книги из ГПНТБ / Радиотехнические системы в ракетной технике

Геометрические параметры дипольной логопериодической ре­ шетки, схема которой показана на рис. 5.32, связаны соотноше­ ниями

где Ln— длина n-го дипольного элемента;

Rn— расстояние элемента до вершины конуса.

Размеры решетки определяются половинным углом при ее вершине а.

Рис. 5.32. Схема простой дипольной логопериодической антен­ ной решетки на проводящем конусе

Теоретически наличие проводящего конуса не должно нару­ шать соотношения логопериодичности. При относительно малых углах р резонансные характеристики каждого диполя будут изме­ няться в том же соотношении [5.59], и, таким образом, сохра­ нится общая частотная независимость решетки. При больших р излучающие свойства каждого дипольного элемента будут изме­ няться и, по-видимому, ухудшаться в той же пропорции, так что в результате сохранится частотно-независимый режим при не­ сколько ухудшенных характеристиках излучения. Предельный ва­ риант такой структуры будет соответствовать случаю а = (3. Для уменьшения поляризационной избирательности может использо­ ваться сложная решетка, дипольные элементы которой ортого­ нальны друг другу. Экспериментальный образец антенной решет­ ки с контейнером (оболочкой) представлен на рис. 5.33. Диполь­ ные элементы выполнены из алюминиевых стержней толщиной 3,2 мм и длиной от 53,3 до 129,5 см. Каждый дипольный элемент складывается таким образом, что после того, как будет одета обо­ лочка контейнера, все восемь элементов каждой половины решет­ ки укладываются в продольный канал длиной 76,2 см с попереч­

200

ным сечением 3,8X3,8 см. Оболочки каналов помещаются заподлицо к конической поверхности. Таким образом, все элементы ре­ шетки убираются в четыре отдельных канала и могут быть раз­ вернуты независимо друг от друга. Вследствие того что стальные изогнутые секции стремятся «развернуться», для перевода всей структуры из сложенного положения в развернутое достаточно

Рис. 5.33. Крестообразная пассивная логопериодическая дипольная антенная решетка:

авид в развернутом состоянии; 6 — контейнер для антенной решетки

«открыть» оболочку каждого канала. Механизм отпирания обыч­ но помещается у вершины конуса. Для одновременного отпира­ ния механизмов всех четырех каналов используется пиротехниче­ ский заряд.

Некоторые параметры опытного образца антенной логопериодической решетки

внеатмосферном участке полета, выполняются, как правило, в ви­ де баллонов (пустотелых или с сотовым заполнением) из металли­ зированной майларовой пленки толщиной 1,27 мкм. Сотовая структура используется, с одной стороны, для придания сложным целям геометрической формы головной части, с другой — для уменьшения вероятности разрыва оболочки при ее наполнении от газового аккумулятора давления.

Контейнеры с ЛЦ с борта МБР (или ГЧ) выбрасываются в специальных многотрубных направляющих устройствах. В каче­

201

стве движителя используется либо энергия газового аккумулято­ ра давления, либо пороховые двигатели малой тяги.

Многотрубные пусковые направляющие подразделяются на два типа:

—устройства одновременного запуска контейнеров;

—устройства последовательного запуска большого числа пар контейнеров.

Одно из направляющих устройств первого типа содержит шесть радиально расположенных односекционных труб, в кото­ рых находятся контейнеры с ЛЦ, удерживаемые поршневыми стопорными замками. По команде от программного механизма поджигается пиротехнический аккумулятор давления, стопорные замки раскрываются и контейнер с ЛЦ давлением газов выбрасы­ вается в космическое пространство. Различие в скоростях выбро­ са контейнеров достигается варьированием их веса и давления срабатывания стопорных замков.

Устройство последовательного запуска представляет собой набор сквозных труб, с обоих концов которых одновременно с одинаковой скоростью выбрасываются два контейнера с ЛЦ. Ин­ тервалы времени между выбросами регулируются, число пар од­ новременно отделяемых контейнеров определяется тактической си­ туацией. Пусковые устройства в отсеки средств РПД монтируются на заводе-изготовителе. Отсеки со средствами преодоления уста­ навливаются на ракету непосредственно на стартовых позициях.

Основные характеристики некоторых ПРД, используемых в США для выброса контейнеров ложных целей с борта МБР, пред­ ставлены в табл. 5.4.

Т а б л и ц а 5.4

5.11. Селекция головной части по интенсивности плазмообразований

Помимо селекции по баллистическому коэффициенту, голов­ ную часть во время полета в атмосфере можно распознать и по другим характерным признакам. В частности, может быть исполь­

202

зован эффект ионизации. Дело в том, что на участке атмосферно­ го спуска любая баллистическая цель окружена плазменной обо­ лочкой — ионизированным газом, содержащим некоторое количе­ ство электронов и положительных ионов.

В результате сжатия воздуха в процессе торможения цели воз­ никает головная ударная волна (рис. 5.34), фронт которой харак­ теризуется резким возрастанием температуры и давления. В удар­ ном слое воздух сильно нагревается, в результате происходит

Голодная ударная Волна

Сжатый, слой Радиус

затупления

Rn

в=0, ---

Отход

ударной

волны Л в

Рис. 5.34. Схема аэродинамических потоков около ГЧ при входе в атмосферу

тепловая (ударная) ионизация. Молекулы воздуха начинают из­ лучать энергию в видимой части спектра. Интенсивность иониза­ ции зависит от концентрации газов, скорости движения тела, его конфигурации, угла входа в плотные слои атмосферы.

Основными характеристиками плазмы являются: частота со­ ударений v свободных электронов с другими частицами и плаз­ менная частота объема газа

ства.

На практике вместо выражения [5.60] обычно используют бо­ лее простую формулу fp = 8984N^a гц.

203

Затухание СВЧ-энергии зависит от соотношения величин плаз­ менной частоты и частоты облучающей РЛС fr. При v<fr< fp плазма ведет себя как проводник, в результате чего ЭПР полно­ стью определяется взаимодействием электромагнитных волн с об­ разовавшейся плазменной оболочкой. При облучении цели под малыми ракурсами ее ЭПР характеризуется в основном от­

сгиперзвуковой скоростью;

—изменения ЭПР при наличии процессов абляции носовых

конусов;

— турбулентности в следе за объектом и в пограничных слоях;

— затухание радиоволн в плазме и т. п.

Измерения ЭПР окруженных плазмой моделей под различны­ ми ракурсами проводились в мощной ударной аэродинамической трубе, оснащенной специальной безэховой секцией (диаметр 1,2 м, длина 3 м; коэффициент отражения менее —20 дб в диапазоне ча­ стот 1,0—10 Ггц). В качестве измерителя использовался специ­ альный импульсный радиолокатор (несущая частота 9,2 Ггц, мощность в импульсе 1 вт, частота повторения 2 Мгц, длитель­ ность 1 нсек по уровню —3 дб или 2,2 нсек по уровню —50 дб, ширина диаграммы направленности 10°, чувствительность прием­

* В отличие от селекции по баллистическому коэффициенту этот вид селек­ ции назван зарубежными специалистами «селекцией по массе».

204

ника 106 дб • вт при отношении сигнал/шум 10, динамический диа­ пазон 45 дб).

Эффективная маскировка головной части МБР во время вхож­ дения в плотные слои атмосферы может быть достигнута приме­ нением ложных боеголовок, обладающих такой же формой и мас­ сой, как и головная часть, с той же скоростью входа в плотные слои атмосферы и, следовательно, одной высотой начала интен­ сивного плазмообразования. Основной недостаток этого метода заключается в том, что из-за большого веса ложной цели приме­ нение ее либо невозможно, либо в лучшем случае можно приме­ нять ограниченное число ложных целей.

Уменьшение ионизированной оболочки и плазменного следа достигается подбором геометрической формы объекта, а также специальных абляционных материалов. Так, для головных частей, имеющих форму удлиненного конуса с закругленным основанием (рис. 4.42), характерно создание менее интенсивной плазменной оболочки. Закругленная часть основания конуса способствует по­ давлению сильно ионизированной турбулентной части плазменно­ го следа. Примером головной части такого типа может служить ГЧ, использовавшаяся при запуске трехступенчатой ракеты «Скаут» (длина ГЧ 3,9 м, масса 262 кг, оболочка корпуса выпол­ нена из бериллия, вершина конуса — из графита).

5.12. Отражение радиоволн от плазменного следа

Плазменный след образуется в спутной струе тела, входящего с гиперзвуковой скоростью в земную атмосферу. На больших вы­ сотах спутная струя носит ламинарный характер, по мере сниже­ ния высоты она становится турбулентной. Областью перехода от ламинарного режима к турбулентному обычно пренебрегают. При появлении плазменного следа эффективная отражающая поверх­ ность тела резко повышается от значения, соответствующего ЭПР объекта, до значения, соответствующего ЭПР спутной струи.

Как указывалось в предыдущем разделе, при fp> fr ионизиро­ ванный объем газа считается сверхкритическим и отражение ра­ диоволн определяется в основном поверхностью данного объема. При fp<fr среда является докритической и происходит объемное рассеяние энергии. Теоретические методы анализа отражения и рассеяния энергии сверхкритическим и докритическим ламинар­ ным, переходным или турбулентным следом пока еще находятся в стадии разработки.

Для плазменного следа характерны сравнительно низкие тем­ пературы и большая протяженность. Некоторые участки следа можно исключить из рассмотрения. Например, в невязкой части следа за тонкими конусами (с углом при вершине менее 25°) тем­ пература слишком низка для образования электронов в достаточ­ но большой концентрации, чтобы это имело практическое значе­ ние. Параметры ламинарного вязкого ядра незначительно отлича­ ются от параметров невязкого следа. Таким образом, необходимо

205

описать только невязкий след за сравнительно сильно затуплен­ ными объектами и турбулентный след как за затупленным, так и

за острыми телами.

Рассмотрим ламинарные невязкие и сверхкритические турбу­

лентные следы.

При совмещенной приемно-передающей антенне радиолокато­ ра, находящегося на расстоянии R до длинного ламинарного иони­ зированного столба газа, первая зона Френеля Fj имеет длину

F1= (2XrR)‘'*.

Эта зона определяет рассеяние падающей энергии. Если 1/4Хг^>2у (2 у — поперечный размер столба), то соответствующая ЭПР плаз­ менной среды

вязком следе показаны на рис. 5.36, концентрации электронов в ближнем и дальнем следе в зависимости от скорости набегающе­ го потока и расстояния вдоль оси следа (от начала дальнего сле­ да) приведены на рис. 5.37.

Распределение электронов в ламинарном или сверхкритиче­ ском турбулентном следе можно считать близким к прямоуголь­ ному, поэтому ЭПР при направлении падающего излучения по нормали будет определяться соотношениями [5.61] и [5.62]. На

* ity2 — площадь поперечного сечения ионизированного столба газа.

206

энергию отраженного сигнала влияют радиальные градиенты кон­

центрации электронов. Если Ne быстро изменяется на расстоянии, сравнимом с длиной волны, то соотношения [5.61] и [5.62] приме­

нимы по-прежнему, но если градиенты Ne малы, что, вероятно, имеет место в дальнем следе, когда происходит диффузия, то энергия отраженного излучения мала.

IgNe

■------- ■103-расстояние Вдоль оси следа от начала дальнего следа,

т :'

Рис. 5.36. Линии постоянной (равновесной) концентрации электронов в невязком дальнем следе

Для турбулентного следа с умеренной шероховатостью поверх­ ности важную роль играют обе составляющие энергии излучения, направленного по нормали к оси плазменного следа. При углах

13

207

шероховатых границ сверхкритическнх турбулентных следов не очень сильно зависят от частоты облучающей РЛС.

Для исследования докритических турбулентных следов необ­ ходимо аналитическое описание турбулентных, или пульсационных, свойств следа. Точное описание этих свойств функционально

где Да — приращение ЭПР на единицу длины следа *; ро — плотность среды на уровне моря; к — коэффициент пропорциональности.

Справедливость этой формулы подтверждается экспери­

Для других условий при использовании теории локально изо­

208

эффициента) от угла и скорости входа затупленного тела в атмо­

Полет ракет в атмосфере сопровождается интенсивным обра­ зованием плазмы как при запуске ракет, так и при входе в атмо­

Он смещен по частоте Дрпплера относительно эхо-сигнала от кор­ пуса ракеты и перекрывает значительный участок спектра. Эхосигнал, по-видимому, отражается от большого числа рассеиваю­ щих частиц, движущихся со скоростями, отличающимися от ско­ рости ракеты примерно на 3 км/сек. Разность этих скоростей опре­ деляет спектр допплеровских частот. Предполагается, что при по­ лете на начальном участке траектории отраженный допплеров­ ский сигнал является результатом рассеяния плоской электромаг­ нитной волны частично коррелированными ионизированными тур­ булентностями выхлопа ракеты.

Качественная картина допплеровского спектра отражений представлена на рис. 5.40.

По мере возрастания скорости ракеты допплеровские частоты отраженных сигналов все больше смещаются в сторону более низ­ ких частот (относительно несущей).

Наблюдения показали, что влияние ионизации струи истекаю­ щих газов становится более заметным при понижении несущей частоты радиолокатора. Отраженный сигнал на коротких