Малозаметность летательных аппаратов — это современное технологическое продолжение древнего принципа маскировки: подобно тому как солдаты носят форму, помогающую им сливаться с окружающей средой, и как животные в природе маскируются, чтобы уклониться от хищников или застать добычу врасплох, инженеры проектируют военные транспортные средства таким образом, чтобы они избегали обнаружения радарами и другими средствами сенсорного контроля. Это классический пример непрерывной гонки вооружений — а точнее, гонки уклонения — между средствами обнаружения и решениями по сокрытию и введению в заблуждение, применяемыми ударными платформами.

До эпохи радаров идея малозаметности была сосредоточена на исчезновении из поля зрения противника: самолёты окрашивали в маскировочные цвета или размывали их контуры на фоне дневного неба. Уже в годы Первой мировой войны инженеры пытались сделать самолёты «невидимыми» с помощью прозрачных материалов. Так, в Германии был разработан тяжёлый самолёт Linke-Hofmann R.I, часть корпуса которого покрыли прозрачным материалом, чтобы уменьшить его заметность. Однако этот материал быстро изнашивался и терял прозрачность, что приводило скорее к выдающим самолёт отражениям, чем к маскировке. Среди других попыток создать трудноразличимые самолёты были проекты, добившиеся ограниченного и временного успеха, но большинство из них оказалось безрезультатными. В конечном итоге идея была оставлена — до тех пор, пока не возродилась в эпоху радаров и передовых технологий.

В 1930-е годы, с разработкой первых радаров и их огромным влиянием на завоевание превосходства в воздухе, начала формироваться концепция современной малозаметности. С тех пор это понятие прежде всего связывают со способностью уклоняться от радиолокационного обнаружения, основанного на использовании радиоволн — но не только.

Радарные технологии впервые обеспечили возможность обнаружения и сопровождения целей на больших расстояниях, даже в сложных погодных условиях или при ограниченной видимости, тем самым значительно снизив фактор внезапности воздушных атак. Ярким примером влияния радиолокационных систем стала Битва за Британию во Второй мировой войне, когда британские истребители смогли защитить Англию, несмотря на значительное численное превосходство самолётов люфтваффе — военно-воздушных сил нацистской Германии — благодаря британской радиолокационной сети, обеспечившей раннее обнаружение и целенаправленный перехват.

К концу войны радары стали относительно распространёнными, и возникла необходимость в целенаправленных исследованиях технологий радиолокационной малозаметности — проектировании самолёта таким образом, чтобы он отклонял радиоволны, а не отражал их обратно, тем самым «исчезая» с экранов радаров. Однако в 1960-е и начале 1970-х годов всё ещё преобладало мнение, что полная малозаметность непрактична: её стоимость считалась слишком высокой, она ухудшала лётные характеристики, а расчёт радиолокационных отражений был слишком сложным для эффективного проектирования малозаметного летательного аппарата.

Хотя современные технологии малозаметности в основном разрабатывались и исследовались в США, основателем теории малозаметности — вероятно, не намеренно — считается советский физик и инженер Пётр Уфимцев. Он прославился своими работами по физической теории дифракции, изучавшей, как электромагнитные волны отражаются от поверхностей, особенно от кромок и вершин. До этого можно было оценивать отражения от крупных и гладких объектов, таких как сфера или цилиндр, но не существовало достаточных математических формул для расчёта структур с множеством углов, выступающих кромок или сложных форм. Уфимцев показал, что это можно вычислить аналитически, то есть создать математическую модель, предсказывающую характеристики рассеяния отражённого излучения. Его выводы стали ключевой теоретической основой для разработки самолётов с пониженной радиолокационной заметностью.

В Советском Союзе 1960-х годов военные руководители не осознали стратегического значения этого исследования, сочли его сугубо академическим и потому разрешили Уфимцеву опубликовать статью на международной арене. Это позволило инженерам компании Lockheed в США использовать теоретические разработки для создания в 1981 году первого пилотируемого самолёта-невидимки, поступившего на вооружение, — F-117 Nighthawk в рамках проекта Have Blue. Впоследствии это проложило путь к созданию B-2 Spirit — «летающего крыла» компании Northrop, ставшего символом способности США проникать в воздушное пространство противника незамеченными.

Первоначальная разработка самолётов-невидимок в США велась в рамках «чёрного проекта» — сверхсекретной военной программы, существование которой правительство, армия и сотрудники оборонной сферы официально не признают. Цель секретности, разумеется, заключалась в обеспечении стратегического преимущества и предотвращении утечки жизненно важной информации к противнику. Проект создания F-117 начался в середине 1970-х годов под покровом полной тайны. Самолёт достиг оперативной готовности в 1983 году, однако его существование было раскрыто общественности лишь в 1988-м. Программа B-2, стартовавшая в конце 1970-х, также сохранялась в секрете почти десятилетие. На протяжении всех лет разработки США отрицали сам факт существования подобных самолётов, и полная картина стала известна значительно позже их ввода в эксплуатацию.

Под радаром

Основной принцип уклонения самолётов-невидимок — это радиолокационная малозаметность. Радар (обнаружение и определение дальности и направления; англ. Radio Detection And Ranging, сокращённо RADAR) — это система, использующая радиоволны для определения расстояния, направления и скорости объектов относительно местоположения устройства. Принцип действия прост: передатчик посылает электромагнитные волны — в данном случае радиоволны — с помощью антенны. Волны сталкиваются с объектами и отражаются, после чего принимаются антенной, подключённой к приёмнику. Обработка полученной информации позволяет вычислить местоположение объекта, его размер и расстояние до него. Непрерывное отслеживание отражённого сигнала даёт возможность определить также направление движения и скорость объекта.

Несколько государств начали тайную разработку радиолокационных систем ещё до Второй мировой войны, а в её ходе — особенно активно. Одной из разработок, изменивших облик технологии, стал магнетрон — компонент, позволяющий генерировать радиоволны очень высокой мощности в относительно компактном устройстве. Помимо бытового применения, например в микроволновых печах (микроволны — это определённый диапазон радиоволн), этот элемент позволяет создавать компактные радиолокационные системы с высокой разрешающей способностью. Сегодня радары используются чрезвычайно широко — для управления воздушным и наземным движением, мониторинга океанов и космического пространства, прогнозирования погоды, измерения высоты полёта, в автономных транспортных средствах, геологических исследованиях и, разумеется, в военной обороне от самолётов и ракет.

Важным понятием в разработке малозаметных систем является эффективная площадь рассеяния (ЭПР), или радиолокационная сигнатура. Это показатель степени обнаруживаемости объекта радаром: чем больше ЭПР, тем легче обнаружить объект. ЭПР измеряется в квадратных метрах и зависит от множества факторов: геометрической формы объекта, материалов, из которых он изготовлен, угла падения радиолокационной волны и частоты излучения передатчика. Эффективная площадь рассеяния увеличивается по мере появления на самолёте выступов, щелей, открытых полостей или антенн.

Геометрическая форма

Конструкторы малозаметных летательных аппаратов стремятся уменьшить эффективную площадь рассеяния несколькими способами, прежде всего за счёт геометрической формы самолёта. Это один из наиболее критически важных факторов, определяющих его радиолокационную сигнатуру. Когда радиоволна попадает на большую плоскую поверхность (например, вертикальную панель), большая часть энергии отражается прямо обратно к антенне, которая её излучила, — подобно свету, отражающемуся от зеркала. Это явление называется зеркальным отражением (specular reflection) и является главным вкладом в ЭПР.

Чтобы уменьшить такие отражения, самолёт проектируют так, чтобы его внешняя поверхность состояла из сравнительно небольших панелей, расположенных под разными углами друг к другу. Идея заключается в том, чтобы максимально рассеять отражённую волну и не возвращать её к источнику излучения: каждая панель направляет электромагнитную энергию в ином направлении, как можно дальше от линии визирования радиолокационной антенны. Такая форма не обходится без издержек — обычно за неё расплачиваются аэродинамикой: самолёт становится менее устойчивым и демонстрирует худшие лётные характеристики по сравнению с истребителями, спроектированными прежде всего с учётом аэродинамических соображений.

На ранних этапах инженеры избегали округлых форм в таких малозаметных самолётах из-за опасений, связанных с так называемыми «ползущими волнами» (creeping waves) — излучением, распространяющимся вдоль изогнутой поверхности и способным вновь излучаться в направлении радара. Со временем возможности расчёта и моделирования поведения радиоволн вокруг сложных форм значительно улучшились, что позволило проектировать изогнутые поверхности, рассеивающие излучение во всех направлениях с очень низкой интенсивностью и одновременно существенно улучшающие аэродинамику.

Ещё один принцип такого проектирования — избегать прямых углов между поверхностями, поскольку две поверхности, сходящиеся под углом 90°, образуют структуру типа ретрорефлектора (retroreflector), создающего сильное отражение волны непосредственно в сторону радара. В малозаметной конструкции стараются максимально исключить прямые углы — в том числе в хвостовом оперении и в местах соединения крыльев с фюзеляжем.

Одним из крупнейших источников отражения в реактивных самолётах являются воздухозаборники двигателя и внутренние полости, куда проникают радиоволны и откуда они интенсивно отражаются. Реактивные двигатели с выступающими лопатками особенно хорошо видны на радаре. Чтобы уменьшить отражения из таких полостей, используют тонкие металлические решётки, блокирующие радиоволны без нарушения потока воздуха. Это похоже на сетку, покрывающую внутреннюю сторону дверцы микроволновой печи: размер отверстий и расстояние между ними не позволяют микроволнам выходить наружу, но дают возможность наблюдать внутрь. Кроме того, воздухозаборники проектируются под такими углами, чтобы скрывать двигатель от радиоволн. Вооружение размещается во внутренних отсеках, а не подвешивается под крыльями, а все стыки, болты и люки тщательно выравниваются и утапливаются в корпус, чтобы избежать точек отражения.

Покрытие, предотвращающее отражения

Ещё один способ противодействия радиолокационному обнаружению — покрытие самолётов материалами, поглощающими радиоволны или экранирующими отражения. Такие материалы называются radiation-absorbent materials (RAM) — радиопоглощающие материалы — и основаны на трёх основных технологиях.

Согласование показателя преломления. Когда электромагнитная волна переходит из одного материала в другой, часть её проходит дальше, а часть отражается из-за различия свойств сред. Чем больше разница между показателями преломления двух материалов, тем сильнее отражение на границе. Добиться низкого уровня отражения можно, если покрытие самолёта имеет показатель преломления, близкий к показателю преломления воздуха. Повседневный пример такого согласования — антибликовые покрытия на очковых линзах у оптометриста. Покрытие подбирается так, чтобы его слои образовывали переход между воздухом и стеклом: внешний слой имеет показатель преломления, близкий к воздуху, а внутренний, прилегающий к стеклу, — близкий к стеклу.

Поглощение с преобразованием в тепло. В покрытие иногда добавляют мелкие ферромагнитные частицы, например углерода или железа, которые начинают вибрировать при воздействии радиоволн и тем самым преобразуют энергию излучения в тепло. Пример этого явления из повседневной жизни — работа микроволновой печи: микроволны заставляют колебаться молекулы воды в пище и нагревают её. В случае самолётов нагрев не является целью, а представляет собой побочный эффект экранирования электромагнитной энергии за счёт колебаний молекул внутри материала.

Гашение за счёт разрушительной интерференции. Когда волны с близкой частотой встречаются в одной точке пространства, они складываются друг с другом — это явление называется суперпозицией. Результат зависит от соотношения фаз: конструктивная интерференция возникает, когда волны приходят в одной фазе — например, пик к пику или впадина к впадине. В этом случае они усиливают друг друга, и амплитуда результирующей волны равна сумме амплитуд обеих волн.

Разрушительная интерференция возникает, когда две волны приходят в противоположных фазах — пик против впадины. В этом случае положительная часть одной волны компенсируется отрицательной частью другой. На этом принципе основан механизм работы шумоподавляющих наушников. Когда радиоволна попадает на покрытие корпуса самолёта, часть излучения отражается от него. Другая часть проникает в покрытие, достигает поверхности самого корпуса, отражается от неё и снова проходит через слои покрытия, выходя наружу. Правильный выбор толщины покрытия в зависимости от длины волны позволяет добиться того, чтобы фаза, которую второй отражённый сигнал приобретает внутри покрытия, создавала разрушительную интерференцию с первым отражением и тем самым гасила отражённое излучение передатчика.

Сходное явление отвечает за радужную окраску мыльных пузырей. Поверхность пузыря состоит из очень тонкой жидкой плёнки, толщина которой меняется по всей площади. Различия в толщине создают разные отражения света, что и приводит к многоцветности.

Маскирующие покрытия способны существенно уменьшить радиолокационные отражения и снизить радиолокационную заметность малозаметных летательных аппаратов, однако у них есть и значительные недостатки. Во-первых, покрытия не одинаково эффективны во всём диапазоне частот. Как правило, они оптимизированы для работы против радаров относительно высоких частот, например используемых для наведения ракет, где проще добиться разрушительной интерференции или эффективного поглощения. Против радаров низких частот эффективность маскировки заметно снижается. Во-вторых, сами материалы достаточно чувствительны и требуют постоянного обслуживания. Слои покрытия сравнительно легко изнашиваются под воздействием дождя, тепла, перепадов давления и даже просто высокой скорости полёта. Это означает, что малозаметный самолёт нуждается в частом обновлении покрытия и интенсивном техническом обслуживании, что приводит к значительным затратам на протяжении всего срока службы, который изначально и без того обходится очень дорого.

Дополнительные меры: инфракрасная и акустическая малозаметность дополняют технологии радиолокационной малозаметности и предназначены для снижения вероятности обнаружения самолёта другими средствами. В инфракрасном диапазоне применяют снижение температуры выхлопа двигателя за счёт впрыска холодного воздуха или рассеивания газов в большем объёме; ограничивают использование форсажной камеры, значительно увеличивающей тепловую сигнатуру; а также размещают сопла в верхней части корпуса, чтобы затруднить их обнаружение датчиками. Одновременно акустическая малозаметность направлена на уменьшение шума двигателей и выхлопа, особенно при полётах на малой высоте, с помощью конструктивных решений и специальных каналов отвода, направляющих звуковые волны вверх и удаляющих их от наземных детекторов.

Израильские невидимки

Самолёт F-35I компании Lockheed Martin, получивший в ВВС Израиля название «Адир», — это многоцелевой истребитель пятого поколения, основанный на американском F-35 Lightning II и оснащённый уникальными модернизациями, разработанными ВВС Израиля и местной промышленностью в трёх основных областях: системы управления и контроля, вооружение и радиоэлектронная борьба.

Израиль впервые заказал эти самолёты в 2008 году, а первые машины прибыли в страну в 2016-м. С тех пор «Адир» участвовал во многих операциях, в ходе которых были зафиксированы первая в истории оперативная боевая атака и первые в мире перехваты с участием F-35 — включая уничтожение беспилотников и крылатых ракет. В настоящее время ВВС Израиля располагают тремя оперативными эскадрильями «Адир», и эти самолёты считаются стратегическим активом, обеспечивающим воздушное превосходство Израиля.

Источник Ynet

Телеграм канал Радио Хамсин >>