雷达吸波复合材料和雷达吸波结构(RAS)的研制与发展

本文综合叙述了雷达吸波复合材料和雷达吸波结构的研制、应用和发展,讨论了低可探测性复合材料对缩减雷达散射截面(RCS)的作用,介绍了隐身飞机用的各种雷达吸波复合材料和雷达吸波结构。     

隐身结构机翼RCS分析与优化设计

以前缘内部填充吸波材料的隐身结构飞机机翼为研究对象,采用矩量法对其向前的雷达散射截面(RCS)进行数值分析;根据代理模型优化策略,对上述机翼隐身结构中的吸波材料厚度与劈角的选取进行RCS特性分析与优化。研究表明,和全金属机翼相比,隐身结构机翼具有更好的隐身特性;经过优化设计,可在典型方位上显著降低翼面结构RCS,提高了原隐身结构的吸波性能。     

从二次世界大战到海湾战争的隐身技术

为了改进作战生存能力,近代美国军用飞机应用隐身技术以缩小飞机的雷达散射截面积(RCS)。本文从结构设计和雷达吸波材料研制两方面对隐身技术进行评述。     

吸波材料在飞行器隐身设计中的应用研究

基于多目标优化理论,提出雷达吸波材料在物体表面涂敷位置的优化设计方法。利用电磁波的干涉原理和材料的吸波性能,通过设计吸波材料在飞行器表面的涂敷位置,研究局部涂敷吸波材料所能获得的隐身效果。以某飞行器模型为例开展吸波材料隐身技术研究,实现了雷达散射截面减缩与材料增重之间的优化与折衷。     

低浓度磁性纤维对吸波结构隐身材料电性能影响研究

吸波结构隐身材料电性能提升与其内部的吸波成分关系密切,研究发现,磁性纤维具有形状各向异性及良好电磁性能,与吸波结构隐身材料结合可形成具有一定吸波能力及力学性能的吸波结构隐身材料。雷达吸波材料性能主要依赖于其中的雷达波吸收剂损耗特性。首先利用成熟的CST仿真软件针对磁性纤维与雷达波相互作用开展了仿真研究,验证了磁性纤维散射具有显著效应。通过等效电路模拟及电磁理论分析,完成了低浓度磁性纤维吸波结构隐身材料的电磁参数数学模型的建立及验证。同时完成了纤维参数对材料电性能的影响研究,获得了其磁性纤维参数的影响规律:纤维线度(直径、长径比)首先影响极化因子,从而影响等效介电常数;当极化因子小到一定程度后,其等效介电常数变化趋于平坦;纤维线度、电导率、浓度最终影响吸波结构隐身材料的吸波性能。     

复合型雷达吸波材料结构优化设计的数值计算

基于多层复合型雷达吸波材料的设计要求构造了多目标优化的模型,将基本遗传算法(SGA)改进为自适应-混合遗传算法(MAHGA),通过数值计算为多层雷达吸波材料的结构优化提供了依据,依据计算结果制备了多层复合雷达吸波材料并进行了反射率和电磁参数测试实验,实验结果与计算结果吻合较好,复合材料具有良好的吸波性能,在8~18GHz低于-10dB的带宽可达7.8GHz,最大衰减量为-34.6dB,总厚度为3.5mm。     

偏心比对S形流道雷达散射特性的影响

在进/出口形状、进/出口面积、中心线变化规律、面积变化规律等设计参数不变的条件下,采用超椭圆方法设计了11种不同偏心比的S形流道。同时,借助迭代物理光学法与等效边缘电磁流绕射方法,对不同偏心比的S形流道进行了雷达散射特性的数值仿真分析。结果表明:若将不同偏心比S形流道的雷达散射截面变化曲线看作是波的传播轨迹,相对于偏心比为0的流道,偏心比改变了波的相位、振幅;偏心比越大,其相位越滞后、振幅越小。     

吸波材料脱落对球面收敛喷管电磁散射特性的影响

在雷达吸波材料（RAM）涂覆位置影响球面收敛喷管（SCFN）雷达散射特性的结论上,研究了雷达吸波材料的脱落对SCFN雷达散射截面积（RCS）缩减效果的影响规律,采用加入阻抗边界条件的迭代物理光学（IPO）方法,计算了SCFN在5种不同脱落概率下的电磁散射特性。研究结果表明：吸波材料涂层的脱落会增加SCFN的RCS幅值;在俯仰探测面当脱落概率达到0.7时,依然能够保持68.19%的RCS缩减能力;在偏航探测面,当脱落概率达到0.5时,需要及时对吸波材料涂层进行修复。     

直管斜切式方转圆进气道的电磁散射特性及抑制技术的实验研究

从进气道的雷达散射截面着手,通过实验研究了直管斜切式方转圆进气道在各种状态下的电磁散射特性,分析了终端、攻角对其电磁散射特性的影响,并进一步提出了该型进气道的雷达截面减缩措施,研究了吸波材料贴敷长度、贴敷位置以及消波器等对雷达截面减缩效果的影响。为有效改善该型进气道的电磁散射特性提供了技术依据。     

前缘吸波结构承载性能优化分析研究

前缘吸波结构具有承载和吸波的双重功能,足隐身结构设计的重要研究方向之一.针对典型前缘吸波结构,利用零阶和一阶参数优化算法对其承载性能进行优化计算,获得透波蒙皮与吸波填充物的优化布置方案;提出提高前缘吸波结构承载效率的优化分析方法和技术途径,为隐身结构设计提供了重要参考.     

直升机旋翼涂敷吸波材料减缩RCS试验研究

翼面类部件的RCS减缩始终是飞行器隐身研究的重要课题,在微波暗室对某直升机旋翼金属模型和涂敷吸波材料模型进行测试研究。在金属旋翼模型表面涂敷1 mm厚吸波材料,可以在8~18 GHz、HH极化下,将其RCS的峰值减缩5~8 dB,360°周向算术均值减缩约5 dB,充分利用了所用吸波材料平板试件法向减缩量8~11 dB...     

机翼前缘后掠角对飞机RCS影响的数值模拟

为了在飞机总体设计时改善其隐身性能,对机翼前缘后掠角参数化可调的飞机三维数字样机的RCS特性进行了研究。使用CATIA软件,建立机翼前缘后掠角参数化可调的飞机三维数字样机;基于物理光学法和等效电磁流法,采用RCSAnsys软件,使用X波段雷达对飞机进行探测,雷达入射波的俯仰角在-15＆#176;、0＆#176;和15＆#176;条件下,数值模拟机翼前缘后掠角在-30＆#176;~＋60＆#176;之间变化时飞机的RCS特性,并对数值模拟结果进行数理统计分析。在机翼前缘后掠角变化的条件下,飞机RCS特性数值模拟结果表明：飞机头向RCS峰值之一的方位角与机翼前缘后掠角的角度相等;飞机头向RCS算术平均值特性为直机翼大、前掠翼和后掠翼小、大后掠翼更小;飞机侧向和尾向的RCS算术平均值变化相对不大。     

浅谈民用大飞机结构技术的发展

 在分析了世界上先进的大型民机发展和研究计划后,分析和总结了大型民用飞机结构技术发展的总体趋势。介绍了用于先进大型飞机中选材、结构设计、先进的制造技术、机构强度分析、防雷击技术的现状和趋势。结论是复合材料将代替金属结构,而金属结构的设计、制造也将随之发展,以解决采用复合材料带来的新挑战;先进的数字化结构设计和仿真正代替传统的图纸设计。相应的分析和仿真工具如CFD等将应用到数字化设计中,在新型飞机设计中,将大大减少试验并改善质量;一些新概念的结构将广泛应用到飞机结构中,如智能材料结构在机翼上的应用,以改善空气动力、飞机的气动弹性控制和结构的健康监控。     

等离子体隐身结构机翼的RCS分析

等离子体隐身是利用等离子体回避雷达探测系统的一种技术.本文介绍了飞机等离子体隐身的原理,提出了一种在飞机机翼封闭前缘内产生离子体的隐身结构设计方案,进而采用CST NWS高频电磁分析软件,对等离子体隐身结构机翼与金属机翼的RCS进行了分析、对比.研究表明,在前缘设置等离子体隐身结构可以改善机翼的总体雷达散射特性.     

民机典型前缘结构抗鸟撞分析研究

为保障飞行安全,CCAR25 部对民机结构抗鸟撞性能提出了严格的指令性要求,须对机翼前缘、平尾前缘和垂尾前缘等典型前缘结构进行鸟撞分析。鸟撞分析涉及到结构的动力学分析、鸟体的本构关系模拟、材料的高速非线性效应以及结构大变形等多方面因素的影响,相关的计算复杂,会耗费结构设计人员大量的精力和时间。通过采用经验公式和仿真分析方法对前缘结构抗鸟撞性能进行快速的分析,可达到对结构的抗鸟撞能力进行快速预估并从而指导设计的目的。     

玻璃纤维-铝锂合金层板机翼前缘结构的成型工艺研究

以机翼前缘典型件为成型目标,研究了玻璃纤维-铝锂合金超混杂复合层板(NFMLs)大曲率构件的自成形工艺。研究发现,自成形工艺可实现NFMLs机翼前缘等大曲率构件的成型,贴膜度高、厚度均匀性好、无显著分层缺陷、成型过程未形成较大的残余应力,为超混杂复合材料在飞机机翼蒙皮结构中的应用研究提供参考。     

基于数值仿真的飞机雷电流传导通路评估方法

飞行器的雷电防护设计和验证是保障飞行员及飞机安全的必要措施,尤其是随着雷电防护能力较差的复合材料广泛应用。复合材料对雷电流的传导能力远弱于金属,需要为雷电流传导提供额外的通路。本文从国内相关研究极少提及的飞机内部结构电磁建模出发,提出一套飞机内部结构的电磁建模及精度控制方法;构建 F22 飞机左机翼到右机翼的内部金属结构作为雷电流传导通路,基于通用电磁仿真软件进行飞机雷电间接效应仿真;对复合材料蒙皮、金属网蒙皮、金属网蒙皮加内部金属结构三种情况下飞机内部的电磁场及线缆耦合仿真结果进行对比。结果表明:合理的雷电流传导通路设计能够使飞机内部线缆感应的电流强度减半,起到良好的雷电防护效果;该评估方法适用于固定翼飞机的雷电流传导通路设计,能够作为飞机机载设备雷电间接效应试验指标分配的参考依据,便于定位飞机雷电间接效应防护的薄弱环节。     

Influence of aircraft surface distribution on electromagnetic scattering characteristics

In this paper, two typical stealth aircraft concepts (wing fuselage blended and flying-wing) were designed. Then three gradually changed surface distribution models with the same plan-form for each concept were created. Based on the multilevel fast multipole algorithm (MLFMA), the vertical polarization transmitting/vertical polarization receiving (VV) and horizontal polariza-tion transmitting/horizontal polarization receiving (HH) radar cross section (RCS) characteristics were simulated with five frequencies between 0.1 and 1.0 GHz. The influences and mechanisms of aircraft surface distribution on electromagnetic scattering characteristics were investigated. The results show that for the wing fuselage blended concept, the VV RCS of this frequency range is higher than the HH RCS in most cases, while it is just the opposite for the flying-wing concept. As for the two aircraft concepts, the RCS levels of HH and VV both decrease with the frequency increasing, but the HH RCS has a faster downward trend. The surface distribution has little influ-ence on HH RCS characteristics. On the contrary, it has a significant impact on VV RCS charac-teristics, and the amplitude of the VV RCS increases with the surface thickness.     

基于强度约束的复合材料机翼翼盒设计优化

提出了一个大型飞机复合材料机翼受强度约束条件下的优化问题,基于机翼结构的初步设计进行了设计优化。通过OptiStruct商业软件来完成优化过程,OptiStruct是一个效率高、精确独立的有限元求解器,目前也被广泛应用于航空航天工业中。根据设计目标,优化过程中将机翼上下蒙皮复合材料的层压厚度作为设计变量,优化后的结构重量减少了25.07%。在实际生产限制条件下,为了使设计结果趋于保守,对优化后的层板厚度进行了调整,适当增加了厚度,导致结构重量略有增加,但是最终的重量减少仍然超过20%,证明该方法在实现复合材料机翼结构的轻量化设计中具有实用性,可在机翼设计阶段的静强度评估中进行应用。     

High-precision RCS measurement of aircraft’s weak scattering source

The radar cross section(RCS) of weak scattering source on the surface of an aircraft is usually less than 40 d Bsm.How to accurately measure the RCS characteristics of weak scattering source is a technical challenge for the aircraft's RCS measurement.This paper proposes separating and extracting the two-dimensional(2D) reflectivity distribution of the weak scattering source with the microwave imaging algorithm and spectral transform so as to enhance its measurement precision.Firstly,we performed the 2D microwave imaging of the target and then used the 2D gating function to separate and extract the reflectivity distribution of the weak scattering source.Secondly,we carried out the spectral transform of the reflectivity distribution and eventually obtained the RCS of the weak scattering source through calibration.The prototype experimental results and their analysis show that the measurement method is effective.The experiments on an aircraft's low-scattering conformal antenna verify that the measurement method can eliminate the clutter on the surface of aircraft.The precision of measuring a 40 d Bsm target is 3–5 d B better than the existing RCS measurement methods.The measurement method can more accurately obtain the weak scattering source's RCS characteristics.