СПОСОБ ЭКРАНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ ТРЕБУЕМЫХ ДИАПАЗОНОВ ДЛИН ВОЛН ОБЪЕКТА
METHOD OF SHIELDING ELECTROMAGNETIC RADIATION OF OBJECT REQUIRED WAVELENGTHS

Изобретение относится к способам защиты летательных аппаратов и наземных транспортных средств от обнаружения, сопровождения, определения точного местонахождения и наведения оружия по исходящим от них электромагнитным излучениям.
С появлением комбинированных головок самонаведения, реагирующих одновременно на несколько видов электромагнитных излучений, возникла необходимость создания на борту объекта системы, обеспечивающей эффективное экранирование излучений требуемых диапазонов длин волн. Известные способы в основном экранируют инфракрасное и/или радиолокационное излучения объекта.
1
ИК
1
1
Известен способ экранировки инфракрасного излучения объекта путем формирования объема V, заполненного при взрыве пиротехнических средств аэрозолем из микро- и/или наночастиц, причем для повышения эффективности рассеяния инфракрасного излучения в состав аэрозоля добавляют частицы латунной или бронзовой фольги с размерами KΔx≈Δy≈Δz≈λ/2, K=5…200 (см. патент США №4704966, МПК C06D 3/00, опубл.10.11.1987). Указанные частицы предварительно компактируют и обеспечивают их диспергирование при взрыве пиротехнических средств. Сечение рассеяния частицы фольги больше, чем у соответствующей диэлектрической квазисферической частицы, т.к. проводящие частицы более эффективны как излучающие диполи. Объем же частицы фольги ΔV в K раз меньше, чем у соответствующей квазисферической частицы. В результате эффективность ослабления инфракрасного излучения оказывается существенно выше.
РЛ
2
Кроме того, этот способ маскировки излучения объекта обеспечивает также экранировку от излучения миллиметрового диапазона длин волн при включении в состав взрывного устройства нитей электропроводного углеволокна (с металлическим покрытием или без него), причем Δx≈Δy≈7 мкм, Δz≈λ/2, т.е. K=Δz/Δx=120…1200. Метод реализован в принятой на вооружение в США и НАТО 66-мм гранате М81.
При импульсном характере формирования аэрозольного объема трудно обеспечить непрерывную экранировку объекта. Кроме того, при взрыве выделяется тепловая энергия, и само облако аэрозоля оказывается источником инфракрасного излучения. Эти недостатки ограничивают применение данного способа для ослабления инфракрасного излучения на летательных аппаратах.
Разработаны устройства и способы образования в инфракрасном диапазоне аэрозольных облаков из порошкообразного аэрозолеобразующего состава (АОС), который включает транспортирующую жидкость и суспендированный в этой жидкости порошок (см. патент США H1124 "Particle smoke generator and method», МПК F02C 6/04, НПК 106-504, опубл. 1993). Частицы порошка состоят из непрозрачного в ИК диапазоне зерна, покрытого оболочкой. Для зерен порошка могут использоваться металлы, сплавы и окиси этих металлов, углерод или второпласт. Для покрытия зерна применяются материалы, химически инертные относительно зерна и устойчивые при воздействовании температуры 400-500°С. В качестве таких материалов могут служить тонкодисперсные окислы кремния или алюминия.
В Германии для снижения ИК излучения предлагаются новые пиротехнические АОС на основе фосфорсодержащих композиций (см. патент США №5340395 «Material for efficient masking in the infrared region», МПК C09C 1/00, НПК 106-504, опубл. 23.08.1994).
В Англии разработан пиротехнический АОС для поглощения ИК излучения, содержащий красный аморфный фосфор (95%), введенный в стирол-бутадиеновый каучук с углеродным наполнителем.
Во Франции создан пиротехнический АОС, содержащий в качестве углеродовыделяющих соединений ароматические (нафталин, антрацен и др.) и хлорированные (гексахлорэтан, гексахлорбензол и др.) углеводороды. Термическое разложение этого состава происходит при Т=1000°С, при котором углеродосодержащий компонент проходит через паровую фазу, формируя наноразмерные частицы углерода, обеспечивающие ослабление ИК излучение объекта.
Таким образом, анализ зарубежных разработок позволяет сделать вывод, что в основном экранирование излучения защищаемого объекта обеспечивается в инфракрасном и/или радиолокационном диапазонах длин волн при взрыве пиротехнических средств.
Известны технологии образования объемно распределенных поглощающих образований (ОРПО), состоящих из паутинообразных микро- и наноструктур из проводящих материалов (см. Издательский дом «Алмаз Медиа», Журнал «Воздушно-космическая оборона», статья «Волосы ангела», с.55).
9
15
ОРПО обладают слабыми рассеивающими свойствами, а эффективно поглощают электромагнитное излучение в сверхширокополосном диапазоне длин волн (от 10 до 10 Гц). Характеристики ослабления практически не зависят от длины волны и угла наблюдения (В.А.Алексашенко и др. «Радиоэлектронная защита вооружения и военной техники сухопутных войск от высокоточного оружия». Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем. Сборник докладов научно-технической конференции. Омск, 2008).
Для создания ОРПО необходимо на борту объекта иметь спецвещество или несколько типов спецвеществ, представляющих собой легколетучие металлоорганические вещества с примесью мелкодисперсных порошков различных металлов (Al или Cu или Ti или C). Формирование ОРПО происходит при высокотемпературном (2000…3000°С) воздействии на спецвещество при его взрыве или горении в смеси с порохом.
4
3
Например, ОРПО объемом 10 м, полученное при сжигании шашки с массой пороха 1.5 кг и массой спецвещества 0.3 кг в течение 120 с, обеспечивает ослабление электромагнитного излучения с длиной волны λ~3 см на 10 дБ.
У такого ОРПО удельное сечение поглощения изменяется на порядок в зависимости от длины волны:
уд
3
2
σ=8·10 м/кг при λ=3 см;
уд
4
2
σ=1.3·10 м/кг при λ=0.63 мкм;
уд
4
4
2
σ=5·10…7·10 м/кг при λ=(3…5) мкм; (8…14) мкм.
Существует оптимальная плотность ОРПО для конкретных диапазонов длин волн, поэтому в наземных условиях можно искусственно создать порошок или суспензию из токопроводящих наночастиц по структуре подобных ОРПО с эффективными характеристиками ослабления излучений для заданных диапазонов длин волн. Такой состав назовем аэрозолеобразующим наносоставом (АНС). При диспергировании АНС в воздушный поток будет создаваться аэрозольный экран вокруг объекта, эффективно ослабляющий его излучения в заданных диапазонах длин волн.
Важным параметром, определяющим использование аэрозольной системы, являются ее массогабаритные характеристики.
При полете в воздушном пространстве у летательного аппарата (ЛА) относительная скорость спутного воздушного потока высокая, и поэтому необходимый объем аэрозольного экрана V велик. При защите объекта в течение интервала времени Δt>10 мин для заполнения объема V с использованием квазисферических аэрозольных частиц потребуется большая масса АОС, а следовательно, и большая емкость на борту ЛА. Учитывая высокие требования к массогабаритным характеристикам систем ЛА, применение такой аэрозольной системы становится проблематичным.
Для формирования аэрозольного экрана по технологии ОРПО необходимо иметь на борту спецвещество и пиротехнические средства, поэтому массогабаритные характеристики такой системы также высокие. Основные параметры пяти типов спецвеществ приведены в таблице.
Тип состава
1
2
3
4
5
Степень ослабления на единицу длины, дБ/м
20
20
20
20
20
Приведенная ослабляющая способность, м<sup>2</sup>/кг
1.1·10<sup>7</sup>
8.5·10<sup>5</sup>
3·10<sup>5</sup>
4.8·10<sup>6</sup>
4.6·10<sup>5</sup>
Эффективная проводимость среды, с<sup>-1</sup>
2·10<sup>9</sup>
4·10<sup>8</sup>
5·10<sup>8</sup>
2.5·10<sup>8</sup>
4.5·10<sup>8</sup>
Расход вещества, кг/с
5·10<sup>-3</sup>
6.6·10<sup>-2</sup>
1.5·10<sup>-1</sup>
1.2·10<sup>-2</sup>
1.2·10<sup>-1</sup>
Масса вещества, кг
9
118
270
21.6
216
2
13
-3
-14
-7
3
3
При реализации нанотехнологий, например при использовании в качестве АОС углеродных нанотрубок, масса экранирующего аэрозоля будет очень небольшой. Прикидочные расчеты показали, что при длине волны λ=10 мкм, среднем сечении рассеяния одиночной нанотрубки σ=0,1·(λ/2), надежная экранировка с оптической плотностью τ при длине экрана L=10 см достигается при концентрации нанотрубок n=4·10 м, что при погонной массе нанотрубки 0,3·10 кг/м соответствует плотности аэрозоля ρ=6·10 кг/м. При экранировке сопла реактивного двигателя диаметром 1 м и при полете самолета со скоростью v=300 м/с в течение часа (t - 3,6·10 с) расход массы аэрозоля составит:
-7
3
m=ρ·π·d·L·v·t=6·10·3,14·1·0,1·300·3,6·10=0,2 кг.
0
0
0
min
max
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому нами является способ экранирования электромагнитных излучений требуемых диапазонов длин волн объекта, включающий диспергирование в воздух между объектом и приемниками излучений аэрозолеобразующего наносостава из микро- и наночастиц проводящих материалов, формирующих пространство (см. патент РФ №2342353, МПК C06D 3/00, опубл. 27.12.2008). Аэрозоль содержит более 5 массовых процентов рассеивающих излучение частиц, каждая из которых содержит, по меньшей мере, одну протяженную электропроводную часть с характерными размерами во взаимно перпендикулярных направлениях Δx, Δy, Δz, удовлетворяющими условиям K Δx≅K Δy=Δz, где K=100…3000, Δz=0.25λ…λ,
min
max
где λ…λ - диапазон длин волн работы приемника инфракрасного излучения.
В качестве рассеивающих излучение частиц могут быть использованы углеродные нанотрубки, пучки углеродных нанотрубок или протяженные монокристаллы металла. Изобретение направлено на повышение эффективности рассеяния инфракрасного излучения, исходящего от объекта, позволяет снизить массогабаритные характеристики системы и увеличить время маскировки.
Однако указанный способ, как видно уже из названия, экранирует только инфракрасное излучение.
Задача изобретения - создание аэрозолеобразующих наносоставов, обеспечивающих эффективное экранирование электромагнитных излучений объекта в течение не менее 10 минут для требуемых диапазонов длин волн и с приемлемыми для бортового использования массогабаритными характеристиками. При этом в качестве объектов защиты подразумеваются летательные аппараты воздушного и космического базирования.
Указанную задачу достигают тем, что в способе экранирования электромагнитных излучений требуемых диапазонов длин волн объекта в воздух между объектом и приемником диспергируют аэрозолеобразующий наносостав, состоящий из нескольких наноподсоставов, каждый из которых формируют из совокупности наночастиц, обеспечивающих максимальное значение сечения поглощения и/или рассеяния излучения требуемого диапазона длин волн. Аэрозолеобразующий наносостав может быть в виде порошка или суспензии и представляет собой искусственно созданную совокупность микро- и наночастиц из проводящих материалов.
Аэрозолеобразующий наноподсостав для конкретного диапазона длин волн синтезируют из различных компонентов (химических веществ) с целью получения наночастиц, имеющих химический состав, форму и размеры, обеспечивающие максимальное сечение поглощения и/или рассеяния для требуемого диапазона длин волн.
0
0
Аэрозольные наночастицы формируют с размерами ΔХ, ΔY, ΔZ во взаимно перпендикулярных плоскостях, где ΔZ - длина, а ΔХ≈ΔY=30…100 нм - поперечный размер частиц, при этом KΔx≅KΔy=Δz,
0
где K=100…3000. На наземном оборудовании управляемый синтез наночастиц обеспечивают варьированием состава и соотношений химических веществ, изменением параметров рабочих режимов, позволяющих создавать наночастицы для i-го наноподсостава длиной
Ti
Ti
Ti
ΔZ=λ/2, где λ - требуемый диапазон длин волн.
Для требуемого диапазона длин волн формируют несколько вариантов одного подсостава, имеющих совокупность наночастиц с различными параметрами удельного сечения поглощения и/или рассеяния.
a
a
Для обеспечения минимальных массогабаритных характеристик системы из полученной совокупности вариантов наноподсостава для конкретного диапазона длин волн выбирается такой, у которого наночастицы будут с минимальной массой m и объемом V, но с максимальным сечением поглощения и рассеяния, т.е. максимизируется следующий критерий
rλ
sλ
a
a
ϑ=(σ+σ)/m+V.
Технический результат - ослабление одной системой нескольких требуемых диапазонов излучения объекта - достигают благодаря тому, что аэрозолеобразующий наносостав формируют из нескольких наноподсоставов, каждый из которых представляет совокупность наночастиц с такими характеристиками, которые обеспечивают ослабление излучения в конкретном, требуемом диапазоне длин волн. Например, могут быть сформированы наноподсоставы для ослабления в радиолокационном, инфракрасном, лазерном диапазонах для конкретных участков длин волн.
Важным техническим результатом является снижение на несколько порядков массогабаритных характеристик аэрозольной системы за счет использования нанотехнологий, обеспечивших создание аэрозолеобразующих наносоставов.
Небольшие массогабаритные характеристики аэрозолеобразующего наносостава позволяют увеличить количество АНС на борту объекта, а следовательно, и время непрерывной экранировки аэрозольной системой.
Осуществление изобретения не вызывает особых проблем, так как создание аэрозольных наночастиц требуемой структуры освоено на наземных специализированных установках в Институте Общей Физики РАН, Государственном научно-исследовательском институте химии и технологии элементов органических соединений (г.Москва), ООО «НаноТехЦентр» (г.Тамбов) и других организациях. Измерения характеристик наночастиц, в том числе и параметров ослабления различных электромагнитных излучений, могут быть выполнены на стенде в Московском авиационном институте и на других предприятиях. Оценка эффективности аэрозолеобразующего наносостава будет произведена на специализированном наземном стенде в процессе измерения характеристик аэрозольной системы.