Плазменный стелс

Плазменная скрытность — это предлагаемый процесс использования ионизированного газа ( плазмы ) для уменьшения радиолокационной эффективности (ЭПР) самолета . Взаимодействие между электромагнитным излучением и ионизированным газом широко изучалось для многих целей, в том числе для сокрытия самолетов от радаров в качестве технологии малозаметности . Вероятно, различные методы смогут сформировать слой или облако плазмы вокруг транспортного средства для отклонения или поглощения радара: от более простых электростатических или радиочастотных разрядов до более сложных лазерных разрядов. Уменьшить RCS таким способом теоретически возможно, но на практике сделать это может быть очень сложно. Сообщается, что некоторые российские ракеты, например, 3М22 «Циркон» (СС-Н-33) и Х-47М2 «Кинжал», используют плазменную скрытность.

Первые претензии

В 1956 году Арнольд Элдридж из General Electric подал заявку на патент на «Метод и устройство маскировки объектов», в которой предлагалось использовать ускоритель частиц в самолете для создания ионизационного облака, которое «...преломляло бы или поглощало падающий радар. балки». Неясно, кто финансировал эту работу и был ли она прототипирована и протестирована. Патент США № 3 127 608 был выдан в 1964 году.

Во время проекта OXCART, эксплуатации самолета-разведчика Lockheed A-12 , ЦРУ финансировало попытку уменьшить ЭПР входных конусов A-12 . В нем, известном как «Проект КЕМПСТЕР», использовался генератор электронного луча для создания облака ионизации перед каждым входным отверстием. Система прошла летные испытания, но так и не была развернута на действующих А-12 или SR-71 . В А-12 также была возможность использовать топливную присадку на основе цезия под названием «А-50» для ионизации выхлопных газов, тем самым блокируя отражение радиолокационных волн от кормового квадранта и выхлопных труб двигателя. Цезий использовался потому, что он легко ионизировался горячими выхлопными газами. Физик-радиолокатор Эд Ловик-младший заявил, что эта добавка спасла программу А-12.

В 1992 году исследовательская лаборатория Хьюза провела исследовательский проект по изучению распространения электромагнитных волн в незамагниченной плазме. Ряд высоковольтных разрядников использовался для генерации УФ-излучения, которое создает плазму посредством фотоионизации в волноводе. Заполненные плазмой обтекатели ракет были испытаны в безэховой камере на предмет ослабления отражения. Примерно в то же время Р. Дж. Видмар исследовал использование плазмы атмосферного давления в качестве отражателей и поглотителей электромагнитных волн. Другие исследователи также изучали случай неоднородной намагниченной плазменной пластины.

Несмотря на очевидную техническую сложность разработки плазменного стелс-устройства для боевых самолетов, есть утверждения, что система была предложена на экспорт Россией в 1999 году. В январе 1999 года российское информационное агентство ИТАР-ТАСС опубликовало интервью с доктором Анатолием Коротеевым , директор Научно-исследовательского центра Келдыша (ФКА НИИ тепловых процессов), который рассказал о разработанном его организацией плазменном стелс-устройстве. Это заявление было особенно интересно в свете солидной научной репутации доктора Коротеева и Института тепловых процессов. которая является одной из ведущих научно-исследовательских организаций в мире в области фундаментальной физики.

Журнал Electronic Defense сообщил, что разработанная в России «технология генерации плазменных облаков для малозаметных приложений» снижает ЭПР самолета в 100 раз (20 дБ). Согласно этой статье, опубликованной в июне 2002 года, российское плазменное устройство-невидимка было испытано на борту истребителя-бомбардировщика Су-27 ИБ. Журнал также сообщил, что аналогичные исследования по применению плазмы для снижения RCS проводятся Accurate Automation Corporation ( Чаттануга, Теннесси ) и Университетом Олд Доминион (Норфолк, Вирджиния) в США; и Dassault Aviation (Сен-Клу, Франция) и Thales (Париж, Франция).

Плазма и ее свойства

Основная статья: Плазма (физика)

Плазма представляет собой квазинейтральную (общий электрический заряд близок к нулю) смесь ионов ( атомов , которые были ионизированы и, следовательно, обладают суммарным положительным зарядом), электронов и нейтральных частиц (неионизированных атомов или молекул). Большинство плазм ионизированы лишь частично; фактически степень ионизации обычных плазменных устройств, таких как люминесцентные лампы, довольно низка (менее 1%). Почти вся материя во Вселенной представляет собой плазму очень низкой плотности: твердые тела, жидкости и газы встречаются редко вдали от планетных тел. Плазма имеет множество технологических применений: от флуоресцентного освещения до плазменной обработки при производстве полупроводников.

Плазма может сильно взаимодействовать с электромагнитным излучением: именно поэтому плазму вполне можно использовать для изменения радиолокационной сигнатуры объекта. Взаимодействие плазмы и электромагнитного излучения сильно зависит от физических свойств и параметров плазмы, в первую очередь от температуры электронов и плотности плазмы.

• Характеристическая электронная плазменная частота , частота, с которой колеблются электроны ( плазменные колебания ):

$\omega _{pe}=(4\pi n_{e}e^{2}/m_{e})^{1/2}=5.64\times 10^{4}n_{e}^{1/2}{\mbox{rad/s}}=9000\times n_{e}^{1/2}{\mbox{Hz}}$

Плазма может иметь широкий диапазон значений как температуры, так и плотности; Температура плазмы колеблется от близкой к абсолютному нулю и значительно выше 10 ⁹ Кельвинов (для сравнения, вольфрам плавится при 3700 Кельвинах), а плазма может содержать менее одной частицы на кубический метр. Температура электронов обычно выражается в электронвольтах (эВ), а 1 эВ эквивалентен 11 604 К. Обычная температура и плотность плазмы в люминесцентных лампочках и процессах производства полупроводников составляют около нескольких эВ и 10 ^9-12 на см ³ . В широком диапазоне параметров и частот плазма электропроводна, и ее реакция на низкочастотные электромагнитные волны аналогична реакции металла: плазма просто отражает падающее низкочастотное излучение. Низкая частота означает, что она ниже характерной электронной частоты плазмы . Использование плазмы для управления отраженным электромагнитным излучением от объекта (плазменная стелс) возможно на подходящей частоте, где проводимость плазмы позволяет ей сильно взаимодействовать с приходящей радиоволной, и волна может либо поглощаться, либо превращаться в тепловую. энергия либо отражается, либо передается в зависимости от соотношения частоты радиоволны и характерной плазменной частоты. Если частота радиоволны ниже плазменной частоты, она отражается. если оно выше, оно передается. Если эти два равны, то возникает резонанс. Существует также другой механизм, позволяющий уменьшить отражение. Если электромагнитная волна проходит через плазму и отражается от металла, а отраженная волна и приходящая волна примерно равны по мощности, то они могут образовывать два вектора. Когда эти два вектора имеют противоположную фазу, они могут нейтрализовать друг друга. Чтобы добиться существенного ослабления радиолокационного сигнала, плазменная пластина должна иметь достаточную толщину и плотность.

Плазма поддерживает широкий диапазон волн, но для ненамагниченной плазмы наиболее актуальными являются волны Ленгмюра , соответствующие динамическому сжатию электронов. В намагниченной плазме может возбуждаться множество различных волновых мод, которые могут взаимодействовать с излучением на радиолокационных частотах.

Поглощение ЭМ излучения

Когда электромагнитные волны, такие как сигналы радара, распространяются в проводящей плазме, ионы и электроны смещаются в результате изменения во времени электрических и магнитных полей. Волновое поле передает энергию частицам. Частицы обычно возвращают некоторую часть полученной ими энергии волне, но некоторая энергия может постоянно поглощаться в виде тепла в результате таких процессов, как рассеяние или резонансное ускорение, или передаваться в другие типы волн посредством преобразования мод или нелинейных эффектов. Плазма может, по крайней мере в принципе, поглотить всю энергию приходящей волны, и это ключ к скрытности плазмы. самолета Однако плазменная скрытность подразумевает существенное снижение ЭПР , что затрудняет (но не обязательно делает невозможным) его обнаружение. Сам факт обнаружения самолета радаром не гарантирует точного целеуказания, необходимого для перехвата самолета или поражения его ракетами. Уменьшение ЭПР также приводит к пропорциональному уменьшению дальности обнаружения, позволяя воздушному судну приблизиться к радару до того, как его обнаружат.

Центральным вопросом здесь является частота входящего сигнала. Плазма просто отражает радиоволны ниже определенной частоты (характерной электронной частоты плазмы). Это основной принцип коротковолновой радиосвязи и связи на большие расстояния, поскольку низкочастотные радиосигналы передаются между Землей и ионосферой и, следовательно, могут распространяться на большие расстояния. Загоризонтные радары раннего предупреждения используют такие низкочастотные радиоволны (обычно ниже 50 МГц). Однако большинство военных радаров воздушного базирования и противовоздушной обороны работают в диапазонах ОВЧ, УВЧ и микроволновом диапазоне, частоты которых превышают характерную плазменную частоту ионосферы, поэтому микроволновое излучение может проникать в ионосферу, и связь между землей и спутниками связи возможна. ( Некоторые частоты могут проникать через ионосферу).

Плазма, окружающая самолет, может поглощать входящее излучение и, следовательно, уменьшать отражение сигнала от металлических частей самолета: тогда самолет будет фактически невидим для радаров на большом расстоянии из-за слабых принимаемых сигналов. Плазму также можно использовать для изменения отраженных волн, чтобы сбить с толку радиолокационную систему противника: например, смещение частоты отраженного излучения нарушит доплеровскую фильтрацию и может затруднить различение отраженного излучения от шума.

Контроль свойств плазмы, таких как плотность и температура, важен для функционирования плазменного стелс-устройства, и может потребоваться динамическая регулировка плотности, температуры или комбинаций плазмы или магнитного поля для эффективного поражения различных типов радиолокационных систем. Огромное преимущество Plasma Stealth перед традиционными методами радиочастотной скрытности, такими как геометрия малозаметности и использование радиопоглощающих материалов, заключается в том, что плазма является настраиваемой и широкополосной. Столкнувшись с радаром со скачкообразной перестройкой частоты, можно, по крайней мере в принципе, изменить температуру и плотность плазмы, чтобы справиться с ситуацией. Самой сложной задачей является создание плазмы большой площади или объема с хорошей энергетической эффективностью.

Плазменная стелс-технология также сталкивается с различными техническими проблемами. Например, сама плазма излучает ЭМ-излучение, хотя оно обычно слабое и шумообразное по спектру. Кроме того, требуется некоторое время, чтобы плазма снова поглотилась атмосферой, и за движущимся самолетом образовался след ионизированного воздуха, но в настоящее время не существует метода обнаружения такого рода плазменного следа на большом расстоянии. В-третьих, плазма (например, тлеющие разряды или флуоресцентные лампы) имеет тенденцию излучать видимое свечение: это несовместимо с общей концепцией низкой наблюдаемости. И последнее, но не менее важное: чрезвычайно сложно создать радиопоглощающую плазму вокруг всего самолета, движущегося на высокой скорости, необходимая электрическая мощность огромна. Однако существенного снижения ЭПР самолета все же можно добиться за счет генерации радиопоглощающей плазмы вокруг наиболее отражающих поверхностей самолета, таких как лопасти вентилятора турбореактивного двигателя, воздухозаборники двигателей, вертикальные стабилизаторы и антенны бортовой радиолокационной станции.

Было проведено несколько вычислительных исследований метода уменьшения поперечного сечения радара на основе плазмы с использованием трехмерного моделирования во временной области с конечной разностью. Чанг изучил радиолокационное изменение металлического конуса, когда он покрыт плазмой, - явление, которое происходит при входе в атмосферу. Чанг смоделировал радиолокационное сечение обычного спутника, а также радиолокационное сечение, когда он покрыт искусственно созданными плазменными конусами.

Теоретическая работа со спутником

Из-за очевидного военного применения этого предмета имеется мало доступных экспериментальных исследований влияния плазмы на радиолокационное сечение (ЭПР) самолетов, но взаимодействие плазмы с микроволнами является хорошо изученной областью общей физики плазмы. Стандартные справочные материалы по физике плазмы являются хорошей отправной точкой, и обычно в них уделяется некоторое время обсуждению распространения волн в плазме.

Одна из наиболее интересных статей, посвященных влиянию плазмы на ЭПР самолетов, была опубликована в 1963 году институтом IEEE . Статья озаглавлена ​​« Радарные сечения диэлектрических или покрытых плазмой проводящих сфер и круглых цилиндров » (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, сентябрь 1963 г., стр. 558–569). Шесть лет назад, в 1957 году, Советский Союз запустил первый искусственный спутник Земли. При попытке отследить Спутник было замечено, что его свойства электромагнитного рассеяния отличаются от ожидаемых для проводящей сферы. Это произошло из-за того, что спутник перемещался внутри плазменной оболочки: ионосферы .

Простая форма спутника служит идеальной иллюстрацией влияния плазмы на ЭПР самолета. Естественно, самолет будет иметь гораздо более сложную форму и изготавливаться из большего разнообразия материалов, но основной эффект должен остаться прежним. В случае полета спутника через ионосферу на высокой скорости и в окружении естественной плазменной оболочки возникают два отдельных радиолокационных отражения: первое от проводящей поверхности спутника, второе от диэлектрической плазменной оболочки.

Авторы работы установили, что диэлектрическая (плазменная) оболочка может как уменьшать, так и увеличивать площадь эха объекта. Если одно из двух отражений значительно больше, то более слабое отражение не будет сильно способствовать общему эффекту. Авторы также заявили, что электромагнитный сигнал, который проникает через плазменную оболочку и отражается от поверхности объекта, будет падать по интенсивности при прохождении через плазму, как было объяснено в предыдущем разделе.

Наиболее интересный эффект наблюдается, когда два отражения имеют один и тот же порядок величины. В этой ситуации два компонента (два отражения) будут добавлены как векторы , и результирующее поле будет определять общую ЭПР. Когда эти два компонента не совпадают по фазе относительно друг друга, происходит аннулирование. Это означает, что при таких обстоятельствах ЭПР становится нулевой и объект полностью невидим для радара.

Сразу становится очевидным, что выполнить подобные численные аппроксимации для самолета сложной формы будет сложно. Это потребует большого объема экспериментальных данных для конкретного планера, свойств плазмы, аэродинамических аспектов, падающего излучения и т. д. Напротив, первоначальные вычисления, обсуждаемые в этой статье, были выполнены горсткой людей на компьютере IBM 704, созданном в Это произошло в 1956 году, и в то время это была новая тема с очень небольшим исследовательским опытом. С 1963 года в науке и технике изменилось так много, что различия между металлической сферой и современным боевым самолетом меркнут по сравнению с ней.

Простым применением плазменной скрытности является использование плазмы в качестве антенны: металлические антенные мачты часто имеют большие радиолокационные сечения, но полая стеклянная трубка, наполненная плазмой низкого давления, также может использоваться в качестве антенны и полностью прозрачна для радара, когда не используется.

См. также

• Стелс-технология
• Активный камуфляж
• Мультиспектральный камуфляж
• Маскирующее устройство
• Помощь при проникновении