5.2. Радиопоглощающие материалы (рпм) и конструкции (рпк) 54,55.

При современном развитии РЛС достаточно 5% отраженной энергии для обнаружения объекта на расстоянии в тысячи км. В радиолокации принято оценивать эффективную площадь рассеивания ЭМЭ радиодиапазона ЭПР, σ_ц объектов сложной формы в величинах площади, м², или децибелах (дБ), причем м², т.е. 0дБ = 1м² , а дальность обнаружения (рис.89). В конструкции самолета много узлов, замаскировать которые от РЛС сложно: антенны, воздухозаборники ГТД, выхлопные сопла, струи продуктов сгорания топлива.

Проблема УРЗ (технология stealth) решается комплексно и включает создание конструкций с оптимальной малоотражающей архитектурой (конформное вооружение, воздухозаборники с центральным полуконическим телом, искривленные каналы “утопленных” воздухозаборников и др.), применением радиопоглощающих материалов и покрытий (сотовые конструкции передних кромок крыльев В-2 с использованием магнитодиэлектриков, ферриты + полимеры, токопроводящих материалов, углеродные порошки, волокна + полимеры, аморфные и нанокристаллические металлы, порошки, волокна, фольга из них), применением радиотехнических, радиоэлектронных средств (конформные фазированные активные решетки, ФАР).

Многокомпонентность функциональных ПКМ, ВПКМ, ИПКМ позволяет использовать их в качестве конструкционных радиопоглощающих материалов.

Общая эффективность экранирования L любого замкнутого объекта определяется как

L = А + R +B, дБ , где:

А - потери, обусловленные поглощением электромагнитной энергии (ЭМЭ) экранирующих материалов;

R - потери, связанные с отражением энергии от поверхности;

В - потери из-за внутренних переотражений в материале.

R ~ f (Р_отр), где Р_отр - модуль энергетического коэффициента отражения от границы раздела двух сред:

и, если

при , где:

- комплексная диэлектрическая проницаемость;

- комплексная магнитная проницаемость;

Z₁ - полное волновое сопротивление среды, в которой находится материал;

Z₂ - полное волновое сопротивление поглощающего материала.

Для минимального отражения ЭМЭ необходимо, чтобы , т.е. ε = μ и Z₂ = Z₁

Требуемые для Р_отр,min волновые сопротивления Z₂ токопроводящих материалов , полупроводников и диэлектриков , где f - частота ЭМЭ, Гц; σ - проводимость материала, Ом^-1_·м^-1 достигаются целенаправленным подбором значений комплексных диэлектрической и магнитной проницаемости при разработке магнитно-диэлектрических и токопроводящих радиопоглощающих материалов.

Самолетные и ракетные конструкции из стекло(кварце)- и органо(кевларо) пластиков являются в принципе радиопрозрачными, их компоненты имеют низкие значения ε', ε'', и такие материалы обычно используются в качестве оболочек, оформляющих аэродинамический профиль ЛА. Находящиеся за аэродинамическим контуром оборудование имеет архитектуру с громадным количеством уголковых отражателей, что приводит к существенному увеличению РЗ и требует специальных мер их экранирования. Углепластиковые конструкции ЛА могут содержать токопроводящие и магнитодиэлектрические компоненты, позволяющие приблизить значения Z₂ к Z₁ (для сухого воздуха Z₁ = 377 Ом) за счет показателей μ', μ'', , σ, ρ_v.

Рис.89. Эффективная площадь рассеивания (ЭПР, σ_ц) «а», и дальность обнаружения «б» различных объектов 54,55.

Весьма сложным является уменьшение влияния двигателей на общую величину σ_ц самолета. Классическая конструкция воздухозаборников отрицательно сказывается на величине σ_ц, поскольку не исключает «прямой доступ» сигналов РЛС к первой ступени компрессора, представляющей собой, по сути дела, большой вращающийся диск. Для устранения такого явления используют искривленные воздухопроводы, внутри которых устанавливают перегородки и дефлекторы из конструкционных радиопоглощающих ПКМ, изменяют конструкцию первых ступеней компрессоров и вентиляторов двухконтурных ТРД (с изготовлением их из ПКМ), предусматривают определенные объемы для встроенных двигателей, их входных и выходных устройств. Наибольшее снижение σ_ц достигается при использовании искривленных (как на самолете В-1В) каналов утопленных воздухозаборников (впервые разработаны в 1940-х годах, но не нашли тогда широкого применения). Утопленные воздухозаборники однако не пригодны для сверхзвуковых скоростей полета. В большинстве новых проектов рассматривают полуконические воздухозаборники, имеющие хорошие высотно-скоростные характеристики, небольшую массу и экранирующие значительную часть излучения от двигателя.

Обычные плоские воздухозаборники, выполненные заподлицо с обшивкой крыла или фюзеляжа, не могут быть использованы на сверхзвуковом самолете. Вертикально-клиновые воздухозаборники, отличающиеся относительной конструктивной и технологической простотой, непригодны для самолетов Стелз (высокое значение σ_ц ).

Предпочтение отдается воздухозаборникам с центральным полуконическим телом, которые просты, эффективны и не пропускают излучение от РЛС к первой ступени компрессора. В ТВД F404 (для F-117 А «Стелс»), ТРД F-118 для В-2 «Стелс». ГТД для СУ-37 используют воздухозаборники с искривленными каналами, гондолы с отогнутыми вниз носками обечаек воздухозаборников, особые конструкции сопел, размещают двигатели внутри конструкции. Для уменьшения теплового излучения и возможности обнаружения в ИК-диапазоне воздухозаборники и сопла ГТД закрывают заглушками, когда самолет облучает РЛС или атакует ракета с ИК-системой наведения.

Кромки крыльев, большие плоскости крыльев и фюзеляж являются источниками сильного вторичного излучения и поэтому больше нуждаются в противорадиолокационной маскировке, чем другие части корпуса летательного аппарата. На фюзеляже, кроме того, может возникать блуждающая волна, которая усиливает эхо-сигнал. При измерениях эхо-сигналов от самолетов максимальное значение эффективной площади рассеяния, соответствующее боковой поверхности фюзеляжа, составляло несколько тысяч м².

Основные мероприятия по формированию слабоотражающего облика самолетов заключаются в экранировании двигателя; применении интегральных компоновок планера, фюзеляжного гребня (как на самолете SR-71) и наплывов в местах стыка крыла с фюзеляжем; уменьшении фронтальной и боковой проекции площади ЛА; применении внутрифюзеляжной или конформной подвески вооружения. Многим из перечисленных требований отвечают ЛА нетрадиционного облика, выполненные по аэродинамической схеме «летающее крыло» или с несущим корпусом. Рули и стабилизаторы на слабоотражающих ЛА должны отсутствовать или иметь минимальную площадь.

Снижение ЭПР может быть достигнуто за счет размещения двигателей внутри элементов конструкции самолета, плавного сопряжения крыла и фюзеляжа и максимально возможного уменьшения площади поперечного сечения летательного аппарата. Поскольку для встроенных двигателей, их входных и выходных устройств, а также для внутренней подвески оружия требуются определенные объемы, компоновка самолета «Стелс» должна предусматривать выделение дополнительных внутренних пространств в больших масштабах, чем у равного ему по размеру самолета, построенного по обычной схеме. Этот фактор, в также стремление ликвидировать вертикальное оперение подтолкнули конструкторов к выбору схемы летающее крыло в качестве наиболее вероятного варианта компоновки, так как при этом обеспечивается не только идеальное сопряжение крыла и фюзеляжа, но и максимальный размер полезного внутреннего объема. Такая компоновка позволяет уменьшать размеры вертикального оперения или даже вообще отказаться от его применения, хотя в этом случае безусловным требованием становится использование автоматизированной электродистанционной системы управления полётом.

На стадии испытаний использована система управления AFCS (Automatic Flight Control System) самолёта Х-29 фирмы Grumman, которая обеспечивает устойчивый полёт ЛА без вертикального оперения.

Достижение минимальных уровней скрытности сверхзвуковых ЛА затруднено вследствие их высокого ИК излучения в результате аэродинамического нагрева планера.

Одним из первых применений радиопоглощающих ПКМ было реализовано в конструкции обтекателя двигателя самолета F-111 (оболочки 3-х слойной конструкции- полиимидный кварцепластик, полиимидный стеклосотопласт, листы РПМ).

Благодаря применению РПМ материалов ЭПР самолета В-1 (рис.89) составляет 1/50 ЭПР самолета В-52, в конструкции которого ПКМ практически отсутствует.

В соответствии с программой Stealth в США производят самолеты «Стелс» F-117 А, В-2. На программу к 2002г. затрачено более 50 млрд. долларов.

Самолет Stealth Lockheed F-117 Nighthawk (с1982г., длина 16,76 м, размах крыла 10,67 м, взлетная масса 13600 кг) оснащен двумя бесфорсажными ТВД F404 тягой по 5670 кг·с (скорость до 2 Max). Поверхность крыла скруглена, вместо хвостового оперения - два небольших стабилизатора. Все линии F-117А - «рваные» с острыми кромками и он похож на приземистую ступенчатую пирамиду, фюзеляж почти полностью выполнен из РП-панелей черного цвета, стыкующихся под острыми углами с образованием неровных кромок (рис.90).

Рис.90. Истребитель-бомбардировщик Stealth Lockheed F-117 Nighthawk (англ.- ночной ястреб) фирмы Lockheed.

Формы F-117А – максимум того, что можно было сделать в 70-е годы 20 века, когда умели рассчитывать радиолокационные характеристики σ_ц только плоских поверхностей. В конструкции F-117А только 5% металлических элементов, а поверхности (из ПКМ) закрыты плоскими панелями РПМ RAM (широкодиапазонные РПП, наполнители углеродные и SiO_2, пенополиуретан.

Для постоянной корректировки полёта самолета с необычной конфигурацией используют мощный бортовой компьютер. Усредненная по ракурсу ЭПР находится в интервале 0,001-0,01 м².

Для В-2 отдельные элементы «Стелс» отрабатывались ещё на самолете-разведчике У-2. Сочетание высоких упругопрочностных и радиопоглощающих свойств модифицированных эпоксидных и полиимидных углепластиков позволило использовать их при изготовлении планера самолета Стелс В-2 с ЭПР около 0,01 м² (рис.91).

Различия во внешности F-117А и В-2 связаны с освоением автоматизированного проектирования и расчета криволинейных поверхностей с УРЗ в трехмерном пространстве на суперкомпьютерах. Все вооружение В-2 размещено внутри фюзеляжа. По бокам кабины экипажа расположены две двигательные гондолы с отогнутыми вниз носками обечаек воздухозаборников, что экранирует лопатки компрессоров от облучения РЛС.

Двигатели скрыты внутри конструкции, выхлопные струи охлаждаются и рассеиваются на выходе через узкие щели на верхней стороне крыла. Конструкции из полиимидных ПКМ (Т_раб. до 290⁰С) позволяют, спрятать турбины В-2 глубоко в фюзеляже и скрыть лопатки от РЛС. Передняя и задние кромки крыла, покрытые многослойными РПМ имеют сотовую конструкцию (6-ти угольные трубки длиной 80-100 мм заполнены РПМ, плотность которого повышается к заднему срезу ячейки). Сотовые (шахтные) РПК поглощают ЭМЭ до 12-20 дБ (99%) в диапозоне 2-18 ГГц.

Рис.91. ПКМ в конструкции самолёта В-2 [56]:

Фюзеляж из угле- и кевларопластиков: 1 – малеинимидные и полиимидные углепластики, 2 – эпоксидные (типа MY-720) угле- и кевларопластики. В высоконагруженных конструкциях титановыхй сплав. За счёт геометрической формы и радиопоглащающего покрытия радиолокационное сечение – 1 м² (у самолёта В-1В - 10м², В-12А - 100м²). 4 двигателя GE F188-GE100 с задним воздухозабором, с 2-мя выходными соплами над дельтавидными крыльями (модификация F-100 для F16).

Технология Stealth используется при разработке боевых беспилотных самолетов, беспилотных малогабаритных самолетов-разведчиков. Беспилотная авиационная техника разрабатывается в США, Канаде, Австралии, Великобритании, Франции, Германии, Швеции, Бельгии, Израиле, Иране, России.

В рамках программ создания боевых беспилотных самолетов (ББС) фирмой Боинг построен самолет ВОР (Bird of Prey, «хищная птица», испытания 1996-1999гт, двигатель ТРДД Dand W YT 15 D, тяга 1360т) без вертикального оперения, бесхвостый (длина 14,3м, высота 2,82м, ширина 6,91м, масса 3405кг). Конструкция планера изготовлена полностью из углепластика LTM-10 с использованием крупных панелей сложной конфигурации, обеспечивающими малую радиолокационную заметность. По результатам 38 полетов разработан беспилотный аппарат Х-45А.

Самолеты-разведчики RQ-3 «ДаркСтар», RQ-4A «Глоубал Хок» (США, полеты с 1996г), «Лоу Флайт» (США, дельтавидный, полеты с 1997г), «Сайфер-П» («Сикорский», дискообразный, испытания с июня 2001г), «СиМиКон» (Норвегия, дископлан, диаметр 4,5 метра, октябрь 2002г), «Шарк» (Швеция, СААБ Эйрспейс, длина 14м, испытания модели 2,5-2,1м, вес 50кг, с августа 2002г, на вооружении с 2010г, использование технологии Stealth), X-45A (США, Боинг), Х-47А (США, Нортроп-Грумман), «ПТИ ДЮК» (Франция, Дассо Авиасьон), «Гало» (Бритиш Эйрспейс, технология Stealth), «Предэйтор» (США) (рис.92).

Несмотря на малое значение σ_ц конструкций авиатехники, созданных с использованием технологии Stealth, они могут быть обнаружены (их навигация и наведение на цель осуществляется с использованием бортовых РЛС и излучающих электронных высотомеров) РЛС с фазированными решетками, формирующими излучаемые сигналы сложной структуры (прямоугольные импульсы).

С повышением длины волны излучаемого импульса методы технологии «Стелс» начинают утрачивать свою действенность, а обнаруживаемость летательных аппаратов соответственно возрастает. Перспективным методом, способным обеспечить достаточно высокую вероятность обнаружения «невидимых» самолетов, является использование бистатических РЛС, состоящих из разнесенных на большее расстояния друг от друга передатчика (наземного или космического базирования) и наземного приемного устройства. Дополнительным достоинством этого метода является то, что приемное устройство работает в пассивном режиме, то есть не излучает электромагнитную энергию, в связи с чем его координаты практически не могут быть определены бортовыми средствами бомбардировщиков, летящих в направлении объектов удара.

Пассивный радарный комплекс "Кольчуга"(не излучает радиосигналов и неуязвим для обычных антирадарных ракет) оснащен шестью различными типами антенн улавливающих радиосигнал в частотном диапазоне от сотен МГц до десятков.

Технология «Стелс» освоена в России. МИГ-21 (РПМ института теоретической и

прикладной электродинамики РАН) экспортируется и вероятность его обнаружения с работающей системой РЭП менее 1%. ЛА, в конструкциях обшивок которых используется конформные компоненты, обеспечивающие малую радиозаметность, проходят испытания.

1 2

3 4

5

6

7

Рис.92. Зарубежные беспилотные малогабаритные боевые самолеты-разведчики, использующие технологию Stealth (Popular Mechanics, 2005, №4)

1-ПТИ ДЮК, фирма “Дассо Авиасьон”;

2-Global Hawk (высотный, 20км, стратегический разведчик США, 20млн. USD);

3-“Shark”, фирма “SAAB Airspace”;

4-Bird of Prey, фирма “Boeing Fantom Workes”;

5-RQ-1 Predator (беспилотный разведчик США, 5км, 3млн. USD);

6-Х-45А, фирма “Boeing”, ВВС США, DARPA (1350 кг вооружения, с 2010г, 10-15млн. USD)

7- X-43A, NASA (гиперзвуковой высотный разведчик, М=9.8, 110 тыс. футов )

После организации производства самолетов Stealth Lockheed F-117 Nighthawk (с 1981), B-2 Spirit, работа направлена на создание самолетов, сочетающих скорость, маневренность, компьютерное обеспечение взаимодействия между многочисленными электронными устройствами, упрощающими управление самолетом, повышающие боевую эффективность, обеспечивающие УРЗ.

Достижения микроэлектроники, микромеханики, волоконной оптики, используемые при создании интеллектуальных материалов, предопределяют прогресс в области совершенствования материалов специального назначения, в том числе, радиопоглощающих и радиоэкранирующих.

Конформное размещение дополнительных компонентов в гетерофазные ВПКМ, не создаст непреодолимых затруднений (высокотемпературные технологии формования изделий из МКМ, ККМ и УКМ не позволяет внедрять в их объем сенсоры, микропроцессоры и т.д.). В ВПКМ сравнительно просто вводить сенсоры, процессоры, оптические волокна, актюаторы, компоненты обеспечивающие УРЗ.

До половины поверхности современного летательного аппарата может быть использовано не только для поглощения и рассеивания излучения РЛС, но и для размещения собственных антенн и датчиков, способных работать начиная с самых низких частот (несколько МГц) и кончая волнами оптического диапазона. Такая обшивка предназначена для применения как на космических аппаратах (в том числе, на воздушно-космическом NASP), так и на разведывательных самолетах, в частности, HALE (беспилотном, с большой продолжительностью полета).

Применительно к технологии СТЕЛЗ системы датчиков (сенсоры), исполнительных механизмов (актюаторы), и системы управления (микропроцессорная техника) обеспечивают диагностику внешнего электромагнитного излучения и адаптирование радиопоглощающих и радиоэкранирующих материалов, покрытий и конструкций, оптимизируют радиотехнические характеристики и параметры радиолокационной заметности.

ВПКМ с интегрированным электронным оборудованием (конформные датчики, волоконная оптика) – поколение материалов относящихся к ИПКМ «интеллектуальным», позволяющим создавать принципиально новые конструкции, оболочки (например, smart skin – «думающая оболочка»).

«Думающая оболочка» представляет собой совокупность различных электронных устройств и антенн, осуществляющих прием, переработку и передачу информации. Все они размещены непосредственно в самой обшивке, выполняемой из ВПКМ (играют роль нервных окончаний, имеющихся в коже человека, но волоконные «нервы» устойчивее природных к воздействию температур, механических повреждений, электромагнитного и лазерного излучения, поражающих факторов ядерного взрыва).

Обшивка с конформной электроникой обладает исключительно высокой надежностью при использовании термоустойчивых материалов и решении вопросов охлаждения устройств с большим тепловыделением.

С начала 80-х годов в рамках проекта «Форкаст-1» (США) были рассмотрены сотни перспективных разработок. Около 70 в 1985 году отобраны для дальнейшего совершенствования по проекту «Форкаст-2». В лаборатории астронавтики (база ВВС Эдвардс, штат Калифорния) и научно-исследовательском центре имени Лэнгли (НАСА) разрабатывают оболочки с конформной электроникой для космических аппаратов, для пилотируемых летательных аппаратов – в Научно-исследовательском центре имени братьев Райт (база ВВС Райт-Паттерсон, штат Огайо). К работе привлечены фирмы «Хьюз Эйркрафт», «Рокуэлл», «Вестингауз», «Локхид», «Боинг», «Макдоннел-Дуглас».

Самодиагностирующиеся и адаптирующиеся ИПКМ позволили перейти к производству авиатехники 5-ого поколения с высоким уровнем эксплуатационных характеристик (маневренность, весовое совершенство и надежность), с уменьшенной радиолокационной заметностью (УРЗ)

В конструкциях самолетов 5-ого поколения для самодиагнозирования и адаптации оболочек, наряду с конформными системами, анализирующими и корректирующими конструкционные свойства, используют системы, обеспечивающие УРЗ, что требует использования новейших достижений радиоэлектроники, (авионика для истребителей 5-ого поколения, корпорация «Технокомплекс», Россия). Бортовое радиоэлектронное оборудование включает системы навигации, управления полетом, оборудование для реализации специальных задач (например, на F/A-18 E Super Hornet используется многорежимная цифровая импульсно – доплеровская РЛС с режимом картографирования земной поверхности, обеспечивающая обход наземных препятствий, поиск и сопровождение целей). Бортовые датчики перехватывают и расшифровывают любые шумы, равные по интенсивности шуму мотора.

В радиопрозрачные антенные обтекатели ЛА, обеспечивающих работу антенно-фидерных устройств, защищающих их от воздействия скоростного потока и сохраняющих аэродинамику ЛА, вводятся металлические элементы для:

1. создания интегральной конструкции системы обтекатель – антенна и повышения механических свойств АО;

2. маскировки от следящих за ЛА РЛС;

3. уменьшения изменений фазовых сдвигов при прохождении радиоволн через диэлектрические стенки обтекателя (в ряде случаев обтекатели переднего обзора защищаются от ударных волн штангами приемника воздушного давления, штанга – направленный вторичный излучатель, излучаемые ею радиоволны интерферируют с излучением антенны, что ухудшает радиотехнические свойства).

Для оптимизации радиотехнических характеристик в конструкцию стенки обтекателя вводят элементы передающих линий, пластины с отверстиями, системы проволочных сеток (решеток). Многофункциональные РЛС самолетов, осуществляющие связь, навигацию, управление самолетом и оружием, опознавание, радиоэлектронную борьбу (РЭБ) со средствами радиоэлектронной разведки и с защитой от помех, повышают ЭПР, антенных устройств и всего ЛА, а РЛС, средства РЭБ постоянно совершенствуются. Так, типовой комплекс РЭБ (на примере F-15) состоит из системы предупреждения об облучении, бортовой системы создания радиопомех, устройства предупреждения о применении средств РЭБ с компьютерным управлением. Автоматизированный комплекс РЭБ истребителей 5-ого поколения включает станцию радиотехнической разведки, РЛС защиты задней полусферы, миллиметровый и лазерный приемники предупреждения об облучении, инфракрасный пеленгатор и др. с применением современной элементной базы, широким использованием микропроцессорной техники. В то же время РЛС эволюционизируют за счет использования твердотельных СВЧ - схем и микроминиатюризации (полупроводниковые модули на арсенид – галлиевых СВЧ интегральных схемах, например, РЛС «Cobra» с активной ФАР с 750 заменяемыми блоками) .

Для уменьшения ЭПР используют методы основанные на формировании рациональной архитектуры конструкции объекта; применяют радиопоглощающие материалы, покрытия и конструкции (передние кромки крыльев В-2-сотовые радиопоглощающие конструкции), методы, обеспечивающие управление рассеиванием радиоволн.

Сложность заключается в том, что средства снижения радиолокационной заметности (УРЗ) должны обеспечить комплексное снижение заметности от различных технических средств обнаружения: оптико-визуальных, оптико-электронных, радиолокационных, акустических, тепловых.

Использованием мало отражающей архитектуры ЛА, радиопоглощающих материалов, покрытий и конструкций, управления рассеянием радиоволн достигается оптимальная диаграмма обратного рассеяния (ДОР).

ЭПР антенн снижают:

1. применением частотно-селективных структур на зеркалах антенн в виде решеток вибраторов с различными нагрузками; поляризационно-селективных структур с управляемыми свойствами;

2. применением «ступенчатых» обтекателей;

3. использованием РЛС, работающих в непрерывном режиме с частотной модуляцией (сложно обнаружить средствами РЭБ);

4. уменьшением размеров антенн использованием устройств с синтезированной апертурой (при анализе ЭМИ обеспечивают высокую разрешающую способность);

5. встраиванием антенных решеток в несущие поверхности и обшивку фюзеляжа (отказ от надфюзеляжных конструкций, используемых в ДЛРО);

6. использованием фазированных антенных решеток.

Работы по созданию конформных антенных решеток начаты в начале 80-х годов 20-ого века (США, фирма Grumman, 1984г.) Конформная антенна обеспечивает получение большого раскрыва при умеренных размерах, что формирует более направленное излучение; дает возможность изменять форму луча электронным способом (формирование провалов в диаграмме направленности для борьбы с источниками помеховых сигналов). Для перекрытия воздушного пространства впереди самолета используются решетки на крыльях и хвостовом оперении, по обе стороны от самолета- решетки на боковых поверхностях фюзеляжа. В антенных решетках в качестве элементов используют антенны типа «волновой канал» с активным вибратором, отражателем и несколькими директорами, формирующими узкие лучи. Чтобы узкий луч отдельного антенного элемента не ограничивал общий сектор сканирования решетки, элементы размещают друг от друга на расстоянии, меньшем длины волны, что приводит к интерференции и ширина луча отдельного антенного элемента расширяется до (решетка с большим углом сканирования).

Крупные наземные РЛС с фазированными решетками типа «Пейв – Пос» (Туле, Гренландия), «Файлингдейлз» (Мур, Великобритания) обладают потенциалом (произведение средней излучаемой мощности в ваттах на площадь антенны в ) свыше 3000000 Вт/ .

Фазированные антенные решетки (ФАР) отличаются от обычных антенн составом элементов, конструкций и принципом действия с немеханическим принципом сканирования (основной принцип для вращающихся сферических и плоских антенн РЛС).

В ФАР формируемые лучи за счет изменения фазы сканируют в секторе по азимуту и за счет изменения частоты по углу места при интервале сканирования . ФАР – антенная решетка с управляемыми фазами или разностями фаз (фаза колебаний – состояние колебательного процесса в определенный момент времени), фазовыми сдвигами волн, излучаемых (или принятых) ее элементами. Фазирование позволяет формировать необходимую диаграмму направленности (диаграмма направленности антенны – графическое изображение зависимости мощности, излучаемой передающей антенной или ЭДС токов, наводимых в приемной антенне, от направления), управлять ее положением и формой.

Электромеханические компоненты (реле, переключатели, фильтры, конденсаторы переменной емкости и др.), требующие перемещений, вращений, колебаний и электронные компоненты (индуктивности, транзисторы, резисторы), не требующие механически подвижных элементов, при одновременном применении технологий производства микроэлектромеханических (МЭМЕ) и полупроводниковых приборов, размещаются на одной подложке. МЭМЕ позволяет создавать активные емкости, индуктивности, резисторы, использовать микропереключатели и микрореле (МЭМтроник- устройства).

Радиочастотные микропереключатели (превосходят транзисторы, имеют большую полосу частот и малые вносимые потери) применяются в активных ФАР при производстве фазовращателей приемно-передающих устройств.

В «интеллектуальных» оболочках конструкций самолетов 5-ого поколения с УРЗ, кроме системы сенсоров, актюаторов, оптических волокон, обеспечивающих самодиагнозирование и адаптирование конструкционных ИПКМ, размещена конформно система сенсоров, актюаторов, средств передачи информации, микропроцессоров, многофункциональная информационная система с фазированными антенными решетками.

Сенсорами в «интеллектуальных» радиопоглощающих ВПКМ являются:

1) активные СВЧ – датчики, формирующие электрические поля и регистрирующие изменения электрического поля (величины, частоты, амплитуды поглощенного и отраженного сигнала);

2) емкостные системы датчиков, фиксирующие изменение магнитных и электрических свойств;

3) активные индуктивные системы датчиков, зондирующих электромагнитное поле, настраивающихся на определенный радиочастотный, электромагнитный, акустомагнитный параметр;

4) датчики слабых магнитных полей ( магнито – оптические компоненты).

Электромагнитные и электростатические актюаторы изменяют или удерживают требуемое расположение шарнирно встроенных элементов. Покрытия из полимерных капсюлированных гелей на основе электроактивных полимеров позволяют регулировать рельеф поверхности, обеспечивая диффузное отражение ЭМИ.

Интеллектуальные оболочки с конформными многофункциональными информационными системами с фазированными антенными решетками обеспечивают программируемое изменение характеристик отраженных радиолокационных сигналов и снижение до 0,04 и более.

Системы радиопоглощения в истребителях 5-ого поколения будут иметь общую антенную систему (три – четыре конформные активные фазированные решетки) и вычислительный комплекс, состоящий из нескольких конформных микропроцессоров, способных заменять друг друга.

Аналогичные системы за счет использования широкополосных и сверхширокополосных излучаемых сигналов и широкоугольных синтезированных апертур позволят выстраивать высококачественные радиолокационные изображения с размерами элементов разрешения по наклонной дальности и азимуту с предельно достижимыми размерами (0,5 и 0,25 длины волны, радиоэлектронная разведка, возможность получения трехмерного изображения неподвижных и движущихся объектов).

Разработка истребителей 5-ого поколения связана с использованием ИМ, обеспечивающих не только повышение надежности и долговечности, но и дальнейшее развитие технологии «Stealth»

Самодиагностирующиеся и адаптирующиеся ИПКМ позволяют перейти к производству авиатехники 5-ого поколения с высоким уровнем эксплуатационных характеристик (маневренность, весовое совершенство, надежность, радиопоглощение, УРЗ): ЛАВИ ( фирма IAI, Израиль); Рафаэль (из эпоксидных угле- и кевларопластиков передняя часть фюзеляжа, большая часть конструкции крыльев, панели длиной 30м, 35% масс.ВПКМ в конструкции фирмы Дассо-Берге, Франция); JAS-39 (обшивки и сегменты крыльев мм с лонжеронами, эпоксидные углепластики структуры фирмы Saad-Scania, SAAB, Швеция); EAP (85% масс.ВПКМ в конструкции, фирма BAе, Великобритания); EFA (Англия, ФРГ, Италия, Испания, с 1997г - NEFMA, ранее «Еврофайтер»); F-35 Joint Strike Fighter (США); Lockheed Martin F/A-22 Raptor (США); проект 1.44 (МИГ, Россия); летающая лаборатория СУ-47 «Беркут»(триплан-тандем с крыльями обратной стреловидности, слоистые толстостенные панели крыльев и киля из ВПКМ; двигатели АЛ-31ФН с искривленными каналами воздухозаборников, всеракурсные поворотные сопла, ); переходные к 5-му поколению СУ-30 МКИ (аналог F-18), СУ-34, СУ-27 СКМ (лучше F-16 и Мираж 2005), СУ-30 МК, СУ-35 (глубокая модернизация СУ-27). Эти самолеты приходят на смену истребителям 4-го поколения: F-15, F-16 (США), МИГ-29, СУ-27 (Россия) (рис. 93).

Рис.93. Самолет 5-го поколения “Рафаль” (1, отмечены конструкции из ВПКМ и ИПКМ) и переходные к 5-ому поколению истребители СУ-30 МКИ (2), СУ-27 СКМ (3, прототип СУ-35), СУ-30 МК (4).

Самолеты конструируют на дисплеях трехмерных компьютеров с демонстрацией в объемном изображении всех стадий сборки (отказ от полномасштабных моделей), которые воспроизводят до 4 млн. возможных ситуаций в электромеханических и электронных системах. В самолетах 5-ого поколения с высоким интеллектуальным потенциалом бортовых компьютеров «органов чувств» будет на несколько порядков больше, что обеспечит полное адаптирование к изменяющимся внешним воздействиям. Для них разрабатываются радиоэлектронные системы с цифровыми электродистанционными системами управления, ЭДСУ, с применением микропроцессоров, электромеханических силовых приводов (усовершенствованные системы приводов без гидронасосов и трубопроводов), высоковольтные системы энергоснабжения, электроприводы с использованием самарий-кобальтовых магнитных материалов, лазерные гироскопы, электромеханические приборы со стрелками заменяются на дисплей (рис.95).

В СУ-27 СКМ информация об окружающей обстановке поступает от 150 антенн и датчиков, размещенных по всему фюзеляжу (переход к 5-ому поколению), используются электронные принципы навигационного и радиолокационного бомбометания с использованием микропроцессоров. РЛС «ведет» воздушные и наземные движущиеся цели. Три жидкокристаллических индикатора (дисплея) получают всю полетную и боевую информацию (резерв-аналоговые стрелочные приборы). В СУ-35 (наиболее близок к самолетам 5-ого поколения) два больших дисплея фиксируют информацию, а самая важная информация передается на лобовое стекло шлема пилота (информация переводится в зрительные образы). МИГ-29 снабжен бортовой активной системой безопасности полетов. Самолеты СУ-27 М, СУ-47, СУ-35 имеют низкий уровень РЛЗ благодаря «интеллектуальным» обшивкам.

В США разработаны самолеты пятого поколения – одномоторный СВВП F-35 В (на смену AV-8 B «Харриер»II, Боинг F/A-18), с обычным взлетом F-35 C (с оптимальными углами стреловидности крыла и оперения, радиопоглощающими покрытиями плоскостей и фюзеляжа, рис.94) и F/A-22 Raptor, по замыслу конструкторов – самый передовой на начало 21 века самолет в мире (рис.95).

Рис. 94. Самолет вертикального взлета и посадки (ВВП) 5-го поколения F-35 Joint Strike Fighter (США).

Истребитель Lockheed Martin F/A-22 Raptor разрабатывается с 1997г. (рис.95) на смену F-15 Eagle на заводе фирмы в штате Джорджия (США), скорость 1,6 Мах, мощность двигателей с поворотными соплами без форсажных камер выше, чем у F-15, вооружение конформное, информация на дисплеях, мощная компьютерная программа – 2 млн. строк программного кода, у Saturn V 1967г. – 16000 строк, контракт на 100 млрд. долларов, выпуск 648 истребителей, полеты с 2003г., на 2004г. заказ на 339 машин, в эксплуатации с 2005г.).

ИПКМ перспективны для дальнейшего совершенствования ЛА. Улучшение аэродинамических характеристик ЛА связывают с использованием (в перспективе к 2030 г.) аэроупругих крыльев (проект AAW, Active Aeroelastiс Wing, активное аэроупругое крыло). Программа AAW направлена на создание прототипов самолётов различного назначения: истребителей, бомбардировщиков, пилотируемых и безпилотных. Традиционные элементы управления (закрылки, элероны) являются основными мощными отражателями радиоволн. В момент отклонения разделённых закрылков при управлении полётом В-2 резко возрастает его ЭПР и он становится видимым на экранах РЛС.

Гибкое крыло создаёт изменение по крену и большую площадь поверхности, отклоняющей воздушный поток, чем обычные элероны. Крылья AAW имеют меньше подвижных устройств, тоньше и легче обычных, что кроме улучшения аэродинамических характеристик увеличивает дальность полёта, полезную нагрузку, уменьшает расход топлива, снижение массы дозвуковых ЛА на 7-10%, сверхзвуковых – на 18%. За счёт передачи крылу функций хвостового оперения самолёта уменьшается аэродинамическое сопротивление и отражение радиоволн.

Аэроактивное крыло – конструкция, изменяющая свою форму в зависимости от условий полёта, является следующим шагом после реализации идеи трансформируемых крыльев (беспилотный ЛА со складывающимися крыльями фирмы Lockheed, крылатая ракета Tomahawk с телескопическими крыльями фирмы Raytheon, радиоуправляемый ЛА Firebee фирмы NextGen Aeronautic). Для AAW – крыльев (изменение геометрии крыла, рост отношения квадрата длины крыла к его площади на 200%, для регулирования крена и повышения подъемной силы; увеличение поверхности крыла на 50%, стреловидности - на 20%, крутки крыла на 5%) нужны конструкции, структура которых обеспечивает устойчивость к нагрузкам, оболочки, способные изменять свою форму на основе ИПКМ, сплавов, способных под воздействием температуры и(или) электромагнитного поля (кобальто–самариевые полимерные магниты) менять свои свойства, оболочки с пьезоэлектрическими элементами, способные воспринимать нагрузки и адаптироваться к ним. Самолет F/A – 18 А с активным аэроэластичным крылом впервые поднялся в воздух в ноябре 2002 г.

Рис. 95. Истребитель Lockheed Martin F/A-22 Raptor (1) и панель приборов (2) в кабине пилотов.