Стратегии достижения скрытности и уменьшенного сечения радаров в конструкции военных самолетов

Современная воздушная война определяется обнаружением датчиков. Способность самолета выжить и завершить свою миссию в оспариваемом воздушном пространстве напрямую зависит от его способности избегать, путать или побеждать вражеские радарные и инфракрасные системы слежения. Наиболее важной метрической характеристикой для этой способности является радиолокационная перекрестная секция (RCS). В то время как скорость и маневренность остаются ценными, низкая наблюдаемость (LO) - обычно известная как скрытность - стала основной целью проектирования для истребителей 5-го поколения и стратегических бомбардировщиков.

Стелс - это не единая технология. Это инженерная дисциплина на системном уровне, которая объединяет аэродинамику, материаловедение, электромагнитную теорию и электронную войну в единую философию проектирования. В этой статье рассматриваются фундаментальные стратегии, которые военные инженеры используют для достижения чрезвычайно низких RCS и поддержания решающего тактического преимущества против передовых интегрированных систем противовоздушной обороны (IADS).

Физика радиолокационной перекрестной секции

RCS — это мера того, насколько обнаруживаемый объект является радаром. Это отношение мощности, отраженной обратно в радиолокационный приемник на единицу объема, относительно мощности, которая будет отражена идеально проводящей сферой заданного размера. Обычно оно выражается в децибелах относительно одного квадратного метра (dBsm).

Стандартная металлическая сфера с поперечным сечением 1 м2 имеет RCS 0 дБсм. Истребитель 4-го поколения, такой как F-16 или МиГ-29, имеет RCS примерно 5 м2 (7 дБсм) - примерно эквивалент большой птицы или небольшого самолета. Напротив, самолет 5-го поколения, такой как F-35 Lightning II, нацелен на RCS в диапазоне от -20 до -30 дБсм, что физически эквивалентно мячу для гольфа или маленькой птице. Это представляет собой снижение обнаруживаемости на несколько порядков величины.

Влияние РКС на детектируемость регулируется уравнением дальности радиолокатора:

P_r = (P_t G_t G_r λ2 σ) /((4π3 R4)

Где P_r получает мощность и σ является целью RCS.Поскольку отношение RCS к дальности обнаружения следует за отношением четвёртого корня, уменьшение RCS в 100 раз уменьшает дальность обнаружения в 10 раз.F-35 с RCS в −30 дБсм может летать гораздо ближе к радару противника, чем F-16 до обнаружения.

На радиолокационное сечение самолета влияют три основных фактора: геометрия (форма), состав материала (проводимость и проницаемость) и резонансные эффекты. Конструкция должна управлять всеми тремя одновременно.

Формирование планера: краеугольный камень низкой наблюдаемости

Радарные волны движутся по прямым линиям. Если волна попадает на поверхность и отражается обратно к источнику, то обнаруживается эта цель. Центральной целью стелс-формирования является отклонение радиолокационных волн от приемной антенны, независимо от ориентации самолета относительно угрозы.

Ограненная геометрия

Самый ранний самолет-невидимка, включая F-117 Nighthawk, полагался на граненые поверхности. Сконструировав планер из больших плоских треугольных панелей, конструкторы обеспечили, чтобы энергия радара отражалась в узких, предсказуемых лучах, а не обратно к радару. В то время как эффективный против высокочастотного радара, этот подход накладывает серьезные аэродинамические штрафы - F-117 по своей сути неустойчив и дозвуковой.

Непрерывная кривизна и выравнивание края

Современные стелс-самолеты используют непрерывные изогнутые поверхности в сочетании со строгим выравниванием кромки. F-22 Raptor использует дельта-крыло в форме алмаза с ведущими краями, пройденными на 42 градуса. Горизонтальные и вертикальные стабилизаторы разделяют этот точный передний угол размаха. Это выравнивание фокусирует радиолокационные отражения на четыре узких шипа, сводя к минимуму отдачу от каждого другого угла. B-2 Spirit делает это дальше, полностью устраняя вертикальные поверхности, используя конфигурацию летящего крыла с задними краями пилы, которые выравниваются с передними краями.

Устранение угловых отражателей

Когда две проводящие поверхности встречаются под прямым углом, они создают угловой отражатель, который возвращает радиолокационную энергию непосредственно к источнику. Стелс-самолеты предназначены для устранения ортогональных развязок. Крыло-фюзеляжные перекрестки смешиваются с крупными филе. Вертикальные и горизонтальные хвостовые развязки избегают углов 90 градусов. Двери бухты оружия и двери шасси имеют зубчатые или зазубренные края для поддержания выравнивания края при открытии.

Радар-абсорбирующие материалы и структуры

Даже при оптимальном формировании некоторая радиолокационная энергия ударит по плану. Радар-абсорбирующие материалы (РАМ) преобразуют эту электромагнитную энергию в тепло, не позволяя ей повторно излучаться.

Магнитная RAM (MAGRAM)

МАГРАМ использует частицы феррита или карбонильного железа, суспендированные в полимерной матрице. При взаимодействии радиолокационных волн с этими частицами магнитные домены вращаются и энергия рассеивается в виде тепла. Этот тип ОЗУ тяжелый, но широкополосный. F-22 использует плитки МАГРАМ на передних краях крыла и впускных губах для поглощения энергии на частотах X-диапазона и Ku-диапазона, используемых большинством радаров управления огнем.

Диэлектрическая RAM и Lossy Composites

Диэлектрическая ОЗУ поглощает радиолокационную энергию через электрический гистерезис, а не магнитный гистерезис. Проводящие волокна, такие как углеродно-черные или металлические нити, встроены в непроводящую матрицу (волокно, кевлар). Когда радиолокационная волна проходит через материал, проводящие элементы создают резистивный нагрев. Современные самолеты-невидимки все чаще используют структурную ОЗУ (СОЗМ), где само несущий композиционный кожур служит поглотителем, снижая вес и обслуживание.

Резонансная и окружная аналоговая RAM

Резонансная ОЗУ настроена на определенную длину волны. Идеальная толщина резонансного поглотителя составляет одну четверть длины волны радара. Поглотители Jaumann используют несколько слоев, разделенных спейсерами, для достижения поглощения по более широкой полосе пропускания. ОЗУ Circuit Analog (CA) использует частотно-избирательные поверхности - крошечные проводящие узоры, напечатанные на диэлектрической подложке - для создания поверхности высокого давления, которая отражает нулевую энергию на проектной частоте. CA RAM является высокоэффективной, но узкополосной и чувствительной к углу падения.

Железный шар краска

F-117 использовал специализированное покрытие, известное как «железная шаровая краска», содержащее микросферы феррита. Это покрытие поглощало радиолокационную энергию в высокочастотных диапазонах, оставаясь при этом достаточно выносливым, чтобы выдерживать аэродинамический нагрев. Оно было тяжелым, требовало тщательного применения в средах с климат-контролем и было подвержено растрескиванию.

Интеграция и конфигурация Airframe

Помимо широкого формования и материалов, для предотвращения обнаружения радаров необходимо тщательно интегрировать конкретные элементы планера.

Заливы внутреннего оружия

Внешние склады — ракеты, бомбы, баки для сброса и струи наведения — представляют собой массивные радиолокационные отражатели. Один AIM-120 AMRAAM, установленный на крыле-пилоне, может увеличить RCS самолета на 10-20 дБсм. Конструкции стелс полностью исключают внешнюю повозку. Оружие укладывается во внутренние отсеки за электрогидравлически приводимыми в действие дверями.

Это накладывает значительные ограничения. Самолет должен быть объемно больше для размещения той же полезной нагрузки. Пусковые установки должны быстро распространять боеприпасы в воздушном потоке и обеспечивать положительное разделение. Двери залива могут использоваться в качестве аэродинамических поверхностей; F-22 и F-35 используют свои открытые двери залива в качестве тормозов скорости во время последовательностей выпуска оружия.

Впускной и выхлопный дизайн двигателя

Вращающиеся лопасти вентилятора реактивного двигателя являются почти идеальным отражателем радиолокационных волн. Если вражеский радар может «видеть» вентилятор, то самолет RCS резко увеличен. Конструкции стелс препятствуют этому через геометрию входного канала.

S-провода (серпентиновые каналы) представляют собой изогнутые впускные каналы, которые блокируют прямую линию видимости на торцевую сторону двигателя. F-35 использует высоко изогнутый S-провод, который поворачивает воздушный поток на 180 градусов вертикально, прежде чем он достигнет двигателя. B-2 монтирует свои впуски над корнем крыла, используя сам фюзеляж для защиты двигателя от любого наземного радара. Кроме того, впускные направляющие лопасти могут быть покрыты ОЗУ или заменены блокирующими радар сетками, которые прозрачны для воздушного потока, но непрозрачны для радара.

Управление выхлопными газами одинаково важно для инфракрасной сигнатуры, но сама реактивная труба также является радиолокационным отражателем. F-22 использует плоское прямоугольное сопло, которое маскирует поверхность турбины. В-2 использует неметаллическое сопло, прозрачное для радара на определенных частотах.

Планообразное выравнивание и диафрагмы

Каждая антенна, датчик и зонд на обычном самолете является потенциальным радиолокационным отражателем. В скрытой конструкции эти диафрагмы либо утоплены в кожу, либо покрыты частотно-селективными материалами, которые позволяют проходить дружественным радарам и коммуникациям, блокируя внешний радар. Электрооптическая система наведения F-35 (EOTS) установлена в граненом сапфировом окне, которое поддерживает низконаблюдаемый профиль самолета.

Спектральная скрытность: инфракрасная и акустическая сжатие подписи

Радар — не единственная область обнаружения. Системы инфракрасного поиска и отслеживания (IRST) и акустические датчики значительно продвинулись вперед, и современные самолеты-невидимки должны управлять своими сигнатурами по всему электромагнитному спектру.

Инфракрасное подавление

Реактивные двигатели выделяют интенсивное тепло. Выхлопной шлейф является основным источником ИК-сигнала, особенно на длинах волн средней волны инфракрасного излучения (MWIR), используемых ракетоискателями. Конструкции Stealth включают смешивание и охлаждение выхлопных газов. Серпантинный выхлопной канал F-35 протягивает холодный окружающий воздух через вторичный вход, смешивая его с горячим выхлопом до того, как он выйдет из сопла. Это снижает температуру выхлопных газов на сотни градусов. Выхлоп B-2 маршрутизируется по плоской широкой области на задней кромке, что позволяет ему быстро смешиваться с атмосферой.

Аэродинамическое нагревание

На сверхзвуковых скоростях трение нагревает кожу самолёта, создавая широкополосную ИК-подпись. Конструкторы смягчают это путём тщательного подбора материала и управления температурой. SR-71 Blackbird использовал титан и специальную чёрную краску для эффективного излучения тепла, хотя это был не самолёт-невидимка. Современные самолёты LO ограничивают устойчивый сверхзвуковой круиз для уменьшения теплового наращивания.

Акустическая подпись

Хотя акустическая подпись менее важна для реактивных истребителей, она является основным фактором для малошумных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и вертолетов. Низкошумные винты, окутанные роторы и специфическая геометрия лопастей снижают акустическую детектируемость. Вертолет RAH-66 Comanche, хотя и отменен, включал в себя пятилопастный основной ротор и хвостовой ротор фенестрона, предназначенный для минимальной шумовой нагрузки.

Визуальная подпись

Самолеты с низкой видимостью окрашены матовыми, малозаметными покрытиями, которые уменьшают блики и контрастность по отношению к небу.Системы освещения могут быть переключены на режимы только инфракрасного излучения для ночных операций, предотвращая визуальное обнаружение, позволяя пилоту видеть сквозь очки ночного видения.

Электронные контрмеры и активная скрытность

Физическая конструкция уменьшает возврат радара, но системы радиоэлектронной борьбы обеспечивают последний слой защиты.Активные методы скрытности обманывают или заклинивают радары противника до того, как может произойти обнаружение.

Низкая вероятность перехвата (LPI) радара

Традиционные радиолокационные импульсы отличаются высокой энергией и легко обнаруживаются. РЛС LPI используют методы спред-спектра, частотный скачок и сложные формы волн, которые распространяют свою энергию по широкой полосе. Для приемника ESM сигнал LPI выглядит как фоновый шум, пока самолет не окажется очень близко. РЛС AN/APG-81 на F-35 является ведущим примером технологии LPI.

Цифровая радиочастотная память (DRFM)

Помехи DRFM оцифровывают входящий радиолокационный импульс, хранят его и передают его с модификациями. Это позволяет помехе создавать когерентные ложные цели, которые кажутся реальными для радара. Передовые системы DRFM могут отменить фактическое возвращение кожи самолета, передавая перевернутую копию импульса, эффективно уменьшая RCS далее. Помехи L-Band и S-Band DRFM используются внутри на истребителях, таких как F-35 и EA-18G Growler.

Буксируемые декои и расходные активные грузы

Буксируемые радиолокационные приманки, такие как ALE-50 и ALE-55, представляют собой небольшие передатчики, которые буксируются за самолетом. Они излучают сигнал, предназначенный для притяжения ракет с радиолокационным наведением, отрывая их от самолета. Миниатюрные реактивные самоходные беспилотники (MALD) являются самоходными дронами, которые копируют радиолокационную подпись полноразмерного истребителя или бомбардировщика. Их можно использовать для насыщения ПВО противника или создания ложных маршрутов проникновения.

Электронная атака и кибервойна

Современные стелс-операции сочетают кинетические эффекты с электронным нападением. Система Next Generation Jammer (NGJ) предназначена для подавления ПВО противника путем отрицания самого радиолокационного спектра. Возможности кибервойны могут нарушить сети управления и управления, создавая окна возможностей для стелс-проникновителей.

Операционные реалии и техническое обслуживание

Технология стелс требует высокого уровня устойчивости. Покрытия низкой видимости хрупкие и со временем разрушаются. Дождь, пыль, песок и высокоскоростной полет разрушают поверхности, поглощающие радар. F-117 требовал, чтобы экипажи обслуживания тратили от 20 до 40 часов на повторное применение наполнителя и краски для каждого часа полета. Это известно как «золотой стандарт» обслуживания.

Современные самолеты значительно улучшились. F-35 был спроектирован с «прочным» стелс-покрытием, которое требует значительно меньшего обслуживания, чем F-22 или F-117. Покрытия применяются в больших сборных панелях, которые можно быстро заменить. Однако операции с аскетическими или поврежденными аэродромами остаются проблемой. ВВС США инвестировали в «развертывающиеся» объекты технического обслуживания LO, которые могут быть установлены в палатках и морских контейнерах для поддержки операций стелс с передних баз.

Стелс также требует строгого контроля выбросов (EMCON). Стелс-самолет, который транслирует мощный радиосигнал, больше не скрытен. Пилоты должны тщательно управлять своими коммуникациями, каналами передачи данных и радиолокационными выбросами, чтобы избежать оповещения датчиков противника. MADL F-35 (Multifunction Advanced Data Link) является направленной узколучевой антенной, которая минимизирует вероятность перехвата при сохранении сетевого подключения.

Вывод: будущее низкой наблюдаемости

Продолжается борьба между обнаружением и стелс. Низкочастотные радары (VHF, UHF) могут обнаруживать стелс-самолеты, но они имеют плохое разрешение и не могут обеспечить решение по управлению огнем. Квантовые радары и пассивные бистатические радиолокационные сети угрожают подорвать преимущество нынешних стелс-проектов. В ответ на это следующее поколение систем воздушного боя будет толкать стелс еще дальше.

Программа ВВС США Next Generation Air Dominance (NGAD) и B-21 Raider включают в себя уроки, извлеченные из десятилетий операций по скрытности. Эти платформы, вероятно, сочетают в себе экстремальную широкополосную скрытность с адаптивной радиоэлектронной войной, системами открытой архитектуры и необязательно пилотируемыми операциями. Стоимость скрытности снизилась, что позволяет более широко распространить ее по всей структуре сил, в том числе в лояльных беспилотниках и дальнем стойком оружии.

Фундаментальная физика остается прежней: свести к минимуму отдачу, поглотить остаток и сбить с толку приемник. По мере развития сенсорной технологии будут развиваться и стратегии достижения скрытности, гарантирующие, что низкая наблюдаемость остается решающим фактором в воздушных боях будущего.