雷达散射截面

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雷达散射截面

2024-05-31 21:47| 来源: 网络整理| 查看: 265

B-2幽灵是首批成功的雷达“隐形”的飞机之一。

结合隐形技术的维斯比(Visby-class)级护卫舰。

法国海军的现代护卫舰福宾号(Forbin)的细节,切面外观减少了RCS。

降低RCS在飞机、导弹、船只和其他军用车辆的隐身技术中非常重要。通过更小的RCS,车辆可以更好地躲避无论是来自陆基设施、制导武器还是其他车辆的雷达探测。缩减的结构设计还可以通过提高雷达对抗措施的有效性来提高平台的整体生存能力。

有几种方法。对于给定的雷达配置,可以检测到目标的距离随着其RCS的四次方根而变化。[7] 因此,为了将探测距离减少到十分之一,RCS至少应降低10000倍。虽然这种程度的改进具有挑战性,但在平台概念/设计阶段使用专家和高级计算机代码模拟来实现下述控制选项是可能的。

5.1 目的塑造

目标反射表面形状的设计目的是将能量反射至远离发射源的方向。目标通常是围绕目标的运动方向创建一个“静锥区”。由于能量反射,这种方法被无源(多站)雷达所克服。

目标成形可以在F-117A夜鹰隐形战斗机的表面设计中看到。这架飞机设计于20世纪70年代末,虽然只是在1988年才公之于众,但它使用了大量的平面来反射入射雷达能量,使其远离发射源。Yue建议[8] 在设计阶段利用有限的可用计算能力将表面数弯曲量保持在最低水平。B-2幽灵隐形轰炸机得益于计算能力的提高,使其外形轮廓和RCS进一 步减小。F-22猛禽和F-35闪电II延续了目标成形的趋势,并拥有更小的单站RCS。

5.2 非成形的重定向散射能量

与其他技术相比,这项技术相对较新,主要由于超表面(Metasurface)出现[9] [10]。如前所述,几何变换的主要目的是将散射波从后向散射方向(或源)重新定向。然而,这可能会影响空气动力学性能 [9] [11]。一个可行的解决方案是利用超表面,它可以重定向散射波,而不改变目标的几何形状。这种超表面主要可分为两类:(一)棋盘型超表面,(二)梯度排布型超表面。

5.3 主动消除

通过主动消除,目标产生强度相等但相位相反的雷达信号,与入射预先雷达信号的反射相反(类似于噪声消除耳机)。这在反射和产生的信号之间产生了相消干涉,导致RCS减小。为了结合主动抵消技术,必须明确知道照明雷达信号的波形和到达角度,因为它们决定了抵消雷达反射信号所需的雷达信号能量的性质。除了简单或低频雷达系统之外,由于复杂的处理要求以及在飞机、导弹或其他目标的大范围内准确预测反射雷达信号的困难性,主动抵消技术的实施极其困难。

5.4 雷达吸收材料

雷达吸收材料(RAM)可用于原始结构,或作为高反射表面的补充。至少有三种类型的RAM:谐振式、非谐振磁性式和非谐振大体积式。

谐振式:能产生谐振但有些“损耗”的材料被应用到目标的反射表面。材料的厚度相当于预期照明雷达波的四分之一波长(a Salisbury screen)。入射雷达能量从吸波材料的外表面和内表面反射,以产生相消波干扰模式。这导致反射能量的消除。偏离预期频率将导致雷达吸收损失,因此这种吸波材料仅适用于频率单一、普通且不变的雷达。 非谐振磁性式:使用悬浮在环氧树脂或油漆中的铁氧体颗粒来降低表面对入射雷达波的反射率。因为其在更大的表面区域耗散入射雷达能量,所以它通常导致表面温度的微小增加,从而在不增加红外特征的情况下降低RCS。非谐振磁性式的一个主要优点是它可以在很宽的频率范围内吸收电磁波,而谐振式仅可以再很窄的频带内使用。 大体积吸波材料:通常是在玻璃纤维六边形单元飞机结构或其他非导电部件上添加电阻性碳负载。也可以添加贴片型电阻材料。由泡沫或气凝胶隔开的薄电阻片可适用于航天器。

仅由电介质和导体制成的薄涂层具有非常有限的吸收带宽,因此在重量和成本允许的情况下,可以在谐振式或非谐振磁性式吸波材料中使用磁性材料来拓展带宽。

5.5 基于等离子体的雷达截面降低

等离子体隐身是一种利用电离气体(等离子体)降低飞机RCS的方法。电磁辐射和电离气体之间的相互作用已经在许多方面进行了广泛地研究,包括将飞机的隐形技术。从简单的静电或射频放电到更复杂的激光放电,各种方法都有可能在车辆周围形成一层或一团等离子体来偏转或吸收雷达。从理论上讲,这种方法是可能的,但在实践中可能很难做到这一点。虽然RCS缩减效应在实验中得到一定证明,但是火箭和战斗机的预喷射在提高了其机动性和速度的同时也增加了RCS。

5.6 优化方法

薄的非共振或宽的共振涂层可以用莱昂托维奇阻抗边界条件( Leontovich impedance boundary condition)来模拟。这是涂层表面上切向电场与切向磁场的比值,忽略了涂层内沿表面传播的磁场。这在使用边界元法计算时特别方便。表面阻抗可以单独计算和测试。对于各向同性表面,理想表面阻抗等于自由空间的377欧姆。对于非各向同性(各向异性)涂层,最佳涂层取决于目标的形状和雷达方向,即电场和磁场之间麦克斯韦方程的对称性(二元性),最佳涂层具有η0 × η1 = 3772 ω2的特性,其中0 和η1 是各向异性表面阻抗的垂直分量,与边缘和/雷达方向齐平。对于电场平行于边缘的线性极化,一个完美的电导体从前缘有更多的反向散射,而对于电场垂直于边缘的机翼后向有更多的反向散射,因此也是最大的雷达威胁方向,高表面阻抗应该平行于前缘并垂直于后缘,在两者之间有某种平滑过渡。

为了计算这种隐身体的RCS,通常采用一维反射计算来计算表面阻抗,然后使用二维数值计算来计算边缘的衍射系数,再采用小的三维计算来计算拐角和点的衍射系数。然后,可以使用衍射系数、衍射物理理论或其他高频方法,并结合物理光学法计算RCS,包括来自被照亮的光滑表面的RCS贡献,以及计算环绕任何光滑阴影部分的爬行波的Fock计算。

优化的顺序正好相反。首先进行高频计算以优化形状并找到最重要的特征,然后进行小计算以找到问题区域的最佳表面阻抗,然后进行反射计算以设计涂层。对于数值优化来说,即使对于具有强大计算能力的计算机,大型数值计算也运行得比较慢,同时可能会分散工作人员对物理学的注意力。



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