CC BY
24
Радиотехника и связь
DOI 10.36622/^Ти.2021Л7.1.006 УДК 621.396
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛА НАКЛОНА ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ САМОЛЕТА НА ЭФФЕКТИВНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ РАССЕЯНИЯ
А.В. Володько1,2, С.М. Фёдоров1'2, Е.А. Ищенко1, М.А. Сиваш1
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается зависимость значения эффективной площади рассеяния (ЭПР) самолета от угла наклона вертикальных стабилизаторов. Моделирование производится с использованием метода геометрической теории дифракции и физической оптики, так как размеры объекта во много раз превосходят размеры длины волны. Для облучения использовалась плоская волна Х-диапазона - частота 10 ГГц. По полученным результатам отражения электромагнитной волны от объекта были построены диаграммы обратного рассеяния, на основе которых была сформирована таблица, содержащая максимальные значения эффективной площади рассеяния. Было замечено, что максимальное значение эффективной площади рассеяния возникает в ситуации, когда отсутствует какой-либо наклон вертикальных стабилизаторов, и при изменении угла наклона вертикальных стабилизаторов на 5 градусов наблюдается значительное понижение максимального уровня ЭПР. При этом возможно возникновение повторных отражений от горизонтальных хвостовых стабилизаторов, что, в свою очередь, приведет к повышению уровня эффективной площади рассеяния. Грамотная оптимизация угла наклона вертикальных стабилизаторов самолета позволяет добиться значительного снижения уровня ЭПР при сохранении аэродинамических характеристик самолета, а внедрение специальных композитных стелс материалов позволяет еще сильнее понизить уровень ЭПР
Ключевые слова: эффективная площадь рассеяния, моностатическая ЭПР, метод геометрической теории дифракции и физической оптики
Введение
При проектировании современных самолетов, у которых требуется понизить значение эффективной площади рассеяния, производится моделирование отражения электромагнитных волн от объекта. Для понижения уровня отражений применяется оптимизация геометрических характеристик, например углов наклона вертикальных стабилизаторов самолета, а после достижения оптимальных значений применяются сложные стелс покрытия, которые усиливают поглощение электромагнитной волны. Так самолеты третьего и четвертого поколения в своей конструкции имеют вертикально расположенный хвостовой стабилизатор, что негативно сказывается на характеристиках ЭПР, поэтому для улучшения скрытности первых стелс самолетов было обнаружено, что наклон хвостового оперения позволяет добиться значительного снижения уровня ЭПР. Примером таких самолетов, которые имеют значительный наклон вертикальных стабилизаторов, являются СУ-57, F-22A, F-35 и другие самолеты, которые принадлежат к 5 поколению.
Методы исследования ЭПР геометрически крупных и сложных объектов
С развитием вычислительной техники исследование характеристик эффективной площади рассеяния крупных объектов удалось значительно упростить, так как не требуется изготавливать на этапе проектирования большого количества прототипов, производить значительные измерения. Для исследования ЭПР сложных объектов с размерами, которые значительно превосходят размер волны, применяют две основные методики расчета отраженного поля - метод моментов (МоМ) и геометрической теории дифракции и физической оптики (SBR) [1]. Как показано в [2], метод моментов требует значительно больших вычислительных мощностей, при этом погрешность вычислений является достаточно небольшой, по сравнению с методом SBR, также стоит учитывать, что точность вычислений постоянно улучшается и оптимизируется. Для исследования характеристик ЭПР исследуемого в данной статье объекта выбран метод моделирования, основанный на свойствах физической оптики.
© Володько А.В., Фёдоров С.М., Ищенко Е.А., Сиваш М.А., 2021
Исследование зависимости ЭПР самолета в горизонтальной плоскости от угла наклона вертикальных стабилизаторов
Исследуемый объект приведен на рис. 1, моделирование производилось в Х-диапазоне на частоте 10 ГГц.
Рис. 1. Исследуемый объект
При моделировании производилось изменение угла наклона от 0° до 60°, тогда положение стабилизаторов соответствует рис. 2.
Построение диаграмм обратного рассеяния (ДОР) при применении метода SBR позволяет отследить теоретически ожидаемое отражение, которое отображается в виде отраженных лучей - рис. 3, а на основе полученных значений формируются диаграммы эффективной площади рассеяния.
Рис. 3. Вид отраженных лучей при использовании метода БВЯ
На основе отраженных лучей от падающей электромагнитной волны формируются диаграммы обратного рассеяния. Для удобства анализа они приводятся в дБ (м2). На рис. 4 приведены диаграммы обратного рассеяния для углов наклона в 0°, 30°, 60°, при этом на полученных картинах отмечены максимальные значения, так как конструкция полностью симметрична, показана ДОР только с одной стороны. В таблице приведены результаты с максимальными значениями ЭПР объекта, а также с углом наблюдения данного значения.
Рис. 2. Максимальный наклон вертикальных стабилизаторов (наклон 60°)
ЯНА
Рис. 4. Диаграммы обратного рассеяния
47
Значения ЭПР исследуемого объекта от угла наклона вертикальных стабилизато]
Угол наклона,° 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Направление максимума ЭПР,° 86 94 94 89 89 79 74 88 63 84 88 94 92
ЭПР, дБ (м2) 31,6 22,9 18,8 24 22,8 19,8 19,7 18,3 18,5 29,2 24,5 21,1 20,4
ЭПР, м2 1440 197 76,7 248 192 94,8 93 67,7 71,6 830 281 128 110
Доля ЭПР относительно 0°, % 100 14 5 17 13 7 6 5 5 58 20 9 8
ов
По полученным результатам видно, что при изменении угла наклона вертикальных стабилизаторов даже на 5 градусов эффективная площадь рассеяния резко уменьшается, при этом очень важно учитывать отражения, которые могут возникнуть от горизонтального стабилизатора самолета, в данном случае подобная ситуация возникла при угле наклона в 45°, что привело к значительному повышению уровня ЭПР объекта, для борьбы с данной проблемой применяют самолеты без данного элемента в конструкции, например F-117, YF-23. Вертикальные стабилизаторы с различными углами наклона являются одной из отличительных особенностей самолетов пятого поколения.
Заключение
Применение современной вычислительной техники позволяет упростить анализ многих электродинамических задач, таких как обнаружение оптимальных геометрических характе-
ристик крупных объектов для снижения ЭПР, обнаружение зон максимального отражения. Так было показано, что при облучении плоской волной с частотой 10 ГГц при изменении угла наклона вертикальных стабилизаторов на 5 градусов относительно вертикального положения максимальное значение ЭПР значительно уменьшается, при этом дополнительного понижения значений ЭПР можно достичь путем применения специальных композитных материалов и стелс покрытий.
Литература
1. Brem R., Eibert T.F. A Shooting and Bouncing Ray (SBR) Modeling Framework Involving Dielectrics and Perfect Conductors // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2015. Vol. 63. No. 8. pp. 3599-3609.
2. Perotoni M.B., Andrade L.A. Numerical evaluation of an air-to-air missile radar cross section signature at X-band // Journal of Aerospace Technology and Management. 2011. Vol. 3. No. 3. pp. 287-294.
Поступила 24.11.2020; принята к публикации 16.02.2021 Информация об авторах
Володько Александр Владиславович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), доцент кафедры информационной безопасности и систем связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), доцент кафедры информационной безопасности и систем связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Сиваш Михаил Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
STUDY OF THE INFLUENCE OF THE TILT ANGLE OF VERTICAL STABILIZERS OF AN AIRCRAFT ON THE EFFECTIVE SCATTERING SURFACE
A.V. Volod'ko1,2, S. M. Fyedorov1,2, E. A. Ishchenko1, M.A. Sivash1
'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the article considers the dependence of the value of the effective scattering area (ESA) of the aircraft on the tilt angle of the vertical stabilizers. Modeling is performed using the method of the geometric theory of diffraction and physical optics since the dimensions of the object are many times larger than the dimensions of the wavelength. For irradiation, an X-band plane wave was used - a frequency of 10 GHz. Based on the results of the reflection of the electromagnetic wave from the object, backscatter diagrams were built, on the basis of which a table was formed containing the maximum values of the effective scattering area. It was noted that the maximum value of the effective scattering surface occurs in a situation where there is no inclination of the vertical stabilizers, while when the angle of inclination of the vertical stabilizers is changed by 5 degrees, a significant decrease in the maximum ESA level is observed. In this case, repeated reflections from horizontal tail stabilizers may occur, which, in turn, will lead to an increase in the level of the effective scattering surface. Competent optimization of the angle of inclination of the vertical stabilizers of the aircraft allows one to achieve a significant decrease in the ESA level while maintaining the aerodynamic characteristics of the aircraft, and the introduction of special composite stealth materials allows one to further reduce the ESA level
Key words: effective scattering area, monostatic ESA, method of geometric theory of diffraction and physical optics
References
1. Brem R., Eibert T.F. "A Shooting and Bouncing Ray (SBR) modeling framework involving dielectrics and perfect conductors", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2015, vol. 63, no. 8, pp. 3599-3609.
2. Perotoni M.B., Andrade L.A. "Numerical evaluation of an air-to-air missile radar cross section signature at X-band", Journal of Aerospace Technology and Management, 2011, vol. 3, no. 3, pp. 287-294.
Submitted 24.11.2020; revised 16.02.2021
Information about the authors
Aleksandr V. Volod'ko, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechnaya str., Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechnaya str., Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Mikhail A. Sivash, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
