29.12.2009
Фундаментальные и прикладные проблемы стелс-технологий
Авторы: А.Н. Лагарьков, М.А. Погосян
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 73, № 9, с. 848 (2003)
Вопреки последним тенденциям в русском языке, мы все же решились использовать английский термин "стеле" - "скрытный", "тайный" в названии нашего сообщения прежде всего потому, что он уже прижился в отечественной литературе и широко используется как в нашей прессе, так и в зарубежной, в том числе и в неанглоговорящих странах.
Под стелс-технологиями теперь подразумевают комплекс технических решений, в результате которых уменьшается уровень сигналов, поступающих от военного объекта на приемные системы, пытающиеся объект обнаружить и уничтожить. Эти сигналы переносятся акустическими и электромагнитными волнами в широком спектре частот.
Мы коснемся здесь только одной задачи, а именно: уменьшения уровня сигналов, возникающих в результате отражения объектом электромагнитных волн, излучаемых радиолокаторами. Радиолокационные станции - наиболее "дальнодействующее" средство обнаружения и наведения, и первый бум в прессе по поводу стелс-технологий был связан с появлением американского самолета F-117, созданного в первую очередь для успешного преодоления системы ПВО Советского Союза, оборудованной мощными локаторами.
Бен Рич, бывший руководитель заводов фирмы "Локхид", в своих воспоминаниях о создании F-117 ведет историю стелс-технологии с 1975 г., связывая ее начало именно с этим самолетом. В действительности первые шаги были сделаны в Германии в конце Второй мировой войны. В результате ночных атак английских самолетов, оборудованных радиолокаторами, резко возросли потери немецких подводных лодок. Именно тогда на их рубки стали наносить радиопоглощающие покрытия и была разработана серийная технология производства мелкодисперсных ферромагнитных наполнителей, используемых в покрытиях. С этого момента проблема уменьшения радиолокационной заметности различных объектов вооружения и военной техники привлекает серьезное внимание промышленно развитых стран.
Основной характеристикой, определяющей свойства самолета как отражающего электромагнитные излучения объекта, является эффективная поверхность рассеяния. Она характеризует способность преобразовывать падающую электромагнитную волну в рассеянную волну, распространяющуюся в направлении на приемник. В дальнейшем мы будем рассматривать однопозиционную локацию, когда приемник и передатчик расположены в одном месте. Эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) определяется как:
где R0 - расстояние между передатчиком и объектом; Ss - плотность потока энергии рассеянной волны вблизи приемника; Si - плотность потока энергии падающей волны вблизи тела.
Величина ЭПР зависит от ориентации объекта относительно луча локатора и длины волны электромагнитного излучения. Для физиков наилучшая аналогия ЭПР - это дифференциальное сечение рассеяния назад. Если рассматривать частотную зависимость ЭПР металлического шара (рис. 1), то в диапазоне малых длин волн ЭПР совпадает с площадью его поперечного сечения. При длинах волн, сравнимых с размерами шара, возникают дифракционные минимумы и максимумы.
Рис. 1. Частотная зависимость эффективной поверхности рассеяния металлической сферы
a - радиус сферы, l - длина волны
На рисунке 2 изображена ЭПР цилиндра в зависимости от угла падения электромагнитной волны для волнового вектора, лежащего в плоскости, которая проходит через ось цилиндра, на рисунке 3 - ЭПР современного самолета для различных направлений падения электромагнитной волны в горизонтальной плоскости, проходящей через ось самолета. Вследствие сложной формы объекта для его ЭПР характерны существенные флуктуации значений при очень малом изменении углов падения электромагнитной волны. Такая картина возникает за счет явлений дифракции и последующей интерференции электромагнитных волн, отраженных от различных частей самолета с соответствующей задержкой фазы от каждого отражающего элемента.
Рис. 2. Угловая зависимость эффективной поверхности рассеяния цилиндра
D и L - диаметр и длина цилиндра, q - угол падения электромагнитной волны; стрелка показывает направление ее падения
Рис. 3. "Фасеточная" модель самолета Су-27 (вверху) и диаграмма эффективной поверхности рассеяния самолета в зависимости от угла наблюдения в горизонтальной плоскости (внизу)
Сплошная линия соответствует диаграмме рассеяния реального самолета, пунктирная - самолета с уменьшенной радиолокационной заметностью; 1 и 2 - усредненные по диапазону углов ±30° значения ЭПР
Естественно, что на практике интересуются значениями ЭПР, усредненными по относительно небольшому диапазону углов, поскольку из-за неизбежных колебаний траектории полета именно средние значения определяют уровень сигнала, обрабатываемого в приемнике. Задача стеле-технологии заключается в максимально возможном уменьшении ЭПР самолета. Например, качественный скачок в боевых возможностях самолета возник бы в том случае, если бы вместо ЭПР, изображенной на рисунке 3 сплошной линией, можно было бы получить ЭПР, показанную на том же рисунке пунктиром.
Стелс-технология включает в себя следующие основные направления: теорию дифракции на сложных телах, разработку и исследование радиопоглощающих материалов, технологию нанесения покрытий и, наконец, радиофизический эксперимент, используемый для контроля в каждом из перечисленных направлений.
В настоящее время стелс-технология начинается с математического моделирования рассеяния электромагнитной волны на объекте, радиолокационная заметность которого должна быть снижена. Этот шаг принципиален для предварительной оценки достижимого результата и позволяет оптимизировать форму и электрофизические характеристики объекта. Математические и расчетные модели базируются на решении граничных задач дифракции электромагнитных волн на телах сложной формы, имеющих в своем составе специальные материалы и покрытия. Возможности современной вычислительной техники позволяют создавать программное обеспечение для моделирования рассеяния электромагнитной волны даже на таких сложных объектах, как самолеты и корабли, учитывая многообразие подвесного оборудования, щелей, лючков и многих других, казалось бы, незначительных деталей конструкции.
На мировом рынке предлагается несколько пакетов программ, пригодных для такого моделирования. Все они при разработке используют "фасеточные" модели объектов, речь о которых пойдет ниже, и метод физической теории дифракции. В силу известных причин, обусловленных закрытостью подобных работ, до недавнего времени в отечественной печати (в отличие от зарубежной прессы) не публиковались сведения о конкретном применении математического моделирования рассеяния на объектах вооружения и военной техники. Однако из анализа научно-технической литературы по теории дифракции специалистам в области электродинамики нетрудно было оценить уровень развития соответствующей отрасли.
Вклад российских ученых в теорию дифракции не только значителен, но и по многим важнейшим направлениям основополагающий. Достаточно упомянуть имена академика В.А. Фока, профессоров Е.Н. Васильева и П.Я. Уфимцева. В.А. Фок не только первым сформулировал интегральные уравнения относительно тока на поверхности облучаемого металлического тела, но и предложил приближенное решение для тел с большим радиусом кривизны. Пионерскими были работы Е.Н. Васильева по численному решению интегральных уравнений в задаче электромагнитного возбуждения металлических тел. П.Я. Уфимцев - основоположник метода краевых волн в физической теории дифракции, исключительное значение которого в разработке стелс-мероприятий признано мировым научным сообществом. Именно численные методы решения задач рассеяния на основе интегральных уравнений, оценка рассеивающих свойств методом краевых волн, а также сочетание этих методов были использованы нами в многочисленных электродинамических моделях объектов со сниженной радиолокационной заметностью.
Сотрудники Института теоретической и прикладной электродинамики РАН в течение многих лет развивают численные методы, опираясь на достижения как российской, так и зарубежных школ теории дифракции. Применение асимптотических и гибридных алгоритмов предполагает наличие четкого представления о физических явлениях, которые приводят к формированию рассеянного поля в каждом конкретном случае: зеркальных отражениях, дифракции на кромках, бегущих волнах, многократных переотражениях внутри полостей и т.д. Учет зеркальных отражений для реальных объектов реализуется посредством разработки "фасеточных" моделей, где поверхность объекта представляется в виде большого числа отдельных плоских площадок простой формы (см. рис. 3).
При расчете ЭПР больших (в длинах волн) сложных тел существенно, что на относительно высоких частотах можно выделить отдельные фрагменты конструкции объектов, которые при данном ракурсе вносят основной вклад в формирование рассеянного поля. Это дает возможность проводить вычисления для таких центров рассеяния независимо друг от друга, при необходимости учитывая их взаимное влияние на последующих этапах. Точность расчета характеристик центров рассеяния имеет особое значение в процессе анализа малозаметных деталей, поэтому большое внимание было уделено разработке и совершенствованию соответствующих электродинамических моделей. Классической моделью такого рода считается клин (кромка). В этой модели бесконечные границы учитываются с использованием результатов физической теории дифракции, а поля и токи в конечной области пространства вблизи ребра определяются путем численного решения уравнений электромагнитного поля. Выделение отдельных центров рассеяния позволяет также анализировать специфические дифракционные явления, свойственные данной структуре, и выявить их зависимость от небольшого количества локальных параметров.
Роль численных методов исключительно велика, когда характерные размеры фрагментов объекта гораздо больше длины волны, но из-за сложности дифракционных процессов высокочастотные приближения не обеспечивают нужной точности. Таким фрагментом, создающим основной вклад в рассеянное поле в передней полусфере самолета, является воздухозаборник силовой установки с системой лопаток входной части двигателя. Использование гибридного подхода позволяет независимо рассматривать прохождение электромагнитной волны по каналу воздухозаборника и дифракцию на системе лопаток. Однако расчет рассеяния волны на входной части двигателя, имеющей поперечный размер в десятки длин волн и состоящей из множества элементов сложной формы, - самостоятельная задача, требующая использования строгих методов и их эффективной численной реализации. Разработанное программное обеспечение позволяет выполнить соответствующие расчеты с достаточной точностью (рис. 4).
Рис. 4. Модель воздухозаборника самолета (а) и диаграмма эффективной поверхности рассеяния воздухозаборника (б)
Сравнение расчетных и экспериментальных данных свидетельствует о хорошей точности программного обеспечения
Создание адекватной электродинамической модели такого сложного объекта, как самолет, требует сочетания методов радиофизики, электродинамики, вычислительной математики, обработки сигналов. В результате накоплен большой опыт в программировании расчетных задач и разработана технология эффективного использования современной вычислительной техники. В частности, важное значение имеет интеграция специализированных программных продуктов: вычислительного ядра, предназначенного для определения рассеивающих свойств, и инженерных систем проектирования, с помощью которых осуществляется перенос конструкторской документации (в электронном виде), подготовка и модификация данных о форме, структуре объекта, анализ выходных данных. Широкое распространение получила система AutoCAD, данные из которой передаются в электродинамические расчетные модели посредством специального интерфейса.
В ближайшей перспективе прогресс в развитии методов расчета рассеивающих свойств сложных объектов будет во многом обусловлен надлежащей организацией работ, привлечением необходимых специалистов, хорошей информационной и технической поддержкой, поскольку, как нам кажется, многие принципиальные вопросы, существовавшие ранее в этой области, уже решены.
Наносимые на различные элементы самолета радиопоглощающие покрытия отличаются от тех, которые применялись 10-15 лет тому назад. Современные покрытия имеют переменную по профилю толщину, сложную структуру с меняющимися значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей как по толщине (нормально к поверхности), так и вдоль поверхности обшивки. Решая фундаментальные задачи, связанные с прохождением электромагнитной волны через гетерогенные среды, изучая поведение гетерогенных смесей вблизи порога протекания, исследователи научились создавать вещества с любым частотным поведением действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, естественно, в рамках принципа Крамерса-Кронига. Создание веществ с произвольным законом поведения магнитной проницаемости связано с некоторыми дополнительными ограничениями. Современный конструктор, оптимизируя ЭПР какого-либо фрагмента самолета и подбирая для этой цели диэлектрическую и магнитную проницаемость вещества, распределение его толщины по поверхности фрагмента, может быть уверен, что технологи в дальнейшем воспроизведут требуемые параметры. Отметим также, что проведение соответствующих оптимизаций требует значительного предварительного опыта, поскольку необходимо непрерывно находить компромисс между желанием получить минимальное отражение, толщиной материала, его прочностью и, наконец, аэродинамическими свойствами фрагмента.
Для нанесения покрытий используются совершенно разные технологии. Большая часть поверхности самолета покрывается методом лакокрасочных технологий. Несмотря на кажущуюся простоту, эта технология наиболее ответственная, поскольку от ее качества зависит вклад в ЭПР одного из основных рассеивающих элементов самолета - его воздухозаборника, кроме того, нарушение адгезии покрытия в воздухозаборнике может привести к аварии самолета. Многослойные радиопоглощающие покрытия напыляются с помощью как роботизированных систем в серийном производстве самолетов, так и ручным способом при создании экспериментальных образцов техники.
Сложнейшей задачей является изготовление ферромагнитных мелкодисперсных наполнителей с заданными значениями магнитной проницаемости. В настоящее время, применяя специальную технологию, можно в достаточно широких пределах изменять спектры ферромагнитных наполнителей в СВЧ-области. Комбинируя ферромагнитные включения с включениями других типов, создают желаемый набор широкополосных радиопоглощающих покрытий. Их дальнейшее совершенствование невозможно без решения многих фундаментальных вопросов.
В первую очередь необходимо детально изучить факторы, от которых зависит величина магнитной проницаемости мелкодисперсных частиц и тонких магнитных пленок, которые представляют собой основу для создания радиопоглощающих покрытий. К таким факторам относятся: влияние механических напряжений, формирующих магнитострикцию образцов; воздействие малых примесей к ферромагнитному веществу, приводящее к изменению его магнитной анизотропии; протекание на высоких частотах релаксационных процессов в создаваемых структурах, характеризуемое параметром затухания в уравнении Ландау-Лифшица-Гилберта. В ряде случаев улучшить радиопоглощающие покрытия можно, используя ферромагнитные проводящие частицы очень малого размера. Однако на этом пути возникают две принципиальные преграды: во-первых, эти частицы становятся пироформными (вероятно, - пирофорными - V.V.), а во-вторых, их невозможно ввести с достаточно высокой плотностью в жидкую полимерную матрицу из-за роста адсорбционной способности с уменьшением размера частиц. Эта известная химическая проблема до сих пор не решена.
Чтобы обеспечить малую радиолокационную заметность самолета, широко применяются плазменные технологии, прежде всего плазменно-вакуумная, с помощью которой создается рассеивающее покрытие на фонаре кабины пилота. Обычное остекление откидного фонаря прозрачно для электромагнитных волн, поэтому, если электромагнитная волна падает на самолет из верхней полусферы, полость кабины вносит значительный вклад в ЭПР при соответствующих углах наблюдения. Одно из решений задачи малой радиолокационной заметности самолета достаточно очевидно: металлизировать остекление кабины. Отраженная от металлизированного фонаря электромагнитная волна не будет возвращена в приемник локатора, если быть точнее, значение ЭПР кабины, усредненное по некоторому небольшому сектору углов наблюдения, значительно уменьшится. Однако металлизация не должна ухудшить оптические свойства остекления кабины, к которым предъявляются исключительно жесткие требования. Таким образом, коэффициент отражения остекления фонаря кабины в СВЧ-диапазоне должен быть близок к единице, а в оптическом - к нулю. Но на этом требования, предъявляемые к покрытию, не исчерпываются. Существует проблема перегрева пилота в кабине самолетов, эксплуатируемых в тропических странах. Мощности кондиционеров в кабинах многих зарубежных самолетов, впрочем, как и в ряде наших, не хватает для комфортного состояния пилота, поэтому необходимы определенные шаги для селекции части инфракрасного спектра.
Вообще говоря, эта задача возникает и при создании селективных стекол в энергосберегающей строительной индустрии. В Институте теоретической и прикладной электродинамики РАН предложены и запатентованы так называемые энергосберегающие стекла. Они изготавливаются в больших вакуумных камерах, где на поверхность стекла наносится многослойное покрытие путем магнитронного (вероятно, - магнетронного - V.V.), распыления материала. Чтобы добиться наилучших оптических, инфракрасных и СВЧ-характеристик, используются покрытия, состоящие из чередующихся пленок различных металлов и их окислов толщиной приблизительно 100 А. За рубежом создана мощная индустрия производства таких стекол, в России массовое производство, как правило, базируется на экспортном (вероятно, - импортным - V.V.), оборудовании.
Однако откидная часть фонаря всех самолетов делается не из стекла, а из полимера, и, кроме того, его поверхность имеет двойную кривизну. Полимерная основа фонаря кабины пилота периодически подвергается деформации. Для материаловедов, занимающихся процессом напыления покрытий, технологическая задача, по существу, сводилась к напылению системы тонких жестких покрытий толщиной в доли микрометров... на футбольный мяч с требованием долговечности этого тонкого покрытия. Всем понятно, что в ходе игры тонкие пленки на поверхности мяча покроются бесчисленным числом трещин. Тем не менее эту задачу удалось решить путем магнетронного распыления в вакууме металлов с целью получения островковых металлических пленок. Эти пленки чередуются с полимерными слоями, создаваемыми плазмохимическими методами. Качество многослойных покрытий может быть заметно улучшено, если будут понятны и до конца предсказаны многочисленные плазмохимические реакции, возникающие в процессе осаждения полимерных пленок в низкотемпературной плазме разряда.
Хорошо известно, что, изменяя режим горения разряда и состав углеводородных и фторсодержащих газов, в которых горит разряд, можно получить широкий спектр свойств осаждаемой пленки - от алмазоподобной поликристаллической до полимерной. И хотя мы не обладаем полными фундаментальными знаниями в этой области, разработана устойчивая плазмохимическая технология, реализуемая в большой вакуумной камере объемом 22 м3 с давлением 4 х 10-5 мм рт.ст. Камера снабжена управляемым ЭВМ роботом, который перемещает магнетрон, и контролируемой ЭВМ системой напуска газов и управления разрядом. В этой камере и наносятся покрытия на различные оптически прозрачные детали самолета.
Для уменьшения ЭПР самолета при наблюдении его с задней полусферы необходимо прежде всего уменьшить ЭПР полости выхлопного сопла двигателя. Кроме специальных конструктивных мер, которые должны быть предусмотрены при создании новых двигателей, эффективным признано нанесение радиопоглощающих покрытий на элементы выхлопного сопла. Единственным материалом, способным выдержать одновременно температурные (до 1200°С) и механические нагрузки, характерные для этой части двигателя, является керамика. Разработаны многослойные керамические покрытия, напыляемые на выходные элементы двигателя путем нанесения расплавленных микрочастиц диэлектрика и металла или же полупроводника в плазме дугового разряда, горящего при атмосферном давлении. Основная трудность, которую пришлось преодолеть, - создание высокой адгезии между довольно толстыми металлокерамическими слоями и поверхностью металла. Как известно, керамика и металл основной конструкции самолета обладают существенно разными коэффициентами температурного расширения. Кроме того, температура, при которой покрытие должно сохранять свои радиофизические свойства, меняется в очень широких пределах - от 600 до 1200°С. Таким образом, было необходимо разработать материалы, диэлектрическая и магнитная проницаемости которых не менялись бы в широком температурном диапазоне. Эта задача частично решена: двигатели с керамическими радиопоглощающими покрытиями стоят на борту самолета и испытаны в разнообразных режимах полетов.
Принципиальной является проблема уменьшения отражения от носового обтекателя самолета. В связи с тем, что под обтекателем находится система радиолокатора, а за ней зачастую система блоков с оборудованием, обеспечивающим работу антенны, вклад антенного блока в ЭПР самолета может значительно превосходить вклад всех остальных элементов его конструкции. В том случае, если зеркало антенны направлено ортогонально к лучу локатора, ЭПР может достигать значений в десятки и более квадратных метров. Это значит, что все остальные хитрости, которые были придуманы для уменьшения радиолокационной заметности самолета, становятся бессмысленными. Однако, если повернуть зеркало антенны, направив его, например, вверх, можно существенно изменить ЭПР вдоль осевых направлений.
Это - тривиальное и хорошо известное решение, и оно широко используется. Но в ряде случаев такая процедура недостаточно эффективна.
Предложено несколько вариантов решения этой задачи. Мы рассмотрим только те, которые связаны с применением управляемых экранов, тем более что такие экраны могут использоваться как на новых самолетах, так и при модернизации уже существующих. Начнем с варианта, который представляется наиболее простым с точки зрения технического решения.
Нанесем на внутреннюю поверхность радиопрозрачного обтекателя полупроводниковую пленку, устроенную таким образом, что под действием оптического или ультрафиолетового облучения она может изменять проводимость на много порядков величины. Тогда, поместив под обтекатель источники оптического излучения (рис. 5, а), мы могли бы в зависимости от нашего желания перевести поверхность обтекателя из состояния, полностью прозрачного для СВЧ, в полностью отражающее состояние, если в результате воздействия источников излучения, которые находятся над обтекателем, проводимость достигнет высокой величины. Металлизированный обтекатель будет отражать падающую на него электромагнитную волну, и его ЭПР для углов наблюдения, отличных от ортогональных к оси самолета, станет низкой. Естественно, что в это время собственный локатор самолета работать не может.
Рис. 5. Схема отражения электромагнитных волн от обтекателя с полупроводниковым управляемым экраном (а), изменение сопротивления полупроводниковых пленок в зависимости от освещенности (б) и схема отражения электромагнитных волн от обтекателя с управляемым экраном (в)
На графике: темный прямоугольник соответствует проводимости пленок, обеспечивающей прозрачность экрана, серый прямоугольник - уровню проводимости, обеспечивающей металлизацию поверхности обтекателя; 1 - сопротивление существующих полупроводниковых пленок, 2 - сопротивление гипотетических пленок, которые позволят реализовать идею полупроводникового управляемого экрана
Вообще говоря, сопротивление полупроводниковых легированных пленок CdSn или CdS меняется на много порядков величины при вполне разумных уровнях освещенности (кривая 1 на рис. 5, б). Однако они не подходят для осуществления описанного выше технического решения. Необходимы пленки с другими динамическими свойствами (кривая 2 на рис. 5, б), но как их сделать, пока не очень понятно.
Другое техническое решение - установка перед локатором экрана, на поверхности которого размещены так называемые частотно-избирательные структуры - система периодических отверстий определенной формы, настроенных таким образом, что они свободно пропускают в обоих направлениях электромагнитную волну в узкой полосе собственных частот локатора и полностью отражают электромагнитные волны других частот. Вводя в эти специальным образом организованные отверстия, которые, по существу, представляют собой открытые резонаторы, управляющие полупроводниковые системы, можно при желании "закрыть" экран, сделав его непрозрачным для всех частот.
Проблеме частотно-селективных поверхностей посвящена обширная литература, из которой можно сделать выводы об особенностях их применения. Мы разработали численные методы расчетов частотно-селективных экранов, владеем соответствующей технологией и изготовили действующие макеты управляемых экранов. В зависимости от конкретной конструкции антенны можно использовать как частотно-селективный экран, так и плазменный. Он монтируется внутри обтекателя таким же образом, как и частотно-селективный экран, но его принцип действия несколько другой. При отсутствии сигнала управления, который может подаваться пилотом самолета или его станцией обнаружения внешнего облучения, экран выключен и прозрачен на всех частотах. Когда поступает сигнал, на экран подается напряжение, в нем зажигается низкотемпературная столкновительная плазма, в результате излучение частично отражается от экрана в направлениях, показанных на рисунке 5, в, а частично поглощается в экране. Экран эффективен для электромагнитного излучения всех частот, меньше плазменной. Значение плазменной частоты в таких системах может быть очень большим. Многолетние исследования процессов, протекающих в низкотемпературной плазме, позволили найти оптимальные параметры для состава газов, образующих плазму, и оптимизировать высокоскоростную систему генерации плазмы, необходимую для реакции на быстро меняющуюся внешнюю обстановку. Летные испытания демонстрируют высокую эффективность предложенных решений, направленных на снижение радиолокационной заметности антенного отсека.
Контроль очень многих радиофизических и электрофизических параметров отдельных слоев, из которых состоят покрытия, и результатов оптимизации отдельных фрагментов самолета осуществляется в ходе радиофизических экспериментов. Для изучения макроскопических параметров веществ, особенностей поведения частотной дисперсии диэлектриков, ферромагнетиков, мелкодисперсных частиц, приготовленных из ферромагнитных сплавов, тонких полупрозрачных островковых пленок используется лабораторное оборудование, которое должно удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к современным физическим лабораториям, занимающимся электродинамикой сплошных сред. Кроме этого, необходимо специальное материаловедческое и химическое оборудование для исследования свойств разработанных композитов.
Фрагменты самолетов, покрытых радиопоглощающим и рассеивающим покрытиями, исследуются в так называемых безэховых камерах. В них моделируются условия, реализуемые в пространстве в реальной ситуации, при которой на объект падает плоская электромагнитная волна и нет переотражений от подстилающей поверхности. Создание безэховых камер с малым уровнем шумов требует искусной работы, навыками которой российские ученые владеют в такой степени, что экспортируют эти камеры в промышленно развитые страны. После того как основные фрагменты самолета пройдут испытания в безэховых камерах, вносятся технологические поправки, если это необходимо, и осуществляется полный технологический цикл работы на самолете. В процессе ее ведется непрерывный радиофизический контроль.
Все описанные выше технологические разработки осуществляются как в нашей стране, так и в передовых зарубежных странах. Продемонстрируем мировую тенденцию изменения радиолокационной заметности сверхзвуковых маневренных самолетов (рис. 6). Если в 1980-х годах самолеты типа F-15 имели ЭПР более 10 м2 то у модернизированного авиационного комплекса ЭПР составляет 1-1.5 м2, а у перспективных авиационных комплексов пятого поколения, таких как F-22, JSF, - 0.3 м2. Еще меньшее значение ЭПР у модернизированного отечественного самолета МиГ-21.
Рис. 6. Тенденции изменения радиолокационной заметности сверхзвуковых самолетов
Мероприятия по снижению заметности самолета необходимо согласовывать с возможностями и требованиями системы радиоэлектронного противодействия. Снижение уровня заметности, конечно, уменьшает потребление мощности системы радиоэлектронного противодействия, однако более важно то, что использование средств радиоэлектронного противодействия малозаметным самолетом позволяет получить значительное превосходство в воздухе.
В зарубежной литературе можно найти оценки вероятности потерь самолетов в зависимости от ЭПР (рис. 7). Уменьшение ЭПР с 10-15 м2 - значения, типичного для тяжелых истребителей четвертого поколения, до 0.3 м2 позволяет принципиально снизить потери авиации в боевых действиях. Этот эффект усиливается, если одновременно с использованием самолетов, имеющих малую ЭПР, применить современные средства радиоэлектронного противодействия (рис. 8).
Рис. 7. Потери самолетов при преодолении ПВО в зависимости от их эффективной поверхности рассеяния
Рис. 8. Влияние совместного применения средств радиолокационного противодействия и уменьшения радиолокационной заметности на потери самолетов
Следует помнить, что уже на первом этапе конструирования нового самолета необходимо решить, готовы ли мы поставить в качестве задачи № 1 получение возможно малого значения ЭПР в ущерб многим другим свойствам самолета или же будем стремиться сохранить хорошую аэродинамику самолета при достижении малого уровня его радиолокационной заметности. Примеры первого подхода - это самолеты F-117 и В-2, форма которых оптимизирована для достижения низких ЭПР в ущерб их аэродинамическим свойствам, примеры второго подхода - это самолеты F-22, JSF и ряд других.
Очевидно, что при создании новых самолетов с малыми значениями ЭПР необходимы конструктивно-технологические мероприятия с целью оптимизации формы самолета: обеспечение плавности перехода между элементами планера, исключение внешней подвески оружия - перенос оружия внутрь фюзеляжа. В свою очередь, это требует продольной жесткости фюзеляжа, ввода в конструкцию дополнительных гидромеханических агрегатов, безопасности пуска и сброса оружия и даже изменения алгоритмов целеуказания.
Один из технологических приемов, позволяющих снизить заметность самолета, - использование крупногабаритных панелей сложной формы в качестве элементов конструкции фюзеляжа (рис. 9). Установив такую панель, можно существенно сократить число стыков обшивок на поверхности самолета и количество заклепочных и болтовых соединений, которые являются элементами отражения в переднюю полусферу при различных ракурсах.
Технологические процессы изготовления и сборки самолета должны обеспечить минимальные зазоры между элементами и агрегатами, расположенными на его внешней поверхности: створками, крышками люков и т.д. Сложной технологической проблемой остается создание беспереплетного фонаря кабины пилота для исключения соединительной дуги, ухудшающей характеристики заметности самолета.
После выполнения всех мероприятий, направленных на снижение радиолокационной заметности, необходима оптимизация работы комплекса бортового радиоэлектронного оборудования. Демаскирующие признаки, вызываемые его работой, становятся существенными на фоне пониженной радиолокационной заметности самолета. Предусматривается минимизация времени работы бортового раиоэлектронного оборудования в условиях излучения радиолокатора, использования режима бистатической радиолокации. Требуются скрытные приемы работы по связи самолетов, находящихся в группе. Два самолета идут в паре, и один из них излучает сигнал, а второй функционирует в пассивном режиме и не обнаруживается на локаторе противника. Использование вычислительных возможностей комплексов бортового оборудования, карты местности и целого ряда других методов позволяет в режиме радиомолчания определять положение самолета и решать боевую задачу.
Необходимо убедиться в эффективности всех проведенных мероприятий. Естественно, что наиболее объективным критерием эффективности было бы участие в реальных конфликтах, которые, к счастью, в последнее время пытается избегать большинство стран. Однако процесс испытаний самолетов с точки зрения исследования их радиолокационной заметности обязателен и обладает рядом специфических особенностей. Вероятность обнаружения, пропорциональная ЭПР, является статистической величиной и зависит от очень многих факторов, в том числе от погодных условий и, естественно, от курса самолета по отношению к радиолокационной станции.
Летным испытаниям предшествуют наземные, когда проводятся наблюдения самолета в различных ракурсах. Наземный измерительный комплекс (рис. 10) позволяет получить круговые диаграммы ЭПР в широком диапазоне длин волн. Измерения можно проводить при работающем двигателе, что важно для определения ЭПР в задней полусфере. Имеется также возможность оценки вклада отдельных элементов в ЭПР самолета. Затем ЭПР самолета измеряется в условиях полета с одновременной оценкой дальности обнаружения. Для набора статистики необходимо большое число экспериментов на земле и в полете. В частности, во время работ по уменьшению радиолокационной заметности самолета четвертого поколения типа Су-27 для набора статистики понадобилось более 100 часов непрерывного функционирования радиолокационных станций на наземном стенде и более 30 часов - в полете. В некоторых случаях для сравнительных оценок проводились парные полеты, в которых участвовали малозаметный и обычный самолеты.
Рис. 10. Самолет на поворотной платформе наземного измерительного комплекса
Подводя итог, можно констатировать, что в результате проведенных исследований и разработок решен ряд фундаментальных и прикладных проблем стеле-технологии: созданы расчетно-экспериментальная методика и комплексные технологии снижения заметности; доработан и испытан самолет четвертого поколения типа Су-27; предложены радиопоглощающие материалы, не уступающие по своим характеристикам лучшим зарубежным образцам. Мы считаем, что это направление требует дальнейшего развития в интересах укрепления обороноспособности страны. Стелс-технологии могут использоваться при модернизации самолетов, стоящих на вооружении, и создании перспективных авиационных комплексов.
Справка:
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 73, № 9, с. 848 (2003)
Вопреки последним тенденциям в русском языке, мы все же решились использовать английский термин "стеле" - "скрытный", "тайный" в названии нашего сообщения прежде всего потому, что он уже прижился в отечественной литературе и широко используется как в нашей прессе, так и в зарубежной, в том числе и в неанглоговорящих странах.
Под стелс-технологиями теперь подразумевают комплекс технических решений, в результате которых уменьшается уровень сигналов, поступающих от военного объекта на приемные системы, пытающиеся объект обнаружить и уничтожить. Эти сигналы переносятся акустическими и электромагнитными волнами в широком спектре частот.
Мы коснемся здесь только одной задачи, а именно: уменьшения уровня сигналов, возникающих в результате отражения объектом электромагнитных волн, излучаемых радиолокаторами. Радиолокационные станции - наиболее "дальнодействующее" средство обнаружения и наведения, и первый бум в прессе по поводу стелс-технологий был связан с появлением американского самолета F-117, созданного в первую очередь для успешного преодоления системы ПВО Советского Союза, оборудованной мощными локаторами.
Бен Рич, бывший руководитель заводов фирмы "Локхид", в своих воспоминаниях о создании F-117 ведет историю стелс-технологии с 1975 г., связывая ее начало именно с этим самолетом. В действительности первые шаги были сделаны в Германии в конце Второй мировой войны. В результате ночных атак английских самолетов, оборудованных радиолокаторами, резко возросли потери немецких подводных лодок. Именно тогда на их рубки стали наносить радиопоглощающие покрытия и была разработана серийная технология производства мелкодисперсных ферромагнитных наполнителей, используемых в покрытиях. С этого момента проблема уменьшения радиолокационной заметности различных объектов вооружения и военной техники привлекает серьезное внимание промышленно развитых стран.
Основной характеристикой, определяющей свойства самолета как отражающего электромагнитные излучения объекта, является эффективная поверхность рассеяния. Она характеризует способность преобразовывать падающую электромагнитную волну в рассеянную волну, распространяющуюся в направлении на приемник. В дальнейшем мы будем рассматривать однопозиционную локацию, когда приемник и передатчик расположены в одном месте. Эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) определяется как:
где R0 - расстояние между передатчиком и объектом; Ss - плотность потока энергии рассеянной волны вблизи приемника; Si - плотность потока энергии падающей волны вблизи тела.
Величина ЭПР зависит от ориентации объекта относительно луча локатора и длины волны электромагнитного излучения. Для физиков наилучшая аналогия ЭПР - это дифференциальное сечение рассеяния назад. Если рассматривать частотную зависимость ЭПР металлического шара (рис. 1), то в диапазоне малых длин волн ЭПР совпадает с площадью его поперечного сечения. При длинах волн, сравнимых с размерами шара, возникают дифракционные минимумы и максимумы.
Рис. 1. Частотная зависимость эффективной поверхности рассеяния металлической сферы
a - радиус сферы, l - длина волны
На рисунке 2 изображена ЭПР цилиндра в зависимости от угла падения электромагнитной волны для волнового вектора, лежащего в плоскости, которая проходит через ось цилиндра, на рисунке 3 - ЭПР современного самолета для различных направлений падения электромагнитной волны в горизонтальной плоскости, проходящей через ось самолета. Вследствие сложной формы объекта для его ЭПР характерны существенные флуктуации значений при очень малом изменении углов падения электромагнитной волны. Такая картина возникает за счет явлений дифракции и последующей интерференции электромагнитных волн, отраженных от различных частей самолета с соответствующей задержкой фазы от каждого отражающего элемента.
Рис. 2. Угловая зависимость эффективной поверхности рассеяния цилиндра
D и L - диаметр и длина цилиндра, q - угол падения электромагнитной волны; стрелка показывает направление ее падения
Рис. 3. "Фасеточная" модель самолета Су-27 (вверху) и диаграмма эффективной поверхности рассеяния самолета в зависимости от угла наблюдения в горизонтальной плоскости (внизу)
Сплошная линия соответствует диаграмме рассеяния реального самолета, пунктирная - самолета с уменьшенной радиолокационной заметностью; 1 и 2 - усредненные по диапазону углов ±30° значения ЭПР
Естественно, что на практике интересуются значениями ЭПР, усредненными по относительно небольшому диапазону углов, поскольку из-за неизбежных колебаний траектории полета именно средние значения определяют уровень сигнала, обрабатываемого в приемнике. Задача стеле-технологии заключается в максимально возможном уменьшении ЭПР самолета. Например, качественный скачок в боевых возможностях самолета возник бы в том случае, если бы вместо ЭПР, изображенной на рисунке 3 сплошной линией, можно было бы получить ЭПР, показанную на том же рисунке пунктиром.
Стелс-технология включает в себя следующие основные направления: теорию дифракции на сложных телах, разработку и исследование радиопоглощающих материалов, технологию нанесения покрытий и, наконец, радиофизический эксперимент, используемый для контроля в каждом из перечисленных направлений.
В настоящее время стелс-технология начинается с математического моделирования рассеяния электромагнитной волны на объекте, радиолокационная заметность которого должна быть снижена. Этот шаг принципиален для предварительной оценки достижимого результата и позволяет оптимизировать форму и электрофизические характеристики объекта. Математические и расчетные модели базируются на решении граничных задач дифракции электромагнитных волн на телах сложной формы, имеющих в своем составе специальные материалы и покрытия. Возможности современной вычислительной техники позволяют создавать программное обеспечение для моделирования рассеяния электромагнитной волны даже на таких сложных объектах, как самолеты и корабли, учитывая многообразие подвесного оборудования, щелей, лючков и многих других, казалось бы, незначительных деталей конструкции.
На мировом рынке предлагается несколько пакетов программ, пригодных для такого моделирования. Все они при разработке используют "фасеточные" модели объектов, речь о которых пойдет ниже, и метод физической теории дифракции. В силу известных причин, обусловленных закрытостью подобных работ, до недавнего времени в отечественной печати (в отличие от зарубежной прессы) не публиковались сведения о конкретном применении математического моделирования рассеяния на объектах вооружения и военной техники. Однако из анализа научно-технической литературы по теории дифракции специалистам в области электродинамики нетрудно было оценить уровень развития соответствующей отрасли.
Вклад российских ученых в теорию дифракции не только значителен, но и по многим важнейшим направлениям основополагающий. Достаточно упомянуть имена академика В.А. Фока, профессоров Е.Н. Васильева и П.Я. Уфимцева. В.А. Фок не только первым сформулировал интегральные уравнения относительно тока на поверхности облучаемого металлического тела, но и предложил приближенное решение для тел с большим радиусом кривизны. Пионерскими были работы Е.Н. Васильева по численному решению интегральных уравнений в задаче электромагнитного возбуждения металлических тел. П.Я. Уфимцев - основоположник метода краевых волн в физической теории дифракции, исключительное значение которого в разработке стелс-мероприятий признано мировым научным сообществом. Именно численные методы решения задач рассеяния на основе интегральных уравнений, оценка рассеивающих свойств методом краевых волн, а также сочетание этих методов были использованы нами в многочисленных электродинамических моделях объектов со сниженной радиолокационной заметностью.
Сотрудники Института теоретической и прикладной электродинамики РАН в течение многих лет развивают численные методы, опираясь на достижения как российской, так и зарубежных школ теории дифракции. Применение асимптотических и гибридных алгоритмов предполагает наличие четкого представления о физических явлениях, которые приводят к формированию рассеянного поля в каждом конкретном случае: зеркальных отражениях, дифракции на кромках, бегущих волнах, многократных переотражениях внутри полостей и т.д. Учет зеркальных отражений для реальных объектов реализуется посредством разработки "фасеточных" моделей, где поверхность объекта представляется в виде большого числа отдельных плоских площадок простой формы (см. рис. 3).
При расчете ЭПР больших (в длинах волн) сложных тел существенно, что на относительно высоких частотах можно выделить отдельные фрагменты конструкции объектов, которые при данном ракурсе вносят основной вклад в формирование рассеянного поля. Это дает возможность проводить вычисления для таких центров рассеяния независимо друг от друга, при необходимости учитывая их взаимное влияние на последующих этапах. Точность расчета характеристик центров рассеяния имеет особое значение в процессе анализа малозаметных деталей, поэтому большое внимание было уделено разработке и совершенствованию соответствующих электродинамических моделей. Классической моделью такого рода считается клин (кромка). В этой модели бесконечные границы учитываются с использованием результатов физической теории дифракции, а поля и токи в конечной области пространства вблизи ребра определяются путем численного решения уравнений электромагнитного поля. Выделение отдельных центров рассеяния позволяет также анализировать специфические дифракционные явления, свойственные данной структуре, и выявить их зависимость от небольшого количества локальных параметров.
Роль численных методов исключительно велика, когда характерные размеры фрагментов объекта гораздо больше длины волны, но из-за сложности дифракционных процессов высокочастотные приближения не обеспечивают нужной точности. Таким фрагментом, создающим основной вклад в рассеянное поле в передней полусфере самолета, является воздухозаборник силовой установки с системой лопаток входной части двигателя. Использование гибридного подхода позволяет независимо рассматривать прохождение электромагнитной волны по каналу воздухозаборника и дифракцию на системе лопаток. Однако расчет рассеяния волны на входной части двигателя, имеющей поперечный размер в десятки длин волн и состоящей из множества элементов сложной формы, - самостоятельная задача, требующая использования строгих методов и их эффективной численной реализации. Разработанное программное обеспечение позволяет выполнить соответствующие расчеты с достаточной точностью (рис. 4).
Рис. 4. Модель воздухозаборника самолета (а) и диаграмма эффективной поверхности рассеяния воздухозаборника (б)
Сравнение расчетных и экспериментальных данных свидетельствует о хорошей точности программного обеспечения
Создание адекватной электродинамической модели такого сложного объекта, как самолет, требует сочетания методов радиофизики, электродинамики, вычислительной математики, обработки сигналов. В результате накоплен большой опыт в программировании расчетных задач и разработана технология эффективного использования современной вычислительной техники. В частности, важное значение имеет интеграция специализированных программных продуктов: вычислительного ядра, предназначенного для определения рассеивающих свойств, и инженерных систем проектирования, с помощью которых осуществляется перенос конструкторской документации (в электронном виде), подготовка и модификация данных о форме, структуре объекта, анализ выходных данных. Широкое распространение получила система AutoCAD, данные из которой передаются в электродинамические расчетные модели посредством специального интерфейса.
В ближайшей перспективе прогресс в развитии методов расчета рассеивающих свойств сложных объектов будет во многом обусловлен надлежащей организацией работ, привлечением необходимых специалистов, хорошей информационной и технической поддержкой, поскольку, как нам кажется, многие принципиальные вопросы, существовавшие ранее в этой области, уже решены.
Наносимые на различные элементы самолета радиопоглощающие покрытия отличаются от тех, которые применялись 10-15 лет тому назад. Современные покрытия имеют переменную по профилю толщину, сложную структуру с меняющимися значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей как по толщине (нормально к поверхности), так и вдоль поверхности обшивки. Решая фундаментальные задачи, связанные с прохождением электромагнитной волны через гетерогенные среды, изучая поведение гетерогенных смесей вблизи порога протекания, исследователи научились создавать вещества с любым частотным поведением действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, естественно, в рамках принципа Крамерса-Кронига. Создание веществ с произвольным законом поведения магнитной проницаемости связано с некоторыми дополнительными ограничениями. Современный конструктор, оптимизируя ЭПР какого-либо фрагмента самолета и подбирая для этой цели диэлектрическую и магнитную проницаемость вещества, распределение его толщины по поверхности фрагмента, может быть уверен, что технологи в дальнейшем воспроизведут требуемые параметры. Отметим также, что проведение соответствующих оптимизаций требует значительного предварительного опыта, поскольку необходимо непрерывно находить компромисс между желанием получить минимальное отражение, толщиной материала, его прочностью и, наконец, аэродинамическими свойствами фрагмента.
Для нанесения покрытий используются совершенно разные технологии. Большая часть поверхности самолета покрывается методом лакокрасочных технологий. Несмотря на кажущуюся простоту, эта технология наиболее ответственная, поскольку от ее качества зависит вклад в ЭПР одного из основных рассеивающих элементов самолета - его воздухозаборника, кроме того, нарушение адгезии покрытия в воздухозаборнике может привести к аварии самолета. Многослойные радиопоглощающие покрытия напыляются с помощью как роботизированных систем в серийном производстве самолетов, так и ручным способом при создании экспериментальных образцов техники.
Сложнейшей задачей является изготовление ферромагнитных мелкодисперсных наполнителей с заданными значениями магнитной проницаемости. В настоящее время, применяя специальную технологию, можно в достаточно широких пределах изменять спектры ферромагнитных наполнителей в СВЧ-области. Комбинируя ферромагнитные включения с включениями других типов, создают желаемый набор широкополосных радиопоглощающих покрытий. Их дальнейшее совершенствование невозможно без решения многих фундаментальных вопросов.
В первую очередь необходимо детально изучить факторы, от которых зависит величина магнитной проницаемости мелкодисперсных частиц и тонких магнитных пленок, которые представляют собой основу для создания радиопоглощающих покрытий. К таким факторам относятся: влияние механических напряжений, формирующих магнитострикцию образцов; воздействие малых примесей к ферромагнитному веществу, приводящее к изменению его магнитной анизотропии; протекание на высоких частотах релаксационных процессов в создаваемых структурах, характеризуемое параметром затухания в уравнении Ландау-Лифшица-Гилберта. В ряде случаев улучшить радиопоглощающие покрытия можно, используя ферромагнитные проводящие частицы очень малого размера. Однако на этом пути возникают две принципиальные преграды: во-первых, эти частицы становятся пироформными (вероятно, - пирофорными - V.V.), а во-вторых, их невозможно ввести с достаточно высокой плотностью в жидкую полимерную матрицу из-за роста адсорбционной способности с уменьшением размера частиц. Эта известная химическая проблема до сих пор не решена.
Чтобы обеспечить малую радиолокационную заметность самолета, широко применяются плазменные технологии, прежде всего плазменно-вакуумная, с помощью которой создается рассеивающее покрытие на фонаре кабины пилота. Обычное остекление откидного фонаря прозрачно для электромагнитных волн, поэтому, если электромагнитная волна падает на самолет из верхней полусферы, полость кабины вносит значительный вклад в ЭПР при соответствующих углах наблюдения. Одно из решений задачи малой радиолокационной заметности самолета достаточно очевидно: металлизировать остекление кабины. Отраженная от металлизированного фонаря электромагнитная волна не будет возвращена в приемник локатора, если быть точнее, значение ЭПР кабины, усредненное по некоторому небольшому сектору углов наблюдения, значительно уменьшится. Однако металлизация не должна ухудшить оптические свойства остекления кабины, к которым предъявляются исключительно жесткие требования. Таким образом, коэффициент отражения остекления фонаря кабины в СВЧ-диапазоне должен быть близок к единице, а в оптическом - к нулю. Но на этом требования, предъявляемые к покрытию, не исчерпываются. Существует проблема перегрева пилота в кабине самолетов, эксплуатируемых в тропических странах. Мощности кондиционеров в кабинах многих зарубежных самолетов, впрочем, как и в ряде наших, не хватает для комфортного состояния пилота, поэтому необходимы определенные шаги для селекции части инфракрасного спектра.
Вообще говоря, эта задача возникает и при создании селективных стекол в энергосберегающей строительной индустрии. В Институте теоретической и прикладной электродинамики РАН предложены и запатентованы так называемые энергосберегающие стекла. Они изготавливаются в больших вакуумных камерах, где на поверхность стекла наносится многослойное покрытие путем магнитронного (вероятно, - магнетронного - V.V.), распыления материала. Чтобы добиться наилучших оптических, инфракрасных и СВЧ-характеристик, используются покрытия, состоящие из чередующихся пленок различных металлов и их окислов толщиной приблизительно 100 А. За рубежом создана мощная индустрия производства таких стекол, в России массовое производство, как правило, базируется на экспортном (вероятно, - импортным - V.V.), оборудовании.
Однако откидная часть фонаря всех самолетов делается не из стекла, а из полимера, и, кроме того, его поверхность имеет двойную кривизну. Полимерная основа фонаря кабины пилота периодически подвергается деформации. Для материаловедов, занимающихся процессом напыления покрытий, технологическая задача, по существу, сводилась к напылению системы тонких жестких покрытий толщиной в доли микрометров... на футбольный мяч с требованием долговечности этого тонкого покрытия. Всем понятно, что в ходе игры тонкие пленки на поверхности мяча покроются бесчисленным числом трещин. Тем не менее эту задачу удалось решить путем магнетронного распыления в вакууме металлов с целью получения островковых металлических пленок. Эти пленки чередуются с полимерными слоями, создаваемыми плазмохимическими методами. Качество многослойных покрытий может быть заметно улучшено, если будут понятны и до конца предсказаны многочисленные плазмохимические реакции, возникающие в процессе осаждения полимерных пленок в низкотемпературной плазме разряда.
Хорошо известно, что, изменяя режим горения разряда и состав углеводородных и фторсодержащих газов, в которых горит разряд, можно получить широкий спектр свойств осаждаемой пленки - от алмазоподобной поликристаллической до полимерной. И хотя мы не обладаем полными фундаментальными знаниями в этой области, разработана устойчивая плазмохимическая технология, реализуемая в большой вакуумной камере объемом 22 м3 с давлением 4 х 10-5 мм рт.ст. Камера снабжена управляемым ЭВМ роботом, который перемещает магнетрон, и контролируемой ЭВМ системой напуска газов и управления разрядом. В этой камере и наносятся покрытия на различные оптически прозрачные детали самолета.
Для уменьшения ЭПР самолета при наблюдении его с задней полусферы необходимо прежде всего уменьшить ЭПР полости выхлопного сопла двигателя. Кроме специальных конструктивных мер, которые должны быть предусмотрены при создании новых двигателей, эффективным признано нанесение радиопоглощающих покрытий на элементы выхлопного сопла. Единственным материалом, способным выдержать одновременно температурные (до 1200°С) и механические нагрузки, характерные для этой части двигателя, является керамика. Разработаны многослойные керамические покрытия, напыляемые на выходные элементы двигателя путем нанесения расплавленных микрочастиц диэлектрика и металла или же полупроводника в плазме дугового разряда, горящего при атмосферном давлении. Основная трудность, которую пришлось преодолеть, - создание высокой адгезии между довольно толстыми металлокерамическими слоями и поверхностью металла. Как известно, керамика и металл основной конструкции самолета обладают существенно разными коэффициентами температурного расширения. Кроме того, температура, при которой покрытие должно сохранять свои радиофизические свойства, меняется в очень широких пределах - от 600 до 1200°С. Таким образом, было необходимо разработать материалы, диэлектрическая и магнитная проницаемости которых не менялись бы в широком температурном диапазоне. Эта задача частично решена: двигатели с керамическими радиопоглощающими покрытиями стоят на борту самолета и испытаны в разнообразных режимах полетов.
Принципиальной является проблема уменьшения отражения от носового обтекателя самолета. В связи с тем, что под обтекателем находится система радиолокатора, а за ней зачастую система блоков с оборудованием, обеспечивающим работу антенны, вклад антенного блока в ЭПР самолета может значительно превосходить вклад всех остальных элементов его конструкции. В том случае, если зеркало антенны направлено ортогонально к лучу локатора, ЭПР может достигать значений в десятки и более квадратных метров. Это значит, что все остальные хитрости, которые были придуманы для уменьшения радиолокационной заметности самолета, становятся бессмысленными. Однако, если повернуть зеркало антенны, направив его, например, вверх, можно существенно изменить ЭПР вдоль осевых направлений.
Это - тривиальное и хорошо известное решение, и оно широко используется. Но в ряде случаев такая процедура недостаточно эффективна.
Предложено несколько вариантов решения этой задачи. Мы рассмотрим только те, которые связаны с применением управляемых экранов, тем более что такие экраны могут использоваться как на новых самолетах, так и при модернизации уже существующих. Начнем с варианта, который представляется наиболее простым с точки зрения технического решения.
Нанесем на внутреннюю поверхность радиопрозрачного обтекателя полупроводниковую пленку, устроенную таким образом, что под действием оптического или ультрафиолетового облучения она может изменять проводимость на много порядков величины. Тогда, поместив под обтекатель источники оптического излучения (рис. 5, а), мы могли бы в зависимости от нашего желания перевести поверхность обтекателя из состояния, полностью прозрачного для СВЧ, в полностью отражающее состояние, если в результате воздействия источников излучения, которые находятся над обтекателем, проводимость достигнет высокой величины. Металлизированный обтекатель будет отражать падающую на него электромагнитную волну, и его ЭПР для углов наблюдения, отличных от ортогональных к оси самолета, станет низкой. Естественно, что в это время собственный локатор самолета работать не может.
Рис. 5. Схема отражения электромагнитных волн от обтекателя с полупроводниковым управляемым экраном (а), изменение сопротивления полупроводниковых пленок в зависимости от освещенности (б) и схема отражения электромагнитных волн от обтекателя с управляемым экраном (в)
На графике: темный прямоугольник соответствует проводимости пленок, обеспечивающей прозрачность экрана, серый прямоугольник - уровню проводимости, обеспечивающей металлизацию поверхности обтекателя; 1 - сопротивление существующих полупроводниковых пленок, 2 - сопротивление гипотетических пленок, которые позволят реализовать идею полупроводникового управляемого экрана
Вообще говоря, сопротивление полупроводниковых легированных пленок CdSn или CdS меняется на много порядков величины при вполне разумных уровнях освещенности (кривая 1 на рис. 5, б). Однако они не подходят для осуществления описанного выше технического решения. Необходимы пленки с другими динамическими свойствами (кривая 2 на рис. 5, б), но как их сделать, пока не очень понятно.
Другое техническое решение - установка перед локатором экрана, на поверхности которого размещены так называемые частотно-избирательные структуры - система периодических отверстий определенной формы, настроенных таким образом, что они свободно пропускают в обоих направлениях электромагнитную волну в узкой полосе собственных частот локатора и полностью отражают электромагнитные волны других частот. Вводя в эти специальным образом организованные отверстия, которые, по существу, представляют собой открытые резонаторы, управляющие полупроводниковые системы, можно при желании "закрыть" экран, сделав его непрозрачным для всех частот.
Проблеме частотно-селективных поверхностей посвящена обширная литература, из которой можно сделать выводы об особенностях их применения. Мы разработали численные методы расчетов частотно-селективных экранов, владеем соответствующей технологией и изготовили действующие макеты управляемых экранов. В зависимости от конкретной конструкции антенны можно использовать как частотно-селективный экран, так и плазменный. Он монтируется внутри обтекателя таким же образом, как и частотно-селективный экран, но его принцип действия несколько другой. При отсутствии сигнала управления, который может подаваться пилотом самолета или его станцией обнаружения внешнего облучения, экран выключен и прозрачен на всех частотах. Когда поступает сигнал, на экран подается напряжение, в нем зажигается низкотемпературная столкновительная плазма, в результате излучение частично отражается от экрана в направлениях, показанных на рисунке 5, в, а частично поглощается в экране. Экран эффективен для электромагнитного излучения всех частот, меньше плазменной. Значение плазменной частоты в таких системах может быть очень большим. Многолетние исследования процессов, протекающих в низкотемпературной плазме, позволили найти оптимальные параметры для состава газов, образующих плазму, и оптимизировать высокоскоростную систему генерации плазмы, необходимую для реакции на быстро меняющуюся внешнюю обстановку. Летные испытания демонстрируют высокую эффективность предложенных решений, направленных на снижение радиолокационной заметности антенного отсека.
Контроль очень многих радиофизических и электрофизических параметров отдельных слоев, из которых состоят покрытия, и результатов оптимизации отдельных фрагментов самолета осуществляется в ходе радиофизических экспериментов. Для изучения макроскопических параметров веществ, особенностей поведения частотной дисперсии диэлектриков, ферромагнетиков, мелкодисперсных частиц, приготовленных из ферромагнитных сплавов, тонких полупрозрачных островковых пленок используется лабораторное оборудование, которое должно удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к современным физическим лабораториям, занимающимся электродинамикой сплошных сред. Кроме этого, необходимо специальное материаловедческое и химическое оборудование для исследования свойств разработанных композитов.
Фрагменты самолетов, покрытых радиопоглощающим и рассеивающим покрытиями, исследуются в так называемых безэховых камерах. В них моделируются условия, реализуемые в пространстве в реальной ситуации, при которой на объект падает плоская электромагнитная волна и нет переотражений от подстилающей поверхности. Создание безэховых камер с малым уровнем шумов требует искусной работы, навыками которой российские ученые владеют в такой степени, что экспортируют эти камеры в промышленно развитые страны. После того как основные фрагменты самолета пройдут испытания в безэховых камерах, вносятся технологические поправки, если это необходимо, и осуществляется полный технологический цикл работы на самолете. В процессе ее ведется непрерывный радиофизический контроль.
Все описанные выше технологические разработки осуществляются как в нашей стране, так и в передовых зарубежных странах. Продемонстрируем мировую тенденцию изменения радиолокационной заметности сверхзвуковых маневренных самолетов (рис. 6). Если в 1980-х годах самолеты типа F-15 имели ЭПР более 10 м2 то у модернизированного авиационного комплекса ЭПР составляет 1-1.5 м2, а у перспективных авиационных комплексов пятого поколения, таких как F-22, JSF, - 0.3 м2. Еще меньшее значение ЭПР у модернизированного отечественного самолета МиГ-21.
Рис. 6. Тенденции изменения радиолокационной заметности сверхзвуковых самолетов
Мероприятия по снижению заметности самолета необходимо согласовывать с возможностями и требованиями системы радиоэлектронного противодействия. Снижение уровня заметности, конечно, уменьшает потребление мощности системы радиоэлектронного противодействия, однако более важно то, что использование средств радиоэлектронного противодействия малозаметным самолетом позволяет получить значительное превосходство в воздухе.
В зарубежной литературе можно найти оценки вероятности потерь самолетов в зависимости от ЭПР (рис. 7). Уменьшение ЭПР с 10-15 м2 - значения, типичного для тяжелых истребителей четвертого поколения, до 0.3 м2 позволяет принципиально снизить потери авиации в боевых действиях. Этот эффект усиливается, если одновременно с использованием самолетов, имеющих малую ЭПР, применить современные средства радиоэлектронного противодействия (рис. 8).
Рис. 7. Потери самолетов при преодолении ПВО в зависимости от их эффективной поверхности рассеяния
Рис. 8. Влияние совместного применения средств радиолокационного противодействия и уменьшения радиолокационной заметности на потери самолетов
Следует помнить, что уже на первом этапе конструирования нового самолета необходимо решить, готовы ли мы поставить в качестве задачи № 1 получение возможно малого значения ЭПР в ущерб многим другим свойствам самолета или же будем стремиться сохранить хорошую аэродинамику самолета при достижении малого уровня его радиолокационной заметности. Примеры первого подхода - это самолеты F-117 и В-2, форма которых оптимизирована для достижения низких ЭПР в ущерб их аэродинамическим свойствам, примеры второго подхода - это самолеты F-22, JSF и ряд других.
Очевидно, что при создании новых самолетов с малыми значениями ЭПР необходимы конструктивно-технологические мероприятия с целью оптимизации формы самолета: обеспечение плавности перехода между элементами планера, исключение внешней подвески оружия - перенос оружия внутрь фюзеляжа. В свою очередь, это требует продольной жесткости фюзеляжа, ввода в конструкцию дополнительных гидромеханических агрегатов, безопасности пуска и сброса оружия и даже изменения алгоритмов целеуказания.
Один из технологических приемов, позволяющих снизить заметность самолета, - использование крупногабаритных панелей сложной формы в качестве элементов конструкции фюзеляжа (рис. 9). Установив такую панель, можно существенно сократить число стыков обшивок на поверхности самолета и количество заклепочных и болтовых соединений, которые являются элементами отражения в переднюю полусферу при различных ракурсах.
Технологические процессы изготовления и сборки самолета должны обеспечить минимальные зазоры между элементами и агрегатами, расположенными на его внешней поверхности: створками, крышками люков и т.д. Сложной технологической проблемой остается создание беспереплетного фонаря кабины пилота для исключения соединительной дуги, ухудшающей характеристики заметности самолета.
После выполнения всех мероприятий, направленных на снижение радиолокационной заметности, необходима оптимизация работы комплекса бортового радиоэлектронного оборудования. Демаскирующие признаки, вызываемые его работой, становятся существенными на фоне пониженной радиолокационной заметности самолета. Предусматривается минимизация времени работы бортового раиоэлектронного оборудования в условиях излучения радиолокатора, использования режима бистатической радиолокации. Требуются скрытные приемы работы по связи самолетов, находящихся в группе. Два самолета идут в паре, и один из них излучает сигнал, а второй функционирует в пассивном режиме и не обнаруживается на локаторе противника. Использование вычислительных возможностей комплексов бортового оборудования, карты местности и целого ряда других методов позволяет в режиме радиомолчания определять положение самолета и решать боевую задачу.
Необходимо убедиться в эффективности всех проведенных мероприятий. Естественно, что наиболее объективным критерием эффективности было бы участие в реальных конфликтах, которые, к счастью, в последнее время пытается избегать большинство стран. Однако процесс испытаний самолетов с точки зрения исследования их радиолокационной заметности обязателен и обладает рядом специфических особенностей. Вероятность обнаружения, пропорциональная ЭПР, является статистической величиной и зависит от очень многих факторов, в том числе от погодных условий и, естественно, от курса самолета по отношению к радиолокационной станции.
Летным испытаниям предшествуют наземные, когда проводятся наблюдения самолета в различных ракурсах. Наземный измерительный комплекс (рис. 10) позволяет получить круговые диаграммы ЭПР в широком диапазоне длин волн. Измерения можно проводить при работающем двигателе, что важно для определения ЭПР в задней полусфере. Имеется также возможность оценки вклада отдельных элементов в ЭПР самолета. Затем ЭПР самолета измеряется в условиях полета с одновременной оценкой дальности обнаружения. Для набора статистики необходимо большое число экспериментов на земле и в полете. В частности, во время работ по уменьшению радиолокационной заметности самолета четвертого поколения типа Су-27 для набора статистики понадобилось более 100 часов непрерывного функционирования радиолокационных станций на наземном стенде и более 30 часов - в полете. В некоторых случаях для сравнительных оценок проводились парные полеты, в которых участвовали малозаметный и обычный самолеты.
Рис. 10. Самолет на поворотной платформе наземного измерительного комплекса
Подводя итог, можно констатировать, что в результате проведенных исследований и разработок решен ряд фундаментальных и прикладных проблем стеле-технологии: созданы расчетно-экспериментальная методика и комплексные технологии снижения заметности; доработан и испытан самолет четвертого поколения типа Су-27; предложены радиопоглощающие материалы, не уступающие по своим характеристикам лучшим зарубежным образцам. Мы считаем, что это направление требует дальнейшего развития в интересах укрепления обороноспособности страны. Стелс-технологии могут использоваться при модернизации самолетов, стоящих на вооружении, и создании перспективных авиационных комплексов.
Справка:
- Лагарьков Андрей Николаевич - чл.-корр. РАН, директор Института теоретической и прикладной электродинамики Объединенного института высоких температур РАН.
- Погосян Михаил Асланович - чл.-корр. РАН, директор ГУП авиационно-промышленного комплекса "Сухой".
Права на данный материал принадлежат ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
Материал был размещен правообладателем в отк
Материал был размещен правообладателем в отк
