Способ снижения радиолокационной заметности летательных аппаратов, оборудованных газотурбинными двигателями
METHOD OF REDUCING AIRCRAFT RADAR VISIBILITY, EQUIPPED WITH GAS TURBINE ENGINES

Изобретение относится к технике радиосвязи, радиолокации и радиоэлектронной борьбы и может быть использовано в авиационной и космической технике.
Известны способы снижения радиолокационной заметности летательных аппаратов, основанные на создании вблизи аппаратов плазменного образования, поглощающего электромагнитные колебания. В патенте на изобретение US №3127608 (МПК G01S 7/38, 31.03.1964) для создания плазменного образования предложено использовать пучок высокоэнергетических частиц (электронов). Недостатком способа является его применимость только на больших высотах полета (20 км и выше), так как с уменьшением высоты сильно возрастают необходимые энергозатраты на формирование пучка.
Известен способ снижения радиолокационной заметности объекта, заключающийся в создании плазменного образования перед элементом объекта, вносящим большой вклад в отраженное излучение (патент РФ №2469447, МПК H01Q 17/00, 10.12.2012). Способ позволяет снижать мощность излучения, отраженного от антенн, установленных на объекте. С этой целью в зоне расположения антенны устанавливают герметичную радиопрозрачную полость, заполняют полость газовой смесью, в газовую смесь вводят пучок электронов, управляют составом газовой смеси, энергией электронов и силой тока пучка так, что формируют поглощающий плазменный объем и/или отражающий плазменный объем, профиль которого обеспечивает меньшую радиолокационную заметность, чем радиолокационная заметность антенны. Герметичную радиопрозрачную полость устанавливают перед антенной или антенну размещают внутри полости.
Известный способ имеет ряд ограничений по применению:
а) Способ нельзя применять для снижения заметности объектов, создающих интенсивный газовый поток, например, турбореактивных двигателей. В то же время известно, что эти двигатели вносят большой вклад в радиолокационную заметность летательных аппаратов при зондировании со стороны воздухозаборника и сопла.
б) Проблематичным является применение способа в средах с высокой температурой, которую может не выдержать радиопрозрачный материал герметичной полости.
в) Установка полости на ряде объектов невозможна из-за отрицательного влияния на функционирование объектов по назначению.
Известен способ снижения радиолокационной заметности летательного аппарата, например, ракеты, оборудованного радиолокационной головкой самонаведения (патент РФ №2565158, МПК В64С 1/36, B64D 45/00, F42B 10/46, 20.10.2015). Способ позволяет снижать мощность излучения, отраженного от антенны головки. Способ заключается в размещении антенны в герметичной полости радиопрозрачного обтекателя, заполнении полости плазмообразующей газовой смесью с давлением 1-100 кПа и введении в смесь пучка электронов. Пучок создает плазменный объем, поглощающий зондирующее излучение РЛС.
Способ также имеет ряд ограничений по применению:
а) Полет летательного аппарата должен выполняться на высоте с давлением атмосферы меньше величины давления газовой смеси в полости обтекателя. В процессе полета необходимо дополнительно подавать газовую смесь в полость с учетом ее герметичности.
б) Инжектор пучка электронов должен иметь относительно большую мощность.
в) Способ нельзя применять для снижения мощности излучения РЛС, отраженного от турбореактивных двигателей.
Известен способ снижения мощности излучения, отраженного от апертурной антенны, установленной на летательном аппарате (Михайлов Г.Д., Сергеев В.И., Соломин Э.А., Воронов М.А. Методы и средства уменьшения радиолокационной заметности антенных систем // 3арубежная радиоэлектроника, 1994, №4-5, с. 54-59). Способ состоит в том, что под обтекателем антенны создают плазменный экран, по форме совпадающий с обтекателем. Для создания экрана применяют поток электронов, ионизирующий газовую среду. При концентрации электронов в плазме выше некоторой критической экран рассеивает зондирующее излучение РЛС в стороны, отличные от направления на РЛС, что и приводит к снижению заметности летательного аппарата.
Недостатки способа:
а) Относительно высокое энергопотребление инжектора электронов.
б) Способ нельзя применять в рабочей полосе частот собственной РЛС летательного аппарата.
в) Способ нельзя применять для снижения мощности излучения РЛС, отраженного от турбореактивных двигателей.
Известен способ снижения радиолокационной заметности летательного аппарата, заключающийся в снижении мощности излучения РЛС, отраженного от реактивного двигателя в задней полусфере, т.е. со стороны сопла (патент РФ №2311707, МПК H01Q 17/00, 27.11.2007). Снижение мощности обеспечивается плазменным образованием, создаваемым пучком электронов в газовом потоке, проходящем через выходной канал двигателя. Плазменное образование создается за счет ионизации продуктов сгорания топлива. Эффективность способа можно повышать путем принятия мер по снижению содержания молекул кислорода в плазменном объеме, по поддержанию температуры газа выше 500 K и путем добавления в плазменный объем или в топливо веществ, образующих положительные атомарные ионы.
Описанный выше способ наиболее близок к предлагаемому и поэтому выбран в качестве прототипа.
Способ-прототип также имеет ряд ограничений по применению.
а) Способ применим только для снижения мощности излучения РЛС, отраженного со стороны выходного канала двигателя.
б) В объеме, где создается плазма, необходимо обеспечить содержание молекул кислорода не более 10%, а также температуру газа, превышающую 500 K.
в) Инжектор, создающий пучок электронов, должен иметь относительно большую мощность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности уменьшения области формирования плазмы при сохранении эффективности защиты от излучения РЛС. Уменьшение области формирования плазмы позволит уменьшить габариты и вес устройства, создающего плазму, и снизить потребляемую им энергию.
Задача предлагаемого изобретения - расширение возможностей применения способа снижения радиолокационной заметности летательных аппаратов, основанного на применении плазменного образования (расширение диапазона давлений и температур среды, в том числе атмосферы Земли, в которой необходимо создать плазму) и снижение энергозатрат на образование плазмы. При этом задача решается применительно к летательным аппаратам, оборудованным газотурбинными двигателями, которые, как известно, вносят большой вклад в мощность отраженного от аппарата излучения радиолокационной станции (РЛС).
Поставленная задача решается тем, что в способе снижения радиолокационной заметности летательных аппаратов, оборудованных газотурбинными двигателями, заключающемся в том, что перед элементами двигателей, вносящими большой вклад в мощность отраженного излучения радиолокационной станции, создают плазменное образование, поглощающее зондирующее излучение радиолокационной станции. Плазменное образование создают с помощью высоковольтного коронного лавинно-стримерного импульсного разряда, а зондирующее излучение радиолокационной станции перехватывают и направляют на зону формирования плазмы с помощью устанавливаемого в двигателе волновода с переменным сечением, уменьшающимся от величины, обеспечивающей прикрытие от излучения элемента двигателя, вносящего большой вклад в мощность отраженного излучения радиолокационной станции, до величины, равной величине сечения зоны формирования плазмы. Причем стенки волновода изготовлены из токопроводящей сетки, обеспечивающей проход газового потока.
У газотурбинных двигателей элементами, вносящими большой вклад в мощность отраженного излучения радиолокационной станции, являются, например:
- со стороны воздухозаборника - направляющий аппарат и первые ступени компрессора;
- со стороны сопла - турбина и стабилизаторы горения пламени.
Далее в описании элементы, вносящие основной вклад в отраженное излучение, для краткости называются объектами.
В предлагаемом техническом решении в отличие от прототипа плазменное образование создают с помощью высоковольтного коронного лавинно-стримерного импульсного разряда. Отличительная особенность этого разряда состоит в том, что в системе электродов, между которыми создается разряд, зона ионизации, т.е. зона плазмы, перекрывает весь промежуток между электродами. Благодаря этому получают не только большую по объему область зоны ионизации и плазмы, но и большой ток коронного разряда. Соответственно, получают низкотемпературную плазму с большой концентрацией электронов, которая обеспечивает необходимую степень поглощения зондирующего радиоизлучения. Кроме того, время существования плазмы повышается при понижении давления в газовой среде (например, при увеличении высоты) и при увеличении температуры (например, при создании разряда в сопле реактивного двигателя). При этом разряд и плазма могут создаваться в атмосфере при давлении, соответствующем любым высотам, в том числе и на поверхности Земли.
Другое отличие от прототипа состоит в том, что для уменьшения расстояния между электродами в устройстве создания разряда, и тем самым, сокращения энергозатрат на создание плазмы, перед зоной формирования плазмы устанавливают волновод, принимающий излучение РЛС и направляющий его на плазму. Волновод имеет переменное сечение. Большая сторона сечения обращена в сторону РЛС. Ее размеры перекрывают размеры объекта, от которого необходимо уменьшить отражение. Малая сторона сечения направлена в сторону зоны плазмы. Ее размеры равны размерам зоны. Такое устройство позволяет перехватить излучение РЛС, направленное на объект, и направить его в зону формирования плазмы. Для того чтобы волновод пропускал газовый поток, его проводящие стенки должны быть изготовлены в виде сеток из прочных токопроводящих нитей.
Предложенный способ снижения радиолокационной заметности объекта поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема применения предлагаемого способа для снижения мощности излучения РЛС, отраженного от воздухозаборника или сопла газотурбинного двигателя летательного аппарата. Здесь 1 - РЛС, 2 - воздухозаборник или сопло двигателя, 3 - волновод, принимающий излучение РЛС и направляющий его в зону формирования плазмы, 4 - зона формирования плазмы. На фиг. 2 приведено схематическое изображение волновода, у которого отражающие поверхности выполнены из токопроводящих сеток. На фиг. 3 показана блок-схема установки, с помощью которой выполнен эксперимент. На фиг. 4-7 представлены результаты экспериментальной проверки изобретения.
Способ осуществляется следующим образом.
Для уменьшения мощности отраженного сигнала внутри объекта 2 создают плазменное образование 4 с помощью высоковольтного коронного лавинно-стримерного импульсного разряда, формируемого генератором разряда. Для создания области с плазмой необходимого размера может быть использован генератор разряда, описанный в статье (Лепехин Н.М., Присеко Ю.С., Филиппов В.Г., Булатов М.У., Сухаревский Д.И., Сысоев B.C. Модулированный коронный наносекундный разряд в воздухе атмосферного давления. Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 7, с. 96-102), в котором на систему электродов, установленных перед объектом, вносящим большой вклад в мощность отраженного излучения, подается напряжение с формой импульсов, обеспечивающей возникновение лавинно-стримерного (факельного) разряда. Для этого в высоковольтном источнике производят модуляцию разрядного тока с помощью специального способа выполнения схемы источника питания. Суть способа состоит в том, что катод отделен от отрицательного полюса высоковольтного источника питания искровым инициирующим разрядником, а в разрядную цепь введен со стороны анода дроссель с большой индуктивностью. Дроссель не позволяет лавинно-стримерному разряду переходить в искровой разряд. Это позволяет накопить в промежутке между электродами большой положительный заряд. Затем, при принудительной коммутации катода на землю, между катодом и положительным зарядом возникает высокая напряженность электрического поля, приводящая к возникновению плазмы. При этом значительно увеличивается сила тока разряда, повышающая концентрацию электронов в плазме.
Волновод 3, принимающий излучение РЛС 1 и направляющий его в зону плазмы 4, позволяет уменьшить расстояние между электродами. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить напряжение, необходимое для возникновения разряда, и сократить потребляемую электроэнергию. Волновод 3 выполнен из двух металлических рамок (фиг. 2), соединенных между собой металлическими стержнями, обеспечивающими жесткость конструкции. В зависимости от формы защищаемого объекта рамки имеют прямоугольную, овальную или круглую форму. Одна рамка пары имеет размеры, перекрывающие закрываемый от излучения объект, а вторая имеет размеры, равные размерам зоны формирования плазмы. На рамки натянута сетка из токопроводящих нитей. Для исключения просачивания излучения за пределы волновода максимальный размер ячеек сетки должен быть не больше величины 0,1×λ, где λ - минимальная длина волны излучения группы РЛС, от которых предполагается защищать объект (Конторович М.И. и др. Электродинамика сетчатых структур. Москва, «Радио и связь», 1987 г.).
Предлагаемый способ снижения заметности проверен в эксперименте. Блок-схема установки, с помощью которой выполнен эксперимент, показана на фиг. 3. Здесь 2 - полый замкнутый параллелепипед, имитирующий воздухозаборник или сопло турбореактивного двигателя, 3 - сетчатый волновод, перехватывающий зондирующее излучение, 4 - зона формирования плазмы, 5 - передатчик, состоящий из генератора СВЧ колебаний и импульсного модулятора, 6 - направленный ответвитель электромагнитных колебаний, 7 - приемник излучения, отраженного от имитатора 2, 8 - устройство регистрации и обработки принятых сигналов, 9 - высоковольтный генератор плазмы, 10 - импульсный синхронизатор работы передатчика, приемника и генератора плазмы. Фигура в виде полумесяца изображает антенну, излучающую и принимающую электромагнитные колебания.
Установка работает следующим образом. Синхронизатор 10 запускает с определенными интервалами времени генератор плазмы 9, передатчик 5 и приемник 7. Электромагнитные колебания с выхода передатчика 5 проходят через направленный усилитель 6 на антенну и излучаются в сторону исследуемого объекта 2. Направленный ответвитель 6 разделяет излучение передатчика и излучение, отраженное от исследуемого объекта 2. Отраженное излучение направляется на вход приемника 7. С выхода приемника 7 сигнал, несущий информацию об объекте 2, поступает на вход устройства регистрации и обработки 8.
Зондирующее объект 2 электромагнитное излучение перехватывается волноводом 3 и подвергается следующим преобразованиям.
1) Основная часть излучения направляется в зону формирования плазмы 4.
2) Некоторая, относительно малая часть, отражается от волновода в сторону антенны.
3) Часть излучения, также относительно малая, проходит сквозь стенки волновода и рассеивается в полости объекта 2.
4) При отсутствии плазмы в зоне 4 излучение проходит в полость объекта 2, рассеивается в ней и возвращается обратно через заднее отверстие и стенки волновода. Это излучение поступает через антенну и направленный ответвитель 6 на вход приемника 7.
5) При наличии плазмы в зоне 4 в полость объекта 2 проходит излучение с значительно уменьшенной мощностью. Следовательно, и рассеянное внутри объекта излучение и излучение, прошедшее обратно через волновод в сторону антенны, будут иметь малую мощность.
Таким образом, на вход приемника 7 будет поступать сумма излучений:
- отраженного от стенок волновода 3;
- рассеянного в полости объекта 2 и прошедшего в обратном направлении через отверстия и стенки волновода 3.
Мощность этой суммы колебаний при наличии плазмы будет значительно меньше, чем при ее отсутствии.
Действие плазмы показано на фигурах 4, 5, 6 и 7. Здесь представлены осциллограммы, наблюдаемые на экране приемника 7.
На фиг. 4 показан импульс отраженного сигнала с провалом амплитуды в середине, вызванным действием плазмы. Длительность импульса (4 мкс) специально выбрана больше времени существования плазмы (0,6 мкс), чтобы обеспечит наглядность процесса действия плазмы. На фиг. 5, 6 и 7 показан процесс, когда длительность импульса отраженного сигнала равна времени существования плазмы. На фиг. 5 показан импульс при отсутствии плазмы. На фиг. 6 показан импульс в начальный момент формирования плазмы. Осциллограмма на фиг. 7 соответствует моменту, когда плазма полностью сформировалась, при этом амплитуда импульса уменьшилась до уровня шумов приемника и поэтому импульс не виден.
p
р
p
р
Ниже в таблице приведены результаты измерения уменьшения мощности излучения, отраженного от объекта 2. Частота излучения 6 ГГц, длительность импульса 4 мкс, частота следования импульсов 6 кГц. Синхронно с импульсами излучения создается плазма. Уменьшение мощности выражено в децибелах относительно максимума амплитуды импульса. Результаты получены при двух режимах работы генератора плазмы 9: напряжение разряда U=35 кВ, ток разряда I=3 мА и напряжение разряда U=42 кВ, ток разряда I=5 мА. Среднее значение уменьшения мощности по результатам двадцати измерений, приведенных в таблице, составляет: при первом режиме - 14,3 дБ, при втором режиме - 18 дБ.
Техническая реализация предлагаемого способа может быть выполнена с использованием существующих устройств и элементов техники.
1. В качестве активного элемента генератора разряда, выполняющего модуляцию разрядного тока, может быть применен тиратрон или электроннолучевой вентиль (Переводчиков В.И., Матвеев Н.В., Стученков В.М., Шапенко В.М. Особенности высоковольтных коммутирующих устройств на основе электронно-лучевых вентилей. Прикладная физика, 2001, №5, с. 97-102).
2. Для изготовления волновода, перехватывающего излучение РЛС и находящегося в газовом потоке с высокой температурой, могут быть применены проводники, изготовленные из жаропрочных металлов, например вольфрама или нихрома.