Самолет с пониженной радиолокационной заметностью Российский патент 2024 года по МПК H01Q17/00 B64D45/00 

Изобретение относится к области авиастроения, в частности к серийным самолетам тактической и стратегической авиации и может быть использовано для переоборудования самолетов военного назначения с целью уменьшения их радиолокационной заметности.

Известны в авиации Соединенных Штатов Америки стратегический бомбардировщик Northrop В-2 Spirit и самолеты «Стелс» F-22 Raptor, F-35 Lightning II и Lockheed F-117A. При проектировании самолетов F-117A и В-2 была поставлена задача снижения их радиолокационной и тепловой заметности за счет максимально возможного уменьшения эффективной поверхности рассеяния конструктивных элементов корпуса и крыла через изменение их геометрии и самолета в целом. Применение ярко выраженных малоотражающих форм самолета дополнено покрытием его поверхности интерференционным противолокационным радиопоглощающим материалом, что особенно активно делается на самолетах F-22 Raptor, F-35 Lightning II и др., а также на западноевропейских истребителях [Левин М.А., Ильин В.Е. Современные истребители. Издательство "Хоббикнига", М.: 1994, 288 с.]. Эффективная поверхность рассеивания - это характеристика самолета, которая определяет его способность преобразовывать падающую на него электромагнитную волну в рассеянную волну с меньшей плотностью энергии вблизи локатора в сравнении с плотностью энергии электромагнитного излучения вблизи самолета. Величина эффективной поверхности рассеяния зависит от ориентации самолета относительно луча локатора и конкретного значения длины волны электромагнитного излучения из двух интервалов ультракоротких волн: метрового (100-150 МГц) и дециметрового (220-400 МГц). Эти интервалы часто используют ультракоротковолновые наземные и бортовые радиостанции, управляющие воздушными объектами. Применение радиопоглощающих материалов позволяет существенно уменьшить величину эффективной поверхности рассеяния, а следовательно, и заметность стеле - и серийных самолетов и, таким образом, повысить их боевую эффективность. Для лучшего поглощения радиоволн в материал радиопоглощающего покрытия добавляют ферромагнетики и металлические включения с размером частиц ~2-3 мкм, а для расширения диапазона частот, в котором покрытия будут эффективны, их изготавливают многослойными. Толщина конкретного слоя соответствует его способности поглощать радиоволны определенной длины. Величина эффективной поверхности рассеяния в виде отраженной от самолета рассеянной волны и характеристика радиопоглощающего материала определяют свойства рассеянной волны, отклоняемой от распространения в направлении на приемник-локатор. Для этого поверхность самолетов (В-2, F-117A) сделана рельефной. Картина эффективной поверхности рассеяния, как правило, получается сложной из-за явлений дифракции и последующей интерференции радиолокационной электромагнитной волны, отраженной от различных конструктивных элементов самолета «с соответствующей задержкой фазы от каждого отражающего элемента» [Львова Л.А. Радиолокационная заметность летательных аппаратов - Снежинск: Изд-во. РФЯЦ-ВНИИТФ, 2003-232 с.; Лагарьков А.Н., Федоренко А.И., Кисель В.Н. и др. Актуальные задачи стелс-технологий // Вестник Российской Академии наук, том 73, №9, с. 848 (2003)].

Недостатком стратегического бомбардировщика Northrop В-2 Spirit и самолетов «Стелс» Lockheed F-117A и др. является то, что с целью устранения собственной радиолокационной заметности изменена геометрия корпуса-крыла самолета, а это влечет за собой изменение аэродинамических качеств боевых машин и нарушение сложившегося эволюционного процесса совершенствования обтекаемого корпуса и крыла самолета и ввод дорогостоящей технологии его изготовления. Это относится к архитектуре самолета, а что касается технологии «Стелс», применяемой на самолетах В-2 Spirit, F-22 Raptor и F-35 Lightning II, то она «обладает серьезной уязвимостью» [А. Леонков, еженедельник «Звезда», М., от 5 марта 2021 г. ]. В статье [https://zvezdaweekly.ru/news/20201281247-HV1Af.html] «Что делает американские «авианевидимки» бессмысленной технологией», о которой замалчивает Пентагон и компании, создавшие указанные типы самолетов. Эффективность «невидимок» обосновывают показателем эффективной поверхности рассеяния, который «по оценкам Западных и отечественных аналитиков» уменьшен до 70% по сравнению с самолетами традиционной формы. Дальность обнаружения стелс-самолета сокращена на треть. «В пересчете на дистанцию обнаружения это означает ее сокращение примерно в 5,6 раза». Самолет СУ-35 с бортовой радиолокационной станцией «Ирбис» обнаружит F-22 на дальности 266 км. Дальность ракет AIM-120D у «невидимки» составляет 180 км. Австралийское независимое военно-аналитическое агентство АРА еще в 2009 году дало следующую сравнительную оценку в виде итоговых баллов самолетам пятого поколения F-22 - плюс 2 балла; самый «невидимый» истребитель F-35, который виден на дистанции 150-250 км - минус 8 баллов; СУ-57 (Т-50) - плюс 5 баллов, на котором применялись только композиционные материалы, отражающие радиоволны хуже, чем металл. Отражения в стелс-самолетах сконцентрированы в нескольких узких секторах, а в обычных самолетах отражения распространены равномерно. Это объясняется тем, что фюзеляжи покрыты ферромагнитной краской. Современные радары ПВО и самолетов работают в диапазоне сантиметровой длины волны. Радары, работающие во всех диапазонах, к которым относятся радиолокационные станции с активными фазированными антенными решетками, делают стеле «бессмысленной технологией» [https://zvezdaweekly.ru/news/20201281247-HV1Af.html]. Возможно, в стелс-самолетах не затронуты устойчивость, скорость и маневренные качества, но если взять во внимание создание объемного в количественном отношении парка воздушных судов, требующих стоянку в специально оформленных гаражах, то потребность в желаемой и оказавшейся условной "невидимости" не оправдывает затрат, связанных с ее достижением. С помощью радиопоглощающих материалов практически невозможно уменьшить эффективную площадь рассеивания самолета в длинноволновом интервале. Существенного снижения эффективной поверхности рассеяния удается добиться в интервале длин волн от 2 до 20 см. Проблемным остается вопрос о выборе радиопоглощающих материалов для отдельных элементов самолета, как например, для воздухозаборника. Жесткие требования к покрытиям проявляются по «комплексу внешних воздействий: температурным, климатическим, эрозионным, акустическим, вибрационным, контактам с эксплуатационными жидкостями, перепадам давления, механическим воздействиям при обслуживании» [Лагарьков А.Н., Федоренко А.И., Кисель В.Н. и др. Актуальные задачи стелс-технологий // Вестник Российской Академии наук, том 73, №9, с. 848 (2003)]. Растут требования «к ресурсам и срокам службы всех систем» самолета и в том числе к дорогостоящим радиопоглощающим покрытиям, которые должны обеспечить защиту обшивки самолета, сглаживать аэродинамические поверхности, демпфировать колебания элементов самолета. Наличие в радиопоглощающих материалах мелкодисперсных порошковых металлов и их сплавов приводит к деструкции полимеров, что снижает ресурс покрытий. Участвует в этом и то обстоятельство, что нанесение покрытий, в значительной степени, выполняется вручную. Прочность покрытий чувствительна к жестким условиям эксплуатации самолетов и не только на высоких скоростях, но и при наземном обслуживании. Проблемными остаются также вопросы об уменьшении толщины покрытий, сокращении технологического цикла их нанесения и их веса.

Задача изобретения: уменьшить радиолокационную заметность самолета за счет снижения его эффективной поверхности рассеяния; повысить эксплуатационную надежность радиопоглощающего покрытия.

Техническим результатом является конструкция радиопоглощающего покрытия для радиолокационной защиты самолета от электромагнитных волн радиолокационной системы на основе использования явления электростатической индукции.

Технический результат достигается тем, что экранирование фюзеляжа, консолей крыла, консолей горизонтального и вертикального хвостового оперения, воздухозаборника, сопла, кабины и др. элементов самолета осуществляется металлической нитью или лентой, в виде узкой фольги, из меди, алюминия, сплава металлов, соединенных с поверхностью самолета клеем или контактной сваркой. Нить и лента в форме замкнутой ячеистой сетки, называемой клеткой Фарадея, находятся под, окрашивающим самолет, слоем краски. Диаметр нити, ширина и толщина ленты определяются расчетом в зависимости от интервала частот радиолокационного излучения. При действии извне электрического поля на металлическую сетку с внутренней стороны сетки возникает собственное поле индуцированных зарядов, которое компенсирует электромагнитное поле, действующее от радиолокатора. Сетка защищает, находящийся внутри нее объект от проникновения электромагнитных волн, и заземлена на корпус самолета. Также и с самолетом, находящимся в поле локатора: при наличии металлической сетки излучение локатора практически полностью "поглощается сеткой" и только возможно незначительная часть энергии радиоволн отражается от металлического экрана. Экранирование распространяется на все пространство, ограниченное ячеистой сеткой. На этом основана электростатическая защита, в данном случае, самолета. Размер стороны квадрата ячейки в сетке должен быть меньше 1/4 длины радиоволны, излучаемой локатором. Радиопоглощающее покрытие из металла не боится комплекса внешних воздействий на самолет; устойчиво к жестким условиям эксплуатации самолетов, включая их наземное обслуживание; обладает наибольшим сроком службы, минимальным весом и минимальной технологической затратой при изготовлении. В основе изложенного находится явление, называемое в физике электростатической индукцией, в котором не рассматривается отражение внешнего электрического поля от объекта, способного проводить электрический ток.

Явление электростатической индукции представляет собой следующее. В проводнике и в любой конструкции, которую можно рассматривать, как проводник, например в летательном аппарате, в равных количествах всегда находятся положительные и отрицательные электрические заряды. Когда проводник оказывается во внешнем электростатическом поле, то в проводнике возникает смешение электрических зарядов. В металлах подвижностью обладают только отрицательные заряды-электроны. Перемещение свободных электронов в проводнике навстречу внешнему полю создает собственное электрическое поле встречного направления. Это явление носит название электростатической индукции. Перераспределение зарядов в проводнике происходит до тех пор, пока внешнее поле внутри проводника не скомпенсируется собственным полем индуцированных зарядов. Индуцированные заряды становятся неподвижными. Результирующее поле внутри проводника при этом становится равным нулю. Отсутствие поля внутри проводника означает, что поверхность проводника является эквипотенциальной. Таким образом, внесенный в электрическое поле проводник вызывает искажение этого поля. Вблизи проводника внешнее поле становится неоднородным. Физическая сущность явления электростатической индукции состоит в экранировании пространства, ограниченного поверхностью проводника. Устройство, которое необходимо защитить от внешнего электрического поля, окружают со всех сторон проводником, например, в виде металлической сетки. Поле внутри ее полости отсутствует [Демидченко В.И. Физика: учебник / В.И. Демидченко, И.В. Демидченко. - 6-е изд., перераб. и доп.- М.: ИНФРА-М, 2018. - 581 с.].

На фиг. 1 изображен фрагмент радиопоглощающего покрытия в виде металлической сетки на поверхности фюзеляжа или крыла, или др. элемента самолета-вид сбоку; на фиг. 2 представлен фрагмент радиопоглощающего покрытия на поверхности самолета-вид сверху; на фиг. 3 - общая картина радиопоглощающего покрытия поверхности самолета.

Радиопоглощающее покрытие содержит комплекс взаимоперпендикулярных нитей или лент 1, соединенных друг с другом контактной сваркой 2 и с элементами 3 поверхности самолета клеем 4 или контактной сваркой 2. Нить и лента в форме замкнутой ячеистой сетки находятся под, окрашивающим поверхность 3 самолета, слоем 5 краски. Диаметр нити, ширина и толщина ленты, размер стороны "а" квадрата ячейки в сетке определяются расчетом в зависимости от диапазона частот радиолокационного излучения. Наиболее используемым диапазоном частот и соответствующий им интервал длин радиолокационных волн в локации воздушных целей рассматривается С и G диапазоны: 4-8 ГГц. (7,5-3,75 см) [Макаренко С.И. Противодействие беспилотным летательным аппаратам. Монография - СПб: Наукоемкие технологии, 2020] В G-диапазоне работают военные мобильные радиолокаторы. Средний размер стороны квадрата ячейки металлической сетки в этом случае для средней частоты G-диапазона равной ν=(4+8)/2=6 ГГц, равен а≤(7,5+3,75)/2=5,63 см [Интернет-ресурсы: https:www. radartutorial.eu, https:www.topwar.ru].

Физическая сущность явления электростатической индукции состоит в экранировании всего пространства, ограниченного металлической ячеистой сеткой, от внешних электрических полей и, таким образом, электростатической защите самолета от радиолокационного излучения локатора.

Изобретение относится к области авиастроения, в частности к серийным самолетам тактической и стратегической авиации, и может быть использовано для переоборудования самолетов военного назначения с целью уменьшения их радиолокационной заметности. Экранирование элементов самолета осуществляется металлической нитью или лентой в виде узкой фольги, соединенными с поверхностью самолета. Нить и лента в форме замкнутой ячеистой сетки находятся под окрашивающим самолет слоем краски. Диаметр нити, ширина и толщина ленты определяются расчетом в зависимости от интервала частот радиолокационного излучения. При действии извне электрического поля на металлическую сетку с внутренней стороны сетки возникает собственное поле индуцированных зарядов, которое компенсирует электромагнитное поле, действующее от радиолокатора. Размер стороны квадрата ячейки в сетке должен быть меньше одной четвертой длины радиоволны, излучаемой локатором. Технический результат - конструкция радиопоглощающего покрытия для радиолокационной защиты самолета от электромагнитных волн радиолокационной системы на основе использования явления электростатической индукции. 3 ил.

Самолет с пониженной радиолокационной заметностью, включающий корпус, крыло, горизонтальное и вертикальное хвостовое оперение, воздухозаборник, сопло, фонарь кабины, створки отсека штанги дозаправки топливом в полете, оптические датчики, антенные отсеки, отличающийся тем, что конструкция радиопоглощающего покрытия для радиолокационной защиты самолета от электромагнитных волн радиолокационного источника-локатора состоит из металлической нити или ленты, в виде узкой фольги, из меди, алюминия, сплава металлов, соответственно расчетного диаметра и расчетных значений ширины и толщины, в форме замкнутой ячеистой сетки, устойчивой к жестким условиям эксплуатации самолетов с размером стороны квадрата ячейки не более длины волны излучения локатора и заземленной на корпус самолета, а также соединенной с поверхностью самолета клеем или контактной сваркой, и находящейся под слоем краски, окрашивающей самолет, и, тем самым, самолет, находясь в условиях в электростатической индукции, когда внешнее поле скомпенсировано внутри самолета собственным полем индуцированных зарядов, оказывается изолированным от внешнего излучения, источником которого является наблюдатель-локатор.