1 概述
飛機(jī)座艙是飛行員工作場所，是人-機(jī)系統(tǒng)的交聯(lián)界面。飛行員從座艙的顯示裝置、音頻信號和外景觀察獲得信息，經(jīng)過判斷，發(fā)出操作指令，駕駛飛機(jī)。因此，座艙是有人駕駛飛機(jī)的重要部分，而飛機(jī)座艙又是飛機(jī)的三大強(qiáng)散射源之一，所以，如何設(shè)計(jì)出隱身性能良好的座艙外形具有十分重要的意義，本文根據(jù)座艙設(shè)計(jì)的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、布置的要求，同時(shí)考慮隱身的要求，設(shè)計(jì)出融合式氣泡座艙蓋，在CAE分析軟件——FEKO中對座艙蓋的散射性能進(jìn)行評估。
2 氣泡式座艙蓋外形
飛機(jī)的座艙蓋形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)取決于飛機(jī)視界、氣動(dòng)力、光學(xué)、飛行員活動(dòng)空間和安全等要求，一般分為活動(dòng)座艙蓋和固定前風(fēng)擋兩部分�，F(xiàn)代飛機(jī)一般采用圓弧風(fēng)擋，以得到較好的前方視界；而以對地攻擊為主的飛機(jī)一般采用平板式前風(fēng)擋，以便采用較厚的防彈玻璃。從空氣動(dòng)力學(xué)的角度來看，整個(gè)座艙蓋最好是半個(gè)流線旋成體，并將前部切去一塊，形成風(fēng)擋前平面，即水滴形座艙蓋，但由于現(xiàn)代飛機(jī)對視界要求愈來愈高，現(xiàn)代常采用的是圓弧形前風(fēng)擋，即氣泡式活動(dòng)座艙蓋。
氣泡式座艙蓋的最大優(yōu)點(diǎn)是氣動(dòng)阻力小、視野好，如圖1中的座艙蓋，座艙蓋高高突出機(jī)身，使飛行員具有很好的前向和側(cè)向視野，同時(shí)氣動(dòng)阻力小，但是這種座艙蓋的隱身性能不是十分突出，而典型的隱身飛機(jī)注重座艙蓋和機(jī)身外形融合設(shè)計(jì)，并且將座艙設(shè)計(jì)為整體式艙蓋，減小棱邊散射，具體形狀如圖2。
圖1 某型飛機(jī)氣泡式座艙蓋
圖2 模型飛機(jī)氣泡式“整體”座艙蓋
3 氣泡式座艙的散射特性
在電磁波照射下，座艙的散射場體現(xiàn)為兩部分之和。一是電磁波進(jìn)入座艙內(nèi)后，經(jīng)內(nèi)部布置復(fù)雜的儀表板、操縱臺、座椅和結(jié)構(gòu)等引起的后向散射場，這種散射具有腔體類部件的散射特性，幾乎占座艙散射的90%左右；二是座艙結(jié)構(gòu)連接骨架形成的縫隙和臺階等電磁散射（繞射、行波散射等）、座艙結(jié)構(gòu)連接件（如螺釘、鉚釘?shù)龋┬纬傻南鄬^弱散射以及座艙透明件鍍膜后外形本身的電磁散射，這些散射即所謂的座艙次散射源散射。
根據(jù)座艙散射散射特點(diǎn)，采用三種散射減縮控制技術(shù)來縮減氣泡式座艙散射。采用透明件鍍膜進(jìn)行座艙腔體屏蔽，使座艙的腔體散射效應(yīng)轉(zhuǎn)化為金屬化后的座艙透明件的外形散射特性；采用“整體”式艙蓋對消減弧框的棱邊散射，達(dá)到次強(qiáng)散射源減縮控制技術(shù)；采用座艙的外形整形技術(shù)，進(jìn)行座艙和機(jī)身的外形融合設(shè)計(jì)，則可大大降低座艙外形的側(cè)向散射。這三項(xiàng)技術(shù)在圖3中的某型飛機(jī)座艙蓋外形上都有體現(xiàn)。
圖3 某型飛機(jī)氣泡式“整體”座艙蓋
4 氣泡式座艙蓋的散射評估
本文基于CAE軟件——FEKO對座艙蓋外形的散射進(jìn)行評估，分為座艙蓋外形建模，散射求解計(jì)算、結(jié)果分析三個(gè)步驟。
4.1座艙蓋外形建模
以飛機(jī)的隱身座艙蓋為例，按照氣動(dòng)力、飛行員視野空間，儀表空間布置等要求，在專門的外形建模軟件CATIA中設(shè)計(jì)出氣泡式座艙蓋的外形。
氣泡式座艙蓋側(cè)視圖如圖4，上零縱線由兩段線組成，前段為直線，后段為曲線，兩者切矢連續(xù)，對于超聲速飛機(jī)，為了滿足視界和氣動(dòng)的要求，前段直線與水平面的夾角為24°~30°，后段曲線則是要求滿足座艙高度和長度的尺寸要求，飛機(jī)座艙蓋的前后氣密框的間距一般在1.55m~1.65m之間，座艙蓋的拱形截面直徑滿足飛行員的人績功效的空間要求，一般為0.75~0.9m。
圖4 氣泡式座艙蓋外形
本文設(shè)計(jì)的融合式座艙蓋是在常規(guī)座艙蓋的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，常規(guī)座艙是座艙蓋與機(jī)身是相互獨(dú)立的，看上去仿佛是座艙疊在機(jī)身上面，而融合式座艙蓋是考慮散射設(shè)計(jì)要求，對飛機(jī)座艙蓋和機(jī)身進(jìn)行一體化融合設(shè)計(jì)，具體圖形如圖5。
圖5 融合式座艙截面
由于座艙蓋外形是本文研究的重點(diǎn)，所以對與座艙蓋外形匹配的機(jī)身外形進(jìn)行簡化處理，機(jī)身前后均做成尖劈形狀，對座艙蓋與機(jī)身進(jìn)行融合過渡處理，生成的外形如圖6，圖中淺藍(lán)色為過渡區(qū)。
圖6 融合式座艙蓋外形
4.2座艙蓋散射求解計(jì)算
對生成的氣泡式座艙蓋的外形模型，在FEKO軟件中進(jìn)行散射CAE計(jì)算。FEKO軟件是一款基于矩量法的全波通用電磁分析軟件，在計(jì)算電大尺寸目標(biāo)的散射過程中具有較大優(yōu)勢，同時(shí)，F(xiàn)EKO是第一個(gè)將多層快速多極子算法（MLFMM）代碼商業(yè)化，同時(shí)矩量法可與其它高頻近似方法混合計(jì)算，如與物理光學(xué)（PO）、幾何光學(xué)（GO），以及一致性繞射理論（UTD）的混合。這種真正的混合求解技術(shù)極大地減少計(jì)算資源的需求，擴(kuò)大了求解電大尺寸問題的規(guī)模。FEKO擁有專業(yè)的圖形用戶界面，以及多個(gè)網(wǎng)格導(dǎo)入接口（如AUTOCAD DXF,NASTRAN,PATRAN）和CAD模型的導(dǎo)入導(dǎo)出接口（如STEP，IGES，CATIA V4 and V5格式）。在航空、航天、船舶等領(lǐng)域，F(xiàn)EKO軟件能夠方便、快速、精確地分析如飛行器、導(dǎo)彈、船舶等電大尺寸的雷達(dá)散射面積，大大加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程。
在CATIA中對建好的座艙蓋外形模型以IGES的形式輸出，用專門的網(wǎng)格剖分軟件HYPERMESH進(jìn)行網(wǎng)格剖分，由于模型尺寸大小為：長8m，寬2.2m，高2.0m，根據(jù)模型大小設(shè)置剖分的三角網(wǎng)格單元邊長，選取入射波1/8波長為網(wǎng)格單元邊長，就可以滿足網(wǎng)格精度的要求。最后劃分的網(wǎng)格大小約6萬，劃分網(wǎng)格結(jié)果以.nastran輸出，生成的網(wǎng)格如圖7。
圖7 HPERMESH軟件中網(wǎng)格模型
圖8 FEKO軟件中網(wǎng)格模型
在HYPERMESH中剖分好的網(wǎng)格模型可以通過接口直接導(dǎo)入到FEKO軟件中，生成的FEKO網(wǎng)格模型如圖8，在FEKO軟件中計(jì)算座艙的散射，需要設(shè)置的參數(shù)主要有：入射波、算法、積分方程選擇、單雙站散射選擇、收斂精度和迭代余量等。采用多層快速多極子（MLFMM）方法計(jì)算0~360°的水平面單站散射，入射頻率為1GHz(波長0.3米)，水平極化。首先計(jì)算座艙蓋在方位面0~180°的單站散射，每1°取一個(gè)點(diǎn)，共計(jì)181個(gè)計(jì)算點(diǎn)，然后根據(jù)對稱性得到0~360°的單站散射曲線圖，F(xiàn)EKO軟件計(jì)算共使用5G內(nèi)存，耗時(shí)2小時(shí)，計(jì)算機(jī)硬件資源為40GB內(nèi)存，30GHzCPU。計(jì)算的座艙蓋在方位角0-360°的直角坐標(biāo)下的散射曲線如圖9，極坐標(biāo)下的散射曲線如圖10。
圖9 直角坐標(biāo)下的座艙蓋散射曲線
圖10 極坐標(biāo)下的座艙蓋散射曲線
4.3CAE計(jì)算結(jié)果分析
通過圖9和圖10，可以得出，在機(jī)頭0°方向，散射為-30db，90°方向散射為0db，在180°方向散射為-20db，其中在0~45°范圍內(nèi)，座艙蓋的前向散射在-30db左右振動(dòng)，且上下振幅保持在5db，45°~90°，散射變化近似呈現(xiàn)單調(diào)增長態(tài)勢，由-30db變到10db。
經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)研究表明，典型傳統(tǒng)飛機(jī)座艙蓋的前向散射約為0.05㎡，而現(xiàn)代飛機(jī)的座艙蓋外形在前向扇區(qū)散射均值一般在-20~-30db，通過與傳統(tǒng)和現(xiàn)代飛機(jī)座艙蓋散射的對比，可以得出，計(jì)算的0~45°區(qū)間的座艙的前向散射值的結(jié)果準(zhǔn)確，散射曲線趨勢符合要求。
5 結(jié)論
本文通過FEKO軟件對隱身飛機(jī)座艙蓋外形進(jìn)行散射CAE分析，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，表明了這種融合式座艙蓋外形設(shè)計(jì)方法的合理、可行，并且為類似的座艙蓋外形隱身設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)參考。同時(shí)也體現(xiàn)了FEKO軟件在計(jì)算類似飛機(jī)這樣電大尺寸的散射的快速、準(zhǔn)確和可靠的優(yōu)勢，大大加快了飛機(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)程。
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本文標(biāo)題：基于FEKO軟件的飛機(jī)氣泡式座艙蓋散射CAE分析
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