Способ снижения радиовидимости летательного аппарата

Изобретение относится к авиационно-ракетной технике, в частности к реактивным двигателям, которые в задней полусфере вносят значительный вклад в радиовидимость летательного аппарата. Технический результат заключается в многократном снижении радиовидимости летательного аппарата в задней полусфере при полетах на любых (в том числе малых) высотах с помощью системы плазменной защиты относительно небольшой потребляемой мощности. Сущность изобретения состоит в том, что электронный пучок вводят не в окружающий воздух, а в объем канала выходного устройства двигателя летательного аппарата, и создают перекрывающий сечение канала поглощающий плазменный объем. В нем обеспечивают малое содержание молекул кислорода и высокую газовую температуру, что препятствует потерям электронов на прилипание. Для дополнительной оптимизации плазмохимических процессов в поглощающий плазменный объем можно добавлять (например, путем внесения в горючее) дополнительные вещества, образующие в нем положительные атомарные ионы. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к авиационно-ракетной технике, в частности к реактивным двигателям, которые в задней полусфере вносят значительный вклад в радиовидимость летательного аппарата.

Большая роль канала выходного устройства летательного аппарата в общем рассеянии зондирующего электромагнитного излучения объясняется тем, что оно заходит в объем канала, переотражается от металлических стенок и лопаток турбины и в результате направляется в сторону источника.

Известен способ снижения радиовидимости канала выходного устройства летательного аппарата с помощью нанесения на внутренние поверхности его металлических стенок термостойких радиопоглощающих материалов [Special Electronics. 1984. №2]. Недостатки этого способа связаны с неудовлетворительными ресурсными характеристиками известных термостойких радиопоглощающих материалов (особенно при частой смене температурных режимов стенок), а также с тем, что невозможно нанести покрытия на лопатки турбины и ряд важных элементов канала выходного устройства. Кроме того, нанесение термостойких радиопоглощающих материалов ухудшает характеристики двигателя.

Известны способы снижения радиовидимости летательного аппарата путем поглощения зондирующего радиоизлучения в неравновесной низкотемпературной плазме, которая создается в воздухе в окрестности летательного аппарата (см., например [Противоракетная оборона и боевые ракеты. АиК, 17-23 октября 2005 г.]). Из механизмов взаимодействия плазменного образования с электромагнитным излучением [Баженова Т.В. Взаимодействие электромагнитного излучения со слоем однородной изотропной НТП//В кн.: Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т.3. - М., 2000. С.213-218]; [Пермяков В.А. Взаимодействие электромагнитных волн с ограниченной регулярно неоднородной НТП // В кн.: Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т.3. - М., 2000. С.218-226] следует, что возможны режимы с преобладанием пропускания, поглощения или отражения, причем для обеспечения эффективного поглощения требуется сформировать плазменный объем с определенным профилем и оптимальными значениями концентрации свободных электронов, зависящими от длины волны излучения. Формирование неравновесной низкотемпературной плазмы не влияет на характеристики обтекания.

Для создания плазмы в [US 3713157, 1973 г.] предложено использовать радиоизотопы - источники α-частиц (Полоний-210 или Кюрий-242), которые в виде покрытия наносятся на металлические поверхности. Однако, если при давлении 0,1 атм ослабление отражения от металла составляет 10 дБ (что соответствует высоте 15 км), то при атмосферном давлении ослабление всего 1...2 дБ. Таким образом, использование этого способа эффективно только при полетах летательного аппарата на высотах более 15 км.

Известен [US 3518670, 1970 г.] способ снижения радиовидимости летательного аппарата на больших высотах (более 16 км) путем формирования облака плазмы при фотоионизации паров легкоионизируемых атомов металлов (цезий, калий, натрий). Таким образом, использование этого способа неэффективно при полетах летательного аппарата на малых и средних высотах.

Известен [US 3127608, 1964 г.] способ снижения радиовидимости летательного аппарата, при котором в воздух вблизи летательного аппарата вводят электронный пучок и управляют энергией электронов и силой тока пучка так, что создают поглощающий плазменный объем с профилем концентрации свободных электронов, обеспечивающем поглощение зондирующего электромагнитного излучения. Этот способ наиболее близок к вновь представленному и принят за прототип. Он был реализован и исследован, например, в [А.С.Коротеев. О возможном использовании неравновесной плазмы для снижения радиовидимости летательных аппаратов // Полет. 2000. №12. С.3-6], [А.И.Головин, А.А.Бармин. О применении неравновесного плазменного образования как средства изменения эффективной поверхности рассеяния объекта // Полет. 2005. №9. С.23-27]. Для высот более 20 км было экспериментально продемонстрировано, что электронные пучки обеспечивают снижение эффективной поверхности рассеяния элементов объекта площадью 2,5 м² на 10 и более децибел. Однако с уменьшением высоты потребные мощности растут настолько быстро, что их практически невозможно обеспечить на летательном аппарате.

Целью данного изобретения является создание способа снижения радиовидимости летательного аппарата в задней полусфере при невысоких энергозатратах на низких и средних высотах.

Сущность изобретения состоит в способе снижения радиовидимости летательного аппарата, при котором, как и в прототипе, в газовую среду вводят электронный пучок, управляют энергией электронов и силой тока пучка так, что создают поглощающий плазменный объем с профилем концентрации свободных электронов, обеспечивающим поглощение зондирующего электромагнитного излучения. Однако в отличие от прототипа электронный пучок вводят не в окружающий воздух, а в объем канала выходного устройства двигателя летательного аппарата, управляют энергией электронов и силой тока пучка так, что создают перекрывающий более 50% сечения канала выходного устройства двигателя летательного аппарата поглощающий плазменный объем с профилем концентрации свободных электронов, обеспечивающим поглощение зондирующего электромагнитного излучения. Кроме того, в отличие от прототипа для оптимизации плазмохимических процессов обеспечивают в поглощающем плазменном объеме высокую (превышающую 500К) газовую температуру.

Низкое содержание молекул кислорода в поглощающем плазменном объеме можно обеспечить путем его выжигания, т.е. выбора достаточно низкого коэффициента избытка кислорода в камере сгорания двигателя летательного аппарата.

Оптимизацию плазмохимических процессов (т.е. содержание молекул кислорода, не превышающее 10%, и газовую температуру, превышающую 500К) можно обеспечить путем впрыска горючего в объем канала выходного устройства двигателя летательного аппарата (форсажный режим двигателя).

Для дополнительной оптимизации плазмохимических процессов в поглощающий плазменный объем можно добавлять (например, путем внесения в горючее) дополнительные вещества, образующие в нем положительные атомарные ионы (в частности, металлы, не образующие тугоплавких окислов - свинец, калий и др.).

Реализуемость изобретения следует из проведенного нами анализа плазмохимических процессов в продуктах сгорания углеводородов. Электронная концентрация определяется балансом образования и гибели электронов. Образование свободных электронов происходит главным образом под действием электронов пучка, на что тратится электроэнергия. Основным механизмом гибели электронов е^- в холодном (до 500К) плотном (давление свыше 0,1 атм) воздухе является прилипание в тройных соударениях к молекулам кислорода с образованием отрицательных ионов О^- ₂

здесь М - третья молекула (кислорода, азота, воды и др.) (см. [Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. Неупругие процессы. Ионизация и рекомбинация. //Энциклопедия низкотемпературной плазмы. T.1. - М.: Наука. 2000. С.46-54]). Из-за этого процесса в атмосферном воздухе для поддержания электронной концентрации 10¹⁰ см^-3 требуется 6,7 Вт/см³, а для 10¹³ см^-3 - 9 кВт/см³ постоянного энерговклада от ионизующего электронного пучка. Эти энергозатраты представляются достаточно большими: например, формирование поглощающего слоя плазмы электронной концентрации 3.10¹⁰ см^-3 шириной 20 см в кольцевом зазоре шириной 20 см на среднем диаметре 60 см потребовало бы мощности пучков в ≈1,5 МВт. Это препятствует, например, применению электронных пучков в забортном воздухе для решения задач снижения заметности летательных аппаратов на малой высоте.

Частота прилипания для электрона пропорциональна произведению концентрациям других участвующих в реакции частиц - O₂ и М. Если плотность воздуха при неизменном химическом составе уменьшить в 10 раз, то частота прилипания в тройных соударениях, очевидно, уменьшится в 100 раз. Это объясняет эффективность ионизации воздуха на больших высотах.

Другим очевидным способом снижения частоты прилипания является снижение концентрации O₂ в газе: если выжечь весь кислород, то, конечно, реакция (1) будет невозможна.

Кроме прямой реакции (1), происходит и обратная - отлипание электрона в соударениях с М. Энергия связи электрона в ионе O₂ ^- составляет всего 0.44 эВ, т.е. при повышении температуры свыше ≈500К эффективно отлипание. Расчеты показывают, что при высоких температурах молекулярных ионов кислорода практически не остается.

Когда реакция (1) неэффективна, время жизни свободного электрона многократно увеличивается (до десятков микросекунд), энергозатраты на поддержание профиля концентрации свободных электронов, обеспечивающего поглощение зондирующего электромагнитного излучения, существенно снижаются. В продуктах сгорания углеводородов основным механизмом гибели электронов становится диссоциативная рекомбинация при парных соударениях электронов с положительными молекулярными ионами (O₂ ⁺, NO⁺ и др.).

Состав и температура газовой струи не зависят от высоты полета, а определяются составом горючего и режимом работы двигателя, следовательно, данный способ обеспечивает снижение радиовидимости на любых высотах, включая малые.

Подробные расчеты показали, что соответствующая мощность электронных пушек, обеспечивающая многократное снижение радиовидимости двигателя летательного аппарата в задней полусфере при малых и средних высотах, близка к мощности бортовых электронных пушек, применяемых при снижении эффективного сечения рассеяния на больших высотах [Противоракетная оборона и боевые ракеты. //АиК, 17-23 октября 2005 г.].

Дальнейшее снижение энергозатрат может достигаться путем замены молекулярных положительных ионов на атомарные. При этом диссоциативная рекомбинация заменяется на еще более медленную рекомбинацию в тройных соударениях электрона с атомарным ионом и третьей молекулой М. Для этого в состав газа надо добавить металлы, дающие при характерных температурах атомарные ионы с относительно невысокой энергией ионизации (по сравнению с O₂ и NO). При этом необходимо, чтобы эти атомы при характерных температурах не соединялись в молекулы, например, окислов. Таким требованиям удовлетворяет, в частности, свинец, калий, кальций.

Для указанных соотношений имеются прямые экспериментальные подтверждения: в пламени (особенно с парами некоторых металлов) наблюдается существенное - на порядки величины - увеличение времени жизни свободных электронов по сравнению с воздухом [Knewstubb, P.F., and Sugden, Т.М., "Ionization produced by compounds of lead in flames," Research Correspondence (London), 1956, vol.9, A1-6]; [Sugden, Т.М., "A survey of flame ionization work at the University of Cambridge," in: Ionization in High-Temperature Gases (Progress in Asronautics and Aeronautics, vol.12), К.Е.Shuler and J.B.Fenn, Editors, Academic Press, N.Y. and London, 1963, pp.145-164].

Указанные теоретические и экспериментальные обоснования, а также опыт практического применения системы снижения радиовидимости летательного аппарата на основе бортовых электронных пушек, свидетельствует о практической реализуемости данного способа.

Технический результат изобретения - многократное снижение радиовидимости летательного аппарата в задней полусфере при полетах на любых высотах с помощью системы плазменной защиты относительно небольшой потребляемой мощности.

1. Способ снижения радиовидимости летательного аппарата, при котором в газовую среду вводят электронный пучок, управляют энергией электронов и силой тока пучка так, что создают поглощающий плазменный объем с профилем концентрации свободных электронов, обеспечивающем поглощение зондирующего электромагнитного излучения, отличающийся тем, что электронный пучок вводят в объем канала выходного устройства двигателя летательного аппарата, управляют энергией электронов и силой тока пучка так, что создают перекрывающий более 50% сечения канала выходного устройства двигателя летательного аппарата поглощающий плазменный объем с профилем концентрации свободных электронов, обеспечивающем поглощение зондирующего электромагнитного излучения, обеспечивают в поглощающем плазменном объеме газовую температуру, превышающую 500 К.

2. Способ снижения радиовидимости летательного аппарата по п.1, отличающийся тем, что в поглощающем плазменном объеме содержание молекул кислорода, не превышающее 10%, обеспечивают путем выбора коэффициента избытка кислорода в камере сгорания двигателя летательного аппарата.

3. Способ снижения радиовидимости летательного аппарата по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают в поглощающем плазменном объеме содержание молекул кислорода, не превышающее 10%, и газовую температуру, превышающую 500 К, путем впрыска горючего в объем канала выходного устройства двигателя летательного аппарата.

4. Способ снижения радиовидимости летательного аппарата по п.1, отличающийся тем, что в поглощающий плазменный объем добавляют дополнительные вещества, образующие в нем положительные атомарные ионы.

5. Способ снижения радиовидимости летательного аппарата по п.1, отличающийся тем, что дополнительные вещества, образующие положительные атомарные ионы, добавляют путем внесения их в горючее.