ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДИАГРАММ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ САМОЛЕТОВ ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.36622/VSTU.2023.19.1.012 УДК 621.396

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДИАГРАММ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ САМОЛЕТОВ ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ

А.В. Володько1,2, Е.А. Ищенко1, С.М. Фёдоров1'2

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассматриваются два метода исследования характеристик диаграмм обратного рассеяния (ДОР) для самолетов пятого поколения: Lockheed Martin F-22A Raptor и Сухой Су-57. Для определения характеристик ДОР предлагается использование асимптотического моделирования объекта с получением полной картины эффективной площади рассеяния (ЭПР), блестящих точек, направлением распространения отраженных волн; экспериментального исследования с использованием ультразвукового радиолокатора. Проведенное исследование показывает, что применение современных методов разработки самолетов позволяет снизить ЭПР объекта, что подтверждается как полноразмерными моделями при моделировании, так и при экспериментальном исследовании масштабных моделей. Так как при экспериментальном исследовании использовался ультразвуковой локатор, то в соответствии с правилом электродинамического подобия были выбраны частоты, которые соответствуют волнам, которые облучали бы полноразмерную модель. Результаты исследования приводятся в виде диаграмм обратного рассеяния с шагом в 1 градус для моделирования и 10 для экспериментального исследования. Картины диаграмм обратного рассеяния имеют похожую форму, но присутствуют различия, которые вызваны меньшим шагом измерения при эксперименте, а также экспериментальные данные представлены в виде дБмВ вместо квадратных метров, так как не производился пересчет в значения эффективной площади рассеяния

Ключевые слова: радиолокация, эффективная площадь рассеяния, диаграмма обратного рассеяния, самолет пятого поколения

Введение

Самолеты пятого поколения должны соответствовать определенному ряду требований: обеспечить крейсерский сверхзвуковой полет, высокую маневренность, обеспечение малой радиолокационной заметности. Особый интерес при изучении таких самолетов вызывает их диаграмма обратного рассеяния (ДОР) или эффективная площадь рассеяния (ЭПР). Для снижения заметности используют геометрическую оптимизацию корпуса, применение радиопо-глощающих материалов. В данной работе будет сделан основной акцент на исследование геометрических характеристик самолетов.

Базовые принципы и способы уменьшения заметности объектов на радиолокаторах были описаны П.Я. Уфимцевым в [1]. После перевода научного исследования на английский язык в исследовательском центре Lockheed Skunk Works были созданы первые программы, которые позволили рассчитать идеальную модель самолета с минимальной ЭПР. Полученная модель получила название «Безнадежный бриллиант», так как она не могла подняться в воздух из-за геометрической формы. Последующее

© Володько А.В., Ищенко Е.А., Фёдоров С.М., 2023

развитие идеи позволило создать проект Lockheed Have Blue, который стал прародителем первого стелс-самолета Lockheed F-117 Night-hawk [2]. Именно после создания первого малозаметного истребителя-бомбардировщика корпорацией Lockheed началось углубленное изучение методов снижения радиолокационной заметности, а развитие вычислительной техники позволило сглаживать углы конструкций, что положительно сказывается на маневренных характеристиках.

Базовое влияние геометрической формы объекта на характеристики ЭПР очень подробно описано в [3]. При внедрении технологии разнесенной радиолокации особый интерес стало вызывать изучение самолетов и объектов с учетом бистатической ЭПР, как это показано в [4]. В работах [5, 6] авторы рассматривают модели стелс-самолетов для определения их основных характеристик диаграмм обратного рассеяния.

В данной работе будут рассмотрены два метода исследования ЭПР и ДОР самолетов пятого поколения - электродинамическое моделирование (асимптотическим методом) и исследование масштабной модели с облучением ультразвуковым локатором с частотой 40 кГц [7]. Рассмотрение начнем с описания метода асимптотического моделирования для электромагнитных волн.

Асимптотический метод моделирования в электродинамике

Асимптотический метод реализован на основе метода геометрической дифракции и физической оптики. Его использование возможно, если длина волны значительно меньше размеров объекта. В нашем случае будут рассматриваться две модели самолетов пятого поколения: Lockheed Martin F-22A Raptor и Су-57. Так как облучение при экспериментальном исследовании происходит ультразвуковым локатором для моделей в масштабе 1/72 (для F-22 модель изготовлена Italeri; Су-57 - Звезда), то с учетом скорости звуковой волны и частотой облучения получаем длину волны:

—

330

40-10

— 0,83 • 10"

(1)

Таким образом, с учетом размеров модели: F-22A - 26,3 см; Су-57 - 29,5 см, мы получаем, что размеры моделей могут быть записаны как 31,71 ^-22) и 35,51 (Су-57). Применение стандартного метода Вейланда для полноразмерных моделей будет затруднено, так как при моделировании самолеты будут в реальном масштабе, и будут облучаться волной с частотой 500 МГц (с учетом электродинамического подобия), то удобно использовать метод геометрической дифракции и физической оптики (асимптотический метод в электродинамике).

При выполнении такого моделирования происходит формирование картины поверхностей с последующим облучением плоской падающей электромагнитной волной. Благодаря формированию картины поверхностей создаётся полудетерминированная поверхность (SDFM), описанная методами Монте-Карло. Рассеяние волн от такой структуры описывается теорией Брэгга. Волна Брэгга определяется в виде синусоидальных излучений:

ïcap(r') — В(кс) cos(kcr' - wct)

где В(кс) - амплитуда волны, равная

(2)

S(kc); 4S '

ДБ - площадь поверхности; Б(кс) - спектр Эльфухайми; кс - пространственный волновой вектор, направление которого совпадает с линией проекции ql вектора рассеяния ц = к(к5 — к{) на плоскость объекта.

В современных системах проектирования описанный выше метод модифицируется путем

объединения свойств геометрической оптики ^О), физической оптики (РО) и SDFM, что повышает точность моделирования. На основе такой гибридной технологии формируется пучок лучей (SBR), который падает на объект с отслеживанием путей распространения первичных лучей и их отраженных копий от объекта с учетом потерь на объекте. Так как объект сильно больше используемой длины волны, то облучающую плоскую электромагнитную волну можно заменить сеткой из тонких трубок или лучей. После падения волны на поверхность она в соответствии с характеристиками распространения электромагнитных волн будет выступать повторным источником излучения. Трассировка луча будет продолжаться до момента, когда он не перестанет пересекаться с гранями или пока не достигнет максимального числа переотражений. В процессе моделирования происходит решение уравнений Стрэттона-Чу в интегральном приближении физической оптики:

jke

-JJrçfcsx(fcsx/(r'))eifeêsr'ds' (3)

еро —

где ks - единичный вектор для вектора рассеяния ks; R - расстояние расчетов; J (г') - плотность поверхностных токов, которые возникли на объекте. Для решения такого уравнения применяется метод Гордона, а размер целевых граней должен быть менее 1/10 длины падающей волны. Тогда рассеяние относительно SDFM поверхности будет иметь вид:

eSDFM = fe2(WtRFpq ffar') e-i4r'dr, (4)

где ((г' ) - имеет синусоидальную форму. Применение полудетерминированных поверхностей позволяет существенно уменьшить число плоскостей отражения, но некоторые ячейки способны приводить к разделению лучей во время трассировки, а отсутствие учета повторных отражений приводит к ухудшению точности расчетов. Для решения такой проблемы используют K-d дерево с возбуждением «освещенных» ячеек.

В процессе определения краевой дифракции важно учитывать эквивалентные краевые точки (EEC). Чтобы их описать используется выражение:

Еа —

ik„ e~'k«r

An

где

[sx(sx t)Ie +(sx t)Im]eik°Sr dt', (5)

I, —

к sin2 Pi

r.LUP.-,

к sin Pi

i2-nHh

к sin Pi sin (3S

-de

где £"гпс и Ягпс - падающие электрические и магнитные поля; I - единичный вектор вдоль ребер. Приведенный в (4) интеграл будет определяться краями структуры рассеяния. и§ ,

QhhL Q "em 5 ^т

ЕЕС - коэффициенты дифракции эквивалентных краевых точек, при этом их значения в основном определяются углами между соседними гранями. На основе приведенного метода удобно определять характеристики крупных объектов, а также картин эффективной площади рассеяния. Рассмотрим моделирование характеристик ЭПР самолетов пятого поколения с использованием описанного выше метода.

Моделирование ДОР самолетов пятого поколения

В процессе моделирования исследовались два самолета - Lockheed Martin F-22A Raptor и Сухой Су-57. Модели выполнялись из идеального проводника и выполнялись в реальном масштабе. Исследуемые модели приводятся на рис. 1.

13947.52 mm

а)

б)

Рис. 1. Модели самолетов: а) Lockheed Martin F-22A; б) Сухой Су-57

С учетом известной информации об экспериментальном исследовании облучение самолетов выполнялось на частотах fF_2г = 517 МГц и fsu-57 = 536 МГц, что соответствует методам электродинамического подобия. Полученные в результате моделирования картины

диаграмм обратного рассеяния (ДОР) или ЭПР приводятся на рис. 2.

По полученным картинам отчетливо видно, что благодаря геометрической форме объекта удается достичь снижения ЭПР, а также отклонить падающие электромагнитные волны от изначального направления прихода. Помимо самих картин ЭПР применение моделирования позволяет отследить пути лучей (электромагнитных) волн, как это показано на рис. 3.

—г 22а :сзт;

б)

Рис. 2. Картины ЭПР самолетов пятого поколения: а) Lockheed Martin F-22A; б) Сухой Су-57

Рис. 3. Трассировка электромагнитных волн: а) Lockheed Martin F-22A; б) Сухой Су-57

Еще одна важная характеристика для объектов, которые требуется обнаружить - блестящие точки. Благодаря блестящим точкам становится возможным формирование радаров с синтезированными апертурами (ISAR). Вид картины блестящих точек приводится на рис. 4.

Рис. 4. Блестящие точки, полученные асимптотическим методом: а) Lockheed Martin F-22A; б) Сухой Су-57

Таким образом, применение современных методов электродинамического моделирования позволяет обеспечить определение характеристик с высокой точностью на стадии проектирования. Рассмотрим экспериментальное исследование с использованием ультразвукового локатора.

Экспериментальное исследование с использованием масштабных моделей

Одним из методов экспериментальной оценки характеристик ДОР является использование ультразвуковой локации, как это показано в работе [7]. Общий вид установки приводится на рис. 5.

Рис. 5. Установка для измерения диаграмм обратного рассеяния

В процессе измерения модели самолетов в масштабе 1/72 облучались ультразвуковой волной с определением напряжения, которое будет измерено приемной антенной. На основе этого были построены диаграммы обратного рассеяния, выраженные в дБмВ, которые приводятся на рис. 6.

20 10 ° .350340

- F-22A (Log.)

Рис.

160 170 ,во 190 200 б)

6. Измеренные диаграммы обратного рассеяния: а) Lockheed Martin F-22A; б) Сухой Су-57

Полученные картины показывают, что результаты измерения по форме схожи с полученными при моделировании, однако стоит учитывать, что измерение производилось с ша-

гом 10°, а моделирование было выполнено с шагом 1°. Также важно отметить, что на рис. 2 результаты приводятся в виде ЭПР, то есть с учетом выражения:

а = 4пЯ2^ , (6)

п2

где Я - расстояние то цели от РЛС; Пг, П2 -плотности потоков мощности, созданной антенной и принятой после отражения, соответственно; при экспериментальном исследовании пересчет не проводится, так как не были известны характеристики диаграмм направленности антенн.

Заключение

Полученные результаты показывают, что применение современных технологий моделирования позволяет определить характеристики диаграмм обратного рассеяния объектов, провести оптимизацию структуры для минимизации радиолокационной заметности. Применение экспериментального измерения характеристик позволяет определить наглядно процедуру измерения, принципы работы радиолокации. Особенно наглядными в таком исследовании являются самолёты последнего поколения, так

как в их конструкции применяются все последние идеи по минимизации радиолокационной заметности.

Литература

1. Уфимцев П.Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции. М.: Советское радио, 1962. 243 с.

2. Rich B.R. Skunk Works: A Personal Memoir of My Years at Lockheed. New York: Back Bay Books-Little Brown and Company, 1994. 372 p.

3. Research on the shape stealth design of infantry Fighting vehicle/S. Hao, Y. Liu, F. Xu, J. Yuan, W. Liu // 2021 6th International Conference on Intelligent Computing and Signal Processing (ICSP). 2021. Р. 1393-1396.

4. Research on the bastatic RCS characteristics of stealth aircraft / X. Fan, Y. Qin, S. Shang, D. Song, W. Sun, D. Li, X. Luo // 2015 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). 2015. Р. 1-3.

5. Ashraf R., Tabassum S.T., Hossam-E-Haider M. Analytical Study of Bi-Static Radar Cross Section with a Comparison at S Band and X Band of F-117 Nighthawk Stealth Aircraft // 2018 4th International Conference on Electrical Engineering and Information & Communication Technology (iCEEiCT). 2018. Р. 406-410.

6. Chung S.S., Chou Y., Chuang Y. J9: Radar Cross Section Analysis of Stealth Fighter Design: Key Factors and Limitation of Simulation // International Journal of Electrical Engineering. 2016. Vol. 23. Р. 201-214.

7. Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: Советское радио, 1972. 233 с.

Поступила 30.10.2022; принята к публикации 15.02.2023 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]

Ищенко Евгений Алексеевич - аспирант, инженер, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792

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], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163

STUDYING THE MONOSTATIC SCATTERING CHARACTERISTICS OF THE FIFTH GENERATION FIGHTERS

A.V. Volod'ko1,2, E.A. Ishchenko1, S.M. Fyedorov1,2

'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia

Abstract: the article discusses two methods for studying the characteristics of backscatter diagrams for the fifth generation military planes: Lockheed Martin F-22A Raptor and Sukhoi Su-57. To determine the characteristics of the monostatic scattering, it is proposed to use asymptotic modeling of the object to obtain a whole picture of the effective scattering area, bright points, and the direction of the reflected waves propagation. Experimental study using ultrasonic radar is also proposed.

80

The study shows that the use of modern aircraft development methods can reduce the RCS of an object, which is confirmed both by full-size models in modeling and by experimental study of scale models. Since an ultrasonic locator was used in the experimental study, in accordance with the rule of electrodynamic similarity, frequencies that correspond to the waves that would irradiate the full-size model were chosen. The results of the study are presented in the form of backscatter diagrams with a step of 1 degree for simulation and 10 for experimental study. The patterns of backscatter diagrams have a similar shape, but there are differences that are caused by a smaller measurement step in the experiment, and the experimental data are presented in the form of dBmV instead of square meters, since no conversion to the values of the effective scattering area was made

Key words: radar, radar cross section, monostatic scattering, fifth generation fighter

References

1. Ufimtsev P.Ya. "Edge wave method in the physical theory of diffraction", Moscow: Sovetskoye radio, 1962, 243 p.

2. Rich B.R. "Skunk works: a personal memoir of my years at Lockheed", New York: Back Bay Books-Little Brown and Company, 1994, 372 p.

3. Hao S., Liu Y., Xu F., Yuan J., Liu W. "Research on the shape stealth design of infantry fighting vehicle" 2021 6th International Conference on Intelligent Computing and Signal Processing (ICSP), 2021, pp. 1393-1396.

4. Fan X., Qin Y., Shang S., Song D., Sun W., Li D., Luo X. "Research on the bastatic RCS characteristics of stealth aircraft", 2015 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC), 2015, pp. 1-3.

5. Ashraf R., Tabassum S. T., Hossam-E-Haider M. "Analytical study of bi-static radar cross section with a comparison at S and and X band of F-117 nighthawk stealth aircraft, 2018 4th International Conference on Electrical Engineering and Information & Communication Technology (iCEEiCT), 2018, pp. 406-410.

6. Chung S. S., Chou Y., Chuang Y. "J9: radar cross section analysis of stealth fighter design: key factors and limitation of simulation", International Journal of Electrical Engineering, vol. 23, 2016, pp. 201-214.

7. Maizels E.N., Torgovanov V.A. "Measurement of the scattering characteristics of radar targets", Moscow: Sovetskoye radio, 1972, 233 p.

Submitted 30.10.2022; revised 15.02.2023 Information about the authors

Alexandr 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 Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]

Evgeniy A. Ishchenko, engineer, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792

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 Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163