朱青阳-又一个WordPress站点

当前位置:首页 - 全部文章 - 正文

朱青阳

从“毫无希望的菱形”到“曲面风筝”(上) 隐身外形的下一步:-国际航空

随着越来越多的国家部署了具有前向隐身能力的战斗机(降低迎头作战时的可探测性),各国对于隐身技术的探索正在持续向更深的方向发展。在低可探测(LO)设计中,有两个因素正变得越来越重要:一个是如何减小飞机的侧向和后向雷达截面积(RCS);另一个是“宽频带隐身”,即雷达频率降低后,飞机的目标特征能随之降低到何种程度豪门蹂暧。
当前的空防系统正向着一体化趋势发展,并且配备了更精确、低频的反隐身雷达,这就要求隐身战斗机在突破这种系统时具备全向宽频带隐身能力。要预测隐身的下一步将如何发展,就有必要了解这项技术迄今为止的发展历程。
20世纪70年代末传出美国正在发展雷达规避技术时,大多数分析学家都认为该技术的重点是使机体圆弧化以消除雷达的直线反射。但在1988年,首次亮相的F-117为完全的多面体外形大宋时代周刊,之后的B-2截面全部是曲面,这让分析学家们惊呆了。
两种飞机体现了两种截然相反的外形设计原理,但此后隐身设计的发展在不同程度上汲取了这两种技术。其原因在于RCS建模越来越先进、隐身飞机任务的不同以及不断发展的隐身材料抵消了一部分外形设计上的难题棋灵王粤语 。

破解“代码”
雷达反射原理由詹姆斯·麦克斯韦(James Maxwell)在19世纪60年代初建立的4个方程式确立,这些方程式把电磁场和材料的电磁特性及电流特性联系了起来。雷达反射可划分为5类,分别是:镜面反射、边缘衍射、行波、爬行波与边缘波。
“镜面反射”,指入射波在平面上沿与入射角相等且相反方向上发生的反射。
“边缘衍射”是指当电磁波为平行极化方式时,射线到达边缘后激励一个衍射射线锥,衍射锥的半角等于入射线与边缘间的夹角,尖顶衍射为360°。
入射波的垂直分量在表面产生电流,又发射出三种“表面波”。
“行波”是由电流沿表面行进时发射的波,并会在边缘产生镜面反射。
“爬行波”是经过目标被遮蔽一侧后返回被照射一侧的行波。
“边缘波”是由表面电流冲击表面边缘时发射的波华夏龙魂,它们会增大并加宽镜面回波的主瓣并在镜面反射周围产生扇形回波(即旁瓣)。
用麦克斯韦方程组求解各个观察方向上的复杂三维目标的难度非常大。解决这一问题的数学方法已经开发出了,最常用的方法是矩量法(Method of Moments),但采用这种方法计算复杂特性的电大目标(大小由波长尺寸确定)需要生成完整的RCS图,而这一步所需的计算量也非常庞大,甚至连如今先进的计算机也难以完成异世玄门。九界独尊全文阅读
一直以来,隐身技术发展的最大驱动力之一是如何以更精确的方法估算相对于高频的RCS,相对于高频是指目标的特征至少为5~10个波长长度。对于计算这类电大目标,不同特征之间的电磁相互作用是有限的,可以先把雷达总散射效应分解为分散的散射中心,之后再求和,最后近似计算出雷达的总散射效应。
最简单的估算法称为几何光学法八月茉莉,它通过跟踪波前光线来确定镜面反射。物理光学法则是尝试通过多次估算,拟合入射波在表面形成电流而产生的磁场。两种方法各有优点,但都无法精确预测反射,尤其对衍射较严重的小角度光线而言。几何衍射理论(Geometric Theory of Diffraction)在这方面取得了进步,但在重要的角度上仍然遇到了问题。

使洛克希德F-117成为可能的重大突破来源于苏联物理学家彼得·乌菲姆采夫(Pyotr Ufimtsev)于1962年发表的一篇关于边缘衍射估算新方法的论文,即后来闻名于世的物理衍射理论(Physical Theory of Diffraction)。但该论文当时在苏联并没有得到关注,而美国空军对外技术部在1971年将这篇论文译成了英文。
1975年,洛克希德“臭鼬”工厂的电气工程师丹尼斯·奥瓦霍塞(Denys Overholser)把乌菲姆采夫的方法应用到“回声1号”(Echo 1)计算机程序中,它把目标分解成数千个三角结构面,通过对每个三角结构面的RCS进行估算后再求和唐生明 ,得到了整个目标的雷达特征。不过由于当时计算机计算容量有限,只能计算二维外形的反射。
研制B-2时,新一代超级计算机已可计算曲面RCS了。20世纪80年代中期,麦道公司开始开发更复杂的RCS分析代码。那时已经出现了基于结构面的分析代码,运行速度很快,但运算精度不及曲截面代码。由结构面模型造成的误差称为“结构面噪声”(facet noise),它会导致RCS预测值过高,如在低角度的LO设计中,其RCS预测值高达20dB。若希望精确度接近曲面模型的水平,目标必须按照每波长两个结构面来建模,那么一架X波段战斗机需建立大约一百万个结构面,这将极大地增加了结构面建模时间。

1987年,麦道公司在新代码内融入了精确曲面分析技术,曲面由飞机设计师通过建模来定义,但并不是基于结构面,而是基于大量的标准化条带建模,每个条带都有自身的几何及角度考虑,从而使LO飞机设计中关键的双曲面外形预测得到了高仿真度。该程序在每个方向每个波长选取了8个样本进行典型建模路易德菲奈斯。对于传感器突起这类“鼓包”,选取16个样本来精确估算效果。
这些新代码还考虑了缝隙、边缘衍射、多反射结构、透波、平面-边缘相互作用、雷达吸波材料(RAM)和边缘处理等因素。在计算上所花费的时间比基于结构面的技术研发至少多出两个量级,牛牧童但结果更加精确,特别适于计算具有复杂曲面、低目标特征的外形,最终也缩短了整体的设计时间。
曲面对RCS的影响有几个通用的规则。球体的RCS随球体半径平方增大;单曲平面的RCS随半径增大,也随长度平方增大;简单双曲面体的RCS与两个曲面的半径成比例。但在有些情况下,比如当半径连续变化时、当在曲面上加入平面时、当半径的电特征很小或当涉及到有缝隙或RAM时,只能由复杂的建模代码来确定,而这些代码通常有版权限制。20世纪90年代B-2和F-22的设计经验表明,即使是最复杂的建模结果,也必须在RCS测试场进行全尺寸验证。

六面防护
从后向观察一架常规战斗机的雷达特征与从前向看到的数量级相似,而从侧向观察的RCS则要大一个数量级。在侧向45°看到的雷达特征通常是最小的,大概比前向和后向低5~10dB。
后向RCS的特点与前向类似,主要的原因来自发动机尾喷口。从飞机后方进入尾喷管的雷达波会以接近入射的方向反射,同时射到喷口调节片边缘的雷达波也会沿相同的方向发出衍射回波。机翼或尾翼的无掠后缘也延同一方向发出衍射波。由喷口调节片产生的强表面波有可能提高大部分后向区的RCS。
从侧面看,常规机体有较大的几何截面,通常具备成为良好的雷达反射器的外形。竖直平面在侧面产生镜面闪烁(specular flash),垂尾和平尾构成的直角在方位平面上方产生强镜面雷达回波,而由翼身或挂架构成的直角在飞机下方也产生相同的回波瘦身产品。像尾喷管和发动机短舱这类柱状外形也在垂直于其表面的所有角度上持续产生强烈的镜面回波。

但除了目标特征,LO设计还必须考虑探测源。当目标周围有很多背景杂波时,处于这样观察角上的雷达必须把目标从背景杂波中分辨出来谢水平,这时雷达的性能会降低。雷达大部分的能量通过与天线孔径对齐的主瓣进行发射与接收,但有少量能量进入旁瓣,这些能量几乎指向所有方向。杂波可以通过旁瓣进入接收机,且处理机无法获知回波并非来自主瓣,这类回波能掩蔽目标回波。
现代雷达采用多普勒处理技术来减少这种现象的发生齐鲁弈友。利用脉冲多普勒雷达可记录回波的到达时间,并比较回波与发射波的相位,两者的差分可揭示目标的径向速度。利用计算机可创建所有回波的二维距离/速度矩阵邳州人才网,将临近目标置于没有静止地面杂波的网格内。这样,通过机载雷达可显示出临近目标的最佳探测距离。
但如果目标处于被跟踪状态,其径向速度将与部分地面杂波相匹配,从而很难被探测到。例如,苏霍伊公司研制的苏-35“Irbis-E”型机载雷达在大功率、窄波束搜索模式下能前向探测到400km处的一个3m2(32ft2)大小的目标,而对同样目标的后向探测距离仅有150km。如果在一般搜索模式下,两种探测距离都要减半。最难发现的空中目标是那些相对于雷达垂直运用的目标,因为它们的多普勒剖面与飞机的正下方地面相匹配。

另外松村沙友理,所有导弹的探测范围在追踪目标时都会缩小。例如,俄式R-27ER1半主动雷达制导空空导弹(相当于AIM-7“麻雀”的后期型),对临近目标的探测距离为93km,而尾追时的探测距离仅有26km。
相同的原则也适用于地基雷达,但地基雷达的天线是固定的,对于离远目标和临近飞机的适用情况大致相同。不过韩棠,地基雷达面临的特别挑战是探测垂直运动的目标,因目标的多普勒剖面和周围的静态杂波相匹配。战斗机飞行员由此开发出针对地面雷达采取的战术手段,称为“槽切”,即操纵飞机转向使之垂直于雷达波的方向飞行,将飞机置于“多普勒槽口”(Doppler notch)内,此处雷达的探测能力将大幅衰减。
同时,现代雷达使用相控阵天线,其利用固定模块之间的相位差,以电子方式引导发射波束并扫描。对这类天线来说,当波的扫描离开其物理孔径时,波瓣可随余弦角变宽,60°角时波瓣可增宽50%,这是大多数相控阵的极限。因此,若造成发射到目标的能量变少,探测距离可能会减少30%。
(未完待续)

欢迎大家在文末留言,分享您的看法。
快扫下方二维码关注我们!

本文来源:朱青阳

本文地址:10213.html

关注我们:微信搜索“123456”添加我为好友

版权声明:如无特别注明,转载请注明本文地址!