Инфракрасная защита летательного аппарата Российский патент 2023 года по МПК F02K1/82 F02K3/11 

Область техники, к которой относится изобретение

ИК-защита относится к области авиационной техники, а именно военных летательных аппаратов (далее ЛА), например, транспортных самолетов, бомбардировщиков, истребителей, которые могут подвергаться атаке ракетой с инфракрасной головкой самонаведения типа «Стингер» или класса «воздух-воздух» (далее ИК-ракета) и/или обстреле низколетящих ЛА огнестрельным оружием с оптическим прицелом, например, авиационным пулеметом, пушкой или зениткой противника (далее зенитка).

Уровень техники

Известен одноконтурный турбореактивный авиационный двигатель (ТРД), который устанавливался на ЛА.

ТРД состоит из корпуса-трубы (1 фиг. 1), внутри которого вращается вал (2), на котором закреплены наборы лопаток. Вдоль вала выделяются зоны: компрессора низкого давления (3), компрессора высокого давления (4), камеры сгорания (5), турбины высокого давления (6), турбины низкого давления (7). Температура газовой струи на выходе из выхлопного сопла (8) достигает 900 градусов и ограничена жаростойкостью металла раскаленных лопаток турбин (5) и (6). Топливо, например керосин, подается в зону камеры сгорания (5). Газовая струя выхлопа ТРД содержит, в основном, двуокись углерода (углекислый газ) и азот.

На современных гражданских и военных ЛА устанавливается турбореактивный двигатель двухконтурный (ТРДД), который отличается низкими расходом топлива и уровнем шума.

ТРДД (фиг. 2) состоит из корпуса-кожуха (10), внутри которого закреплен ТРД (11 фиг. 2), показанный на (фиг. 1). ТРДД отличается от ТРД вентилятором (12), который вращается соосно с валом ТРД со стороны воздухозаборника (13).

Вентилятор (12) нагнетает атмосферный воздух в зазор между корпусом-кожухом (10) и ТРД (11). Нагнетаемый воздух нагревается выхлопом ТРД и выталкивается из выхлопного сопла (14), что создает дополнительную реактивную тягу.

На ЛА иногда применяется выхлопное сопло с управляемым вектором реактивной тяги, которое образуется створками выхлопного сопла (15), в виде плоских отклоняемых пластин. Выхлоп и излучение от ТРД (11) нагревают створки выхлопного сопла (15), поэтому они превращается в инфракрасный излучатель с широким углом распространения ИК-излучений.

Современный ТРДД, как правило, дополняется форсажной камерой сгорания (далее ТРДДФ) (фиг. 2), в которой между ТРД и выхлопным соплом (14) добавлена форсажная камера сгорания (16) (далее ФКС). В ФКС на стабилизаторе ФКС (17) закреплены форсунки ФКС (18). Топливо через клапан ФКС (19) подается по топливопроводу ФКС (20) в форсунки ФКС (18) и сгорает в атмосферном воздухе, который накачивается вентилятором (12) второго контура, что позволяет за счет большого расхода топлива кратковременно развивать повышенную реактивную тягу.

Лопатка современной турбины (зона 6, 7 фиг. 1) изготавливается из жаростойкого металла и имеет внутренний канал охлаждения. Воздух из компрессора высокого давления ТРД (зона 4 фиг. 1) проходит через канал охлаждения, чтобы поддерживать температуру металла лопатки в допустимом пределе.

В ранних турбореактивных двигателях, реактивная тяга была ограничена допустимой температурой материала лопаток турбины. Поэтому в некоторых экспериментах использовался впрыск воды перед лопатками турбины ТРД. Впрыскивание воды между камерой сгорания и турбиной снижало температуру лопаток турбины, увеличивало реактивную тягу, но препятствовало полному сгоранию топлива, что оставляло очень заметный след дыма, который показан на (фиг. 3). Например, впрыск жидкости был испытан в 1941 году на Л A Power Jets W.1, сначала с использованием аммиака, потом его заменили на воду, а затем на водно-метанольный. Как видно на (фиг. 3) пар и дым от самолета с ТРД стелется над поверхностью земли. Причем пар и дым скрывает поверхность аэродрома за хвостом ЛА. Очевидно, наблюдатель или наводчик орудия, который находится за хвостом самолета, также не может видеть ЛА и нацелиться в него через оптический прицел.

Для поражения ЛА применяются, в том числе зенитки, которые устанавливаются на земле, на корабле или в нападающем ЛА. Как правило, зенитки имеют оптический прицел. ЛА могут скрыться от зениток в тумане или туче, как в светлое время суток, так и ночью при освещении прожектором.

Для борьбы с ЛА известен зенитный ракетный комплекс (ЗРК) с радиолокационной головкой самонаведения. Для формирования узкого луча ЗРК принципиально должен иметь локатор относительно большого диаметра с тяжелым источником энергопитания, что по весогабаритным характеристикам осуществимо только в перевозимой ракете. Как правило, от таких ЗРК ЛА защищаются средствами радиоэлектронной борьбы.

Известен переносной зенитный ракетный комплекс (далее ПЗРК) предназначенный для транспортировки и ведения огня одним человеком. Идея ПЗРК в виде гранатомета возникла в начале Корейской войны, в которой стали интенсивно применятся военные самолеты с ТРД и противотанковые гранатометы. Выхлопное сопло ТРД имеет температуру порядка 900 градусов и является мощным излучателем электромагнитных инфракрасных излучений (далее ИК), что, например, в оптическом диапазоне аналогично прожектору.

Благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению ПЗРК с инфракрасными головками самонаведения легко маскируемы, мобильны и представляют серьезную угрозу для низколетящих ЛА.

Действия наводчика типичной ПЗРК:

• ПЗРК «с плеча», как гранатометом, наводят на ЛА;

• ПЗРК активируется в течение определенного времени;

• после активирования тепловизионная головка самонаведения (далее ИК-головка) в пределах зоны захвата обнаруживает цель и включает индикатор захвата;

• наводчик производит пуск «с плеча»;

• после пуска ПЗРК самостоятельно преследует ЛА.

Допускается однократное активирование ПЗРК. Активированное, но не выпущенное в цель ПЗРК подлежит утилизации

ИК-ракета сама наводится прежде всего на ТРДДФ ЛА.

Известно, ИК излучение занимает в спектре электромагнитных волн широкую область, между длинноволновой частью видимого спектра (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и миллиметровым радиодиапазоном.

Инфракрасный диапазон излучения принято разделять на три поддиапазона. В каждом поддиапазоне существуют по одному окну прозрачности, в которых ИК-излучение менее интенсивно поглощается газами атмосферы, в том числе:

• в ближнем ИК-диапазоне от 0,75 до 1,1 мкм;

• в среднем ИК - диапазоне от 3 до 5,5 мкм;

• в дальнем ИК - диапазоне от 8 до 14 мкм.

ИК-головка ИК-ракеты имеет максимальную спектральную чувствительность в одном из перечисленных окон прозрачности.

При прохождении через атмосферу ИК-излучение ослабляется вследствие поглощения и рассеяния молекулами газов, дождем, снегом, а также мельчайшими частицами - аэрозолями, находящимися в атмосфере во взвешенном состоянии.

Молекулярное поглощение является существенной причиной ослабления излучения. Наибольшее значение для работы ИК-аппаратуры имеет селективное поглощение излучения молекулами водяного пара, углекислого газа, а также кислорода.

На (фиг. 4) приведена типичная зависимость процента молекулярного поглощения основных компонентов атмосферы от длины волны излучения и показана тесная связь между расположением окон прозрачности атмосферы и молекулярным поглощением различных ее компонентов. Из (фиг. 4) следует, что водяной пар и двуокись углерода (углекислый газ) является наиболее эффективным и широкополосным средством маскировки ИК-излучения выхлопного сопла ТРДДФ.

Двуокись углерода вырабатывается в ТРДДФ в результате сжигания топлива.

Поглощение излучения зависит от числа поглощающих молекул на трассе, которое прямо пропорционально длине трассы и давлению воздуха и обратно пропорционально его температуре.

Известно, туман и облака сильно рассеивают инфракрасное излучение и практически непрозрачны для инфракрасных лучей. При толщине облачности свыше 20 м, когда Солнце не просматривается через облака, ИК-излучение также не проходит через них.

Известно, в современном боевом использовании ЛА преимущественно применяется тактика бреющего полета. Например, ЛА летит над макушками деревьев, кратковременно появляется перед противником из-за холма или горы, атакует, разворачивается и, пока противник прицеливается, уходит из прямой видимости. Выхлопное сопло улетающего ЛА является высококонтрастной целью для ИК-головки догоняющей ИК-ракеты. В качестве защиты от ИК-ракеты используются ИК-ловушки.

ИК-ловушка или тепловая ловушка:

• подобна яркой осветительной ракете с максимум излучения в ИК-диапазоне;

• отстреливается перпендикулярно оси ЛА;

• конструктивно представляют собой небольшую емкость с твердым горючим составом (пирофорным или пиротехническим).

Но современные ИК-ракеты анализируют спектр различных источников ИК-излучений и способны среди высокотемпературных ИК-ловушек выделять выходное сопло ЛА, которое имеет более низкую температуру.

Известно, для увеличения дальности полета с внешней стороны фюзеляжа или под крыльями ЛА подвешивается подвесной топливный бак.

Известно, металл начинает светиться красным цветом при температуре около 500 градусов, а при дальнейшем нагревании излучение становится белого цвета. Т.е. происходит смещение максимума спектра. Аналогичное смещение спектра от температуры происходит и в ИК-диапазоне. Причем при уменьшении температуры тела его ИК-излучение ослабляется.

Аналогом является двухконтурный турбореактивный авиационный двигатель с форсажной камерой (ТРДДФ) и каналами вентиляции на обшивке смешивания форсажной камеры, RU 2347930, 27.02.2009, 7 с, патентообладатель СНЕКМА (FR).

Технической проблемой является повышение инфракрасной защиты летательного аппарата.

Мощное демаскирующее инфракрасное и оптическое излучение из района выхлопного сопла ТРДДФ:

- усиливается при режиме форсажа;

- не препятствует видимости ЛА, что позволяет в оптическом диапазоне оператору ПЗРК и/или наводчику огнестрельных орудий прицеливаться в низко летящий ЛА;

- служит высококонтрастной целью для ИК-головки самонаведения ИК-ракеты;

- имеет температуру лопаток турбины и створок выхлопного сопла с управляемым вектором тяги около 900 градусов, что современные ИК-ракеты используют для выделения ЛА из серии выпущенных ИК-ловушек.

Раскрытие сущности изобретения

Двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой сгорания (ТРДДФ), содержащий инфракрасную защиту летательного аппарата (ИК-защита), который создает за хвостом ЛА облако-шлейф, для генерации которого в форсажную камеру сгорания (ФКС) ТРДДФ вместо топлива нагнетается жидкость.

Для чего в конструкцию ЛА добавлены:

• бак с жидкостью;

• трубопроводы жидкости;

• насос жидкости;

• вентиль жидкости;

• тройник, который вставлен в разрез топливопровода ФКС, но после клапана ФКС.

При включении ИК-защиты дистиллированная вода с присадками из бака с жидкостью подается по трубопроводам жидкости через насос жидкости и вентиль жидкости в тройник. При выключенном клапане ФКС в тройнике происходит замещение топлива на жидкость. Далее жидкость по штатному топливопроводу нагнетается в форсунки ФКС. В ФКС жидкость распыляется форсунками ФКС и в горячей газовой струе выхлопа ТРДДФ превращается в пар.

При этом конструкция ФКС и функция форсажа ТРДДФ сохраняется.

Технический результат работы ИК-защиты заключается в распылении форсунками ФКС жидкости, причем:

• в форсажной камере ТРДДФ образуется водяной пар, который смешивается с двуокисью углерода выхлопа и образует за ЛА облако-шлейф;

• за время полета, около 0,2 сек, низколетящего ЛА длина облака-шлейфа превышает 20 м, что активно маскирует ЛА со стороны хвоста в оптическом и ИК-диапазоне излучений;

• температура выхлопного сопла ТРДДФ уменьшается с 900 до 500 и менее градусов, что снижает ИК-излучение, в том числе сопла с управляемым вектором тяги, ниже уровня чувствительности головки ИК-ракеты, которая запущена к ЛА с любого направления;

• уменьшение температуры выхлопного сопла ТРДДФ ниже 500 градусов повышает эффективность ИК-ловушек;

• распыление и ускорение дополнительной массы жидкости в ФКС с превращением ее в большой объем пара увеличивает реактивную тягу ТРДДФ, способствуя уклонению ЛА от ИК-ракеты и выполнению противоракетного маневрирования,

что в конечном итоге защищает ЛА и снижает вероятность поражения ИК-ракетами и зенитками противника.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Турбореактивный двигатель (ТРД), где: 1 - корпус-труба, 2 - вал, 3 - зона компрессора низкого давления. 4 - зона компрессора высокого давления, 5 - зона камеры сгорания, 6 - зона турбины высокого давления, 7 - зона турбины низкого давления, 8 - выхлопное сопло.

Фиг. 2 - Турбореактивный двигатель двухконтурный с форсажем (ТРДДФ), где: 10 - корпус-кожух, 11 - ТРД (который показан на фиг. 1), 12 - вентилятор, 13 -воздухозаборник, 14 - выхлопное сопло, 15 - створка выхлопного сопла, 16 - форсажная камера сгорания (ФКС), 17 - стабилизатор ФКС.18 - форсунки ФКС, 19 - клапан ФКС, 20 - топливопровод ФКС.

Фиг. 3 - Взлет самолета КС-135А с впрыском воды в ТРД J-57.

Фиг. 4 - Зависимость процента молекулярного поглощения основных компонентов атмосферы от длины волны и проницаемость газов, которые входят в состав атмосферы.

Фиг. 5 - Двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой сгорания (ТРДДФ), содержащий инфракрасную защиту летательного аппарата, где: 14 -выхлопное сопло, 15 - створка выхлопного сопла, 16 - форсажная камера сгорания (ФКС), 17 - стабилизатор ФКС, 18 - форсунки ФКС, 19 - клапан ФКС, 20 -топливопровод ФКС, 21 - ТРДДФ (который показан на фиг. 2), 22 - бак с жидкостью, 23 - жидкость (например, дистиллированная вода), 24 - насос жидкости, 25 - вентиль жидкости, 26 - тройник.

Фиг. 6 - Функционирование ИК-защиты летательного аппарата, где: 21 - ТРДДФ (который, например, показан на фиг. 2), 27 - летательный аппарат (например, самолет с двумя ТРДДФ), 28 - ИК-ракета, 29 - ИК-ловушки, 30 - облако-шлейф.

Осуществление изобретения

Изменение конструкции ЛА для создания ИК-защиты приведено на (фиг. 5).

ЛА дополнятся баком с жидкостью (22), который наполнен жидкостью (23), а также насосом жидкости (24) и вентилем жидкости (25), которые включаются по команде летчика или от бортового комплекса обороны (БКО). Насос жидкости (24) нагнетает жидкость (23) из бака с жидкостью (22) через вентиль жидкости (25) и тройник (26) непосредственно в топливопровод ФКС (20), который в исходной конструкции ЛА проложен от клапана ФКС (19) к форсажной камере сгорания (ФКС) (16). При этом цепи автоматики для предотвращения попадания жидкости (23) в топливную систему принудительно выключают клапан ФКС (19) до открытия вентиля жидкости (25). И наоборот, для предотвращения попадания топлива в бак с жидкостью (22) во время режима форсажа и открытом клапане ФКС (19) вентиль жидкости (25) заблаговременно закрывается.

По топливопроводу ФКС (20) жидкость подается в форсунки ФКС (18), которые в форсажной камере сгорания крепятся на стабилизаторе ФКС (17).

Стабилизатор ФКС обеспечивает низкую скорость обтекания форсунок газовыми струями, что улучшает распыление жидкости и ее преобразование в пар.

Бак с жидкостью (22) размещается в фюзеляже ЛА. При внедрении ИК-защиты на уже изготовленном ЛА, где нет свободного объема, в качестве бака с жидкостью (22) используется внешний бак, например, подвесной топливный бак, который в исходной конструкции ЛА для увеличения дальности полета крепится на узлах подвески с внешней стороны фюзеляжа или под крылом ЛА. Причем штатный топливопровод от подвесного топливного бака переключается внутри фюзеляжа от топливного насоса на насос жидкости.

В качестве основного состава жидкости (23) используется дистиллированная вода с присадками.

Присадки к жидкости используются для:

• предотвращения замерзания жидкости, например, антифризы: этиленгликоль, пропиленгликоль, глицерин, метанол;

• увеличения процента молекулярного поглощения ИК-излучения в зоне спектра максимальной чувствительности ИК-головки ИК-ракеты.

Внедрение ИК-защиты не требует внесения изменений в конструкции форсажной камеры, кроме установки тройника (25) на топливопроводе (20).

При скорости ЛА 720 км в час, длина облака-шлейфа смеси водяного пара и двуокиси углерода за 1 секунду полета равняется 200 метрам. При скорости ЛА 360 км в час, длина облака-шлейфа смеси водяного пара и двуокиси углерода за 1 секунду полета равняется 100 метрам. Поэтому облако-шлейф длиной более 20 м генерируется в течение времени полета менее 0,2 сек.

Вентиль жидкости (25) дозирует подачу жидкости в ФКС с учетом скорости и высоты полета ЛА.

На (фиг. 6) показано функционирование ИК-защиты летательного аппарата (27 вид сверху) с двумя ТРДДФ. После звукового предупреждения: «Стингер сзади» бортового комплекса обороны (БКО) о моменте запуска ИК-ракеты (28), БКО автоматически включает ИК-защиту и дополнительно отстреливает ИК-ловушки (29). ИК-защита изменяет спектр и снижает до близкого к нулю мощность ИК-излучения выходного сопла ТРДФ. Истекающий из ТРДДФ облако-шлейф (30) состоит из смеси водяного пара, присадок к жидкости и диоксида углерода. Очевидно, что потерявшая цель ИК-ракета (28), переключится на одну из ближайших ИК-ловушек (29), которые ИК-головке на небольшом расстоянии еще видны сквозь густой туман облака-шлейфа (30).

Причем, сверкающие в облаке-шлейфе и около облака-шлейфа ИК-ловушки (29) излучают электромагнитные волны в оптическом и инфракрасном диапазонах, которые рассеиваются в тумане облака-шлейфа (30) и дополнительно маскируют ЛА. Облако-шлейф превращается в протяженный источник ИК-излучения, внутри которого ИК-ракета движется как в густом тумане при включенных фарах встречных автомобилей.

ИК-защита не влияет на надежность ЛА, поэтому специалистами завода возможна ее установка в полевых условиях на фронтовых аэродромах.

Изобретение относится к инфракрасной защите летательного аппарата (далее ИК-защита), предназначенной для защиты военных летательных аппаратов (далее ЛА) от множества ракет типа ПЗРК, а также маскировки от наводчиков ПЗРК и зениток во время полета низколетящего ЛА. ТРДДФ, содержащий инфракрасную защиту летательного аппарата, установленную в военном ЛА, например, в истребителе, бомбардировщике или транспортном самолете, при этом жидкость подается в форсунки форсажной камеры сгорания (ФКС) ТРДДФ, причем жидкость из бака жидкости по трубопроводам нагнетается насосом жидкости через вентиль жидкости и тройник в топливопровод после закрытия клапана ФКС. Закрепленные на стабилизаторе ФКС ТРДДФ форсунки ФКС распыляют жидкость, что создает за ЛА облако-шлейф из смеси водяного пара с диоксидом углерода (СО₂), причем испаряющаяся в ФКС жидкость снижает температуру газового потока в выхлопном сопле и температуру створок выхлопного сопла с управляемым вектором тяги. В качестве жидкости в бак с жидкостью заливается дистиллированная вода, причем для достижения ИК-маскировки облаком-шлейфом достаточно времени полета ЛА не более 0,2 сек. К жидкости добавлены присадки, в том числе антифризы, например, этиленгликоль, пропиленгликоль, глицерин, метанол. Величина открытия вентиля жидкости регулируется автоматически и/или экипажем ЛА с учетом скорости ЛА, высоты полета, температуры атмосферы, а также расстояния до ИК-ракеты или зенитки. Для заливки и хранения жидкости используется подвесной бак, например, подвесной топливный бак, который закреплен с внешней стороны фюзеляжа или под крылом ЛА, причем штатный топливопровод от подвесного бака переключается внутри фюзеляжа от топливного насоса на насос жидкости. Изобретение обеспечивает повышение инфракрасной защиты летательного аппарата. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой сгорания (ТРДДФ), содержащий инфракрасную защиту летательного аппарата (ИК-защита), установленный в военном летательном аппарате (ЛА), например, в истребителе, бомбардировщике или транспортном самолете, отличающийся тем, что жидкость подается в форсунки форсажной камеры сгорания (ФКС) ТРДДФ, причем жидкость из бака жидкости по трубопроводам нагнетается насосом жидкости через вентиль жидкости и тройник в топливопровод после закрытия клапана ФКС.

2. ТРДДФ с ИК-защитой ЛА по п. 1, отличающийся тем, что закрепленные на стабилизаторе ФКС ТРДДФ форсунки ФКС распыляют жидкость, что создает за ЛА облако-шлейф из смеси водяного пара с диоксидом углерода (СО₂), причем испаряющаяся в ФКС жидкость снижает температуру газового потока в выхлопном сопле и температуру створок выхлопного сопла с управляемым вектором тяги.

3. ТРДДФ с ИК-защитой ЛА по п. 1, отличающийся тем, что в качестве жидкости в бак с жидкостью заливается дистиллированная вода, причем для достижения ИК-маскировки облаком-шлейфом достаточно времени полета ЛА не более 0,2 сек.

4. ТРДДФ с ИК-защитой ЛА по п. 1, отличающийся тем, что к жидкости добавлены присадки, в том числе антифризы, например, этиленгликоль, пропиленгликоль, глицерин, метанол.

5. ТРДДФ с ИК-защитой ЛА по п. 1, отличающийся тем, что величина открытия вентиля жидкости регулируется автоматически и/или экипажем ЛА с учетом скорости ЛА, высоты полета, температуры атмосферы, а также расстояния до ИК-ракеты или зенитки.

6. ТРДДФ с ИК-защитой ЛА по п. 1, отличающийся тем, что для заливки и хранения жидкости используется подвесной бак, например, подвесной топливный бак, который закреплен с внешней стороны фюзеляжа или под крылом ЛА, причем штатный топливопровод от подвесного бака переключается внутри фюзеляжа от топливного насоса на насос жидкости.