李艺海 何太 袁广田

摘  要：针对舵面偏转后飞翼布局的雷达截面积（RCS）特性的变化，应用高精度的快速多极子算法（MLFMM）对不同组合舵偏对典型飞翼布局无人机的RCS的影响进行量化研究，研究表明舵面偏转会对低RCS的隐身无人机RCS的峰值、峰值宽度和均值造成一定的影响;在隐蔽突防过程中，应避免使用类似开裂式组合方向舵的控制方式;也应尽量避免偏转后的不同舵面在同一个照射方向形成夹角，以避免飞机RCS的波峰、波峰宽度及RCS均值显著增加。

关键词：飞翼布局;RCS;控制舵面;隐蔽突防

中图分类号：V218         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）25-0005-04

Abstract： For the change of Radar Cross Section （RCS） of flying wing when its control surface is rotated， a highly accurate Multi Level Fast Multipole Method （MLFMM） was used to study the influence of different combinations of surface deflection on RCS of a typical flying wing aircraft. The results show that surface deflection has a certain effect on the RCS peak of low RCS stealth aircraft， as well as the peak width and average. In the process of stealthy penetration， the use of split-drag-rudder should be avoided， and different surfaces forming an angle in the same radar exposure direction should be avoided， so as not to lead to a significant increase in RCS peak， peak width and RCS mean of the plane.

Keyword： flying wing; RCS; control surface; stealthy penetration

引言

在现代作战飞行器上采用隐身技术成为不可逆转的趋势，并已成为作战飞机的基本要求。隐身性是第五代作战飞机的主要特点之一，它与超声速巡航、超机动飞行和超级信息优势并称为第五代作战飞机的四大特点。先进的无人作战飞机也继承了隐身性的特点，在未来的作战飞机领域逐渐占有更大地比重[1]。

用于隐闭突防的无人攻击机，隐身性能已被提升到空前的高度。在前期设计中，已将隐身指标作为最主要的指标之一。

但是，在前期设计过程中，主要从静态RCS特性考虑。而静态RCS特性仅适合于飞机总体和隐身设计，仅只考虑整体外形的RCS特性。在实际作战使用中，隐蔽空防是一个动态过程，其间飞机的姿态和活动舵面不断地在发生改变，且不处于设计最佳状态，尤其是活动舵面的偏转，往往会对飞机的RCS产生较大影响，使飞机RCS特性与静态预估不一致[2]。特别是在大机动时，飞机活动舵面偏转过大，会完全破坏飞机的隐身特性，使敌方雷达捕捉到我方飞机。

例如，B2飞机的开裂式阻力舵，正常飞行时，上下两片阻力舵会有一个5°的开裂角，这会增加飞机的RCS。因此，在隐蔽突防过程中，B2飞机会切换到隐蔽突防模式，收起开裂式阻力舵，以保证自身良好的RCS特性，减小被敌方雷达探测的概率。

本文应用高精度的MLFMM算法，以某型飞翼布局无人机为研究对象，对其舵面偏转的RCS进行研究，给出可用于隐蔽突防的控制舵面偏转规律。

1 研究对象说明

本文以一典型隐身无人机为研究对象。计算其舵面偏转对无人机RCS的影响。其活动舵面如图1所示。各舵面组合控制实现该飞机的纵横航三向控制。一对升降副翼同偏，用于飞机的纵向控制。因其控制相对其他形式比较简单，不是本文研究重点。本文主要研究重点是较复杂的横航向控制舵面组合及其重构组合的RCS特性。舵面组合控制方案如下：

（1）偏航方案1——开裂式组合方向舵：由嵌入式阻力舵和其后方的升降副翼组成，两者同时偏转，偏转规律为嵌入式阻力舵上偏45°/升降副翼下偏30°，用于控制航向。

（2）顺气流开裂式组合舵面：与方案1）相同，仅对SSD舵面的偏转方向进行微调，使其与气流方向一致。

（3）滚转方案1（差动襟翼）：左侧升降副翼和右侧升降副翼差动实现，偏转规律为左侧升降副翼下偏30°/右侧升降副翼上偏30°。

（4）滚转方案2（舵面重构）：由一侧升降副翼与另一侧嵌入式阻力舵组成，偏转规律为一侧升降副翼下偏30°/另一侧嵌入式舵面上偏30°。

（5）偏航方案2（舵面重构）：由嵌入阻力舵与同侧外襟翼组成，偏转规律为阻力舵偏度35°/同侧外襟翼偏度30°。

（6）偏航方案3（舵面重构）：由一側升降副翼与同侧外襟翼组成，偏转规律为一侧升降副翼上偏30°/同侧外襟翼下偏20°。

2 计算方法说明及验证

本文采用高计算精度的快速多极子法[3]（MLFMM），该方法以基于矩量法[4]的快速算法，是通过对近、远场分别处理来加速迭代过程中的矩阵和向量相乘，实现快速计算目的，其优点是保留了矩量法的高计算精度，其缺点是需要较大的计算机内存。

算法验证采用国际公认的OGIVE标模进行验证。标模外形与雷达波照射的方向如图2所示。计算结果与标准测试结果的比较见图3，可见，无论是尖角还是曲率变化较小的中间部位，计算结果与标准值符合良好，计算结果很好地给出了散射波的波峰、波谷及其宽度。由验证结果可见，MLFMM算法可以满足后续无人机的隐身性能计算。

飞行器前向、侧向和后向RCS的定义区域如图4所示，与行业公认的定义相同。

3 计算结果分析

3.1 结果对比分析

如图5，雷达波水平极化，干净构形与不同控制方案的RCS相比，干净构形的RCS最低;用于航向控制的开裂式阻力舵对飞机RCS影响最大，使全机RCS增加了1.09m2左右，使前向RCS增加0.29m2，右侧RCS增加0.19m2，左侧RCS增加0.26m2，后向RCS增加3.2m2左右;雷达波垂直极化，开裂式阻力舵使全机RCS增加了1.14m2左右，使前向RCS增加0.02m2，右侧RCS增加0.10m2，左侧RCS增加0.09m2，后向RCS增加4.88m2左右。

对RCS影响较大的是偏航方案2。该控制方案对飞机RCS的影响大于其他控制方案，小于控制方案1。雷达波水平极化，该活动舵面组合偏转，使全机RCS增加了0.45m2左右，使前向RCS增加0.06m2，右侧RCS增加0.18m2，左侧RCS增加0.28m2，后向RCS增加1.09m2左右。雷达波垂直极化，给合控制舵面偏转，使全机RCS增加了0.53m2左右，使前向RCS增加0.02m2，右侧RCS增加-0.01m2，左侧RCS增加0.05m2，后向RCS增加1.99m2左右。

分析可见，在所有控制方案中，开裂式阻力舵（控制方案1、2）对飞机的隐身特性影响最大，在隐蔽突防过程中，建议不使用;与开裂式阻力舵控制原理类似的活动舵面，对飞机的隐身特性影响也较大，在隐蔽突防过程中，也建议不使用。

由计算结果对比可知，在低RCS无人机隐蔽突防过程中，应尽量避免使用控制方案1、2、5;应使用控制方案3、4、6。

3.2 机理分析

左机翼开裂式阻力舵打开时，在上下两个舵面在同一个照射方向形成75°夹角，由图6与图7比较可见，当雷达入射波从右后方垂直照射飞机时，形成的该夹角是一个强散射源，使飞机右后方的RCS波峰明显增加，波峰宽度也明显增加，同时也出现了多个较弱的波峰，导致飞机的RCS的均值增加明显，顯著增加了飞机被敌方雷达发现的概率。控制方案5也有类似的现象。

以上分析可见，隐蔽突防的飞机，控制舵面组合偏转时，应尽量避免偏转后的舵面在同一个照射方向形成夹角，使飞机RCS的波峰、波峰宽度及RCS均值显著增加。

4 结论

基于MLFMM对一典型BWB布局无人机的组合舵面偏转方案进行RCS对比，对比计算结果表明，无人机控制舵面不同的组合偏转形式，会对无人机RCS产生不同的影响（如图8、9）。

（1）用于航向控制的开裂式组合方向舵对于无人机RCS的影响最为显著，严重影响了无人机的隐蔽突防能力，在执行隐蔽突防过程中，不建议使用。

（2）控制舵面组合偏转时，应尽量避免偏转后的舵面在同一个照射方向形成夹角，以避免飞机RCS的波峰、波峰宽度及RCS均值显著增加。

（3）基于隐身性能考量，该无人机在隐蔽突防过程中，建议使用控制方案3、4、6，进行横航向控制，非隐蔽突防的飞行中可以使用控制方案1、2、5。

参考文献：

[1]岳奎志.作战机RCS的静态与动态特性分析[M].北京：北京航空航天大学出版社，2016：1.

[2]梁爽，滕杰，等.舵面偏转对机翼RCS影响仿真与分析[J].航空科学技术，2017，28（06）：9-14.

[3]Greengard L，Rokhlin V.A fast algorithm for particle simulation[J].Journal of Computational Physics，1987，73（2）：325-348.

[4]F.Rpger，Harrington.Filed Computation by Moment Methods[M].New York：McMillan，1968.