Как работает Стелс

На самом деле — это очень простая идея. Но она обросла такими мифами, что в глазах большинства кажется чем-то очень сложным, секретным и загадочным. Как же работает стелс технология на самом деле?

Для начала стоит развеять главный миф, который касается определения. Чаще всего самолеты в конструкции, которых использовалась технология stealth называют «самолеты невидимки», отсюда родилось обывательское и представление о том, что вся суть в невидимости. Это не совсем так.

Как работает самолет невидимка

Так как впервые технология была применена в США, то термин stealth появился в английском языке, но переводится слово стелс как «хитрость», а by stealth — «незаметно для других» или «скрытно».

То есть, ни о какой невидимости речи нет даже в названии, значение слова «стелс» другое. Речь идет просто о скрытности или малой заметности.

Правильно говорить именно так «технология малой заметности» (low observable technology) или «технология снижения заметности в радиолокационном и инфракрасном диапазонах». Потому, что идея была именно в этом, все отлично понимали, что сделать самолет абсолютно невидимым невозможно.

Термин «самолет невидимка» это журналистский штамп, просто звучит круто, но к реальности отношения не имеет.

Как работает стелс технология на самом деле

Все меры, применяемые для уменьшения заметности можно разделить по нескольким направлениям. Это зависит от того, какие именно устройства мы хотим обмануть. Раньше, когда речь шла только о глазах наблюдателя, это был камуфляж. Сегодня, в первую очередь — радар.

Как обмануть радар

Любой объект становится видимым для радиолокационной станции (РЛС) только тогда, когда от него отразится электромагнитная волна и вернется к принимающей антенне.

Точно так же работают и наши глаза, разница только в том, что длинна волны видимого света находится в пределах 450-630 нанометров (0,000000001 метра), а частоты в пределе 690-405 Терагерц (тера — это 1 000 000 000 000, «триллион»).

Радиолокация использует те же электромагнитные волны, только с длинной волны от 0,02 до 0,3 метра с частотой от 1 до 3 Гигагерц (Гига 1 000 000 000 — «миллиард»). То есть, колебания на порядки отличающиеся по частотам и длине волн. Но это все те же волны и подчиняются они тем же законам.

Итак, чтобы обмануть радар, нужно не отражать его излучение. Есть две хитрости. Нужно либо использовать радиопрозрачный (для данного излучения) материал (например, углепластик или дерево) либо радиопоглощающий. Оба варианта возможны и даже применяются на практике очень давно. Но есть и третий, более хитрый подход.

Отражать куда угодно, но только не в направлении антенны радара. Для этого не нужно использовать специальные покрытия, можно обойтись изменением формы объекта.

Есть еще один очевидный способ — уменьшить размеры объекта, но о нем и рассказать особо нечего. Летальный аппарат меньшего размера, будет менее заметен, чем большего.

Конечно, важно еще и самому не «светится» — не излучать или излучать минимально. Проще всего этого достигнуть, отключив свой собственный радар.

Обмануть «тепловизор»

Второй тип излучения — инфракрасное. Обнаружить и сбить самолет можно используя его тепловой след, да и сам аппарат отличается по температуре от окружающей среды.

Температура газа в турбине двигателя может достигать 1700-1800 градусов Цельсия. А это значит, что обнаружить и атаковать такой летательный аппарат можно с дистанции десятков километров.

Но и противоядие, конечно, нашлось. Оно очевидно — снизить тепловое излучение самолета (или другой техники).

Для снижения заметности в радиолокационном диапазоне используют:

• специальное покрытие (радиопоглощающее или радиопрозрачное) и такие же детали в конструкции
• особую форму, отражающую радиоволны в другом направлении
• экранирование лопаток компрессора и турбины
• конструкцию, которая исключает появление «блестящих точек» (зон хорошо отражающих радиоволны)

Для снижения ИК заметности обычно используют:

• особую форму сопла двигателя, а также экранирование (чтобы снизить заметность с определенного направления, например, снизу)
• специальное топливо или примеси к нему

Ясно, что полностью исключить отражение радиоволн нельзя, так же как и превратиться в абсолютно черное тело (в инфракрасном диапазоне). Но это и не нужно. Даже если удастся снизить мощность сигнала вернувшегося к антенне или попавшего на матрицу инфракрасной ракеты, это поможет дольше оставаться не обнаруженным.

Напоминаю, что самолеты невидимки никто и никогда не собирался строить, инженеры всегда хотели создать малозаметный самолет, а не абсолютно невидимый.

Просто, малозаметный самолет или корабль может подобраться ближе, прежде чем его заметят. Его сигнатуру (радиолокационный «отпечаток» отраженного сигнала) будет сложнее отличить от помех. В этом и вся суть стелса (скрытности). Но это все поверхностное и простое объяснение технологии стелс. Дальше интереснее.

История

Радары для обнаружения самолетов и кораблей начали использовать еще во Второй мировой войне. Но в большинстве случаев, речь шла только о том, чтобы найти противника, а вот целиться и стрелять приходилось все равно пользуясь человеческим зрением.

Но радары совершенствовались, и вот уже появилась возможность наведения ракет на гораздо большей дистанции, чем позволяют глаза. Раньше быть незаметным помогал камуфляж, теперь, пятнистая окраска перестала быть защитой.

Первые попытки

Первым самолетом, где намеренно использовались принципы работы стелс-технологии, был легендарный Lockheed SR-71 Blackbird (Черный дрозд). Так как это был разведчик, малозаметным ему полагалось быть по определению.

Что именно применили в SR-71, какие методы и технологии малой заметности?

Во-первых — материалы. Впервые в авиации было использовано радиопоглощающее покрытие (и в виде ферромагнитной краски и в виде специально созданных для этого проекта материалов обшивки).

Первый радиопоглощающий материал был разработан в Германии во времена Второй мировой. Но применялся он для шноркеля (выхлопной трубы) подводных лодок, чтобы оставаться незаметными для противолодочной авиации союзников.

Также обращает на себя внимание фюзеляж особой формы, которая рассеивает отраженный сигнал и хвостовое оперение, которое было наклонено под углом больше 90 градусов к фюзеляжу.

Идеальным отражателем считается «уголковый», потому, что отражает сигнал строго в обратном направлении. Уголковый отражатель, это такая фигура, где все 3 плоскости перпендикулярны.

Один из самых простых приемов снижения радиолокационной заметности — избегать прямых углов.

Еще одна хитрость, в топливо SR-71 добавлялись специальные присадки, снижающие температуру выхлопа.

Но в первый раз получилось не очень. Проблема была в сути проекта. Разведчик SR-71 был самым быстрым не только в своем классе, а и вообще в мире.

Кстати, рекорд 3 529,56 км/час не побит и сегодня.

Поэтому слишком сильно изменить его форму было нельзя, иначе пострадала бы аэродинамика. А его потрясающая скорость считалась лучшей защитой, чем незаметность.

Но теперь на практике стало понятно, как работает технология стелс. Хорошо работает.

Первый Stealth

Второй попыткой стал Lockheed F-117 «Nighthawk» (разработанный той же компанией «Локхид Мартин»). Хоть в его названии и присутствует буква F, что обычно означает Fighter (истребитель), это был 100% фронтовой бомбардировщик.

В этот раз во главу угла была поставлена не скорость, а именно максимальная незаметность. Так началась целая новая эпоха «чистых» самолетов по технологии стелс.

В первую очередь в глаза бросается граненая форма бомбардировщика. Плоские грани отражают волны куда угодно, только не в направлении радара. Каждый может приложить линейку и, помня правило «угол падения равен угла отражения», проверить самостоятельно.

Тот же стелс-прием, только в меньших масштабах — пилообразные стыки кабины, и всего, что может открываться/закрываться. Это сделано по той же причине, рассеять сигнал который отразится от этой кромки.

Никаких лишних деталей, которые могли бы образовать угол в 90 градусов, нет. Все вооружение спрятано во внутреннем отсеке, внешний подвесок нет.

Воздухозаборники защищены решетками спереди и расположены над крылом, чтобы наземные РЛС не могли «заглянуть» в компрессор двигателя, лопатки которого прекрасно отражают радиоволны, а менять их форму или материал нельзя.

Тоже самое сзади, сопла двигателя находятся над крылом. И дополнительно прикрыты керамическими плитками, чтобы снизить нагрев. Но главная инновация — плоские сопла двигателя. Такая форма позволяет выхлопным газам охлаждаться гораздо быстрее, чем если бы сопло было круглой формы.

Конечно, не забыли и про ферромагнитную краску. Даже остекление кабины имело металлизированное покрытие, чтобы исключить отражение от внутренних частей кабины пилота.

Считается, что всеми этими приемами эффективную площадь рассеивания (ЭПР) удалось снизить до 0,025 квадратных метров.

ЭПР — это величина, показывающая площадь которая действительно отражает сигнал. Объект с ЭПР 2 квадратный метра будет иметь такую же заметность, для РЛС, как и кусок металла такой же площади. Стоит иметь в виду, что ЭПР с разных направлений будет разная. Обычно указывается минимальная, при «взгляде спереди».

Все в конструкции этого самолета было направлено на снижение радиолокационной заметности (и тепловой тоже), жертвовали всем: скоростью, управляемостью, боевой нагрузкой.

За свои летные качества 117-й получил прозвище «Wobblin Goblin» (Хромой гоблин). Инженеры отказались от использования собственного радара, чтобы не выдавать свое присутствие. Единственным оружием стали бомбы с лазерным наведением, а главной задачей — прорыв и подавление ПВО.

Вершина технологии

Следующим шагом стало создание стратегического бомбардировщика «невидимки». За дело взялась компания «Нортроп» (команда Локхид проиграла конкурс).

В этот раз самолет вообще не имел хвостового оперения, это было первое в мире настоящее летающее крыло. Все возможные инструменты и приемы малой заметности были использованы:

Размещение двигателей над крылом и плоские сопла. Специальная форма крыла, «чистые» обводы (без малейших выступающих частей, включая антенны, заклепки, решетки), крупные детали обшивки (чтобы снизить количество стыков), пилообразные стыки, плавное сопряжение с двигателями и «фюзеляжем» (и чтобы никаких прямых углов).

Впервые для снижения радиолокационной заметности были применены S-образные воздухозаборники, поэтому никаких решеток спереди на двигателях нет.

Зато сзади лопатки турбины прикрывает более хитрое устройство — радар-блокер. Естественно, были использованы радиопоглощающие материалы в конструкции, и такое же покрытие в виде краски, и даже спец-напыление для остекления кабины.

Единственное из признаков стелс-технологии не было — это наклонного хвостового оперения, ведь его тоже не было.

В случае с B-2 удалось обойтись без пугающих граненых поверхностей, крыло выглядит именно как крыло. Дело в том, что со времен 117-ого информационные технологии шагнули вперед и теперь появилась возможность расчета плавных криволинейных поверхностей (кривых второго порядка).

Современные «самолеты невидимки»

Программу F-117 окончательно закрыли в 2008 году, а основное финансирование прекратили еще раньше, перебросив на проект истребителей пятого поколения — ATF. Проверив на практике, как работает технология стелс на бомбардировщиках, взялись за истербители.

Истребитель, это не бомбардировщик, жертвовать летными характеристиками нельзя. Нужно быть быстрым, маневренным и малозаметным одновременно.

В этот раз в конкурентной борьбе участвовали сборные команды Lockheed + Boeing + General Dynamics с прототипов YF-22 и Northrop + McDonnell Douglas — YF-23. Инженеры из Локхид все таки выиграли первый приз и контракт на постройку 382 самолетов.

Правда, построено было гораздо меньше, всего 187 (не включая опытные экземпляры).

Для обеспечения малой заметности были использованы все известные стелс методы но без ущерба для аэродинамики:

• рассеивающая радиоволны форма
• плавное сопряжение крыла с фюзеляжем
• покрытия и материалы
• крупные детали
• минимально-возможные зазоры на стыках
• плоские сопла
• s-образные каналы воздухозаборников спереди и радар-блокеры сзади
• пилообразные створки….

Если посмотреть сверху на оба прототипа, заметно, что кромки крыла и хвостового оперения параллельны друг-другу. Тоже самое, при взгляде спереди, вертикальное хвостовое оперение параллельно линиям воздухозаборников. Все это служит той же задаче — снизить радиолокационную сигнатуру, отразив сигнал в сторону.

Если бы кромки были не параллельны, волна, отразившаяся от крыла и от хвостового оперения радиоволна, имела бы разное направление и часть сигнала могла бы вернуться обратно к антенне РЛС.

В общем, весь большой набор стелс-хитростей был использован. А в дополнение к уже описным трюкам добавился «беспереплетный» фонарь (на F-22) и большое количество используемых неметаллических материалов (углепластик, керамика и т. д.). По разным данным доля композитных материалов в конструкции составляет то ли 40% то ли 60%.

Не так просто дело обстояло с «младшим» истребителем F-35. Он проектировался сразу в трех модификациях. Одна из которых вертикального взлета и посадки.

Для чего нужно было поворачивать сопло единственного двигателя вниз, для создания тяги. А это, в свою очередь, не позволило использовать плоское сопло (потери в котором выше, чем в круглом). И беспереплеточного фонаря на F-35 тоже нет. Тем не менее весь остальной набор присутствует.

Сопло то круглое, но все же имеет зигзагообразный контур, и это сделано не для красоты.

Приемы снижения заметности

Конструкционные решения — стелс-формы:

• V-образное оперение. Отклоненное по большими, чем на 90 градусов (в идеале, его отсутствие)
• Приплюснутая форма фюзеляжа (лучше без фюзеляжа)
• Плавное сопряжение всех элементов конструкции (без углов 90 градусов)
• «Чистые» формы (без выступающих деталей)
• Крупные детали обшивки, снижающие количество стыков
• Точная подгонка деталей
• Пилообразные формы люков, створок и стыков
• Параллельные грани в разных проекциях
• Беспереплетный фонарь
• Внутренние отсеки для вооружения

Инженерные хитрости:

• S-образные воздухозаборники
• Радар-блокеры (решетки, крыльчатки)
• Специальный режим работы радара (LPI)

Использования материалов и покрытий:

• Радиопоглощающие покрытия (краски)
• Радиопоглощающие материалы в конструкции
• Радиопрозрачные материалы

Снижение инфракрасной заметности

• Плоские сопла, исходящий поток газов из которых остывает быстрее
• Смешение на выходе с потоками холодного воздуха, отобранными от двигателя
• Экранирование горячих зон конструкции с определенного направления
• Использование специальных материалов и покрытий быстро рассеивающих тепло
• Особые примеси для топлива или вещества, распыляемые за камерой сгорания, краткосрочно снижающие температуру газов

Не только США, не только самолеты

Американцы, безусловно, были первыми, но это совершенно не означает, что в других странах стелс-технологиям не уделяют внимания.

Свои собственные «невидимки» с разным успехом делают в России: ПАК-ФА/Су-57 и в Китае: J-20 и J-31. Китайцы, ожидаемо работают быстрее и уже поставили в свои войска эскадрилью, если не две.

Ведут разработки такие страны как:

• Япония (Mitsubishi X-2 Shinshin)
• Южная Корея (KAI KF-X)
• Великобритания (Tempest)
• Европейский консорциум (NGF)
• Швеция (SAAB Flygsystem 2020)
• Турция (TF-X)
• Иран (IAIO Qaher-313)

Во многих проектах используются только некоторые элементы технологий. Так, например, у французского «Рафаль» 25% массы и 30% площади — композитные материалы (экономия массы и, одновременно, снижение ЭПР), криволинейные воздухозаборники, впрыск в сопло смеси снижающей ИК-излучение и, конечно, элегантные формы с минимумом лишнего на поверхности.

Используют элементы стелс технологий в европейском Eurofighter Typhoon, в американском палубном F-18 Hornet и шведском JAS 39 Gripen.

Разрабатываются и уже приняты на вооружение крылатые ракеты с технологией стелс и даже бомбы малой заметности.

И не только в авиации можно встретить технологии снижения радиолокационной заметности. Ее можно встретить и на флоте, частично на наземной технике (в основном стараются снизить тепловую сигнатуру).

И, несмотря на все вышесказанное, все еще остаются люди заявляющие, что стелс — не работает и самолеты невидимки на самом деле видно. Технология работает, еще как работает, это ведь просто физика и чуть-чуть геометрия.

Конечно, это довольно закрытая и секретная тема, никто не сообщает настоящие значения эффективной площади рассеивания своих самолетов, а чтобы скрыть настоящее значение используются линзы Люнеберга значительно увеличивающие ЭПР, мало что известно и радиопоглощающем покрытии…

Множество споров возникает вокруг скрытности в связи с работой радара, тысячи мнений о качестве стелс-краски и целесообразности использования пластиковых деталей.

Почва для образования мифов о технологии стелс более чем питательная. Но факт остается фактом — тысячи ученых и инженеров по всему миру тратят свое время на то, чтобы еще немного уменьшить заметность военной техники. Неужели они бы занимались бессмысленной работой столько лет?