李強兵，劉宇涵，賈云峰

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2.北京航空航天大學電子信息工程學院，北京 100191)

0 引言

直升機蒙皮作為保護機內(nèi)設備和電纜免受外部干擾的第一道屏障，所選蒙皮材料的屏蔽性能是直升機整體屏蔽性能的基本保證。據(jù)統(tǒng)計，世界先進直升機的蒙皮中復合材料的使用已經(jīng)達到全身結(jié)構(gòu)的60%～80%，并且有些飛機已經(jīng)采用了完整的復合材料結(jié)構(gòu)，即復合材料的使用率已經(jīng)達到90%以上[1]。與純金屬材料相比，復合材料具有耐疲勞性能好、質(zhì)量輕、耐蝕性等優(yōu)點。但是與直升機之前所采用的金屬與合金結(jié)構(gòu)相比，復合材料的電磁屏蔽性能較差且制作廠家大多無法提供其準確的電磁參數(shù)，這就對直升機蒙皮結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽性能設計提出了挑戰(zhàn)。

目前，高性能飛機蒙皮使用的材料主要是碳纖維復合材料(CFC)或碳纖維增強塑料(CFRP)，這種結(jié)構(gòu)可以有效地降低機體重量和研制成本。然而，復合材料的電磁特性和電磁屏蔽特性尚不清楚。陸軍工程大學將無人機機體簡化成一個厚度為8mm，相對介電常數(shù)為4，電導率為2S/m，相對磁導率為1的簡單結(jié)構(gòu)[2]。在飛機為電大尺寸模型，且復合材料分層建模數(shù)據(jù)不足的情況下，Miguel R. Cabello，Sergio Fernandez等人采用黑匣子建模方法來進行使用復合材料的飛機的電磁仿真，通過比較材料數(shù)據(jù)表和現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，他們假設材料的平均電導率為104S/m[3]。上述兩種方法都沒有建立確切的蒙皮結(jié)構(gòu)，也不能保證飛機整體結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽預測的準確性。軍械工程學院的曲兆明等人認為，復合材料的編織結(jié)構(gòu)相當于各向異性介質(zhì)的疊加，他們通過建立等效模型仿真得出屏蔽效能，驗證了該方法的可行性[4]。但是，這種方法計算量較大，不適用于電大尺寸的仿真。因此，為了保證飛機整體結(jié)構(gòu)電磁屏蔽效能預測的準確性，研究適用于電大尺寸飛機模型的直升機蒙皮結(jié)構(gòu)的等效建模技術(shù)非常迫切。

1 直升機蒙皮材料等效模型建立理論分析

1.1 蒙皮結(jié)構(gòu)合理等效

直升機蒙皮結(jié)構(gòu)采用的多層鋪層結(jié)構(gòu)是將多層預浸料分層鋪設在一起形成的，這種結(jié)構(gòu)的電磁性質(zhì)取決于每層預浸料的性質(zhì)，且與各層預浸料的鋪敷角度有關(guān)。具有編織結(jié)構(gòu)的碳纖維預浸料是各向異性材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了保證蒙皮的性能，在設計成型時應調(diào)整每一層的方向，使飛機蒙皮在各個方向都具有良好的機械和電磁性能。解放軍理工大學的司卿、黃正宇等人也通過窗口法對不同鋪設方向的碳纖維增強復合材料在800MHz～15GHz頻段的屏蔽效能做了測試，結(jié)果表明，對于采用垂直和交叉鋪層排布方式排列的碳纖維而言，可在微波頻段近似等效為各向同性的良導體[5]。

圖1 編織結(jié)構(gòu)

本文采用的蒙皮結(jié)構(gòu)是XX直升機的典型蒙皮結(jié)構(gòu)，其鋪層結(jié)構(gòu)如表1所示。在該蒙皮結(jié)構(gòu)中，第4層到第12層采用電磁性能呈現(xiàn)各向異性的環(huán)氧碳布預浸料進行鋪敷。其他層的鋪敷材料包括表面涂層，環(huán)氧玻璃布預浸料和銅網(wǎng)等，均為各向同性材料。具有各向異性的環(huán)氧碳布預浸料以45°角交叉鋪敷，以滿足機械和電磁性能的要求，使得蒙皮結(jié)構(gòu)在各方向呈現(xiàn)近似相同的電磁特性。基于以上分析，可以將飛機蒙皮結(jié)構(gòu)等效為各向同性的良導體結(jié)構(gòu)。

表1 直升機蒙皮材料和鋪設角度

1.2 蒙皮材料等效參數(shù)的反演計算

蒙皮材料的等效復介電常數(shù)ε和等效復磁導率μ可由S參數(shù)反演計算得到。設蒙皮材料被試件本身的傳輸系數(shù)為T，被試件在一端的反射系數(shù)為Γ，另一端的反射系數(shù)為-Γ，同軸線內(nèi)的介質(zhì)為空氣，那么樣品間的反射系數(shù)、透射系數(shù)與樣品與空氣間的反射系數(shù)和透射系數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 同軸腔中的電磁波

由電磁場基本理論我們能容易地得到樣品與空氣的反射系數(shù)S11及透射系數(shù)S21與樣品兩個界面之間的反射系數(shù)Γ和透射系數(shù)T的關(guān)系分別為：

S11=Γ-[Γ(1-Γ2)T2+Γ3(1-Γ2)T4+…

+Γ2n-3(1-Γ2)T2(n-1)]=

(1)

S21=(1-Γ2)T+Γ2(1-Γ2)T3+…

(2)

對式(1)和(2)進行數(shù)學計算，可以得到兩端口的S參數(shù)與樣品的反射系數(shù)Γ及傳輸系數(shù)T之間的關(guān)系：

(3)

(4)

根據(jù)Nicoloson算法，引入變量V1、V2，令：

V1=S21+S11

(5)

V2=S21-S11

(6)

引入變量X，則有：

(7)

(8)

(9)

則：

(10)

(11)

(12)

式中，l為被試件的厚度；λc為截止波長；γ為樣品區(qū)的傳播常數(shù)；λ0為入射電磁波的波長。

2 直升機蒙皮材料等效電磁參數(shù)的測量

由于飛機蒙皮為不同鋪層采用高溫高壓的方式加工而成的，被試件加工過小會對材料尤其是其邊緣造成損傷，嚴重影響測試精度，且被試件中含有邊長為2.75mm的六邊形銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)，所以本研究中傳輸系數(shù)及反射系數(shù)的測量采用大同軸腔的方式。測試示意圖如圖3所示。傳輸系數(shù)及反射系數(shù)測量所用到的硬件設備有安捷倫E5080A矢量網(wǎng)絡分析儀(vector network analyzer,VNA)、自制同軸夾具、同軸電纜等。

測得直升機蒙皮結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)S11、S22以及透射系數(shù)S12、S21的幅值和相位測試結(jié)果如圖4、圖5所示。

基于上述測試結(jié)果和電磁參數(shù)的反演計算，可以得到被試材料的等效介電常數(shù)和等效磁導率，其中等效介電常數(shù)ε=ε′-jε″，如圖6所示，等效磁導率μ=μ′-jμ″，如圖7所示。

圖3 同軸傳輸/反射法

圖4 直升機蒙皮結(jié)構(gòu)S參數(shù)的幅值

圖5 直升機蒙皮結(jié)構(gòu)S參數(shù)的相位

圖6 等效介電常數(shù)

3 直升機蒙皮材料等效模型的仿真驗證

3.1 蒙皮材料等效模型的仿真

根據(jù)反演計算結(jié)果，可以建立直升機蒙皮的等效模型，即將直升機蒙皮等效為電磁參數(shù)隨頻率變化的單層屏蔽結(jié)構(gòu)。本研究使用電磁仿真軟件HFSS建立等效模型，采取主從邊界的建模方式，模擬TEM波入射無限大蒙皮材料的屏蔽效能。仿真模型如圖8所示。

圖7 等效磁導率

圖8 HFSS屏蔽效能仿真界面

在仿真模型建立完成后，設置掃頻信息，以300MHz為起始頻點，1500MHz為終止頻點，1MHz為掃頻間隔。之后可對模型進行網(wǎng)格剖分并進行仿真，得到模型屏蔽效能的仿真結(jié)果。

3.2 蒙皮材料屏蔽效能仿真與實測結(jié)果對比

直升機蒙皮材料屏蔽效能測試平臺如圖9所示。法蘭同軸裝置具有圓錐形內(nèi)腔，作為同軸裝置，其內(nèi)部可模擬空氣中遠場的平面波來對材料的屏蔽效能進行測試。將待測材料裝入同軸腔體內(nèi)部后，同軸腔內(nèi)的電磁波由于被試件產(chǎn)生多次熱損耗、反射衰減而引起阻抗失配，矢量網(wǎng)絡分析儀根據(jù)入射電磁波以及經(jīng)由被試件后的電磁波信息來測得材料的屏蔽效能。由上圖中直升機蒙皮材料模型屏蔽效能的仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比可得，在300MHz～1500MHz的頻段內(nèi)，屏蔽效能仿真與實測結(jié)果誤差在1dB以內(nèi)，可驗證所建模型的正確性。

將實測結(jié)果與上一節(jié)得到的仿真結(jié)果對比，如圖10所示。

圖9 自制的法蘭同軸裝置

圖10 屏蔽效能仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文的研究結(jié)果表明，在300MHz～1500MHz頻率范圍內(nèi)，飛機的復雜蒙皮結(jié)構(gòu)可以等效為電磁參數(shù)隨頻率而變化的單層蒙皮結(jié)構(gòu)。通過等效建模仿真得到的屏蔽效能和實際測量結(jié)果誤差在1dB以內(nèi)。小尺寸規(guī)則蒙皮材料的測量與建模可用于電大尺寸飛機的仿真，實現(xiàn)整個直升機屏蔽效能的仿真，解決電大尺寸模型蒙皮建模困難的問題。