雷达散射截面对飞机生存力的影响

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1、雷达散射截面对飞机生存力的影响雷达散射截面对飞机生存力的影响北京航空航天大学Journal0fBeiI1gUmve,ity0fAv,v,tmcsand 扛IuOctober1998.24No5雷达散射截面对飞机生存力的影响马东立张考(北京 j 飞行百写面 j学系)E6,5摘要飞机的雷达散射截面(RCS)是影响飞机生存力的重要因素之一.建立了飞机对由预警雷达,截击机和地空导弹组成的现代化空防系统的生存概率的计算方法.其中包括发现概率,击中概率和击毁概率的计算.在计算发现概率时,考虑了天线方向圉传播日子和大气损耗的影响;在计算击中概率时,考虑了信噪比对脱靶距离的影响.通过计算,分析飞机的 RCS

2、对生存力的影响.研究结果表明,减缩飞机的 RCS不仅可以显着降低飞机被探测的概率,而且还可以缩短截击机和地空导弹对飞机的最远拦截距离.为提高飞机的生存力必须降低飞机的 RCS.关键词;翌!重垄.;分类号 v271.41地空导弹;生存力;雷达散射截面现代战争中军用飞机将面临着由预警雷达,截击机,地空导弹和防空火炮组成的现代化空防系统.一架军用飞机能否在这样的现代化空防系统中生存,是决定战争胜负的重要方面.特别是,随着遥感和探测技术的飞速发展.空防系统的探测距离,射击精度和抗干扰能力等迅速提高,作战飞机的生存力受到越来越严重的威胁.因此,提高军用飞机的生存力愈来愈受到重视.目前,生存力已成为军用飞

3、机最优先考虑的技术指标之一.并已成为一种设计准则.飞机生存力是指飞机躲避和(或)经受住人为敌对环境的能力,可以用生存概率度量.影响飞机生存力的因素有很多.其中.最重要的因素之一是飞机自身的特征信号.飞机的特征信号包括声学,光学,红外以及雷达特征信号.特别是因为雷达探测距离远并且很多空防武器是雷达制导,所以飞机的雷达特征信号减缩对提高飞机的生存力尤为重要.RCS 是反映飞机雷达特征信号的重要指标.本文就 RCS 对飞机生存力的影响展开深人的讨论.1 飞机生存概率计算方法1.1 雷达探测飞机的发现概率由雷达作用距离方程出发,引人一特征常数S/N=(F/R)(C.a/Lo)(5,)(p)(1)式中

4、StN 是雷达天线输人端的信噪比;d 是飞机的 RCS;(S/N)rmP)是发现概率为 pd 时雷达系统的最低可检测信噪比;L 是大气损耗因子;F是天线方向图传播因子;R 为飞机到雷达的距离;c.是雷达特征常数 J,它与天线射线仰角及射线传播路径无关.在一定的虚警概率 P 下,雷达一次扫描对目标的发现概率为一)df(2)式中()=2)le-it2dt;为一次扫描脉冲积累数;y 为虚警时的检测门限.1.2 威胁体击中飞机的概率威胁系统将威胁体战斗部导引至接近飞机位置的能力,可以用威胁体相对飞机的脱靶距离来衡量.当使用雷达跟踪目标时,脱靶距离不仅依赖于系统火控,制导精度,而且也依赖于跟踪雷达系统的

5、跟踪精度.经推导,脱靶距离的标准差为=/(AR+B)/(S/N)+C(3)式中 A,B,C 为与雷达有关的 3 个常数.其计算方法见文献2.对于非高能炸药战斗部(或触发式引信高能C,可以得到炸药战斗部),击中飞机的概率 PH 为收稿!El 期:1997.-19 第一作者男 3I 岁副教授 l083 北京1)航空科学基金(93B51016)资 P:【1_e 砷(一 r)(7)式中 rb:r】/,In2 为战斗部的杀伤半径;P为引信的引爆概率;,为引信的引爆截止半径.飞机在单次射击中的生存概率为Ps=1 一 Pd?P(8)在确定了 P 后,可进一步计算飞机飞经整个空防阵地的生存概率,详见文献2.2

6、 算例与分析以飞机对某一战略要地突防为例,计算飞机的生存概率.2.1 空防系统配置假定战略要地位于 0 点.建立如图 1 所示的坐标系.若已知突防飞机的袭击方向来自以战略要地为圆心.圆心角为的扇形范围,则主要讨9 方位角图 1 要地空防系统论这一区域内空防系统的作用.假定空防系统由远程警戒雷达,截击机和地空导弹系统组成.远程警戒雷达等间距布置在以要地为圆心,半径为r的弧形防线上 i 机场位于距要地半径为 r 自,方位角为的位置;地空导弹等间距布置在以要地为圆心,半径为,一的弧形防线上.在编制计算突防飞机生存概率程序时.上述空防系统配置参数可以任意指定.对于具体的算例,假定扇形空防区域的圆心角为

7、:180o.在,=100km 的弧形防线上等间距布置 4 部远程警戒雷达,两两之间的距离为 100kin,它们分别位于方位角为 O.,60.,120和 18oo 的位置;机场位于在,:40km,方位角为 90的位置;在,一=30km 的弧形防线上布置 5个地空导弹阵地,它们分别位于方位角,45.,90o,135o 和 l8,并假设每个地空导弹阵地只有一部发射架.2.2 突防模式假设飞机以飞行速度:300m/s 和飞行高度 H.=12km 沿方位角为=90的直线从远方向战略要地突防.2.3 空防作战过程当飞机突防到某一距离时,远程警戒雷达发现目标,发现目标后立即向机场告警.考虑截击机在机场待命的

8、情况.当机场接到敌情通报后,经短暂的地面反应时间截击机起飞并以最大爬升率快升到有利高度,然后被引导飞向目标.飞至某一距离时,截击机机载雷达发现目标.经敌我识别,目标截获后,雷达被镇定并转为自动跟踪状态.当突防飞机进入截击机导弹最大发射距离之内的有效攻击区时,截击机发射中程空空导弹.若未击毁目标,则继续发射第 2 枚空空导弹.在飞机拦截过程中不考虑红外弹格斗问题,因为本文的研究范围限制为飞机对雷达翩导武器的对抗.若目标飞机突破截击机的拦截,则继续飞向战略要地.当飞至某一距离时,地空导弹搜索雷达发现目标.然后,由地空导弹跟踪雷达跟踪并截获目标.若理论反应时间大于系统反应时间,则目标还没有飞临发射区

9、远界,发射导弹的一系列工作已准备就绪,这种情况导弹系统需等至目标飞到发射区远界处,再发射导弹;若,则地面设备还没有做好发射准备或刚好做完发射准备,目标已飞临发射远界,该情况应在设备准备好后,立即发射导弹.若第 l 枚地空导弹未击毁目标,则继续发射第 2 枚,第 3 枚和第 4 枚.但每次北京航空航天大学 1998 年发射地空导弹都必须满足发射条件.3 个地空导弹阵地均可独立发射导弹拦截.2.4 计算结果与分析对不同 RCS 的飞机向战略要地突防进行了计算,结果见图 2 一图 5由图 2 可以看出:当飞机的 RCS 由 30d降到 10dB 时远程警戒雷达发现飞机的预警距离(即.发现概率为 5o

10、%对应的飞机到要地的水平距离)变化不大,而飞机的 RCS 在 10一 20dBm2 之间时.远程警戒雷达发现飞机的预警距离随 RCS 的降低而显着缩短.1.oo.8o6o.4o2O图 2 预警雷达对突防飞机的随 R 的变化曲线图 3 表示飞机被拦截的最远距离(第 1次被拦截的距离)与飞机 RCS 的关系.从图中看出,RCS 从 30dB 降到 10d 姘.最远拦截距离变化不大这是由于:预警雷达对 RCS 为 3010dB 的目标预警距离变化不大.导致截击机起飞拦截的时间相差不多;虽然截击机的机载雷达对 3010dBm2 的目标探测距离相差较大,但是截击机发射中距空空导弹总是必须在目标进人射程之

11、后.还可以看出,当 RCS 从 l0dBIn2 进一步降低时,则飞机被拦截的最远距离显着下降.由图 4 看到,飞机的生存概率随突防距离的变化曲线呈阶梯状.这是因为在突防飞机被拦截之前生存概率为 1,而拦截后,将下降到某一数值并保持到第 2 次拦截之前.图 5 是不同 RCS 的飞机对地空导弹系统突防的计算结果,它表明:飞机的 RCS 从 30dBm2 降到 l0d,飞机生存概率曲线基本一致.这是因为虽然地空导弹搜索雷达对 10dBm2 以上的目标发现距离相差甚远,但是仍然需在目标飞至发射区远界处才能发射导弹,所以地空导弹摄远拦截位置不变.而对于 RCS 为 0dB 的飞机,由于雷达发现距离变短

12、,经系统反应时间后飞机已处于导弹发射区内部,因此,最远拦截距离变小.对于RCS 小于或等于一 10dBm2 的飞机可以安全通过地空导弹的防御,即 RCS 小于或等于一 l0d的飞机,从远方突防到 R:0km 的生存概率一直保持为 P:1 其原因是地空导弹搜索雷达对飞机的发现距离已变得足够短,致使地空导弹尚未做好发射准备,飞机已通过.olO20图 3 最远拦截距离与突防飞机 RCS 的关系图 4 截击机拦截时突防飞机的 P 随 R 的变化曲线2080100Rlkm图 5 地空导弹拦截时突防飞机的随的变化曲线3 结论由上述计算和分析得出如下结论:飞机 RCS的减缩作为飞机敏感性减缩的一项内容对提高

13、飞机的生存力具有突出的效果.它表现为:飞机RCS 的减缩降低了突防飞机被预警雷达和地空导弹搜索雷达发现的距离;飞机 RCS 的减缩缩Ej,8642OO00第 5 期马东立等:雷达散射截面对飞机生存力的影响 541短了截击机和地空导弹对突防飞机的最远拦截距离;飞机 RGS 的减缩提高了飞机的生存概率.参考文献1BallRE1hefundamentalsofaircraftsur4vabilltyattalyslsandde 蛔.NewyorkAmericanlrmtltute0rAeronauticsar,dAstr-mutlm.19853113232 马东立飞机生存力评怙与敏感性减缩设计:学位

14、论文.北京:北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系,19963 张考.飞行器对雷达隐身性能计算与分析北京:国防工业出版杜.1997.3437日 fectofRadarCro65SectiononAircraftSurvivabilityMaDo,liK 舯(ltlgUnc时 oi”Aeronnfice 肌 dAs眦虮dtDepI.ofF1IdeDedgoandApp1ied 唱)AbstractRadarClOg8section(RCS)ofaIIail 柚isoneoftheim0o,tinflUelBe8oNaircraftsurvivability.Acomputationalmetho

15、dfortheprobabilitythatanaircraftsurviveshsdleair-defensesystemconsistingofearlywarningradar.interceptorandsurface-to-airraissilehasbeendevelopedinthispaper.31aenhodincludescalcu-lationoftheprobabilityofdetection,theprobabilityofhitandtheprobabilityofkil1.Theinfluenceofthepatternpropagationfactoranda

16、tmosphericlossandtheinfluenceofsignal-to-noiseradio011wlssdistanceareconsideredincalculatingtheprobabilityofdetectionandtheprobabilityofhit.respectivelyTheefftofRCSonaircrafts$1LIlF-vivabilityisanalvzedbythecalculation.TheresultsshowthatreductionofaircraftsRCScann 珀 fkabIvreducetheprobabilityofdetection,anddasethem/txJml/minterceptdistanoewheninterceptorandsurfaceto-airmissileinterceptpenetratingaircraft.In0 出toenhancetheaircraftsurviv