无人机系统仿真设计解决方案 - 图文(6)

2019-05-17 11:41

下,天线和天线阵往往会激发很强的散射贡献,成为散射的重要贡献源。所以天线和天线阵列以及天线罩在整机隐身设计中地位居首。

天线的散射由结构项散射和模式项散射构成。结构项散射是指天线的金属外形结构对于电磁波的散射。模式项散射是指天线作为电磁波接收装置,将入射电磁波接收后,由不匹配的端口再次辐射形成的散射。天线阵由于还要考虑单元间的互耦,因此模式项散射更为严重。

HFSS软件中可方便的定义天线阵的散射计算,在定义入射波的同时,每个天线单元都设置端口,这样的设置可以降天线阵散射的结构项和模式项都考虑在内,得到天线或天线阵的全部散射贡献。

天线阵的模式散射计算定义方式

在HFSS中仿真天线阵在工作频点的单站RCS,红色曲线为仅考虑结构项的单站RCS,蓝

色曲线为同时考虑结构项和模式项在内的单站RCS

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4.1.5 天线罩的RCS仿真

天线罩与天线互耦的问题包含许多复杂的近场效应,全波有限元算法能够为近场解算提供必要的精度。HFSS中具有针对介质薄层的边界条件,其算法突破传统阻抗边界在处理介质薄层问题中的局限性,既能够精确的考虑损耗,又能够将电场与磁场分量在介质薄层两侧的变化考虑在内。因此, HFSS可以在保证精度的情况下,高效的求解多层介质薄层结构,极大地降低了天线罩仿真的运算量。

在电尺寸不变的情况下,FSS层结构会让计算规模在原有基础上提升30~50倍,目前的解决方案为采用有限单元边界积分法(FE-BI)配合域分解技术在高性能计算机上并行求解。

4.1.6 FSS与天线罩的RCS计算

特殊结构或者称之为结构型材料在现代飞行器的隐身设计中越来越重要,频率选择性表面(FSS)就是一类重要的特殊结构,由于其频率选择的特性,在天线罩上应用广泛,可降低带外散射而又不影响带内电磁波的通过,对提升设备的生存能力极有意义。

采用HFSS的主从边界条件可方便的模拟FSS的周期性结构,在设计FSS和优化设计的过程中,提高效率,保证效果。如下图为耶路撒冷十字型FSS结构的仿真结构及仿真结果,从图上可看到仿真结果与实测结果吻合非常良好。

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FSS在雷达罩中广泛使用,但其建模和仿真都极具挑战,HFSS中可导入外部模型,精确仿真得到包含FSS结构的天线罩的散射性能。

4.1.7 缩减RCS设计与超宽带RCS

已有的RCS研究主要关注在频域窄带RCS,但随着超宽带雷达应用于目标探测以及缩减目标RCS的设计需求,时域仿真也将成为RCS研究的重要手段。它可为目标特性的研究直接提供一维距离像信息,以及生成二维距离像所需的数据,在缩减目标RCS的设计中指导吸波材料的铺放位置。并且时域仿真的入射脉冲可看作具有超宽带频谱分量的入射波,对时域仿真得到的脉冲回波进行FFT变换后可直接得到目标的超宽带散射特性。

HFSS-Transient是HFSS的时域求解器,基于间断伽略金时域(DGTD)法,能够很好地实现采用脉冲激励类型的仿真,因此特别适合如雷击、静电放电、瞬态RCS等短时激励下的瞬态场显示。DGTD是HFSS-Transient中采用的时域算法,采用非均匀四面体网格和非均匀时间步长,结合了FDTD/FIT和时域有限元法(FETD)、有限空间时域法(FVTD)的优点,既通过四面体共形网格保障了模型保真度,比FDTD/FIT法具有更高的精度,同时具备FDTD/FIT在速度和内存消耗上的优势。

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目标的瞬态场仿真和由此得到的一维距离像

5.1 雷电防护

5.1.1 雷电防护技术背景

雷电、高强度辐射场(HIRF)、电磁/核电磁脉冲(EMP/NEMP)等问题,已成为影响飞机飞行安全的重要因素。在地球大气中,平均每天约发生800万次雷电。其中幅值高达到200千安以上的雷电流占0.5%,电流的上升速率最高可达每秒1000千安培左右。有统计表明,无人机在飞行过程中可能遭受恶劣天线,甚至雷击的影响。为提高飞机飞行性能,大量采用了现代电子技术,如计算机飞控系统,通信导航系统,同时还大量采用了先进复合材料,如碳纤维复合材料等。但遗憾的是,这些先进的电子技术和材料技术,对雷电相当敏感,遭到雷击后损失更大。迄今为止,至少有2500架飞机被雷电击毁。因此,将大气雷电环境给飞行安全带来的影响减至最小,一直是人们努力追求的目标。

飞机雷电防护适航审查的符合性方法通常有分析计算方法、类比方法和地面模拟雷电试验方法。分析计算方法主要用于飞机某些能得出准确解的局部结构和部件的计算。类比方法主要是将外形、结构和用途都基本相同的飞机或结构与部件,与已通过适航审查的飞机或结构与部件进行对比,当确实相同时,也可以认为满足要求。地面模拟雷电试验方法,主要用于新机型的研制、设计和老机型的改进或改型设计。由于飞机外形的不规则性及机械结构与电气系统的多样性与复杂性,电场与磁场的精确解非常困难,因此,雷电试验的方法被认为是最有效的方法。这个过程,类似于飞机机械结构设计加工完成后,仍需由力学试验来验证其可靠性的过程。

5.1.2 雷电防护仿真需求

针对飞机雷电防护设计,主要需要解决的有关问题包括:雷电分区、雷电直接效应、间接效应、以及HIRF效应分析。

雷电分区是飞机设计过程中,对飞机各部位对遭受雷击的可能性的等级划分,以采用不同等级的防雷设计和防雷措施,主要分为直接雷击区,扫掠雷击区,以

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及其他区域。此问题仿真,主要是针对飞机表面各部位雷电附着能力的模拟,可通过静电场的方式分析得到,可利用ANSYS Q3D Extractor软件完成。

由于雷电过程属于强瞬态电磁问题,所以,仿真其直接效应,如空间电磁场分布,以及间接效应,如对天线的耦合等,都需要考虑其瞬态传输过程。因此,需要用瞬态分析工具HFSS Transient分析雷电的瞬态辐射效应。

HIRF效应最主要的关注点是在强电磁辐射作用下的空间电磁场环境的变化,因此可在频域分析此类问题,可在HFSS软件中完成此类分析。

5.1.3 雷电防护仿真实例

1. 雷电分区分析

雷电分区是飞机防雷设计的重要内容,一般采用缩比模型测试的方式,但实验条件要求高,实验成本很高,采用软件仿真的方法可以方便得到各种不同假想条件下的雷击分区结果。下图1为典型运输机的雷击分区划分图。

仿真分析原理:雷击分区的分析本质上是要找到飞机各部位对雷电的附着可能性高低,以区分不同的防雷区域和防雷设计。在仿真上,可以分析雷电击穿之前,飞机上各部位的感应场/感应电流/感应电荷的分布状态,以判断飞机不同部位的击穿可能性,也就是可以判断雷电附着点的区域,通过综合分析不同位置的统计情况,最后可得到飞机的雷电分区图。

仿真分析方法:在Q3D软件中,建立雷电分区分析模型,飞机位于两片带点云之间,带电云分别带有正电荷和负电荷,从而形成高电压差,见图2,分析此情况下,飞机表面上的感应电荷分布密度,从电荷的密度分布判断雷电附着点的大致区域,从而得到雷电分区结果,如下图3所示。

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