ДонНТУ   Портал магистров

Стальнов Денис Сергеевич

Введение

Создание радиотехнического объекта на стадии проектирования предполагает сведение его заметности к минимуму, однако в некоторых случаях требуется дополнительная, внешняя маскировка. При проектировании такого рода объекта разработчики определяют уровень или класс незаметности объекта. . Особенно, если это касается военной техники и таких объектов, как: здания, корабли, радиолокационные станции и т.д. Для достижения желаемых результатов, потребовались столетия развития такого направления, как маскировка. В этой работе маскировка приобретает новый виток развития. Радиотехнические системы, имеющие в своем составе антенные комплексы, требуют особой защиты от обнаружения другими локационными комплексами и системами. Таким образом, маскировка такого рода объектов в настоящее время стремительно развивается и всё больше государств предоставляют разнообразные, новые технологии под названием «Стелс».

Для достижения высоких показателей эффекта в маскировке учитывается неполноценность органов восприятия человека. Аналогичным образом проходит процесс сокрытия объектов от радаров радиотехнических устройств. В наше время маскировка приобрела статус военного ремесла, которое требует специальной высококвалифицированной подготовки. 

1. Актуальность темы

В наши дни всё больше комплексов оснащается различными радиоэлектронными устройствами, которые способны обнаружить объекты различных габаритов и целевой направленности. Практически любой объект на своей поверхности имеет металлические элементы, служащие каркасом или его конструктивной частью. Любые металлизированные поверхности отражают радиоволны, то есть выступают в роли пассивной передающей антенны, наличие большого количества металлических устройств и конструкций на поверхности приводит к увеличению заметности этого объекта. Это приводит к тому, что при проведении разведывательных операций вероятность нахождения данного объекта значительно возрастает, что является крайне негативным явлением.

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче исследованию способов маскировки стратегических объектов, имеющих в своем составе как антенные системы и комплексы, так и их отсутствие. В ходе работы планируется усовершенствовать существующий способ снижения отраженного сигнала, а вместе с тем и общую заметность объекта [1].

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является разработка устройства, на базе нового материала для снижения уровня отраженного сигнала стратегических объектов, имеющего в своем составе важные аппаратные и составные части.

Основные задачи исследования:

1. Исследование существующих способов радиомаскировки и переход от общего к частному.
2. Изучить свойства радиопоглощающих и радиопрозрачных материалов
3. Провести сравнительный анализ и выбрать подходящий
4. Смоделировать устройство в программном продукте
5. Провести расчёт параметров по результатам моделирования

Объект исследования: Стратегический объект, накрывается материалом с поглощающим эффектом.

Предмет исследования: уменьшение отраженного излучения за счет поглощения электромагнитной энергии и перевода ее в другое состояние.

3. Предполагаемая научная новизна

В рамках магистерской диссертации планируется разработать модель маскирующего оборудования охраняемого объекта, которое полностью поглощает все что попадает на его поверхность. Полученные научные и моделируемые результаты могут быть использованы для применения на действующих радиотехнических объектах.

4. Планируемые практические результаты

Для экспериментальной оценки предполагаемой поглощающего материала, планируется разработать аналогичную модель в программном продукте CST Studio. При моделировании полученные данные будут применены для расчета размеров слоев поглощающего материала, ее толщины и математического расчета отраженного сигнала моделируемого объекта.

5. Обзор исследований и разработок

Исследования в направлении по рассеиванию и поглощению излучения различными объектами зародилось с момента первичного обнаружения понятия дифракции, которое установил Франческо Мария Гримальди во второй половине 17 века. Позже данное явление подтверждали Ньютон, Гюйгенс, Кирхгоф и Котлер. Первым кто смог дать качественное определение этого оптического явления стал Томас Юнг в 1803 году. А исходя из волновой теории света, упоминая при этом краевые волны, Френель в 1818 году развил количественную теорию дифракционных явлений [2] .

В советское период данными исследованиями занимался Петр Яковлевич Уфимцев. В 1962 году он опубликовал свою теорию дифракции краевых волн в своей книге «Метод краевых волн в физической теории дифракции». После публикации данными исследованиями заинтересовались зарубежные, в частности, американские ученые Вилл Шрёдер и Денис Оверхолсер из компании Локхид (Lockheed) [3]. Книга стала фундаментальной в направлении изучения излучения электромагнитных волн и, более того, послужила идеей и основой для создания самолёта, невидимого для радиолокаторов, а именно конструкции самолета F-117.

Также исследования и измерения радиолокационных, тепловых и лазерных характеристик надводных кораблей велись на севастопольском полигоне с 1979 года. Именно там начали применять технологию «Стелс» [4].

«В историческом аспекте работы по Stealth–технологии в России были начаты с постановки радиопоглощающих покрытий на уже действующие объекты. Так в 1974 г. был завершен первый этап по созданию и освоению в промышленности ряда широкодиапазонных радиопоглощающих покрытий (РПП), в том числе на основе магнитных эластомеров. В 1975 г. одно из таких покрытий было использовано для изменения радиолокационного образа надводного корабля» [5].

В монографии описывается эксперимент, в котором участвовало 2 корабля одного проекта водоизмещением около 700 т, причем на всю верхнюю надстройку первого корабля было нанесено 200 кг РПП, а второй корабль был контрольным. Корабли двигались по одинаковой программе, одним параллельным курсом. Эти испытания принесли свои результаты: была замечена разница на приборах радиолокационных станций.

5.1 Локальный обзор

В работе Леонида Устименко, разработан сверхширокодиапазонный радиопоглощающий материал на основе наноструктурного ферромагнитного микропровода (НФМП) в стеклянной изоляции. Основным радиопоглощающим элементом в нем является НФМП, представляющий собой тонкий металлический сердечник в стеклянной изоляции. Благодаря разнице коэффициента термического расширения металла и стекла, а также наличию наноструктурного переходного слоя, материал металлического сердечника находится под воздействием гигантских напряжений и обладает уникальными электрофизическими характеристиками в СВЧ-диапазоне. В текущей работе предполагает усовершенствование такого подхода [4]. Для улучшения существующего устройства, необходимо использовать несколько слоев НФМП с разным шагом интеграции, что позволит расширить диапазон поглощаемых частот. Так же тыльную сторону материала необходимо покрыть магнитотвердой резиной, для лучшего сцепления с металлизированной поверхностью. Данный материалом можно покрыть непосредственно охраняемый объект или для получения большего эффекта, накрыть каркас шарообразной формы, что позволит снизить ЭПР охраняемого объекта. [1]. Устройство не имеет аналогов, поэтому данная система является новшеством.

6. Снижение заметности объектов

Сделать объекты малозаметными для объектов особой важности чрезвычайно трудно, так как на этих объектах могут располагаться пассивные и активные антенные системы. Возможно лишь несколько уменьшить возможности их обнаружения разведывательными РЭС, если покрыть материалами, поглощающими энергию ЭМВ и применить маслоотражающие формы.

Снижение РЛЗ может быть достигнуто несколькими способами: 

– посредством устранения явлений уголковых отражений и увеличении энергии, переизлучаемой в других направлениях. Он реализуется за счет выбора специальной формы ЛА. Демонстрацией этого приема является самолет F-117А. 

– при использовании специального радиопоглощающего покрытия. 

– за счет увеличения доли энергии, переизлучаемой в пространство на кратных и комбинированных гармониках зондирующего сигнала и соответственном снижении доли энергии, излучаемой на основных гармониках. Такой прием, основанный на включении в отражающую поверхность нелинейных (например, полупроводниковых) участков, является дорогостоящим и сложным в техническом плане, в связи с чем пока не нашел широкого применения [7]. 

Излучатель, обладающий большой мощностью, может определить не только наличие объекта в пространстве, но и его геометрическую форму. Следовательно, ЭПР напрямую зависит от размеров объекта. Так, чем больше объект, тем выше вероятность быть замеченным. Недостатком радиотехнических объектов, имеющих в своем составе антенные системы, является большая ЭПР.

Такие цели имеют сложную конфигурацию и состоят из множества различных отражателей. Плоские части объектов отражают всю энергию, что приводит к зеркальному, либо диффузному отображению; выпуклые участки выглядят как «блестящие» точки. К последним относится простая форма – шар (сфера), которая имеет минимальную отражающую поверхность.

В своем определении эффективная поверхность рассеивания   по Сколкину – это количественная мера отношения плотности мощности сигнала, рассеянного в направлении приемника,  к  плотности мощности радиолокационной волны, падающей на цель с учетом их векторных свойств [9].

E₀ ‒ величина электрической составляющей падающего электромагнитного поля;

E_s ‒ величина электрической составляющей рассеянного электромагнитного поля, замеренная гипотетическим наблюдателем;

R ‒ расстояние от цели до гипотетического наблюдателя.

Для снижения заметности применяются различные способы маскировки. В частности, антенны и комплексы покрывают различными материалами или внедряют в саму антенну конструкции, снижающие ЭПР комплекса. ЭПР является условной величиной для выражения количественной оценки отражающих свойств любой радиолокационной цели и рассчитывается по формуле:

P₂ — мощность вторичного излучения (поток энергии электромагнитной волны, рассеянный при падении на цель);    

П₁ — плотность потока энергии, исходящей от источника облучения;

D — коэффициент направленного действия отражающего объекта [7, 10].

В работе Леонида Устименко, разработан сверхширокодиапазонный радиопоглощающий материал на основе наноструктурного ферромагнитного микропровода (НФМП) в стеклянной изоляции. Основным радиопоглощающим элементом в нем является НФМП, представляющий собой тонкий металлический сердечник в стеклянной изоляции. [4 ссылка на статью]. Благодаря разнице коэффициента термического расширения металла и стекла, а также наличию наноструктурного переходного слоя, материал металлического сердечника находится под воздействием гигантских напряжений и обладает уникальными электрофизическими характеристиками в СВЧ–диапазоне.   Недостатком данного способа является высокий уровень отражения ЭМВ. [11]. 

Предлагаемый способ уменьшения отражения радиотехнических объектов будет иметь строение, как на рисунке 3:

Выводы

В настоящее время на кафедре Радиотехники и защиты информации ведутся работы по устранению данного недостатка путем моделирования объекта в программном продукте CST Studio. Составлена модель в этом же программном продукте, которая подтверждает полезность устройства по уменьшению отражения ЭМВ антенны, описанного в патенте Леонида Устименко [1].

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: апрель 2021 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Устименко Л. Г., Хандогина Е. В. Наноматериалы для поглотителей электромагнитных волн и защиты информации : Справ. пособие. – М. : Высш. шк., 2013. – 174 с. 
2. Голин Г. М., Филонович С. Р. Классики физической науки (с древнейших времен до начала XX в.) : Справ. пособие. – М. : Высш. шк., 1989. – 576 с. 
3. Уфимцев П. Я. Теория дифракционных краевых волн в электродинамике. Введение в физическую теорию дифракции / П. Я. Уфимцев; пер. с англ.  – 2-е изд., испр. и доп.  – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. –372 с.
4. Ермолов П. П., Пустовойтенко В. В. Севастопольский полигон для измерений радиолокационных, тепловых и лазерных характеристик надводных кораблей (1979—1991 гг.) – 2009 19th Int. Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo’2009). 14–18 September 2009.
5. Алексеев А. Г., Штагер Е. А., Козырев С. В. Физические основы технологии Stealth. – СПб. : ВВМ, 2007. – 283 с.
6. Палий А. И. Радиоэлектронная борьба. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Воениздат, 1989. – 350 с.
7. Степанов Ю. Г. Противорадиолокационная маскировка. / Степанов Ю. Г. изд. «Советское радио», Москва – 1968, 144 с.
8. Канащенков А. И., Меркулов В. И., Самарин О. Ф. Облик перспективных бортовых радиолокационных систем. Возможности и ограничения. – Москва: ИПРЖР, 2002. – 176 с. 
9. Сколник М. И. Справочник по радиолокации. / Пер. с. англ. Под общей ред. Трофимова К. Н. В четырех томах. М. : Сов. Радио. – 1976–1978 гг.
10. Рябченко В. Ю., Паслён В. В, Исследование способов уменьшения эффективной поверхности рассеивания радиотехнических объектов – 2017 13-я Международная молодёжная научно-техническая конференция «Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникации, РТ-2017», г. Севастополь, РФ, 21-25 ноября 2017.