GHz

图10 1.5 GHz时垂直极化下RCS曲线
Fig.10 RCS curves of VV at 1.5 GHz
从图
从图
高频10 GHz时不同极化、不同统计角域的RCS均值分别见表
从表
从表
传统的火焰稳定器垂直于加力燃烧室轴线的某一平面上周向均匀分布,不利于发动机的后向隐身设计。为了进一步对比研究稳定器倾斜布置对腔体RCS的影响,基于WDQ2平板结构蒸发腔,稳定器顶端位置固定,稳定器根部向加力燃烧室进口端、喷管出口端各倾斜10°、20°和30°,设定向加力燃烧室进口端倾斜为负,向喷管出口端倾斜为正,其对比计算分析如

图11 稳定器角度倾斜方案
Fig.11 Scheme of stabilizer angle tilt
综合考虑计算效率与计算精度,选择入射频率为9.4 GHz研究其雷达散射特性。9.4 GHz时不同极化的RCS曲线分布分别如图

图12 水平极化不同倾斜角度下腔体RCS曲线分布
Fig.12 Distribution of cavity RCS curves at different tilt angles under horizontal polarization

图13 垂直极化不同倾斜角度下腔体RCS曲线分布
Fig.13 Distribution of cavity RCS curves at different tilt angles under vertical polarization
图
表
针对稳定器在发动机后向腔体RCS中为强散射源,在不改变稳定器布局及整体结构前提下,从隐身设计角度,本文研究几种不同稳定器蒸发腔结构及不同倾斜布置对腔体RCS的影响,可以得出如下结论:
(1)在非隐身一体化设计的加力燃烧室构成的发动机排气腔体RCS中,稳定器采用隐身措施后降低其雷达散射贡献将直接提高发动机后向雷达隐身性能。
(2)几种针对某型蒸发管式蒸发腔的修形,都能相比原有结构构成的腔体RCS有所缩减,统计角域[0°,45°]的均值,在高频时最大缩减3.4 dB,在低频时最大缩减1.2 dB。稳定器蒸发腔结构的不同会带来高频下腔体RCS差异较大,低频下RCS差异较小。
(3)具有横向和纵向复合角度倾斜的平板结构蒸发腔(WDQ5)对于腔体RCS的缩减具有一定优势。同时,平板结构也能相对于原有蒸发管式蒸发腔改善吸波涂层等功能材料的使用工况,提高功能材料的使用可靠性。
(4)稳定器倾斜布置对腔体RCS有缩减效果,不同倾斜角状态下的RCS角向分布规律相似,且在水平极化下稳定器倾斜对腔体RCS变化较为敏感。综合考虑稳定器隐身设计及稳定燃烧功能需求,稳定器向喷管出口端倾斜更有利稳定燃烧,优选0°~20°范围稳定器倾斜布置可对腔体RCS有较好的抑制效果。
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