РАДИОЗАМЕТНОСТЬ АНТЕННЫХ ОКОН ГИПЕРЗВУКОВЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ
УДК 621.396.67
А. А. ОВОДЕНКО, В. Н. КРАСЮК, А. Р. БЕСТУГИН, М. Б. РЫЖИКОВ
РАДИОЗАМЕТНОСТЬ АНТЕННЫХ ОКОН ГИПЕРЗВУКОВЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Рассматривается возможность применения конформных и плоских микрополосковых антенных решеток для гиперзвуковых летательных аппаратов. Предложены варианты их конструктивного исполнения для решения задачи по снижению радиозаметности в сантиметровом диапазоне длин волн.
Ключевые слова: гиперзвуковой летательный аппарат, микрополосковая антенная решетка, диаграмма направленности, эффективная площадь рассеяния.
Создание эффективной многоцелевой авиационно-космической системы требует разработки многоразовых гиперзвуковых самолетов и ракет, имеющих малые габариты и вес. Задача минимизации массогабаритных параметров гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) без потери эффективности работы его радиотехнических систем требует использования антенн, которые не занимают значительного пространства внутри корпуса планера, располагаясь непосредственно у его поверхности под слоем теплозащитного покрытия (ТЗП). Современные ГЛА должны не только летать по баллистической траектории с гиперзвуковой скоростью, но и иметь возможность произвольно изменять свою траекторию полета. Полет по сложной траектории способствует возможности преодоления систем противоракетной обороны (ПРО), если приняты соответствующие меры по снижению радиозаметности планера [1]. Наличие радиопрозрачных антенных окон на поверхности ГЛА при полете по сложной траектории на определенных ракурсах приводит к появлению сильного отражения радиолокационных сигналов от антенн, которое может свести на нет меры, принимаемые по снижению заметности планера в целом [2]. Это приводит к необходимости создания антенн с малой эффективной площадью рассеяния (ЭПР).
Следует отметить, что, согласно работе [3], микрополосковые антенны (МПА) обладают малыми габаритами и весом, по сравнению с другими антеннами, и могут быть расположены на выпуклых поверхностях, что делает их привлекательными для использования в качестве бортовых антенн ГЛА.
В настоящей работе рассматривается возможность использования микрополосковых антенных решеток (АР) для ГЛА с учетом требований к снижению их радиозаметности.
При длительном полете ГЛА в атмосфере на гиперзвуковых скоростях вдоль его поверхности устанавливается определенное неравномерное распределение температуры, которое представлено на рис. 1 [4]. Данное распределение построено при условии полета гиперзвукового самолета продолжительностью более 7 секунд на высоте 27 000 метров со скоростью, соответствующей М = 8 (М — число Маха, равное отношению скорости ГЛА к
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 8
6 А. А. Оводенко, В. Н. Красюк, А. Р. Бестугин, М. Б. Рыжиков
скорости звука). Наибольшие значения температуры достигаются у поверхности носового обтекателя. Так, например, у поверхности конического обтекателя из керамики с толщиной стенки в 5 мм [5] при полете длительностью свыше 4 с со скоростью, соответствующей М = 7, на высоте 600 м температура достигает 1935 °С.
2200 °С
870 °С
920 °С
700 °С
950 °С 1700 °С
1100 °С
2200 °С
870 °С
920 °С
760 °С
1100 °С 980 °С 870 °С 1100 °С
Рис. 1
870 °С
Расположить микрополосковые АР непосредственно на поверхности ГЛА нельзя по двум причинам. Из-за слишком высоких значений температуры у поверхности антенны, зависящих от высоты и скорости полета, изменяются во времени параметры диэлектрической подложки: значение диэлектрической проницаемости и толщина, что приводит к соответствующему изменению резонансных свойств. Даже небольшое отклонение резонансной частоты излучателя от требуемого значения ведет к существенному падению коэффициента усиления антенны и ухудшению условий ее согласования с передатчиком и приемником [3]. Кроме этого, при различных условиях полета у поверхности антенны возникает неравномерное температурное распределение. Такое распределение изменяет условия излучения отдельных излучателей в решетке, что приводит к искажению амплитудно-фазового распределения, а в результате — к отклонению направления визирования основного луча диаграммы направленности (ДН) антенны, изменению ее формы и уровней боковых лепестков (УБЛ), к уменьшению коэффициента усиления антенны.
Таким образом, микрополосковые антенны для ГЛА должны располагаться под слоем ТЗП. Согласно работе [5], температура в антенном отсеке на порядок меньше температуры у поверхности ТЗП. Это означает, что под носовым обтекателем температура может достигать 200—300 °С. В антенных отсеках, располагаемых сверху или снизу ГЛА, диапазон изменения температур составит 70—120 °С.
Стабилизация параметров излучения и рассеяния для микрополосковых антенн, располагаемых на ГЛА под ТЗП, требует использования специальных диэлектрических материалов при изготовлении подложки. Для данных материалов необходимо, чтобы значения их диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδε слабо возрастали при нагреве до 300 °С. К таким материалам относятся: окись алюминия, окись бериллия, нитрид бора, окись кремния. В указанном диапазоне изменения температур они имеют близкий к нулю тангенс угла диэлектрических потерь и практически неизменное значение диэлектрической проницаемости, которые начинают возрастать при температуре свыше 400 °С [5].
При применении указанных материалов для микрополосковых антенн возможно достичь снижения уровня их радиолокационной заметности в сантиметровом диапазоне длин волн. Для уменьшения ЭПР антенных решеток, располагаемых под носовым обтекателем, ре-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 8
Радиозаметность антенных окон гиперзвуковых летательных аппаратов
7
комендуется формировать их на выпуклой, например полусферической, поверхности. При таком размещении возникает проблема реализации остронаправленного сканирования в АР, которая может быть разрешена за счет использования соответствующего амплитуднофазового распределения. Сканирование в такой конформной антенне может быть реализовано посредством электронной перекоммутации излучателей с подсканированием в секторе углов между ними за счет изменения фазового распределения [6].
Рассмотрим подробнее проблему формирования направленного излучения в микрополосковой сферической АР. Возьмем в качестве материала для диэлектрической подложки окись кремния со значением диэлектрической проницаемости ε≈2,3 и с малым тангенсом углов потерь tgδε
УДК 621.396.67
А. А. ОВОДЕНКО, В. Н. КРАСЮК, А. Р. БЕСТУГИН, М. Б. РЫЖИКОВ
РАДИОЗАМЕТНОСТЬ АНТЕННЫХ ОКОН ГИПЕРЗВУКОВЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Рассматривается возможность применения конформных и плоских микрополосковых антенных решеток для гиперзвуковых летательных аппаратов. Предложены варианты их конструктивного исполнения для решения задачи по снижению радиозаметности в сантиметровом диапазоне длин волн.
Ключевые слова: гиперзвуковой летательный аппарат, микрополосковая антенная решетка, диаграмма направленности, эффективная площадь рассеяния.
Создание эффективной многоцелевой авиационно-космической системы требует разработки многоразовых гиперзвуковых самолетов и ракет, имеющих малые габариты и вес. Задача минимизации массогабаритных параметров гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) без потери эффективности работы его радиотехнических систем требует использования антенн, которые не занимают значительного пространства внутри корпуса планера, располагаясь непосредственно у его поверхности под слоем теплозащитного покрытия (ТЗП). Современные ГЛА должны не только летать по баллистической траектории с гиперзвуковой скоростью, но и иметь возможность произвольно изменять свою траекторию полета. Полет по сложной траектории способствует возможности преодоления систем противоракетной обороны (ПРО), если приняты соответствующие меры по снижению радиозаметности планера [1]. Наличие радиопрозрачных антенных окон на поверхности ГЛА при полете по сложной траектории на определенных ракурсах приводит к появлению сильного отражения радиолокационных сигналов от антенн, которое может свести на нет меры, принимаемые по снижению заметности планера в целом [2]. Это приводит к необходимости создания антенн с малой эффективной площадью рассеяния (ЭПР).
Следует отметить, что, согласно работе [3], микрополосковые антенны (МПА) обладают малыми габаритами и весом, по сравнению с другими антеннами, и могут быть расположены на выпуклых поверхностях, что делает их привлекательными для использования в качестве бортовых антенн ГЛА.
В настоящей работе рассматривается возможность использования микрополосковых антенных решеток (АР) для ГЛА с учетом требований к снижению их радиозаметности.
При длительном полете ГЛА в атмосфере на гиперзвуковых скоростях вдоль его поверхности устанавливается определенное неравномерное распределение температуры, которое представлено на рис. 1 [4]. Данное распределение построено при условии полета гиперзвукового самолета продолжительностью более 7 секунд на высоте 27 000 метров со скоростью, соответствующей М = 8 (М — число Маха, равное отношению скорости ГЛА к
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 8
6 А. А. Оводенко, В. Н. Красюк, А. Р. Бестугин, М. Б. Рыжиков
скорости звука). Наибольшие значения температуры достигаются у поверхности носового обтекателя. Так, например, у поверхности конического обтекателя из керамики с толщиной стенки в 5 мм [5] при полете длительностью свыше 4 с со скоростью, соответствующей М = 7, на высоте 600 м температура достигает 1935 °С.
2200 °С
870 °С
920 °С
700 °С
950 °С 1700 °С
1100 °С
2200 °С
870 °С
920 °С
760 °С
1100 °С 980 °С 870 °С 1100 °С
Рис. 1
870 °С
Расположить микрополосковые АР непосредственно на поверхности ГЛА нельзя по двум причинам. Из-за слишком высоких значений температуры у поверхности антенны, зависящих от высоты и скорости полета, изменяются во времени параметры диэлектрической подложки: значение диэлектрической проницаемости и толщина, что приводит к соответствующему изменению резонансных свойств. Даже небольшое отклонение резонансной частоты излучателя от требуемого значения ведет к существенному падению коэффициента усиления антенны и ухудшению условий ее согласования с передатчиком и приемником [3]. Кроме этого, при различных условиях полета у поверхности антенны возникает неравномерное температурное распределение. Такое распределение изменяет условия излучения отдельных излучателей в решетке, что приводит к искажению амплитудно-фазового распределения, а в результате — к отклонению направления визирования основного луча диаграммы направленности (ДН) антенны, изменению ее формы и уровней боковых лепестков (УБЛ), к уменьшению коэффициента усиления антенны.
Таким образом, микрополосковые антенны для ГЛА должны располагаться под слоем ТЗП. Согласно работе [5], температура в антенном отсеке на порядок меньше температуры у поверхности ТЗП. Это означает, что под носовым обтекателем температура может достигать 200—300 °С. В антенных отсеках, располагаемых сверху или снизу ГЛА, диапазон изменения температур составит 70—120 °С.
Стабилизация параметров излучения и рассеяния для микрополосковых антенн, располагаемых на ГЛА под ТЗП, требует использования специальных диэлектрических материалов при изготовлении подложки. Для данных материалов необходимо, чтобы значения их диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδε слабо возрастали при нагреве до 300 °С. К таким материалам относятся: окись алюминия, окись бериллия, нитрид бора, окись кремния. В указанном диапазоне изменения температур они имеют близкий к нулю тангенс угла диэлектрических потерь и практически неизменное значение диэлектрической проницаемости, которые начинают возрастать при температуре свыше 400 °С [5].
При применении указанных материалов для микрополосковых антенн возможно достичь снижения уровня их радиолокационной заметности в сантиметровом диапазоне длин волн. Для уменьшения ЭПР антенных решеток, располагаемых под носовым обтекателем, ре-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 8
Радиозаметность антенных окон гиперзвуковых летательных аппаратов
7
комендуется формировать их на выпуклой, например полусферической, поверхности. При таком размещении возникает проблема реализации остронаправленного сканирования в АР, которая может быть разрешена за счет использования соответствующего амплитуднофазового распределения. Сканирование в такой конформной антенне может быть реализовано посредством электронной перекоммутации излучателей с подсканированием в секторе углов между ними за счет изменения фазового распределения [6].
Рассмотрим подробнее проблему формирования направленного излучения в микрополосковой сферической АР. Возьмем в качестве материала для диэлектрической подложки окись кремния со значением диэлектрической проницаемости ε≈2,3 и с малым тангенсом углов потерь tgδε