Устройство уменьшения эффективной площади рассеяния полости канала двигателя летательного аппарата

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано для уменьшения эффективной площади рассеяния полости канала двигателя летательного аппарата: воздухозаборника или сопла. Устройство представляет собой расположенный перед лопатками турбины двигателя металлический экран с регулярными отверстиями, образующий с поверхностью полости канала двойную стенку и удерживаемый проставками. Поверхность металлического экрана с регулярными отверстиями по всей длине профилирована одинаковыми продольными гофрами - клинами заданной высоты и периодом повторения, размеры которых определяются из защищаемых соотношений. Изобретение позволяет уменьшить эффективную площадь рассеивания. 9 ил.

 

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано для уменьшения эффективной площади рассеяния (ЭПР) полости канала двигателя летательного аппарата: воздухозаборника или сопла.

Как показывают результаты экспериментальных исследований ЭПР летательных аппаратов (Радиолокационная заметность самолетов /по материалам открытой иностранной печати/. Обзор ЦАГИ, №665, 1986 г, стр.20), в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн в передней и задней полусферах основной вклад в ЭПР вносят отражения от всевозможных полостей: воздухозаборники и сопла, кабина, антенные отсеки и ряд других. В сравнении с полостями такие элементы планера летательного аппарата, как фюзеляж, крыло, оперение, дают сравнительно небольшой вклад, так как имеют хорошую обтекаемую форму и слабо отражают радиоволну в обратном направлении.

В настоящее время существуют всевозможные способы и устройства уменьшения ЭПР воздухозаборников и сопел (А.П.Плохих, Д.С.Шабонов. Радиолокационные отражатели и их применение. "Зарубежная радиоэлектроника", N8, 1992, стр.85). Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ уменьшения ЭПР полости канала двигателя летательного аппарата, основанный на диффузном рассеянии энергии без ее поглощения (Способ уменьшения эффективной площади рассеяния канала. Патент США №4148032. 1979 г. НКИ 343-18А. - прототип). Применение такого способа оправдано в тех случаях, когда удельная ЭПР полости (т.е. отношение ЭПР к площади входного отверстия) превышает 2. Практически эта величина может в отдельных случаях доходить до 20. Для достижения поставленного эффекта уменьшения удельной ЭПР полости до 2 используются специальные конструкции стенок которые, например, могут быть двойными металлическими с разнообразными отверстиями.

Существенным преимуществом способа является высокая прочность и термостойкость стенок, что особенно важно для использования устройства в сопле.

Конструкция устройства, в котором достигается диффузное рассеяние, представлена на фиг.1.

Устройство уменьшения эффективной площади рассеяния полости канала 1 двигателя 2 летательного аппарата представляет собой расположенный перед лопатками 3 турбины двигателя металлический экран 4 с регулярными отверстиями 5, образующий с поверхностью 6 полости канала двойную стенку и удерживаемый проставками 7. При отсутствии экрана 4 радиоволна входит в полость канала 1, один или несколько раз переотражается от поверхности 6 полости канала и лопаток 3 турбины двигателя и уходит в направлении источника радиоволны. Наличие металлического экрана 4 с регулярными отверстиями 5 заставляет радиоволну испытывать диффузные переотражения в разные стороны, тем самым ослабевая радиоволну, уходящую в обратном направлении. Варианты построения поверхности экранов приведены на фиг.2.

Однако, как показали результаты экспериментальных исследований данное устройство обладает рядом следующих недостатков:

экран 4 с регулярными отверстиями обеспечивает диффузное рассеяние в узком диапазоне длин радиоволн, где размеры отверстий (неоднородностей) соизмеримы с длиной волны;

при нормальном падении радиоволны к раскрыву полости, когда обратное отражение от полости канала 1 двигателя максимально, "положительное" влияние экрана 4 с регулярными отверстиями сказывается в меньшей степени (меньше переотражений).

Данные недостатки существенно снижают потенциальные возможности устройства, а также ограничивают его применение для широкого диапазона длин радиоволн и углов локации.

Задача настоящего изобретения состоит в уменьшении ЭПР полости канала двигателя летательного аппарата за счет увеличения диффузного рассеяния внутри него для широкого диапазона длин радиоволн и углов локации.

Для решения данной задачи поверхность металлического экрана 4 с регулярными отверстиями 5 по всей длине профилируется одинаковыми продольными клинами-гофрами 8 (Фиг.3) высотой Н и периодом повторения D, размеры которых выбираются из соотношений

H≈1,5D, D≈(0,05-0,1) В, B≫λ_cp,

где В - характерный размер раскрыва полости канала двигателя летательного аппарата;

λ_ср - средняя длина волны диапазона радиоизлучений.

Главная задача такого технического решения - это ослабление до требуемой величины отражений от внутренней поверхности полости канала, ограниченной металлическим экраном с регулярными отверстиями для широкого диапазона радиоизлучений. Этого можно добиться путем формирования многократного отражения и поглощения (взаимной компенсации) падающих электромагнитных волн. Для аналогии можно взять принцип безэховых камер СВЧ (БЭК), применяемых для измерений и испытаний радиотехнической аппаратуры, излучающей в свободное пространство. В них, в частности, для необходимого ослабления отраженного сигнала проводят профилирование внутренних поверхностей (стенок камеры). Основная идея профилирования - направить поле, отраженное от металлического экрана, в разные стороны, заставляя его многократно переотразиться на протяжении всего внутреннего объема. В большинстве случаев это достигается установкой на поверхностях ограничивающих внутренний объем полости (камеры) различных рассеивающих конфигураций: клиньев, пирамид и т.д. В данном случае остановимся на пространственной структуре, состоящей из продольных гофр-клиньев (М.Ю.Мицмахер, В.А.Торгованов. Безэховые камеры СВЧ. М.: "Радио и связь", 1982, стр.40), так как они в свою очередь не делают переменным сечение канала по всей его длине, а также не увеличивают сопротивление набегающему воздушному потоку. При правильном подборе конфигурации гофра поля, многократно отражаясь от поверхности металлического экрана, понижают свой уровень до уровня дифракционности поля от ребра клина.

Такого рода пространственная структура аналогична структуре радиопоглощающих материалов (РПМ), получивших широкое применение в практике разработки БЭК и относящихся к классу шиповидных или рассеивающих материалов (В.А.Торгованов. Безэховые камеры: Зарубежная радиоэлектроника, 1974, №12, стр.20-46).

Рассмотрим механизм рассеяния электромагнитных волн на гофрах-клиньях (Фиг.4).

В длинноволновой части диапазона, когда период поперечной неоднородности пространственной структуры много меньше λ, шиповидные структуры по физике своей работы и по коэффициенту отражения ничем не отличаются от градиентных РПМ, причем градиент масштаба электрической длины обеспечивается увеличением относительного объема пространственной структуры, т.е. высотой гофра Н. В коротковолновой части диапазона, когда период неоднородности структуры оказывается много больше длины волны, такие структуры за счет последовательности многократных переотражений поля в поглощающих полостях позволяют дополнительно уменьшить уровни отражения.

Рассмотрим для примера механизм поглощения в коротковолновой части диапазона волн. Пусть, как показано на фиг.4, плоская волна падает на пространственную структуру из продольных гофр-клиньев под углом θ к нормали основания гофра. Каждые два рядом стоящие клина образуют клиновидную поглощающую полость с углом при вершине α. В результате N последовательных отражений плоская волна углубляется в полость, а затем выходит из нее, теряя при каждом отражении интенсивность.

Рассмотрим геометрию переотражений в поглощающей полости, учитывая "зеркальный" характер отражения от поверхностей гофр-клиньев. Выделим критический луч, перетерпевший наименьшее количество переотражений - это луч, точка первого отражения которого лежит в плоскости вершин пространственной структуры (h₁=0). Углубление в поглощающую полость точки второго отражения луча относительно точки первого отражения

h₂=2(Н-h₁)tg(α/2)/(tgθ₁+tg(α/2)),

где Н - высота пространственной структуры гофр-клиньев;

θ₁ - угол между отраженным после первого отражения лучом и осью клина.

Аналогично вертикальное перемещение в полости точки n отражения будет

Условие выхода волны из поглощающей полости после отражений выглядит так

Выражение (1) позволяет определить N - количество переотражений критического луча плоской волны до его выхода из поглощающей полости. Угол выхода волны будет определяться исходя из условия

При этом угол θ_N непосредственно с углом θ не связан законом Снелла. Таким образом, общая интенсивность отраженного поля, т.е. его геометрическая составляющая, будет определяться из выражения

где угол падения волны на поверхность граней поглощающей полости при n отражении

υ_n=(π+α)/2-nα-θ.

Расчеты показывают, что при углах 0≤θ≤40° в поглощающих полостях критический луч претерпевает до 6 переотражений, если поглощающая полость имеет угол при вершине α=30°.

Из (2) следует, что угол выхода отраженной волны изменяется в широких пределах и скачком меняет свой знак в зависимости от того, четное или нечетное количество переотражений происходит в полости между соседними клиньями.

Таким образом, учитывая рассеяние на регулярных отверстиях металлического экрана, а также многократные переотражения в самой пространственной структуре из продольных гофр-клиньев, интенсивность отраженного поля может быть уменьшена до 3 раз.

Устройство работает следующим образом.

Плоский фронт электромагнитной волны под некоторым углом падает на раскрыв полости канала двигателя летательного аппарата. Волна проходит в полость канала 1 двигателя 2, один или несколько раз переотражается от стенок расположенного перед лопатками 3 турбины двигателя металлического экрана 4 с регулярными отверстиями 5, образующего с поверхностью 6 полости канала двойную стенку и удерживаемого проставками 7. Наличие профилированного по всей длине одинаковыми продольными гофрами-клинами 8 металлического экрана 4 с регулярными отверстиями 5 заставляет электромагнитную волну переотражаться в разные стороны и одновременно поглощаться в клиновидных поглощающих полостях как в длинноволновой, так и коротковолновой части диапазона волн.

Предлагаемое устройство было испытано в условиях Эталонного радиолокационного измерительного комплекса (А.С.Сумин и др. Контрольная для "невидимок". АВИА-панорама. №6, 1997, стр.30).

Исследуемый образец полости канала двигателя летательного аппарата представлял собой полый металлический цилиндр, открытый с одной стороны (B=30 см). Устройство-прототип включало в себя металлический экран с регулярными неровностями размером и периодом до 0,8 см, образующий с поверхностью полости цилиндра двойную стенку и удерживаемый проставками на расстоянии ≈20 мм. Предлагаемое устройство отличалось тем, что металлический экран с теми же регулярными неровностями был профилирован продольными гофрами-клинами высотой Н=30 мм и периодом повторения D=40 мм.

Существо предлагаемого технического решения поясняется фиг.5-9.

На фиг.5 представлена схема измерения ЭПР образца полости канала двигателя летательного аппарата (полый металлический цилиндр, открытый с одной стороны), а также образец поверхности металлического экрана:

а - с регулярными неровностями (устройство-прототип);

b - с регулярными неровностями и профилированный продольными гофрами-клинами (предлагаемое устройство).

На фиг.6-9 приведены результаты экспериментальных исследований.

На фиг.6 в верхней ее части приведены диаграммы ЭПР образца полости канала двигателя с устройством-прототипом (а) и предлагаемым устройством уменьшения ЭПР (b) в секторе углов локации (θ) 0±60° относительно нормали к раскрыву полости канала, в нижней части - соответствующие им гистограммы и функции распределения ЭПР на длине волны 0,86 см.

На фиг.7 в верхней ее части приведены диаграммы ЭПР образца полости канала двигателя с устройством-прототипом (а) и предлагаемым устройством уменьшения ЭПР (b) в секторе углов локации (θ) 0±60° относительно нормали к раскрыву полости канала, в нижней части - соответствующие им гистограммы и функции распределения ЭПР на длине волны 3,2 см.

На фиг.8 в верхней ее части приведены диаграммы ЭПР образца полости канала двигателя с устройством-прототипом (а) и предлагаемым устройством уменьшения ЭПР (b) в секторе углов локации (θ) 0±60° относительно нормали к раскрыву полости канала, в нижней части - соответствующие им гистограммы и функции распределения ЭПР на длине волны 4,6 см.

На фиг.9 в верхней ее части приведены диаграммы ЭПР образца полости канала двигателя с устройством-прототипом (а) и предлагаемым устройством уменьшения ЭПР (6) в секторе углов локации (θ) 0±60° относительно нормали к раскрыву полости канала, в нижней части - соответствующие им гистограммы и функции распределения ЭПР на длине волны 10,7 см.

Анализ приведенных на фиг.6...9 результатов позволяет сделать вывод о том (Акт испытаний...), что предлагаемое устройство уменьшения эффективной площади рассеяния полости канала двигателя летательного аппарата в сравнении с устройством-прототипом позволяет уменьшить медианные значения ЭПР (по уровню вероятности 0,5) в секторе углов локации 0±60° относительно нормали к раскрыву полости канала от 4,2 до 10,2 дБ в диапазоне длин волн от миллиметров до сантиметров (от 0,86 до 10,7 см).

Реализация заявляемого устройства не представляет трудностей. Очевидно, что изобретение не ограничивается вышеизложенным примером его осуществления. Исходя из его схемы могут быть предусмотрены и другие варианты его реализации, не выходящие за рамки предмета изобретения.

Устройство уменьшения эффективной площади рассеяния полости канала двигателя летательного аппарата, представляющее собой расположенный перед лопатками турбины двигателя металлический экран с регулярными отверстиями, образующий с поверхностью полости канала двойную стенку и удерживаемый проставками, отличающееся тем, что поверхность металлического экрана с регулярными отверстиями по всей длине профилирована одинаковыми продольными гофрами-клинами высотой и периодом повторения D, размеры которых выбираются из соотношений

H≈1,5D, D≈(0,05÷0,1)B, B≫λ_cp,

где В - характерный размер полости канала двигателя летательного аппарата;

λ_ср - средняя длина волны диапазона радиоизлучений.