1 概述
飞机座舱是飞行员工作场所,是人-机系统的交联界面。飞行员从座舱的显示装置、音频信号和外景观察获得信息,经过判断,发出操作指令,驾驶飞机。因此,座舱是有人驾驶飞机的重要部分,而飞机座舱又是飞机的三大强散射源之一,所以,如何设计出隐身性能良好的座舱外形具有十分重要的意义,本文根据座舱设计的气动、结构、布置的要求,同时考虑隐身的要求,设计出融合式气泡座舱盖,在CAE分析软件——FEKO中对座舱盖的散射性能进行评估。
2 气泡式座舱盖外形
飞机的座舱盖形状、尺寸、结构取决于飞机视界、气动力、光学、飞行员活动空间和安全等要求,一般分为活动座舱盖和固定前风挡两部分。现代飞机一般采用圆弧风挡,以得到较好的前方视界;而以对地攻击为主的飞机一般采用平板式前风挡,以便采用较厚的防弹玻璃。从空气动力学的角度来看,整个座舱盖最好是半个流线旋成体,并将前部切去一块,形成风挡前平面,即水滴形座舱盖,但由于现代飞机对视界要求愈来愈高,现代常采用的是圆弧形前风挡,即气泡式活动座舱盖。
气泡式座舱盖的最大优点是气动阻力小、视野好,如图1中的座舱盖,座舱盖高高突出机身,使飞行员具有很好的前向和侧向视野,同时气动阻力小,但是这种座舱盖的隐身性能不是十分突出,而典型的隐身飞机注重座舱盖和机身外形融合设计,并且将座舱设计为整体式舱盖,减小棱边散射,具体形状如图2。
图1 某型飞机气泡式座舱盖
图2 模型飞机气泡式“整体”座舱盖
3 气泡式座舱的散射特性
在电磁波照射下,座舱的散射场体现为两部分之和。一是电磁波进入座舱内后,经内部布置复杂的仪表板、操纵台、座椅和结构等引起的后向散射场,这种散射具有腔体类部件的散射特性,几乎占座舱散射的90%左右;二是座舱结构连接骨架形成的缝隙和台阶等电磁散射(绕射、行波散射等)、座舱结构连接件(如螺钉、铆钉等)形成的相对较弱散射以及座舱透明件镀膜后外形本身的电磁散射,这些散射即所谓的座舱次散射源散射。
根据座舱散射散射特点,采用三种散射减缩控制技术来缩减气泡式座舱散射。采用透明件镀膜进行座舱腔体屏蔽,使座舱的腔体散射效应转化为金属化后的座舱透明件的外形散射特性;采用“整体”式舱盖对消减弧框的棱边散射,达到次强散射源减缩控制技术;采用座舱的外形整形技术,进行座舱和机身的外形融合设计,则可大大降低座舱外形的侧向散射。这三项技术在图3中的某型飞机座舱盖外形上都有体现。
图3 某型飞机气泡式“整体”座舱盖
4 气泡式座舱盖的散射评估
本文基于CAE软件——FEKO对座舱盖外形的散射进行评估,分为座舱盖外形建模,散射求解计算、结果分析三个步骤。
4.1座舱盖外形建模
以飞机的隐身座舱盖为例,按照气动力、飞行员视野空间,仪表空间布置等要求,在专门的外形建模软件CATIA中设计出气泡式座舱盖的外形。
气泡式座舱盖侧视图如图4,上零纵线由两段线组成,前段为直线,后段为曲线,两者切矢连续,对于超声速飞机,为了满足视界和气动的要求,前段直线与水平面的夹角为24°~30°,后段曲线则是要求满足座舱高度和长度的尺寸要求,飞机座舱盖的前后气密框的间距一般在1.55m~1.65m之间,座舱盖的拱形截面直径满足飞行员的人绩功效的空间要求,一般为0.75~0.9m。
图4 气泡式座舱盖外形
本文设计的融合式座舱盖是在常规座舱盖的基础上设计的,常规座舱是座舱盖与机身是相互独立的,看上去仿佛是座舱叠在机身上面,而融合式座舱盖是考虑散射设计要求,对飞机座舱盖和机身进行一体化融合设计,具体图形如图5。
图5 融合式座舱截面
由于座舱盖外形是本文研究的重点,所以对与座舱盖外形匹配的机身外形进行简化处理,机身前后均做成尖劈形状,对座舱盖与机身进行融合过渡处理,生成的外形如图6,图中浅蓝色为过渡区。
图6 融合式座舱盖外形
4.2座舱盖散射求解计算
对生成的气泡式座舱盖的外形模型,在FEKO软件中进行散射CAE计算。FEKO软件是一款基于矩量法的全波通用电磁分析软件,在计算电大尺寸目标的散射过程中具有较大优势,同时,FEKO是第一个将多层快速多极子算法(MLFMM)代码商业化,同时矩量法可与其它高频近似方法混合计算,如与物理光学(PO)、几何光学(GO),以及一致性绕射理论(UTD)的混合。这种真正的混合求解技术极大地减少计算资源的需求,扩大了求解电大尺寸问题的规模。FEKO拥有专业的图形用户界面,以及多个网格导入接口(如AUTOCAD DXF,NASTRAN,PATRAN)和CAD模型的导入导出接口(如STEP,IGES,CATIA V4 and V5格式)。在航空、航天、船舶等领域,FEKO软件能够方便、快速、精确地分析如飞行器、导弹、船舶等电大尺寸的雷达散射面积,大大加快了设计进程。
在CATIA中对建好的座舱盖外形模型以IGES的形式输出,用专门的网格剖分软件HYPERMESH进行网格剖分,由于模型尺寸大小为:长8m,宽2.2m,高2.0m,根据模型大小设置剖分的三角网格单元边长,选取入射波1/8波长为网格单元边长,就可以满足网格精度的要求。最后划分的网格大小约6万,划分网格结果以.nastran输出,生成的网格如图7。
图7 HPERMESH软件中网格模型
图8 FEKO软件中网格模型
在HYPERMESH中剖分好的网格模型可以通过接口直接导入到FEKO软件中,生成的FEKO网格模型如图8,在FEKO软件中计算座舱的散射,需要设置的参数主要有:入射波、算法、积分方程选择、单双站散射选择、收敛精度和迭代余量等。采用多层快速多极子(MLFMM)方法计算0~360°的水平面单站散射,入射频率为1GHz(波长0.3米),水平极化。首先计算座舱盖在方位面0~180°的单站散射,每1°取一个点,共计181个计算点,然后根据对称性得到0~360°的单站散射曲线图,FEKO软件计算共使用5G内存,耗时2小时,计算机硬件资源为40GB内存,30GHzCPU。计算的座舱盖在方位角0-360°的直角坐标下的散射曲线如图9,极坐标下的散射曲线如图10。
图9 直角坐标下的座舱盖散射曲线
图10 极坐标下的座舱盖散射曲线
4.3CAE计算结果分析
通过图9和图10,可以得出,在机头0°方向,散射为-30db,90°方向散射为0db,在180°方向散射为-20db,其中在0~45°范围内,座舱盖的前向散射在-30db左右振动,且上下振幅保持在5db,45°~90°,散射变化近似呈现单调增长态势,由-30db变到10db。
经典的实验研究表明,典型传统飞机座舱盖的前向散射约为0.05㎡,而现代飞机的座舱盖外形在前向扇区散射均值一般在-20~-30db,通过与传统和现代飞机座舱盖散射的对比,可以得出,计算的0~45°区间的座舱的前向散射值的结果准确,散射曲线趋势符合要求。
5 结论
本文通过FEKO软件对隐身飞机座舱盖外形进行散射CAE分析,计算结果准确、可靠,表明了这种融合式座舱盖外形设计方法的合理、可行,并且为类似的座舱盖外形隐身设计提供了设计参考。同时也体现了FEKO软件在计算类似飞机这样电大尺寸的散射的快速、准确和可靠的优势,大大加快了飞机设计的进程。
核心关注:拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用,蕴涵了丰富的ERP管理思想,集成了ERP软件业务管理理念,功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理,全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域,是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处:拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/