电磁散射作业

1、电磁散射与隐身技术导论课程大作业报告学 院： 电子工程学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 学 号： 姓 名： 电子邮件： 日 期： 成 绩： 指导教师： 姜文 现代飞机隐身的秘密 1991年1月17日凌晨，伊拉克首都巴格达的人们还处在香甜的睡梦中，几架外形奇特、颜色漆黑的飞机从基地起飞以后，悄无声息地进入伊拉克的领空，并突然出现在巴格达的上空，向着位于市中心的通讯大楼投下了精确制导的激光制导炸弹，四十五分钟以后，巴格达的空袭警报才响起。成功完成这次空袭任务的神秘飞机便是美国空军鼎鼎大名的隐形飞机F-117.F-117早在1989年12月美国入侵巴拿马战争中就已经使用过，直到这次海湾战争才充

2、分体现了隐形飞机的军事价值：战争期间，设防严密的巴格达市内95% 的目标都是由F-117在夜间进行轰炸的，并且在执行任务的过程中没有损失一架F-117 .这所有的一切都归功于F-117所采用的隐身（或隐形）技术。 隐身技术的专业定义是：在飞机研制过程中设法降低其可探测性，使之不易被敌方发现、跟踪和攻击的专门技术，当前的研究重点是雷达隐身技术和红外隐身技术。简言之，隐身就是使敌方的各种探测系统（ 如雷达等）发现不了我方的飞机，无法实施拦截和攻击。早在第二次世界大战中，美国便开始使用隐身技术来减少飞机被敌方雷达发现的可能。 雷达散射截面(RCS)的概念 雷达隐身技术就是飞机雷达散射截面的减缩技术，

3、因而准确分析、计算和测量飞机的雷达散射截面就是整个飞机隐身设计的基础。雷达散射截面也成为飞机隐身设计中最为重要的概念，其英文为Radar cross section，缩写就是我们常见的RCS。雷达散射截面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。从直观的角度来讲，任何目标的RCS都可以用一个各向均匀辐射的等效反射器的投影面积来定义，这个等效反射器与被定义目标在接收方向单位立体角内具有相同的回波功率。 角形结构和凹腔结构RCS散射最强 在讨论如何减缩RCS之前，首先要分析飞机目标RCS的构成和强度。目标产生电磁场散射的机理，按照其强度顺序排列主要包括:角形结构反射、凹腔结构反射、表面

4、镜面反射、边缘和尖端绕射、表面行波反向散射、爬行波绕射，二次或多次散射以及表面不连续或表面曲率不连续的散射等。其中，由两个或三个平面相互正交所构成的角形反射器是最强的散射源，角反射器经常用于增强靶船和靶机的雷达反射强度。飞机的机身和机翼之间，垂尾和水平安定面之间都可以构成这种角形反射结构。凹腔结构是飞行器头部方向的强散射源，它是入射波在腔内经过多次反射后再返回雷达的结果。 雷达、座舱及进气道是飞机前向RCS的主要组成部分。它们构成了所谓的“三大谐振腔”。 座舱与雷达舱RCS构成机理 飞机的迎头RCS有很大部分由所谓的“三大谐振腔”构成，包括机头雷达舱、座舱和进气道。由雷达罩、雷达天线和高频部件

5、构成的雷达舱系统，会由于雷达罩本身的透波作用（便于本机雷达波发射）而进入敌方雷达的来射波，再经过雷达舱内复杂的反射、叠加和谐振作用形成很强的雷达回波。座舱与雷达舱产生强散射的机理类似，也是由于来射雷达波透过座舱盖，然后在座舱内反复进行反射、叠加和谐振。 进气道RCS构成机理 进气道的RCS由唇口、进气道壁和发动机叶片的RCS共同形成。进气道唇口的雷达反射特征类似于飞机的一般翼面。进气道壁构成的空腔结构会导致进入进气道口的来射雷达波在腔内壁多次反射和谐振。进气道末端的发动机压气机叶片对于来射雷达波除了具有直接反射机理之外，高速旋转的压气机叶片还会导致雷达回波产生明显的多普勒频移，从而可以让雷达更

6、容易对回波特征进行识别。 边缘和尖端绕射、表面行波反向散射和行波绕射的散射机理更加复杂，但是与上述角反射器、腔体和平面相比属于相对较弱的反射源。当来射雷达波入射到目标的边缘棱线或者尖端的时候，散射波主要来自于目标边缘或者尖端对于来射电磁波的绕射。其机理主要是来射雷达波作用于目标边缘或者尖端后，在目标内产生了电磁场的波动从而又重新将入射的能量再次发射出来。 当飞机的反射和谐振作用被抑制之后，边缘和尖端绕射就会成为飞机主要的散射源。表面行波反向散射指入射雷达波一些入射线正好与目标曲面相切，在相切部分的目标表面会产生行波，行波沿着目标表面传播，一边传播一边向外辐射电磁波。行波绕射主要指的是电磁波沿目

7、标上较为细长的物体头端方向入射时，会在细长物体上产生行波，在物体表面的不连续处、不同电介质交界处以及细长体的头端会产生电磁波的再辐射。隐身飞机设计主要依靠外形 目前，飞机减缩RCS的主要途径基本有两种：第一，通过改变目标外形来降低雷达散射强度，称之为外形隐身技术；第二，采用雷达吸波涂料来消耗雷达波散射功率从而降低飞机RCS，称之为材料隐身技术。在两个途径中，外形隐身技术占飞机隐身设计90%左右的权重，材料隐身技术占10%左右的设计权重，也就是说隐身飞机设计主要靠的是外形。而外形隐身设计的主要难点在于如何同时满足飞机的气动和隐身要求。歼20整机设计成功的解决了飞机气动和隐身双约束条件的要求，达到

8、了与世界最先进隐身飞机相当的水平， 采用AESA与棱形前机身 飞机雷达舱的RCS减缩主要依靠雷达舱内的雷达天线布置来实现回波的定向反射和散射，以降低回波强度。歼20未来将采用中国自行研制的有源相控阵火控雷达(AESA)。由于相控阵雷达采用固定天线，并且可以倾斜放置，这就可以把雷达舱内入射的雷达波反射到敌方雷达接收机无关方向。而且相控阵雷达天线上存在上千个收/发阵元，这些阵元组成的“粗糙”表面经过隐身设计可以加剧入射雷达波的漫反射，从而更加削弱了来射雷达波的回波。歼20的前机身隐身设计主要工作是消除敌方雷达接收机方向的平面/曲面反射。歼20的前机身横截面类似棱形，机身两侧的折线能够将前向和侧向来

9、射的雷达波向上/向下反射到的无关方向，导致位于飞机迎头方向的敌方雷达接收机接收到的反射回波信号功率大大降低。 涂有雷达波反射涂层的座舱与DSI进气道 歼20的座舱盖采用了整体式座舱盖，飞行员环视视野相当优良。在歼20的前机身清晰照片上可以明显看到其座舱盖呈现出略微暗黄色的色调，基本可以确定那就是座舱盖雷达波反射涂层的颜色。与飞机雷达舱必须具备透波能力不同，飞机座舱可以直接在座舱盖上布置反射涂层以将来射雷达波直接反射，从而直接避免了来射雷达波在座舱内的强散射效应。 歼20采用的是无附面层隔道超音速进气道，即DSI鼓包进气道。新世纪以来中国继美国在F-35战斗机使用鼓包进气道之后，陆续在枭龙、歼1

10、0B和歼20上使用该类型进气道。歼20采用的鼓包进气道是进气道技术发展的最新成果。它取消了现在大多数超音速战斗机进气道设计中必不可少的附面层隔道、泄放系统和旁路系统，根据锥型流理论，采用乘波原理将超音速气流降低为亚音速，使得飞机在性能、机动性、隐身、结构和重量等方面获得了较好的平衡。即便是F/A-22进气道也存在不利于隐身的设计，最关键的是还保留附面层隔道，有可能形成一定程度的空腔谐振和集中反射效应。而歼20鼓包进气道则在利用鼓包生成锥形激波面的同时，也成功的对进气道内部进行了遮挡。鼓包在进气道唇口缩小了进气道迎风截面积，减少了入射雷达波功率。入射雷达波在进气道内反复反射并且被进气道内壁的吸波

11、涂料反复吸收，从而减缩了进气道内腔RCS并且遮挡了发动机叶片的直接反射。反射波瓣设计与平行原则 飞机外形隐身的一个设计策略就是将飞机上的边缘都进行平行设计，从而将来射雷达波集中反射到雷达接收机的无关方向。飞机将雷达波反射到几个方向和特定方向的设计被称为飞机的反射波瓣设计。 歼20的鸭翼前缘、主翼前缘和垂尾前缘平面投影都彼此平行，鸭翼后缘与对侧主翼后缘平行，这样整机可以通过数组平行缘边将来射雷达波集中反射到雷达接收机的无关方向。歼20外倾的全动垂尾除了满足了气动要求之外也导致侧向入射雷达波也被向下反射。 特别值得一提的是，歼20鸭翼后缘需要设计为后掠形式，而主翼后缘为了照顾升力中心采用了前掠设计

12、，这样鸭翼的后缘就无法与自己同侧的主翼后缘平行。歼20首创性地将鸭翼的后缘与对侧主翼后缘设计成平行的。细心的读者可能注意到歼20鸭翼之前还有一小段并不明显的边条。这一小段边条一方面成功的遮挡了后面鸭翼与机身的接缝和转轴保证了飞机的隐身性能，一方面对于前面机身折线产生的涡流有补充能量的作用。F/A-22战斗机采用了八波瓣设计，也就是将入射雷达波集中反射到八个主要方向，歼20在反射波瓣控制上基本与之相当。 机身和细节处理 飞机是一个很复杂的雷达散射体，由很多部件组成，每个部件都会产生散射波，有的部件甚至可能同时产生散射机理不同的散射源，形成多个散射区。歼20采用减少飞机散射源数量的策略降低RCS。

13、歼20的机身采用翼身融合升力体设计，将机身与机翼之间的生硬折角改为光滑的融合设计，有效的降低了雷达散射强度并且提供了更好的整机升力系数。 歼20采用弹舱内挂武器设计，不存在任何挂载散射问题；尽量减少了机身表面的开口、缝隙、凸起、凹陷和台阶，并且保持了机身的光滑和连续；歼20机身上的舱门和缝隙皆采用了锯齿设计，这样可以加剧行波向雷达接收机方向散射，降低回波方向的散射强度。 雷达隐身技术，躲过“千里眼” 雷达可以准确测定千里之外的目标，有“千里眼”之称。雷达探测的原理是设备把电磁波辐射出去，然后根据接收物体反射（散射）回来的电磁波来发现目标。飞机要实现雷达波隐身，其核心问题就是使目标的雷达回波无法

14、被侦察雷达探测到。也就是说，要么吸收掉入射的雷达波，要么改变目标的反射特性。对这个核心问题，军事上有个专门术语, 即降低目标的雷达散射截面(英文的缩写为RCS)。目标的RCS是衡量雷达目标反射电磁波大小的一种物理量。一般来说，目标RCS越小，表明雷达接受能量越小，因而就越难对目标作出正确的判断。目前，提高飞机雷达隐身特性，降低其RCS的手段主要可归纳为4种, 即外形技术、材料技术、阻抗加载技术和等离子体技术，这几种技术往往也被综合运用。所谓外形技术，就是合理地设计飞机外形，以达到降低目标的RCS，或使目标回波偏离侦察雷达视向的目的。研究表明，要获得低的RCS，飞机应具有光滑平坦的外形，机头截面

15、要小；机身应尽量减少有垂直于入射波的平面和圆筒式锥形表面；应避免尖锐边缘、陡角(如机身和机翼转折点)和看得见的腔体(如发动机进气道)；发动机应埋入结构内部，进气口和尾口必须经特殊设计；采用大后掠角机翼、V形双垂尾以及翼身融合的外形布局；尽量减少外挂设备等等。在应用外形隐身技术方面，美国的F-117A以及B-2隐身机堪称典范。 所谓材料技术，就是采用吸波材料，使飞机不反射或少反射雷达波，降低其RCS，“迷盲”对方雷达，从而提高飞机的生存能力和突防能力的。这里所说的吸波材料是靠雷达波在材料中感生的传导电流，产生磁损耗或电损耗，以达到衰减雷达波而减少目标RCS的。这些材料包括铅铁金属粉、不锈钢纤维、

16、石墨粉、铝箔、炭黑、陶瓷电解质和铁氧体等，它们可以以添加剂的形式引入飞机的表面涂层中，也可以直接加入到橡胶、树脂等高分子粘合剂中，制成具有隐身性能的复合材料板材或飞机结构。据报道，美国F-117A飞机的表皮涂层中就使用了至少6种以上的吸波材料；而B-2轰炸机的机身和机翼都则直接采用了吸波材料结构。 所谓阻抗加载技术，就是根据电磁波干涉原理，产生一附加波来抵消入射波以实现隐身的一种技术。一种常见的方法是在机身上适当地“开口子”或“拉槽”，人为地产生一些“谐振腔”，这些谐振腔会在入射波的激励下自动产生一抵消入射波的附加波；另一种做法是通过飞机内部的专门装置来来产生附加波，该附加波的空间分布与飞机周

17、围散射（反射）电磁波的分布相同，幅值相等，但相位相反，因而附加波和散射电磁波相互抵消。 等离子体是由电子、正负离子、中性气体分子和原子等粒子混合而成的物质物体，是继固体、液体、气体三种形态之后的第四态物质。等离子可以通过专门的等离子体发生器来产生，也可以通过物体表面涂敷放射性同位素来产生。不管何种产生方式，只要飞机表面形成一层具有足够电离密度和厚度的等离子体，雷达辐射的电磁辐射就会一部分被等离子体吸收，另一部分在等离子体层中发生绕射，或改变传输方向，而不产生有效反射。这就是所谓的等离子体隐身技术。近年来，等离子体隐身技术在俄、美等国已取得了突破性进展。 为了对付性能越来越高的雷达侦察系统，除了

18、上述的几种技术以外，近年来，一种被称作“电子隐身”的反雷达探测技术也应运而生。该技术通过减少飞机上的无线电设备、减小电缆的电磁辐射、对机载电子设备进行屏蔽等办法，来抑制飞机本身的电磁辐射，降低被侦雷达察到的概率。采用这种技术的有美国的第四代战机F-22等。 红外隐身技术，降低飞机热辐射 发动机尾喷管、尾气和飞机表面气动加热是现代作战飞机的三大热辐射源。这些热辐射源产生的热（红外）辐射常常会使得飞机很容易被红外探测系统发现，或者被红外寻的制导导弹“盯梢”，从而给飞机招来灭顶之灾。红外隐身技术的实质就是想方设法降低飞机的热辐射，减小飞机与背景之间的温差，使红外探测系统看不见或看不清。 现代飞机喷气

19、发动机尾喷管排气的温度约在1000摄氏度左右，是飞机上最强的热辐射源。降低尾喷管热辐射的根本措施是降低发动机的排气温度。为此，飞机可以采用一种所谓的矩形二元尾喷管，加大尾喷管和冷空气的接触面，以利于尾喷管散热以及燃气射流与冷空气的混合，降低红外幅射。这种技术已在美军的F-117 A、F-22战斗机和B-2隐身轰炸机上采用。 除使用矩形二元尾喷管外，有效控制发动机加力也可降低飞机尾喷口的热辐射。飞行员在使用飞机发动机加力时，高温燃气中普遍缺氧，加力燃料室中喷出的油料不能充分燃烧，常常随燃气射流排到大气中去，剩余燃料遇到充足的氧气后会继续燃烧，形成高温尾焰，其红外特征异常明显，因此，可以考虑使用不

20、带加力燃烧室的涡扇发动机，如，美国的F-117A、B-2隐身轰炸机。此外，用机身、机翼或尾翼遮挡尾喷管，使尾喷管的红外辐射更具方向性，使红外探测器不能从地面探测到飞机，也不失为一种红外隐身的有效方法。 飞机以超音速飞行时，其表面因受到空气强烈摩擦而发热，使温度急剧升高。这种现象叫做空气动力加热。有资料表明，当速度达到三倍音速时，飞机表面温度可达到300摄氏度。在作战飞机表面涂敷红外隐身涂料，则可以有效地降低机体的红外辐射强度，进而提高飞机的红外隐身特性。如，美军的A-10等战斗机、攻击机的表面都涂有这种红外隐身涂料。 声波隐身技术，让耳朵难以觉察 低空飞行曾一度被认为是飞机实施突防的重要手段，

21、然而，飞机在飞行过程中，发动机通常会发出130-160分贝的轰隆声，不见其人，先闻其声，这往往会使得飞机过早地被发现。因此，声波隐身技术对于低空突防的飞机来讲是一个十分重要问题。事实上，飞机的噪声源除了发动机外，还包括机体附面层气流起伏引起的结构振动等。要降低这些噪音，飞机声波隐身技术目前采用的主要措施有两项，即(1)采用低噪声发动机，以降低噪声强度，如，F-117在跑道上滑跑时，600m以外的人几乎听不到它的声响；(2)采用像B-2飞机那样的锯齿形后缘，降低飞机在高速时引起的轰鸣声。 可见光隐身技术，让肉眼不易发现 在二战初期，德军战斗机的标志十分醒目，色彩鲜艳，可是他们很快意识到这并非明智

22、之举，因为，他们发现，盟军的飞机大多采用深绿、褐、灰或蔚蓝色，这些颜色常常和蓝天、大地等背景混为一片，找起来着实费劲，于是，德军战机很快改为四五种颜色的密集网伪装图案，这就是早期的飞机可见光隐身技术。可见，迷彩油漆是飞机上使用最早的可见光隐身材料。 事实上，很多情况下，人们在寻找空中飞机时，首先见到的往往不是机身，而是拖在飞机后面长长的尾迹-“拉烟”。拉烟是喷气燃料燃烧后的残渣与水蒸气的混合物。解决拉烟问题的有效办法是采用新型燃油喷嘴，使燃油充分燃烧，或在燃料中添加氯氟黄酸等抗凝剂，消除或减弱飞机的冷凝尾迹，这些技术已被美国B-2隐形飞机使用。 此外，改善飞机外形的光反射特征也可提高可见光隐身性能。如，将座舱罩设计成多面体，用小平面多向散射取代反射效果与镜面反射相差无几的大曲面反射，将太阳光向四周散射出去。这种技术多用于直升机的，例，美国陆军的AH-1S“眼镜蛇”直升机，该机的座舱为由7个小平