СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ЗАМЕТНОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2017 года по МПК F41H3/00 B64D45/00 

Изобретение относится к области самолето- и ракетостроения и может быть использовано для защиты от обнаружения летательных аппаратов, оборудованных реактивными двигателями.

В аэрокосмической отрасли, особенно в области создания реактивных двигателей для военной, транспортной авиации, а также для ракетной техники с прямоточными воздушно-реактивными двигателями важным направлением является снижение заметности в инфракрасном (ИК) и видимом диапазонах с целью срыва захвата цели тепловой головкой самонаведения ракеты, запущенной противником или террористами. Особенно это важно на режиме взлета, набора высоты и подлета к цели, когда маневр летательного аппарата (ЛА) ограничен, а расстояние до земли мало. Отметим, что не всегда возможно сильно менять конфигурацию двигателя, например переходить к щелевому соплу только в угоду снижения заметности, т.к. при такой замене сильно пострадает экономичность двигателя, которая важна, например, для транспортных, гражданских воздушных судов.

Известен ряд технических решений, обеспечивающих снижение заметности ЛА путем размещения экранирующих решеток за реактивным соплом двигателя (патенты РФ №2214947, №2215669, №2215670). Известно использование в качестве экрана гибких графитовых лент, закрепленных на мотогондоле (патент РФ №2413161). Данные решения не обеспечивают снижение заметности теплового следа ЛА.

Известен беспилотный ЛА с газотурбинным двигателем (патент РФ №141496. опубл. 10.06.2014), у которого для защиты от обнаружения, кроме расположения сопла двигателя в верхней зоне хвостовой части фюзеляжа, осуществляют подмешивание к выхлопным газам двигателя охлаждающего воздуха, что приводит к снижению температуры реактивной струи и обеспечивает снижение заметности в инфракрасном диапазоне (ИК-диапазоне).

Данное техническое решение имеет ограниченную сферу применения, поскольку организовать эффективное и равномерное охлаждение реактивной струи подмешиванием воздуха в больших реактивных двигателях практически невозможно. Кроме того, необходимость отбора большого количества воздуха, используемого для подмешивания, увеличивает силу сопротивления со стороны воздушной среды на ЛА.

Известно техническое решение, в котором для снижения заметности ЛА обеспечивают распыливание в реактивной струе нанокристаллов CdSe (патентная заявка США №2005150371 А1, опубл. 14.06.2005). Система защиты срабатывает в ответ на обнаружение сканирующего сигнала средств ПВО и т.п. Контейнер с нанокристаллами CdSe может располагаться как на борту ЛА, так и на земле вблизи взлетно-посадочной полосы. В последнем случае обеспечивается защита ЛА только на режимах взлета и посадки от маловысотных ракет земля-воздух типа «Стингер».

Применение данного технического решения сопряжено с необходимостью регулярного заполнения контейнера нанокристаллами CdSe. Размещение защитной системы на борту ЛА увеличивает вес ЛА; необходимо также обеспечить дозирование и эффективное перемешивание нанокристаллов с реактивной струей. Немаловажным ограничительным фактором является также стоимость нанокристаллов. Основным недостатком технического решения является ограниченность защиты во времени, обусловленная конечным объемом контейнера для хранения нанокристаллов.

Задачей изобретения является снижение заметности реактивного двигателя в течение всего времени его работы.

Технический результат заключается в увеличении длительности периода снижения заметности летательного аппарата.

Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что в способе снижения заметности летательного аппарата в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитных волн, излучаемых горячими продуктами сгорания реактивного двигателя, содержащем реактивное сопло, заключающемся в создании защитного аэрозольного облака, согласно изобретению в качестве частиц, образующих аэрозольное облако, используют жидкие частицы, которые формируют путем введения в поток продуктов сгорания ионов с использованием генератора ионов, причем в процессе генерирования ионов обеспечивают их перемешивание с продуктами сгорания для образования в потоке продуктов сгорания жидких частиц, а производительность генератора ионов и место ввода ионов в поток продуктов сгорания выбирают исходя из условия образования жидких частиц за срезом реактивного сопла.

При этом целесообразно в качестве генератора ионов использовать многоэлектродный генератор нестационарного коронного разряда и формировать жидкие частицы, размер которых в струе за срезом реактивного сопла двигателя летательного аппарата не превышает 10 мкм.

Важно также, чтобы электроды генератора нестационарного коронного разряда были выполнены в виде сетки из тугоплавкого проводника, размещенной поперек потока продуктов сгорания на входе в реактивное сопло, причем для обеспечения однородности создаваемого поля концентрации ионов острия электродов должны быть установлены в узлах сетки и ориентированы вдоль потока продуктов сгорания.

Известно, что аэрозольные частицы, в частности частицы небольшого размера, порядка 0,01-10 мкм, могут сильно рассеивать направленное ИК и видимое излучение, уменьшая его интенсивность и вероятность обнаружения источника излучения.

Известно, что индикатриса теплового излучения генерируемого нагретыми продуктами сгорания, лопатками турбины и стенками сопла имеет ярко выраженный максимум в обратном от ЛА направлении вдоль оси горячей струи продуктов сгорания.

Изобретение основано на явлениях, происходящих в проточном тракте реактивного двигателя. Во-первых, из SO₂, который образуется в продуктах сгорания керосина при окислении серы, присутствующей в авиационном керосине (его особенно много в керосине, выработанном из российских сернистых сортов нефти), сначала формируется SO₃, а затем при температуре <600 К, характерной для потока в сопле, образуется газообразный H₂SO₄, т.к. именно при таких температурах эффективно протекает реакция ассоциации SO₃+H₂O=H₂SO₄. Во-вторых, при падении температуры в реактивном сопле ниже температуры конденсации бинарного аэрозоля H₂O/H₂SO₄ происходит бинарная гетерогенная нуклеация паров воды и серной кислоты с характерными концентрацией 10⁸-10⁹ см^-3 и диаметром зародышей 2-6 нм, которая приводит к образованию в струе за соплом сульфатного аэрозоля с диаметром частиц диаметром 6-15 нм.

Предлагаемое решение с воздействием на продукты сгорания внутри сопла многоострийным (многоточечным) слаботочным коронным разрядом приведет к резкому увеличению начальной концентрации центров нуклеации до 10¹⁰-10¹² см^-3, которыми являются ионы, в т.ч. значительное количество ионов SO₃^-, HSO₄^-, H₃O⁺. Другими словами, под воздействием коронного разряда происходит интенсификации конденсации бинарного аэрозоля H₂O/H₂SO₄.

Заметим, что многоточечный коронный разряд - наиболее эффективный источник ионов, в котором энергия практически не тратится на возбуждение атомов и молекул. При повышенных давлениях ~10 атм в камере сгорания и перед турбиной эффективность стационарного коронного разряда падает и нужно переходить к нестационарному высокочастотному разряду. Целесообразно ориентировать разряд вдоль потока продуктов горения. Многоострийный электрод коронного разряда для создания однородного поля ионов может быть выполнен в виде сетки, в узлах которой продольно потоку расположены острия электродов, а сетка должна располагаться поперек потока в сопле. На сетке набегающий поток создает вихревую пелену, что способствует эффективному перемешиванию выхлопных газов и ионов и образованию аэрозоля, содержащего конденсат H₂SO₄.

Численный анализ показывает, что ионы SO₃^-, HSO₄^-, H₃O⁺ являются центрами формирования ионных ассоциатов H₃O⁺(H₂SO₄)_n(H₂O)_m и SO₃^-(H₂SO₄)_n(H₂O)_m, Н₃О⁺(CH₂O)_n(H₂O)_m и на их основе формируются жидкие заряженные и нейтральные частицы H₂O/H₂SO₄, H₂O/CH₂O с размером 5-15 нм. Причем происходит не только увеличение начальной концентрации аэрозольных частиц ~ в 10³-10⁴ раз, но и увеличение их размера. Таким образом, под воздействием коронного разряда в струе образуется гораздо больше менее крупных капель аэрозоля диаметром ~0,01-5 мкм, чем без воздействия коронным разрядом. Эти капли рассеивают излучение от горячих газов продуктов сгорания (СО, CO₂, H₂O и др.) во внешнее пространство, причем не только в направлении вдоль оси струи "назад", но и в боковые стороны. Тем самым интенсивность излучения вдоль оси струи значительно понижается, что приводит к снижению заметности ЛА в ИК и видимом диапазоне.

Как известно (см., например, К. Борен, Д. Хафмен. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. – М.: Мир, 1986), капли с размером порядка длины волны излучения подчиняются закону рассеяния Ми, т.е., кроме главного и ярко выраженного узкого максимума рассеяния, ориентированного "назад" от сопла вдоль падающего на частицу излучения, появляются еще боковые лепестки рассеивания (добавочные неярко выраженные максимумы излучения поперек струи). Для мелких капель с размерами гораздо меньше длины волны переизлучение подчиняется дипольному закону рассеяния Релея, т.е. индикатриса переизлучения в основном перпендикулярна падающему излучению и вообще не содержит узконаправленного максимума "назад". Поэтому воздействие коронного разряда приводит к смене индикатрисы первичного излучения за счет переизлучения каплями аэрозоля. Особенно это заметно в области видимого диапазона длин волн (0,3-0,8 мкм) и в области ИК-диапазона длин волн (1-10 мкм).

Заявленное техническое решение проиллюстрировано чертежом, где показана схема теплового излучения реактивного двигателя и струи продуктов сгорания в случае:

а) без коронного разряда как в видимом, так и ИК-диапазонах излучения;

б) с коронным разрядом в видимом диапазоне 0,3-0,8 мкм излучения и рассеянием Ми на крупной частице по отношению к длине волны;

в) с коронным разрядом в ИК-диапазоне 1-10 мкм излучения и дипольным рассеянием на мелкой частице по отношению к длине волны;

и использованы следующие обозначения:

1 - нагретое реактивное сопло газотурбинного двигателя; 2 - струя продуктов сгорания; 3 - тепловое ИК-излучение нагретых частей двигателя, ориентированное преимущественно вдоль потока; 4 - аэрозольная жидкая частица с индикатрисой рассеяния, показанной пунктиром; 5 - место ввода ионов, 6 - защитное аэрозольное облако.

Необходимо отметить, что под термином «аэрозольное облако» в данном случае понимается совокупность взвешенных частиц (твердых или жидких), находящихся в реактивной струе.

Способ реализуется следующим образом.

Для снижения заметности ЛА в видимом и инфракрасном диапазоне электромагнитных волн, излучаемых струей 2 продуктов сгорания реактивного двигателя, содержащего реактивное сопло 1, создают защитное аэрозольное облако 6. В качестве частиц, образующих аэрозольное облако 6, используют жидкие частицы 4, которые формируют путем введения в поток продуктов сгорания ионов. Ионы генерируют с использованием генератора нестационарного (высокочастотного) коронного разряда (не показан), т.к. при повышенных давлениях ~10 атм в камере сгорания и перед турбиной эффективность стационарного коронного разряда падает.

Под воздействием коронного разряда происходит интенсификация конденсации бинарного аэрозоля H₂O/H₂SO₄.

В процессе генерирования ионов обеспечивают их перемешивание с продуктами сгорания для образования в потоке продуктов сгорания жидких частиц 4. Производительность генератора коронного разряда и место 5 ввода ионов в поток продуктов сгорания выбирают исходя из условия образования жидких частиц 4 за срезом реактивного сопла 1 (в струе за реактивным соплом).

Электроды генератора нестационарного коронного разряда выполняют в виде сетки из тугоплавкого проводника. Сетку размещают поперек потока продуктов сгорания на входе в реактивное сопло 1, причем для обеспечения однородности создаваемого поля концентрации ионов острия электродов устанавливают в узлах сетки и ориентируют вдоль потока продуктов сгорания. Многоточечный нестационарный (высокочастотный) коронный разряд является наиболее эффективным источником ионов, в котором энергия практически не тратится на возбуждение атомов и молекул. На сетке набегающий поток продуктов сгорания создает вихревую пелену, что способствует эффективному перемешиванию продуктов сгорания и ионов и образованию аэрозоля, содержащего конденсат H₂SO₄.

Для обеспечения эффективной защиты в области ИК-излучения формируют жидкие частицы 4, размер которых в струе за срезом реактивного сопла 1 двигателя ЛА не превышает 10 мкм, что обеспечивается подбором параметров работы генератора коронного разряда. Воздействие коронного разряда приводит к смене индикатрисы первичного излучения за счет переизлучения жидкими частицами 4. Особенно это заметно в области видимого диапазона длин волн (0,3-0,8 мкм) и в области ИК-диапазона длин волн (1-10 мкм). В этом случае наблюдается переход в индикатрисах излучения от узконаправленного максимума к более широкому и менее ярко выраженному максимуму "назад". Кроме того, появляются добавочные неярко выраженные максимумы излучения поперек струи 2.

Это способствует более равномерному рассеянию энергии излучения по направлениям и при сохранении мощности излучения приводит к уменьшению ее интенсивности в направлении "назад" на несколько порядков (при характерном диаметре сопла ~1 м). Разумеется, на практике не вся тепловая энергия струи и деталей реактивного двигателя поглощается и потом переизлучается жидкими частицами аэрозоля, поэтому можно говорить об общем падении интенсивности видимого и ИК-излучения в несколько раз, но не на порядки. За счет этого снижается тепловая заметность летательного аппарата и дистанция захвата цели головкой самонаведения.

Возможность управлять интенсивностью образования жидких частиц с использованием генератора коронного разряда и практически неограниченное время генерирования ионов обеспечивает увеличение длительности периода снижения заметности ЛА. В предельном случае длительность периода снижения заметности ЛА может быть равна длительности полета ЛА.

Изобретение может быть использовано для защиты от обнаружения летательных аппаратов (ЛА), оборудованных реактивными двигателями. Способ снижения заметности ЛА в видимом и инфракрасном диапазоне электромагнитных волн, излучаемых горячими продуктами сгорания реактивного двигателя, заключается в создании защитного аэрозольного облака. В качестве частиц, образующих аэрозольное облако, используют жидкие частицы (ЖЧ), которые формируют путем введения в поток продуктов сгорания ионов с использованием генератора ионов (ГИ). В качестве ГИ используют многоэлектродный генератор нестационарного коронного разряда. В процессе генерирования ионов обеспечивают их перемешивание с продуктами сгорания для образования в потоке продуктов сгорания ЖЧ. Производительность ГИ и место ввода ионов в поток продуктов сгорания выбирают исходя из условия образования ЖЧ за срезом реактивного сопла. Обеспечивают формирование ЖЧ, размер которых в струе за срезом реактивного сопла двигателя летательного аппарата не превышает 10 мкм. Техническим результатом является увеличение длительности периода снижения заметности ЛА. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ снижения заметности летательного аппарата в видимом и инфракрасном диапазоне электромагнитных волн, излучаемых горячими продуктами сгорания реактивного двигателя, содержащего реактивное сопло, заключающийся в создании защитного аэрозольного облака, отличающийся тем, что в качестве частиц, образующих аэрозольное облако, используют жидкие частицы, которые формируют путем введения в поток продуктов сгорания ионов с использованием генератора ионов, причем в процессе генерирования ионов обеспечивают их перемешивание с продуктами сгорания для образования в потоке продуктов сгорания жидких частиц, а производительность генератора ионов и место ввода ионов в поток продуктов сгорания выбирают исходя из условия образования жидких частиц за срезом реактивного сопла.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве генератора ионов используют многоэлектродный генератор нестационарного коронного разряда.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что формируют жидкие частицы, размер которых в струе за срезом реактивного сопла двигателя летательного аппарата не превышает 10 мкм.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что электроды генератора нестационарного коронного разряда выполняют в виде сетки из тугоплавкого проводника, размещенной поперек потока продуктов сгорания на входе в реактивное сопло, причем для обеспечения однородности создаваемого поля концентрации ионов острия электродов устанавливают в узлах сетки и ориентируют вдоль потока продуктов сгорания.