張洪新，吳東輝，節(jié)洪波，方小星，曹群生

（1.解放軍63850 部隊(duì)，吉林 白城 137001；2.南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

0 引言

空中靶標(biāo)可以用作模擬目標(biāo)飛行器和開展防空訓(xùn)練和演習(xí)。靶標(biāo)的RCS 受其尺寸、形狀、材質(zhì)等限制，因此，靶標(biāo)在散射幅度均值和散射起伏規(guī)律上和目標(biāo)飛行器的RCS 都存在較大差異。龍伯透鏡反射器可以聚焦電磁波，并以高增益反射出去，可以大幅度增大特定角度范圍內(nèi)的RCS，且波束寬度可根據(jù)反射板尺寸、位置調(diào)節(jié)，通常用于增強(qiáng)靶標(biāo)RCS、開展科研訓(xùn)練等領(lǐng)域，因此，可以利用靶標(biāo)加載龍伯反射器對靶標(biāo)RCS 改型，繼而模擬真實(shí)的飛行器RCS，但是同時(shí)對靶標(biāo)的氣動(dòng)特性造成一定影響，故而需要考慮不同加載位置（靶標(biāo)機(jī)頭下方、機(jī)身中部下方、機(jī)翼兩側(cè)、尾翼下方）和方式對氣動(dòng)特性的影響，對電磁散射特性和氣動(dòng)特性進(jìn)行融合設(shè)計(jì)。

通過聯(lián)合使用電磁仿真軟件FEKO 和流體仿真軟件Fluent，設(shè)計(jì)龍伯反射器，并加載到靶標(biāo)上，對RCS 靶標(biāo)有效地改進(jìn)。分析了在靶標(biāo)不同位置和方式加載反射器后的氣動(dòng)特性和電磁散射特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭下方時(shí)，可以得到的改型后的RCS 與氣動(dòng)特性最符合設(shè)計(jì)要求。

1 龍伯透鏡反射器設(shè)計(jì)

如圖1 所示，設(shè)計(jì)的龍伯透鏡反射器由3 層介質(zhì)和1 層空氣加上金屬反射板組成，從內(nèi)到外厚度依次為2.880 4 cm、1.826 2 cm 和2.014 2 cm，空氣層厚度1.016 cm，從內(nèi)到外的相對介電常數(shù)依次為1.96、1.795 6、1.488 4，F(xiàn)EKO 電磁計(jì)算軟件建立模型如圖2 所示，選用1.27 cm 焦距的拋物面金屬反射板。

圖1 龍伯反射器示意圖

圖2 FEKO 中的模型截面

2 龍伯反射器不同加載位置和方式對靶標(biāo)RCS 影響分析

FEKO 仿真實(shí)驗(yàn)中工作頻率為5.6 GHz，水平極化，平面波激勵(lì)。因?yàn)榘袠?biāo)屬于電大尺寸物體，在誤差較小情況下仿真采用PO（物理光學(xué)法）+多層快速多級子算法（MLFMM）的聯(lián)合算法，對靶標(biāo)采用PO，對龍伯反射器采用MLFMM。對于加載龍伯反射器在靶標(biāo)的不同位置和方式，相應(yīng)的RCS 有所變化。將仿真后的RCS 與某真實(shí)飛行器的RCS 在某兩航段內(nèi)進(jìn)行比較，可以獲得加載位置和方式對靶標(biāo)RCS 的擬合效果。

2.1 龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭下方

將龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭正下方如圖3所示，反射板置于左上45°，聯(lián)合仿真加載反射器后的RCS 如下頁圖4 所示，可以看出在θ 為210°～240°范圍內(nèi)，靶標(biāo)RCS 有較大幅度增強(qiáng)，且起伏規(guī)律十分明顯。

圖3 龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭下方示意圖

圖4 龍伯反射器加載于機(jī)頭下方前后RCS 對比

2.2 龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)身中部下方

將龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭正下方如圖5所示，反射板置于左上45°，聯(lián)合仿真加載后的RCS如圖6 所示，可以看出在θ 為210°～240°范圍內(nèi)，靶標(biāo)RCS 有較大幅度增強(qiáng)。

圖5 龍伯反射器加載于靶標(biāo)中部下方示意圖

圖6 龍伯反射器加載于中部下方前后的RCS

2.3 龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)翼兩側(cè)

考慮加載龍伯反射器后的靶標(biāo)氣動(dòng)性的變化，僅考慮靶標(biāo)機(jī)翼兩側(cè)時(shí)同時(shí)加載兩只龍伯反射器，如圖7 所示，反射板置于右上45°，聯(lián)合仿真加載后的RCS如圖8 所示，可以看出在θ 為120°～150°范圍內(nèi)，靶標(biāo)RCS 有較大幅度增強(qiáng)，比單球加載增強(qiáng)幅度更大，但是缺少起伏規(guī)律，未出現(xiàn)可以和某型機(jī)第二航段RCS 擬合的部分。

圖7 兩只龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)翼兩側(cè)示意圖

圖8 兩只龍伯反射器加載于機(jī)翼兩側(cè)前后的RCS 對比

2.4 龍伯反射器加載于靶標(biāo)尾翼下方

圖9 為龍伯反射器加載于靶標(biāo)尾翼下方示意圖，反射板置于左上45°，聯(lián)合仿真加載后的RCS 如圖10 所示，可以看出在θ 為210°～240°范圍內(nèi)，靶標(biāo)RCS 有較大幅度增強(qiáng)，而且起伏規(guī)律明顯。

圖9 龍伯反射器加載于靶標(biāo)尾翼下方示意圖

圖10 龍伯反射器加載于機(jī)翼下方前后RCS 變化

2.5 改型后RCS 與某型機(jī)RCS 的擬合

本文利用改型后靶標(biāo)RCS 來模擬某型機(jī)的某兩個(gè)航段內(nèi)的RCS，根據(jù)實(shí)際的飛行器典型航段要求，具體的第1 航段對應(yīng)θ 角度變化為202.39°～203.58°，第2 航段對應(yīng)θ 角度變化為218.43°～245.0°。

加載反射板置于右上45°的反射器的靶標(biāo)RCS改型后，未出現(xiàn)可以和某型機(jī)RCS 擬合的部分，對上述各個(gè)位置加載龍伯反射器后的RCS 進(jìn)行提取，和某型機(jī)RCS 在某兩航段的擬合效果如下頁圖11和圖12 所示。

圖11 第1 航段各加載位置改型后RCS 擬合效果

圖12 第2 航段各加載位置改型后RCS 擬合效果

2.6 擬合誤差分析

選用擬合的RCS 與某型機(jī)的RCS 的方差來描述擬合誤差，具體如表1 所示。

表1 擬合誤差分析結(jié)果

3 龍伯反射器不同加載位置和方式對靶標(biāo)氣動(dòng)特性的影響分析

研究龍伯透鏡加載在機(jī)頭下方、靶標(biāo)中部下方、機(jī)翼兩側(cè)，以及尾部下方時(shí)的氣動(dòng)特性和電磁性能，達(dá)到一個(gè)電磁特性和氣動(dòng)特性的最優(yōu)化融合設(shè)計(jì)。

動(dòng)壓是速度造成的壓力，用以反映靶標(biāo)的阻力大小，靶標(biāo)實(shí)際飛行速度為150 m/s，利用Fluent 軟件對其進(jìn)行氣動(dòng)特性計(jì)算分析，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到Tecplot軟件中，進(jìn)行靶標(biāo)自身的氣動(dòng)特性分析。圖13 所示的為靶標(biāo)所受到的動(dòng)壓云圖。

圖13 靶標(biāo)自身的動(dòng)壓云圖

靶標(biāo)速度不變，將龍伯透鏡反射器加載在靶標(biāo)的不同位置，先仿真龍伯透鏡反射器加載在靶標(biāo)機(jī)頭下方的氣動(dòng)特性，如圖14 所示，可以看出動(dòng)壓明顯增大。

圖14 龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭下方的動(dòng)壓云圖

兩個(gè)龍伯透鏡反射器加載在機(jī)翼兩側(cè)動(dòng)壓云圖如下頁圖15 所示。

圖15 龍伯透鏡反射器加載在機(jī)翼兩側(cè)的動(dòng)壓云圖

龍伯透鏡反射器加載在機(jī)翼中部下方的動(dòng)壓云圖如圖16 所示。

圖16 龍伯透鏡反射器加載在靶標(biāo)中部下方的動(dòng)壓云圖

龍伯透鏡反射器加載在靶標(biāo)尾翼下方的動(dòng)壓云圖如圖17 所示。

圖17 龍伯透鏡反射器加載在尾翼下方的動(dòng)壓云圖

由于Fluent 仿真軟件并不自帶設(shè)置相同動(dòng)力的設(shè)置方式，因此，通過靶標(biāo)加載龍伯球前后的所受的最大壓力來等效靶標(biāo)的動(dòng)力，通過這種等效方式來計(jì)算龍伯反射器在不同位置和方式加載后的速度損耗。表2 所示為相應(yīng)的速度損耗。

表2 不同加載位置和方式的速度損耗

通過對以上龍伯透鏡反射器加載在靶標(biāo)的不同位置的速度損耗進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)加載在機(jī)頭下方的阻力最小，靶標(biāo)速度損耗最小。在這種情況下，由龍伯透鏡反射器的具體加載方式和加載位置可以進(jìn)一步確定電磁特性的效果。

4 氣動(dòng)和電磁散射特性的融合優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過比較上述各種加載方案的擬合效果、綜合分析電磁散射特性和氣動(dòng)特性的影響和比較各種加載方式和位置的靶標(biāo)速度損耗，我們發(fā)現(xiàn)龍伯透鏡反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭下方時(shí)阻力最小，速度損耗最小，另外根據(jù)電磁散射特性分析可知，兩個(gè)右上45°發(fā)射板的龍伯透鏡反射器加載于靶標(biāo)機(jī)翼兩側(cè)后RCS 變化較為單一，左上45°反射板的龍伯反射器加載后的擬合效果較好，其中，又以加載在靶標(biāo)機(jī)頭下方的擬合效果最好，所以選用單個(gè)的左上45°的反射板的龍伯透鏡反射器，加載于機(jī)頭下方的位置，達(dá)到靶標(biāo)氣動(dòng)和電磁散射特性的優(yōu)化融合設(shè)計(jì)。

5 RCS 測試驗(yàn)證

實(shí)際中的靶標(biāo)較大，直接測試較為困難，依據(jù)縮比原理等效理論，將靶標(biāo)按2.58 倍縮小，頻率相應(yīng)升高2.58 倍，即測試頻率為2.58×5.6=14.45 GHz，采用龍伯透鏡反射器的尺寸相應(yīng)按比例縮小，因?yàn)榈缺壤s小，龍伯透鏡滿足的歸一化半徑和介電常數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系并未改變，所以龍伯透鏡的聚焦功能不變，加工制作出靶標(biāo)和龍伯反射器，并在暗室進(jìn)行RCS 測試。RCS 測試平臺如圖18 所示，測試的實(shí)物圖如下頁圖19 所示。

圖18 RCS 測試平臺示意圖

圖19 靶標(biāo)加載龍伯反射器測試圖

先對制作的龍伯透鏡反射器的RCS 進(jìn)行測試，焦距3 cm 拋物面反射板的龍伯反射器測試結(jié)果和FEKO 仿真結(jié)果對比如圖20 所示，θ 為150°～210°范圍內(nèi)RCS 有較大增強(qiáng)且幅度達(dá)20 dB 左右和仿真曲線較為吻合，證明該工藝制作的龍伯透鏡反射器是可行的。

圖20 測試和仿真的龍伯反射器RCS

然后將焦距1.27 cm 的拋物面反射板的龍伯透鏡反射器加載于靶標(biāo)頭部下方進(jìn)行RCS 測試，測試結(jié)果如圖21 所示。

圖21 靶標(biāo)加載龍伯反射器前后RCS 測試結(jié)果

靶標(biāo)加載龍伯透鏡反射器前后的測試數(shù)據(jù)表明，在θ 為200°～230°的范圍內(nèi)RCS 有較大幅度增強(qiáng)，與仿真結(jié)果保持一致性，驗(yàn)證了利用龍伯透鏡反射器可以達(dá)到對靶標(biāo)RCS 改型的目的。

6 結(jié)論

通過對某型號靶標(biāo)加載龍伯反射器后的聯(lián)合電磁仿真和流體仿真研究，并且制作加工實(shí)物進(jìn)行RCS 測試驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

1）采用龍伯透鏡反射器加載的方法可以達(dá)到對某型號靶標(biāo)RCS 改型的目的，RCS 測試結(jié)果很好地驗(yàn)證了這一點(diǎn)。不同加載位置、方式的改型效果不盡相同，具體加載方式、位置選取應(yīng)該根據(jù)所需要的改型后的RCS 變化來確定，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

2）加載兩只龍伯透鏡反射器的某型號靶標(biāo)RCS 增強(qiáng)效果比單球加載后更強(qiáng)，具有疊加效果，但同時(shí)增強(qiáng)的RCS 失去了起伏變化的曲線規(guī)律。

3）龍伯透鏡反射器不同加載的位置、方式對某型號靶標(biāo)氣動(dòng)特性的影響較大，加載于機(jī)頭下方時(shí)對氣動(dòng)特性的影響最小，可以達(dá)到某型號靶標(biāo)電磁散射和氣動(dòng)特性的融合設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的工程指導(dǎo)價(jià)值。