СПОСОБ СНИЖЕНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ЗАМЕТНОСТИ САМОЛЕТНЫХ АНТЕНН Российский патент 2023 года по МПК H01Q1/28 

Изобретение относится к области авиации, в частности к способу снижения радиолокационной заметности самолетных антенн, и может быть использовано для снижения радиолокационной заметности самолетных антенн, в частности антенн диапазона километровых волн (КЛМВ) и декаметровых волн (ДКМВ).

Уменьшение радиолокационной заметности летательных аппаратов является одним из важнейших факторов эффективности применения летательных аппаратов. Использование самолетов с низким значением эффективной площади рассеивания (ЭПР) обеспечивает успешное преодоление системы противовоздушной обороны. ЭПР является основной характеристикой, определяющей свойства самолета как отражающего электромагнитные излучения объекта. Величина ЭПР характеризует способность рассеивающего тела преобразовывать падающую на него электромагнитную волну в рассеянную волну определенной поляризации, распространяющейся в направлении приемника.

Из уровня техники известны самолетные антенны диапазона КЛМВ и ДКМВ следующих конструкций: антенны с емкостной связью, так называемые колпачковые или с изолированной частью корпуса летательного аппарата, антенны с индуктивной связью, антенны с кондуктивной связью или шлейфовые антенны, антенны с дифракционной связью или пазовые антенны.

Основным недостатком применения подобных конструкций на современных летательных аппаратах, к которым предъявлены требования по малой радиолокационной заметности, является наличие конструктивных элементов, выходящих на теоретический контур летательного аппарата и высокий уровень ЭПР.

Из патента RU 2565158 С1, опублик. 20.10.2015, известен способ снижения радиолокационной заметности летательных аппаратов, заключающийся в размещении антенны в герметичной полости радиопрозрачного обтекателя, заполнении полости плазмообразующей газовой смесью и введении пучка электронов в смесь. Однако плазмообразование и эффективность поглощения радиоволн плазмой зависит от параметров смеси газов, как при хранении, так и при полете и не являются стабильными. В целом такой способ является сложным для реализации и стоимости летательного аппарата, снижает надежность летательного аппарата и не обеспечивает существенного уменьшения ЭПР.

К недостаткам известных из уровня техники летательных аппаратов и способов снижения радиолокационной заметности летательных аппаратов относится недостаточное эффективное снижение радиолокационной заметности антенн, как следствие увеличенная ЭПР летательных аппаратов, необходимость применения дополнительных специальных мероприятий для снижения ЭПР летательных аппаратов, вызывающих увеличение веса самолета.

Задачей изобретения является снижение радиолокационной заметности летательных аппаратов.

Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении отсутствия элементов антенны, выходящих на теоретический контур самолета, снижении эффективной площади рассеивания антенны и снижении радиолокационной заметности летательного аппарата.

Технический результат обеспечивается способом, заключающегося в том, что выбирают элемент летательного аппарата который можно изолировать от корпуса летательного аппарата без изменения его теоретического контура, материала и конструкции, осуществляют расчет импеданса в отношении элемента летательного аппарата, изолируют элемент летательного аппарата от корпуса летательного аппарата для чего устанавливают между элементом и корпусом летательного аппарата диэлектрические подшипники или диэлектрические проставки, и используют элемент в качестве антенны летательного аппарата.

В качестве элемента летательного аппарата выбирают рулевые поверхности, кили летательного аппарата, горизонтальное оперение, вертикальное оперение, элероны, флапероны, элевоны, интерцепторы, поворотные наплывы.

Элементы летательного аппарата могут быть использованы в качестве антенн, в частности диапазонов километровых волн (КЛМВ) и декаметровых волн (ДКМВ), гектометровых волн (ГКМВ) и мириаметровых волн (МРМВ).

Краткое описание чертежей

фиг. 1 - самолеты с антенной с емкостной связью;

фиг. 2 - самолет с антенной с индуктивной связью;

фиг. 3 - самолеты с антенной с кондуктивной связью (шлейфовой антенной);

фиг. 4 - самолеты с антенной с дифракционной связью (пазовой антенной;

фиг. 5 - киль летательного аппарата;

фиг. 6 - киль летательного аппарата с антенного пазового типа;

фиг. 7 - киль летательного аппарата, используемый в качестве антенны летательного аппарата;

фиг. 8 - активная часть импеданса антенны;

фиг.9 - реактивная часть импеданса антенны.

фиг. 10 - диаграммы обратного рассеяния (ДОР) киля и киля с антенного пазового типа;

Фиг. 1-4 демонстрируют самолеты с антеннами известными из уровня техники.

На фиг. 8 используются следующие обозначения:

1 - киль летательного аппарата;

2 - диэлектрический подшипник.

На фиг. 7 изображен киль летательного аппарата 1, который изолирован от корпуса летательного аппарата с помощью диэлектрических подшипников 2, и используется в качестве антенны.

Способ снижения радиолокационной заметности самолетных антенн заключается в том, что в качестве антенны используются существующие элементы летательного аппарата без изменения их теоретического контура, материалов и конструкции в целом. При этом вклад в ЭПР будет равен нулю. Реализация заявленного способа происходит следующим образом.

Для использования в качестве антенны выбирают элемент конструкции летательного аппарата, который возможно изолировать от корпуса летательного аппарата без изменения его теоретического контура, материалов и конструкции в целом. Такими элементами являются: элероны, флапероны, элевоны, интерцепторы, горизонтальное и вертикальное оперение, поворотные наплывы и т.д.

В отношении выделенного элемента проводится расчет импеданса как антенно-фидерного устройства, т.е. антенны. Электрические характеристики антенно-фидерных устройств, установленных на летательном аппарате, должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 50860-2009.

Расчет импеданса проводится путем математического моделирования методом моментов - точным методом решения интегральных уравнений Максвелла в частотной области через систему линейных алгебраических уравнений. Точность метода зависит от качества аппроксимации поверхности конечно-элементной сеткой, поскольку точное решение достигается в узловых точках элементов, называемых базисными функциями. Численное определение поля основывается на аналитическом решении задачи о возбуждении структуры элементарным источником тока. Такое решение в математике имеет название функции Грина. Метод моделирования моментов оказывается эффективным, если функция Грина записана аналитически в простой форме.

Поверхность самолета подвергается дискретизации, при этом металлические элементы анализируемой структуры заменяются эквивалентными электрическими поверхностными токами. Для аппроксимации тока в пределах элементарных площадок используются постоянные, линейные и треугольные базисные функции. Таким образом, граничные условия на поверхности металла в методе математического моделирования выполняются приближенно, а именно в нескольких точках в пределах каждой элементарной площадки.

В результате задания граничных условий в дискретных точках получается система линейных алгебраических уравнений относительно коэффициентов при базисных функциях, которые имеют смысл амплитуд токов, текущих в пределах элементарной площадки. Данная система линейных алгебраических уравнений решается с помощью известного метода исключения Гаусса.

Далее рассчитываются параметры антенны, в частности импеданс, для чего антенна представляется в виде сверхвысокочастотного излучающего многополюсника (матрицы S,Y,Z). Причем многополюсник имеет выходы (порты) в виде линий передачи, чаще всего одноволновых линий передачи. В этой линии передачи устанавливается некоторое сечение, называемое отсчетной плоскостью, в котором определяются амплитуды падающих и отраженных волн, токи и напряжения и т.д. Эти параметры позволяют далее найти матрицы Y, Z или S многополюсника.

Предполагается, что за пределами многополюсника в линии передачи поля могут существовать только в виде падающей и отраженной волн. Однако в линии передачи всегда существуют высшие типы волн, затухающие вдоль линии передачи. Эти волны возбуждаются в многополюснике и всегда создают конечное поле в любом сечении выходной линии передачи. Но, так как отсчетная плоскость находится на достаточном расстоянии от места возбуждения реактивных волн, то их амплитуда в этом месте будет пренебрежимо малой.

Для определения, например, матрицы рассеяния многополюсника, необходимо проделать N опытов, состоящих в том, что к одному из портов устройства подключается идеальный генератор, а к другим подключаются идеальные согласованные нагрузки, а затем измеряются амплитуды отраженных от многополюсника волн. В качестве идеально согласованной нагрузки может выступать бесконечная линия передачи, в которой нет источников отражений или какая-то гипотетическая согласованная нагрузка. Таким образом, возникает проблема, как создать модель бесконечной линии передачи. Сделать это чисто электродинамическими методами достаточно трудно, так как все структуры, подлежащие численному анализу должны быть конечными. Кроме всего прочего, эта модель должна логично входить в общую схему решения электродинамической задачи, в схему моделирования методов моментов, заканчивающуюся портами. На практике это чаще всего коаксиальные разъемы, к которым присоединяются одноволновые коаксиальные кабели. Такие разъемы неидеально согласованы, но решается задача создать модель идеального разъема, не вызывающего отражений.

Крайний слой, примыкающий к металлической стенке, используется для описания порта. Номера ячеек в этом слое меняются от 1 до N. В случае операторного уравнения к которому затем применяется моделирование методов моментов на основании граничных условий, это граничные условия на поверхности полоскового проводника, требующие равенства нулю тангенциального электрического поля. Данное граничное условие справедливо для всех ячеек сетки, кроме тех, что используются для описания порта. Установим здесь другие условия, а именно равенство электрического поля на крайних площадках не нулю а некоторой величине, определяемой напряжением в зазоре между проводником и стенкой.

Предполагая, что размер ячейки достаточно мал, для напряжения в зазоре закон Ома:

где

Е₀ - ЭДС, включенная в зазор,

Z - включенное в зазор сосредоточенное сопротивление,

J - полный продольный ток, текущий по проводнику.

Соотношение есть ни что иное, как закон Ома для участка цепи. Эта цепь моделирует два процесса: поглощение волны, распространяющейся из схемы в нагрузку и возбуждение схемы падающей извне волной. Сопротивление Z равно волновому сопротивлению полосковой линии передачи, подходящей к порту.

Полный ток J определяется через интеграл по сечению проводника. В условиях дискретной сетки он заменяется суммой токов элементов сетки.

Также необходимо учитывать, что токи имеют две компоненты, следовательно, базисные и тестовые функции являются вектор - функциями. Описанная выше модель порта не является строгой. Она основана на предположении, что сосредоточенная нагрузка может обеспечить идеальное согласование полосковой линии передачи. Это, строго говоря, верно только для достаточно низких частот. Однако практика применения такой модели показала, что она дает хорошие результаты в большинстве практически важных случаев. Аналогичную модель в виде сосредоточенного источника используют не только для описания печатных схем, но также при анализе вибраторных и проволочных антенн, когда реальную питающую линии передачи заменяют сосредоточенным генератором с конечным внутренним сопротивлением.

Получившиеся значения импеданса выбранного элемента летательного аппарата проверяются на соответствие требованиям ГОСТ Р 50860-2009. Для использования выбранного элемента летательного аппарата в качестве антенны летательного аппарата необходимо удостовериться, что его характеристики соответствуют требованиям ГОСТ Р 50860-2009.

Далее осуществляют изоляцию выбранного элемента летательного аппарата, для чего проводится проработка изоляции выбранного элемента путем подбора диэлектрических подшипников или диэлектрических подшипников диэлектрических проставок между корпусом летательного аппарата и выбранным элементом по характеристикам прочности, ресурса и электрической емкости.

Способ снижения радиолокационной заметности самолетных антенн был испытан на самолете Су-57. В качестве антенн летательного аппарата диапазона КЛМВ и ДКМВ, а именно антенны верхнего питания импульсно-фазовой радионавигационной системы (АВП-ИФРНС) и антенны верхнего питания декаметровых волн (АВП-ДКМВ), было выбрано цельно поворотное вертикальное оперение летательного аппарата, т.е. левый киль и правый киль. Изолирование элементов оперения летательного аппарата выполнено при помощи высоконагруженного подшипника или изоляционных площадок с диэлектрическим крепежом.

Аэродинамические распределенные (воздушные) нагрузки в виде сил давления и разрежения воспринимаются обшивками киля и через заклепочные, болтовые и клеевые соединения передаются на элементы каркаса цельно поворотное вертикальное оперение.

Перерезывающая сила по стенке диафрагмы законцовки передается через уголок срезом штыря на стенку концевой нервюры, далее через уголки по стенкам лонжерона и по передней стенке она передается срезам болтов и заклепок крепления уголков на стенку корневой нервюры, а оттуда сдвигом и изгибом на полуось киля.

Изгибающий момент растяжением-сжатием обшивки законцовки и поясов диафрагмы законцовки передается на болты крепления законцовки и далее через накладки растяжением-сжатием поясов лонжерона и обшивок передается на стыковочные болты, а с них на пояса полуоси и саму полуось киля.

Крутящий момент воспринимается контуром законцовки и далее, через поток касательных сил по концевой нервюре контуром между передней стенкой и хвостовым профилями обшивками уравновешивается потоком касательных сил на корневой нервюре и передается парой сил на полуось.

Таким образом, все нагрузки с цельно поворотного вертикального оперения передаются на полуось. При этом перерезывающая сила и изгибающий момент передаются на опоры полуоси в виде реакций (полуось работает на срез и изгиб), а крутящий момент уравновешивается моментом на кронштейне привода. От действия крутящего момента полуось работает на кручение.

Для изолирования киля была принята, как наиболее простая и, в то же время, обеспечивающая необходимый уровень защиты - одноступенчатая изоляция. В связи с достаточно большими величинами реакций в опорах, для снижения удельного давления использована изоляция по внешнему кольцу подшипника.

На фиг. 7 показана конструкция антенны летательного аппарата в качестве которой служит киль летательного аппарата.

Вертикальное оперение, включающее в себя правый киль и левый киль, использованное в качестве антенн летательного аппарата относится к антеннам типа шлейф-вибратора Пистолькорса. При этом в качестве вибратора используется внешняя поверхность киля, в качестве шлейфов используются оплетки фидеров антенн диапазонов метровых волн и дециметровых волн, размещаемых в радиопрозрачной законцовке киля. Противовесом антенны служит вся поверхность планера летательного аппарата. На киле, используемом в качестве антенны, устанавливается типовое с другими типами антенн согласующее устройство. В основании киля размещены ферритовые вставки (дросселя) используемые для съема помех, наводимых в тракт от антенн диапазона километровых волн, метровых волн и декаметровых волн.

Значение импеданса, а именно его активная и реактивная части, в отношении вертикального оперения летательного аппарата используемого в качестве антенны верхнего питания декаметровых волн (АВП-ДКМВ) диапазона, полученного в рамках межведомственных испытаний (МВИ) данной антенны, приведены на фиг.8, 9.

Аналогичные характеристики получены в отношении вертикального оперения летательного аппарата используемого в качестве антенны верхнего питания импульсно-фазовой радионавигационной системы (АВП-ИФРНС).

На фиг. 10 приведены диаграммы обратного рассеяния (ДОР) киля и киля с антенного пазового типа. Графические данные показывают, что диаграммы обратного рассеяния антенн, выполненных из элементов летательного аппарата, не отличается от собственных диаграмм обратного рассеяния таких элементов, в частности левого киля и правового киля летательного аппарата. Для сравнения на графике приведены кривая выполненная пунктирной линией, характеризующая диаграмму обратного рассеяния киля с пазовой антенной, и кривая выполненная сплошной линией, характеризующая диаграмму обратного рассеяния киля, использованного в качестве антенны. Кривые показывают, что вклад в ЭПР киля с пазовой антенной достаточно высокий, тогда как диаграммы обратного рассеяния антенны, выполненной в виде киля, не отличается от собственных диаграмм обратного рассеяния киля, и не вносит вклад в ЭПР.

Кроме того, предложенное техническое решение обеспечивает диэлектрическую развязку и передает нагрузки с вертикального оперения на конструкцию летательного аппарата. Это достигается за счет установки диэлектрических подшипников на оси вертикального оперения летательного аппарата, передающего на конструкцию летательного аппарата перерезывающие силы с оси вертикального оперения и изгибающий момент, а также за счет диэлектрического подшипника, установленного между качалкой вертикального оперения и приводом вертикального оперения, передающую крутящий момент с оси вертикального оперения на привод вертикального оперения.

В результате изготовления и экспериментальной отработки опытных образцов достигнуты результаты, подтверждающие эффективность способа снижения радиолокационной заметности самолетных антенн, а именно полное устранение вклада в ЭПР летательного аппарата от антенн диапазонов КЛМВ и ДКМВ, электрическая изоляция рулевой поверхности от поверхности летательного аппарата, обеспечив при этом сочетание простоты конструкции с потенциалом унификации.

Стоит отметить, что конструктивное исполнение вертикального оперения цельно поворотным не является определяющим критерием для выбора элемента летательного аппарата в качестве антенны. В качестве антенны летательного аппарата может применятся и неподвижное оперение, и другие элементы летательного аппарата. При этом вклад в ЭПР элементов летательного аппарата используемых в качестве антенн будет равен нулю.

Таким образом, использование элементов летательного аппарата в качестве антенны летательного аппарата обеспечивает отсутствие элементов антенны, выходящих на теоретический контур самолета, снижение эффективной площади рассеивания, и обеспечивает снижение радиолокационной заметности летательного аппарата.

Изобретение относится к области авиации, в частности к способу снижения радиолокационной заметности самолетных антенн. Способ заключается в том, что выбирают элемент летательного аппарата, который можно изолировать от корпуса летательного аппарата без изменения его теоретического контура, материала и конструкции, осуществляют расчет импеданса в отношении элемента летательного аппарата, изолируют элемент летательного аппарата от корпуса летательного аппарата для чего устанавливают между элементом и корпусом летательного аппарата диэлектрические подшипники или диэлектрические проставки, и используют элемент в качестве антенны летательного аппарата. Изобретение обеспечивает снижение радиолокационной заметности летательного аппарата. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ снижения радиолокационной заметности самолетных антенн, характеризующийся тем, что выбирают элемент летательного аппарата, который можно изолировать от корпуса летательного аппарата без изменения его теоретического контура, материала и конструкции, осуществляют расчет импеданса в отношении элемента летательного аппарата, изолируют элемент летательного аппарата от корпуса летательного аппарата для чего устанавливают между элементом и корпусом летательного аппарата диэлектрические подшипники или диэлектрические проставки, и используют элемент в качестве антенны летательного аппарата.

2. Способ по п. 1, в котором в качестве элемента летательного аппарата выбирают рулевые поверхности, кили летательного аппарата, горизонтальное оперение, вертикальное оперение, элероны, флапероны, элевоны, интерцепторы, поворотные наплывы.

3. Способ по п. 1, в котором самолетные антенны являются антеннами диапазонов километровых волн (КЛМВ) и декаметровых волн (ДКМВ).

4. Способ по п. 1, в котором самолетные антенны являются антеннами диапазонов гектометровых волн (ГКМВ) и мириаметровых волн (МРМВ).