CN111005807A - 一种应用吸波材料的腔体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞行器隐身技术领域，具体涉及一种应用吸波材料飞行棋腔体结构，该腔体结构采用金属或碳纤维复合材料为基础，在其腔体内部上不同位置涂覆有不同厚度或不同类型的吸波材料，应用本设计方法所设计出的吸波材料应用方案可有效提高进气道用吸波材料的吸波性能，更大可能地发挥好现有材料的潜能；降低吸波材料使用区域，减缩宽频段吸波材料的使用，进而降低吸波材料方案的成本和难度，进而解决高效低成本地解决进气道前向雷达隐身问题。
Description
技术领域
本发明属于飞行器隐身技术领域，具体涉及一种基于电磁散射特征应用的吸波材料飞行棋腔体结构。
背景技术
以进气道为代表的腔体结构是飞行器前向最主要雷达散射源之一，通过在进气道唇口及通道上应用高性能吸波材料是降低进气道的雷达散射的重要方式，包括抑制唇口雷达回波和进气道通道的多次反射雷达回波。
目前在进气道唇口表面和进气道的通道内型面上喷涂雷达吸波材料的技术方案存在以下不足：
(1)目前吸波材料的吸波性能主要针对电磁波垂直入射方向设计，其在斜入射情况下的吸波性能会有一定程度下降，但腔体结构内表面应用的吸波材料鲜有垂直入射情况，这将降低吸波材料对进气道RCS减缩效果。
(2)针对不同的威胁环境，腔体结构电磁散射减缩主要涉及S、C、X频段，兼顾L和Ku波段。受吸波材料厚度限制，现有吸波材料难以获得宽频段下的高性能吸波性能，且宽频吸波材料成本将大大提高。
(3)由于腔体结构内表面不同区域的散射源幅度影响不一，全部喷涂吸波材料必将导致成本增加和资源浪费。
发明内容
针对上述不足和应用需求，本发明公开了一种应用吸波材料的腔体结构，该结构可有效提高进气道用吸波材料的吸波性能，更大可能地发挥好现有材料的潜能；降低吸波材料使用区域，减缩宽频段吸波材料的使用，进而降低吸波材料方案的成本和难度，进而解决高效低成本地解决进气道前向雷达隐身问题。
为解决现有飞行器腔体结构吸波材料应用方案中的不足，全部使用宽频段高性能吸波材料成本高的问题，本发明提出一种应用吸波材料的腔体结构。根据腔体结构雷达散射特征，对腔体结构内表面电磁波反射角度进行深度分析，获得吸波材料吸波性能设计的最优入射角度，据此进行吸波材料选型；然后通过计算进气道内表面的场强分布，根据不同频率和极化下的表面电场耦合分析，设置场强阈值，高于阈值的区域使用高性能吸波材料，低于阈值的区域使用低性能吸波材料或者不应用吸波材料，最终获得吸波材料的智能设计与应用方案。
本发明的技术方案是：
一种应用吸波材料的腔体结构，该腔体结构采用金属或碳纤维复合材料为基础，在其腔体内部上不同位置涂覆有不同厚度或不同类型的吸波材料。
所述的腔体结构内表面的吸波材料按照如下规律进行涂覆：首先，对于雷达波在腔体内部的传输特性进行分析，然后根据其传输规律对于多次反射的重点部位应用具有高吸收能力的吸波材料，对于其他区域，应用重量轻的低增重吸波材料。
所述的传输规律按照如下步骤进行分析：
(1)腔体结构模型选取和模型网格化处理；
(2)电磁波反射角度分析统计；
(3)吸波材料设计及参数选定；
(4)腔体结构表面场强分布分析。
所述的传输规律分析步骤(1)腔体结构模型网格化处理中的等距截面取点间隔范围为10-100mm，每个截面选取数据点为20～100个。
所述的传输规律分析步骤(2)电磁波反射角度分析统计的输入参数为：入射方位角范围为0°～80°、方位角步长范围为0.2°～5°、入射俯仰角范围为-30°～30°、俯仰角步长范围为0.2°～5°。
所述的传输规律分析步骤(4)腔体结构内表面场强分布分析采用矩量法、多层快速多极子、时域有限元或者频域全波电磁算法进行。
所述的传输规律分析步骤(4)腔体结构场强分布阈值数量为吸波材料种类减一，阈值大小可以采用平均值或者自定义方式设置。
所述的腔体结构典型截面形状为正方形、长方形、三角形或者棱形形状。
通过在其腔体内部上不同位置涂覆有不同厚度或不同类型的吸波材料进行电磁仿真。
所述的传输规律分析方法，包括如下具体步骤：
第一步：腔体结构模型选取和模型处理
根据型号或者项目需求，选取特定的腔体结构，对内表面进行网格剖分，用于分析电磁波反射角度；对腔体结构模型进行简化处理，用于表面场强分析。
第二步：电磁波反射角度分析统计
通过电磁波反射特性计算分析，获得电磁波在腔体结构内表面的反射角度统计值，并选取反射角度最多的角度作为吸波材料入射角度设计约束；
第三步：吸波材料设计及参数选定
根据入射角度和厚度参数等约束，开展吸波材料设计或者吸波材料选型，可以选取不同频率的多种吸波材料作为应用方案；
第四步：腔体结构表面场强分析
通过电磁散射特征计算分析，获得腔体结构内表面的磁场分布和场强分布，并导出相关数据进行细化分析，根据数据处理结果获得需要通过吸波材料处理的强场强分布区域；
第五步：吸波材料应用方案设计
将腔体结构内表面切割成不同的片区，将场强分布按照大小分成不同的区，通过场强分布特征的高低填充不同性能的吸波材料；
第六步：仿真分析获得应用方案的可行性
通过全波算法对吸波材料应用方案进行计算仿真，并与金属状态腔体结构进行比对，验证设计方案是否达到电磁散射减缩效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
通过对飞行器腔体结构的电磁散射特征分析获得电磁波在进气道内的主要入射角度，通过特定入射角度下的吸波性能约束设计吸波材料，可有效提高腔体结构用吸波材料的吸波性能，更大可能地发挥好现有材料的潜能；通过进气道内表面场强分布设计使用不同性能的吸波材料，可更有效的控制吸波材料使用区域及增重、同时避免宽频段吸波材料的使用，进而降低吸波材料应用方案的成本和难度。本发明所公开的设计方法适用于各类腔体结构的吸波材料应用方案设计，尤其适用于飞行器进气道部件的雷达隐身设计，可以起到降低雷达回拨且控制结构增重的有益效果。
附图说明
图1a典型飞行器腔体结构模型
图1b典型飞行器腔体结构网格剖分图
图2入射角度分布的概率密度
图3典型腔体结构的场强分布
图4典型飞行器腔体结构的吸波材料应用方案
图5方形腔体结构三维模型
图6典型方形腔体结构内表面的感应电场强度(颜色越深代表场强越强)
图7吸波材料在腔体结构内部的典型铺设应用方案
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本设计方法做进一步说明。
实施例1
第一步：腔体结构模型选取和模型处理
根据型号或者项目需求，选取特定的飞行器进气道，对内表面进行网格剖分，用于计算反射角度：首先对进气道进行了等截面数据点提取，从进气道入口开始，以100mm间隔对进气道进行等距截面取点，获得一定数量的截面，每个截面选取100个数据点，然后利用选取的数据点构成三角面元建立计算模型。对进气道模型进行处理，抽取模型内表面并设计表面场记录器，用于表面场强仿真与分析。
第二步：电磁波反射角度分析统计
电磁波反射角度分析统计的计算参数包括入射方位角0°、方位角步长0.2°、入射俯仰角0°、俯仰角步长：0.2°～5°，通过软件计算电磁波反射特性分析，获得电磁波在进气道内表面的反射角度统计值，并选取反射角度最多的50°作为吸波材料入射角度设计约束。
第三步：吸波材料设计及参数选定
根据入射角度和厚度参数等约束，开展吸波材料设计或者吸波材料选型，可以选取高吸波性能和低面密度性能两种吸波材料作为应用方案；
第四步：进气道表面场强分析
通过电磁散射特征计算分析，获得进气道内表面的磁场分布和场强分布，并导出相关数据进行细化分析，根据数据处理的均值作为分区阈值，获得需要通过不同吸波材料处理的区域分布。
第五步：吸波材料应用方案智能设计
将进气道内表面切割成不同的片区，高于阈值的区域使用高性能吸波材料，低于阈值的区域使用低性能吸波材料或者不应用吸波材料，获得吸波材料的应用方案。
第六步：仿真分析获得应用方案的可行性
通过全波算法对吸波材料应用方案进行计算仿真，并与金属状态进气道进行比对，验证设计方案的电磁散射减缩效果；该设计方案较金属进气道前向RCS减缩11.5dB，与全部应用高性能吸波材料的12.1dB基本持平，吸波材料用量及整体增重显著降低。
实施例2
第一步：飞行器腔体结构模型选取和模型处理
选取典型的方形进气道，对内表面进行网格剖分，用于计算反射角度：首先对进气道进行了等截面数据点提取，从进气道入口开始，以10mm间隔对进气道进行等距截面取点，获得一定数量的截面，每个截面选取20个数据点，然后利用选取的数据点构成三角面元建立计算模型。对进气道模型进行处理，抽取模型内表面并设计表面场记录器，用于表面场强仿真与分析。
第二步：电磁波反射角度分析统计
电磁波反射角度分析统计的计算参数包括入射方位角0°～80°、方位角步长5°、入射俯仰角0°，通过软件计算电磁波反射特性分析，获得电磁波在进气道内表面的反射角度统计值，并选取反射角度最多的45°作为吸波材料入射角度设计约束。
第三步：吸波材料设计及参数选定
根据入射角度和厚度参数等约束，开展吸波材料设计或者吸波材料选型，可以选取不同频率的三种吸波材料作为应用方案，同时采用空气作为不应用吸波材料；
第四步：进气道表面场强分析
通过电磁散射特征计算分析，获得进气道内表面的磁场分布和场强分布，并导出相关数据进行细化分析，根据数据处理的均值作为分区阈值，获得需要通过不同吸波材料处理的区域分布。
第五步：吸波材料应用方案智能设计
将进气道内表面切割成不同的片区，设置大小三个阈值，由高到低分布选择、高性能吸波材料、中性能吸波材料、低性能吸波材料和空气，获得吸波材料的应用方案。
第六步：仿真分析获得应用方案的可行性
通过全波算法对吸波材料应用方案进行计算仿真，并与金属状态进气道进行比对，验证设计方案的电磁散射减缩效果，该设计方案较金属进气道前向RCS减缩8.9dB，与全部应用高性能吸波材料的9.5dB基本持平，吸波材料用量及整体增重显著降低。
实施例3
第一步：腔体结构模型选取和模型处理
根据型号或者项目需求，选取特定的飞行器排气管，对内表面进行网格剖分，用于计算反射角度：首先对排气管进行了等截面数据点提取，从排气系统出口开始，以100mm间隔对排气管进行等距截面取点，获得一定数量的截面，每个截面选取100个数据点，然后利用选取的数据点构成三角面元建立计算模型。对进气道模型进行处理，抽取模型内表面并设计表面场记录器，用于表面场强仿真与分析。
第二步：电磁波反射角度分析统计
电磁波反射角度分析统计的计算参数包括入射方位角0°、方位角步长0.2°、入射俯仰角0°、俯仰角步长：0.2°～5°，通过软件计算电磁波反射特性分析，获得电磁波在排气管内表面的反射角度统计值，并选取反射角度最多的50°作为吸波材料入射角度设计约束。
第三步：吸波材料设计及参数选定
根据入射角度和厚度参数等约束，开展吸波材料设计或者吸波材料选型，可以选取高吸波性能和低面密度性能两种吸波材料作为应用方案；
第四步：进气道表面场强分析
通过电磁散射特征计算分析，获得排气管内表面的磁场分布和场强分布，并导出相关数据进行细化分析，根据数据处理的均值作为分区阈值，获得需要通过不同吸波材料处理的区域分布。
第五步：吸波材料应用方案智能设计
将进气道内表面切割成不同的片区，高于阈值的区域使用高性能吸波材料，低于阈值的区域使用低性能吸波材料或者不应用吸波材料，获得吸波材料的应用方案。
第六步：仿真分析获得应用方案的可行性
通过全波算法对吸波材料应用方案进行计算仿真，并与金属状态排气管进行比对，验证设计方案的电磁散射减缩效果。
Claims (10)
1.一种应用吸波材料的腔体结构，其特征在于：该腔体结构采用金属或碳纤维复合材料为基础，在其腔体内部上不同位置涂覆有不同厚度或不同类型的吸波材料。
2.一种如权利要求1所述的应用吸波材料的腔体结构，其特征在于，所述的腔体结构内表面的吸波材料按照如下规律进行涂覆：
首先，对于雷达波在腔体内部的传输特性进行分析，然后根据其传输规律对于多次反射的重点部位应用具有高吸收能力的吸波材料，对于其他区域，应用重量轻的低增重吸波材料。
3.一种如权利要求2所述的应用吸波材料的腔体结构，其特征在于，所述的传输规律按照如下步骤进行分析：
(1)腔体结构模型选取和模型网格化处理；
(2)电磁波反射角度分析统计；
(3)吸波材料设计及参数选定；
(4)腔体结构表面场强分布分析。
4.一种如权利要求3所述的应用吸波材料的腔体结构，其特征在于，所述步骤(1)腔体结构模型网格化处理中的等距截面取点间隔范围为10-100mm，每个截面选取数据点为20～100个。
5.一种如权利要求3所述的应用吸波材料的腔体结构，其特征在于，所述步骤(2)电磁波反射角度分析统计的输入参数为：入射方位角范围为0°～80°、方位角步长范围为0.2°～5°、入射俯仰角范围为-30°～30°、俯仰角步长范围为0.2°～5°。
6.一种如权利要求3所述的应用吸波材料的腔体结构，其特征在于，所述骤(4)腔体结构内表面场强分布分析采用矩量法、多层快速多极子、时域有限元或者频域全波电磁算法进行。
7.一种如权利要求3所述的应用吸波材料的腔体结构，其特征在于，所述步骤(4)腔体结构场强分布阈值数量为吸波材料种类减一，阈值大小可以采用平均值或者自定义方式设置。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的应用吸波材料的腔体结构，其特征在于，所述的腔体结构典型截面形状为正方形、长方形、三角形或者棱形形状。
9.一种如权利要求8所述的应用吸波材料的腔体结构，其特征在于，通过在其腔体内部上不同位置涂覆有不同厚度或不同类型的吸波材料进行电磁仿真。
10.一种如权利要求1所述的应用吸波材料的腔体结构，其特征在于，所述的传输规律分析方法，包括如下具体步骤：
第一步：腔体结构模型选取和模型处理
根据型号或者项目需求，选取特定的腔体结构，对内表面进行网格剖分，用于分析电磁波反射角度；对腔体结构模型进行简化处理，用于表面场强分析。
第二步：电磁波反射角度分析统计
通过电磁波反射特性计算分析，获得电磁波在腔体结构内表面的反射角度统计值，并选取反射角度最多的角度作为吸波材料入射角度设计约束；
第三步：吸波材料设计及参数选定
根据入射角度和厚度参数等约束，开展吸波材料设计或者吸波材料选型，可以选取不同频率的多种吸波材料作为应用方案；
第四步：腔体结构表面场强分析
通过电磁散射特征计算分析，获得腔体结构内表面的磁场分布和场强分布，并导出相关数据进行细化分析，根据数据处理结果获得需要通过吸波材料处理的强场强分布区域；
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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