В полете самолет электризуется. Анализ вызванного электризацией радиоизлучения позволяет обнаружить "невидимый" самолет на любой высоте. Электризационное же радиоизлучение наземных источников, таких как ЛЭП, может служить дополнительным надежным ориентиром.
Рис. 1. В отличие от обычных – активных – локаторов, системы пассивной локации не посылают сигнал в сторону цели. Они анализируют электромагнитный шум, который из-за электризации неизбежно возникает при движении металлического летательного аппарата. У каждого типа самолетов, вертолетов и т.п. это спектр этого шума уникален
На протяжении почти всей истории развития авиации осуществлялась борьба с электризацией летательных аппаратов (ЛА) в полете как источника помех радиосвязи и других нежелательных явлений. Однако пока удалось лишь ограничить статическую электризацию и помехи в каналах радиосвязи.
С увеличением скорости полета мощность процессов электризации растет (для современных тяжелых самолетов она может достигать 10 кВт и более), в полете возникают также шумовые изменения электростатического потенциала за счет коронных разрядов на кромках аэродинамических поверхностей и в других точках ЛА. Все это чрезвычайно затрудняет борьбу с электростатическим потенциалом.
Электризация самолета не позволяет его спрятать
Как правило, борьба с шумящими помехами сосредоточена на самом корпусе ЛА, где возникают коронные разряды. Однако представляет существенный интерес и изучение спектра шумового радиоизлучения вне корпуса — в ближней и дальней зоне ЛА.
Этот спектр резко отличается от спектра токов коронных разрядов и имеет характерный для каждого вида ЛА ряд максимумов. Любая коронирующая точка является лишь шумовым возбудителем сложной резонансной "антенной системы", которой служит сам металлический ЛА (или его металлический каркас). Эта "антенная система" имеет множество собственных электромагнитных "тонов", которые и определяют спектр радиоизлучения.
Детальный анализ этого спектра требует сложных численных расчетов. Однако уже грубая оценка в рамках простейшей "стержневой" модели (см. расчет и рисунок 1) указывает, во-первых, на линейчатый спектр электризационного радиоизлучения (набор характерных максимумов) и, во-вторых, на возможность обнаружения воздушного объекта по электризационному "зеркальному" радиоизлучению. Возможность обнаружения и сопровождения воздушных объектов по зеркальному радиоизлучению на больших дальностях вне прямой видимости, на любых высотах — от стратосферы до предельно малых,— даже в горных ущельях, уникальна. Причем одновременно определяется и геометрическая высота цели.
Исследование спектра шумового радиоизлучения корпуса самолета может иметь самые прямые практические применения
Электризационные радиоизлучения наземных объектов
Многие наземные объекты служат источниками сильного шумового радиоизлучения коронного и другого происхождения. Прежде всего следует сказать о коронных разрядах ЛЭП, настолько мощных, что они учитываются как один из видов потерь при проектировании ЛЭП. Однако изученность спектров шумов ЛЭП, зависимости их от метеоусловий и других факторов нельзя признать достаточной.
Коронирующие ЛЭП могут служить линейными ориентирами при навигации ЛА, оснащенных пассивными бортовыми комплексами, использующими радиоизлучение (ПБКР). В то же время шумы ЛЭП могут затруднять обнаружение и распознавание воздушных и наземных подвижных объектов. Аналогичная ситуация имеет место для электрифицированных железных дорог, троллейбусных и трамвайных линий, а также точечных и площадных радиошумовых ориентиров: подстанций, электростанций, заводов, населенных пунктов, громоотводов в грозу и др.
Поэтому режим картографирования радиошумового поля должен быть одним из основных для ПБКР. Цифровые карты радиошумового поля обеспечат как навигацию по этому новому навигационному полю, так и ослабление влияния мешающего фона при опознавании радиоизлучающих объектов.
Это относится и к радиошумовому полю природного происхождения. Последнее создается в грозовую погоду коронными разрядами и нестационарно даже в большей степени, чем техногенное радиошумовое поле.
Конечно, цифровое картографирование нестационарного радиошумового поля представляет определенные трудности. Однако частотная стратификация (выделение частот, на которых радиошумовое поле обладает наибольшей стабильностью или предсказуемостью) позволит решить эту проблему.
Функциональное радиоизлучение наземных и воздушных объектов
Наряду с рассмотренным шумовым радиоизлучением наземные и бортовые пассивные системы обзора могут использовать сигналы радиосвязного, радионавигационного оборудования, а также радиоизлучение бортовой электроники и систем зажигания двигателей.
В обычных станциях радиоразведки эти сигналы используются для распознавания и пеленгации целей. В рассматриваемых комплексах они также могут использоваться для распознавания. Что касается определения координат и сопровождения целей, то интерферометрическое определение разностей дальностей до излучающей точки в сочетании с соответствующим цифровым алгоритмическим обеспечением позволяют решать задачи значительно точнее и быстрее, чем в традиционных радиопеленгационных станциях.
Исследования электродинамических тонов самолетов в ангаре
Ангарные эксперименты по определению спектра собственных электродинамических тонов самолетов проводились по методике, разработанной академиком Александром Красовским (см. Красовский А.А. Пассивная макроволновая радиолокация, мониторинг, навигация и резервное управление воздушным движением. Математическая и прикладная теория. Избранные труды. М.: "Наука", 2002). Согласно этой методике, корпус самолета возбуждается вынужденными электромагнитными колебаниями от генератора стандартных сигналов, а электромагнитное излучение принимается антенной в ближней зоне вокруг самолета. Электромагнитный фон ангара составил 5-50 мкВ в исследуемом диапазоне частот.
При рассмотрении конструкции ЛА как сложной электродинамической системы учитываются лишь нечетные тона полуволнового вибратора. Так, у самолета "Су-24" частоты, соответствующие нечетным тонам, согласно с его геометрическими размерами, равны приблизительно (9, 15, 21, 27...) МГц для фюзеляжа и (24, 40...) МГц для крыла. У самолета "Су-27" соответственно (10, 17, 24, 31...) МГц для фюзеляжа и 30,6 МГц для одной консоли крыла.
При проведении эксперимента выполнялись измерения амплитуды электродвижущей силы, наведенной в антенне электромагнитным излучением возбуждаемого самолета, в диапазоне частот 7-30 МГц вокруг ЛА в сфере радиусом 10 метров. Полученные результаты зависимости напряжения U от частоты f генерируемого электромагнитного излучения приведены на рисунке 2 для различных ракурсов наблюдений. Из графиков видно, что амплитуды сигналов на частотах, соответствующих электродинамическим тонам самолета, существенно (до 2 тыс. мкВ и более) превышают электромагнитный фон ангара (5-50 мкВ) в исследуемом диапазоне частот. Полученное семейство амплитудно-частотных характеристик электродинамических тонов самолета "Су-24" позволило построить приближенную диаграмму направленности электромагнитного излучения нечетных тонов ЛА.
Исследования электромагнитных полей от линий электропередачи и самолетов на глиссаде крупного аэропорта
На основе теоретических посылок был создан макет датчика-анализатора спектральных характеристик электризационных излучений подвижных и стационарных объектов. Местом проведения исследований коронирующих излучений самолетов были приняты глиссады аэродромов. Здесь известны номинальные параметры полета самолетов — высота и скорость прохождения радиомаяков и других ориентиров, расстояния между ориентирами, возможность визуального наблюдения за полетом.
Все это позволяет получить характерные спектральные характеристики электризационных излучений разных типов самолетов на этапах взлет--посадка. Еще один важный результат - спектр излучения линий электропередачи (получен для линии на 750 кВ). Он, в частности, указывает на однозначную связь частоты излучения с высотой подвеса проводов. Зафиксировано также излучение на частотах 94-98 МГц, являющееся следствием разряда между проводами и опорами ЛЭП.
Рис. 2. Шумящий металлический шар излучает во все стороны одинаково. Сложная форма самолета приводит к сложному распределению электромагнитного шума по направлениям. Это распределение тоже уникально для каждого типа самолетов
Возможные применения
Исследование информационных свойств электризационных излучений потенциально делает возможным:
• создание пассивных радиовысотомеров,
• создание систем межсамолетной навигации,
• создание систем предупреждения столкновений с ЛЭП,
• дальнее загоризонтное обнаружение объектов даже в маловысотном полете в пересеченной и горной местности,
• определение координат, в том числе высоты полета самолетов, вертолетов, ракет по несущей длине волны зеркально-дипольного излучения,
• определение числа объектов даже в плотных боевых порядках на большом расстоянии,
• одновременное круговое наблюдение и сопровождение большого числа объектов.
Технология "Стелс" в этом случае станет неэффективной.
Модельный расчет спектра электризационного радиоизлучения
Для грубой оценки параметров излучения рассмотрим "стержневую" электродинамическую модель тяжелого самолета. В такой модели крыло, фюзеляж, стабилизатор, киль заменяются стержнями соответствующей длины. Для плоскости Oxz стержневая модель имеет вид как на рисунке 1. Уже столь позволяет приближенно определить низкие частоты собственных тонов. Для определения же ширины резонансных пиков требуется более точное численное моделирование или натурные эксперименты.
При этом стержневая модель должна быть дополнена моделью возбуждения тонов. Первый простой вариант такой модели возбуждения заключается в предположении, что точка возбуждения (например, штатный разрядник) находится на конце стержня (крыла, фюзеляжа, стабилизатора) и за счет шума коронного разряда создает флуктуации потенциала в окрестности этой точки. Тогда частота первого основного тона будет равна v=c/(2l), где с — скорость распространения радиоволн, принимаемая равной скорости света; l — длина стержня. Здесь положено, что на стержне укладывается половина волны. Частота i-го нечетного тона выразится формулой vi = (2i-1)/(2l), i=2,3,.... Ниже будет использоваться именно эта "полуволновая" модель возбуждения основного собственного тона vi и других нечетных тонов.
Другая возможная простейшая модель возбуждения стержня — "четвертьволновая" — заключается в предположении, что возбуждающим фактором являются непосредственно флуктуации тока коронного разряда. Эта модель дает в два раза меньше частоты vi, чем предыдущая.
Необходимо обратить внимание на существование еще одной несущей частоты электризационного радиоизлучения v0, связанной не с размерами летательного аппарата, а с высотой его полета. Это излучение диполя, образованного ЛА и его электрическим отражением земной или морской поверхностью. Дипольный момент флуктуирует за счет флуктуации электростатического потенциала, возбуждаемого коронными разрядами. Для краткости соответствующее радиоизлучение можно назвать электризационным зеркальным.
Для данной излучающей системы вполне подходит модель с сосредоточенными параметрами: флуктуирующий за счет изменения шумовой составляющей ЛА потенциал ΔUш заряд q=CΔUш (С — емкость ЛА относительно земли), его зеркальное отражение -q, расстояние между зарядами q, -q равно удвоенной высоте полета. Точнее, H (средняя высота) представляет собой геометрическую высоту с учетом рельефа местности, усредненного по кругу радиуса ~ H; С — емкость с учетом рельефа, усредненного в том же круге.
На расстоянии r > 4H несущая частота радиоизлучения полуволнового диполя составит v0 = 1/(4H), а соответствующая длина волны будет равна 4H.
При полете цели на больших высотах (H=15км) основная частота диполя находится вблизи нижнего предела частот сверхдлинных волн (v0 =5кГц), а при полете на предельно малых высотах, например H =50м,— вблизи верхней границы средних волн (v0 =1,5 МГц).
Возможность обнаружения и сопровождения воздушных объектов по электризационному зеркальному радиоизлучению (с несущей частотой v0) на больших дальностях вне прямой видимости, на любых высотах — от стратосферы до предельно малых,— даже в горных ущельях, является уникальной. Уникальность обусловлена и тем, что одновременно определяется геометрическая высота ("эшелон" полета) цели.
Переходя к рассмотрению электризационного радиоизлучения на частотах собственных тонов ЛА, заметим, что рассчитать релаксационные параметры (например, декременты затухания) без сложного численного моделирования не представляется возможным.
Ограничимся приближенным расчетом тонов на основе "стержневой" модели.
Мощность радиоизлучения первого и второго тона будем определять по формуле типа где v1 =с/2l, v2 =3с/2l , l — характерный размер ЛА (размах крыла, длина фюзеляжа и др.); Сэф — эффективная емкость, много меньшая емкости всего ЛА.
Значения задаваемых параметров и результаты расчетов приведены на рис. 1. Длина "стержневой" модели задана в пределах 1...50 м, охватывая как самые малые ЛА типа малогабаритных ракет, так и наиболее крупные самолеты.
Рис. 1 иллюстрирует характер спектра электризационных шумов воздушных целей. В области длинных волн диапазона v0 ширина спектральных линий мала. Она увеличивается с ростом частоты, достигая в диапазонах v1, v2 десятков и даже сотен кГц.
В целом линейчатый спектр электризационного радиоизлучения явится новым мощным фактором (признаком) распознавания и сопровождения воздушных целей.