翼面隐身结构优化设计

第40卷第4期2008年8月 南　京　航　空　航　天　大　学　学　报Journal of N anjing U niversity of Aero nautics &Astronautics V ol.40N o.4　A ug.2008翼面隐身结构优化设计聂　毅　余雄庆(南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南京,210016)摘要:隐身结构是指由蒙皮和多种内部材料组成的、能满足承载要求、并具有明显降低雷达散射截面的结构。

本文首先阐述了一种典型的翼面隐身结构方案。

为了进一步挖掘该隐身结构减缩R CS 的潜力,应用基于代理模型的优化策略,对其进行电磁散射特性优化设计。

研究结果表明,经过优化设计后,在方位和频域上能显著降低翼面隐身结构R CS 。

基于代理模型的优化策略是一种有效的隐身结构低RCS 优化策略。

关键词:隐身结构;雷达散射截面;优化设计;机翼中图分类号:V 218 文献标识码:A 文章编号:1005-2615(2008)04-0465-04　基金项目:国家自然科学基金(90305004)资助项目。

　收稿日期:2007-09-03;修订日期:2007-10-18　作者简介:聂毅,男,博士研究生,1979年10月生;余雄庆(联系人),男,教授,博士生导师,E -mail :y x q @nuaa .edu .cn 。

Optimization Design for Low Detectable Wing StructureN ie Yi ,Yu X iongqing(K ey Labo rat or y o f Fundamental Science for Nat ional Defense-A dv anced Desig n T echno lo gy of F light Vehicle,N anjing U niver sity of A ero naut ics &A stro naut ics ,N anjing ,210016,China )Abstract :T he low detectable w ing structure is a ty pe o f the structur es consisted of skin and varieties of internal mater ials,and has low radar cro ss section (RCS)by co nsidering stress and other requirem ents.In this paper ,a w ing str ucture w ith low detectability is illustrated .T o impr ove its capacity of reducing RCS,the efficient optim ization design based on the sur rog ate mo dels for electro magnetic scattering is carr ied o ut.Results indicate that after the optimizatio n,the RCS of the lo w detectable w ing str uctures is radically reduced .The optimization desig n based on the surrog ate m odels is a valid strateg y for reducing the RCS of w ing structure w ith low detectability .Key words :low detectable structures;radar cross section;o ptimization desig n;w ing s 外形隐身和材料隐身技术是提高飞行器隐身性能的两个基本方法。

但单纯的外形隐身和材料隐身技术都有其局限性。

过分依赖于外形隐身技术会导致飞行器的飞行性能下降。

而吸波材料有效工作频段一般较窄,如果想进一步提高吸收率和拓宽频带,要受到材料厚度和重量等方面的限制。

因此,单从外形和材料入手来提高飞行器隐身性能,代价太大。

从飞行器设计观点来看,如果把减少飞行器电磁散射的手段不仅仅限于部件表面形状和材料,而将其扩展到整个部件结构(包括内部结构),那么提高飞行器隐身性能的另一个思路是将机体上的某些无法避免的强散射部位(如翼面前缘)设计成隐身结构。

所谓隐身结构是指由蒙皮和多种内部材料组成的、能满足承载要求、并具有明显降低雷达散射截面的结构。

它是一种既能满足外形和结构要求,又能有效减少电磁波反射的多功能一体化结构。

与外形隐身和材料隐身措施相比,这种隐身措施不会因过分强调修改外形而降低飞行器的机动性和敏捷性,同时也扩大了吸波材料在机体上的应用范围。

由于飞行器结构具有一定的结构高度和结构空间,通过优选结构几何形状和材料的电磁参数,可使入射波在结构中多次反复传播和损耗,最大限度地吸收电磁波,从而获得较高的吸收率。

翼面隐身结构的后向雷达散射截面(Radarcr oss section ,RCS )测试结果[1-2]和计算分析[3]表明,隐身结构在减缩RCS 方面具有很大的潜力。

为了进一步挖掘隐身结构减缩RCS 的潜力,本文应用有效的优化策略,对一种典型的翼面隐身结构的RCS 优化设计进行研究。

1　隐身结构模型及数值分析方法一种典型的翼面隐身结构方案见图1。

翼面隐身结构的蒙皮由透波性能好的玻璃钢制成,主承力件为金属盒段。

盒段前腹板上贴上一个铝箔尖劈,用尖劈形铝箔遮挡腹板,其目的是将腹板的镜面反射转化为铝箔尖劈边缘绕射,把强散射源转变成弱散射源。

在翼面前缘和铝箔尖劈之间,填充密度小的发泡聚苯乙烯和石墨的混合物,这种混合物重量轻,且具有较好吸收电磁波功能,可以有效地吸收和损耗透过蒙皮的电磁波,同时也能增加翼面前缘刚度。

图1　翼面隐身结构设计方案为满足阻抗匹配条件,隐身结构按阻抗渐变原则设计,沿厚度方向由外而内吸波材料电阻逐渐减小,导电率逐渐增大。

但实际结构很难做到阻抗连续变化,更实际的方法是做成多层离散介质,电特性逐层变化。

因此将翼面前缘分三段填充吸波材料,其中后二层厚度相等,含碳量每层逐渐增加。

为了能对上述翼面隐身结构的RCS 进行数值模拟,本文采用了时域有限差分法(Finite-differ-ence time-do main metho d,FD-TD 法)[4]。

之所以采用这种方法,是因为它能有效地解决由多种材料构成的复杂外形目标的RCS 计算问题。

在数值模拟中,可根据媒质的分布情况,在每个网格上赋予不同的电磁参量,就能模拟复杂外形多种媒质结构的电磁参量特性。

在数值上能模拟电磁波穿透蒙皮后与吸波材料相互作用的过程[5]。

本文应用基于FD-T D 法的三维电磁波分析商用软件XFDT D 6.1对翼面隐身结构的RCS 进行数值分析。

2　隐身结构电磁散射特性优化由于翼面隐身结构的内部结构几何特征可以调整,同时每层吸波材料电磁参数的分布也能进行调整,因此经过精心的优化设计可望能得到更好的隐身效果。

翼面隐身结构RCS 进行数值分析表明:铝箔尖劈的角度、玻璃钢的相对介电常数和三层泡沫的含碳量对RCS 值影响较大。

因此将这5个参数定义为设计变量。

其中泡沫的含碳量决定了泡沫的电磁特性参数[6]。

优化目标分为两种情况讨论:(1)在给定入射波的波长(3.0cm )下,考察在各方位角上隐身结构缩减RCS 的效果。

其优化目标是在前向入射扇形区域内(0～15°)翼面隐身结构的RCS 最小。

入射方位角的定义见图2。

由于用FD-TD 法进行RCS 数值分析计算量较大,若以1°为步长计算扇形区域内的平均RCS ,计算量将过大,难以实施优化设计。

为了减少计算量,在0～15°选取典型入射方位上RCS 的加权和为目标函数。

图2　入射方位角的定义翼面隐身结构电磁散射特性优化问题的数学表达形式为设计变量:x 1,x 2,x 3,x 4,x 5目标函数:min ∑ni =1w i i约束条件:2.0≤x 1≤4.0;0.2667≤x 2≤0.4;0.4≤x 3≤0.8;0.8≤x 4≤1.0667;30°≤x 5≤90°其中:x 1,x 2,x 3,x 4,x 5分别为玻璃钢的相对介电常数虚部、三层吸波材料中每一克发泡聚苯乙烯所含碳的量(单位:g ,以下简称含碳量)、铝箔尖劈的角度; i 为典型入射方位上翼面隐身结构的RCS ,w i 为加权系数。

(2)给定入射方位角(0°)下考察在各频段上隐身结构缩减RCS 的效果。

优化目标是隐身结构分别在L 波段(1～2GH ),S 波段(2～4GH),C 波段(4～8GH ),X 波段(8～12GH)上RCS 平均值的加权和最小。

优化问题的数学表达形式为设计变量:x 1,x 2,x 3,x 4,x 5目标函数:m in =w l l +w s s +w c c +w l l约束条件:2.0≤x 1≤4.0;0.2667≤x 2≤0.4;0.4≤x 3≤0.8;0.8≤x 4≤1.0667;30°≤x 5≤90°466南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第40卷其中: l , s , c , x ,分别是L ,S ,C ,X 波段上翼面隐身结构RCS 的平均值;w l ,w s ,w c ,w x 为相应RCS 的权重。

3　优化策略求解上述优化问题的难点在于:(1)RCS 计算采用商用软件XFDTD ,优化算法不能直接驱动XFDT D 软件;(2)基于FD-TD 法的RCS 计算量较大,而优化过程中需要很多次RCS 计算,从而导致优化计算中计算量过大,在常规计算机上难以解决这个问题;(3)由于网格划分和计算时间步长等因素,数值计算中可能存在数值躁声,即目标函数RCS 值随设计变量的变化可能是非光滑的,基于梯度的优化算法难于寻找到最优点。

为了克服上述困难,采用了基于代理模型的优化方法。

代理模型是指计算量很小、但其计算结果与原始高精度分析模型的计算结果相近的分析模型。

构建代理模型一般需要3个步骤:(1)用某种方法产生设计变量的样本点;(2)用高精度分析模型对这些样本点进行分析,获得一组输入/输出的数据;(3)用某种拟合方法来拟合这些输入/输出的样本数据,构建出近似模型,并对该近似模型的可信度进行评估[7]。

将代理模型的概念应用于隐身结构优化问题,建立了如图3所示的基于代理模型的优化流程。