РЛ-НЕВИДИМОСТЬ

Правильно будет сказать, что РЛ-невидимость как первенствующее, решающее качество впервые была задана при проектировании знаменитого героя голливудских боевиков, самолета-невидимки F-117 Nighthawk («Ночной ястреб»).

Что же это такое — РЛ-невидимость? Или, наоборот, видимость?

ОБ ОТРАЖЕНИИ И РАССЕЯНИИ: НЕМНОГО ФИЗИКИ

Обнаружение радаром цели — это фиксация отраженной от нее электромагнитной волны. В такой волне направление вектора остается всюду фиксированным, а его длина изменяется периодически, по синусоидальному закону.  Высокоподвижные электроны проводимости начинают колебаться «в такт» колебаниям электрического поля в волне, но в противоположной фазе (это понятно: максимум отрицательной напряженности волны максимально далеко «оттолкнет» электроны, а максимум положительной полуволны их максимально «притянет»). Колебания электронов не что иное, как переменный ток. Он, как и положено, сам создает электромагнитное поле с частотой, равной частоте колебаний электронов, то есть частоте падающей волны, и, как уже сказано, с фазой, противоположной ее фазе. Поскольку потери энергии электронами в металле очень невелики, то амплитуда вторичной волны будет практически равна амплитуде волны первичной. Какова будет результирующая волна, продукт взаимодействия волн падающей и той, что порождена колеблющимися электронами металла? Понятно, что впереди и позади отражающей поверхности излучение колеблющихся электронов симметрично. Волна, излучаемая ими «за поверхность», гасит исходную волну, а та, которая излучается «перед поверхностью», как раз и является отраженной волной.

Здесь важно отметить следующее обстоятельство. До встречи с отражающей поверхностью мы имели дело с излучением источника, то есть антенны радиолокатора. Отраженная волна — это уже излучение электронов (или других носителей заряда) поверхности цели. То есть то, что мы в конечном итоге увидим на экране радиолокационного приемника, есть продукт двух преобразований энергии: сначала энергия падающей волны переходит в энергию поверхностных токов (колебаний зарядов облучаемой поверхности), а потом эта последняя переходит в энергию отраженной волны.

«Вторжение» в этот процесс — одна из основ технологий снижения радиолокационной заметности.

Процессы такого типа описываются законами геометрической оптики, и в целом все здесь довольно просто. Луч локатора, отраженный от плоской поверхности, не попадет обратно на его антенну, если только поверхность не расположена перпендикулярно к направлению переноса энергии, то есть к оси луча. Когда облучается криволинейная поверхность, например цилиндрическая, то некоторая часть энергии вернется к его приемнику—в том случае, если ось цилиндра перпендикулярна оси луча. Если же она расположена под углом, то гладкий проводящий цилиндр «ничего не отдаст» локатору.

Электромагнитная волна. Векторы напряженности электрического и магнитного поля Е и В взаимно перпендикулярны. Нас интересует только вектор Е, так как именно он вызывает движение электрических зарядов в поверхности объекта. С — направление переноса энергии отправлять падающий луч строго в том направлении, откуда этот луч пришел. Строго говоря, для двухплоскостного отражателя так будет в том случае, если ось луча перпендикулярна линии стыка плоскостей; если луч падает под углом, отличным от прямого, то он, как положено, отразится под таким же углом. Но это все равно большая неприятность, так как реальный сигнал радиолокатора — не геометрическая линия, а лепесток диаграммы направленности, имеющий определенную ширину, поэтому всегда существует некоторый диапазон углов, внутри которого интенсивность сигнала в отраженном лепестке будет достаточно большой, чтобы приемник локатора его «почувствовал».

Повторимся: эти соображения в чистом виде применимы только к идеальным поверхностям — гладким, проводящим и к тому же... бесконечным.

Но шероховатость — маленькая проблема по сравнению с небесконечностью. Реальный самолет состоит из элементов вполне конечных размеров, каким-то образом расположенных друг относительно друга. И тут в картине рассеяния падающей энергии уже нельзя обойтись понятийным аппаратом отражения, на первые роли выходят процессы физической оптики, и прежде всего дифракция.

Мы уделяем столько внимания дифракции потому, что одним из научно-методических китов, на которые опирается все многосложное здание стелс-технологий, является теория дифракции на сложных телах. Именно дифракционные явления вносят решающий вклад в радиолокационный образ реального объекта.

Дальнейшие исследования — Кирхгофа, Юнга, Зоммерфельда, других ученых — привели к получению более точных результатов для частных случаев дифракции. Так, было доказано теоретически и подтверждено экспериментально, что отражение от прямого края происходит волновыми конусами и подобно отражению от прямого цилиндрического стержня в геометрической оптике.

Насколько же сложнее, да, попросту говоря, хуже выглядит картина при соизмеримости длины волны и линейных размеров объекта! Обратили внимание? Донышко диаметром 9,6 см дает ЭПР в несколько квадратных метров! У криволинейной поверхности с сечением 0,0246 м2 получается ЭПР порядка метра, а в зонах вне окрестности 0 и 90° наблюдаем «пляску» величины ЭПР с разбросом значений в два десятичных порядка.

А ведь элементы, сопоставимые с цилиндром диаметром 10 и длиной 25 см, отнюдь не небывалая вещь в облике современного самолета — взгляните хотя бы на входное устройство заправочной штанги этого «Миража» F1, на обтекатели антенн на его киле...

ЭФФЕКТИВНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ РАССЕЯНИЯ

Способность объекта отражать падающую на него электромагнитную волну характеризуется величиной, называемой эффективной поверхностью (иногда — площадью) рассеяния. ЭПР чаще всего определяется как площадь сечения в диаметральной плоскости однородного проводящего шара, отражение от которого создаст на приемнике такой же сигнал, как и отражение от данной цели при тех же условиях. Как несложно догадаться, ЭПР измеряется в квадратных метрах. Величина ЭПР для конкретного объекта определяется множеством параметров, в первую очередь материалом, из которого изготовлен объект, его размерами и формой. ЭПР не зависит от интенсивности облучения — с возрастанием/уменьшением мощности посланного импульса соответственно растет/уменьшается мощность отраженного. Она не зависит и от расстояния, так как плотность энергии падает пропорционально квадрату расстояния в отраженном луче совершенно так же, как в прямом.

Казалось бы, уровень изученности дифракционных явлений, достигнутый к началу XX века, позволяет понять, как сделать самолет, максимально незаметный для моностатических РЛ-систем, составляющих, как известно, подавляющее большинство существующих сегодня локаторов.

В очертаниях самолета не должно быть:

— плоских элементов, ориентированных на радар;

— кромок, перпендикулярных направлению на радар, ведь они, как было сказано, отражают волну столь же эффективно, как цилиндрический стержень;

— прямых углов между элементами конструкции.

Как легко заметить, меры из этого перечня имеют один серьезный недостаток: здесь все время речь идет о «направлении на радар». В первых двух пунктах это заявлено прямо.

В третьем то же условие присутствует не столь явно. Фактически в третьем пункте подразумевается уголковый отражатель; выше мы уже говорили, что он имеет свойство «возвращать» источнику луч, посланный в плоскости, перпендикулярной ребру отражателя.

То есть, убрав прямой угол, мы избежим отражения в сторону именно того локатора, который облучает самолет. Но этот луч может быть уловлен другим приемником, а задача технологии «стелс» — достичь максимального приближения к «сферической» радионезаметности.

Но не это главное. Самая большая беда заключается в том, что результаты, получаемые в рамках логики Гюйгенса — Френеля, катастрофически не совпадают с экспериментальными данными при исследовании диаграмм рассеяния объектов с выпуклыми поверхностями, углами и ребрами. Для построения теории, которая обеспечила бы достижение практически значимых результатов, нужно было бы разработать аналитико-расчетный аппарат, который на основе физически достоверной модели дифракции позволил бы решить задачу об отражении плоской волны от кромок, углов и других «особенностей рельефа» облучаемой поверхности.