УСТРОЙСТВО УМЕНЬШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕЯНИЯ ПОЛОСТИ КАНАЛА ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
DEVICE FOR REDUCING EFFECTIVE SCATTERING AREA OF AIRCRAFT ENGINE CHANNEL

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано для уменьшения эффективной площади рассеяния (ЭПР) полости канала двигателя летательного аппарата: воздухозаборника или сопла.
Как показывают результаты экспериментальных исследований ЭПР летательных аппаратов (Радиолокационная заметность самолетов (по материалам открытой иностранной печати). Обзор ЦАГИ, №665. 1986 г. С.20.), в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн в передней и задней полусферах основной вклад в их ЭПР вносят отражения от каналов воздухозаборников и сопел двигательных установок.
В настоящее время для повышения выживаемости боевых летательных аппаратов внедряются технологии, обеспечивающие их низкую радиолокационную заметность. В первую очередь конструкторы стремятся уменьшать отражения от двигательных установок (Aviation Week & Space Technology, 19.03.2001, v. 154, №12, p.90-93.), разрабатывая новые способы и устройства уменьшения ЭПР воздухозаборников и сопел (Плохих А.П., Шабонов Д.С. Радиолокационные отражатели и их применение. "Зарубежная радиоэлектроника", №8. 1992. С.85.). Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ уменьшения ЭПР полости канала двигателя летательного аппарата, основанный на диффузном рассеянии энергии без ее поглощения (Способ уменьшения эффективной площади рассеяния канала. Патент США №4148032. 1979 г. НКИ 343-18А (прототип)). Применение этого способа оправдано в случаях, когда удельная ЭПР полости (т.е. отношение ЭПР к площади входного отверстия) превышает 2. Практически эта величина в отдельных случаях может доходить до 20. Для достижения эффекта уменьшения удельной ЭПР полости используются специальные конструкции стенок, которые, например, могут быть двойными металлическими с разнообразными отверстиями. Существенным преимуществом способа является высокая прочность и термостойкость стенок, что особенно важно для использования устройства в сопле. Конструкция устройства, в котором достигается диффузное рассеяние, представлена на фиг.1. Устройство уменьшения эффективной площади рассеяния полости канала 1 двигателя 2 летательного аппарата представляет собой расположенный перед лопатками 3 турбины двигателя металлический экран 4 с регулярными отверстиями 5, образующий с поверхностью 6 полости канала двойную стенку и удерживаемый проставками 7. При отсутствии экрана 4 радиоволна входит в полость канала 1, один или несколько раз переотражается от поверхности 6 полости канала и лопаток 3 турбины двигателя и уходит в направлении источника радиоволны. Наличие металлического экрана 4 с регулярными отверстиями 5 заставляет радиоволну испытывать диффузные переотражения в разные стороны, тем самым ослаблять радиоволну, уходящую в обратном направлении. Варианты построения экранов приведены на фиг.2.
Однако как показали результаты экспериментальных исследований (Акт испытаний...), данное устройство обладает рядом следующих недостатков:
экран 4 с регулярными отверстиями 5 обеспечивает диффузное рассеяние в узком диапазоне длин радиоволн, где размеры отверстий (неоднородностей) соизмеримы с длиной волны;
при нормальном падении радиоволны к раскрыву полости, когда обратное отражение от полости канала 1 двигателя максимально, "положительное" влияние экрана 4 с регулярными отверстиями сказывается в меньшей степени (меньше переотражений).
Данные недостатки существенно снижают потенциальные возможности устройства, а также ограничивают его применение для широкого диапазона длин радиоволн и углов локации.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение ЭПР полости канала двигателя летательного аппарата за счет увеличения диффузного рассеяния внутри него для широкого диапазона длин радиоволн и углов локации.
Поставленная задача решается за счет того, что внутри экрана 4 соосно с ним размещается минимум одна пара одинаковых однозаходных проволочных цилиндрических спиралей 8 с разным направлением намотки (фиг.3), расположенных друг от друга и от лопаток турбины двигателя на расстоянии k и удерживаемых проставками, при этом параметры спиралей выбираются из соотношений:
cp
cp
cp
k≈0.85λ, S≥0.5λ, n=6-8, d≈(0.06-0.08)λ,
где k - расстояние между спиралями;
S - расстояние между центрами соседних витков спирали (шаг спирали);
ср
λ - средняя длина волны диапазона радиоизлучений;
n - число витков спирали;
d - диаметр провода спирали.
Применение однозаходных проволочных цилиндрических спиралей (ПЦС) заключается в следующем. Известно, что ПЦС представляет собой основу конструкции спиральной антенны, относящуюся к классу антенн бегущей волны (Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Т.2. - М.: Связь. 1977. С.239). Преимуществом таких антенн является их широкополосность и возможность работы как с круговой, так и с линейной поляризацией поля. При этом витки ПЦС необязательно должны иметь круглую форму. Форма их может быть любой, например в виде квадратов или многоугольников (Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редакцией Д.И.Воскресенского. - М.: Сов. радио. 1972. С.257).
ср
ср
ср
1
2
ПЦС в роли пассивного радиолокационного отражателя, также как и любая другая антенна, работающая на прием, в большей степени сохраняет присущие для нее качества. В этом случае радиоволна падает на ПЦС, как на согласованную нагрузку: частично поглощается, возбуждая в проводе спирали волны типа Т, частично рассеивается, многократно переотражаясь от стенок металлического экрана в разные стороны. Форма диаграммы обратного отражения (ДОО) ПЦС определяется типом волны, наведенной токами в проводе спирали, которая в свою очередь зависит от соотношения между длиной витка (шага спирали) и длиной волны радиоизлучения. Наиболее благоприятным условием для обеспечения условий диффузного рассеяния и ослабления падающей радиоволны является формирование пространственной ДОО в форме объемного конуса (фиг.4) с осью, совпадающей с осью ПЦС (λ=λ, где λ - средняя длина волны диапазона радиоизлучений). Данное условие будет соблюдаться при длине витка спирали, большей 1.5λ, когда в ПЦС помимо основного типа волны Т возникают волны T, T и т.д.
1
n
Приближенно можно считать, что амплитуда бегущей волны вдоль провода спирали постоянна. Тогда диаграмма направленности F(θ) ПЦС как антенны может быть представлена произведением диаграммы направленности одиночного витка F(θ) на диаграмму направленности решетки из n ненаправленных излучателей F(θ):
1
n
F(θ)=F(θ)·F(θ),
где θ - угол относительно оси спирали;
n - число витков спирали.
Диаграмма направленности одиночного витка приближенно описывается выражением:
F(θ)=cos(θ).
Множитель решетки равен:
ср
где применительно к средней длине волны λ рабочего диапазона ПЦС имеем:
где  - сдвиг фазы между токами соседних витков ПЦС;
- замедление фазовой скорости
1
V в спирали;
8
с=3·10 м/с.
1
ср
Учитывая, что c/V=1.22, для расчета ДОО ПЦС получим следующее приближенное выражение (Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редакцией Д.И.Воскресенского. - М.: Сов. радио. 1972. С.248), в которое необходимо подставить число витков n, шаг спирали S и длину витка L спирали (L>1.5λ):
Ширина диаграммы направленности ПЦС по половинной мощности, выраженная в градусах для данного случая, определяется из выражения:
Экспериментально установлено, что оптимальными геометрическими параметрами цилиндрической спиральной антенны, питаемой со стороны основания, являются следующие (Глаголевский В.Г., Шишов Ю.А. Антенны радиолокационных станций. Воениздат. - М.: 1977. С.99):
cр
cp
cp
k≈0.85λ, S≥0.5λ, n=6-8, d≈(0.06-0.08)λ,
где k - расстояние между спиралями с разным направлением намотки;
S - расстояние между центрами соседних витков спирали (шаг спирали);
cp
λ - средняя длина волны диапазона радиоизлучений;
n - число витков спирали;
d - диаметр провода спирали.
Для ПЦС ширина ДОО будет изменяться в пределах от 50 до 90°. Относительно широкая диаграмма направленности (ДОО) и сравнительно высокий уровень боковых лепестков, порядка 18 дБ, обеспечивает ПЦС дополнительное рассеяние и переотражение падающего поля в замкнутом объеме полости канала.
cр
cp
Вместе с тем известно (Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редакцией Д.И.Воскресенского. - М.: Сов. радио. 1972. С.253), что в сложных антенных системах в качестве элементов решетки с малыми взаимными связями так же применяют спирали. Так, коэффициент развязки между спиралями, имеющими одинаковое направление намотки, при расстоянии между витками S≥0.5λ превышает 15 дБ. Спирали с противоположным направлением намотки развязаны между собой уже на 40 дБ. Спиральная антенна, имеющая две противоположно направленные обмотки, создает две встречные волны с круговой поляризацией. При этом в дальней зоне образуется линейно поляризованная волна, направление поляризации которой изменяется из-за сдвига по фазе между токами в обеих обмотках за счет их пространственного разноса на расстояние, равное k≈0.85λ. Свойство спирали принимать и излучать поле только с одним направлением вращения поляризации определило порядок последовательного размещения двух одинаковых спиралей с разным направлением намотки. При этом учитывался тот факт, что поле, излученное спиралью, при отражении от проводящей поверхности, такой как, например, лопатки турбины двигателя, меняет вращения поляризации на противоположное и не может быть принято обратно этой же спиралью.
ср
ср
ср
В случае, когда λ<λ ПЦС представляет собой источник дополнительного диффузного рассеяния (фиг.5) за счет сформированной спиралью объемной дифракционной решетки из одинаковых витков с диаметром провода d≈(0.06-0.08)λ и периодом (шагом) S≥0.5λ.
Для оценки максимальных значений ЭПР при отражении (переотражении) витками радиоволны применим метод физической оптики. Совершенно очевидно, что форма витков ПЦС будет зависеть от формы сечения стенок металлического экрана. По аналогии с витками отдельные ПЦС можно рассматривать как независимые одинаковые отражатели, выстроенные в линейную эквидистантную решетку с периодом (шагом) S (Ковалев С.В., Нестеров С.М., Скородумов И.А. // РЭ. 1995. Т.40. №9. С.1346). Тогда ДОО такой решетки при условии, что λ<0.5S, в плоскости, совпадающей с вектором электрического поля при изменении угла θ из-за интерференции отражений от отдельных n витков, будет представлять собой многолепестковую структуру, которая, в свою очередь, увеличивает эффект диффузного рассеяния внутри полости канала с металлическим экраном. При этом максимумы лепестков в ДОО, где отраженное от витков поле будет синфазно складываться, формируются в угловых направлениях θ, исходя из выражения:
где p=1, 2, 3,...
л
Максимальное значение ЭПР интерференционных лепестков σ будет определяться из выражения:
л
i
2
σ=σ·n,
л
где σ - значение ЭПР i-го витка;
n - число витков спирали.
Очевидно что при падении радиоволны под углом θ≠0° к плоскости отдельного витка, значение его ЭПР (σ) будет определяться из выражения (Криспин, Маффетт. Оценка радиолокационного поперечного сечения тел простой формы. ТИИЭР, 1965, т.53, №8. С.960-975):
где d - диаметр провода спирали;
D - диаметр витка ПЦС (фиг.3).
ср
При λ>λ металлический экран с парами периодических ПЦС представляет собой антенную цилиндрическую непрерывную замедляющую структуру с периодом (шагом) S≤0.1λ, которая формирует поле излучения в сторону лопаток турбины двигателя одной или нескольких бегущих волн (фиг.6). При неизбежном замедлении таких волн величина потерь (затухания) в спиральной структуре обратно пропорциональна длине волны в степени 3/2 (Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редакцией Д.И.Воскресенского. - М.: Сов. радио. 1972. С.214). Вместе с тем, в цилиндрической непрерывной замедляющей структуре каждая отдельная ПЦС из 6-8 витков становится независимым отражателем. Пары одинаковых ПЦС с разным направлением намотки представляют собой элементы периодической дифракционной решетки, но с большим, чем у проволочных витков, волновым размером. Отдельные ПЦС, соизмеримые с длиной волны радиоизлучения, являются изотропными (всенаправленными) отражателями и, по аналогии с предыдущими утверждениями, усиливают диффузное рассеяние во внутреннем объеме металлического экрана уже за счет интерференции отражений от каждой отдельной ПЦС.
Изложенный выше принцип работы ПЦС не учитывает всей сложности происходящих процессов и, в частности, то, что в действительности имеет место незначительное отражение энергии от оснований спирали. Кроме того, волна вдоль ПЦС распространяется как непосредственно вдоль провода, так и через пространственную связь между витками, что создает более сложную картину рассеянного поля. Данные рассуждения касаются ПЦС как отражателя и недостаточно строги, хотя и дают представление о физике происходящего процесса, который, как будет показано ниже, хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований.
Устройство работает следующим образом.
Плоский фронт электромагнитной волны под некоторым углом падает на раскрыв полости канала двигателя летательного аппарата. Волна проходит в полость канала 1 двигателя 2, один или несколько раз переотражается от стенок металлического экрана 4, частично поглощается. Наличие внутри экрана 4 размещенной соосно с ним минимум одной пары одинаковых однозаходных проволочных цилиндрических спиралей 8 с разным направлением намотки при согласованном падении на ПЦС радиоволны формирует пространственную ДОО в форме объемного конуса, усиливая переотражения от стенок металлического экрана 4. Образовавшиеся в двух соседних ПЦС с разным направлением намотки две встречные волны с круговой поляризацией образуют в дальней зоне линейно поляризованную волну, которая не сможет быть принята РЛС. В коротковолновой части диапазона волн преобладающим является поглощение за счет усиления диффузного рассеяния и интерференции волн на витках ПЦС. В длинноволновой - затухание поля, излучаемого одной или несколькими бегущими волнами в спиральной структуре, вдоль металлического экрана и распространяющимися в сторону лопаток турбины двигателя с последующим многократным переотражением от них. Как итог - ослабление отраженной радиоволны, уходящей в направлении РЛС.
Предлагаемое устройство было испытано в условиях открытого измерительного полигона ("Эталонный радиолокационный измерительный комплекс открытого типа (ЭРИК)". Оружие и технологии России. Энциклопедия. XXI век. Противовоздушная и противоракетная оборона. Том IX. - М.: «Оружие и технологии». 2004 г., стр.385), о чем свидетельствует "Акт испытаний...".
ср
Исследуемый образец полости канала двигателя летательного аппарата представлял собой полый металлический цилиндр длиной 100 см и диаметром основания 30 см, открытый с одной стороны. Устройство-прототип включало в себя металлический экран с регулярными круглыми отверстиями диаметром 0.75 см и периодом ~1.5 см, образующий с поверхностью полости цилиндра двойную стенку и удерживаемый проставками на расстоянии ≈1.3 см. Предлагаемое устройство отличалось тем, что внутри металлического экрана соосно с ним на расстоянии ≈1.6 см от поверхности металлического экрана на проставках размещались три пары одинаковых проволочных цилиндрических спиралей с разным направлением намотки, располагающиеся друг от друга и от "лопаток турбины двигателя" на расстоянии k=2.7 см, при этом параметры спирали были выбраны, исходя из приведенных выше соотношений и при условии, что λ=3.2 см: расстояние между центрами соседних витков спирали S=1.6 см; число витков спирали n=7, диаметр провода спирали d≈2 мм.
Существо предлагаемого технического решения поясняется фиг.7…10.
На фиг.7 представлена геометрия и размеры испытываемого образца полости канала двигателя летательного аппарата (полый металлический цилиндр, открытый с одной стороны).
На фиг.8 представлена схема измерения ЭПР образца двигателя с предлагаемым устройством уменьшения ЭПР и устройством прототипом.
На фиг.9 приведены диаграммы ЭПР образца полости канала двигателя летательного аппарата с предлагаемым устройством уменьшения ЭПР (a) и устройством прототипом (b) в секторе углов локации (θ) 0±60° относительно нормали к раскрыву полости для длин волн: 3.2 см - е, 4.6 см - f, 10,1 см - g, 17 см - h, 36 см - m.
На фиг.10 представлены интегральные законы распределения ЭПР (Р(σ)) образца полости канала двигателя с предлагаемым устройством уменьшения ЭПР (a) и устройством прототипом (b) в секторе углов локации 0±60° относительно нормали к раскрыву полости канала, полученные для длин волн (e, f, g, h, m).
Анализ приведенных на фиг.9 и 10 результатов позволяет сделать вывод о том (Акт испытаний...), что предлагаемое устройство уменьшения эффективной площади рассеяния полости канала двигателя летательного аппарата в сравнении с устройством-прототипом позволяет уменьшить медианные значения ЭПР (по уровню вероятности 0.5) в секторе углов локации 0±60° относительно нормали к раскрыву полости канала от 2 дБ до 16 дБ в диапазоне длин волн от сантиметров до дециметров (от 3.2 см до 36 см). Реализация заявляемого устройства не представляет трудностей. Очевидно что изобретение не ограничивается вышеизложенным примером его осуществления. Исходя из его схемы, могут быть предусмотрены и другие варианты его реализации, не выходящие за рамки предмета изобретения. Например, очевидно, что применение двухзаходных или им подобных спиралей позволит улучшить маскирующие свойства без существенного ухудшения эксплуатационных параметров самого устройства.