Байки из радиорубки. Что такое стелс, разбор на пальцах.

Как обещал товарищу Сухову, статья на тему стелс технологий и их принципов, плюсов и минусов. Как обычно постараюсь упростить всё до неприличия и объяснить на пальцах. Некоторые комрады предлагали свою помощь в плане вычитки, за что им огромное уважение, но оставляю всё так как есть. Поэтому все ошибки и косяки в тексте считайте моим личным протестом на тему современного образования в целом и болонской системы в частности.

 

ВМЕСТО ПРЕДИСЛОВИЯ

По совету Алекса, решил создать свой раздел, где будут мои статьи и статьи подходящие по тематике, если я такие найду или они появятся в будущем. Название раздела "Байки из радиорубки", эмблема - схематическое обозначения самой простой радиолампы триода. Как обычно конструктивная критика приветствуется, я на неё стараюсь давать ответы. И как просил раньше, в автора ни чем тяжелым не бросаться . Тех кто не в теме и не читал прошлых статей, прошу прочитать вот эту статью для понятия элементарной базы, или просто потом не доставать меня вопросами в комментариях.

ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ

Для начала надо выяснить что есть это самое СТЕЛС. Если почитать разные ресурсы типа благословенной википедии, суть этого магического сочетания букв можно описать следующими словами. Стелс технология - это совокупность мероприятий различного рода призванных снизить заметность объекта в возможных диапазонах обнаружения. И так в каких диапазонах можно обнаружить объект? В оптическом (визуально, при помощи лазера), в инфракрасном (по выделяемому теплу), в радиодиапазоне (РЛС и всякие пеленгаторы), ну и конечно в акустическом (просто услышать). Обнаружение самолётов по звуку было актуально во время мировых войн, инженеры создали кучу разных приспасоб для этого дела:

Первая мировая.

Вторая мировая

В то время самолёты были медленными, летали не высоко. В настоящее время этот метод не эффективен из-за малой дальности действия и возросшей скорости самолётов, поэтому с ним активно не заморачиваются. Второй способ обнаружение самолёта визуально или при помощи лазера, дальность обнаружения у этого способа в настоящее время ещё не большая, но на дистанциях ближнего воздушного боя её достаточно. Придумать поглощающее лазер покрытие для самолета ещё пока не смогли, да и вряд ли смогут в ближайшее время. А вот с разными вариантами окраски самолётов, для визуального обмана или искажения силуэта, экспериментируют до сих пор. На фото ниже, на мой взгляд, один из удачных примеров такой окраски:

ПАК ФА Т-50.

Обнаружение цели в ИК диапазоне более эффективное, плюс самолёт оставляет за собой горячий след по которому его может найти ракета с тепловой ГСН. Поэтому с температурой выхлопа двигателя инженеры очень активно воюют. Один из самых эффективных способов использовать плоские сопла вместо круглых, в этом случае струя воздуха из двигателя быстрее остывает и самолёт становиться менее заметным. Самый яркий пример таких сопел это F-117, при первом взгляде на этот самолёт вообще не понимаешь за счёт  чего он летает.

Сопла плоские и широкие.

Обнаружение цели при помощи радио волн, на данный момент самый эффективный и самый технологически развитый способ. Мне кажется даже в ближайшие 100 лет он не утратит своих позиций. Поэтому уменьшит заметность в радиодиапазоне самая важная задача для конструкторов, проектирующих стелс самолёт. Об этом пойдёт речь дальше.

ЭОП (ЭПР), ЧТО ЭТО ТАКОЕ И С ЧЕМ ЭТО ЕДЯТ

Для начала разберёмся в каких диапазонах работают РЛС. Как правило это сантиметровые волны, они дают большую разрешающую способность и скорость сканирования пространства. Весь западный мир активно использует сантиметровые волны, поэтому сантиметровые и более коротковолновые радары больше всего распространены. В армии СССР/России как-то так повелось что разрабатывали и ставили на вооружение сразу несколько систем призванных решать схожие задачи. Поэтому если посмотреть на среднестатистический отечественный радиолокационный пост то можно увидеть стоящие рядом станции метрового и сантиметрового диапазона. Преимущества метровых станций большая дальность обнаружения и больший ресурс работы. И ещё один интересный бонус, в настоящий момент невозможно сделать самолёт невидимым в метровом диапазоне. Объясняю почему, при длине волны метр и больше, отражателям является вся тушка самолёта, а не отдельные части. Это связанно с большой длинной волны, для того что бы отразить метровую волну в другую сторону надо иметь плоскую поверхность находящуюся под углом к вектору падения, при чем размер этой поверхности должен быть не меньше чем половина истребителя. Для расчёта точных параметров размера и угла наклона поверхности есть специальные формулы, но я их приводить не буду, ибо они скучные и сложные. Поэтому не мучайте меня вопросами про точные цифры, скажу одно истребитель невидимым в метровом диапазоне сделать нельзя, а корабль размером не меньше чем средний эсминец или сторожевик вполне можно. Второй вариант поглотить волну метрового диапазона. Этот вариант не прокатит, так как материалы способные поглощать метровые волны, по законам физики, должны иметь слабые межатомные связи. Пример такого материала поролон, при чем поролон должен быть большой толщины и иметь хитрую форму. На фото ниже фрагмент поролоновой обшивки безэховой камеры (админы прошу прощения за не преднамеренную рекламу, просто не нашёл другой подходящей картинки):

Фрагмент поролоновой обшивки безэховой камеры, с разными примесями для лучшего поглощения.

Смысл выше написанного такой. Сделать материал поглощающий метровые волны можно, обшить им самолёт вряд ли получится. После этого делаем вывод, стелс уже и не такой стелс. Оказывается его можно видеть и достаточно хорошо, вот поэтому отечественные военные так скептически относятся к американским "невидимкам".

С метровым диапазоном разобрались, теперь разберём сантиметровый и более короткие. Для начала разберём что такое ЭОП. ЭОП- это эффективная отражающая поверхность. Как правило она отображается в единицах площади, квадратных метрах. Эффективная- значить после отражения волны, большая часть её энергии будет распространяться в противоположном направлении, то есть большая часть волны отразиться в ту сторону откуда волна пришла. Отражающая- значить именно отражает, не поглощает или пропускает (радио прозрачная) сквозь себя. На самом деле процесс отражения волн довольно интересен, волна не отражается а переизлучается. Если совсем по простому, принять антенну за отражающую поверхность, то волна за счёт своей энергии заряжает антенну, а после этого антенна за счёт этого заряда излучает новую волну в другом направлении. Поверхность- надеюсь это не нуждается в объяснении, измеряется в квадратных метрах))) Вернёмся к эффективности и отражению. Хоть принцип отражения радио волн своеобразен, но к нему можно применить правило угол падения равен углу отражения, с одной поправкой. Большая часть энергии отразиться не под углом падения, а в секторе угол плюс минус какое-то значение, допустим +-5 градусов, есть формулы для расчёта но они нам не нужны, не тот ресурс. Так же энергия отразиться и под другими углами, но её количество будет значительно меньше чем в главном секторе. Академики я слышу ваш гневный рёв, но напоминаю, объясняю максимально просто и понятно. И так рассматриваем на практическом примере, от узконаправленной антенны на стальную поверхность падает луч радио волн, если угол падения равен от 85 до 95 градусов, большая часть энергии вернётся обратно на антенну. Если это антенна РЛС, то РЛС увидит цель. Теперь поставим пластину под углом 70 градусов, после отражения большая часть энергии уйдёт в сторону, а в сторону антенны отразиться очень мало энергии, и если расстояние будет большое РЛС цель не увидит. Площадь пластины, если она будет расположена под правильным углом, будет равна площади ЭОП. Рассмотрим на примере F-22 и Т-50, если посмотреть на них видно что у них, почти все, плоскости расположены параллельно друг другу и под углом к центральным осям. Это сделано что бы отражать большую часть энергии волны в сторону от её источника.

 

Теперь рассмотрим случай когда поверхность не ровная как у пластины, а к примеру выпуклая как у сферы. Если разделить сферу на зоны в виде концентрических кругов расходящихся от точки в которую падает радио луч по прямым углом, то чем дальше зона от точки падения то тем меньше энергии отразиться из этой зоны в сторону антенны.

На рисунке изображены зоны Френеля из оптики, Р точка расположения антенны.

ЭОП сферы будет равна площади плоской пластины от которой отразиться такое же количество энергии как от сферы. Рассматривать отражение от вогнутой поверхности я не буду, так как принцип там по сложнее. ЭОП самолёта зависит от того под каким углом на него падает радио лучь, в отечественной школе принято приводить среднее значение ЭОПа если луч падает в горизонтальной плоскости. Точный ЭОП самолёта можно увидеть на круговой диограмме, где показана площадь в зависимости от угла падения луча в горизонтальной плоскости.

Круговая ЭОП самолёта.

К примеру если луч упадёт на F-22 или Т-50 вертикально, значение ЭОПа будет равняться уже не одному квадратному метру.

Кроме отражения энергии радио волн в сторону, есть способ поглощения. Материалы которые могут поглощать сантиметровые и более короткие волны уже намного более крепкие. Ими можно спокойно покрывать обшивку самолётов. Но всё же они не такие крепкие как сама обшивка самолёта. Поэтому радио-поглощающее покрытие со временем стирается с самолета в прямом смысле слова об воздух, и чем быстрее самолёт летит тем быстрее оно приходит в негодность. Не знаю в чем прикол, то ли в мозговитости учёных, то ли в размерах попилов откатов, но американцем не удалось создать дешёвое и долговечное покрытие для своих F-22, F-35. Где-то попадалась информация, не буду ручаться за подлинность, что после полуторачасового полёта на сверхзвуке, F-22 надо три дня в ангаре, в специальных условиях, восстанавливать его покрытие. Про поглощающее покрытие ПАК ФА Т-50 у меня данных нет, но могу сделать предположение что оно будет намного крепче. Почему? Задам встречный вопрос, замечали что у кораблей ВМФ СССР/России своеобразный оттенок шарового цвета, при чем такого цвета нету ни у кого из других стран. Оказывается это специальная краска которая относительно неплохо поглощает радио волны! Если такое долговечное покрытие, довольно давно, разработали для кораблей, вполне возможно что могут сделать нечто подобное и для самолёта.

Радио прозрачные материалы, о них я упоминал выше. Как правило это особые разновидности пластмасс, стеклотекстолитов и прочих полимеров. Из них делают обтекатели РЛС и различных антенн. Возникает вопрос а почему не сделать из этих материалов весь самолёт? Отвечаю, вопрос всё в той же физики, для радио прозрачности материалы должны обладать определёнными характеристиками межмолекулярных и межатомных связей. Из-за этого такие материалы имеют ограничения по физическим нагрузкам, сжатие к примеру они переносят довольно не плохо, а вот нагрузки на разрыв или на излом для них не желательны. То есть сделать какие-то части самолёта радио прозрачными можно, весь самолёт нет. Несущие конструкции придётся делать из метала. Если сделать радиопрозрачную обшивку самолёта, тогда волны будут отражаться не от обшивки а от внутренних элементов, проводки, топливных баков, гидроприводов и т.д. Однако полностью радиопрозрачных материалов нету, при прохождении волны через такой материал часть энергии затухает в нём, и вот как раз это можно использовать. Обшивка делается и "прозрачного" полимера, но из полимера который имеет большой коэффициент затухания волн в нём. Волна проходит сквозь обшивку, теряет часть энергии, при отражении от внутреннего элемента она теряет ещё энергию, при обратном прохождении обшивки теряется ещё часть, в итоге обратно на антенну РЛС "отражается" очень слабый сигнал который нельзя распознать на большом расстоянии. Опять же пример на Т-50, обратите внимание на фото, самолёт без покраски и видны элементы обшивки.

Металлические элементы имеют характерный жёлто-зеленоватый цвет. То что серого цвета, это как раз радиопрозрачный полимер. Там где на обшивку нагрузка большая используют метал, там где нагрузок меньше, использован полимер. Немножко не в тему, но ещё вызывает интерес законцовка хвостовой балки, на ней явно радиопрозрачный колпак, а под ним хвостовая РЛС. Вопрос только какая?)

Пару слов про экранирование двигателей. Вращающаяся крыльчатка турбины представляет собой прекрасный отражатель почти любых типов волн, Поэтому самолёт надо делать так что бы до их вращающихся частей двигателей радио излучение не доходило.

ОБОБЩАЮЩИЙ ВЫВОД

Называть самолёт стелс невидимкой нельзя. Технология стелс эффективна только против определённого типа РЛС, очень распространённого на западе. На самом деле эта технология снижает дальность обнаружения, если подлететь близко к РЛС тебя заметят. При наличии РЛС метрового диапазона все преимущества стелс умножаются на ноль. С учётом выше сказанного делаю вывод: стелс самолёты это дорогой узкоспециализированный инструмент который надо применять с умом, универсальным он быть не может. Это касается как и отечественного Т-50 так и американского F-22. Разница в том что россияне делают ставку на поколение 4++ а пятое как вспомогательный инструмент в руках гвардейских частей. США пытается сделать ставку полностью на пятое, из-за чего у них появляется куча проблем.

ВМЕСТО ПОСЛЕСЛОВИЯ

Надеюсь вышло всё объяснить простым языком и читать было интересно. Я намеренно отказался от некоторых сложных тем в статье, таких как поглощение волн плазмой и отражение от поверхностей сложной формы. Если есть вопросы спрашивайте в комментариях, постараюсь ответить. Товарищ Сухов, если что-то упустил, напомните, постараюсь дополнить.