张洪新，吴东辉，节洪波，方小星，曹群生

（1.解放军63850 部队，吉林 白城 137001；2.南京航空航天大学，南京 210016）

0 引言

空中靶标可以用作模拟目标飞行器和开展防空训练和演习。靶标的RCS 受其尺寸、形状、材质等限制，因此，靶标在散射幅度均值和散射起伏规律上和目标飞行器的RCS 都存在较大差异。龙伯透镜反射器可以聚焦电磁波，并以高增益反射出去，可以大幅度增大特定角度范围内的RCS，且波束宽度可根据反射板尺寸、位置调节，通常用于增强靶标RCS、开展科研训练等领域，因此，可以利用靶标加载龙伯反射器对靶标RCS 改型，继而模拟真实的飞行器RCS，但是同时对靶标的气动特性造成一定影响，故而需要考虑不同加载位置（靶标机头下方、机身中部下方、机翼两侧、尾翼下方）和方式对气动特性的影响，对电磁散射特性和气动特性进行融合设计。

通过联合使用电磁仿真软件FEKO 和流体仿真软件Fluent，设计龙伯反射器，并加载到靶标上，对RCS 靶标有效地改进。分析了在靶标不同位置和方式加载反射器后的气动特性和电磁散射特性，实验结果表明，龙伯反射器加载于靶标机头下方时，可以得到的改型后的RCS 与气动特性最符合设计要求。

1 龙伯透镜反射器设计

如图1 所示，设计的龙伯透镜反射器由3 层介质和1 层空气加上金属反射板组成，从内到外厚度依次为2.880 4 cm、1.826 2 cm 和2.014 2 cm，空气层厚度1.016 cm，从内到外的相对介电常数依次为1.96、1.795 6、1.488 4，FEKO 电磁计算软件建立模型如图2 所示，选用1.27 cm 焦距的抛物面金属反射板。

图1 龙伯反射器示意图

图2 FEKO 中的模型截面

2 龙伯反射器不同加载位置和方式对靶标RCS 影响分析

FEKO 仿真实验中工作频率为5.6 GHz，水平极化，平面波激励。因为靶标属于电大尺寸物体，在误差较小情况下仿真采用PO（物理光学法）+多层快速多级子算法（MLFMM）的联合算法，对靶标采用PO，对龙伯反射器采用MLFMM。对于加载龙伯反射器在靶标的不同位置和方式，相应的RCS 有所变化。将仿真后的RCS 与某真实飞行器的RCS 在某两航段内进行比较，可以获得加载位置和方式对靶标RCS 的拟合效果。

2.1 龙伯反射器加载于靶标机头下方

将龙伯反射器加载于靶标机头正下方如图3所示，反射板置于左上45°，联合仿真加载反射器后的RCS 如下页图4 所示，可以看出在θ 为210°～240°范围内，靶标RCS 有较大幅度增强，且起伏规律十分明显。

图3 龙伯反射器加载于靶标机头下方示意图

图4 龙伯反射器加载于机头下方前后RCS 对比

2.2 龙伯反射器加载于靶标机身中部下方

将龙伯反射器加载于靶标机头正下方如图5所示，反射板置于左上45°，联合仿真加载后的RCS如图6 所示，可以看出在θ 为210°～240°范围内，靶标RCS 有较大幅度增强。

图5 龙伯反射器加载于靶标中部下方示意图

图6 龙伯反射器加载于中部下方前后的RCS

2.3 龙伯反射器加载于靶标机翼两侧

考虑加载龙伯反射器后的靶标气动性的变化，仅考虑靶标机翼两侧时同时加载两只龙伯反射器，如图7 所示，反射板置于右上45°，联合仿真加载后的RCS如图8 所示，可以看出在θ 为120°～150°范围内，靶标RCS 有较大幅度增强，比单球加载增强幅度更大，但是缺少起伏规律，未出现可以和某型机第二航段RCS 拟合的部分。

图7 两只龙伯反射器加载于靶标机翼两侧示意图

图8 两只龙伯反射器加载于机翼两侧前后的RCS 对比

2.4 龙伯反射器加载于靶标尾翼下方

图9 为龙伯反射器加载于靶标尾翼下方示意图，反射板置于左上45°，联合仿真加载后的RCS 如图10 所示，可以看出在θ 为210°～240°范围内，靶标RCS 有较大幅度增强，而且起伏规律明显。

图9 龙伯反射器加载于靶标尾翼下方示意图

图10 龙伯反射器加载于机翼下方前后RCS 变化

2.5 改型后RCS 与某型机RCS 的拟合

本文利用改型后靶标RCS 来模拟某型机的某两个航段内的RCS，根据实际的飞行器典型航段要求，具体的第1 航段对应θ 角度变化为202.39°～203.58°，第2 航段对应θ 角度变化为218.43°～245.0°。

加载反射板置于右上45°的反射器的靶标RCS改型后，未出现可以和某型机RCS 拟合的部分，对上述各个位置加载龙伯反射器后的RCS 进行提取，和某型机RCS 在某两航段的拟合效果如下页图11和图12 所示。

图11 第1 航段各加载位置改型后RCS 拟合效果

图12 第2 航段各加载位置改型后RCS 拟合效果

2.6 拟合误差分析

选用拟合的RCS 与某型机的RCS 的方差来描述拟合误差，具体如表1 所示。

表1 拟合误差分析结果

3 龙伯反射器不同加载位置和方式对靶标气动特性的影响分析

研究龙伯透镜加载在机头下方、靶标中部下方、机翼两侧，以及尾部下方时的气动特性和电磁性能，达到一个电磁特性和气动特性的最优化融合设计。

动压是速度造成的压力，用以反映靶标的阻力大小，靶标实际飞行速度为150 m/s，利用Fluent 软件对其进行气动特性计算分析，将计算结果导入到Tecplot软件中，进行靶标自身的气动特性分析。图13 所示的为靶标所受到的动压云图。

图13 靶标自身的动压云图

靶标速度不变，将龙伯透镜反射器加载在靶标的不同位置，先仿真龙伯透镜反射器加载在靶标机头下方的气动特性，如图14 所示，可以看出动压明显增大。

图14 龙伯反射器加载于靶标机头下方的动压云图

两个龙伯透镜反射器加载在机翼两侧动压云图如下页图15 所示。

图15 龙伯透镜反射器加载在机翼两侧的动压云图

龙伯透镜反射器加载在机翼中部下方的动压云图如图16 所示。

图16 龙伯透镜反射器加载在靶标中部下方的动压云图

龙伯透镜反射器加载在靶标尾翼下方的动压云图如图17 所示。

图17 龙伯透镜反射器加载在尾翼下方的动压云图

由于Fluent 仿真软件并不自带设置相同动力的设置方式，因此，通过靶标加载龙伯球前后的所受的最大压力来等效靶标的动力，通过这种等效方式来计算龙伯反射器在不同位置和方式加载后的速度损耗。表2 所示为相应的速度损耗。

表2 不同加载位置和方式的速度损耗

通过对以上龙伯透镜反射器加载在靶标的不同位置的速度损耗进行对比分析，发现加载在机头下方的阻力最小，靶标速度损耗最小。在这种情况下，由龙伯透镜反射器的具体加载方式和加载位置可以进一步确定电磁特性的效果。

4 气动和电磁散射特性的融合优化设计

通过比较上述各种加载方案的拟合效果、综合分析电磁散射特性和气动特性的影响和比较各种加载方式和位置的靶标速度损耗，我们发现龙伯透镜反射器加载于靶标机头下方时阻力最小，速度损耗最小，另外根据电磁散射特性分析可知，两个右上45°发射板的龙伯透镜反射器加载于靶标机翼两侧后RCS 变化较为单一，左上45°反射板的龙伯反射器加载后的拟合效果较好，其中，又以加载在靶标机头下方的拟合效果最好，所以选用单个的左上45°的反射板的龙伯透镜反射器，加载于机头下方的位置，达到靶标气动和电磁散射特性的优化融合设计。

5 RCS 测试验证

实际中的靶标较大，直接测试较为困难，依据缩比原理等效理论，将靶标按2.58 倍缩小，频率相应升高2.58 倍，即测试频率为2.58×5.6=14.45 GHz，采用龙伯透镜反射器的尺寸相应按比例缩小，因为等比例缩小，龙伯透镜满足的归一化半径和介电常数之间的函数关系并未改变，所以龙伯透镜的聚焦功能不变，加工制作出靶标和龙伯反射器，并在暗室进行RCS 测试。RCS 测试平台如图18 所示，测试的实物图如下页图19 所示。

图18 RCS 测试平台示意图

图19 靶标加载龙伯反射器测试图

先对制作的龙伯透镜反射器的RCS 进行测试，焦距3 cm 抛物面反射板的龙伯反射器测试结果和FEKO 仿真结果对比如图20 所示，θ 为150°～210°范围内RCS 有较大增强且幅度达20 dB 左右和仿真曲线较为吻合，证明该工艺制作的龙伯透镜反射器是可行的。

图20 测试和仿真的龙伯反射器RCS

然后将焦距1.27 cm 的抛物面反射板的龙伯透镜反射器加载于靶标头部下方进行RCS 测试，测试结果如图21 所示。

图21 靶标加载龙伯反射器前后RCS 测试结果

靶标加载龙伯透镜反射器前后的测试数据表明，在θ 为200°～230°的范围内RCS 有较大幅度增强，与仿真结果保持一致性，验证了利用龙伯透镜反射器可以达到对靶标RCS 改型的目的。

6 结论

通过对某型号靶标加载龙伯反射器后的联合电磁仿真和流体仿真研究，并且制作加工实物进行RCS 测试验证，可以得出以下结论：

1）采用龙伯透镜反射器加载的方法可以达到对某型号靶标RCS 改型的目的，RCS 测试结果很好地验证了这一点。不同加载位置、方式的改型效果不尽相同，具体加载方式、位置选取应该根据所需要的改型后的RCS 变化来确定，具有较强的工程应用价值。

2）加载两只龙伯透镜反射器的某型号靶标RCS 增强效果比单球加载后更强，具有叠加效果，但同时增强的RCS 失去了起伏变化的曲线规律。

3）龙伯透镜反射器不同加载的位置、方式对某型号靶标气动特性的影响较大，加载于机头下方时对气动特性的影响最小，可以达到某型号靶标电磁散射和气动特性的融合设计，具有较强的工程指导价值。