Крылатые тени. Методы защиты самолета от радиолокационного обнаружения

В статье рассматриваются основные принципы радиолокационного поиска воздушных целей и способы снижения заметности самолета на радарах. В качестве нестандартного подхода к решению задачи приводится метод, основанный на комбинации свойств, характерных для строения крыльев особого вида бабочек и искусственных плазменных облаков. Рассматриваются преимущества и недостатки применяемых методов.

Ключевые слова: принципы радиолокации, авиация, радиоволны, самолет, радар, электромагнитные волны

Роль современной авиации в военных конфликтах трудно переоценить. Без ее участия невозможно решить в свою пользу ход отдельного сражения и, тем более, обеспечить достижение успеха в крупномасштабных боевых действиях. Во время конфликта в Югославии в 1999 году, авиация стран НАТО практически без вмешательства наземных сил решила ход конфликта. Во время войны в Ираке в 2003 году ВВС союзников сыграли решающую роль в разгроме многочисленной армии Саддама Хусейна. Пилоты США подавили воздушные силы Ирака и уничтожили бронетехнику иракцев, решив исход войны в самом ее начале. Современная хроника действий воздушно-космических сил России (ВКС) в Сирии показала, как с помощью ВКС в течение краткого времени определился перелом в характере затяжной войны сухопутных войск. Можно сделать вывод, что преимущество авиации у одной из враждующих сторон является залогом успеха. Эффективность авиации определяется ее техническим оснащением: компьютеризацией, радиолокационной незаметностью и другими преимуществами над аналогичной техникой противника. Невидимость самолета для противника является одним из важнейших качеств, которым должен обладать воздушный боец. После обнаружения противника, задача его уничтожения решается уже специальными компьютерными программами, где участие летчика ограничено. Поэтому можно сказать: «кто первый обнаружил противника — тот победил».

Развитие подходов к радиолокационной невидимости привело к созданию самолетов-невидимок на основе технологии типа «Стелс». Однако, эта технология не стала решением проблемы и необходимы более глубокие исследования и оригинальные подходы для достижения поставленной цели — скрытности боевой машины.

Принципы радиолокации. Современные средства радиолокации позволяют обнаруживать различные цели в любое время суток, практически при любой погоде и на весьма значительных расстояниях, определяя их координаты с высокой точностью. Радиолокационный поиск воздушных целей основан на обнаружении и регистрации радиоволн, отражённых объектом [1]. Наиболее широко применяемый в настоящее время метод измерения дальности — импульсный. При таком методе радиолокационная станция излучает электромагнитную энергию не непрерывно, а короткими импульсами, измеряемыми единицами и даже долями микросекунды. После посылки импульса радиоволн станция некоторое время работает только на приём, улавливая и регистрируя отражённый сигнал. Затем станция излучает следующий импульс и вновь переключается на приём (рис. 1).

По времени прохождения сигнала от станции до объекта и обратно определяют расстояние до объекта: чем больше дальность, тем больше требуется времени, чтобы импульс достиг объекта, отразился от него и возвратился обратно. Для определения направлении на отражающий объект и радиолокационных станциях используют остронаправленные антенны с узким лучом. При вращении такой антенны и последовательном обзоре радиолучом требуемой зоны пространства происходит последовательное облучение всех целой, находящихся в этой зоне. Отражённый от каждой цели сигнал имеет наибольшее значение в тот момент, когда луч находится в направлении максимума диаграммы направленности антенны. Определив в это время положение антенны, можно измерить азимут и угол места цели.

Рис. 1. Пространственная локация самолета

Способы уменьшения радиолокационной видимости можно разделить на три основных группы:

1. Минимально возможное отражение волн от самолета («поглощающее» и «прозрачное» для радиоволн покрытие самолета);
2. Создание активных помех и вторичных отражений для искажения оценок дальности (покрытие, используемое как излучающая антенна);
3. Изменение условий отражения для падающей на самолет волны. Создание защитной ионизирующей среды (плазмы) с целью ослабления радиоимпульса.

Для иллюстрации первого пункта интересно рассмотреть принципы технологии «Стелс», используемой на американских бомбардировщиках «B-2» (рис. 2) [2]. Разработчики американского самолета «невидимки» «Б-2 Стелс» сформировали очертания так, чтобы он имел низкий профиль и мало выступов, в результате чего излучение локационных станций проходит самолет насквозь и обтекает его, мало отражаясь от поверхности. Таким образом волна не отражается в сторону антенны радиолокатора, а преломляется и рассеивается в противоположную сторону.

Рис. 2. Бомбардировщик «B-2»

Кроме этого, наружная поверхность Стелса как лоскутным одеялом покрыта пластинами из особого материала, поглощающего излучение радара. Вблизи поверхности самолета существуют два типа волн — прямые, от радара и волны, отраженные корпусом самолета. Специальный материал, накрывающий поверхность Стелса, заставляет взаимодействовать падающую и отраженную волны так, что они «гасят» друг друга и превращаются в обычное тепло, которое поглощается (рис. 3).

Рис. 3. Взаимодействие радиоволн на поверхности Стелс

Однако, как выяснилось уже после принятия самолетов этого типа на вооружение, такой способ маскировки эффективен для ограниченной полосы радиочастот. В другой части радиоспектра этот самолет успешно обнаруживается и может быть сбит на значительном удалении. Таким образом, выяснилось, что технология Стелс имеет ограничения:

1. В диапазоне длин радиолокационных волн отличных от метровых;
2. В силу отсутствия комплексной аэродинамической формы самолёта, в результате чего существенно снижается скорость боевой машины;
3. Обнаруживается радиолокационными комплексами, ведущими поиск самолётов на высоких горизонтах, например — с самолёта-радара.

Маскировка самолета с помощью создания помех и отражений — это метод скорее вспомогательный, поскольку не может решить задачу «исчезновения» самолета с радаров противника.

Российскими учеными и инженерами Исследовательского центра им. М. В. Келдыша была предложен принципиально другой подход для маскировки самолета — активный метод. Если в американской технологии «Стелс» для снижения радиовидимости используются специальные поглощающие покрытия, то в данном случае задействована принципиально иная технология, которая для тех же целей использует искусственное плазменное образование, полученное с помощью выброса в атмосферу электронных пучков (рис. 4).Вблизи самолета создаются плазменные облака, которые активно поглощают электромагнитную волну, благодаря чему видимость самолета на экране радара падает более чем в 100 раз.

Рис. 4. Представление о плазменном облаке, окутывающем самолет

Эта технология намного дешевле американской, она не снижает аэродинамики летательного аппарата, не требует особых форм и позволяет сделать невидимым практически любой из ныне существующих или только проектируемых летательных аппаратов. Самолет экранируется с помощью пучков электромагнитного излучения, генерируемого специальным устройством, которое весит порядка 150 кг. Выбрасываемые генератором в атмосферу электроны разбивают атомы воздуха, и полученный поток ионов прикрывает, словно невидимым покрывалом, весь самолет. При взаимодействии этого облака с электромагнитным импульсом радара падающая волна рассеивается и отраженной волны практически не возникает. Однако использование облака ионизированной плазмы, окутывающей самолет, также имеет ряд недостатков, из которых главный — невозможность излучать радиоволны изнутри этого облака, оставляя самолет без связи и навигации.

Перспективная идея для развития технологии «невидимки». При изучении строения крыльев ночных бабочек был обнаружен ряд удивительных особенностей, которые стали понятны лишь при рассмотрении специфики охоты летучих мышей, использующих акустический радар для поиска своих жертв в темноте [4]. Оказалось, что в природе выработаны способы, как стать акустически невидимым для хищника. Чешуйчатое строение крыла ночной бабочки предполагает, что между верхним и нижним слоями имеется воздушная полость (рис. 5а). Локационный сигнал летучей мыши проходит сквозь отверстия в чешуйке во внутреннюю полость. Здесь звук попадает на пористый материал, который поглощает значительную часть звуковой энергии и многократно отражается от изогнутых каналов верхнего слоя и от пористого материала, что тоже приводит к потере энергии звуковой волны. Другой вариант «невидимости» предполагает, что крылья ночных бабочек из семейства пальцекрылыхчастично утратили мембрану и состоят из узких лопастей, каждая из которых имеет тонкую жилку с длинной чешуйчатой бахромой (рис. 5б). Ультразвук, попадая на бахрому крыла, проходит между отростками насквозь — крыло стало акустически прозрачным.

Рис. 5. а) Вертикальный разрез чешуйки крыла бабочки Pyrameisatalanta: UL — верхний слой; LL — нижний слой; T — соединение; б) бабочка Пальцекрылка

Развивая подобный подход к радиолокационной невидимости можно рассмотреть следующие составляющиеперспективной технологии:

1. Для более эффективной радиолокационной маскировки самолета можно использовать покрытие типа «ночная бабочка» из элементов, подобных чешуйкам. Верхний и нижний слои покрытия собрать из листов с переменной плотностью и пористостью, поглощающих радиоволны в широком диапазоне частот. При облучении самолёта локатором часть электромагнитной волны пройдёт во внутреннюю полость, там многократно отразится от наклонных стенок и в значительной мере поглотится нижним слоем. Часть радиоволн, отразившись от внешнего слоя, также потеряет значительную долю своей энергии;
2. Наличие воздушной полости лишь незначительно усложнит конструкцию покрытия, однако не только погасит энергию радиоволн, но и позволит заполнить ее плазмой — создать экран для радиоволн;
3. Чешуйки могут быть выполнены в виде покрытия на основе мелкодисперсных металлических или графитовых частиц, чистого графита или как специальный емкостный элемент поглощающего покрытия. Вторые участки можно сделатькак покрытие на основе мелкодисперсных ферромагнитных частиц или как специальный индуктивный элемент поглощающего покрытия. Ослабление отраженной волны произойдет не только за счет способности каждого участка частично поглощать падающее радиоизлучение, но и за счет взаимного ослабления радиоволн, отраженных от различных участков.

Как можно заметить, в отличии от внешнего облака, в этом случае плазменные составляющие будут организованы в структуры, которые будут пространственноограничены и, тем самым, остается возможность использовать оборудование самолета для связи и навигации.

Развитие радиолокации и методов маскировки не прекращается ни на секунду. Лучшие математики, физики, химики, инженеры предлагают и воплощают новые идеи и технологии. Постоянно требуется приток свежих знаний, алгоритмов и нестандартный творческий подход. Интересно и удивительно, что появление новых идей происходит на стыке областей знаний из разных дисциплин, как иллюстрируется в настоящей статье примером, объединяющим биологию, акустику и радиолокацию.

Литература:

1. Васин В. В. и др. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения), М.: Сов. Радио. 1970г. 680 с.
2. Технология Стелс // AVIA.PRO URL:avia.pro/blog/tehnologiya-stels-korotko-i-yasno (дата обращения: 05.04.2016).
3. Ковалёв И. От бабочки к самолёту. Эволюция крыльев // Наука и жизнь № 4–2016 URL: nkj.ru/archive/articles/19076/ (дата обращения: 05.04.2016).
4. Пальцекрылкиhttps://ru.wikipedia.org/wiki/ (дата обращения: 05.04.2016).