МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ ПРИ ПЕРЕМЕЩЕНИИ АВИАЦИОННЫХ СРЕДСТВ НА ВЕРХНЕЙ ПАЛУБЕ АВИАНЕСУЩЕГО КОРАБЛЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

В.Ф. Лапицкий

кандидат технических наук, доцент

К.В. Фролов

ПАО «Интелтех»

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ ПРИ ПЕРЕМЕЩЕНИИ АВИАЦИОННЫХ СРЕДСТВ НА ВЕРХНЕЙ ПАЛУБЕ АВИАНЕСУЩЕГО КОРАБЛЯ

АННОТАЦИЯ. В статье разработана методика расчета электромагнитной обстановки при перемещении авиационных средств на верхней палубе авианесущего корабля (ЭМО АК). Разработанная методика основана на использовании метода конечной разности во временной области (КРВО) при решении электродинамической задачи. Приведен пример расчета электромагнитной обстановки при движении авиационных средств над верхней палубой авианесущего корабля.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА. Электромагнитная обстановка, дифракция в ближней зоне, напряженность электромагнитного поля, граничные условия, метод конечной разности во временной области, авиационные средства.

Ведение

Среди кораблей задача контроля ЭМО наиболее актуальна для авианесущих кораблей ВМФ с групповым размещением авиационных средств (АС) на ограниченных площадях верхней палубы. Актуальность этой задачи возрастает с увеличением сложности авиационных средств морского базирования и насыщенности их многофункциональными широкополосными радиотехническими системами различного назначения, в том числе радиолокационного и связного профилей. Высокие интегральные уровни создаваемых ЭМП при функционировании АС приводят к негативным последствиям на качество функционирования РЭС АК, а также на бортовое радиоэлектронное оборудование, ракетное вооружение летательных аппаратов корабельного базирования. С учетом возрастающих возможных рисков в отношении ЭМС РЭС при эксплуатации АС необходимо непрерывное их сопровождение с позиций «электромагнитного проектирования».

Методика расчета электромагнитной обстановки при перемещении авиационных средств

Особое место среди физических полей авианесущих кораблей занимают первичные ЭМП,

создаваемые авиационными источниками излучения электромагнитной энергии, и их производные, образующие вследствие переизлучения источники искрообразования и непосредственно влияющие на качество обеспечения электромагнитной совместимости корабельных радиоэлектронных средств и электромагнитную безопасность (ЭМБ) в отношении биологических объектов и технических средств. Данная методика позволяет проводить расчет уровней ЭМП для произвольных расстояний от антенн, включая ближнюю зону, с учетом перекрытия главного лепестка ДН авиационными средствами АК.

В методике были решены следующие задачи: разработана математическая модель взлета (посадки) вертолета с палубы корабля;

разработан алгоритм решения задачи дифракции в ближней зоне антенны с учетом влияния корпуса авиационных средств;

разработан алгоритм решения задачи расчета ДН антенны в дальней зоне.

Методика решения задач дифракции в ближней зоне антенны методом КРВО состоит из следующих основных этапов:

— выбор размеров расчетной области;

— выбор системы координат;

— дискретизация расчетной области;

— проверка доступной оперативной памяти ЭВМ;

— расчет приращения по времени согласно условию Куранта—Фридрихса—Леви;

— ввод начальных и граничных (ПГУ) условий;

— модель возбуждения;

— создание массивов проекций векторов ЭМП;

— аппроксимация объекта и антенны;

— ввод времени наблюдения за исследуемым объектом;

— цикл по времени:

1) п + 0,5, вычисление проекций Н-поля;

2) п + 1, вычисление проекций Е-поля.

— анализ полученных результатов.

Для апробации решения задач дифракции в ближней зоне излучателя рассмотрим решение задачи излучения несимметричного вибратора (антенна К-661, I = 6,5 м, = 9 МГц), расположенного на корпусе АК (рис. 1) методом КРВО, при перемещении АС.

Выберем область вычислений V с геометрическими размерами 6Хх6Хх6Х, что определяется имеющимися вычислительными ресурсами. Расчет произведем в декартовой системе координат. Время, необходимое для завершения переходного процесса, выбирается экспериментально. Для первой итерации задается произвольное время наблюдения, анализируется вычисленное методом КРВО ЭМП. При наличии переходного процесса, производятся следующие итерации, для которых увеличивается время наблюдения с произвольным приращением, до момента установления стационарного процесса ЭМП.

Методом КРВО вычисляются значения магнитных составляющих ЭМВ (Нх, Ну, Нг) на временном отсчете п = п + 0.5 во всей расчетной области. Далее методом КРВО вычисляются значения электрических составляющих ЭМВ ( Ех, Еу, Ег ) во всей расчетной области на временном шаге п = п + 1, с использованием обновленных значений Нх, Ну, Нг. Процесс вычислений повторяется и заканчивается при условии, если п = N. На каждом временном шаге п вычисляется^А . Результаты расчета представлены на рисунках 2 (а, б, в).

На рис. 3 представлены мгновенные значения Ег составляющей в точке А, в зависимости от пространственного шага дискретизации расчетной области V.

При выборе шага дискретизации помимо порядка точности нужно учитывать еще и имеющийся объем оперативной памяти ЭВМ, и объем вычислений (время расчета). Иными словами, обеспечение необходимой точности требует сравнительно большой оперативной памяти ЭВМ и времени расчета для решения задач возбуждения трехмерных объектов.

Анализируя результаты решения задач дифракции на палубе АК методом КРВО, можно сделать вывод, что форма авиационного средства и место расположения антенны непосредственно влияют на распределение ЭМП в ближней зоне. Как видно из анализа рис. 4.2, наличие вертолета в ближней зоне антенны сказывается на изменении ЭМО (и как следствие на диаграмме направленности), что необходимо учитывать при организации связи.

Алгоритм разработанной методики приведен на рис. 4.

Рис. 1. Постановка задачи для расчета ЭМО АС

Рис. 2. Электромагнитная обстановка на верхней палубе корабля при посадке вертолета (распределение Ег составляющей): а — ЭМП на палубе корабля без вертолета; б — электромагнитное поле при нахождении вертолета; в — магнитное

поле вблизи вертолета

А1., И/м

10

-10

............. - -/..'10 - й., -Ь'2(1 -1/6(1 - ^ -/^1)

4

Рис. 3. Мгновенное распределение составляющей в точке А

В качестве примера функционирования разработанной методики проведено решение электродинамической задачи для вертолета, взлетающего с палубы АК.

Геометрия задачи показана на рис. 5.

На вертолет падает плоская волна по направлению оси X. Вектор Епараллелен оси 2. Мощность, подводимая к антенне, 1 Вт. На рис. 6 изображена картина поля, полученная в процессе вычислений (а — ЭМП в отсутствие вертолета над палубой корабля, б — изменения ЭМП в дальней зоне при пролете вертолета над палубой АНК).

Как показывает анализ рис. 6, на дальностях более 200 м фазовый фронт волны нивелирует возмущения ЭМП от пролета вертолета в ближней зоне. Это объясняется соизмеримостью размеров вертолета (15 м) и длиной волны (33.4 м). В более высоком диапазоне негативное воздействие будет более выраженным.

Рис. 4. Алгоритм расчета ЭМО при перемещении авиационных средств морского базирования (АСМБ)

Рис. 5. Геометрия электродинамической задачи

>

Н

Рис. 6. Расчет изменения ЭМП в дальней зоне при пролете вертолета над палубой АК (в ближней зоне): а — ЭМП в отсутствие вертолета над палубой корабля; б — изменения ЭМП в дальней зоне при пролете вертолета над палубой АНК

Заключение

В результате разработки методики решена задача дифракции возбуждения движущихся объектов сложной формы (вертолеты).

Комбинированным методом «метод КРВО — преобразование ближнего поля с использованием интеграла Кирхгофа» вычислена напряженность ЭМП от системы антенн АК в дальней зоне при перемещении объектов сложной формы (вертолетов) над верхней палубой.

Результаты решения задачи дифракции в ближней зоне объектов сложной формы (АСМБ) позволят спрогнозировать траектории глиссады взлетающих (садящихся) вертолетов

для миминизации изменения реальных характеристик антенн с учетом влияния окружающих металлических конструкций.

Анализ результатов моделирования показал, что в различных участках частотного диапазона дифракционная картина ЭМП существенно зависит от размеров, формы объекта и окружающих местных предметов (геометрическая форма вертолета, навесное оборудование и т. п.). На низких частотах слабее выражена неравномерность диаграммы направленности. Результаты моделирования целесообразно учитывать при боевом применении АС, размещаемых на АК, для обеспечения требуемой дальности и надежности связи.