استراتيجيات تصميم وقف الطائرات الطائرات الطائرية لتقليل مساحة رادر عبر قطاع

الدور الحاسم لإيقاف الطائرة في تصميم الطائرات البلاستيكية

وتعيد تكنولوجيا التصريف أساسا تشكيل كيفية اكتشاف الطائرات المقاتلة، حيث يشكل الإنزال أو التجمع الذي يعقبه تحديا خاصا لأن مهامها التقليدية - التي توفر الاستقرار التوجيهي والطولي - غالبا ما تتعارض مع هدف تقليل الأشعة المتقاطعة إلى أدنى حد، وكل تطفل وزاوية وخيار مادي على ذيل يؤثر تأثيرا مباشرا على مدى عودة الطاقة الرادارية إلى جهاز الاستلام.

والتقليل من السلاسل المقاتلة الإقليمية من مرحلة العزل ليس مجرد عملية تعظيم؛ بل هو شرط أساسي لبقاء البعثة، إذ أن أسطولا من المقاتلين الجيل الخامس، مثل الطائرة F-22 وطائرة البرق الثانية من طراز F-35، يبين أن التصميم الدقيق للطائرات يتيح لها العمل في إطار المجال الجوي المحمي بشدة بينما يظل غير مرئي على نحو فعال لدى أجهزة الاستشعار التابعة للعدو.

Radar Cross-Section: The Physics of Detection

إن التقاطع بين الرادار هو مقياس لمدى ضخ الطاقة الكهرومغناطيسية التي يعكسها الجسم إلى مصدر راداري، فالقيمة التي تُعبر عنها في المتر المربع أو الوسم المربع بالنسبة لمتر مربع واحد (دبسم)، تتوقف على شكل الجسم، وخصائص مادية، وتوجهه، وبالنسبة للطائرة، كثيرا ما يكون الزرّاف الرأسي والأفقي الذي يمكن أن يعمل كعاكس عند الزوايا.

وفي الطائرات التقليدية، يشكل التقاطع بين الزعنفة العمودية والمثبت الأفقي مقياساً من 90 درجة من الدهيدرات من الزاوية - أي جيولوجياً يعكس بقوة موجات رادارية إلى المصدر، وبالمثل، فإن تقاطع ذيل الصمام الخلفي يخلق مسارات تعكس مسارات إضافية، والهدف من تصميم التسلل هو كسر هذه الانعكاسات عن طريق تغيير الزوايا أو معالجة الأسطح أو إزالة الهياكل بالكامل.

وتشهد موجات الرادار تذبذباً كبيراً (الطاقة العاشرة أو النطاق الترددي كوي التي تستخدمها الرادارات الحديثة لمراقبة الحرائق) وفي هذه المسارات الموجية، يمكن أن تصبح حتى ولو قليلاً من التكرارات أو الثغرات كبيرة، ولذلك يجب أن ينظر تصميم العزل ليس فقط في الشكل الإجمالي بل أيضاً في تفاصيل مثل الحواف والثغرات والثوم السطحية.

كيف يفرقع (شاب)

وعندما تضرب موجة رادارية سطحاً مسطحاً، فإنها تعكس الضوء المدهش على المرآة، وإذا كان السطح موجهاً نحو الموجة الوافدة، فإن معظم عودة الطاقة إلى الرادار، وإذا كان السطح قد أُزيل، فإن الطاقة تعكس في مكان آخر، وهكذا، فإن استخدام أسطح ثابتة في الزوايا المحددة سلفاً، يمكن أن يُعادل الرادار عن التهديد بمقياس " صاف " .

فعلى سبيل المثال، يستخدم الف-117 نايتهوك أسطحاً مسطحة لضمان أن لا تعكس أي لوحة مسطحة الطاقة الرادارية إلا في شعاعات ضيقة يمكن التنبؤ بها لا تعود أبداً إلى المصدر، وتستخدم التصميمات اللاحقة مثل الروح B-2 وF-22 الستار المستمر (الأسطح المكشوفة) لتحقيق قدر أقل من الأشعة فوق البنفسجية عبر مجموعة أوسع من الزوايا.

استراتيجيات التصميم الأساسية لخفض الاستهلاك المنسق

وهناك عدة تقنيات مترابطة تعمل معاً للتقليل إلى أدنى حد من التوقيع الراداري للتجمع الذي يخلفه، والاستراتيجيات التالية ليست حصرية على نحو متبادل؛ وعادة ما تجمع الطائرات الحديثة ذات السطو بين جميع هذه الأجهزة.

1 - تشكيل وتلاعب الأنغل

ويشمل التصفيق متعمداً توجيه أسطح المثبتات بحيث تنعكس موجات الرادار بعيداً عن مصدر الرادار، وبالنسبة لمثبت عمودي، فإن النهج المشترك هو أن يُمكن التفريغ داخل المنطقة أو خارجها بنسبة تتراوح بين 20 و30 درجة، ولإف-22 ذيل مزدوج حاد يساعد أيضاً على خفض مستوى RCS من الجوانب الجانبية، كما أن المثبطات الأفقية (المتصفحات) مُخَطَّلة إلى الارت في تحطيم الطاقة.

والمفتاح هو ضمان عدم وجود سطح منعزل عن التهديد بالرادار المتوقع، وهو ما يتطلب مواءمة دقيقة للجهات الرئيسية، وحوادث التعقب، وأسطح المراقبة، وحتى الثغرات الموجودة حول السطح المتحرك (المراعي والمصاعد) يجب أن تصمم بعناية لمنع انتشار الحواف.

2 - المتاجر الداخلية أو المدمجة

ويتمثل أحد النهجين المتطرفين في دفن المثبتات داخل هيكل الصمامات أو الجناحين، إذ لا توجد في الروح B-2 أي علامات عمودية على الإطلاق؛ وتتوفر السيطرة على الرماية والياه من خلال الأيسرين المقسمين وجر الجراد على الأجنحة، مما يزيل السمة الأكثر بروزا، وقد استخدمت الأرملة السوداء الثانية من طراز YF-23 مفهوما مماثلا لجميع الأجنحة مع ضفافات العمودية الصغيرة المزروعة جزئيا في مسار الجناحين.

ويؤدي تثبيتات التوليد إلى خفض عدد المقاطع المميزة للحوافات وإلى إزالة المعالم بين المثبتات والتطهير، غير أن هذا التصميم ينطوي على عقوبات جوية، لا سيما في الاستقرار التوجيهي، مما يتطلب حواسيب متطورة لمراقبة الطيران للحفاظ على السيطرة.

3 - مواد الرادار - الأسبدة

ولا يمكن للتشكيل وحده أن يقلل من مستوى RCS إلى مستويات منخفضة للغاية (بين أدنى - 30 دي بيزم) لأن الحواف والانتقالات المنحنية لا تزال تبعث على الطاقة، كما أن المواد التي تحوّل الطاقة الكهرمغنطية إلى حرارة، وتخفض الإشارة المعبر عنها، وتطبق هذه المواد على سطحيات العزل كطلاء أو تُدمج داخل هياكل مركبة.

وهناك فئتان عامتان من طراز RAM: ممتصات مسببة للترددات (موحدة بتواتر محدد) وممتصات النطاق العريض (مؤثرة في نطاق واسع)، وتستخدم الطائرات الحديثة السطو مركبين متعددي المستويات من طراز RAM يمكن أن يستوعبا موجات رادارية من عدة فرق في آن واحد، وعلى سبيل المثال تستخدم طائرات RAM المتقدمة على ضفاف ذيل وأطراف مقطورة.

4- التكليفات والتجهيزات السطحية

وبالإضافة إلى عمليات إعادة التأهيل الهيكلي، فإن الطلاءات الخاصة والمعاطف توفر تخفيضاً إضافياً في مستوى RCS، وكثيراً ما تتضمن هذه المعاطف جسيمات خصبة أو مركبات قائمة على الكربون تخفف موجات الرادار، وتطبق في سميكات وأنماط دقيقة للتقليل إلى أدنى حد من التأمل، كما يتعين على التكتلاتف مع الحمولات الهوائية العالية، والتدوير الحراري، وتحات تآكل الأمطار - تحد كبير في الصيانة.

5- انخفاض الحجم والصورة

ويقلل الحد الأدنى من المساحة المادية للزراعة من الحد الأقصى النظري للرأس الأخضر. ويحصل الصداع الصغير على طاقة أقل رادارا، ويصبح الصمامات العمودية لفلور - ٢٢ متماسكة نسبيا مقارنة بحجم المقاتلين السابقين، وتحتفظ بالمثبتات الأفقية كصغيرة كرخصة للطيران، وقد استكشفت بعض الدراسات التصميمية التشكيلات التي لا تصلح حيث تدار السيطرة كليا بواسطة أجهزة كشف الدفع والأجهزة المتحركة.

اتحادات البناء الابتكارية

وقد ألهمت طائرات الإنقاذ عدة مخططات للتشغيل تنقطع عن ذيول تقليدية، وتقدم كل تشكيلة مبادلات مختلفة بين السرقة والكفاءة الهوائية والسلطة الرقابية.

تصميم جميع أنواع الأسلحة (اللواح الملطخ)

ويستخدم الروح B-2 و B-21 Raider المقبلان مخططاً شاملاً لجميع الأجنحة لا يوجد فيه أي اندفاع واضح، ويتحقق الاستقرار والسيطرة من خلال تشكيل أجنحة معقدة وأسطح متعددة للمراقبة على حافة المقطورة، ويقضي هذا المخطط على الصنادل الرأسية، ويقلل بدرجة كبيرة من جميع الجوانب، ويلازمه عدم استقرار في الأفق الهوائي، مما يتطلب تكييف نظم التحكم في سطح الطائرة - 2.

V-Tail Configuration

ويجمع بين مهام المثبتات العمودية والأفقية، المعروفة أيضا باسم ذيل الفراشة، وبين سطحين مصفوفين، بحيث توفر كل من اليوت والتحكم في الرماية من خلال تفريق المزمار، ويخفض التصميم عدد الأسطح الزعنفة (من ثلاثة إلى اثنين) ويزيل المزجات العنكبوتية التي تشكل مفكرين.

ويجب أن تُوضع في مواضع متتالية بعناية لتجنب إيجاد مسارات تعكس مسارات جديدة، ومن الناحية النموذجية، فإن الزاوية الدهيدية تُحدَّد بين 30 و50 درجة من أفقية، وتُصنع الأسطح نفسها من مواد مركبة وتُلتحم مع حركة RAM.

تايل توين

وربما يكون هذا هو أكثر التشكيلات شيوعا في الجيل الخامس من المقاتلين، حيث تُستَنَفَعَ الصمامات العمودية (أو في بعض التصميمات، داخليا) بـ 20 إلى 30 درجة، وعادة ما تكون الضواحي كبيرة بما يكفي لتوفير الاستقرار الإتجاهي المناسب، ولكنها تتشكل بدرجات حادة ومتحركة تقلل إلى أدنى حد من عودة الرادارات، ويستخدم الوادر الرأسية F-22 و Su-57 هذا التصميم.

ويقلل ذيل التوأم المكشوف من مستوى الرسوبيات المرفوعة، ولكنه لا يزال يخلق زاوية ديهادرائية حيث ينضم الاتحاد إلى النسيج، ومن أجل التخفيف من ذلك، يتم تشكيل التقاطع مع الملاءات المكشوفة والفجوات التي تشوبها حركة عدم الانحياز.

مفاهيم لا تُحصى ولا تُعدّل

وقد قامت برامج البحوث المتقدمة، مثل برنامج " DARPA LRS-B " الذي أدى إلى B-21، باستكشاف التصاميم التي لا تُصمَّم عندما تتحقق السيطرة الهوائية من خلال حشرات الدافع أو المفسدين أو الدافع التفاضلي، وقد أظهرت اختبارات X-36 أن مقاتلاً لا يُصمَّم يمكنه أن يحقق قدرة عالية على الحركة باستخدام اللحوم وأسطح التحكم في الجناحين، غير أن هذه التصميمات أقل كفاءة بالنسبة للرحلات المستمرة وتتطلب رقابة قوية.

المقايضة: ستالوث ضد الأيروديناميك

وكل قرار يتعلق بتصميم الإيقاف ينطوي على تكلفة، إذ أن إزالة أو تخفيض ذيل عمودي يقلل من الاستقرار في الاتجاه، مما يجعل الطائرة أكثر عرضة للاضطرابات والدوارات، وبدون ذيل، قد تحتاج الطائرة إلى زيادة استقرار نشطة مما يزيد من تعقيد النظام وخطر الفشل، ويدير حاسوب التحكم في الطيران B-2 قنوات شبه ثابتة.

فتشكيل الأسطح في الزوايا القصوى يمكن أن يُحط من أداء الأيرودينامي، فعلى سبيل المثال، ينتج زعانف عمودي عالي التكتل أقل ارتفاعاً بسبب القوة الجانبية، مما يتطلب منطقة زهيدة أكبر للحفاظ على نفس سلطة الياو التي تضيف وزناً وسحباً، كما أن الحمولات الهيكلية تزداد أيضاً، ولا سيما أثناء المناورات العالية الزاوية.

وتزيد الخيارات المادية وزناً، إذ أن المعاطف المحتوية على المواد ذات الصلة بالرشاقة أكثر من الطلاء المعياري وتتطلب تفتيشاً وتكراراً دورياً، وقد واجهت هذه المركبات قيوداً تشغيلية بسبب مطالبها بالصيانة من جراء التصفيات الخفية، والتوازن بين التسلل والتكاليف والموثوقية والأداء يشكل تحدياً هندياً مستمراً.

النماذج والاختبارات الحاسوبية المتقدمة

ويعتمد تصميم العزل الحديث اعتمادا كبيرا على المحاكاة الكهرومغناطيسية الحاسوبية للتنبؤ بشبكة RCS قبل وضع نماذج أولية مادية، كما أن أدوات مثل أسلوب البرمجيات المميزة للزمن وطريقة المحركات، التي تحل معادلة ماكسويل على نموذج مفكك لتوزيع الطلاءات، تسمح هذه المحاكاة بالهندسة.

وبعد المحاكاة، تجري اختبار نماذج متطورة أو كاملة النطاق في غرفة كهربية - غرفة مجهزة بالرادار - الرغاوي التي تُعدّ مساحة بحرية، ويُقام النموذج على فرس متناوب، ويقيّم الهوائيات الرادار الطاقة المتجسدة من كل زاوية، وتثبت هذه القياسات من المحاكاة وتحدد البقع الساخنة غير المتوقعة.

وكثيرا ما تكشف اختبارات الطيران بتتبع راداري مكرس عن مساهمين إضافيين في نظام RCS، مثل فتحات الوقود، أو الأشرار الثابتة، أو التحكم في الثغرات السطحية التي لم تُسجَّل في النماذج، وقد تدمج التصميمات النهائية للإنجاز هذه النتائج وقد تضيف سمات مثل الحواف المرتدة (أنماط الأسنان) لكسر أسطح أكبر وضخة الطاقة في اتجاهات غير خطرة.

دراسات الحالة: تصميم الطائرات الاصطناعية في مجال التشغيل

F-22 Raptor

ويحتوي تصميم الـ (F-22) على تصميم مقسم إلى حرفين مركبين مع كل زعنفة عمودية تبلغ 28 درجة في الخارج، وأجهزة الطعن الأفقية كبيرة، وسطحية ذات حواف مائلة، وتتكون هياكل التعقب بأكملها من مواد مركبة ذات ترددات RAM، وكثيرا ما يُستشهد بجهاز القاذورات المزودة بمقياس F-22 على أنه يقل عن 0.0001 متر مربع (أي ما يعادل ذلك العادم).

F-35 Lightning II

ويستخدم الف-35 نهجاً مختلفاً: ذيل عمودي واحد (منطقة واسعة) ذيل طفيف، ومطروحات أفقية تُستنزف، ويقلل الزعانف الوحيد من عدد المفكرين الرئيسيين، ولكنه يخلق سطحاً كبيراً يمكن أن يكون مشكلة إذا لم يُعالج، كما أن المعاطف المتقدمة والخلوط المتأصلة بين الزعانف والبخرفة تُغطّى على نحو بعيد.

B-2 الروح

إن تصميم الجناح الطائرة B-2 هو التعبير النهائي عن النسيج الخفي: لا توجد سطح عمودي على الإطلاق، فالتحكم يوفره الأيلرون المقسمة )التي تعمل كعجلات مكابح وضوابط للكميات( والفول، ولحديقة الارتفاع نمط مميز من النسيج ينشر طاقة رادارية، ويقدر أن مستوى الارتفاع في B-2 منخفضاً إلى 0.001 متر مربع - قابل للمقارنة مع طير صغير.

الاتجاهات المستقبلية: مفاهيم الإنفاق التالية

ونظراً لأن أوجه التقدم في مجال تكنولوجيا الرادار وخصومات الرادارات تُعد رادارات منخفضة التردد يمكن أن تكتشف أشكال السطو، يجب أن يتطور تصميم العزلة، ومن المفاهيم الناشئة استخدام الإلغاء النشط ]، حيث تُصدر الطائرة إشارة رادارية تبلغ 180 درجة من المرحلة مع الموجة المعبر عنها، مما يتيح استخدام أشكال الإنهاء في التصويب.

وثمة مجال واعد آخر هو سطو النسيج النباتي ] حيث تستوعب طبقة من الغاز المؤين (plasma) حول النسيج طاقة رادارية، وهذه التكنولوجيا لا تزال تجريبية ولكنها يمكن أن تؤدي إلى ظهورات شفافة في الرادار بغض النظر عن شكلها.

][Morphing structures] that change shape in flight could adjust the empennage’s radio signature on the fly. For example, a capital fin could fold flat when stealingth is paramount and raise for normal flight. The Pentagon’s Adaptive Compliant Trailing Edge (ACTE) program is a step in this direction.

خاتمة

إن تصميم الإيقاف هو حجر الزاوية لأداء الطائرات المتسللة، إذ يمكن للمهندسين، من خلال إدماج تشكيلات الطائرات المتقدمة والتشكيلات المبتكرة، أن يقللوا بشكل كبير من التقاطع الراداري مع الحفاظ على الرقابة الجوية أو حتى تعزيزها، وتسترشد الدروس المستفادة من البرامج التنفيذية مثل F-22 و F-35 و B-2 بالبحث الجاري في مفاهيم جديدة ذات أثر يدفع حدود القابلية للملاحظة المنخفضة.

ومن المرجح أن يشهد المستقبل زيادة في التكامل بين الإلغاء النشط والمواد الذكية ونظم مراقبة الرحلات التي تتيح للهياكل الإنزالية التكيف في الوقت الحقيقي مع بيئة التهديد بالرادار، وفي الوقت الراهن، يظل الفهم العميق للمقايضة الكهرومغناطيسية والهوائية أمرا أساسيا لأي برنامج ناجح للطائرات السائلة.

For further reading on the principles of RCS reduction, see the technical report from the U.S. Air Force’s Radar Cross Section Reduction Program]. A useful overview of stealingth materials is available at NASA’s Aeronautics Research Directorate] For specifics on the B-2’s design.