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FEKO在防空作战仿真中的应用

2022-11-16王毅增

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本文利用HyperMesh对某飞行器实体模型进行剖分,并应用FEKO计算其RCS,作为防空作战仿真的输入,精细的评估地空导弹武器系统的作战能力,可以有利地支撑地空导弹武器装备论证。
1 概述

       目前,世界各大军事强国已经拥有不同隐身程度和不同数量的隐身武器,某飞行器战斗机是有“制空权”一词以来最具杀伤力的战斗机。所以我们以某飞行器为目标进行地空导弹武器系统防空作战研究。F-22的隐身措施主要包括雷达隐身、红外隐身和射频隐身,本文仅从雷达隐身的角度进行地空导弹武器系统防空作战能力分析。

2 RCS基本理论与工程算法

       评估防空装备的作战能力,飞机雷达散射截面RCS(Radar Cross Section)RCS是重要的输入。确定目标的RCS通常有二种方法,试验测量和理论仿真计算。试验手段资金消耗量巨大,对目标尺寸和雷达频率限制多;自二十世纪八十年代末至今的二十几的时间里,以电磁理论结合计算机图形学发展而成的RCS分析方法已把目标RCS的仿真计算推向一个新阶段。

       FEKO是针对天线和天线罩设计、载体多天线布局、飞机RCS以及系统的电磁兼容性能等高频电磁辐射、散射问题开发的专业电磁场分析软件,采用的多层快速多级子(MLFMM:Multi-Level Fast Multipole Method)算法在保持精度的前提下大大提高了计算规模(专门针对电大尺寸的高频电磁问题,实用的军用有人机目标均属于电大尺寸目标)及计算效率。FEKO软件支持射线寻迹几何光学求解技术(RL-GO),支持平面波激励,增强了处理超电大规模金属、介质及金属/介质混合目标体的散射计算能力,所以我们选用FEKO进行仿真,估算某飞行器的RCS。

3 该飞行器精细化建模与剖分

       该飞行器采用了低可探测性布局和结构,座舱采用镀膜技术,蝶形机翼翼身融合机身底部平滑回波方向控制,全动平尾,菱形进气口S型进气道,垂尾外倾29°,口盖及缝隙成平行于机翼的前后缘锯齿形,隐藏强散射源。由于结构细节对RCS的影响非常大,所以需要高精度三维模型作为基础输入。目前很多研究机构对模型做了简化,将进气道进行了封闭,而进气道对不同频率回波强度不同,封闭进气道会影响最终仿真结果。为准确评估某飞行器的RCS,仿真模型考虑了附面层隔板、进气道、头罩等局部细节,如图1所示,精细的反映了F-22的散射源,提高某飞行器的RCS仿真计算准确度。

含附面层隔板、进气道细节的某飞行器模型

图1 含附面层隔板、进气道细节的某飞行器模型

       由于HyperMesh能够快速自动地生成高质量的网格,且与FEKO无缝链接,所以本文利用其automesh功能对机体、进气道、头罩、尾喷口等各部分进行剖分。meshtype设置为trias,element size设置为50。剖分完成以后按部件分别导出,再按部件导入FEKO,共生成290205个三角形,如图2所示。

某飞行器最终剖分效果

图2 某飞行器最终剖分效果

3 利用FEKO进行仿真计算

       F-22的主要任务之一就是突防最严密的防空系统,所以我们利用FEKO的RL-GO算法计算某飞行器在S、C、X和Ku波段的RCS,这些频段是防空装备中典型的雷达和导引头的工作频段。我们可以同时设置这四个仿真频率,如图3所示。

FEKO可以同时设置多个计算频率

图3 FEKO可以同时设置多个计算频率

       由于隐身飞机某些部件为吸波结构且机体表面涂覆了吸波材料,本文通过设置吸波材料的不同厚度来模拟不同的吸波特性。FEKO的RL-GO算法可快速计算金属/介质混合目标体的RCS,所以选用此方法进行仿真,结果如图4所示。

某飞行器在S、C、X和Ku波段的RCS仿真结果

图4 某飞行器在S、C、X和Ku波段的RCS仿真结果

       从图4可以看出某飞行器在3G、5.5G、10G和18G的RCS有减小的趋势,但在头部X波段和Ku波段的差距并不大。在大多数方向5.5G和10G的RCS差距较小。以5.5G为例:机头方向±15度,RCS均值为0.028m2。机头方向±30度,RCS均值为0.024m2。机头方向±45度,RCS均值为0.021m2。机头方向±90度,RCS均值为0.067m2。机翼方向±15度,RCS均值为0.198m2,极值为0.64m2。可以看出某飞行器的机头部分没有任何主要的镜面反向散射,RCS控制较好,机翼及机尾RCS存在着峰值。

4 地空导弹武器系统探测能力分析

       传统评估火力单元探测能力的方法:将隐身飞机RCS设置为一个典型值,如0.01m2或0.1m2,由不同RCS的探测远界曲线来评估雷达能力及装备能力,如图5所示。将隐身飞机RCS设置为定值,不能客观评估隐身目标突防动态条件下,机体飞行过程中角度实时变化造成防空武器探测目标RCS闪烁对作战能力的影响,与作战实际状态不符,缺乏客观性。

PAC3制导雷达对不同RCS目标探测远界

图5 PAC3制导雷达对不同RCS目标探测远界

       本文利用FEKO对某飞行器进行全向RCS仿真,理论上每隔1度取点计算最为理想,但由于65341个点计算量大,我们采取每2度取一点进行计算,在满足精度的情况可以减小计算量,只需要计算16471个点。

FEKO计算结果导入仿真软件

图6 FEKO计算结果导入仿真软件

       将FEKO数据导入作战仿真软件进行仿真,将仿真结果导入HyperGraph进行分析。

某飞行器突防俯仰RCS及可检测信噪比

图7 某飞行器突防俯仰RCS及可检测信噪比

       由图7可知,当信噪比大于最低可检测信噪比后,信号存在闪烁,会发生跟踪丢失,致使制导链路中断,进一步产生拦截距离压缩。

5 结论

       在研究隐身飞机与地空导弹装备的攻防对抗问题时,与传统使用雷达对不同RCS的探测曲线评估其探测能力相比。利用FEKO计算隐身飞机RCS作为输入,可以更精细的评估防空装备的拦截能力,支撑武器系统指标论证。
责任编辑:程玥
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