ОТРАЖАЮЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ

ОТРАЖАЮЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ СОПЕЛ С ЦЕНТРАЛЬНЫМ ТЕЛОМ
И МЕТОДЫ ИХ КОРРЕКЦИИ.
Митрофанов А.В.
ОАО «РСК «МиГ», г. Москва.
В данной работе проводилось исследование радиолокационной
заметности двух вариантов осесимметричных сопел с центральным телом ,
спроектированных в соответствии с требованиями снижения
инфракрасной заметности путем экранирования горячих лопаток турбины
центральным телом. Были определены вклады элементов конструкции
сопел в их РЛ-заметность, найдены и проанализированы эффекты,
возникающие при отражении сигнала от конструкции сопел и выданы
рекомендации по снижению заметности осесимметричных сопел с
центральным телом.
1. Методика исследований.
Заметность
сопел
была
рассчитана
методом
квазиоптического
моделирования: в канал посылался параллельный пучок лучей, подчиняющихся
правилам геометрической оптики. Рассматриваемые сопла состоят из тел
двойной кривизны, а в этом случае формулы ЭПР тел в оптическом
приближении соответствуют формулам ЭПР в электродинамике [1, с.39]
геометрические размеры сопел больше длины волны, поэтому оптическое
моделирование применимо для исследования осесимметричных сопел с
центральным телом. Отраженные лучи падали на три круглых приемных
площадки, соосных с направлением облучения и установленных так, что
угловой размер относительно облучаемого объекта составлял 10, 5 и 3 градуса.
Первые две площадки измеряли усредненную ЭПР при бистатической локации
в секторах 10 и 5 градусов, площадка с сектором 3 градуса имитировала
моностатическую локацию. Эталонирование производилось по сфере. Схема
расчетного стенда приведена на рис.1.
Были построены математические модели сопел (рис.2). Турбина, имеющая в
реальности сложную геометрию (лопатки, имеющие крутку), смоделирована
поверхностью, равномерно рассеивающей падающие лучи во все стороны.
Основная предпосылка, позволяющая заменить точную геометрию турбины
диффузным отражателем – неопределенность положения лопаток турбины в
момент облучения. Также использование диффузной пластины применяется
при физическом моделировании сложной геометрии лопаток турбины.
Рис.1. Схема стенда.
Рис.2. Исследованные сопла
2. Расчеты интегральной ЭПР.
Графики интегральной относительной ЭПР исследованных сопел (за
единицу принята ЭПР сферы равного поперечного сечения) приведены на
рис.3,4.
Относительная ЭПР сопла 1
Относительная ЭПР
1000
100
10
1
0
10
20
30
40
50
60
0,1
Угол лоцирования сопла, град.
Бистатика в секторе 10град.
Бистатика в секторе 5град.
Моностатика
Рис.3. Относительная
сопла
Относительная
ЭПРЭПР
сопла
2 1.
Относительная ЭПР
1000
100
10
1
0
10
20
30
40
50
60
Угол лоцирования сопла, град.
Бистатика в секторе 10град.
Бистатика в секторе 5град.
Моностатика
Рис.4. Относительная ЭПР сопла 2.
Как видно из графиков, ЭПР сопел возрастает при переходе от
широкоугольной бистатической локации к моностатической. Т.о., несмотря на
диффузную пластину, моделирующую лопатки, осесимметричное сопло с
центральным телом является скорее направленным отражателем, чем
рассеивателем. Дополнительно этот вывод подтверждается картами рассеяния
отраженного излучения по полусфере. На рис.5,6 представлены такие карты для
случая лоцирования сопел по оси. При других ракурсах облучения картина
похожая – пиковое отражение наблюдается соосно с направлением облучения.
Рис.5. Карта рассеяния для сопла 1.
Рис.6. Карта рассеяния для сопла 2.
3. Выяснение вкладов в ЭПР.
В ходе исследований было обнаружено, что источниками отражения РЛсигнала от такого сопла являются:
- турбина;
- сужающаяся открытая полость, образованная центральным телом и
стенками сопла (в дальнейшем просто полость);
- сужающаяся открытая полость, образованная внешними и внутренними
стенками центрального тела (в дальнейшем – «тело» ).
Источники отражение РЛ-сигнала приведены на рис.7.
Рис.7.Источники отражения РЛ-сигнала.
Для случая моностатической локации были определены вклады в заметность
каждого из источников отражения. На рис. 8,9 представлены диаграммы
относительной ЭПР каждого из источников отражения.
1
0,9
0,8
Вклад в ЭПР
0,7
0,6
"турбина"
0,5
"тело"
"полость"
0,4
0,3
0,2
0,1
60
56
52
48
44
40
36
32
28
24
20
16
12
8
4
0
0
Угол лоцирования сопла, град.
Рис.8. Вклад в ЭПР «блестящих точек» сопла 1.
1
0,9
0,8
0,6
"турбина"
0,5
"тело"
"полость"
0,4
0,3
0,2
0,1
Угол лоцирования сопла, град.
Рис.9. Вклад в ЭПР «блестящих точек» сопла 2.
60
57
54
51
48
45
42
39
36
33
30
27
24
21
18
15
12
9
6
3
0
0
Вклад в ЭПР
0,7
4. Предложения по снижению заметности сопел.
Для выработки предложений по снижению заметности сопел недостаточно
знать вклады отдельных элементов – нужно знать какие эффекты возникают
при отражении сигнала.
Известно, что две пластины, образующие между собой острый угол
произвольной величины, на некоторых ракурсах являются уголковыми
отражателями. Подобный эффект отражения от полости был обнаружен при
исследовании отражения от сопел. В осесимметричном сопле с центральным
телом экспериментально установлено наличие четырех эффектов, связанных с
отражением от полости:
- эффект плоскостного отражения от полости (рис.10);
- эффект многоплоскостного отражения от полости (рис.11-12);
- эффект объемного отражения от полости (рис.13);
- эффект биполостного отражения (рис.14).
Плоскостное отражение от полости может встретиться на разных ракурсах
облучения сопла в зависимости от его геометрии. При этом находится какая-то
плоскость, в которой полость, образуемая центральным телом и внутренними
стенками сопла, становится уголковым отражателем. На рис.10 помимо
отражений от турбины видно сразу два пучка лучей, отражающихся в одной
плоскости от полостей сопла 2. Полностью побороть плоскостное отражение
скорее всего не получится, но изменяя геометрию стенок сопла и центрального
тела, можно сдвигать область возникновения эффекта на ракурсы, удаленные от
приосевых. Чем длиннее сужающаяся полость, тем дальше сдвигается область
плоскостного отражения от приосевых ракурсов. При этом заметность сопла на
тех ракурсах дополнительно снижается за счет уменьшения проекционной
площади входа РЛ-сигнала в сопло.
Рис.10. Плоскостной эффект отражения от полости.
Многоплоскостное отражение от полости
представляет собой
одновременно происходящие плоскостные отражения в разных плоскостях и
встречается в основном на приосевых ракурсах. Оно может давать основной
вклад в отражение сопла. На рис.11 показано, что геометрия полости сопла 1
такова, что при лоцировании по оси сопла все лучи, отраженные в направлении
облучения, отражаются даже не доходя до турбины двигателя. Рис.12
показывает, что от многоплоскостного отражения полости можно избавиться
также, как от плоскостного – удлинением полости. Здесь эффект
многоплоскостного отражения от полости «стенки сопла-центральное тело»
отсутствует, но проявляется при отражении от продуваемой полости самого
центрального тела, которая по своей геометрии ближе к соплу 1.
Рис.11. Многоплоскостной эффект отражения от полости сопла 1.
Рис.12. Многоплоскостной эффект отражения полости сопла 2.
Объемное отражение от полости может встречаться при различных углах
лоцирования, отличных от осевого ракурса. Особенность эффекта состоит в
том, что вся картина отражений луча не лежит в одной плоскости, как в случаях
плоскостных отражений. На рис.13 показан пример объемного отражения
полости. С объемным отражением можно бороться изменением формы
проходного сечения сопла с кольцевой на гофрированную, либо установкой
продольных пластин, препятствующих огибающему прохождению лучей.
Рис.13. Объемный эффект отражения полости.
Биполостное отражение наблюдается в случае если центральное тело не
доходит до среза сопла (что соответствует геометрии сопла 1). На некоторых
ракурсах отдельные полости не являются уголковыми отражателями, но в
результате их сложного взаимовлияния действуют как уголковый отражатель.
Бороться с биполостным отражением можно изменяя протяженность
центрального (вынести его срез до среза сопла или дальше). Другой вариант –
экранирование полости центрального тела так, как показано на рис.13. В этом
случае продувка центрального тела осуществляется через отверстия диаметром
менее ¼ длины волны.
Рис.14. Биполостное отражение.
Рис.15. Вариант маскировки блестящей точки «тело».
Также при исследованиях было обнаружено, что осесимметричное сопло с
центральным телом
фокусирует рассеянное отражение от турбины в
параллельный пучок (рис.16).
Рис.16. Эффект фокусировки рассеянного излучения.
Качественный вывод о фокусирующих свойствах такого сопла
подтверждается также расчетами графиком на рис.17. На рис.17 приведено
сравнение ЭПР турбины сопел 1 и 2 с ЭПР идеального рассеивателя – сферы
(ЭПР сферы принята за единицу).
Изменение формы проходного сечения сопла на гофрированное должно
способствовать уменьшению эффекта фокусировки рассеянного излучения и
снижению РЛ-заметности сопла.
На основании полученных вкладов в заметность сопел были проведены
расчеты возможного снижения заметности при применении мероприятий по
маскировке блестящей точки «тело» (рис. 17,18). Маскировка этой блестящей
точки может быть выполнена следующими методами: методом, показанным на
рис.15, нанесением радиопоглощающего материала на внутреннее холодное
центральное тело, изменением геометрии внутреннего центрального тела.
Относительная ЭПР турбины
Относительная ЭПР
100
10
Сопло 1
Сопло 2
1
0
10
20
30
40
50
0,1
Угол лоцирования сопла, град.
Рис.17. Сравнение ЭПР турбины сопел 1 и 2.
60
Относительная ЭПР сопла 1 (моностатическая локация)
1000
Относительная ЭПР
100
Сопло 1 исходн.
10
Сопло 1 дораб.
1
0
10
20
30
40
50
60
0,1
Угол лоцирования сопла, град.
Рис.18. Влияние маскировки блестящей точки «тело» на ЭПР сопла 1.
Относительная ЭПР сопла 2 (моностатическая локация)
1000
Относительная ЭПР
100
Сопло 2 исходн.
10
Сопло 2 дораб.
1
0
10
20
30
40
50
60
0,1
Угол лоцирования сопла, град.
Рис.19. Влияние маскировки блестящей точки «тело» на ЭПР сопла 2.
Для сопла, имеющего геометрию сопла 2, при маскировке блестящей точки
«тело» возможно снижение ЭПР более чем в 10 раз на приосевых ракурсах.
Геометрия внутренней части центрального тела сопла 1, очевидно, изначально
более удачна и маскировка этой блестящей точки имеет меньший эффект.
Уменьшение угла между линией центрального тела и линией стенки сопла
(переход от сопла 1 к соплу 2) приводит к уменьшению вклада полости и
сдвигу блестящей точки «полость» в сторону боковых ракурсов. При этом на
приосевых ракурсах большее количество лучей достигает турбины, отражается
от неё и фокусируется соплом в направлении излучателя. Но, несмотря на рост
вклада турбины, суммарная ЭПР сопла 2 оказывается меньше ЭПР сопла 1 в
широком секторе углов.
Литература
1. Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. «Измерение характеристик рассеяния радиолокационных
целей», изд-во «Советское радио»,1972г.
Автор:
Митрофанов А.В.
ОАО «РСК «МиГ»,
125284, Москва,
1-й Боткинский пр-д.,7
Тел.: 155-28-10
E-mail: laninet@yandex.ru