SIMULIA CST革新军用飞机电磁工程 打造实战适配机型

本文将介绍虚拟电磁仿真技术如何联动设备装机性能、工程决策与战机战备状态

现代军用飞机已融入一体化空战体系，成为网络化作战单元。在空、陆、海、天、网全域作战框架下，有人战机、无人协同平台、传感器、武器系统、电子战设备与任务网络构成一套系统之系统，各单元必须协同运作。这一变革重塑了防务装备的工程研发思路。雷达、通信、导航及电子战系统不再是后期集成、仅依靠实物测试完成验证的独立子系统。

电磁（EM）性能属于整机级核心指标，直接影响装备探测能力、通信连通性、战场生存能力、频谱优势、电磁兼容（EMC）、抗干扰能力与战备状态。电磁相关的设计、仿真与验证工作必须贯穿飞机全生命周期。借助 SIMULIA CST 仿真套件等高端电磁仿真工具，研发团队可在整机集成测试开展前，提前完成天线布局、天线耦合、电磁兼容风险、雷达特征、电磁环境效应、电子战抗扰能力等仿真评估。

从项目管控角度而言，电磁仿真的价值远不止求解复杂电磁场问题。SIMULIA CST 仿真套件可提供基于物理原理的仿真分析依据。依托 3DEXPERIENCE 平台，这些仿真数据能够与技术要求、配置文件、验证方案及全生命周期决策相关联。虚拟电磁仿真由此不再是孤立的分析工作，而是融入全域建模仿真（MODSIM）与数字主线体系的重要一环。

图 1：军用飞机电磁环境构成

电磁相关风险分类

电磁危害与防护：雷击防护、电磁环境效应（E3）分析与抑制、美军标准 MIL-STD-464（平台 / 系统级电磁环境要求）

高能辐射源：高功率微波（HPM）、电磁脉冲（EMP）

辐射危害：辐射危害（RADHAZ）、设备及子系统电磁兼容、电磁兼容评估与整改、美军标准 MIL-STD-461（设备 / 子系统级电磁兼容要求）

环境类别：静电环境、雷击环境、射频电磁环境（RF EME）

军用飞机身处复杂密集的电磁环境中，自身搭载雷达天线口、通信天线、导航接收机、战术数据链、电子战系统、线缆束、航空电子舱、雷达罩、导电结构与复合材料，并配套各类防护方案，以上部件会相互产生电磁作用。同时，战机还会受到外部电磁环境影响，包括其他作战平台、电磁辐射源、通信网络、雷达系统、电子战活动以及自然电磁效应。工程研发中普遍存在一类问题：部分设计在组件测试阶段表现达标，但装机并投入实际工况后会出现偏差。研发的核心问题并非单一天线、雷达或子系统是否符合技术指标，而是整机在实战环境下能否完成既定作战任务。

从装机性能分析到战备验证依据

当电磁仿真从单纯的分析输出转变为决策支撑工具时，其战略价值便得以体现。场分布图、天线方向图、电流分布、天线耦合结果、** 雷达散射截面（RCS）** 等仿真结果本身具备参考价值，而其核心作用是解答设计、集成、鉴定及战备相关问题。图 2 为完整数据证据链。

图 2：数据证据链

组件电磁性能 → 整机集成后电磁性能 → 验证依据 → 作战决策

传统电磁仿真依旧具备重要作用，可完成整机天线装机性能、雷达散射截面分析、天线间耦合效应、机载系统与机身耦合、电磁兼容评估等整机级仿真任务。仿真模型的规模并非关键，核心在于仿真工作如何融入整体研发流程。

在传统工作模式中，仿真专家独立完成仿真建模、运算与结果解读，仿真工作相互孤立。而虚拟电磁仿真模式下，电磁模型可关联配置文件、技术要求、验证方案与全生命周期追溯体系。当几何结构、天线布局、材料、线缆敷设或平台配置发生变更时，系统会自动提示需要更新、重新运算或复核的电磁仿真内容。

从这一角度来看，虚拟电磁仿真属于 3DEXPERIENCE 平台全域建模仿真（MODSIM）体系中面向电磁领域的执行层。SIMULIA CST 仿真套件负责输出基于求解器的电磁分析结论，3DEXPERIENCE 平台则将这些结论与系统场景、配置数据、验证规划及工程管控相关联。建模仿真体系搭建起跨专业框架，实现建模、仿真、系统架构、产品变体、** 验证与确认（V&V）** 以及全生命周期决策的联动。

提前锁定雷达与射频传感系统性能

在飞机构型冻结、设计自由度受限前，雷达与射频（RF）系统、传感方案就需要具备可靠的仿真依据。这类设备的性能取决于天线口外形、射频架构、雷达罩特性、安装位置、平台交互效应及相关材料属性。上述因素会影响技术不确定性、探测精度、传感器覆盖范围与整机系统性能。

该场景对应的核心工作模块为天线与集成、射频与雷达及材料，具体工作内容包含天线设计、装机性能验证（见图 3）、天线口特性分析、雷达性能评估、射频架构研判。材料特性同样会产生影响，若材料改变射频传输效果、雷达性能或雷达罩状态，均需纳入考量；而精细化雷达特征优化主要服务于战机生存能力设计。

图 3：雷达天线雷达罩安装示意图

在设计方案仍可调整阶段，研发团队可借助电磁仿真评估各类关联影响。在实体样机与飞行测试成为主要验证手段前，提前量化天线口装机特性、覆盖范围短板、雷达罩影响、平台交互作用及材料敏感度。对于项目负责人而言，该技术可支撑前期方案筛选与综合权衡决策；对于技术专家而言，能够明确关键敏感项，夯实系统性能的技术依据。

优化天线、导航与通信系统集成

单一独立的天线方向图往往符合设计预期，但完成整机集成后，边界条件会发生改变。机翼、尾翼、外挂设备、雷达罩、天线口与结构边缘会造成信号遮挡、散射与阴影效应，邻近天线还会形成耦合通路并引发同址干扰。在实际应用中，天线的装机性能才是核心考核指标。

该场景依托天线与集成、干扰与共存两大工作模块，涵盖天线设计、雷达罩设计、天线布局、装机性能验证（见图 4），同时包含同址干扰抑制、多天线耦合分析、电磁兼容与电磁干扰评估等工作。

图 4：16 号数据链天线装机动态表面电流示意图

电磁仿真可将集成效果转化为量化依据。研发人员可对比不同天线布局方案，评估天线装机远场方向图，量化耦合强度，划定信号遮挡区域并排查覆盖盲区，以上工作均可在实体集成前完成。最终实现信号覆盖优化、通信稳定性提升，减少装机阶段突发问题，保障作战通信系统稳定运行。

提升整机集成可靠性与电磁兼容合规性

现代军用飞机搭载密集的电子架构，通过电源线、信号线与复杂线缆束实现互联。设备、子系统及整机层面均需管控电磁发射与抗干扰特性，覆盖传导干扰与辐射干扰两条路径。若电磁兼容问题在研发后期暴露，整改手段十分有限，且整改工作侵入性强、成本高昂。

该场景对应的核心工作模块为电磁兼容与干扰、关键任务设备及子系统电磁兼容，将整机电磁兼容、电磁干扰合规分析、电磁易损性评估（见图 5）、同址耦合分析，与设备级电磁发射、抗干扰评估相结合。

图 5：线缆近端（NE）与远端（FE）串扰频谱图

电磁仿真可在鉴定测试开展前，提前识别耦合通路、电磁发射机理与抗干扰风险。在设计方案仍具备调整空间时，完成屏蔽、滤波、接地、线缆敷设与设备布局的评估。该模式能够减少后期整改工作量，提升整机电磁兼容适配性，让电磁兼容合规工作更具可控性。

缩减雷达特征 提升战场生存能力

电磁性能同时决定战机可探测性。外形设计、材料、结构边缘、缝隙、天线口、外挂设备及机载系统均会影响雷达散射截面（RCS）。一处微小的结构不连续点，都可能成为主要散射源。更换材料虽可优化某一项雷达特征指标，却可能影响设备耐久性、热性能、结构集成性与可维护性。

图 6：雷达散射热点（左）与方位方向图（右）

该场景主要依托射频、雷达及材料工作模块，将雷达特征分析、电磁材料设计，与外形、天线口、装机带来的探测效应相关联。仿真技术可定位主要散射源，评估不同材料与外形方案，分析天线口、机载系统对战机雷达可视性的影响。

优化目标并非单纯降低雷达散射截面，而是在保证射频性能、集成可行性、设备可维护性与作战能力的前提下，全面提升战机生存能力。

强化电磁环境防护 提升任务抗扰能力

雷击、电磁脉冲、高功率微波照射、静电放电、射频电磁环境、辐射危害等电磁环境效应会带来额外风险，影响航空电子设备、传感器、通信系统与任务计算机。设备防护只是基本要求，实战目标是在复杂电磁环境下持续保障作战能力。

图 7：军用飞机遭遇瞬态电磁脉冲示意图

该场景对应的工作模块包括高能与瞬态效应、辐射与危害及安全、防护与加固，针对高能辐射、人员 / 弹药 / 燃油辐射危害、雷击、静电积聚、屏蔽效能、设备加固方案开展分析，并结合分析结果制定抗干扰决策。

借助仿真技术，工程师可提前研判各类电磁照射场景、感应电流与抗扰裕量，将设备加固相关设计前置。避免等到实物照射测试时才完全暴露设备缺陷，把故障排查转变为主动的抗干扰工程设计。

升级电子战能力 拓展高端电磁应用

谈及电子战（EW），通常从作战角度划分为威胁探测、干扰压制、设备防护与信号抗扰。从工程研发角度来看，电子战同样属于集成类技术。电子进攻能力取决于天线装机性能、馈源设计与高功率辐射源方案（见图 8）；电子防护依托滤波、屏蔽、自适应天线技术与系统稳定性；电子战支援则由接收机前端性能与宽带天线特性决定。

图 8：虚阴极振荡器电子动力学示意图

对应的核心工作模块为电子进攻、电子防护、电子战支援，涵盖干扰系统设计、自适应防护措施、电磁易损性分析、干扰抑制、关键电子设备加固、宽带威胁探测天线、接收机前端评估与信号抗扰能力分析，所有内容最终服务于整机电子战性能。

电磁仿真可结合整机工况开展电子战功能评估，而非将电子战设备作为孤立子系统分析。战机整体构型、装机天线、防护方案与作战环境，都会共同决定电子战效果，并非仅由电子战设备本身决定。

将电磁仿真数据融入数字主线

军用飞机的服役周期长达数十年，期间飞机构型、任务系统、外挂载荷会不断升级迭代，外部威胁环境也持续演变。单次专项仿真仅能解决特定问题，无法保障长期工程工作的连续性。

基于模型的系统工程（MBSE）、全域建模仿真（MODSIM）、虚拟孪生体及数字主线技术可解决这一问题（见图 9），让电磁仿真数据能够在产品变体、版本升级与验证工作中重复复用。在达索系统的技术体系中，建模仿真代表一体化技术思路：在 3DEXPERIENCE 平台上，实现仿真、技术要求、系统架构、产品变体、验证与全生命周期决策的深度联动。

图 9：军用飞机虚拟孪生体示意图

流程链路：构思 → 建模 → 仿真验证 → 依据数据开展生产 → 投入使用

配套体系：三维模型、持续可追溯的技术要求、实际工况反馈闭环

CATIA Magic 提供系统工程支撑，SIMULIA CST 仿真套件输出基于物理原理的电磁分析数据。两类工具联动后，研发团队可对比不同产品方案、复用共享仿真数据、追溯设计依据，并在飞机全生命周期内开展战备状态评估。

依托电磁工程革新 筑牢实战底气

现代军用飞机是一套复杂的电磁系统之系统。雷达、射频传感、天线、通信、导航、电磁兼容、电磁环境抗扰、雷达特征管控与电子战等功能在装机后相互作用。若将以上内容全部归为研发后期的独立验证工作，会大幅提升项目技术风险与管控风险。

在实物测试成为唯一验证手段前开展前置虚拟电磁仿真，可帮助工程团队提前掌握设备装机性能，优化方案权衡策略，明确整改方向，聚焦验证重点。达索系统的一体化技术方案，可将电磁性能、系统要求、验证依据与全生命周期管控融入军用飞机数字化研发流程，为关键作战装备保驾护航。

拓展交流：防务领域电磁仿真

本文以军用飞机为例，解析现代防务装备的电磁复杂性。若想深入了解电磁相关技术难点、验证需求如何拓展至陆基、海基、天基装备，欢迎参与线上网络研讨会《防务领域电磁仿真》。本次研讨会将讲解 SIMULIA CST 仿真套件如何帮助工程团队加快验证进度、降低项目风险，围绕雷达、射频与天线集成、电磁兼容合规、装备生存能力、电磁环境防护、电子战能力等核心防务电磁目标，提升跨系统集成水平。同时介绍电磁仿真如何结合基于模型的系统工程、全域建模仿真、数字连续性技术，融入防务装备整体研发体系。

报名链接：https://events.3ds.com/em-simulation-defense