Плазменная невидимость: технологии снижения радиолокационной заметности летательных аппаратов.

Введение

Плазменная стелс-технология — это предлагаемый процесс использования ионизированного газа (плазмы) для снижения эффективной площади рассеяния (ЭПР) летательного аппарата. Взаимодействие электромагнитного излучения и ионизированного газа широко изучалось для различных целей, включая маскировку летательных аппаратов от радаров как элемент технологии невидимости. Различные методы потенциально могут создавать слой или облако плазмы вокруг объекта для отклонения или поглощения радиолокационного сигнала, от простых электростатических или радиочастотных разрядов до более сложных лазерных. Теоретически возможно снизить ЭПР таким образом, однако практическая реализация может оказаться очень сложной. Сообщается, что некоторые российские ракеты, например, 3М22 "Циркон" (SS N 33) и Х-47М2 "Кинжал", используют плазменную стелс-технологию.

Первые претензии

В 1956 году Арнольд Элдредж из General Electric подал заявку на патент на "метод и устройство маскировки объектов", предлагающее использовать ускоритель частиц на борту самолета для создания облака ионизации, которое должно было "преломлять или поглощать падающие радиолучи". Неизвестно, кто финансировал эту работу и проводилось ли прототипирование и тестирование. Патент США № 3 127 608 был выдан в 1964 году. В ходе проекта OXCART, при эксплуатации разведывательного самолета Lockheed A-12, ЦРУ финансировало попытку снизить ЭПР (эффективную площадь рассеяния) входных конусов A-12. Этот проект, известный как KEMPSTER, использовал генератор электронного пучка для создания облака ионизации перед каждым воздухозаборником. Система была испытана в полете, но так и не была установлена на серийные A-12 или SR-71. A-12 также имела возможность использовать цезиевую присадку к топливу под названием "A 50" для ионизации выхлопных газов, тем самым блокируя отражение радиоволн от задней четверти и выхлопных сопел двигателя. Цезий был выбран из-за его способности легко ионизироваться под воздействием горячих выхлопных газов. Радарный физик Эд Ловик-младший утверждал, что эта присадка спасла программу A-12. В 1992 году Исследовательская лаборатория Hughes провела исследование по изучению распространения электромагнитных волн в немагниченной плазме. Для генерации ультрафиолетового излучения, создающего плазму посредством фотоионизации в волноводе, использовалась серия высоковольтных искровых разрядов. Радомы ракет, заполненные плазмой, были протестированы в безэховой камере для оценки ослабления отражения. Приблизительно в то же время Р. Дж. Видмар изучал возможность использования плазмы атмосферного давления в качестве электромагнитных отражателей и поглотителей. Другие исследователи также изучали случай неоднородной намагниченной плазменной пластины. Несмотря на очевидные технические трудности разработки плазменного устройства-невидимки для боевых самолетов, появились сообщения о том, что в 1999 году Россия предлагала такую систему на экспорт. В январе 1999 года российское информационное агентство ИТАР-ТАСС опубликовало интервью с доктором Анатолием Коротеевым, директором Научно-исследовательского центра имени Келдыша (ФКА НИИТП), который рассказал о плазменном устройстве-невидимке, разработанном его организацией. Это заявление было особенно интересно, учитывая безупречную научную репутацию доктора Коротеева и Института тепловых процессов, являющегося одним из ведущих научных исследовательских центров мира в области фундаментальной физики. Журнал "Electronic Defense" сообщил, что российская "технология создания плазменного облака для целей невидимости" снижает ЭПР самолета в 100 раз (на 20 дБ). Согласно статье, опубликованной в июне 2002 года, российское плазменное устройство-невидимка было испытано на борту истребителя-бомбардировщика Су-27ИБ. В журнале также сообщалось, что аналогичные исследования по применению плазмы для снижения ЭПР проводятся компанией Accurate Automation Corporation (Чаттануга, штат Теннесси) и университетом Old Dominion (Норфолк, штат Вирджиния) в США, а также компаниями Dassault Aviation (Сен-Клу, Франция) и Thales (Париж, Франция).

In 1956, Arnold Eldredge, of General Electric, filed a patent application for an "Object Camouflage Method and Apparatus," which proposed using a particle accelerator in an aircraft to create a cloud of ionization that would " refract or absorb incident radar beams." It is unclear who funded this work or whether it was prototyped and tested. U. S. Patent 3,127,608 was granted in 1964. During Project OXCART, the operation of the Lockheed A 12 reconnaissance aircraft, the CIA funded an attempt to reduce the RCS of the A 12's inlet cones. Known as Project KEMPSTER, this used an electron beam generator to create a cloud of ionization in front of each inlet. The system was flight tested but was never deployed on operational A 12s or SR 71s. The A 12 also had the capability to use a cesium based fuel additive called "A 50" to ionize the exhaust gases, thus blocking radar waves from reflecting off the aft quadrant and engine exhaust pipes. Cesium was used because it was easily ionized by the hot exhaust gases. Radar physicist Ed Lovick Jr. claimed this additive saved the A 12 program. In 1992, Hughes Research Laboratory conducted a research project to study electromagnetic wave propagation in unmagnetized plasma. A series of high voltage spark gaps were used to generate UV radiation, which creates plasma via photoionization in a waveguide. Plasma filled missile radomes were tested in an anechoic chamber for attenuation of reflection. At about the same time, R. J. Vidmar studied the use of atmospheric pressure plasma as electromagnetic reflectors and absorbers. Other investigators also studied the case of a non uniform magnetized plasma slab. Despite the apparent technical difficulty of designing a plasma stealth device for combat aircraft, there are claims that a system was offered for export by Russia in 1999. In January 1999, the Russian ITAR TASS news agency published an interview with Doctor Anatoliy Koroteyev, the director of the Keldysh Research Center (FKA Scientific Research Institute for Thermal Processes), who talked about the plasma stealth device developed by his organization. The claim was particularly interesting in light of the solid scientific reputation of Dr. Koroteyev and the Institute for Thermal Processes, which is one of the top scientific research organizations in the world in the field of fundamental physics. The Journal of Electronic Defense reported that "plasma cloud generation technology for stealth applications" developed in Russia reduces an aircraft's RCS by a factor of 100 (20 dB). According to this June 2002 article, the Russian plasma stealth device has been tested aboard a Sukhoi Su 27IB fighter bomber. The Journal also reported that similar research into applications of plasma for RCS reduction is being carried out by Accurate Automation Corporation (Chattanooga, Tennessee) and Old Dominion University (Norfolk, Virginia) in the U. S.; and by Dassault Aviation (Saint Cloud, France) and Thales (Paris, France).

Теоретическая работа с "Спутником"

Из-за очевидных военных применений данной темы существует немного легкодоступных экспериментальных исследований влияния плазмы на радиолокационное сечение (РКС) самолетов, однако взаимодействие плазмы с микроволнами – хорошо изученная область общей физики плазмы. Стандартные справочники по физике плазмы являются хорошей отправной точкой и обычно уделяют некоторое внимание обсуждению распространения волн в плазме. Одной из наиболее интересных статей, касающихся влияния плазмы на РКС самолетов, является работа, опубликованная в 1963 году IEEE. Статья называется «Радиолокационные сечения проводящих сфер и цилиндров, покрытых диэлектриком или плазмой» (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, сентябрь 1963 г., стр. 558–569). За шесть лет до этого, в 1957 году, Советский Союз запустил первый искусственный спутник. При попытке отслеживания «Спутника» было замечено, что его электромагнитные характеристики рассеяния отличаются от ожидаемых для проводящей сферы. Это было связано с тем, что спутник двигался внутри плазменной оболочки – ионосферы. Простая форма «Спутника» служит идеальной иллюстрацией влияния плазмы на РКС самолета. Естественно, самолет имеет гораздо более сложную форму и изготавливается из большего разнообразия материалов, но базовый эффект останется тем же. В случае «Спутника», пролетающего через ионосферу на высокой скорости и окруженного естественной плазменной оболочкой, наблюдаются два отдельных отражения радара: первое – от проводящей поверхности спутника, а второе – от диэлектрической плазменной оболочки. Авторы статьи обнаружили, что диэлектрическая (плазменная) оболочка может как уменьшать, так и увеличивать эффективную площадь рассеяния объекта. Если одно из двух отражений значительно превосходит другое, то более слабое отражение мало повлияет на общий эффект. Авторы также отметили, что электромагнитный сигнал, проникающий в плазменную оболочку и отражающийся от поверхности объекта, будет терять интенсивность при прохождении через плазму, как было объяснено в предыдущем разделе. Наиболее интересный эффект наблюдается, когда оба отражения имеют сопоставимую величину. В этом случае два компонента (два отражения) будут складываться как фазоры, и результирующее поле будет определять общее РКС. Когда эти два компонента находятся в противофазе, происходит взаимное гашение. Это означает, что при таких обстоятельствах РКС становится равным нулю, и объект полностью невидим для радара. Очевидно, что выполнение аналогичных численных оценок для сложной формы самолета было бы затруднительным. Для этого потребуется большой объем экспериментальных данных для конкретного планера, свойств плазмы, аэродинамических аспектов, падающего излучения и т. д. В отличие от этого, первоначальные вычисления, представленные в данной статье, были выполнены небольшой группой исследователей на компьютере IBM 704, созданном в 1956 году, и в то время это была новая область исследований с очень ограниченной базой знаний. С 1963 года в науке и технике произошли огромные изменения, и различия между металлической сферой и современным боевым самолетом кажутся незначительными по сравнению с ними. Простым применением плазменной невидимости является использование плазмы в качестве антенны: металлические антенные мачты часто имеют большое РКС, но полая стеклянная трубка, заполненная плазмой низкого давления, также может использоваться в качестве антенны и является полностью прозрачной для радара, когда она не используется.

Due to the obvious military applications of the subject, there are few readily available experimental studies of plasma's effect on the radar cross section (RCS) of aircraft, but plasma interaction with microwaves is a well explored area of general plasma physics. Standard plasma physics reference texts are a good starting point and usually spend some time discussing wave propagation in plasmas. One of the most interesting articles related to the effect of plasma on the RCS of aircraft was published in 1963 by the IEEE. The article is entitled "Radar cross sections of dielectric or plasma coated conducting spheres and circular cylinders" (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, September 1963, pp. 558–569). Six years earlier, in 1957, the Soviets had launched the first artificial satellite. While trying to track Sputnik it was noticed that its electromagnetic scattering properties were different from what was expected for a conductive sphere. This was due to the satellite's traveling inside of a plasma shell: the ionosphere. The Sputnik's simple shape serves as an ideal illustration of plasma's effect on the RCS of an aircraft. Naturally, an aircraft would have a far more elaborate shape and be made of a greater variety of materials, but the basic effect should remain the same. In the case of the Sputnik flying through the ionosphere at high velocity and surrounded by a naturally occurring plasma shell, there are two separate radar reflections: the first from the conductive surface of the satellite, and the second from the dielectric plasma shell. The authors of the paper found that a dielectric (plasma) shell may either decrease or increase the echo area of the object. If either one of the two reflections is considerably greater, then the weaker reflection will not contribute much to the overall effect. The authors also stated that the EM signal that penetrates the plasma shell and reflects off the object's surface will drop in intensity while traveling through plasma, as was explained in the prior section. The most interesting effect is observed when the two reflections are of the same order of magnitude. In this situation the two components (the two reflections) will be added as phasors and the resulting field will determine the overall RCS. When these two components are out of phase relative to each other, cancellation occurs. This means that under such circumstances the RCS becomes null and the object is completely invisible to the radar. It is immediately apparent that performing similar numeric approximations for the complex shape of an aircraft would be difficult. This would require a large body of experimental data for the specific airframe, properties of plasma, aerodynamic aspects, incident radiation, etc. In contrast, the original computations discussed in this paper were done by a handful of people on an IBM 704 computer made in 1956, and at the time, this was a novel subject with very little research background. So much has changed in science and engineering since 1963, that differences between a metal sphere and a modern combat jet pale in comparison. A simple application of plasma stealth is the use of plasma as an antenna: metal antenna masts often have large radar cross sections, but a hollow glass tube filled with low pressure plasma can also be used as an antenna, and is entirely transparent to radar when not in use.