等离子体隐身结构机翼的RCS分析.doc

等离子体隐身结构机翼的RCS分析等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态宏观体系，它具有数密度近似相等的自由电子和正离子，是继固体、液体、气体之后的第四种物质形态，广泛存在于自然界中。理论和试验表明，等离子体对雷达波具有显著的吸收和散射效果；在飞行器表面设法包覆一层等离子体，并合理控制层内的电荷密度，可显著减小飞行器的雷达散射截面（RCS），有效实现飞行器的隐身。随着研究的不断深入，目前已获得两种典型的能有效的产生等离子体包覆层的方法：一是应用等离子体发生器；二是在飞行器的特定部位涂适量的放射性同位素。前一种方法的优点是吸收频带宽，吸收率高，隐身性能好；使用简便，使用寿命长；价格极其便宜；无需改变飞机等设备的外形设计，不影响飞行性能；不需吸波材料和涂层，维护费用大大降低。缺点是等离子发生器安装部位的隐身化很成问题，且发生器的电源功率大小受限制。后一种技术的难点是放射性同位素辐射剂量难以控制。为了探讨等离子体在飞机雷达隐身技术中的应用，本文提出了一种机翼封闭前缘内填充离子体的飞机隐身结构方案，进而采用高频电磁软件CST MWS（CST Microwave Studio），对该机翼的RCS进行了模拟，并与金属机翼的模拟结果进行了对比分析。为了验证模拟方法的有效性，还对覆盖等离子体圆柱的RCS进行了计算和讨论。1 等离子体隐身原理等离子体是不同于空气的媒质，对电磁波的传播有很大的影响。在一定条件下，等离子体对电磁波有两个作用：一是吸收作用，即入射电磁波在等离子体层中传播时，电离层中的自由电子在电磁波的作用下发生振动，并在振动过程中和气体分子、原子和正离子相碰撞而发热,因而吸收了电磁波的能量，使电磁波的振度衰减；二是折射作用，即通过非均匀等离子体对入射电磁波的折射，使电磁波传播轨迹发生弯曲，雷达回波偏离敌方雷达的接受方向，从而使目标雷达回波信号减小。根据等离子体对电磁波的这两个作用，可以实现目标的隐身。换句话说，只要合理利用等离子体发生器或放射性同位素在兵器表面形成一层等离子体，设计满足特定要求等离子体的特征参数（厚度、电离度、振荡频率、碰撞频率），就能使照射到等离子体层上的雷达波一部分被吸收，一部分改变传播方向，进而使得返回雷达接收机的能量锐减，回波变弱，达到隐身目的。2 等离子体隐身机翼结构设计方案与计算方法2.1 等离子体隐身机翼结构设计方案目前的闭式等离子体隐身技术通常是将飞行器重点部位的单层蒙皮改作双层结构6，最外层采用玻璃钢等高强度透波材料，然后将等离子体灌充于双层蒙皮之间，将装备重点部位屏蔽，从而减小目标的雷达散射截面。对于飞机机翼来说，前缘结构属于重点的雷达散射区域。显然，若将机翼前缘设计成玻璃钢封闭结构，并在该封闭空间内填充等离子体，极有可能改善机翼的雷达散射特性。基于这种设想，本文提出了一种机翼封闭前缘内填充离子体的飞机隐身结构设计方案。如图1所示，在该隐身结构机翼设计中，机翼前缘设计为一个封闭的玻璃钢系统，弧形的玻璃钢机翼前缘被安装于机翼前梁的正前方，以保证机翼的气动特性和强度。玻璃钢前缘的厚度取2 mm。机翼后段上下方为铝合金蒙皮。机翼前缘采用闭式等离子体系统，内部等离子体由等离子体发生装置产生。如图1所示，等离子体发生装置可包括反射器、火花槽阵列、机翼前梁法兰盘和高压电缆等。火花槽阵列安装在机翼前梁法兰盘上，位于金属反射盘后方，它的作用是产生紫外线，并使封闭系统内的混合气体电离而形成等离子体。高压电缆后端连接电源，前端与火花槽阵列的电极连接。机翼封闭前缘内的等离子体电磁参数通过高压电缆的电压等进行调节。本文的机翼模型采用NACA0012平直机翼，翼展为500 mm，弦长为200 mm。图1 等离子体隐身结构机翼设计2.2 隐身机翼结构RCS的计算方法本文机翼结构R C S 的模拟采用德国C S T（Computer Simulation Technology）公司推出的大型商用高频三维电磁场仿真软件CST MWS。机翼几何模型由CAD软件Catia建立，并导入CST MWS。算法采用有限积分法；模型的空间区域尺寸为2 000 mm800 mm200 mm；为增加计算效率，模拟的空间区域边界使用Mur二阶吸收边界条件。计算中，平面入射波频率取5 GHz，玻璃钢蒙皮的介电常数取2.0。传播方向为x，极化方向为z, 见图1所示。机翼后段上下蒙皮设置为理想导电材料（PEC）。等离子体（填充区域）的等效介电常数取： (1)式中：为电子的碰撞频率；为入射电磁波的角频率。本文取典型的等离子体参数值50 GHz和1.261010 rad/s；为等离子体的角频率。 （2）其中，为等离子体中电子或离子密度；=1.60210-19C，为电子的电荷量；=9.10910-31 kg ，为电子的质量；8.85410-12 F/m，为真空的介电常数。3 等离子体隐身机翼的RCS分析3.1 等离子体隐身机翼RCS分析的有效性考虑到机翼结构有时可以简化为椭圆柱体结构，所以先分析等离子体覆盖圆柱这一简单物体的散射特性，并与相关文献的结果进行对比，以验证本文计算方法的有效性。如图2所示，圆柱模型半径取40 mm，长度取200 mm，圆柱外层包裹一层厚度为20 mm的等离子体。碰撞频率v取50 GHz，等离子体角频率取1.261010 rad/s。图2 平面波照射下的等离子体覆盖圆柱圆柱体参数设置为PEC，入射波为平面波，传播方向为x，极化方向为z，见图2。平面波频率为5 GHz。CST MWS分析后，图3给出了平面波照射下等离子体覆盖圆柱与金属圆柱的双站雷达散射特性。为了便于对比。图中的方位角和见图2。从图3的双站雷达散射曲线可以看出，覆盖了等离子体的圆柱的雷达散射截面在各个方位都有一定的减小。3.2 等离子体隐身机翼RCS分析采用CST NWS进行计算，图4给出了平面波照射下等离子体隐身结构机翼与全金属机翼双站的雷达散射特性。图中，方位角和见图1。图3 平面波照射下等离子体覆盖圆柱与金属圆柱的双站雷达散射特性从图4（a）可以看出，=0时，等离子隐身机翼结构较全金属机翼的RCS在全向范围内都有大幅度缩减，只在机翼前缘正前方很小的角度范围内（77 103）略有增加；等离子隐身机翼结构的最小RCS值可达到-25 dBsm。从图4（b）可以看出，当=90时，和全金属机翼相比，等离子体隐身结构机翼在 =90附近（52 127），机翼的RCS略高一些，即等离子体隐身结构机翼的正下方有较大的RCS值，其它方位上的RCS均较小，这对飞机的低空突防是有利的；尽管如此，等离子体隐身结构机翼的正下方的RCS仍处于一个较低的水平，约-26 dBsm左右。图4 等离子体隐身