Предельно малую ЭПР обеспечивают радиопоглощающие покрытия

Валерий Вождаев
ведущий научный сотрудник
ЦАГИ им. проф.Н.Е.Жуковского,
кандидат технических наук

stealth

Снижение величины эффективной площади рассеяния (ЭПР), характеризующей радиолокационную (РЛ) заметность, путем применения планера малоотражающей формы в значительной мере влияет на летно-технические характеристики (ЛТХ) самолета. В качестве примера уменьшения заметности за счет геометрической формы планера можно привести зарубежный ударный самолет F-117. Этот летательный аппарат (ЛА) является одним из первых самолетов, созданных с широким использованием технологии «стэлс», обеспечивающей минимальный уровень визуальной, тепловой, акустической, а главное – радиолокационной заметности.
Для практической реализации малой РЛ-заметности на F-117 был применен планер малоотражающей фасеточной формы. Планер этого самолета состоит из большого числа плоских поверхностей и граней, которые расположены так, чтобы рассеивать энергию падающего электромагнитного излучения в сторону от направления на радиолокационную станцию (РЛС). Для сравнения отметим, что истребители традиционной конструкции имеют ЭПР в передней полусфере 3-5 м2, а F-117 — 0,1 м2 при тех же габаритах и массе. Однако оптимизация формы планера F-117 по критерию уменьшения заметности, выполненная вышеуказанным способом, значительно ухудшила аэродинамику самолета.
Зарубежные истребители пятого поколения F-22 Raptor и JSF F-35 по конфигурации планера намного более традиционны по сравнению с F-117 (рис. 1). При этом Raptor и JSF, по официальным американским данным, имеют такую же величину заметности, что и F-117. Возможно, что на снижение РЛ-заметности F-22 и F-35 оказало влияние широкое применение радиопоглощающих покрытий (РПП). Основные типы поглотителей электромагнитного излучения, используемых для снижения заметности летательных аппаратов, показаны на рис. 2.
Одним из примеров уменьшения ЭПР без существенных изменений в геометрическом облике является самолет B-1B (рис. 3). На этом самолете, по оценке западных специалистов, РЛ-заметность снижена в 10 раз по сравнению с вариантом самолета B-1А – до значения порядка 1 м2. Уменьшению уровней ЭПР на B-1B в значительной степени способствовало широкое использование композиционных и радиопоглощающих материалов различных типов.
Передние кромки крыла, оперения, а также прочих поверхностей вносят весьма существенный вклад в общий уровень ЭПР ЛА. На B-1B из композиционных материалов выполнены передние горизонтальные поверхности, передние кромки крыла и стабилизатора, створки бомбоотсеков, кромки и внутренние перегородки воздухозаборников. Стыки обшивки планера заклеены специальной лентой, на которую наносится краска при окончательной покраске самолета.
Один из основных вкладов в заметность летательного аппарата в диапазоне ракурсов передней полусферы вносит воздухозаборник двигателя. В связи с этим, стенки каналов воздухозаборников B-1B покрыты тонкостенными радиопоглощающими материалами. Более совершенные технологии по обеспечению малой заметности по сравнению с B-1B были реализованы в зарубежном бомбардировщике B-2. На данном самолете были применены каналы воздухозаборника сложной S-образной формы, полностью экранирующие отражение от первой ступени компрессора. Однако даже в таком изощренном конструктивном исполнении воздухозаборника для устранения вклада в заметность от переотражений волны внутри канала необходимо, чтобы на стенки канала было нанесено радиопоглощающее покрытие.
При взаимодействии электромагнитного излучения с РПП (рис. 4 а) в материале имеет место поглощение энергии (диэлектрические и магнитные потери). Диэлектрические свойства среды распространения радиоволн описываются двумя комплексными величинами – диэлектрической и магнитной проницаемостью.
С мнимой частью диэлектрической проницаемости связаны потери электромагнитной энергии в среде. Электрическое поле воздействует на свободные электроны и приводит их в движение, передавая им часть энергии. Свободные электроны, сталкиваясь с молекулами среды, передают им свою энергию, т.е. энергия поля переходит, таким образом, через посредство свободных электронов в кинетическую энергию молекул, т.е. в тепло.
Помимо диэлектрических потерь, в покрытиях возможны магнитные потери, которые могут иметь место в ферромагнетиках. Как и в случае диэлектрических потерь, магнитные потери возникают за счет мнимой части магнитной проницаемости.
Наиболее широко используются интерференционные (резонансные) покрытия, которые состоят из чередующихся слоев диэлектрика и проводящего материала. Интерференция обусловлена взаимодействием волн, отраженных от разных слоев покрытия. Чтобы покрытия обладали не только интерференционными, но и поглощающими свойствами, в них вводят ферромагнитные вещества. Слои имеют толщину, равную четверти длины волны или кратную нечетному числу четвертей волны, вследствие чего отраженные колебания от соседних слоев оказываются в противофазе (рис. 4 б).
Общее численное решение для многослойных покрытий может быть получено с помощью методики, основанной на решениях системы скалярных уравнений Максвелла для плоских гармонических электромагнитных волн, базирующейся на использовании рекуррентной процедуры вычисления характеристической матрицы слоистой среды. Алгоритм расчета, на базе которого разработана компьютерная программа расчёта радиофизических характеристик покрытий со слоистой структурой с заданными диэлектрическими и магнитными свойствами, представлен на рис. 5.
Рассмотрим отражательные свойства радиопоглощающего покрытия – электрического экрана Солсбери. В качестве радиопоглощающего покрытия экран Солсбери использовался в авиации на одном из вариантов разведывательного самолета U-2. Покрытие этого типа было применено в носовой части и на бортах фюзеляжа этого самолета и предназначалось для защиты от обнаружения радарами, работающими в диапазоне от 65 до 85 МГц (λ=0,35-0,45 м).
На рис. 6 представлена зависимость коэффициента отражения R от относительной частотыf/fr=λr/λна резонансной длине волны 3 см при нормальном падении волны для слоистого материала интерференционного типа — электрического экрана Солсбери. Это покрытие состоит из пленки проводящего материала, имеющего сопротивление квадрата поверхности 377 Ом, а также диэлектрика резонансной толщины на металле. Расчеты проводились для коэффициентов диэлектрической проницаемости Ɛ=1 иƐ=4. Волны, отраженные от проводящей пленки и металла, гасят друг друга так, что при резонансной частоте f=frкоэффициент отражения R=0. Численные и аналитические (RuckG.T. etall. RadarCrossSectionHandbook, 1970) решения дают идентичные результаты по коэффициенту отражения электрического экрана Солсбери (рис. 6).
С использованием численных методов могут быть определены оптимальные характеристики покрытий с заданным коэффициентом отражения. В соответствии с методикой анализа таких покрытий, диэлектрические свойства покрытия изменяются в определенных пределах. В результате вычислений формируется матрица, представляющая собой дискретный аналог поверхности, показанной на рис. 7. Наличие этих данных позволяет предварительно определять характеристики материалов, удовлетворяющих условию малого отражения.
Таким образом, при создании перспективных летательных аппаратов, в ходе разработки которых значительное внимание уделяется уменьшению радиолокационной заметности, реализовать предельно малые значения характеристик радиолокационной заметности возможно лишь путем рационального использования радиопоглощающих покрытий.

Ваш комментарий будет первым

Написать ответ

Выш Mail не будет опубликован


*


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика