第十章飞机外形隐身设计

第十章 飞机外形隐身设计由于军事上的需要和现代科学技术的不断发展，针对飞行器的探测技术日益完善。

不仅在地面上有强大的雷达网，在空中有预警机，而且在太空还有战略预警系统，对飞机在战争中的生存力构成了严重的威肋。

因此，飞机隐身性能已成为军用飞机生存力的一个重要指标。

隐身技术的目的就是降低飞行器在战争环境中被发现的概率从而提高生存力。

而飞机隐身设计就是要求在飞机设计的各个阶段运用隐身技术来有效地控制和减小飞行器的目标特征，使所设计出的飞机能满足机隐身性能要求。

现在，隐身设计已成为军用飞机设计的一个重要方面。

飞机隐身技术所研究的内容，总是对应于某种探测手段而言的。

因此，可以按所针对的探测方法，分为抗可见光探测、抗声波探测、抗雷达探测、抗红外和抗激光探测等方面的隐身技术。

因当前的防空体系是以微波雷达探测和红外探测为主，本章主要介绍与飞机总体设计有关的抗雷达探测的隐身技术和抗红外探测的隐身技术。

§10.1 雷达散射截面由于雷达隐身技术可简单地归结为雷达散射截面的减缩技术，因此雷达散射截面是隐身设计中最为重要的概念。

而关于飞机雷达散射截面的分析、计算和测试的方法则是减缩雷达散射截面的基础。

雷达散射截面的英文是Radar Cross Section，通常简称RCS，它是度量目标在雷达波照射下所产生的回波强度的一种物理量。

从直观的物理意义上讲，任一目标的RCS 可用一个各向均匀辐射的等效反射器的投影面积（横截面积）来定义，这个等效反射器与被定义的目标在接收方向单位立体角内具有相同的回波功率。

为了更加形象地说明RCS的意义，我们举一个简单例子。

用一个半径为a的导体圆球代替一个任意目标，如果在同一雷达波照射下，圆球收接雷达波功率后再均匀辐射的电场或磁场强度和任意目标的回波（后向散射波）的电场或磁场强度相等的话，那么这个圆球的最大横截面积πa 2就称为该任意目标的RCS。

习惯上用σ来表示雷达散射面RCS的量值，RCS具有面积量纲。

雷达散射截面的一般定义为：目标在单位立体角内向接收机处散射功率密度与入射波在目标上的功率密度之比的4π倍。

其数学表达式为： i s R E E R 24lim πσ∞→= 或 i s R H H R 24lim πσ∞→= (10.1) 式中R为天线与目标的距离，E s ，H s 分别为接收机处的电场和磁场的强度；E i ，H i分别为目标处入射波的电场和磁场的强度。

以上给出的RCS 定义，是单站RCS，即发射天线和接收天线是一副天线（或收发天线虽分离，但相距很近时的情况），只考虑了后向散射的情况。

当考虑其它方向上的散射场时，则· 146 ·称为“双站”情况，所对应的RCS称为双站RCS。

图10.1示出了单站RCS与双站RCS的区别。

图10.1 单站和双站散射一、影响RCS的因素RCS的量值主要取决于下列因素：（一）目标的物理特性目标的物理特性主要指目标材料的电性能。

因此，通过在飞机表面涂敷特殊的材料，或飞机结构采用适当的电性能的材料，能有效地减缩飞机的RCS。

（二）目标的几何外形目标的几何外形与其RCS关系很大，因此，可利用改变飞机外形来控制飞机的RCS。

（三）目标被雷达波照射的方位一般来说，目标的RCS随方位角剧烈变化。

同一目标，由于照射方位不同，其RCS可以相差几个数量级。

（四）入射波的波长波长对目标RCS的影响很大。

当波长比目标的特征尺寸大得多时，整个目标长度上的入射场无论是振幅还是相位都没有什么变化，此时通常称目标处在低频区。

当入射波波长与目标的特征尺寸是同一数量级时，入射场的相位在整个目标长度上的变化很显著，目标的每一部份都会影响另外部份的场强，目标上每点的电磁场都是入射场和该目标上其余点引起的散射场的叠加，此时通常称目标处在谐振区。

当波长与目标的特征尺寸相比很小时，称目标处在高频区。

对于这种情况，目标上某一点对该目标其它点的散射场贡献与入射场相比是很小的，因此可以将这个目标的散射场看作由各独立的、局部的散射场组成的。

由于绝大多数飞机都处于高频区，因此对于高频区目标的散射机理和RCS的研究，具有重要的实用意义。

因此，对于已定的雷达系统和照射方位而言，RCS的值主要决定于飞机的几何外形和材料的物理特性。

二、RCS的单位和典型量值由RCS的定义可知，它的单位是一个面积，可以用量纲来检验RCS的计算公式，看它是不是长度的平方，以此来判断公式是否正确。

通常，RCS的用平方米来表示，但由于目标RCS 随方位变化剧烈，故也常用平方米的分贝数（dBsm）来表示，平方米和平方米的分贝数的换算关系如下：· 147 ·])(1([log 10)(2210m m dBsm σσ= （10.2）在分析雷达散射截面减缩的效果时，如果说目标的RCS 减缩XdB，就意味着目标的回波散射功率减少的百分数为：(10.3) %100)101(10/×−−X 因此，10dB 的减少对应于减少了90%；20dB 的减少对应于减少了99%，30dB 的减少对应于减少了99.9%，依次类推。

换句话说，减少10dB 就意味着原回波散射功率只剩下1/10，20db 意味着剩下1/100的功率，30dB 意味着剩下1/1000的功率。

为了对各目标RCS 的数量级有一个初步的认识，表10.1列出了几种目标RCS 的典型量值。

必须要说明的是，由于目标的RCS 与雷达波的照射方向和波长有很大关系，对于一个具体目标来说，由于雷达波照射方位和波长不同，RCS 的量值差别很大，表10.1所表示的目标RCS 值是相对于某一波长和在某个方位区域内的平均值。

表10.1 几种目标RCS 的典型值 目标 RCS(m 2) RCS(dBsm) 昆虫 0.001 -30 鸟类 0.01 -20 人 1.0 0F-117A 0.1 -10 B-2 0.01 -20 常规战斗机 10 10 B-1B 1.0 0 B-52 100 20大型运输机 1000 30 三、雷达距离方程为了进一步理解目标RCS 的重要性，这里讨论雷达接收功率与目标RCS 的关系。

雷达探测目标，是通过接收目标散射回来的回波来实现的。

这个回波的功率直接与目标RCS 的大小有关。

雷达接收到的功率Pr 可表示为：4322)4(RG P P t r πσλ= (10.4) 式中R为雷达与目标的距离，σ是雷达散射截面，G为天线的增益，Pt是发射功率为，λ是雷达波长。

由于噪声的存在，雷达要探测目标，其接收到的功率不能小于某一值P min ，否则雷达将不能检测到目标的信号。

将P min 代入上式，得到雷达系统能探测到目标的最大距离R max 41min 322max )4([P G P R t πσλ= (10.5) 这就是雷达距离方程最简单的形式。

它表明雷达的最大探测距离与目标RCS 的4次方根成正比，为了使雷达的最大探测距离降低一半，需要将目标的RCS 减缩到原来的1/16。

雷达距离方程提供了分析飞机的RCS 与飞机生存力和战斗效能之间关系的依据，具有重要的实际意义。

· 148 ·人们通过大量的理论分析和实验测量，发现在高频区，目标的总散射场可以分解为某些局部位置上的散射场的合成。

通常把这些产生电磁散射场的局部点、线、面称之为散射源（或散射中心）。

散射源概念的引入，使得原来复杂的电磁散射问题的大大地简化了。

下面介绍几种基本的散射源。

一、镜面反射当电磁波照射到光滑的目标表面时，会发生如图10.2所示的散射现象，这种散射称为镜面反射。

图中是入射波的波矢量，它的方向代表入射波传播方向，i k G r k G 是反射波的波矢量，代表反射波的传播方向，n G 是目标表面上反射点处的单位法矢量。

镜面反射发生在光滑的目标表面上，反射波的大部份能量集在r k G 方向上，其它方向上的散射场强很小。

镜面反射是一种强散射源。

图10.2 镜面反射现象二、边缘绕射 当电磁波入射到目标的边缘棱线时，例如平板或楔的边缘上时，镜面反射已不存在，散射波主要来自于目标边缘对入射电磁波的绕射，如图10.3所示。

(a) (b) (c)图10.3 边缘绕射现象图中代表绕射波的传播方向。

电磁波的绕射与反射不同，一束入射波可以在边缘上产生无数条绕射线。

图10.3（a）是入射波传播方向与边缘不垂直时的绕射现象；图10.3（b）是入射波方向垂直于边缘时的绕射现象。

很多目标都有边缘或楔形，例如当雷达波照射到飞机的翼面前、后缘时，会发生边缘绕射现象，如图10.3（c）所示。

边缘绕射是一种最常见的绕射现象，也是非常重要的散射源。

它是一种较强的散射源，当飞机在雷达威胁区内消除了镜面反射后，边缘绕射便成了飞机的主要散射源。

d k G · 149 ·三、尖顶绕射当入射波入射到尖顶上，如锥体的锥顶上和飞机机头顶端时，也会产生绕射现象，如图10.4所示。

这种绕射现象称为尖顶绕射现象，它的散射场强一般比较小，是一种弱散射源。

图10.5 爬行波绕射现象四、爬行波绕射电磁波照射到物体上时，有一些入射线正好与物体表面相切，把物体划分为照明区和阴影区。

切于表面的入射线将沿阴影区表面“爬行”，边传播边向外辐射电磁波，如图10.5所示，这种绕射现象称为爬行波绕射。

当电磁波侧向照射飞机的机身时，会产生爬行波绕射现象。

五、行波绕射当电磁波沿细长物体头端方向附近入射时，在细长物体的表面不连续处、不同介质交界处（如金属棒与塑料棒的连接处）以及细长体的端头处将产生绕射现象，如图10.6所示，这种绕射现象称为行波绕射。

图10.6 行波绕射现象六、非细长体由于电磁边界突变引起的绕射当电磁波近于切向入射到物体的表面时，波将沿着物体表面传播。

若物体表面上出现缺口和棱边、或表面钭率不连续、或表面材料性能突变等情况时，在这些地方将引起电磁波的绕射，如图10.7所示。

这种绕射现象有些类似于行波绕射，但这时物体不是细长体，不会出现终端端头绕射。

· 150 ·对于飞机来说，它的总散射场应该包括各种绕射场和反射场。

一般情况下，由于镜面反射和边缘绕射两种散射源的场强远远超过其它散射源的散射场强，因此它们对飞机的总散射场起主要作用。

§10.3 飞机之类目标的电磁散射机理飞机是一种很复杂的目标，可以看作由多个部件组成，在雷达波照射下，每一个部件都会产生散射波，而且有的部件可能同时产生不同机理的散射。

下面以典型的飞机为例，分析飞机的电磁散射机理。

参见图10.8，飞机上主要的散射源分别为：1．飞机头部整流罩如果整流罩对电磁波是不“透明”的，飞机头部将产生圆锥尖顶散射，是一种弱散射；如果整流罩对电磁波是透明的，例如天线罩，则电磁波将“看见”罩的内部，罩内的各种设备将构成许多角反射器，是一个强散射源；如果罩内有抛物面天线，则抛物面和天线系统构成强散射源。