Способ защиты объектов от ударных беспилотных летательных аппаратов ближнего и малого радиуса действия с помощью электромагнитного излучения сантиметрового диапазона длин волн Российский патент 2025 года по МПК F41H11/02 B64B1/00 G01S7/38 

Изобретение относится к радиоэлектронным способам борьбы с беспилотными летательными аппаратами (БпЛА).

Одной из характерных особенностей современных боевых действий является широкое использование противоборствующими сторонами БпЛА различного назначения. Задачи, решаемые с помощью БпЛА, включают в себя ведение разведки, выдачу целеуказания, а также нанесение ударов по различным объектам противника (командным пунктам, огневым точкам, укрытиям для личного состава, складам с вооружением и боеприпасами) как непосредственно на линии боевого соприкосновения, так и в тылу. С этой целью в настоящее время активно используются ударные БпЛА, представляющие собой весьма динамично развивающийся класс авиационной беспилотной техники.

При этом в ходе боевых действий БпЛА могут активно использоваться всеми противоборствующими сторонами, в связи с чем актуальна задача защиты собственных объектов от воздействия на них беспилотных систем противника.

Среди существующих БпЛА выделяются аппараты малого (10-200 км) и ближнего (не более 10 км) радиусов действия. Беспилотные летательные аппараты малого радиуса действия характеризуются взлетной массой до 50 кг и массой полезной нагрузки от 7 до 10 кг. Беспилотные летательные аппараты ближнего радиуса действия представлены миниатюрными или мини БпЛА (взлетной массой до 15 кг, массой полезной нагрузки 2-3 кг) и микроминиатюрными или микро-БпЛА (характерные геометрические размеры не более 15 см, взлетная масса не более 100 г) [RU 2551821, 30.04.2015].

Незначительная взлетная масса БпЛА ближнего и малого радиуса действия накладывает ряд ограничений как на конструкцию самого летательного аппарата, так и на конструкцию его бортовой системы управления, силовой установки, полезной нагрузки и энергоисточников. При этом для снижения веса и увеличения прочности летательных аппаратов широко применяются композиционные материалы. Использование подобных материалов позволяет снизить вес планера летательного аппарата на 30-40% [Применение композиционных материалов в конструкции БпЛА // Сенюшкин Н.С., Ямалиев Р.Р., Ялчибаева Л.Р. - М.: Молодой ученый. - 2011. - №4. Т.1. - С.59-61].

Исходя из небольшой массы полезной нагрузки (до 10 кг) очевидно, что в качестве ударных БпЛА ближнего и малого радиуса действия будут использоваться либо авиационные системы одноразового применения, либо указанные летательные аппараты должны быть оснащены сбрасываемыми взрывными устройствами. В качестве последних могут использоваться ручные гранаты, гранатометные выстрелы, самодельные взрывные устройства и т.п.

Следовательно, ударный БпЛА подобного класса должен либо осуществить столкновение с атакуемым объектом, либо пролететь непосредственно над ним на небольшой высоте.

В свою очередь защита объекта должна заключаться в недопущении подобного перемещения ударного летательного аппарата.

Использование для противодействия БпЛА традиционных средств борьбы с воздушным противником (зенитные ракетные и зенитные артиллерийские комплексы, истребительная и армейская авиация, стрелковое оружие) может оказаться неэффективным.

Основная проблема борьбы средствами ПВО с БпЛА ближнего и малого радиуса действия заключается в их малой эффективной площади рассеивания (ЭПР), что объясняется небольшими габаритными размерами и широким применением композиционных материалов [Аминов С., ПВО в борьбе с БЛА // Беспилотная авиация. Спецвыпуск МАКС - М.: 2011, с. 34-36].

На эффективность применения переносных зенитно-ракетных комплексов и стрелкового оружия отрицательно влияет человеческий фактор - усталость, постоянное напряжение, приводящее к притуплению внимания в условиях необходимости обнаружения и сопровождения малоразмерных и слабоизлучающих объектов.

Известен способ активной защиты объекта со стороны верхней полусферы [RU 2755951, 23.09.2021]. Способ заключается в обнаружении воздушного объекта - нарушителя, анализе степени угрозы охраняемому объекту, выдаче целеуказания средствам поражения и поражении объекта - нарушителя при помощи наводимого многоствольного пускового контейнера с запускаемыми средствами поражения. Недостатком данного способа является необходимость своевременного обнаружения малозаметных малоразмерных воздушных объектов - целей для наведения на них средств поражения. Кроме того, использование в качестве последних шрапнели и различных ракет предполагает наличие их ограниченного количества в качестве боекомплекта, что может создать определенные сложности при отражении налета роя ударных БпЛА.

Известен способ борьбы с БпЛА ближнего и малого радиуса действия с помощью электромагнитного излучения сантиметрового диапазона длин волн [RU 2551821, 30.04.2015]. Способ заключается в генерации потока электромагнитных волн сантиметрового диапазона в направлении летящего БпЛА с плотностью потока энергии в диапазоне от 0,007 до 40 Вт/см, что приводит к появлению на его паразитных антеннах наведенных токов, вызывающих радиоэлектронное подавление бортовой системы управления БпЛА, следствием чего явится падение аппарата, в том числе в результате срабатывания системы аварийной посадки. Достоинством данного способа является отсутствие как такового понятия «боекомплект» и, следовательно, возможность длительного воздействия на летательные аппараты - цели. Недостатком данного способа является необходимость своевременного обнаружения объекта воздействия, и наведения на него излучателя, что осложняется небольшими размерами цели и малой ЭПР.

Известен способ противодействия выполнению задач беспилотным летательным аппаратом [RU 2497063, 27.10.2013]. Способ основан на использовании системы из аэростатов, закрепленных тросами к земной поверхности, проволочных заграждений - путанок, которые растягивают между аэростатами на каркасах, средств радиолокационного и оптического обзора пространства, которые соединяют с пунктом обработки информации и управления с помощью проводных линий передачи. Закрепляют тросы аэростатов на земле с помощью контейнеров с редукторами, позволяющими изменять высоту подъема аэростата путем наматывания - разматывания троса.

Указанный способ выбран в качестве прототипа.

Его главным недостатком являются ограничения на использование в районе лесов, вблизи линий электропередач, многоэтажных зданий и других объектов, имеющих значительную высоту. Кроме того, быстрый подъем системы аэростатов над поверхностью земли сопряжен с опасностью запутывания прикрепленной к ним защитной сетки.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение недостатков прототипа путем обеспечения возможности защиты объектов от ударных БпЛА ближнего и малого радиуса действия с помощью электромагнитного излучения сантиметрового диапазона длин волн.

Технический результат, на который направлено изобретение заключается в недопущении перемещения ударных БпЛА ближнего и малого радиуса действия в воздушном пространстве непосредственно над защищаемым объектом.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что с помощью типовых удаленных от границ контролируемых территорий средств обнаружения вскрывают факт несанкционированного приближения к границам защищаемого объекта чужого беспилотного летательного аппарата, с грубой точностью измеряют его координаты, дальность и высоту полета, после чего в соответствии со значениями измерений поднимают в воздух на необходимую высоту аэростат, состоящий из оболочки и гондолы, закрепленный на поверхности земли через устройства, позволяющие менять высоту его подъема, при том, что воздействие на беспилотный летательный аппарат осуществляют электромагнитным излучением сантиметрового диапазона длин волн, высоту подъема аэростата выбирают исходя из необходимости создания в месте нахождения беспилотного летательного аппарата при перемещении над защищаемым объектом плотности мощности электромагнитного излучения сантиметрового диапазона длин волн, необходимой для выхода из строя его бортового оборудования, аэростат поднимают в воздух непосредственно над охраняемым объектом, а электромагнитное излучение направляется в верхнюю полусферу антенной решеткой, состоящей из закрепленных на оболочке аэростата микрополосковых антенн, подключенных к размещенному в гондоле генератору электромагнитного излучения сантиметрового диапазона длин волн, при этом источник питания располагают на поверхности земли и связывают с генератором через кабель-трос.

Так как БпЛА ближнего и малого радиуса действия особо чувствительны к электромагнитному излучению сантиметрового диапазона длин волн [RU 2551821, 30.04.2015], то создание в верхней полусфере над закрытой для полета территорией сплошного электромагнитного поля с параметрами, приводящими к выходу из строя БпЛА, предотвратит пересечение последним указанного пространства и не позволит ему атаковать защищаемый объект.

При этом важно иметь ввиду, что пролет ударного БпЛА ближнего и малого радиуса действия над защищаемым объектом может быть осуществлен на разной высоте. Данное обстоятельство делает очевидной необходимость варьирования высотой создания защитного электромагнитного поля в зависимости от складывающейся тактической ситуации, что может быть реализовано путем изменения высоты нахождения излучающей антенны.

Данный подход может быть реализован с помощью аэростата, состоящего из оболочки, наполненной газом легче воздуха, и гондолы. При этом оболочка выступает в качестве платформы для размещения составляющих элементов излучающей антенной решетки. Из всех известных разновидностей антенн для реализации заявляемого способа наиболее подходящими являются микрополосковые (патч) антенны.

Основными достоинствами антенной решетки, выполненной на основе микрополосковых антенн, являются [Спутниковое телевидение / Бирюкова О.В. - Рязань: Рязанский колледж электроники, 2015. - 207 с, Проектирование полосковых устройств СВЧ / Учебное пособие - Ульяновск: Ульяновский государственный технический университет, 2001. - 129 с., Микрополосковые антенны / Панченко Б.А., Нефедов Е.И. - М.: Радио и связь, 1968. - 144 с., Основы радиолокации. Микрополосковая антенна, http://radartutorial.eu/, 2024]:

- устойчивость к механическим и температурным воздействиям, а также к воздействию факторов окружающей среды (ветер, снег, дождь);

- возможность размещения на поверхностях сложной формы (в том числе на изогнутой поверхности) и создания невыступающих или маловыступающих конструкций антенн;

- простота конструкции, малые объемы, масса, стоимость изготовления.

Конструктивно микрополосковая антенна имеет двумерную геометрию и состоит из тонкой плоской металлической пластины, подложки диэлектрика и экрана [Спутниковое телевидение / Бирюкова О.В. - Рязань: Рязанский колледж электроники, 2015. - 207 с., Патч-антенна, http://ru.wikipedia.org/, 2024, Основы радиолокации. Микрополосковая антенна, http://radartutorial.eu/, 2024]. Известно, что рабочий диапазон таких антенн составляет от 300 МГц до 30 ГГц [Патч-антенна, http://ru.wikipedia.org/, 2024, Основы радиолокации. Микрополосковая антенна, http://radartutorial.eu/, 2024], что позволяет создавать электромагнитное поле, способное успешно противодействовать БпЛА ближнего и малого радиуса действия [RU 2551821, 30.04.2015]. При этом ключевым достоинством микрополосковых антенн является возможность излучения электромагнитных волн с круговой поляризацией [Микрополосковые антенны / Панченко Б.А., Нефедов Е.И. - М.: Радио и связь, 1968. - 144 с., Проектирование полосковых устройств СВЧ / Учебное пособие - Ульяновск: Ульяновский государственный технический университет, 2001. - 129 с., Спутниковое телевидение / Бирюкова О.В. - Рязань: Рязанский колледж электроники, 2015. - 207 с.]. Построение самой антенной решетки предполагает расположение излучающих микрополосковых антенн на расстоянии друг от друга равном половине длины волны электромагнитного излучения [Проектирование полосковых устройств СВЧ / Учебное пособие - Ульяновск: Ульяновский государственный технический университет, 2001. - 129 с.]. Исходя из того, что для борьбы с БпЛА ближнего и малого радиуса действия используется электромагнитное излучение с длинами волн от 10 до 20 см [RU 2551821, 30.04.2015] на 1 м² поверхности аэростата может быть размещено от 25 до 100 микрополосковых антенн.

В зависимости от конфигурации расположения отдельных элементов микрополосковых антенн и значений начальных фаз, излучаемых ими электромагнитных волн, можно реализовать два вида диаграммы направленности излучающей многоэлементной антенны.

Первый вид - многолепестковая диаграмма направленности, достоинством которой является повышение дальности поражения БпЛА при условии его попадания в один из главных лепестков диаграммы направленности излучающей многоэлементной антенны. Недостатком многолепестковой диаграммы направленности является наличие минимумов, в которых интенсивность излучения равна нулю и, соответственно, не происходит поражение БпЛА.

Второй вид диаграммы направленности - равномерное излучение в верхнюю полусферу - в телесный угол 2π. Недостатком такой диаграммы направленности видится меньшая плотность мощности, чем мощность в направлении главных максимумов многолепестковой диаграммы. Но явным достоинством является отсутствие минимумов, что позволяет реализовать гарантированное поражение БпЛА на дальностях, где обеспечивается реализация требуемой плотности мощности излучения.

Расчет дальности R, на которой может быть обеспечена требуемая плотность мощности равномерно излучающей в верхнюю полусферу антенны, проведем следующим образом.

В качестве излучающего генератора может быть использован клистрон, например КИУ-15 М с выходной импульсной мощностью I₀=20 МВт и несущей частотой излучения 1,8 ГГц [Сверхмощный 20-МВт клистрон S-диапазона частот / Симонов К.Г., Юнаков А.Н., Евсин Д.В [и др.] // Научно-технический сборник электронная техника, серия 1 - СВЧ-техника. Выпуск 3(559), 2023. с. 76-81].

Исходя из того, что для поражения БпЛА требуется реализовать в месте его нахождения плотность мощности П=0,007-40 Вт/см² [RU 2551821, 30.04.2015] оценка дальности, на которой она может быть создана, рассчитывается по формуле [Радиоэлектронная борьба. Силовое поражение радиоэлектронных систем / В.Д. Добыкин [и др.].- М.: Вузовская книга. - 2007. - 468 с.]:

где Р - импульсная мощность источника ЭМИ (генератора), Вт;

G - коэффициент усиления излучающей антенны, отн. ед;

П - плотность потока энергии на объекте, Вт/м².

Коэффициент усиления излучающей антенны G показывает во сколько раз мощность, подводимая к изотропной антенне, не имеющей потерь, должна быть больше мощности, подводимой к рассматриваемой антенне при равенстве напряженностей полей, создаваемых ими в рассматриваемом направлении. Известно, что [Физическая энциклопедия / Гл. ред. A.M. Прохоров. - М.: Большая Российская энциклопедия. Т. 1. 1988 - 704 с] G=D η, где D - коэффициент направленного действия, а η - коэффициент полезного действия (КПД) антенны. Для большинства антенн УКВ диапазона КПД примерно равен 1 [Локационная системотехника. Под общей редакцией Б.В. Алмазова. - Харьков, ВИРТА ПВО, 1993. - 618 с.].

Коэффициент направленного действия D показывает, во сколько раз мощность, излучаемая изотропной антенной, должна быть больше мощности, излучаемой направленной антенной, при равенстве напряженностей полей, создаваемых ими в рассматриваемом направлении. Известно, что D_мах=4π/Ω, где Ω - телесный угол, в пределах которого равномерно излучается мощность направленной антенны [Локационная системотехника. Под общей редакцией Б.В. Алмазова. - Харьков, ВИРТА ПВО, 1993. - 618 с.].

Для антенны, равномерно излучающей в верхнюю полусферу Ω=2π, формула для оценки дальности, на которой может быть реализовано подавление БпЛА, принимает вид:

Подставив в данное выражение значения Р и П получим дальность, на которой будут достигнуты требуемые параметры создаваемого электромагнитного поля, - от 3 м до 213 м.

Сам генератор электромагнитного излучения размещается в гондоле аэростата и соединяется коаксиальной линией с излучающими микрополосковыми антеннами. При этом питание на генератор подается с расположенного на поверхности земли источника через кабель - трос, проходящий через средства подъема и спуска аэростата, позволяющие регулировать высоту его подъема в зависимости от высоты полета БпЛА - цели.

В подтверждение критерия «промышленная применимость» рассмотрим пример осуществления заявляемого способа.

На фиг. 1 представлено:

1 Беспилотный летательный аппарат.

2 Оболочка аэростата.

3 Гондола аэростата.

4 Средства подъема и спуска аэростата.

5 Генератор электромагнитного излучения.

6 Кабель-трос.

7 Источник питания.

8 Антенная решетка.

9 Защитное электромагнитное поле.

В угрожаемый период после обнаружения ударного БпЛА 1 с помощью типовых удаленных от границ контролируемых территорий средств обнаружения с грубой точностью измеряют его координаты, дальность и высоту полета. При приближении БпЛА к защищаемому объекту, в соответствии со значениями измерений рассчитывают необходимую высоту подъема аэростата, состоящего из оболочки 2 и гондолы 3. С помощью средств подъема и спуска 4 аэростат поднимают на высоту, необходимую для создания в месте нахождения БпЛА плотности мощности электромагнитного излучения, обеспечивающей выход из строя его бортового оборудования (0,007-40 Вт/см²). Одновременно с этим осуществляется включение генератора электромагнитного излучения 5, соединенного через кабель - трос 6 с источником питания 7. Импульсы излучения поступают с генератора на антенную решетку 8, состоящую из микрополосковых антенн, в результате чего формируется защитное электромагнитное поле 9. При попадании БпЛА зону действия электромагнитного поля, обеспечивающего плотность мощности излучения, приводящую к выходу из строя его бортового оборудования, происходит падение летательного аппарата.

Изобретение относится к способу защиты объектов от ударных беспилотных летательных аппаратов ближнего и малого радиуса действия. Для защиты вскрывают факт несанкционированного приближения к границам защищаемого объекта чужого беспилотного летательного аппарата, с грубой точностью измеряют его координаты, дальность и высоту полета, в соответствии со значениями измерений поднимают в воздух на необходимую высоту аэростат, состоящий из оболочки и гондолы, закрепленный на поверхности земли через устройства, позволяющие менять высоту его подъема, а также обеспечивать питание, осуществляют воздействие на беспилотный летательный аппарат электромагнитным излучением сантиметрового диапазона длин волн антенной решеткой, состоящей из закрепленных на оболочке аэростата микрополосковых антенн, подключенных к размещенному в гондоле генератору электромагнитного излучения сантиметрового диапазона длин волн. Обеспечивается повышение безопасности защищаемого объекта. 1 ил.

Способ защиты объектов от ударных беспилотных летательных аппаратов ближнего и малого радиуса действия, заключающийся в том, что с помощью типовых удаленных от границ контролируемых территорий средств обнаружения вскрывают факт несанкционированного приближения к границам защищаемого объекта чужого беспилотного летательного аппарата, с грубой точностью измеряют его координаты, дальность и высоту полета, после чего в соответствии со значениями измерений поднимают в воздух на необходимую высоту аэростат, состоящий из оболочки и гондолы, закрепленный на поверхности земли через устройства, позволяющие менять высоту его подъема, отличающийся тем, что воздействие на беспилотный летательный аппарат осуществляют электромагнитным излучением сантиметрового диапазона длин волн, высоту подъема аэростата выбирают исходя из необходимости создания в месте нахождения беспилотного летательного аппарата при перемещении над защищаемым объектом плотности мощности электромагнитного излучения сантиметрового диапазона длин волн, необходимой для выхода из строя его бортового оборудования, аэростат поднимают в воздух непосредственно над охраняемым объектом, а электромагнитное излучение направляется в верхнюю полусферу антенной решеткой, состоящей из закрепленных на оболочке аэростата микрополосковых антенн, подключенных к размещенному в гондоле генератору электромагнитного излучения сантиметрового диапазона длин волн, при этом источник питания располагают на поверхности земли и связывают с генератором через кабель-трос.