Что такое эпр самолета

ПАК ФА. Анализ ЭПР российского истребителя пятого поколения

После того, как оказались доступны фотографии российского истребителя пятого поколения ПАК ФА, начались рассуждения о величине эффективной площади рассеяния (ЭПР) этого самолета.

Какие решения применили российские инженеры для сокращения ЭПР перспективного истребителя? Известно, что наибольшей радиолокационной сигнатурой во фронтальной проекции обладают высвечивающиеся из каналов воздухозаборников лопатки турбины двигателя. Разработчики пытаются предотвратить прямое проникновение радиолокационных волн в эту часть самолета.

Предварительный анализ показывает, что разработчики ПАК ФА добились очень малой фронтальной ЭПР, использовав кривизну воздухозаборников. Можно сделать вывод, что 90% входного отверстия двигателей скрыты от прямого проникновения радиолокационных волн.

Также видно, что российские инженеры использовали ту же методику расчета углов планера ПАК ФА, что и американцы на F-22, но под несколько другими ракурсами.

Подытоживая имеющиеся данные, можно сделать вывод, что ПАК ФА будет иметь очень низкую ЭПР, аналогичную F-22, или даже ниже, по меньшей мере, во фронтальной проекции (без учета уровня совершенства радиопоглощающих покрытий, характеристики которых неизвестны).

Блог также напоминает читателям, что такое технология «стелс».

Термин стелс (Stealth) впервые появился с 1980-х годов, и стал весьма популярным с 1990-х во время войны в Персидском Заливе, где использовался малозаметный тактический бомбардировщик F-117. Эти самолеты наносили удары по высокозащищенным целям в Багдаде и, казалось, имели «иммунитет» от ПВО Ирака, превратившей небо страны в сплошное зарево зенитного огня.

ЭПР является величиной отражаемых целью радиолокационных сигналов, которая поступает в радар противника. Известно, что только малая часть радиолокационных волн возвращается к излучающему радару, значительная часть рассеивается в различных направлениях. Расчет времени между излучением импульса и его возвращением обратно в антенну радара позволяет определять расстояние до цели.

Технология стелс является попыткой резко сократить ЭПР летательного аппарата с помощью материалов, способных поглощать энергию радиолокационных волн, а также применение таких форм планера, которые будут рассеивать электромагнитные импульсы под разными углами, предотвращая их возврат в антенну радара противника.

Наиболее известным методом снижения ЭПР является использование неметаллических материалов (углеродные композиционные материалы, стеклопластик и другие) в планере летательного аппарата. Тщательная проработка поверхности планера, которая будет предотвращать прямой угол отражения сигналов, также весьма эффективна. Разработчики избегают углов, равных 90 град. Чтобы нейтрализовать остаточный радиосигнал, в самолетах применяют подкладки в виде поглощающих материалов, которые способны минимизировать отражение сигналов в широком диапазоне частот, излучаемых вражеским радаром.

Применение всех видов технологии стелс может резко сократить ЭПР летательных аппаратов, в том числе и самых крупных. Например, ЭПР стратегического бомбардировщика В-52 составляет около 100 кв. м., но уже на В-1В эта величина была сокращена до 1 кв. м. ЭПР F-117 была между 0,01 и 0,001 кв. м.

Дальность обнаружения летательного аппарата пропорциональна квадратному корню величины ЭПР. Например, если радар способен обнаружить цель с ЭПР 10 кв. м на дальности 100 миль, то цель с ЭПР 5 кв. м будет обнаружен лишь на дистанции 84 мили. Цель с ЭПР 1 кв. м будет обнаружена на дальности всего 55 миль. Таким образом, снижение ЭПР на 99% сокращает дальность обнаружения на 45%. Сокращение ЭПР в 1000 раз снизит дальность обнаружения на 82%.

Величины ЭПР некоторых типов самолетов и ракет.

F-16C, F-18C – 1,2 кв. м.

Eurofighter – 0,25-0,75 кв.м.

JSF – 0,005 кв. м. («размер мячика для гольфа»)

Вероятно, требование уменьшить ЭПР самолета F-22 в 1000 раз по сравнению с F-15 (25 кв. м.) было выполнено, в таком случае ЭПР F-22 в худшем случае может составлять 0,025 кв. м.

Источник

Эффективная поверхность рассеяния

Эффективная площадь рассеяния (в некоторых учебниках — Эффективная поверхность рассеяния) в радиолокации — площадь некоторой фиктивной поверхности, являющейся идеальным изотропным отражателем, и, будучи помещённым в точку расположения цели нормально по направлению облучения, создаёт в точке расположения РЛС ту же плотность потока мощности, что и реальная цель.

Величина имеет размерность площади и измеряется обычно в квадратных метрах.

ЭПР конкретного объекта зависит от его формы, размеров, материала из которого он изготовлен, а также от его ориентации по отношению к приёмнику и передатчику.

Содержание

Расчёт ЭПР

Если отражённая от цели мощность — это произведение ЭПР на плотность потока мощности

,

(1)

Интегрируя поток мощности по всей поверхности сферы получаем полную мощность отражённой волны:

Подставляя выражение (2) в (1) получаем ЭПР цели:

,

(3)

Что бы определить ЭПР цели надо определить напряжённость поля в точке расположения РЛС и направление отражённой волны.

Мощность на входе приёмника:

Можно определить поток мощности падающей волны через излучённую мощность и КНД антенны.

Подставляя (6) и (2) в (5) можем рассчитать мощность на входе приёмника РЛС:

(7)

,

(8)

Если считать, что , то

(9)

Физический смысл ЭПР

ЭПР имеет размерность площади [м 2 ], но не является геометрической площадью(!), а является энергетической характеристикой, то есть определяет величину мощности принимаемого сигнала.

Аналитически ЭПР можно рассчитать только для простых целей. Для сложных целей ЭПР измеряется практически на специализированных полигонах, или в безэховых камерах.

ЭПР цели не зависит ни от интенсивности излучаемой волны, ни от расстояния между станцией и целью. Любое увеличение ρ₁ ведёт к пропорциональному увеличению ρ₂ и их отношение в формуле не изменяется. При изменении расстояния между РЛС и целью отношение ρ₂ / ρ₁ меняется обратно пропорционально R 2 и величина ЭПР при этом остается неизменной.

ЭПР распространённых точечных целей

Для большинства точечных целей сведения о ЭПР можно найти в справочниках по радиолокации

Выпуклой поверхности

Поле от всей поверхности S определяется интегралом Необходимо определить E₂ и отнонеие при заданом расстоянии до цели.

,

(10)

1) Если объект небольших размеров, то — расстояние и поле падающей волны можно считать неизменными. 2) Расстояние R можно рассматривать как сумму расстояния до цели и расстояния в пределах цели:

,	(11)
,	(12)
,	(13)
,	(14)

Плоской пластины

(15)

Для шара 1-ой зоной Френеля будет зона, ограниченная экватором.

(16)

Уголкового отражателя

Уголковый отражатель представляет собой три перпендикулярно расположенных поверхности. В отличии от пластины уголковый отражатель даёт хорошее отражение в широком диапазоне углов.

Треугольный

Если используется уголковый отражатель с треугольными гранями, то ЭПР

,

(17)

Четырёхугольный

Если уголковый отражатель составлен из граней четырёхугольной формы, то ЭПР

,

(18)

Применение уголковых отражателей

Уголковые отражатели применяются

Дипольного отражателя

Дипольные отражатели используются для создания пассивных помех работе РЛС.

Величина ЭПР дипольного отражателя зависит в общем случае от ракурса наблюдения, однако, ЭПР по всем ракурсам:

Дипольные тражатели используются для маскировки воздушных целей и рельефа местности, а так же как пассивные радиолокациионные маяки.

Сектор отражения дипольного отражателя составляет

ЭПР сложных целей (реальных объектов)

ЭПР сложных реальных объектов измеряются на специальных установках, или полигонах, где достежимы условия дальней зоны облучения.

ЭПР сосредоточенной цели

Двуточечной целью будем называть пару целей, находящуюся в одном объёме разрешения РЛС. Используя формулу (4) можем найти амплитуды полей отражённой волны:

	(19)
	(20)

Временные задержки можно расчитать:

	(21)
	(22)

(23)

	(24)
	(25)

(26)

Диаграмма обратного рассеяния

Зависимость ЭПР от угла отражения — называется диаграммой обратного рассеяния (ДОР). ДОР будет иметь изрезанный характер и явно многолепестковый. При этом нули ДОР будут соответствовать противофазному сложению сигналов от цели в точке расположения РЛС, а ток — синфазному значению. При этом ЭПР может быть как больше, так и меньше ЭПР каждой из отдельных целей. Если волны приходят в противофазе, то будет наблюдаться минимум, а если в фазе, то максимум:

Пусть , тогда:

Реаьные объекты имеют несколько колеблящихся точек.

, а значит .

Тогда суммарное поле:

— определяется, как изменение фазовых структур отражённой волны.

Фазовый фронт отражённой волны отличается от сферического.

Определение ЭПО распределённых целей

Распределённая цель — цель, размеры которой выходят за пределы разрешающего объёма РЛС

Условие распределённости цели

Нарушение любого из условий вводит цель в класс распределённых

Тоесть, линейные размеры цели должны полностью находиться внутри элемента разрешения РЛС.

Если это не так, то в этом случае ЭПР цели будет суммой ЭПР каждого элементарного участка цели:

.

Если распределённый объект состоит из изотропных однотипных отражателей с одинаковыми свойствами, то общее ЭПР можно найти, как произведение ЭПР на число отражателей:

Но число элементов такой цели обычно неизвестна!

Удельное ЭПР

	(27)
	(28)

S и V целиком определяются размерами ширины диаграммы направленности и элементом разрешения по дальности, тоесть параметрами излучёного сигнала.

Примечания

Ссылки

Что такое ЭПР — заметка в блоге dxdt.ru

Полезное

Смотреть что такое «Эффективная поверхность рассеяния» в других словарях:

Эффективная поверхность рассеяния — (ЭПР), эффективная отражающая поверхность, количественная мера отражающей способности цели (объекта поражения), выражаемая в виде отношения плотностей мощности радиолокационного сигнала, рассеянного целью в направлении приёмника, и сигнала,… … Энциклопедия техники

Эффективная поверхность рассеяния — (ЭПР) характеристика отражающей способности цели, облучаемой электромагнитными волнами. Значение ЭПР определяется как отношение потока (мощности) электромагнитной энергии, отражаемой целью в направлении радиоэлектронного средства (РЭС), к… … Морской словарь

эффективная поверхность рассеяния — (ЭПР), эффективная отражающая поверхность, — количественная мера отражающей способности цели (объекта поражения), выражаемая в виде отношения плотностей мощности радиолокационного сигнала, рассеянного целью в направлении приёмника, и сигнала … Энциклопедия «Авиация»

эффективная поверхность рассеяния — (ЭПР), эффективная отражающая поверхность, — количественная мера отражающей способности цели (объекта поражения), выражаемая в виде отношения плотностей мощности радиолокационного сигнала, рассеянного целью в направлении приёмника, и сигнала … Энциклопедия «Авиация»

Эффективная площадь рассеяния — Пример диаграммы моностатической ЭПР (B 26 Инвэйдер) Эффективная площадь рассеяния (ЭПР; англ. Radar Cross Section, RCS; в некоторых источниках эффективная поверхность рассеяния, эффективный поперечник рассеяния, эффективная по … Википедия

ЭФФЕКТИВНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ (ПЛОЩАДЬ) РАССЕЯНИЯ — характеристика отражающей способности цели, выражаемая отношением мощности эл. магн. энергии, отражаемой целью в направлении приёмника, к поверхностной плотности потока энергии, падающей на цель. Зависит от… … Энциклопедия РВСН

Фрегаты типа «Шивалик» — Фрегаты типа «Шивалик» … Википедия

ЭПР — эндоплазматический ретикулюм биол. Источник: Грин, Стаут, Тейлор. Общая биология ЭПР Эйнштейн Подольский Розен ЭПР парадокс квантовая механика физ. ЭПР электропарамагнитный резонанс электронный парамагнитный резонанс … Словарь сокращений и аббревиатур

Заметность — свойство объекта выделяться на окружающем фоне. Высокая З. летательных аппаратов приводит к их обнаружению системой противовоздушной обороны на больших дальностях. З. может быть снижена путем уменьшения габаритов летательного аппарата, ослабления … Энциклопедия техники

заметность — заметность — свойство объекта выделяться на окружающем фоне. Высокая З. летательных аппаратов приводит к их обнаружению системой противовоздушной обороны на больших дальностях. З. может быть снижена путем уменьшения габаритов летательного… … Энциклопедия «Авиация»

Источник

Численный анализ эффективной площади рассеяния в двумерной осесимметричной постановке

Чтобы избежать обнаружения радарами противника, современные истребители, корабли и ракеты должны иметь наименьшую эффективную площадь рассеяния (ЭПР). Учёные и инженеры, разрабатывающие такие малозаметные объекты, с помощью методик вычислительной электродинамики оптимизируют ЭПР и эффекты рассеяния произвольных объектов при использовании радаров. Рассматриваемый объект рассеивает падающие на него электромагнитные волны во всех направлениях, и часть энергии, возвращаемая к источнику электромагнитных волн в процессе т.н. обратного рассеяния, формирует своеобразное «эхо» объекта. ЭПР как раз является мерой интенсивности радиолокационного эхо-сигнала.

На практике применяют эталонную проводящую сферу в качестве объекта для калибровки радаров. Аналогичная постановка проблемы используется для верификации численного расчета ЭПР, поскольку решение данной классической задачи электродинамики было получено Густавом Ми еще в 1908 году.

Рис.1. Распределение электрического поля (его нормы) и усредненного по времени потока энергии (стрелки) вокруг идеально проводящей сферы в свободном пространстве.

Рассеяние на проводящей сфере: размер имеет значение

В классическом эталонном примере, идеально проводящую металлическую сферу в свободном пространстве облучают плоской электромагнитной волной и вычисляют ЭПР.

Рис. 2. График зависимости ЭПР от длины волны (в двойном логарифмическом масштабе). Выделены три характерные области: Рэлеевская, Ми и оптическая. Черными пунктирными линиями показаны асимптотические решения для Рэлеевской и оптической зоны.

На характеристики ЭПР оказывают значительное влияние электрический размер и материальные свойства объекта, на который падает луч радара. Поскольку электрический размер объекта — в нашем случае сферы — уменьшается при переходе из оптического диапазона в рэлеевскую область (через Ми-диапазон), асимптотические методы не обеспечат достаточной точности, чтобы учесть вклад всех физических явлений. Для получения точных результатов задачу следует решать с помощью полноволновых техник.

В трехмерной постановке даже с учетом использования идеально согласованных слоев (Perfectly Matched Layers — PML), позволяющих эффективно ограничить расчетную область и имитировать открытые границы, и условий симметрии, расчет с подробным разрешением по частоте/длине волны может занять достаточно много времени.

К счастью, если объект является осесимметричным и рассеивает волны изотропно, проведение полного 3d-анализа не требуется. Чтобы проанализировать распространение электромагнитных волн и резонансное поведение объекта, достаточно провести расчет для его поперечного сечения в двумерной осесимметричной постановке при задании определенных условий.

Двухмерная осесимметричная модель СВЧ-процесса: взгляд изнутри

Предположим, что наша сфера металлическая и имеет высокую проводимость. Для данной задачи поверхность сферы задается как идеальный электрический проводник (Perfect electric conductor — PEC), а её внутренняя часть исключается из расчетной области. Область вокруг нее определяется как вакуум с соответствующими материальными свойствами, а в самом внешнем слое используется PML сферического типа, используемый для поглощения всех исходящих волн и предотвращения отражения от границ расчетной области.

Для численного решения задач электродинамики в частотной области существует несколько приемов для эффективного моделирования металлических объектов. На иллюстрации ниже отражены техники и рекомендации по использованию Переходного граничного условия (Transition boundary condition — TBC), Импедансного граничного условия (Impedance boundary condition — IBC) и условия типа Идеальный Электрический Проводник (Perfect Electric Conductor — PEC).

В расчётной области (кроме PML) задается возбуждение фонового поля с левой круговой поляризацией, направленного в отрицательном направлении оси z (Рис. 3). Обратите внимание, что выставлен расчет только для первой азимутальной моды.

По умолчанию для СВЧ-задач в COMSOL Multiphysics ® автоматически строится свободная треугольная (или тетраэдральная для 3D-задач) сетка под указанную для исследования в частотной области (Frequency Domain study) максимальную частоту, которая в рассматриваемом примере составляет 200 МГц. Чтобы обеспечить достаточное разрешение волновых процессов в модели, устанавливается максимальный размер элемента сетки, равный 0.2 длины волны. Другими словами пространственное разрешение задается как пять элементов второго порядка на длину волны. В идеально согласованных слоях сетка строится протяжкой в направлении поглощения, что обеспечивает максимальную эффективность работы PML.

Т.к. число степеней свободы в модели очень мало (по сравнению с трехмерной постановкой), то ее расчет занимает всего несколько секунд. На выходе пользователь может получить и визуализировать распределение электрического поля вокруг сферы (в ближней зоне), которое представляет собой сумму фонового и рассеянного полей.

Для данной задачи наиболее интересные характеристики относятся к области дальнего поля. Чтобы их получить в модели нужно активировать на внешней границе расчетной области (в данном случае на внутренней границе PML) условие Far-Field Calculation, что позволяет рассчитывать поля в дальней зоне за пределами расчетной области в любой точке на основе интегральных соотношений Страттона-Чу. Активация добавляет дополнительную переменную — амплитуду поля в дальней зоне, на основе которой в постобработке ПО рассчитывает инженерные переменные, соответствующие стандартам IEEE: эффективную изотропно излучаемую мощность, коэффициент усиления (т.н. Gain, в т.ч. учетом входного рассогласования), коэффициент направленного действия и ЭПР.

По полярному графику специалист может определить направленность поля в дальней зоне в определенной плоскости, а трехмерная диаграмма направленности в дальней зоне позволяет более подробно изучить поле рассеяния (рис. 4).

Восстановление решения для трехмерной задачи

Результаты для «сокращенной» модели в осесимметричной постановке относятся к процессу облучения проводящей сферы фоновым полем с круговой поляризацией. В исходной же 3d-задаче характеристики поля рассеяния исследуются для случая линейно-поляризованной плоской волны. Как обойти данное различие?

По определению линейную поляризацию можно получить, сложив правую и левую круговую поляризацию. Двухмерная осесимметричная модель с указанными выше настройками (Рис. 2) соответствует первой азимутальной моде ( m = 1) фонового поля с левой круговой поляризацией. Решение для отрицательной азимутальной моды с правой круговой поляризацией легко вывести из уже решенной задачи, воспользовавшись свойствами симметрии и проведя простые алгебраические преобразования.

Проведя всего один двухмерный анализ и зеркально отобразив результаты уже в процессе постобработки, можно извлечь все необходимые данные, значительно сэкономив при этом вычислительные ресурсы (Рис.5).

Рис. 5. Сравнение развертки эффективной площади рассеяния (в логарифмическом масштабе) по углам рассеяния для полного трехмерного расчета и предложенной двухмерной осесимметричной модели.

Одномерный график (Рис. 5) со сравнением ЭПР демонстрирует приемлемое соответствие между трехмерной и двухмерной осесимметричной моделями. Небольшое расхождение наблюдается лишь в области прямого и обратного рассеяния, вблизи оси вращения.

В дополнение для наглядной визуализации полученных двухмерных результатов в трехмерном пространстве потребуется преобразование системы координат из цилиндрической в декартову. На рис. 6 приведена трехмерная визуализация результатов для двухмерной осесимметричной модели.

Рис. 6. Трехмерное представление полученных результатов на основе двумерного расчета.

Вращающиеся по спирали стрелки обозначают фоновое поле с круговой поляризацией. График в горизонтальном сечении представляет собой распределение радиальной составляющей фонового поля (волновой процесс отображен с помощью деформаций плоскости). На поверхности сферы построена норма полного электрического поля. Еще одна стрелочная диаграмма показывает суперпозицию двух круговых поляризаций, что эквивалентно фоновому полю с линейной поляризацией в трехмерном пространстве.

Заключение

В процессе современной разработки в области радиофизики и микроволновой техники для инженеров эффективные приемы моделирования, сокращающие ресурсоемкость и затраты времени, незаменимы вне зависимости от применяемого метода численного анализа.

Для сохранения целостности и воссоздании всех релевантных физических эффектов при моделировании реального компонента, обладающего большим электрическим размером, возможно упростить процесс численного расчета без потери точности путем решения задачи в двухмерной осесимметричной постановке. При моделировании и анализе таких осесимметричных объектов, как рассеивающие сферы и диски, конические рупорные и параболические антенны, вычисления для сечения устройства выполняются на несколько порядков быстрее, чем при использовании полной трехмерной модели.

Короткий видеообзор (на рус.), в котором демонстрируются примеры моделирования СВЧ-антенн с помощью модуля Радиочастоты, включая расчет частотных характеристик S-параметров и импеданса, диаграммы Смита, исследование согласования, расчет полей в дальней зоне, определение коэффициента направленного действия (Directivity) и коэффициента усиления (Gain). Кроме того, рассмотрены принципы использования симметрии, моделирования антенн в режиме приёма и комплексных расчетов систем разнесенных в пространстве приемников и передатчиков, оценки электромагнитных наводок на соседние антенны и многое другое.

При этом простая двумерная постановка позволяет быстро восстанавливать в трехмерном пространстве и исследовать рассеяние фонового поля с линейной поляризацией, а также направленность излучения в дальней зоне для антенн, возбуждаемых электрической поперечной модой TE11 круглого волновода.

Дополнительная информация

Данный материал основан на статье J.Munn. Fast Numerical Analysis of Scattering and Radar Cross Section, журнал Microwaves & RF от 3 мая 2018 г.

Функционал COMSOL Multiphsycics ® позволяет также моделировать:

Для более подробного знакомства с возможностями нашего пакета для рассматриваемых в данной статье применений приглашаем поучаствовать в нашем новом вебинаре «Решение задач рассеяния в COMSOL Multiphsycics ® «, который состоится 22 августа 2018 года.

Рассеяние волн – одно из наиболее фундаментальных явлений физики, т.к. именно в форме рассеянных электромагнитных или акустических волн мы получаем огромную долю информации об окружающем мире. Полноволновые формулировки, доступные в модулях Радиочастоты и Волновая Оптика, а также в модуле Акустика, позволяют детально моделировать эти явления с помощью метода конечных элементов. В данном вебинаре мы обсудим сложившиеся практики решения задач рассеяния в COMSOL, включая использование формулировок рассеянного поля (Background Field), функционала по анализу полей в дальней зоне (Far-Field Calculation), проведения широполосных расчетов с помощью новых технологий на основе разрывного метода Галеркина (dG-FEM), а также моделирования антенн и датчиков в режиме приема сигнала.

В завершение вебинара мы обсудим доступные шаблоны и примеры в Библиотеке моделей и приложений от COMSOL, а также ответим на вопросы пользователе по данной теме.

Также можно запросить демонстрационную версию COMSOL в комментариях или на нашем сайте.

Источник