УСТРОЙСТВО УМЕНЬШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕЯНИЯ ПОЛОСТИ КАНАЛА ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2003 года по МПК H01Q17/00 

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано для уменьшения эффективной площади рассеяния (ЭПР) полости канала двигателя летательного аппарата: воздухозаборника или сопла.

Как показывают результаты экспериментальных исследований ЭПР летательных аппаратов [1] в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн в передней и задней полусферах, основной вклад в ЭПР вносят отражения от всевозможных полостей: воздухозаборники и сопла, кабина, антенные отсеки и ряд других. В сравнении с полостями такие элементы планера летательного аппарата, как фюзеляж, крыло, оперение, дают сравнительно небольшой вклад, так как имеют хорошую обтекаемую форму и слабо отражают радиоволну в обратном направлении.

В настоящее время существуют всевозможные способы и устройства уменьшения ЭПР воздухозаборников и сопел [2]. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ уменьшения ЭПР полости канала двигателя летательного аппарата, основанный на диффузном рассеянии энергии без ее поглощения [3]. Применение такого способа оправдано в тех случаях, когда удельная ЭПР полости (т.е. отношение ЭПР к площади входного отверстия) превышает 2. Практически эта величина может в отдельных случаях доходить до 20. Для достижения поставленного эффекта уменьшения удельной ЭПР полости до 2 используются специальные конструкции стенок, которые, например, могут быть двойными металлическими с разнообразными отверстиями. Существенный преимуществом способа, как отмечается в [3] , является высокая прочность и термостойкость стенок, что особенно важно для использования устройства в сопле. Конструкция устройства, в котором достигается диффузное рассеяние, представлена на фиг.1. Устройство уменьшения эффективной площади рассеяния полости канала 1 двигателя 2 летательного аппарата представляет собой расположенный перед лопатками 3 турбины двигателя металлический экран 4 с регулярными отверстиями 5, образующий с поверхностью 6 полости канала двойную стенку и удерживаемый проставками 7. При отсутствии экрана 4 радиоволна входит в полость канала 1, один или несколько раз переотражается от поверхности 6 полости канала и лопаток 5 турбины двигателя и уходит в направлении источника радиоволны. Наличие металлического экрана 4 с регулярными отверстиями 5 заставляет радиоволну испытывать диффузные переотражения в разные стороны, тем самым ослабляя радиоволну, уходящую в обратном направлении. Варианты построения экранов приведены на фиг.2.

Однако, как показали результаты экспериментальных исследований (Aкт испытаний...), данное устройство обладает рядом следующих недостатков:
экран 4 с регулярными отверстиями обеспечивает диффузное рассеяние в узком диапазоне длин радиоволн, где размеры отверстий (неоднородностей) соизмеримы с длиной волны;
при нормальном падении радиоволны к раскрыву полости, когда обратное отражение от полости канала 1 двигателя максимально, "положительное" влияние экрана 4 с регулярными отверстиями сказывается в меньшей степени (меньше переотражений).

Данные недостатки существенно снижают потенциальные возможности устройства, а также ограничивают его применение для широкого диапазона длин радиоволн и углов локации.

Целью настоящего изобретения является уменьшение ЭПР полости канала двигателя летательного аппарата за счет увеличения диффузною рассеяния внутри него для широкого диапазона длин радиоволн и углов локации.

Поставленная цель достигается тем, что внутри экрана соосно с ним неподвижно закрепляется однозаходная проволочная коническая спираль 8 (Фиг.3), опирающаяся витком большего радиуса 9 (Фиг.4) на экран вблизи лопаток турбины двигателя, при этом параметры однозаходной проволочной конической спирали выбираются из соотношений
5≤n≤14, S≥0,5λ_ср;
d ≈ (0,01...0,05)λ_ср, β ≈ 15^°,
где n - число витков спирали;
S - расстояние между центрами соседних витков спирали (шаг спирали)
λ_ср - средняя длина волны диапазона радиоизлучений;
d - диаметр провода спирали;
β - половина угла при вершине конической спирали.

Известно, что проволочная коническая спираль представляет собой спиральную антенну, относящуюся к классу антенн бегущей волны [4]. Преимуществом таких антенн является их широкополосность и возможность работы как с круговой, так и с линейной поляризацией поля. Как радиолокационный отражатель проволочная коническая спираль (ПКС) в большей степени сохраняет эти качества, при этом радиоволна падает на ПКС как на согласованную нагрузку: частично поглощается, возбуждая в проводе волны типа Т, частично рассеивается в сторону металлического экрана с регулярными отверстиями. Форма диаграммы обратного отражения (ДОО) ПКС определяется типом волны, наведенной токами в проводе спирали, которая в свою очередь зависит от соотношения между длиной витка (шага спирали) и длиной волны радиоизлучения. Наиболее благоприятным условием для обеспечения условий диффузного рассеяния и поглощения волны является формирование пространственной ДОО в форме объемного конуса с осью, совпадающей с осью ПКС (Фиг.5, λ = λ_ср). Данное условие будет соблюдаться при изменении отношения длины волны радиоизлучения к длине витка ПКС от десятых долей до нескольких единиц. В случае, когда λ<λ_ср, ПКС будет представлять собой источник дополнительного диффузного рассеяния, а при λ>λ_ср - экранирующую структуру, минимизирующую обратные отражения радиоволны из полости и усиливающую внутренние переотражения.

Для выбора геометрических размеров ПКС как отражателя и определения соотношений между ее размерами и длиной волны радиоизлучения воспользуемся методикой построения ПКС как антенны бегущей волны с диаграммой требуемой формы [5].

Известно, что если длина витка спирали лежит в пределах 0,75λ...1,3λ, то в ней преобладает волна типа T₁, фазовая скорость которой меньше скорости света. В витках, длина которых больше требуемой, преобладают волны типа T₂, Т₃ и т.д., которые характеризуются тем, что в пределах одного витка укладываются две и более длины волны (фаза тока вдоль одного витка нарастает больше, чем на 720^o). Это значит, что на каждом из таких витков имеются противофазные участки, отражения от которых взаимоослабляются. Поэтому интенсивность отражения витками, возбужденными волной T₂ и более высокого порядка, также мала по сравнению с отражениями группы витков, возбужденных волной T₁.

Из сказанного следует, что форма ДОО ПКС определяется не общим числом витков n (или полной длиной спирали), а лишь числом витков в группе с волной T₁ (длиной этого участка спирали). Отражения от остальных витков слабо влияют на форму ДОО. У ПКС в группе с волной T₁ находятся те витки, длина которых составляет от 0,75λ до 1,3λ, где λ - длина волны рабочею диапазона волн ПКС или λ_ср. Изложенный выше принцип работы ПКС нe учитывает всей сложности происходящих процессов и, в частности, то, что в действительности имеет место незначительное отражение энергии от конца спирали. Кроме того, волна вдоль ПКС распространяется как непосредственно вдоль провода, так и через пространственную связь между витками, что создает более сложную картину рассеянного поля. Данные рассуждения касаются ПКС как отражателя и недостаточно строги, хотя и дают представление о физике происходящего процесса, который, как будет показано ниже, хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований.

Таким образом, форма ДОО подобна форме диаграммы направленности F(θ) аналогичной антенны и рассчитывается на средней длине волны λ_ср требуемого диапазона, где будет работать ПКС, по приближенной формуле [5], в которую необходимо подставить число витков n, шаг спирали S и длину витка L эквивалентной цилиндрической спирали:

На основании экспериментальных исследований, приведенных в [4], получены следующие соотношения для ПКС:
5≤n≤14, S≥0,5λ_ср; d ≈ (0,01...0,05)λ_ср, β ≈ 15^°,
где π=3,1415926;
n - число витков спирали;
S - расстояние между центрами соседних витков спирали (шаг спирали)
λ_ср - средняя длина волны диапазона радиоизлучений;
d - диаметр провода спирали;
β - половина угла при вершине конической спирали.

В случае λ<λ_ср, для оценки уровней рассеяния (ЭПР) и переотражения витками ПКС применим метод физической оптики. По аналогии с [6] витки ПКС можно рассматривать как независимые проволочные рамки в виде колец (торов) разного радиуса. Тогда при нормальном падении радиоволны к плоскости отдельного витка (θ^°=0) значение его ЭПР (σ) будет определятся из выражения

где d - диаметр провода, r_i - радиус i-го витка в ПКС, а для случая, когда θ^°≠0, имеем два вклада от соответствующего i-го витка


При изменении угла θ интерференция отражений от многочисленных витков создает многолепестковую ДОО, которая, в свою очередь, увеличивает эффект диффузного рассеяния внутри полости канала с экраном.

В случае λ>λ_ср ПКС как отражатель подобна проводящему круглому конечному конусу. В приближении метода физической оптики вклад первого порядка такого отражателя при θ^°=0 определяется исходя из выражения [6]

где R - радиус большего витка ПКС,
β - половина угла при вершине ПКС.

Таким образом, для данной области (λ>λ_ср) ПКС представляет собой проводящий конический ретранслятор, переотражающий радиоволну в направлении на экран с регулярными отверстиями, одновременно оставаясь малоотражающим объектом вдоль своей оси.

Предлагаемое устройство было испытано в условиях открытого измерительного полигона [7], о чем свидетельствует "Акт испытаний..."
Исследуемый образец полости канала двигателя летательного аппарата представлял собой полый металлический цилиндр, открытый с одной стороны. Устройство-прототип включало в себя металлический экран с регулярными неровностями размером и периодом до 0,8 см, образующий с поверхностью полости цилиндра двойную стенку и удерживаемый проставками на расстоянии ≈1 см. Предлагаемое устройство отличалось тем, что внутри экрана соосно с ним неподвижно крепилась однозаходная проволочная коническая спираль, опирающаяся витком большего радиуса на экран вблизи закрытого конца цилиндра ("лопаток турбины двигателя"). Однозаходная проволочная коническая спираль была изготовлена из стального провода с медным покрытием и имела следующие параметры: число витков спирали - 10; шаг спирали - 5 см; диаметр провода спирали - 3 мм; половина угла при вершине конической спирали составляла ≈15^o.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется фиг.6...8.

На фиг.6 представлены геометрия и размеры испытываемого образца полости канала двигателя летательного аппарата (полый металлический цилиндр, открытый с одной стороны), схема измерения ЭПР образца, а также исследуемые варианты:
а - образец полости канала двигателя с предлагаемым устройством уменьшения ЭПР;
b - образец полости канала двигателя с устройством-прототипом;
с - образец полости канала двигателя без устройства уменьшения ЭПР (полый, открытый с одной стороны цилиндр).

На фиг. 7 приведены ДОО образца полости канала двигателя летательного аппарата в секторе углов локации θ 0±30^° относительно нормали к раскрыву полости канала для разных исследуемых вариантов на длинах волн: 0,86 см - e, 3,2 см - f, 10,7 см - g, 17 см - h, 36 см - i.

На фиг. 8 представлены интегральные законы распределения ЭПР (P(σ)) образца полости канала двигателя в секторе углов локации 0±30^o относительно нормали к раскрыву полости канала, полученные для соответствующих исследуемых вариантов (а, b, с) и длин волн (e, f, g, h, i).

Анализ приведенных на фиг.7 и 8 результатов позволяет сделать вывод о том (Акт испытаний...), что предлагаемое устройство уменьшения эффективной площади рассеяния полости канала двигателя летательного аппарата в сравнении с устройством-прототипом позволяет уменьшить медианные значения ЭПР (по уровню вероятности 0,5) в секторе углов локации 0±30^o относительно нормали к раскрыву полости канала от 2,6 дБ до 8,3 дБ в диапазоне длин волн от миллиметров до дециметров (от 0,86 см до 36 см). Реализация заявляемого устройства не представляет трудностей. Очевидно, что изобретение не ограничивается вышеизложенным примером его осуществления. Исходя из его схемы, могут быть предусмотрены и других варианты его реализации, не выходящие за рамки предмета изобретения. Например, очевидно, что применение двухзаходных или им подобных спиралей позволит улучшить маскирующие свойства без существенного ухудшения эксплуатационных параметров самого устройства.

Источники информации
1. Радиолокационная заметность самолетов (по материалам открытой иностранной печати). Обзор ЦАГИ, 665. 1986 г., с.20.

2. А. П. Плохих, Д.С. Шабонов. Радиолокационные отражатели и их применение. "Зарубежная радиоэлектроника", 8, 1992, с.85.

3. Способ уменьшения эффективной площадки рассеяния канала. Патент США 4148032. 1979 г., НКИ 343-18А. (Прототип).

4. Г.З. Айзенберг и др. Антенны УКВ. Т.2. М.: Связь. 1977, с.239.

5. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под ред. Д.И.Воскресенского. М.: Сов.радио. 1972. С.242.

6. Криспин, Маффетт. Оценка радиолокационного поперечного сечения тел простой формы. ТИИЭР, 1965, т.53, 8, С.960-975.

7. А.С. Сумин и др. Контрольная для "невидимок". АВИА-панорама. 6, 1997, с.30.

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано для уменьшения эффективной площади рассеяния (ЭПР) полости канала двигателя летательного аппарата: воздухозаборника или сопла. Техническим результатом является уменьшение ЭПР полости канала за счет увеличения диффузного рассеяния для широкого диапазона длин радиоволн и углов падения. Устройство представляет собой расположенный перед лопатками турбины двигателя металлический экран с регулярными отверстиями, образующий с поверхностью полости канала двойную стенку и удерживаемый проставками. Наличие внутри экрана соосно закрепленной с ним однозаходной проволочной конической спирали позволяет уменьшить медианные значения ЭПР (по уровню вероятности 0,5) в секторе углов локации 0±30^o относительно нормали к раскрыву полости канала от 2,6 дБ до 8,3 дБ в диапазоне длин волн от миллиметров до дециметров. 8 ил.

Устройство уменьшения эффективной площади рассеяния полости канала двигателя летательного аппарата, представляющее собой расположенный перед лопатками турбины двигателя металлический экран с регулярными отверстиями, образующий с поверхностью полости канала двойную стенку и удерживаемый проставками, отличающееся тем, что внутри экрана, соосно с ним неподвижно закреплена однозаходная проволочная коническая спираль, опирающаяся витком большего радиуса на экран вблизи лопаток турбины двигателя, при этом параметры однозаходной проволочной конической спирали выбираются из соотношений
5≤n≤14, S≥0,5λ_ср;
d ≈ (0,01...0,05)λ_ср, β ≈ 15^°,
где n - число витков спирали;
S - расстояние между центрами соседних витков спирали (шаг спирали);
λ_ср - средняя длина волны диапазона радиоизлучений;
d - диаметр провода спирали;
β - половина угла при вершине спирали.