曹 峰， 陶江平， 王 波

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032 )

0 引 言

隱身性設(shè)計(jì)是通過(guò)減小或改變自身的物理特性(如雷達(dá)、聲、光電、磁和紅外輻射等)來(lái)降低被敵方探測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)或被武器追蹤命中的概率。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，艦船面臨著越來(lái)越嚴(yán)重的雷達(dá)、聲、光電和熱制導(dǎo)反艦武器的威脅。隱身性優(yōu)劣關(guān)系著艦船的生存能力，因此對(duì)隱身性提出更高的要求，其中雷達(dá)波隱身和聲隱身是艦船隱身設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1]。

雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section， RCS)是表征目標(biāo)雷達(dá)波隱身性能的特征值。減小目標(biāo)RCS的方法有:外形優(yōu)化設(shè)計(jì)、隱身材料、有源對(duì)消和無(wú)源對(duì)消。其中，外形優(yōu)化設(shè)計(jì)是利用不同外形具有不同雷達(dá)波散射性的特點(diǎn)來(lái)減小目標(biāo)威脅方向上雷達(dá)散射截面，是艦艇雷達(dá)波隱身的重要手段，利用隱身材料吸收雷達(dá)波能量取得隱身效果[2]。

艦船為系統(tǒng)工程，涵蓋功能各異的設(shè)備。通常不會(huì)直接對(duì)船舶整體進(jìn)行隱身設(shè)計(jì)，而是將其拆分成不同部分，針對(duì)不同部分分別進(jìn)行雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)[3]。由于甲板上布置較多功能性舾裝件，若布置及工藝處理不合理，會(huì)形成較大的雷達(dá)散射截面，影響整船的隱身性。從船舶建造工藝的角度，對(duì)甲板舾裝件進(jìn)行工藝優(yōu)化，降低舾裝件的雷達(dá)散射截面，提高整船的隱身性。

1 雷達(dá)散射截面計(jì)算方法

RCS是用于描述目標(biāo)散射體電磁特性的一個(gè)重要指標(biāo)，其定義式為

(1)

式中：σ為雷達(dá)散射截面；R為目標(biāo)到雷達(dá)接收器的距離；Es為散射電場(chǎng)；Hs為散射磁場(chǎng);Ei為入射電場(chǎng)；Hi為入射磁場(chǎng)。

雷達(dá)散射截面不僅與物體的大小、形狀、結(jié)構(gòu)和材料等有關(guān)，而且與入射電磁波的頻率、極化以及波形等特性也有關(guān)。RCS 是標(biāo)量，其單位是m2，又由于目標(biāo)的RCS 動(dòng)態(tài)變化范圍很大，常用其對(duì)于1 m2的分貝數(shù)來(lái)表達(dá)，即dBm2，符號(hào)為

σdBm2=10lgσ(2)

雷達(dá)散射截面的數(shù)值計(jì)算方法主要有矩量法、多層快速多極子法、有限元法、時(shí)域有限差分法、高頻近似方法和混合方法等。

按目標(biāo)的特征尺寸相對(duì)于電磁波波長(zhǎng)的大小，可以將目標(biāo)散射特性分成3個(gè)區(qū)：瑞利區(qū)(低頻區(qū))、諧振區(qū)(中頻區(qū))和光學(xué)區(qū)(高頻區(qū))。本船目標(biāo)散射特性為光學(xué)區(qū)，計(jì)算采用高頻近似算法。高頻近似算法包括幾何光學(xué)法、物理光學(xué)法、幾何繞射理論等。

FEKO軟件以矩量法、多層快速多極子法、高頻精確算法和近似算法為主，配以求解復(fù)雜介質(zhì)體的有限元方法，并具有矩量法和高頻近似算法相結(jié)合的混合算法，在保證精度的前提下提高了計(jì)算規(guī)模及計(jì)算效率，適合求解電大尺寸等復(fù)雜的電磁問(wèn)題[4]。

2 雷達(dá)散射截面計(jì)算與分析

2.1 雷達(dá)散射截面計(jì)算流程

基于典型舾裝件的結(jié)構(gòu)尺寸、布置及常用探測(cè)雷達(dá)技術(shù)參數(shù)，按照以下流程進(jìn)行仿真分析：

(1) 幾何模型。利用三維建模軟件，完成舾裝件的幾何建模，模型比例為1∶1，且y軸指向船首方向，x軸指向右舷方向，z軸指向上層建筑方向。

(2) 網(wǎng)格模型。利用網(wǎng)格劃分軟件完成舾裝件的表面網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型為三角形面網(wǎng)格，標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格單元大小取入射雷達(dá)波波長(zhǎng)的1/3。

(3) 物理模型。將網(wǎng)格模型導(dǎo)入FEKO軟件中，基于以下參數(shù)建立物理模型，完成雷達(dá)散射截面仿真[5]。

① 雷達(dá)波散射特點(diǎn)：?jiǎn)握旧⑸洹?/p>

② 雷達(dá)波頻率：9 GHz。

③ 雷達(dá)波仰角：4°。

④ 雷達(dá)波水平方位角：0°～360°。

⑤ 雷達(dá)波類型：平面波。

⑥ 舾裝件材料：金屬。

⑦ 計(jì)算算法：物理光學(xué)法。

2.2 雷達(dá)散射截面仿真計(jì)算與分析

選取典型舾裝件：索道牽引車、梯子、露天部位水龍帶箱和天線基座(面板、肘板)，基于2.1節(jié)的計(jì)算流程，對(duì)典型舾裝件進(jìn)行雷達(dá)散射截面計(jì)算及分析。

2.2.1 索道牽引車

基于雷達(dá)散射截面仿真流程，對(duì)索道牽引車進(jìn)行仿真分析。索道牽引車的幾何模型如圖1所示，網(wǎng)格模型如圖2所示，仿真計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖1 索道牽引車幾何模型

圖2 索道牽引車網(wǎng)格模型

圖3 索道牽引車?yán)走_(dá)散射截面

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：索道牽引車的最大雷達(dá)散射截面為15.20 dBm2，出現(xiàn)在水平方位角90°和270°處。

索道牽引車為功能性機(jī)器設(shè)備，其布置位置及外形均難以改變。同時(shí),索道牽引車的使用頻率相對(duì)較低，因此考慮設(shè)置雷達(dá)隱身罩。當(dāng)索道牽引車不工作時(shí)，用雷達(dá)隱身罩遮蔽索道牽引車；當(dāng)需要索道牽引車工作時(shí)，移除雷達(dá)隱身罩。采用高效隱身罩，可使雷達(dá)散射截面縮小80%[6]。

考慮到牽引車工作時(shí)需移除雷達(dá)隱身罩，隱身罩的重量不能過(guò)重且應(yīng)便于拆裝。隱身罩材料可選擇密度較輕的玻璃纖維復(fù)合材料和PVC結(jié)構(gòu)泡沫。同時(shí)，在隱身罩上設(shè)置螺栓孔，通過(guò)鉸鏈與索道牽引車基座固定。隱身罩采用2段式，隱身罩底部設(shè)置滾輪，嵌入底部軌道中。牽引車工作時(shí)，解除隱身罩的固定，將隱身罩分離為2部分，露出牽引車工作部位；當(dāng)牽引車不工作時(shí)，合攏隱身罩并固定。

2.2.2 梯子

基于雷達(dá)散射截面仿真流程，對(duì)梯子進(jìn)行仿真分析。梯子的幾何模型如圖4所示，網(wǎng)格模型如圖5所示，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖4 梯子幾何模型

圖5 梯子網(wǎng)格模型

圖6 梯子雷達(dá)散射截面

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：梯子的最大雷達(dá)散射截面為13.55 dBm2，出現(xiàn)在水平方位角121°和239°處。

梯子為標(biāo)準(zhǔn)舾裝件，其外形及尺寸須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)梯子具有功能性需求，難以改變安裝位置，因此考慮在梯子上涂覆吸波材料。根據(jù)文獻(xiàn)資料信息，高效吸波材料可使雷達(dá)散射截面縮小80%[7]。

常用的雷達(dá)波吸波材料有橡膠涂層、鐵氧體吸波材料、多晶鐵纖維吸收劑及納米隱身材料等。考慮到梯子的使用頻率較高，選擇吸波材料時(shí)，需要考慮材料的耐磨性。

考慮到梯子的最大雷達(dá)散射截面均在水平方位角121°和239°處，在進(jìn)行梯子安裝時(shí)，如有可能，盡量使梯子在這2個(gè)水平方位角處，處于遮蔽狀態(tài)。

2.2.3 露天部位水龍帶箱

基于雷達(dá)散射截面仿真流程，對(duì)水龍帶箱進(jìn)行仿真分析。水龍帶箱的幾何模型如圖7所示，網(wǎng)格模型如圖8所示，仿真計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖7 水龍帶箱幾何模型

圖8 水龍帶箱網(wǎng)格模型

圖9 天線基座雷達(dá)散射截面

水龍帶箱的最大雷達(dá)散射截面為23.60 dBm2，出現(xiàn)在水平方位角0°和180°處。

水龍帶箱的形狀比較規(guī)整，當(dāng)雷達(dá)波照射時(shí)，會(huì)發(fā)生雷達(dá)波鏡面反射，雷達(dá)散射截面較大。為滿足功能性要求，水龍帶箱的形狀無(wú)法改變，但改變其布置位置，對(duì)功能性沒有影響，因此可進(jìn)行嵌入式安裝。將水龍帶箱內(nèi)嵌在艙壁上，水龍帶箱表面與艙壁平齊，只有水龍帶箱門會(huì)產(chǎn)生雷達(dá)散射截面。

水龍帶箱內(nèi)嵌安裝時(shí)，須根據(jù)艙壁角度，改變水龍帶箱的角度，避免凸起破壞艙壁的雷達(dá)散射截面。同時(shí)，水龍帶箱門的打開方式可改為推壓反彈方式打開，取消水龍帶箱門的把手。

2.2.4 天線基座(面板、肘板)

基于雷達(dá)散射截面仿真流程，分別對(duì)優(yōu)化前后的天線基座進(jìn)行仿真分析。優(yōu)化前后的網(wǎng)格模型如圖10和圖11所示，仿真計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖10 天線基座網(wǎng)格模型(優(yōu)化前)

圖11 天線基座網(wǎng)格模型(優(yōu)化后)

天線基座(面板、肘板)的最大雷達(dá)散射截面為15.90 dBm2，分別出現(xiàn)在水平方位角35°和215°處。

天線基座(面板、肘板)具有較多二面角，容易發(fā)生二面角反射，產(chǎn)生較大雷達(dá)散射截面。建議采用結(jié)構(gòu)遮蔽的方式，對(duì)基座的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后的幾何外形如圖13和圖14所示。

優(yōu)化前天線基座(面板、肘板)的最大雷達(dá)散射截面為15.90 dBm2，優(yōu)化后天線基座(面板，肘板)的最大雷達(dá)散射截面為5.97 dBm2，分別出現(xiàn)在水平方位角35°和215°處，天線基座的雷達(dá)散射截面降低了62%。采用結(jié)構(gòu)遮蔽的方法，不出現(xiàn)二面角結(jié)構(gòu)形式，有效降低天線基座(面板、肘板)的雷達(dá)散射截面。

圖12 天線基座雷達(dá)散射截面(優(yōu)化前后)

圖13 天線基座幾何模型(優(yōu)化前)

圖14 天線基座幾何模型(優(yōu)化后)

基座肘板圍板可采用薄鋼板或復(fù)合材料進(jìn)行遮蔽，以盡量減輕重量。

考慮到優(yōu)化前后天線基座的最大雷達(dá)散射截面均在水平方位角35°和215°處，因此在進(jìn)行天線基座布置時(shí)，如有可能，盡量使天線基座在這2個(gè)水平方位角處，處于遮蔽狀態(tài)。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)舾裝件特點(diǎn)，目標(biāo)雷達(dá)散射類型中的鏡面反射、二面角反射及凹腔反射等反射強(qiáng)度較高，在進(jìn)行采購(gòu)或制作時(shí)要盡量避免這些情況。對(duì)于舾裝件，可在不改變其性能、綜合可靠性及價(jià)格的基礎(chǔ)上，對(duì)舾裝件進(jìn)行優(yōu)化，降低其雷達(dá)散射截面，提高艦船隱身性。

通過(guò)以上幾種典型舾裝件雷達(dá)散射截面仿真計(jì)算分析，對(duì)于降低舾裝件RCS值有如下建議：

(1) 對(duì)于機(jī)器類舾裝件，建議在不影響其功能使用的前提下，設(shè)置隱身罩。例如前甲板三滾柱導(dǎo)纜器、海補(bǔ)裝置索道牽引絞車等舾裝件。

(2) 對(duì)于易發(fā)生雷達(dá)波反射，布置和外形難以改變，且由于功能性要求不便采用隱身罩的舾裝件，建議涂覆吸波材料。例如室外梯子、透氣帽(管)、欄桿扶手等。

(3) 對(duì)于易發(fā)生雷達(dá)波反射(鏡面反射、二面角反射等)，且改變布置不影響其功能性要求的舾裝件，建議進(jìn)行嵌入式安裝。例如露天部位水龍帶箱、露天消防栓、露天部位聲力電話等舾裝件。

(4) 對(duì)于易發(fā)生雷達(dá)波反射(鏡面反射、二面角反射等)，但為滿足功能性要求布置無(wú)法變動(dòng)的舾裝件，建議進(jìn)行結(jié)構(gòu)遮蔽。例如天線基座等小型電氣基座。