CC BY
0УДК 62-419:623.626
ГРНТИ 29.35.19:47.49.29
КОНСТРУКЦИЯ ОБЛЕГЧЕННОГО УГОЛКОВОГО ОТРАЖАТЕЛЯ
Я.Н. ГУСЕНИЦА, кандидат технических наук
ФГАУ «Военный инновационный технополис «ЭРА» (г. Анапа)
А.В. ЕФРЕМОВ, кандидат технических наук
ФГАУ «Военный инновационный технополис «ЭРА» (г. Анапа)
С.В. ЛУГОВСКИЙ
ФГАУ «Военный инновационный технополис «ЭРА» (г. Анапа)
А.С. ЛЯСКИН, кандидат технических наук, доцент
ФГАУ «Военный инновационный технополис «ЭРА» (г. Анапа)
Предложена облегченная конструкция разборного уголкового отражателя для использования в радиолокации. Снижение массы достигается за счет использования нового материала - алюмопластикового композиционного материала. Проведена сравнительная оценка новой конструкции с существующими аналогами, показаны основные преимущества и достоинства предложенной конструкции. На основе компьютерного моделирования оценены характеристики уголкового отражателя новой конструкции. Приведены результаты натурного эксперимента по сравнению характеристик отражателя новой конструкции, выполненного из нового материала, и отражателя традиционной конструкции, выполненного из нержавеющей стали.
Ключевые слова: уголковый отражатель, радиолокация, эффективная площадь рассеивания, алюмопластиковый композиционный материал, уровень отраженного радиолокационного сигнала.
Введение. Уголковые отражатели, которые представляют собой устройства для изменения направления потока электромагнитного излучения (радиоволны, свет), широко применяются в различных областях техники. В навигации уголковые отражатели, размещенные стационарно по руслам рек, служат для подачи радиолокаторам судов предупредительных сигналов в условиях плохой видимости [1]. Метеорологические зонды, оснащенные уголковыми отражателями, обеспечивают информацией о направлении и силе ветра на больших высотах, что актуально при организации воздушного движения. Устройства на основе уголковых отражателей используются для повышения точности калибровки радиолокационных станций.
Для эффективной работы размеры граней уголкового отражателя должны как минимум на порядок превышать длину падающей радиоволны. Так как большинство современных радиолокационных станций (РЛС) работает в диапазонах 8... 11 ГГц (до 80 % всех РЛС) и 15... 17 ГГц (около 15 % всех РЛС) [2, 3], т. е. на сантиметровых длинах волн, то характерный размер грани типового уголкового отражателя составляет десятки сантиметров.
Актуальность. Основными материалами для изготовления уголковых отражателей являются металлы, которые обеспечивают как эффективное отражение электромагнитного излучения, так и жесткость конструкции отражателя. В то же время применение металлических конструкций значительно снижает мобильность уголковых отражателей из-за большого веса, влияющего на продолжительность их развертывания/свертывания (сборки/разборки), к тому же такие конструкции дороги в изготовлении.
На сегодняшний день известны различные запатентованные оригинальные конструкции уголковых отражателей, однако эти конструкции имеют существенные недостатки, препятствующие их широкому применению, в том числе как изделий двойного назначения.
Цель работы - разработка новой конструкции облегченного уголкового отражателя, которая позволит повысить величину эффективной площади рассеяния (ЭПР) отражателя за счет выбора формы и материала граней при уменьшении общей массы и стоимости.
В ходе разработки новой конструкции уголкового отражателя были проанализированы достоинства и недостатки существующих конструкций, аналогичных по назначению.
Патентом на изобретение RU 2309493 [4] предложена конструкция уголкового отражателя (рисунок 1), которая состоит из трех взаимно перпендикулярных квадратных граней, соединенных тремя скрепленными вместе проводящими стержнями. При этом предусмотрена регулировка взаимной перпендикулярности пластин отражателя за счет изменения и фиксации длины стержней для получения максимального значения ЭПР.
Рисунок 1 - Конструкция уголкового отражателя
К недостаткам предложенной конструкции нужно отнести ее сложность, большую массу и невозможность разборки для транспортировки, что усложняет ее практическое применение.
Кроме того, конструкция данного отражателя формирует максимальную диаграмму рассеяния, ограниченную пространственным октантом (октант представляет собой часть пространства, ограниченную тремя взаимно перпендикулярными плоскостями). Это приводит к значительному снижению ЭПР при облучении с других направлений. В результате, такой отражатель оказывается малоэффективным для имитации радиоотражающих объектов в ходе испытаний радиолокационных систем.
На уменьшение массы устройства и расширение диапазона длин волн, в котором осуществляется имитация различных объектов, направлена конструкция другого уголкового отражателя, описанная в патенте RU 2200294 [5]. Увеличение ЭПР в нем осуществляется путем интеграции поляризационной решетки в каждую грань отражателя. Грань отражателя представляет собой пятислойную сэндвич-панель (рисунок 2): проводящий слой и слой с поляризационной решеткой перемежаются со слоями пористого диэлектрика. Применение поляризационной решетки позволяет эффективно отражать радиоволны на длинах волн ^1=0,8 см, ^2=3,2 см, Хэ=6 см, что существенно расширяет спектр возможностей отражателя.
2
1
\ ооопооо_о-ооо оо ооиоо
3 Г4 Л \ Л Л 1_Л Л_Л Л_\ \ \ 0000000000000°СУ У
ООоОиО оОо о /
Рисунок 2 - Устройство грани уголкового отражателя: 1 - слои пористого диэлектрика, 2 - металлизированная
пленка (ткань), 3 - поляризационная решетка
Недостатками такого отражателя, которые ограничивают область его применения, являются технологическая сложность изготовления и высокая стоимость.
В патенте RU 2198454 [6] описана конструкция уголкового отражателя в виде складного восьмигранного рефлектора (рисунок 3). Рефлектор включает центральную стойку и втулки, размещенные во взаимно перпендикулярных плоскостях для монтажа жестких поддерживающих конструкций и гибких отражающих граней. Рефлектор оснащен механизмами для фиксации элементов в рабочем положении и точной регулировки их установки, что позволяет достигать максимального значения ЭПР.
Рисунок 3 - Конструкция складного уголкового отражателя
К недостаткам этой конструкции следует отнести сравнительно невысокую величину ЭПР, обусловленную использованием треугольных граней, а также сложность конструкции.
Широкое практическое применение в Вооруженных Силах сначала СССР, а теперь и Российской Федерации, нашла конструкция отражателя металлического уголкового (ОМУ), которая описана в Руководстве по инженерным средствам [7]. Эти отражатели используются для имитации образцов вооружения, военной и специальной техники.
Уголковый отражатель ОМУ в собранном состоянии представляет собой объемную конструкцию с треугольными гранями, формирующими восемь отражающих углов (рисунок 4). Изготовленный из стали ОМУ может складываться в плоскую форму благодаря щелевым шарнирам. Размер грани отражателя - 35 см, масса отражателя - 3,25 кг.
Рисунок 4 - Отражатель металлический уголковый
Основными недостатками ОМУ являются: значительный вес комплекта отражателей (около 80 кг), который затрудняет его оперативное развертывание на позиции; сложность точной настройки взаимной перпендикулярности трех металлических пластин, формирующих уголковый отражатель; относительно низкая величина ЭПР, обусловленная формой граней отражателя; высокая стоимость отражателя, вызванная использованием нержавеющей стали.
Как известно, перпендикулярность граней уголковых отражателей обеспечивает отражение электромагнитного излучения, падающего на них с любого направления в пределах внутреннего угла, обратно в сторону источника излучения. Ввиду этого небольшие по размерам уголковые отражатели обладают значительными величинами эффективной площади рассеивания (ЭПР). Максимальные значения ЭПР типовых форм граней уголковых отражателей (треугольной, Отр; квадратной, Окв; круговой или секторной, Окр) могут быть рассчитаны по формулам [8]:
4 а
С™ =— % —т,
3 X2
тр
а
= 12%—,
X2
а
Скр = ,
где а - характерный размер грани отражателя, X - длина волны.
Из приведенных формул видно, что максимальной величиной ЭПР обладает отражатель с квадратными гранями. Поэтому для повышения величины ЭПР авторами была выбрана квадратная форма грани. При этом, исходя из возможных условий применения, уголковый отражатель должен отражать радиоволновое облучение с любого направления, что обуславливает его конструкцию в виде восьмиугольного октаэдра.
В ходе разработки конструкции уголкового отражателя авторами в патенте RU 221260 [9] предложена разборная конструкция, состоящая из четырех пластин (рисунок 5). Как показано на рисунке 5, в двух квадратных пластинах выполнены вырезы от края до центра каждой пластины. Кроме того, в одной из квадратных пластин дополнительно выполнены два выреза длиной а/4 (а - длина стороны квадрата) на двух противоположных сторонах квадрата. В двух прямоугольных пластинах по центру длинных сторон также выполнены вырезы длиной а/4. Ширина всех вырезов равна толщине пластины.
Для обеспечения заданной диаграммы рассеяния, как правило, используют несколько уголковых отражателей, объединенных в группу и по-разному ориентированных в пространстве. Для этого во внешних углах пластин предусмотрены сквозные отверстия, которые позволяют, например, подвешивать отражатели на растяжках на требуемой высоте.
При сборке две квадратные пластины соединяются по вырезам, формируя две взаимно перпендикулярные плоскости, а две прямоугольные пластины вставляются в соответствующие вырезы квадратных пластин таким образом, что три взаимно перпендикулярные плоскости создают отражение в восьми направлениях.
Рисунок 5 - Уголковый отражатель: 1 - грани отражателя; 2 - вырезы граней отражателя;
3 - отверстия подвеса; 4 - фиксаторы
Соединение и фиксация пластин в единое целое осуществляется с помощью специальных упругих фиксаторов, отдельно показанных на рисунке 6. Эти фиксаторы могут быть изготовлены, например, путем аддитивной технологии из А8£-пластика (или иного диэлектрика) и представляют собой, как описано в [9], прямую призму с высотой а/10 и квадратным основанием со стороной а/50. По диагоналям квадрата вдоль высоты призмы выполнены два выреза, ширина которых равна толщине пластины уголкового отражателя.
Рисунок 6 - Фиксатор уголкового отражателя
Назначение фиксаторов в разработанной конструкции уголкового отражателя -обеспечение взаимной перпендикулярности пластин отражателя при их неподвижности относительно друг друга, что критически важно для увеличения ЭПР. Точная перпендикулярность граней уголкового отражателя напрямую влияет на его ЭПР, поскольку отклонение углов между гранями всего на 1° может привести к снижению ЭПР в 30 раз [8].
Для изготовления пластин уголкового отражателя предлагается использовать алюмопластиковый композитный материал [10]. Этот композитный материал состоит из двух алюминиевых листов, защищенных от атмосферных воздействий лакокрасочным покрытием и тонкой полимерной пленкой, между которыми размещен полиэтиленовый наполнитель. Серийно изготавливаемые алюмопластиковые композитные материалы (АКМ) имеют толщину 3-4 мм, при этом толщина каждого алюминиевого листа составляет 0,3-0,4 мм. Основными преимуществами АКМ для изготовления уголковых отражателей являются:
- малый вес (в четыре раза легче нержавеющей стали);
- точные плоскостные характеристики (высокое сопротивление скручиванию);
- высокая жесткость и стойкость к деформациям под действием ветровых нагрузок и осадков;
- стойкость к перепадам температур в широком диапазоне (от -50°С до +80°С);
- износостойкость;
- коррозионная стойкость;
- легкость механической обработки.
Кроме перечисленных выше достоинств АКМ, выбор материала для изготовления был обоснован результатами компьютерного моделирования и натурных экспериментов, в которых сравнивались отражающие характеристики данного материала с нержавеющей сталью.
Компьютерное моделирование характеристик уголковых отражателей.
Характеристики уголковых отражателей были получены с помощью моделирования с использованием программного обеспечения для вычислительного электромагнетизма Altair
FEKO. В процессе моделирования учитывались реальные свойства материалов, АКМ был представлен как трехслойный композит алюминий-полиэтилен-алюминий.
В качестве граничных условий задавалась плоская электромагнитная волна с частотой 10 ГГц, направление прихода волны на отражатели варьировалось: угол места изменялся в диапазоне от 0° до 90° с шагом 5°, значение азимута фиксировалось - 45°. По результатам моделирования определялась зависимость эффективной площади рассеяния в зависимости от угла места (направления прихода волны).
На рисунке 7 представлены результаты моделирования, которые подтверждают, что применение АКМ в качестве материала для отражателя позволяет повысить его эффективность не менее чем на 20 % по сравнению с нержавеющей сталью, что объясняется высокой электропроводностью алюминия, превосходящей электропроводность нержавеющей стали.
Рисунок 7 - Зависимость ЭПР от угла места по результатам моделирования уголковых отражателей
из нержавеющей стали и АКМ
Экспериментальное определение характеристик уголковых отражателей. С целью подтверждения результатов моделирования проведен натурный эксперимент с использованием радиолокатора с длиной волны излучения 3 см (частота 10 ГГц).
В ходе эксперимента получены зависимости относительного уровня отраженного сигнала от расстояния для разных материалов отражателя, приведенные на рисунке 8.
Результаты экспериментов и моделирования позволяют сделать следующие выводы: использование АПК из нержавеющей стали в одинаковых по конструкции уголковых отражателях обеспечивает максимальные уровни РЛ-сигнала на расстояниях, соответствующих фактическому расстоянию между отражателями и приемником излучения (в данном случае -40 м);
подтверждена точность результатов моделирования с исключением возможности ошибки в эксперименте в виду того, что разница в уровне сигнала между АКМ-отражателем и стальным отражателем превышает уровень флуктуаций отраженного сигнала от фона;
подтверждены прогнозы, сделанные на основе компьютерного моделирования, в части того, что отражатель из АКМ обеспечивает отражение сигнала примерно на 20 % лучше по сравнению с отражателем из стали того же размера и конфигурации.
-зо
Щ
8. -
о
о ш о
а,
>>
л -
--10
-50
-60
-70
алюмс к пластиковый омпознт \ у--'
г / / ✓ ч
—. — /У / у нержавек щая сталь фон ч \ \ N Ч ^ Ч \ \ \ л
~~ ~ —. / — ч V \
ч ■ V \
Е -80
-90
25
30 35 -10 45 50
Расстояние от приемника отраженного сигнала, м
55
Рисунок 8 - Результаты натурного эксперимента
Выводы. По результатам компьютерного моделирования и экспериментальных исследований авторами получен патент на полезную модель «Уголковый отражатель» [9]. Опытные образцы (рисунок 9) разборного уголкового отражателя изготовлены и прошли апробацию в условиях реальной эксплуатации.
Рисунок 9 - Опытный образец разборного уголкового отражателя из АКМ
Увеличенное относительно аналогов значение ЭПР обеспечивается выбранной формой граней отражателя и примененным материалом (алюмопластиковый композит).
Конструкция отражателя позволяет обеспечивать его транспортировку к месту размещения в разобранном виде и проводить быструю сборку с помощью пластиковых фиксаторов, обеспечивающих жесткость всей конструкции и взаимную перпендикулярность граней.
Набор из нескольких уголковых отражателей может быть использован в ходе экспериментов для оценки разрешающей способности РЛС, а также при определении вероятности распознавания различных стационарных и подвижных объектов с помощью РЛС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Юренкова Л.Р., Яковук О.А., Морозов И.В. Области применения уголкового отражателя // Главный механик. 2021. № 4. С. 54-59.
2. Zohuri B. Radar energy warfare and the challenges of stealth technology. Springer Nature Switzerland AG, 2020. 428 p.
3. Гейстер С.Р. Перспективные системы и средства ведения наземной разведки // Наука и военная безопасность. 2006. № 2. С. 46-49.
4. Пат. 2309493 Российская Федерация, МПК H01Q 15/18. Уголковый отражатель / Маюнов А.Т., Беляев В.В., Богданов Ю.Н. № 2005135376; заявл. 14.11.2005; опубл. 27.05.2007.
5. Пат. 2200294 Российская Федерация, МПК F41H 3/00. Имитационное устройство / Тимошенко Г.В., Бурмицкий Ю.Н., Волкова Л.Г. № 2000112569; заявл. 21.12.2000; опубл. 10.02.2000.
6. Пат. 2198454 Российская Федерация, МПК H01Q 15/18. Складной восьмигранный уголковый рефлектор / Борзенко Г.П., Ткачев Н.А. № 2000131922; заявл. 22.05.2000; опубл. 10.03.2003.
7. Семенихина Д.В., Юханов Ю.В., Привалова Т.Ю. Теоретические основы радиоэлектронной борьбы: радиомаскировка. Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2017. 130 с.
8. Руководство по инженерным средствам и приемам маскировки Сухопутных войск. Часть I. Средства и приемы маскировки. М.: Воениздат, 1985. 264 с.
9. Пат. 221260 Российская Федерация, МПК H01Q 15/18. Уголковый отражатель / Гусеница Я.Н. [и др.] № 2023122300; заявл. 25.08.2023; опубл. 27.10.2023.
10. Что такое алюминиевый композитный материал. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.signbusiness.ru/material/Al/chto-takoe-alyuminievyi-kompozitnyi-material.php (дата обращения 12.06.2024).
REFERENCES
1. Yurenkova L.R., Yakovuk O.A., Morozov I.V. Oblasti primeneniya ugolkovogo otrazhatelya // Glavnyj mehanik. 2021. № 4. pp. 54-59.
2. Zohuri B. Radar energy warfare and the challenges of stealth technology. Springer Nature Switzerland AG, 2020. 428 p.
3. Gejster S.R. Perspektivnye sistemy i sredstva vedeniya nazemnoj razvedki // Nauka i voennaya bezopasnost'. 2006. № 2. pp. 46-49.
4. Pat. 2309493 Rossijskaya Federaciya, MPK H01Q 15/18. Ugolkovyj otrazhatel' / Mayunov A T., Belyaev V.V., Bogdanov Yu.N. № 2005135376; zayavl. 14.11.2005; opubl. 27.05.2007.
5. Pat. 2200294 Rossijskaya Federaciya, MPK F41H 3/00. Imitacionnoe ustrojstvo / Timoshenko G.V., Burmickij Yu.N., Volkova L.G. № 2000112569; zayavl. 21.12.2000; opubl. 10.02.2000.
6. Pat. 2198454 Rossijskaya Federaciya, MPK H01Q 15/18. Skladnoj vos'migrannyj ugolkovyj reflektor / Borzenko G.P., Tkachev N.A. № 2000131922; zayavl. 22.05.2000; opubl. 10.03.2003.
7. Semenihina D.V., Yuhanov Yu.V., Privalova T.Yu. Teoreticheskie osnovy radioelektronnoj bor'by: radiomaskirovka. Taganrog: Izd-vo YuFU, 2017. 130 p.
8. Rukovodstvo po inzhenernym sredstvam i priemam maskirovki Suhoputnyh vojsk. Chast' I. Sredstva i priemy maskirovki. M.: Voenizdat, 1985. 264 p.
9. Pat. 221260 Rossijskaya Federaciya, MPK H01Q 15/18. Ugolkovyj otrazhatel' / Gusenica Ya.N. [i dr.] № 2023122300; zayavl. 25.08.2023; opubl. 27.10.2023.
10. Chto takoe alyuminievyj kompozitnyj material. ['Elektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: https://www.signbusiness.ru/material/Al/chto-takoe-alyuminievyi-kompozitnyi-material.php (data obrascheniya 12.06.2024).
© Гусеница Я.Н., Ефремов А.В., Луговский С.В., Ляскин А.С., 2024
Гусеница Ярослав Николаевич, кандидат технических наук, начальник научно-исследовательского отдела, Военный инновационный технополис «ЭРА», Россия, 353456, Краснодарский край, г. Анапа, Пионерский пр-т, 41.
Ефремов Александр Васильевич, кандидат технических наук, научный сотрудник, Военный инновационный технополис «ЭРА», Россия, 353456, Краснодарский край, г. Анапа, Пионерский пр-т, 41.
Луговский Сергей Владимирович, младший научный сотрудник, Военный инновационный технополис «ЭРА», Россия, 353456, Краснодарский край, г. Анапа, Пионерский пр-т, 41.
Ляскин Антон Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, Военный инновационный технополис «ЭРА», Россия, 353456, Краснодарский край, г. Анапа, Пионерский пр-т, 41.
UDC 62-419:623.626 GRNTI 29.35.19:47.49.29
LIGHTWEIGHT CORNER REFLECTOR
Ya.N. GUSENITSA, Candidate of Technical Sciences
Military innovative technopolis «ERA » (Anapa)
A.V. EFREMOV, Candidate of Technical Sciences
Military innovative technopolis «ERA » (Anapa)
S.V. LUGOVSKIY
Military innovative technopolis «ERA » (Anapa)
A.S. LYASKIN, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Military innovative technopolis «ERA » (Anapa)
A lightweight design of demountable corner reflector for radiolocation is proposed. To reduce weight an aluminum-plastic composite is used. The new reflector design is compared with existing reflectors to highlight its advantages. Computer simulation is used to predict performance of the new reflector. Results of a field experiment comparing performance of the new reflector with traditional stainless steel reflector are provided.
Keywords: corner reflector, radiolocation, radar cross section, aluminum-plastic composite, reflected radiolocation signal level.
