侯雪劍，劉昊雨，張云飛，吳裕平

(1.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2.中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

直升機武器外掛的隱身設(shè)計與RCS計算

侯雪劍1，劉昊雨1，張云飛1，吳裕平2

(1.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2.中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

建立某直升機武器外掛的外形模型，采用物理光學(xué)法和等效電磁流法計算了武器外掛在HH極化、2～18GHz頻率的RCS特性。進行武器外掛RCS減縮研究，提出了直升機武器外掛整形罩的隱身設(shè)計方法，將原武器外掛在4個波段、三個重要方向下的RCS水平從1.5m2～18.6m2降低到0.004 m2～0.06 m2，減縮量達23～40dB，有效降低了其在主要散射方向上的雷達散射水平。分析了改型前后的氣動特性，保證了改型對直升機的氣動性能影響較小。

武器外掛；RCS；雷達隱身技術(shù)；直升機

0 引言

軍用直升機廣泛用于對地攻擊、機降登陸、武器運送、后勤支援、戰(zhàn)場救護、偵察巡邏、指揮控制、通信聯(lián)絡(luò)、反潛掃雷、電子對抗等任務(wù)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中扮演著越來越重要的角色。隨著反直升機武器系統(tǒng)的不斷發(fā)展，軍用直升機的生存能力越來越重要，“隱身”已成為現(xiàn)代直升機重要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)之一[1]。雷達隱身是直升機隱身技術(shù)的重要內(nèi)容，開展直升機的雷達散射特性分析和雷達散射截面RCS減縮研究有重要的理論意義和實際價值。

近些年來國內(nèi)對于直升機隱身技術(shù)的研究逐漸增多。蘇東林[2]等研究了武裝直升機雷達散射截面估算的方法；葉少波[3]建立了武裝直升機隱身外形優(yōu)化的計算機輔助設(shè)計軟件系統(tǒng)；蔣相聞[4,5]等基于面元邊緣法研究了某型武裝直升機的RCS特性，計算了兩型武裝直升機沿方位角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角三個方向上的雷達散射特性。包曉翔[6]仿真計算了某通用直升機的RCS特性，并提出了通用直升機隱身外形設(shè)計方法。但目前國內(nèi)的研究多是對于直升機整體隱身性能的研究。根據(jù)固定翼飛機隱身研究的經(jīng)驗，如果在進行了很好隱身設(shè)計的飛機機體上外掛常規(guī)武器系統(tǒng)，其RCS水平竟與未進行任何隱身設(shè)計的飛機相當(dāng)。因此，對于已經(jīng)進行了機體隱身設(shè)計的直升機來說，武器外掛等對于RCS的貢獻是不可忽視的[7]。

外掛武器和副油箱使得直升機的作戰(zhàn)能力得到提升，作戰(zhàn)半徑也得到增加。一般直升機將外掛物掛載在短翼掛架上，會使得整個飛行器的隱身性能降低，而且飛行阻力也會增加。因此，外掛的隱身設(shè)計不僅要考慮隱身問題，還要考慮氣動問題。

本文借鑒固定翼飛機的隱身設(shè)計技術(shù)，對直升機武器外掛進行隱身設(shè)計，擬采用加整形罩的方法降低直升機武器外掛的RCS，并盡量保證直升機氣動特性不變差。

1 研究方法

1.1隱身改型設(shè)計

根據(jù)對現(xiàn)有的直升機外掛武器的調(diào)研，設(shè)計一種導(dǎo)彈系統(tǒng)外掛的原始模型如圖1所示，其結(jié)構(gòu)由掛架、滑軌和導(dǎo)彈幾個部分組成，外形較為復(fù)雜，其隱身性能較差。

外掛武器系統(tǒng)有發(fā)射彈藥、導(dǎo)彈飛行等使用要求，無法對滑軌、導(dǎo)彈彈體等直接進行外形隱身設(shè)計?？紤]設(shè)計一種整形罩(圖2、圖3)將武器外掛包裹其中，既可以降低RCS水平，又起到整流的作用。整形罩的外形設(shè)計方案來源于隱身戰(zhàn)機保形外掛的設(shè)計思想。

整形罩外形中段主要采用凹凸曲面形式，其主要思路是(圖4)：采用兩個凸曲面形成一個容器，以包容整個武器系統(tǒng)，利用上下兩個凹曲面構(gòu)成的尖劈對凸曲面的側(cè)面形成“占位”，以減弱具有較長長度的凸曲面在側(cè)向的強散射。該設(shè)計有兩個要點：一是要控制凹凸曲面交界點(拐點)切線與鉛垂線的夾角(傾角)，由于整形罩在該拐點形成一個小平面，傾角越大則小平面越向上或向下偏轉(zhuǎn)，在機身側(cè)向(0°仰角)產(chǎn)生的散射回波越??；但該角度如果過大，會使得凹曲面過于向外側(cè)延伸，導(dǎo)致整形罩寬度過大，影響整體布置，并顯著增大阻力。一般該角度宜取20°～30°。二是兩個凹曲面構(gòu)成的尖劈角，該尖劈角如果過大，會使得具有較長長度的直尖劈的邊緣繞射增強。一般該角度不宜超過35°。

整形罩的縱向剖面盡量采用流線型。前段和尾段采用尖劈形，并與中段的凹凸曲面光滑過渡，即保證所有縱向剖面線的一階導(dǎo)數(shù)沿縱向連續(xù)，特別在前段與中段、中段與尾段的交界處。目的是防止整形罩表面形成尖劈角而產(chǎn)生額外的邊緣繞射。

1.2 RCS計算方法

對武器外掛的RCS計算采用物理光學(xué)法與等效電磁流法相結(jié)合的方法[8]，該算法及相應(yīng)計算程序已經(jīng)通過與試驗結(jié)果的對比進行了驗證[6]，本文不再贅述。

隱身設(shè)計的目的是降低飛行器在重要方向上的RCS水平。根據(jù)以往的研究成果[9]，飛行器的重要的方位角范圍為：機頭方向(方位0°±30°)，機身側(cè)向(方位90°±30°，270°±30°)，機尾方向(方位180°±30°)。飛行器的隱身性能不能以某個位置的RCS水平來判定，而要以一定范圍內(nèi)的RCS水平作為考察基準(zhǔn)，這里采用飛行器重要方向上的RCS算術(shù)均值大小來評定隱身性能的優(yōu)劣。

1.3氣動阻力研究方法

武器外掛對直升機的影響主要表現(xiàn)為增加直升機的氣動阻力[10]，所以本文建立武器外掛的非結(jié)構(gòu)流場模型，并使用ANASYS進行流場仿真，計算隱身設(shè)計前后模型的氣動阻力和阻力系數(shù)，以此來進行氣動特性分析。

2 計算結(jié)果

2.1 RCS計算結(jié)果

分別計算了HH極化、四種不同頻率下原始武器外掛(簡稱原型)和增加整形罩之后的外掛(簡稱改型)的雷達散射特性，如圖5-圖8所示。

1) S波段(3Hz)

統(tǒng)計機頭方向、機身側(cè)向、機尾方向的RCS均值如表1所示。

表1 原型與改型RCS均值對比

2) C波段(6Hz)

統(tǒng)計機頭方向、機身側(cè)向、機尾方向的RCS均值如表2所示。

表2 原型與改型RCS均值對比

3) X波段(10Hz)

統(tǒng)計機頭方向、機身側(cè)向、機尾方向的RCS均值如表3所示。

表3 原型與改型RCS均值對比

4) Ku波段(15Hz)

統(tǒng)計機頭方向、機身側(cè)向、機尾方向的RCS均值如表4所示。

表4 原型與改型RCS均值對比

綜合以上計算結(jié)果可知，原始外掛武器在S、C、X、Ku四種波段，HH極化條件下，在各個重要的方位角方向上RCS均值都很高，機頭方向RCS在1.5～3.0m2范圍內(nèi)，機身側(cè)向RCS在11.2～18.6m2范圍內(nèi)，機尾方向RCS在4.4～13.5m2范圍內(nèi)，均需要采取隱身設(shè)計。隱身設(shè)計后，外掛武器艙的RCS水平整體上得到降低，機頭方向RCS低于0.005m2，機身側(cè)向RCS低于0.062m2，機尾方向RCS低于0.004m2，均達到很低的量級。RCS減縮量為：機頭方向28～35dB，機身側(cè)向23～29dB，機尾方向36～40dB，隱身設(shè)計效果顯著。

2.2氣動阻力分析

將模型導(dǎo)入ANSYS中進行流場仿真計算，模型網(wǎng)格劃分如圖9、圖10所示。原始外掛網(wǎng)格數(shù)約為246萬，整形罩模型網(wǎng)格數(shù)約為44萬，兩種模型網(wǎng)格尺寸相同，由于原始外掛模型相對于整形罩模型外形復(fù)雜，所以原始外掛模型網(wǎng)格數(shù)量與整形罩相差較多。選用壓力基求解器，湍流計算使用了Spalart-Allmaras模型，流場邊界設(shè)置為壓力遠(yuǎn)場，來流馬赫數(shù)設(shè)置為Ma=0.24，約為直升機的巡航速度。

流場仿真計算表明，原始外掛模型的氣動阻力為530N，整形罩的氣動阻為590N。整形罩與原始外掛相比阻力略有增加。原因是加整形罩后外掛尺寸有所增加，但是整形罩在一定程度上起到了整流作用，所以阻力增加不大。因此整形罩方案并未造成過多的氣動阻力損失，方案可行。

3 結(jié)束語

構(gòu)造一種直升機武器外掛的外形模型，根據(jù)外形隱身設(shè)計原則對其進行隱身設(shè)計，采用RCS高頻近似算法(物理光學(xué)法和等效電磁流理論)進行RCS計算。在三個重要方位角范圍，對武器外掛圓形和隱身改型的RCS均值進行對比分析。結(jié)果表明武器外掛隱身改型方案相對于原型的隱身性能有所提升，證明了設(shè)計的合理性，達到了隱身效果。氣動阻力方面，整形罩的阻力比原始外掛的阻力增加較小，整形罩的設(shè)計方案并未造成顯著的氣動損失。

當(dāng)然，采用整形罩的缺點是給武器的發(fā)射使用設(shè)置了困難，雖然可以用設(shè)計整形罩開啟機構(gòu)的方法解決，但也會帶來機構(gòu)復(fù)雜、重量增加的問題。這是取得隱身效果后所付出的必要代價。對該代價的評估有待于進一步的研究。

[1] 張呈林，郭才根.直升機總體設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社,2006.

[2] 蘇東林，宗國民，呂善偉.武裝直升飛機雷達散射截面的估算方法[J]．北京航空航天大學(xué)學(xué)報，1994,20(3):248-252.

[3] 葉少波.武裝直升機隱身外形優(yōu)化的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)[D]．北京：北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，2004.

[4] 蔣相聞，招啟軍，徐國華.基于面元邊緣法的直升機RCS計算與分析[J]．南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2011,43(3):429-434.

[5] 蔣相聞，招啟軍，徐國華.兩型武裝直升機雷達散射特性計算[J]．直升機技術(shù),2010,4(3):11-14.

[6] 包曉翔，張云飛，杜曉松.通用直升機雷達散射特性及RCS減縮[J]．北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2011,39(6):745-750.

[7] 張云飛，張 考.常規(guī)外掛物散射特性及RCS縮減設(shè)計研究[J].飛機設(shè)計,1999,(4):1-5.

[8] 阮穎錚，等.雷達截面與隱身技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[9] 顧誦芬，解思適.飛機總體設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

[10] 飛機雷達隱身設(shè)計指南[Z].中國人民解放軍總裝備部隱身技術(shù)專業(yè)組,2006.

[11] Tumer S D.RESPECT: Rapid electromagnetic scattering predictor for extremely complex targets[C].IEE Proceedings，1990.

StealthDesignandRCSCalculationforHelicopterExternalWeaponStores

HOU Xuejian1,LIU Haoyu1,ZHANG Yunfei1,WU Yuping2

(1.School of Aeronautic Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China； 2.China Helicopter Research and Development Institute,Jingdezheng 333001,China)

It was established for a outline model of helicopter external stores,and the physical optics and the equivalent currents theory were used to calculate the RCS of the external stores.It was put forward that the stealth design method of outline shaping cover for helicopter RCS reduction in three important direction.The average RCS of the external weapon store has been reduced form 1.5m2～ 18.6 m2to 0.004m2～0.05m2at four frequency band.The RCS reduction value reaches to 23～40dB.By analysis of CFD,the aerodynamic drag of the external stores has no significantly increase.

external weapon stores;Radar Cross Section;radar stealth technology;helicopter

2016-12-16

侯雪劍(1992-)，男，內(nèi)蒙古赤峰市人，碩士研究生，研究方向為RCS計算及雷達隱身設(shè)計研究。

1673-1220(2017)03-010-04

V218

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