Способ снижения радиолокационной заметности объекта
METHOD FOR REDUCING RADAR VISIBILITY OF OBJECT

Изобретение относится к технике защиты объектов от обнаружения с помощью радиолокационных станций и может быть использовано в наземной, надводной, 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, 1964 г. 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.
В патенте US №3518670, 1970 г. плазменное образование предлагается создавать фотоионизацией паров щелочных металлов. Способ также применим только при больших высотах полета.
Известен способ снижения радиолокационной заметности объекта, заключающийся в создании плазменного образования перед элементом объекта, вносящим большой вклад в отраженное излучение (патент РФ №2469447, приоритет от 9.12.2010 г.). 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.
1) Способ нельзя применять для снижения заметности объектов, создающих интенсивный газовый поток, например, газотурбинных двигателей. В то же время известно, что эти двигатели вносят большой вклад в радиолокационную заметность летательных аппаратов при зондировании со стороны воздухозаборника и сопла.
2) Проблематичным является применение способа в средах с высокой температурой, которую может не выдержать радиопрозрачный материал герметичной полости.
3) Установка полости на ряде объектов невозможна из-за отрицательного влияния на функционирование объектов по назначению.
Наиболее близким по технической сущности является 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 №2311707, 07.06.2006 г.). 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 К и путем добавления в плазменный объем или в топливо веществ, образующих положительные атомарные ионы.
Способ-прототип также имеет ряд ограничений по применению.
1) Способ применим только к реактивным двигателям и только для снижения мощности излучения РЛС, отраженного со стороны выходного канала двигателя.
2) Необходимо в объеме, где создается плазма, обеспечить содержание молекул кислорода не более 10%, а также температуру газа, превышающую 500 К.
3) Инжектор, создающий пучок электронов, должен иметь достаточно большую мощность.
Задача предлагаемого изобретения - расширение области применения способа снижения радиолокационной заметности объектов (расширение диапазона давлений и температур газовой среды, в том числе атмосферы Земли) и снижение энергозатрат.
Поставленная задача решается тем, что в способе снижения радиолокационной заметности объекта, заключающемся в том, что перед объектом или перед элементом объекта, вносящим большой вклад в мощность отраженного излучения, создают плазменное образование, поглощающее или рассеивающее зондирующее излучение радиолокационной станции, плазменное образование создают с помощью высоковольтного коронного лавинно-стримерного импульсного разряда и осуществляют синхронизацию зондирующих импульсов РЛС и импульсов разряда путем приема зондирующих импульсов РЛС и изменения времени начала генерирования и периода следования импульсов разряда до момента совпадения во времени импульсов РЛС и импульсов разряда.
В предлагаемом способе, как и в способах-аналогах и прототипе, в качестве среды, поглощающей или рассеивающей электромагнитное излучение, применяется плазма. Однако в отличие от аналогов и прототипа низкотемпературная плазма создается с помощью высоковольтного коронного лавинно-стримерного импульсного разряда. Суть такого разряда в том, что в системе электродов с промежутком между ними в единицы и десятки сантиметров зона ионизации (плазма разряда) распространяется до катода, перекрывая весь промежуток. Благодаря этому получают не только большую по объему область зоны ионизации и плазмы, но и большой ток коронного разряда. При этом такой разряд обеспечивает создание газоразрядной плазмы необходимой концентрации свободных электронов во всем промежутке, экранирующем защищаемый объект. Несмотря на то, что время существования такой плазмы в воздухе относительно невелико (до 1 мкс на поверхности Земли), оно сравнимо с длительностью зондирующего сигнала РЛС и оказывается достаточным для того, чтобы эффективно экранировать объект в момент, когда на объект приходит зондирующий сигнал РЛС. Кроме того, время существования плазмы повышается при понижении давления в газовой среде (например, при увеличении высоты) и при увеличении температуры (например, в соплах реактивных двигателей). При этом путем ограничения тока разряда достигается высокий к.п.д. по электропитанию при создании такой газоразрядной низкотемпературной плазмы с требуемой концентрацией электронов. Получение такого разряда возможно в атмосфере при давлении, соответствующем любым высотам, в том числе давлении на поверхности Земли.
В отличие от способа, при котором плазма создается в герметичной радиопрозрачной полости, предлагаемый способ позволяет создавать плазму в средах с высокой температурой, например в сопле реактивного двигателя, что значительно расширяет диапазон его применения. При этом плазма не мешает функционированию двигателя.
В отличие от способа создания плазмы с помощью потока высокоэнергетических частиц (электронов), при данном способе удается создать требуемую плазму на малых высотах, в том числе на поверхности Земли, не применяя высокозатратные в энергетическом смысле источники питания.
По сравнению с прототипом данный способ можно применять не только в соплах реактивных двигателей, но и в воздухе при нормальных условиях, то есть при высоком атмосферном давлении и высоком содержании кислорода.
При этом обеспечение совпадения во времени импульсов РЛС и импульсов разряда позволяет повысить эффективность защиты объектов и уменьшить энергозатраты на создание плазмы.
Предложенный способ снижения радиолокационной заметности объекта поясняется рисунками. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 и 3 - варианты устройства для синхронизации зондирующих импульсов РЛС и импульсов разряда; на фиг. 4 - блок-схема радиотехнической измерительной установки, предназначенной для проведения экспериментальных исследований предлагаемого способа; на фиг. 5 - фотография исследуемого объекта, на фиг. 6а) и б) - осциллограммы амплитуды сигнала РЛС, отраженного от исследуемого объекта при включении разряда.
Способ осуществляется следующим образом.
Для снижения радиолокационной заметности перед объектом 1 создают плазменное образование 3 с помощью высоковольтного коронного лавинно-стримерного импульсного разряда, формируемого генератором разряда 6. Синхронизацию зондирующих импульсов РЛС 2 и импульсов разряда осуществляют путем приема зондирующих импульсов РЛС 2 устройством 4 и изменения времени начала генерирования и периода следования импульсов разряда до момента совпадения во времени импульсов РЛС 2 и импульсов разряда с помощью устройства 5 синхронизации.
Для создания области с экранирующей плазмой необходимого геометрического размера может быть использован генератор разряда (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 или перед элементом объекта, 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. При этом катод отделен от отрицательного полюса высоковольтного источника питания искровым инициирующим разрядником, а в разрядную цепь введен со стороны анода дроссель с большой индуктивностью, который не позволяет переходить в искровой разряд возникающему лавинно-стримерному разряду. Благодаря этому, с помощью положительных стримеров, распространяющихся от анода вглубь промежутка, удается накопить в объеме промежутка большой положительный заряд. При дальнейшей принудительной коммутации катода на землю, между заземленным после коммутации катодом и объемным положительным зарядом возникает высокая напряженность электрического поля, приводящая к возникновению объемной плазмы. Время существования такой плазмы ограничено временем ее распада, определяющимся временем прилипания электронов к молекулам кислорода. При этом получают не только большую по объему область зоны ионизации, но и значительно более сильный средний ток лавинно-стримерного разряда, и, соответственно, большую концентрацию электронов. Это обеспечивает необходимую степень поглощения радиоизлучения по сравнению с обычным коронным разрядом.
Для синхронизации зондирующих импульсов РЛС 2 и импульсов разряда предлагается два варианта устройства.
На фиг. 2 показана схема устройства 5 синхронизации, в котором импульсы РЛС 2 используются непосредственно в операции совмещения во времени с импульсами разряда. С этой целью зондирующие импульсы РЛС с устройства 4 приема (фиг. 1) подаются на вход устройства 7 определения совпадения импульсов РЛС и импульсов запуска генератора разряда и на вход устройства 8, выполняющего перестройку генератора 9 импульсов запуска. Импульсы с выхода генератора 9 подаются на другой вход устройства 7. При совпадении во времени импульсов от устройств 4 и 9 импульсы запуска поступают на вход генератора разряда 6, который создает разряд, формирующий плазменное образование 3 (фиг. 1). Между устройствами 7 и 8 существует связь, которая вызывает остановку перестройки генератора 9 при совпадении импульсов РЛС и импульсов запуска разряда.
На фиг. 3 показан другой вариант устройства 5 синхронизации, в котором совпадение зондирующих импульсов РЛС и импульсов разряда обеспечивается путем измерения периода следования импульсов РЛС. Затем, с использованием полученной информации, определяются время запуска и периоды следования импульсов, запускающих генератор разряда. Схема на фиг. 3 работает следующим образом. С выхода устройства приема 4 импульсы подаются на устройства 10 и 11. Устройство 10 измеряет период следования импульсов РЛС и выдает его величину на устройство 11. Устройство 11 после получения информации о периоде следования принимает очередной импульс и после приема, через интервал времени, равный периоду следования импульсов РЛС, начинает генерировать импульсы запуска генератора 9. Генератор 9 формирует импульсы, запускающие генератор разряда 6, который создает разряд, формирующий плазменное образование 3 (фиг. 1).
Предлагаемый способ снижения радиолокационной заметности объектов проверен в эксперименте. Проверка выполнена с помощью радиотехнической измерительной установки, блок-схема которой показана на фиг 4. Передающий канал установки состоит из генератора 12 СВЧ колебаний, усилителя колебаний 13 и передающей антенны 14. Приемный канал состоит из приемной антенны 15, усилителя отраженных колебаний 16, детектора 17, осциллографа 18.
В установке применены рупорные антенны с коэффициентом усиления 20-27 дБ. Для обеспечения развязки между передающим и приемным каналами приемная антенна 15 установлена позади передающей антенны 14 на расстоянии 3 метра. Исследуемый объект 1 устанавливается за границей дальней зоны передающей антенны 14. Зона создания плазмы 3 находится на самом объекте 1.
Ниже приведены результаты эксперимента, в котором объект 1 был выполнен в виде металлического кольца со вставленными в него четырьмя двугранными металлическими уголками (фотография приведена на фиг. 5). В этой конструкции уголки вносят основной вклад в мощность отраженного излучения, поэтому зоны плазменного образования создавались перед ними. С этой целью вдоль раскрывов уголков были натянуты проводники. Каждая пара уголок-проводник представляла собой электроды, между которыми создавался коронный разряд. Раскрывы уголков были повернуты в сторону антенн 14 и 15. Вектор электрической составляющей излучения был направлен параллельно ребрам уголков.
Измерения ослабления электромагнитного излучения выполнялись на земной поверхности при давлении 730-740 мм рт.ст. и температуре 23-25°С. На осциллограммах (фиг. 6а и б) показаны изменения амплитуды сигнала U при включении разряда, формирующего плазму. Колебательный процесс в цепи генератора 6 разряда показан нижней кривой, амплитуда сигнала - верхней кривой. Видно, что через определенный интервал времени после включения разряда, в течение которого идет образование плазмы, амплитуда сигнала заметно уменьшается. Затем амплитуда восстанавливается, что связано с исчезновением плазмы.
Ослабление мощности сигнала при прохождении через плазму (в децибелах) рассчитано по формуле
где dP - ослабление мощности, дБ;
U1 - амплитуда сигнала при выключенном разряде, В;
U2 - амплитуда сигнала при включенном разряде, В.
Величины dP вычислены по пяти-десяти зарегистрированным отношениям U1/U2, а затем усреднены.
Измерения выполнены при частотах электромагнитного излучения f, равных 3, 6, 9 и 12 ГГц. Получены следующие результаты: при частоте f=3ГГц средняя величина ослабления 11,7 дБ, при f=6 ГГц - 12,3 дБ, при f=9 ГГц - 13,2 дБ, при f=12ГГц - 11,4 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 электронно-лучевой 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 приема зондирующих импульсов РЛС можно использовать приемный канал одного из радиотехнических устройств объекта локации. Например, это может быть канал разведки станции, предназначенной для создания помех РЛС. Кроме того, это могут быть приемные каналы станций связи, навигации, телеуправления и т.п. Зондирующее излучение РЛС имеет относительно большую мощность, поэтому оно может быть принято каналами других систем, несмотря на то, что они работают на частотах, отличных от частоты РЛС. В частности, прием может быть выполнен на частотах гармоник излучения РЛС.
3. Если использование приемных каналов, отмеченных в п. 2, проблематично, то можно применить специально разработанный канал, построенный на базе серийных твердотельных приборов. Канал может быть подключен к антенне одного из устройств, перечисленных в п. 2, или иметь собственную антенну. В частности, в качестве антенны может быть использован металлический корпус объекта локации. В этом случае на выходе антенны необходимо установить фильтр, назначение которого не допустить мешающего воздействия на устройство синхронизации токов, создаваемых электрооборудованием объекта, использующим корпус в качестве проводника.
4. СВЧ усилители в каналах приема излучения РЛС и генераторы импульсов в устройствах синхронизации могут быть выполнены на базе серийных твердотельных приборов.
5. Устройство определения совпадения импульсов РЛС и разряда может быть выполнено, например, в виде электрической цепи из двух последовательно соединенных транзисторов. Цепь пропускает ток только в том случае, если на и базы транзисторов подаются совпадающие по времени импульсы.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает расширение области применения способа снижения радиолокационной заметности объектов и снижение энергозатрат.