Радиоэлектронная маскировка

Рис.46. Диаграммы рассеяния металлической пластины (штриховая линия) и металлической пластины с интерференционным покрытием (сплошная линия)

Хорошими диапазонными свойствами обладают многослойные покрытия типа «слоеный пирог» [4]. В этих покрытиях удается достигнуть их полного согласования со свободным пространством на нескольких частотах. Для двухслойного покрытия (два диэлектрических слоя и две резистивные пленки) полное согласование достигается на двух частотах. Толщина обоих слоев h1 и h2 и их диэлектрические проницаемости е1 и е2 выбираются из условия обеспечения заданной диапазонности.

В качестве интерференционных покрытий могут применяться металлические сети, помещенные на расстоянии четверти длины волны от защищаемого объекта, или диэлектрический материал толщиной л/4, нанесенный на металлическую поверхность. Подобные покрытия применяют для маскировки от радиолокационного обнаружения устройств, обеспечивающих работу двигателей под водой, от перископов подводных лодок и других объектов.

9.5 Поглощающие (градиентные) покрытия

Принцип действия поглощающих покрытий основан на преобразовании в них энергии падающей волны в тепловую или другие виды энергии.

Форма поверхности поглощающего покрытия также должна обеспечивать плавность изменения его структуры от внешней границы к внутренней. Наиболее распространенной является поверхность в виде пирамид и конусов (рис.47). Чем меньше л/L и Т/л, тем лучше согласование. Коэффициент отражения экспоненциально уменьшается с ростом л. Однако за счет интерференции волн, отраженных от неоднородностей, могут иметь место осцилляции этой зависимости.

Поглощающие покрытия имеют большую толщину, т.к. должны обеспечивать изменение магнитной и диэлектрической проницаемости от значений еr=мr=1 на внешней границе покрытия до значений еn(z) и мn(z), обеспечивающие полное поглощение падающих волн в толще покрытия, причём эти изменения должны происходить на интервале, большем длины волны.



Рис.47. Одна из форм поверхности поглощающего покрытия

Примером градиентного материала с пирамидальной формой поверхности может служить поглотитель ECCOSORB VHP-NRL (рис.48) это прочный, пирамидальной формы, углеродсодержащий уретановый пенообразный поглотитель http://www.eccosorb.com/products/85/ECCOSORB%20VHP. Применяется, в основном, при строительстве безэховых камер, или для покрытия испытательного оборудования, стоек и опор в безэховых камерах (БЭК). Он обеспечивает высокие показатели в широком диапазоне частот при нормальном и широких углах облучения. Суффикс NRL означает его соответствие требованиям пожарному сертификату военно-морской научно-исследовательской лаборатории (NRL) США № 809

Рис.48. РПМ ECCOSORB VHP-NRL

Eccosorb VHP является предпочтительным решением для антенных измерений, оборудования безэховых камер благодаря отличным характеристикам в СВЧ диапазоне. В первую очередь предназначен для поглощения энергии фронтально, т.е. когда направление излучения нормально к поглощающему элементу, но также показывает хорошие характеристики при направлении излучения, отличном от нормального к плоскости расположения поглощающих элементов. Именно поэтому ECCOSORB VHP-NRL хорошо подходит для использования во всех областях безэховых камер. Имеются поглощающие элементы различных геометрических размеров, что дает возможность выбирать их в зависимости от конструкции камеры, частот и направления облучения.

Зависимость коэффициента отражения от частоты поглотителей ECCOSORB VHP-18-NRL (кривая _ 1), VHP-26- NRL (кривая _ 2),VHP-36- NRL (кривая _ 3), VHP-45- NRL (кривая _ 4) приведена на рис.49.

Рис.49. Частотная зависимость коэффициента отражения от частоты

Примером использования материала ECCOSORB VHP-18-NRL может служить БЭК ЦКП «Прикладная электродинамика и антенные измерения», созданного при кафедре АиРПУ ТТИ ЮФУ http://airpu.tsure.ru/mac/index_mac.php (рис.50)



Рис.50 Безэховая камера ЦКП «Прикладная электродинамика и антенные измерения»

Фигурная поверхность покрытия позволяет увеличить площадь соприкосновения покрытия со свободным пространством. Для увеличения количества отражений угол при вершине пирамид должен быть 30…90° [19]. Хорошие поглощающие свойства покрытия достигаются путем добавления в диэлектрические материалы угольной пыли (сажи).

Радиопоглощающие покрытия, состоящие из градиентных материалов [4, 19, 20], представляют собой конструкцию, состоящею из основы и наполнителя. В качестве основы используются неметаллические вещества, такие, как стеклотекстолит, пенопласт, различные каучуки. Наполнителями служат магнитные (никель-цинковые ферриты, порошковое карбонильное железо и пр.) и немагнитные (порошок графита, угольная и ацетиленовая сажа пр.) материалы.

Поглощение энергии повышайся, если концентрация наполнителя в поглощающем материале увеличивается от внешней поверхности к основанию. Это достигается либо специальной технологией пропитки основы поглотителем, либо изготовлением многослойных материалов, где концентрация поглотителя постепенно возрастает. Чтобы на границах слоев не возникло паразитного отражения, не должно быть резкого изменения е и м при переходе от слоя к слою.

Применение многослойных покрытий расширяет их диапазонность. Толщина материала определяет диапазон частот, в котором происходит поглощение энергии. Верхний (входной) слой градиентных радиопоглощающих материалов обычно состоит из материалов, имеющих диэлектрическою проницаемость, близкую к единице, для обеспечения согласования с электрическими параметра ми свободного пространства.

Радиопоглощающие покрытия обладают относительно небольшой диапазонностыо и значительной массой, что ограничивает их массовое применение. В связи с этим покрытия наносят в основном на те части боевой техники, которые в наибольшей степени отражают ЭМВ (блестящие точки).

Малоподвижные или неподвижные объекты и сооружения (здания, мосты, корабли) могут покрываться для снижения ЭПР широкодиапазонными поглощающими покрытиями из пористого каучука, смешанного с угольной пылью, или из пенополистирола, покрытого угольной пленкой. Такие материалы имеют шероховатую поверхность, в результате чего интенсивность отражения мало зависит от угла падения. Их коэффициент отражения не превышает 1 % по мощности.

Здания можно маскировать, покрывая стены пористым бетоном с примесью графита или многослойными материалами, имеющими поры и зерна различной величины. Размеры зерен постепенно уменьшаются от 20 до 1,0 мм.

Большое внимание уделяется исследованию плазмы как поглощающей среды энергии электромагнитных волн. Делались попытки создать специальные радиопоглощающие краски и ткани. В Канаде, например, изготовлена краска, предназначенная для покрытия ракет и самолетов, но при испытаниях она оказалась недостаточно эффективной. В ФРГ разработана радиопоглощающая ткань, из которой изготавливают маскирующее полотно, имеющее слоистую сетчатую структуру. Ячейки ткани наполнены графитовым порошком вместе со связующей массой. Ткань состоит из трех пли пяти слоев, имеющих различные размеры ячеек. Полотнищами такой ткани предполагается маскировать от радиолокационного и визуально-оптического обнаружения танки, орудия, ракетные установки, самолеты и другую военную технику.

9.6 Неотражающие структуры

Неотражающие структуры могут быть построены на базе антенных решеток, конструкций с большим числом дифракционных элементов и неотражающих проводящих поверхностей сложной формы. Они формируют диаграмму рассеяния с минимумом в направлении приема.

Простейшим неотражающим устройством может служить противорадиолокационный экран из проводящего материала, устанавливаемый наклонно к направлению прихода волны. Максимум переотраженной энергии направлен в сторону от источника излучения. В обратном направлении имеет место лишь незначительное излучение за счет дифракционных явлений второго и более высоких порядков.

Другим известным неотражающим устройством является про водящее тело с вырезанными в нем канавками глубиной четверть длины волны (рис.51). Если ступеньки имеют высоту, кратную целому числу полуволн, то такая структура отражает волны, как идеальное зеркало, когда электрический вектор перпендикулярен ребру ступеньки (нормальное падение).



Рис.51. Конструкция неотражающей структуры с вырезанными канавками

Минимум отраженной энергии для волн с произвольным положением плоскости поляризации может быть получен при применении ребристой структуры, у которой углубления и ступеньки чередуются в шахматном порядке (две системы взаимно ортогональных канавок). Хорошие результаты получаются, когда на отражающей поверхности в шахматном порядке располагаются дифракционные элементы с полусферической головкой (рис.52). Такое покрытие имеет лучшие диапазонные характеристики за счет расположения дифракционных элементов на различной высоте от подложки.

Малую массу и габариты имеют резонансные покрытия, являющиеся комбинацией антенных решеток и интерференционных многослойных покрытий [4].

Рис.52. Конструкция неотражающей структуры с дифракционными элементами с полусферической головкой

В многослойном интерференционном покрытии роль поглотителя играет резистивная пленка, которая может быть заменена решеткой из диполей, нагруженных на резисторы. Для расширения диапазонных свойств покрытия применяют набор диполей разной длины. Диполи располагают на различных расстояниях от отражающей поверхности. Применение двух взаимно перпендикулярных решеток исключает зависимость отражающей способности структуры от поляризации падающих волн.

Неотражающие структуры имеют те же достоинства и недостатки, что и интерференционные покрытия [4].

9.7 Покрытия на эффекте полного прохождения волны во вторую среду

Этот тип покрытий основан на свойстве некоторых материалов не отражать волны, падающие под углом, называемым углом Брюстера (рис.53).

Рис.53 Эффект полного прохождения электромагнитной волны во вторую среду

Коэффициент отражения R зависит от поляризации падающей волны. Для компонентов вектора Е, ориентированных перпендикулярно (E+) и параллельно (EII) плоскости падения, значения коэффициента отражения определяются выражениями [37]:

,(65)

. (66)

При совпадении плоскости поляризации с плоскостью падения, под которой понимается плоскость, определяемая вектором Пойнтинга и нормалью к границе раздела, отражение будет отсутствовать. Поэтому согласно выражению (65) условие отсутствия отражений имеет вид [37]

. (67)

Условие (67) означает, что отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (рис.53), при этом волна полностью переходит во вторую среду (покрытие). Физически это объясняется тем, что поле падающей волны вызывает колебания электронов в атомах покрытия. Электроны колеблются в направлении электрического вектора, распространяющегося в покрытии.

Молекулярные диполи ориентируются в направлении, перпендикулярном направлению распространения. Они порождают вторичную (отраженную) волну. Так как возбужденный электрический диполь (колеблющийся электрон) не излучает вдоль своей оси, то в зеркальном направлении отсутствует поток энергии.

Найдем угол Брюстера 0. Приравняем к нулю числитель в первой формуле [37]:

, (68)

откуда

. (69)



В отличие от рассмотренного случая угол Брюстера при перпендикулярной поляризации существует не для всех сред. Например, у немагнитных диэлектриков (м1=м0) он отсутствует.

Плоские волны с круговой и эллиптической поляризацией, имеющие в своем составе обе ортогональные компоненты и , отражаются. Однако при отражении существенно меняется соотношение между компонентами и . Если на покрытие под углом Брюстера падает волна с круговой поляризацией, то отраженная волна становится линейно-поляризационной (=0, ?0).

Покрытие будет эффективным, если подбирать соответствующим образом угол его установки, зная заранее возможный угол падения волны и угол Брюстера покрытия. Путем соответствующей установки противорадиолокационных щитов и матов можно повысить эффективность покрытия.

ПРЛП находят широкое применение в различных радиотехнических устройствах. Они применяются для корректировки диаграмм направленности передающих и приемных антенн РЛС и других радиоэлектронных устройств. Широкое распространение ПРЛП нашли при создании безэховых камер, применяемых в радиотехнических измерительных комплексах.

Для исключения зависимости диаграмм рассеяния от поляризации элементы решетки должны иметь возможность принимать и переизлучать волны с любой поляризацией. С этой целью могут использоваться крестообразные диполи или спиральные антенны.

В качестве комплексных и активных нагрузок могут быть использованы комбинации диэлектрических, магнитных и резистивных пленок, наносимых на поверхность объекта.



9.8 Малозаметный самолет типа "Стелс"

Самолет типа "Стелс" - это новая система оружия, способная в значительной мере снизить боевую эффективность рубежа ПВО на базе радиолокационной техники. При его создании используется ряд технических приемов (изложенных в данном подразделе), позволяющих достигнуть очень низкой ЭПР - настолько низкой, что самолет типа "Стелс" называют самолетом - невидимкой [10, 45].

Средства обнаружения практически не в состоянии обнаружить самолет типа "Стелс". Его инструкция предусматривает использование материалов и методов, перечисленных на рис.. Они позволяют снизить до минимума уровни рассеянных и отраженных сигналов, а также сосредотачивать их по нескольким направлениям, отличным от направления на средства обнаружения.

По сравнению с другими методами стелс-технология позволяет добиться снижения ЭПР в 1000 раз и более с соответственным уменьшением дальности действия РЛС до 17% и менее.

В основе этой технологии лежат следующие принципы [10, 45]:

1. Использование радиопоглощающих материалов для покрытия тех металлических частей, которые вызывают интенсивное рассеяние, например, соединяющиеся кромки воздухозаборников турбинных двигателей.

2. Использование синтетических материалов, прозрачных для СВЧ излучения (например, углеродное волокно), для изготовления больших поверхностей (например, крыльев).

3. Придание такой конфигурации, которая обеспечивает минимальное рассеяние концентрацией по нескольким направлениям, отличным от направления прихода (например, кромки с минимально допустимыми наклонами, отсутствие двугранных элементов, которые могут вести себя как уголковые отражатели, почти идеал! но гладкие переходы между различными поверхностями).

4. Использование материалов зеркального типа с целью избежать эффектов уголковых отражателей; например, введение очень тонких металлических нитей в прозрачный материал фонаря кабины экипажа.

5. Применение активных систем для снижения ЭПР.

6. Снижение заметности в ИК области спектра и маскировка труб выпуска газов посредством установки их в верхней части фюзеляжа.

7. Размещение средств поражения и средств РЭП внутри самолета.

На рис.54 приведен первый в мире самолет-невидимка F-117, разработанный по технологии «Стелс» с учетом перечисленных выше принципов.

Рис.54. Самолет F-117А

Значительное уменьшение дальности действия РЛС в результате применения стелс-технологии ставит перед ПВО серьезные проблемы. Проблема заключается не только в снижении уровня сигнала (ее можно решить посредством повышения чувствительности приемника), но также и в том, что в виду экстремально малой ЭПР самолет становится трудно отличить от насекомых и птиц. Если, к тому же, имеются мешающие отражения, то выигрыш в отношении сигнал-шум у устройств СДЦ необходимо повысить на 30 дБ, чтобы обнаружить столь малую цель, что может оказаться невозможным. Более того, рубежи обороны должны, как правило, перекрывать друг друга, а уменьшение дальности действия в результате уменьшения ЭПР приводит к образованию коридоров, через которые самолеты типа "Стелс" может беспрепятственно проникать и подходить близко к цели (рис.55). Чтобы восстановить непрерывную линию обороны (зоны, покрываемые РЛС соприкасаются), число РЛС в системе ПВО, по-видимому, должно быть увеличено в 4 или 5 раз, а чтобы восстановить прежнюю зону действия (с перекрытием (см.рис.55)), число РЛС должно быть увеличено в 16 ч 25 раз [10].

Рис.55. Зона действия РЛС сокращается из-за малой ЭПР самолетов типа "Стелс", в результате его появляются серьезные бреши в системе ПВО

Это верно, если ЭПР самолета уменьшена одинаково во всех направлениях. Как правило, значительного снижения ЭПР удается добиться только в узком секторе углов в передней полусфере (прим. автора).

В виду малой ЭПР самолетов типа "Стелс" также упрощается проблема их индивидуальной защиты, так как можно использовать передатчики помех с более низкой эффективной мощностью излучения.



Литература

1. Шлезингер Р.Дж. Радиоэлектронная война/ Перевод с англ. А.Б. Андреева и И.М. Верещагина; под ред. А.М. Пархоменко.- М.: Воениздат, 196- 320 с.

2. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям/ Пер с англ. под ред. М.М. Вейсбейна. - М.: Сов. Радио 1976.- 392 с.

3. Перунов Ю.М., Фомичев К.И., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием/ Под ред. Перунова Ю.М. - М.: Радиотехника, 200- 416с.

4. Основы теории радиоэлектронной борьбы/ Под ред. Николенко Н.Ф. - М., 1987.- 352 с.

5. Цветнов В.В., Демин В.П., Куприянов А.И. Радиоэлектронная борьба: радиоразведка и радиопротиводействие. - М.: МАИ, 1998.- 248 с.

6. Цветнов В.В., Демин В.П., Куприянов А.И. Радиоэлектронная борьба: радиомаскировка и помехозащита.- М.: МАИ, 1999.- 240 с.

7. Атражев М.П., Ильин В.А., Марьин Н.П. Борьба с радиоэлектронными средствами. - М.: Воениздат, 1972.- 278 с.

8. Защита радиолокационных систем от помех/ Под ред. А.И. Канащинкова, В.И. Меркулова. - М.: Радиотехника, 200- 416 с.

9. Вартанесян В.А. Радиоэлектронная разведка. - М.: Воениздат.- 1993 (1975), 278 (255) с.

10. Фелиппо Нери. Введение в системы радиоэлектронной защиты. - М.: ОНТИПИ ФГУП ЦНРТИ, 200- 358 с.

11. Небабин В.Г., Сергеев В.В. Методы и техника радиолокационного распознавания. - М.: Радио и связь, 1984.- 152 с.

12. Бенжамин Р. Анализ радио- и гидролокационных сигналов (структура, разрешение и обработка сигналов в радио- гидролокационных и других системах)/ Перевод с англ. О. Казакова и А. Лившиц; под ред. И.Е. Овсиевича. - М.: Воениздат, 1969.- 256 с.

13. Соненберг Г.Д. Радиолокационные и навигационные системы/ Пер. с англ.- Л.: Судостроение, 1982.- 400 с.

14. Военно-исторический труд. К 100-летию радиоэлектронной борьбы. Основные этапы развития 1904_2004/ Под общей ред. Осина А.В. - Воронеж, 2004.- 440 с.

15. Служим военно-морскому флоту. Таганрогский научно-исследовательский институт связи/ Под ред. Э.В. Чекрыгина.- Ростов-на-Дону: Изд. ООО «Южный издательский дом», 2006.- 328 с.

16. Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей/ Под ред. М.А. Колосова. - М.: Сов. Радио, 1972.- 232 с.

17. Кремер И.Я., Владимиров В.И., Карпухин В.И. Модулирующие (мультипликативные) помехи и прием радиосигналов/ Под ред. И.Я. Времера. - М.: Сов. Радио, 1972.- 480 с.

18. Абчук В.А., Суздаль В.Г. Поиск объектов. - М.: Сов. Радио, 1977.- 336 с.

19. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба: (Средства и способы подавления и защиты радиоэлектронных систем). - М.: Воениздат, 1981.- 320 с.

20. Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиоэлектронной разведки. - М.: Сов. Радио, 1968.- 448 с.

21. Современная радиоэлектронная борьба. Вопросы метрологии / Под ред. В.Г. Радзиевского. - М.: Радиотехника, 2006.- 424 с.

22. Радзиевский В.Г., Сирота А.А. Теоретические основы радиоэлектронной разведки. - М.: Радиотехника, 2004.- 432 с.

23. Вопросы перспективной радиолокации. Коллективная монография / Под ред. А.В. Соколова. - М.: Радиотехника, 200- 512 с.

24. Модели технических разведок и угроз безопасности информации. Коллективная монография / Под ред. Е.М.Сухарева. Кн.3 -М.: Радиотехника, 200- 144 с.

25. Общесистемные вопросы защиты информации. Коллективная монография/ Под ред. Е.М.Сухарева. Кн.1. - М.: Радиотехника, 200- 296 с.

26. Ананьин Э.В., Ваксман Р.Г., Патраков Ю.М. Методы снижения радиолокационной заметности //Зарубежная радиоэлектроника. 1994. №4-5. С. 5-21.

27. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1970.- 720 с.

28. Баскаков С.И, Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. - М.: Высш. Школа, 198- 536 с.

29. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М. Радио и связь, 1984.

30. Ветлинский В.Н., Ульянов Г.Н. Многоцелевые РЛС.- М.: Воениздат, 1975.

31. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. - М.: Сов. радио, 1975.- 248с.

32. Эффективная площадь отражения сложных радиолокационных объектов (тематический выпуск)// ТИИЭР. 1989. Т.77. №5.

33. Лагарьков А.Н., Погосян М.А. Фундаментальные и прикладные проблемы стелс-технологий//Вестник российской академии наук. 200 Т.7 №9. С.848.

34. Захарьев Л.Н., Леманский А.А. Рассеяние волн «черными» телами. - М.: Сов. Радио, 1972. -288с.

35. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. - М.: Физматгиз, 1960. -190с.

36. Уфимцев П.Я. Дифракция электромагнитных волн на черных телах и прозрачных пластинах//Изв. Вузов. Радиофизика. 1968. Т.11. №6. С.912.

37. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. -М.-Л., Энергия, 1967.

38. Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет излучающих структур с помощью FEKO. М.:ЗАО «НПП «Родник», 2008._248с.

39. Справочник по антенной технике: Справочник в 5т. Т.1./Л.Д. Бахрах, Л.С. Бененсот, Е.Г. Зелкин др.; Под ред. Я.Н. Фельда, Е.Г. Зелкина _ М.: ИПРЖР, 1997.--256 с.

40. Куприянов А.И., Сахаров А.В. Теоретические основы радиоэлектронной борьбы: Учебное пособие/А.И. Куприянов, А.В. Сахаров._ М.: Вузовская книга, 2007.-356c.

41. Привалова Т.Ю., Юханов Ю.В. Рассеяние плоской волны на двумерной модели решетки Ван-Атта (Излучение и рассеяние электромагнитных волн. Радиоэлектронные системы локации и связи. Монография)/ Под ред. В.А.Обуховца. Антенны. 2007. Вып. 5 (120). С.23-28.

42. Привалова Т.Ю., Синявский Г.П., Юханов Ю.В. Анализ характеристик рассеяния двумерной решетки Ван-Атта // Электромагнитные волны и электронные системы. 2007. Т.12. № 5. С.58-65.

43. Привалова Т.Ю., Юханов Ю.В., Болов Р.Б. Дифракция плоской Е-поляризованной волны на решетке Ван-Атта // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ ИРЭМВ-2009». Таганрог - Дивноморское, 26 июня - 2 июля 2009. С.83-87.

44. Привалова Т.Ю., Юханов Ю.В. Рассеяние плоской Н-поляризованной волны на решетке Ван-Атта с импедансным фланцем// Электромагнитные волны и электронные системы. 2009. Т.14. № 7. С.66-69.

45. Монин М.А., Ягудина И.М. Радиолокационная заметность самолетов (Обзор по материалам открытой иностранной печати)//М.: ЦАГИ, 1986. 257с.

Размещено на Allbest.ru