Стелс технологія

Насправді — це дуже проста ідея. Але вона обросла такими міфами, що в очах більшості здається чимось дуже складним, секретним і загадковим. Як же працює стелс-технологія насправді?

Для початку варто розвіяти головний міф, який стосується визначення. Найчастіше літаки, в конструкції яких використовувалася технологія stealth, називають “літаки-невидимки”, звідси й виникло уявлення про те, що вся суть у невидимості. Це не зовсім так.

F-22 “Raptor”

Літак-невидимка?

Що таке стелс? Оскільки вперше технологія була застосована в США, то термін stealth з’явився в англійській мові, але перекладається це слово як “хитрість”, а by stealth — “непомітно для інших” або “потай”.

Тобто, ні про яку невидимість мови немає навіть у назві, значення слова “стелс” інше. Мова йде просто про непомітність або малу помітність.

Правильно говорити саме так:

• технологія малої помітності” (low observable technology) або
• технологія зниження помітності в радіолокаційному та інфрачервоному діапазонах

Тому що ідея була саме в цьому, усі чудово розуміли, що зробити літак абсолютно невидимим неможливо.

Термін “літак-невидимка” — це журналістський штамп, просто звучить круто, але до реальності стосунку не має

Як працює стелс-технологія насправді

Усі заходи, що застосовуються для зменшення помітності, можна розділити за кількома напрямками.

Це залежить від того, які саме пристрої ми хочемо обдурити. Раніше, коли мова йшла лише про очі спостерігача, це був камуфляж. Сьогодні, перш за все — радар.

Як обдурити радар

Будь-який об’єкт стає видимим для радіолокаційної станції (РЛС) лише тоді, коли від нього відіб’ється електромагнітна хвиля і повернеться до приймальної антени.

Так само працюють і наші очі, різниця лише в тому, що довжина хвилі видимого світла знаходиться в межах 450-630 нанометрів (0,000000001 метра), а частоти радіолокатора в межах 690-405 Терагерц (тера — це 1 000 000 000 000, “трильйон”).

Радіолокація використовує ті ж електромагнітні хвилі, тільки з довжиною хвилі від 0,02 до 0,3 метра з частотою від 1 до 3 Гігагерц (Гіга 1 000 000 000 — “мільярд”).

Тобто, коливання на порядки відрізняються за частотами і довжиною хвиль. Але це все ті ж електромагнітні хвилі, і підкоряються вони тим самим законам.

Отже, щоб обдурити радар, потрібно просто не відбивати його випромінювання.

Є дві хитрощі:

1. Можна або використовувати радіопрозорий (для даного випромінювання) матеріал (наприклад, вуглепластик або дерево)
2. Або використовувати радіопоглинаючий матеріал

Обидва варіанти можливі і навіть застосовуються на практиці дуже давно. Але є й третій, хитріший підхід:

Відбивати куди завгодно, але тільки не у напрямку антени радара. Для цього не потрібно використовувати спеціальні покриття, можна обійтися зміною форми об’єкта.

F-35A. Ще один “невидимка”

Є ще один очевидний спосіб — зменшити розміри об’єкта, але про нього і розповісти особливо нічого. Літальний апарат меншого розміру буде менш помітним, ніж більшого.

Звичайно, важливо ще й самому не “світитися” — не випромінювати або випромінювати мінімально. Найпростіше цього досягти, вимкнувши власний радар.

Як обдурити “тепловізор”

Другий тип випромінювання — інфрачервоне. Виявити і збити літак можна, використовуючи його тепловий слід, та й сам апарат відрізняється за температурою від навколишнього середовища.

Температура газу в турбіні авіаційного двигуна може сягати 1700-1800 градусів Цельсія. А це означає, що виявити і атакувати такий літальний апарат можна з дистанції десятків кілометрів.

Але й протидія, звичайно, знайшлася. Вона очевидна — знизити теплове випромінювання літака (або іншої техніки).

Для зниження помітності в радіолокаційному діапазоні використовують:

• спеціальне покриття (радіопоглинаюче або радіопрозоре) і такі ж деталі в конструкції
• особливу форму, що відбиває радіохвилі в іншому напрямку
• екранування лопаток компресора і турбіни
• конструкцію, яка виключає появу “блискучих точок” (зон, що добре відбивають радіохвилі)

Для зниження ІЧ-помітності зазвичай використовують:

• особливу форму сопла двигуна, а також екранування (щоб знизити помітність з певного напрямку, наприклад, знизу)
• спеціальне паливо або домішки до нього

Ясно, що повністю виключити відбиття радіохвиль не можна, так само як і перетворитися на абсолютно чорне тіло (в інфрачервоному діапазоні). Але це й не потрібно.

Навіть якщо вдасться знизити потужність сигналу, що повернувся до антени або потрапив на матрицю інфрачервоної ракети, це допоможе довше залишатися невиявленим.

Пам’ятайте, літаки-невидимки ніхто й ніколи не збирався будувати, інженери завжди хотіли створити малопомітний літак, а не абсолютно невидимий.

Малопомітний літак або корабель може підібратися ближче, перш ніж його помітять, або швидше сховатися від переслідування противником.

Його сигнатуру (радіолокаційний “відбиток” відбитого сигналу) буде складніше відрізнити від радіозавад (фонового шуму). У цьому й вся суть стелсу в непомітності.

Але це все поверхневе і просте пояснення технології малої помітності. Далі цікавіше.

Історія технології стелс

Радари для виявлення літаків і кораблів почали використовувати ще під час Другої світової війни.

Але в більшості випадків мова йшла лише про те, щоб знайти противника, а от цілитися і стріляти доводилося все одно, користуючись людським зором.

Але радари вдосконалювалися, і ось уже з’явилася можливість наведення ракет на набагато більшій дистанції, ніж дозволяють очі. Раніше бути непомітним допомагав камуфляж, тепер плямисте забарвлення перестало бути захистом.

Перші спроби

Першим літаком, де навмисно використовувалися принципи роботи стелс-технології, був легендарний Lockheed SR-71 Blackbird (Чорний дрізд).

Оскільки це був розвідник, малопомітним йому належало бути за визначенням.

SR-71. Нахил хвостового оперення не випадковий

Що саме застосували в SR-71, які методи і технології малої помітності?

По-перше — матеріали. Вперше в авіації було використано радіопоглинаюче покриття (і у вигляді феромагнітної фарби, і у вигляді спеціально створених для цього проекту матеріалів обшивки).

Перший радіопоглинаючий матеріал був розроблений у Німеччині під час Другої світової. Але застосовувався він для шноркеля (вихлопної труби) підводних човнів, щоб залишатися непомітними для протичовнової авіації союзників.

Також звертає на себе увагу фюзеляж особливої форми, яка розсіює відбитий сигнал, і хвостове оперення, яке було нахилене під кутом більше 90 градусів до фюзеляжу.

Ідеальним відбивачем вважається “кутовий”, тому що відбиває сигнал строго у зворотному напрямку. Кутовий відбивач — це така фігура, де всі 3 площини перпендикулярні.

Один із найпростіших прийомів зниження радіолокаційної помітності — уникати прямих кутів.

Кутовий відбивач, принцип роботи

Ще одна хитрість. У паливо SR-71 додавалися спеціальні присадки, що знижували температуру вихлопу.

Але вперше вийшло не дуже. Проблема була в суті проекту. Розвідник SR-71 був найшвидшим не тільки у своєму класі, а й взагалі у світі.

До речі, його рекорд швидкості 3 529,56 км/год не побитий і сьогодні.

Тому занадто сильно змінити його форму було не можна, інакше постраждала б аеродинаміка. А його вражаюча швидкість вважалася кращим захистом, ніж непомітність.

Але тепер на практиці стало зрозуміло, як працює технологія “невидимості”. Добре працює.

Перший Stealth літак

Другою спробою став Lockheed F-117 “Nighthawk” (розроблений тією ж компанією “Локхід Мартін”). Хоч у його назві й присутня літера F, що зазвичай означає Fighter (винищувач), це був 100% фронтовий бомбардувальник.

Цього разу на чільне місце була поставлена не швидкість, а саме максимальна непомітність. Так почалася ціла нова епоха “чистих” літаків, створених за технологією стелс.

Американський літак-невидимка справді унікальний.

Перш за все в очі впадає гранована форма бомбардувальника. Плоскі грані відбивають хвилі куди завгодно, тільки не у напрямку радара.

Кожен може прикласти лінійку і, пам’ятаючи правило “кут падіння дорівнює куту відбиття”, перевірити самостійно.

Як досягається мала помітність? Геометрія!

Той же стелс-прийом, тільки в менших масштабах — пилоподібні стики кабіни і всього, що може відкриватися/закриватися. Це зроблено з тієї ж причини — розсіяти сигнал, який відіб’ється від цієї кромки.

Жодних зайвих деталей, які могли б утворити кут у 90 градусів, немає. Все озброєння сховано у внутрішньому відсіку, зовнішніх підвісок немає.

Повітрозабірники захищені решітками спереду і розташовані над крилом, щоб наземні РЛС не могли “заглядати” у компресор двигуна, лопатки якого чудово відбивають радіохвилі, а змінювати їх форму або матеріал не можна.

F-117A. Перший справжній “Стелс”

Те саме ззаду, сопла двигуна знаходяться над крилом. І додатково прикриті керамічними плитками, щоб знизити нагрівання.

Але головна інновація — плоскі сопла двигуна. Така форма дозволяє вихлопним газам охолоджуватися набагато швидше, ніж якби сопло було круглої форми.

Звичайно, не забули й про феромагнітну фарбу. Навіть скління кабіни мало металеве покриття, щоб виключити відбиття від внутрішніх частин кабіни пілота.

Вважається, що всіма цими прийомами ефективну площу розсіювання (ЕПР) вдалося знизити до 0,025 квадратних метрів.

ЕПР — це величина, що показує площу, яка дійсно відбиває сигнал. Об’єкт з ЕПР 2 квадратних метри матиме таку саму помітність для РЛС, як і шматок металу такої ж площі. Варто мати на увазі, що ЕПР з різних напрямків буде різна. Зазвичай вказується мінімальна, при “погляді спереду”.

Все в конструкції цього літака було спрямовано на зниження радіолокаційної помітності (і теплової теж), для цього жертвували усім: швидкістю, керованістю, бойовим навантаженням.

За свої льотні якості 117-й отримав прізвисько “Wobblin Goblin” (Кульгавий гоблін). Інженери відмовилися від використання власного радара, щоб не видавати свою присутність. Єдиною зброєю стали бомби з лазерним наведенням, а головним завданням — прорив і придушення ППО.

Вершина технології — B-2

Наступним кроком стало створення стратегічного бомбардувальника-“невидимки”. За справу взялася компанія “Нортроп” (команда Локхід програла конкурс).

Цього разу літак взагалі не мав хвостового оперення, це був перший у світі справжнє літаюче крило. Усі можливі інструменти і прийоми малої помітності були використані:

1. Розміщення двигунів над крилом і плоскі сопла.
2. Спеціальна форма крила, “чисті” обводи (без найменших виступаючих частин, включаючи антени, заклепки, решітки)
3. Великі деталі обшивки (щоб знизити кількість стиків)
4. Пилоподібні стики там де вони є
5. Плавне сполучення з двигунами і “фюзеляжем” (і щоб жодних прямих кутів)

Гладкі форми B-2 і решітки, стики, антени F-15

Вперше для зниження радіолокаційної помітності були застосовані S-подібні повітрозабірники, тому жодних решіток спереду на двигунах немає.

Зате ззаду лопатки турбіни прикриває хитріший пристрій — радар-блокер.

Радар-блокер

Радар-блокер — це такий пристрій, який допомагає приховати лопатки турбіни або компресора.

Зрозуміло, що змінити форму лопаток на користь малопомітності неможливо, двигун просто перестане нормально працювати. І покривати їх радіопоглинаючими матеріалами марно — або висока температура в турбіні, або великі динамічні навантаження це покриття знищать.

Тому інженери віддають перевагу ставити додаткові крильчатки до компресора або після турбіни, щоб сховати лопатки або перевідбивати радіохвилі в інший бік.

Природно, були використані радіопоглинаючі матеріали в конструкції, і таке ж покриття у вигляді фарби, і навіть спеціальне напилення для скління кабіни.

Радіопоглинаюче покриття бережуть, ходять тільки в бахілах

Єдиної і ознак стелс-технології не було — нахиленого хвостового оперення, адже його теж не було.

У випадку з B-2 вдалося обійтися без лякаючих гранованих поверхонь, крило виглядає саме як крило.

Справа в тому, що з часів 117-го інформаційні технології зробили крок вперед, і тепер з’явилася можливість розрахунку плавних криволінійних поверхонь (кривих другого порядку).

Сучасні “літаки-невидимки”

Програму F-117 остаточно закрили у 2008 році, а основне фінансування припинили ще раніше, перекинувши на проект винищувачів п’ятого покоління — ATF. Перевіривши на практиці, як працює технологія стелс на бомбардувальниках, взялися за винищувачі.

Прототипи. YF-22 від Lockheed/Boeing і YF-23 від Nortrop. На цьому фото добре видно паралельність граней крила і хвостового оперення

Винищувач — це не бомбардувальник, жертвувати льотними характеристиками не можна. Потрібно бути швидким, маневровим і малопомітним одночасно.

Цього разу у конкурентній боротьбі брали участь збірні команди Lockheed + Boeing + General Dynamics з прототипом YF-22 і Northrop + McDonnell Douglas — YF-23. Інженери з Локхіда все-таки виграли перший приз і контракт на будівництво 382 літаків.

F-22 Raptor. Плоскі сопла двигуна

Правда, побудовано було набагато менше, всього 187 (не включаючи досвідчені екземпляри).

Для забезпечення малої помітності були використані всі відомі методи підвищення скритності, але без шкоди для аеродинаміки:

• розсіювальна радіохвилі форма
• плавне сполучення крила з фюзеляжем
• покриття і матеріали
• великі деталі
• мінімально можливі зазори на стиках
• плоскі сопла
• s-подібні канали повітрозабірників спереду, радар-блокери ззаду
• пилоподібні стулки люків….

Якщо подивитися зверху на обидва прототипи, помітно, що кромки крила і хвостового оперення паралельні один одному. Те саме, при погляді спереду — вертикальне хвостове оперення паралельне лініям повітрозабірників.

Все це служить тій самій задачі — знизити радіолокаційну сигнатуру, відбивши сигнал “кудись убік”.

F-22 спереду, паралельність ліній хвостового оперення і повітрозабірників

Якби кромки були не паралельні, рдіохвиля, що відбилася від крила і від хвостового оперення, мала б різний напрямок, і частина сигналу могла б повернутися назад до антени РЛС.

YF-23 Black Widow

Загалом, весь великий набір стелс-хитрощів був використаний. А на додаток до вже описаних трюків додався “безпереплетний” ліхтар кабіни (на F-22) та велика кількість використаних неметалічних матеріалів (вуглепластик, кераміка тощо).

За різними даними, частка композитних матеріалів у конструкції становить то 40%, то 60%.

Не так просто справи обстояли з “молодшим” винищувачем F-35. Він проектувався одразу у трьох модифікаціях, одна з яких – вертикального зльоту та посадки.

Для цього потрібно було повертати сопло єдиного двигуна вниз для створення тяги. Це, у свою чергу, не дозволило використати плоске сопло (втрати в якому вищі, ніж у круглому).

І безпереплетного ліхтяря на F-35 теж немає. Проте весь інший набір присутній.

F-35, видно всі ознаки “літака-невидимки”

Сопло хоча й кругле, але має зигзагоподібний контур, і це зроблено не для краси.

Прийоми зниження помітності

Конструкційні рішення – стелс-форми:

• V-подібне оперення. Відхилене більш ніж на 90 градусів (в ідеалі – його відсутність)
• Сплощена форма фюзеляжу (краще без фюзеляжу)
• Плавне сполучення всіх елементів конструкції (без кутів 90 градусів)
• “Чисті” форми (без виступаючих деталей)
• Великі деталі обшивки, що зменшують кількість стиків
• Точна підгонка деталей
• Пилоподібні форми люків, стулок і стиків
• Паралельні грані у різних проекціях
• Безпереплетний ліхтар
• Внутрішні відсіки для озброєння

Інженерні хитрощі:

• S-подібні повітрозабірники
• Радар-блокери (решітки, крильчатки)
• Спеціальний режим роботи радара (LPI)

Використання матеріалів і покриттів:

• Радіопоглинаючі покриття (фарби)
• Радіопоглинаючі матеріали у конструкції
• Радіопрозорі матеріали

Зниження інфрачервоної помітності

• Плоскі сопла, вихлоп газів з яких охолоджується швидше
• Змішування на виході з потоками холодного повітря, відібраними від двигуна
• Екранування гарячих зон конструкції з певного напрямку
• Використання спеціальних матеріалів і покриттів, що швидко розсіюють тепло
• Особливі домішки до палива або речовини, що розпилюються за камерою згоряння для тимчасового зниження температури газів

Не тільки США, не тільки літаки

У Су-57 є не всі елементи малої помітності (старі двигуни)

Американці, безперечно, були першими, але це зовсім не означає, що в інших країнах стелс-технологіям не приділяють уваги.

Свої власні “невидимки” з різним успіхом роблять у Росії: ПАК ФА/Су-57 та у Китаї: J-20 та J-31. Китайці, як і очікувалося, працюють швидше і вже поставили до своїх військ ескадрилью, якщо не дві.

Південна Корея, Японія і навіть Туреччина також застосовують ті самі принципи у конструкції своїх перспективних винищувачів.

І так добре застосовують, що з першого погляду відрізнити корейський KF-21 Boramae від турецького KAAN дуже-дуже складно. Всі вони дуже схожі зовні на F-22.

Китайський J-20 спроектований за схемою “качка”, деякі “експерти” стверджують, що це суперечить малій помітності

Розробки ведуть такі країни як:

• Японія (Mitsubishi X-2 Shinshin)
• Південна Корея (KAI KF-21)
• Великобританія (Tempest)
• Європейський консорціум (NGF)
• Швеція (SAAB Flygsystem)
• Туреччина (TF-X, KAAN)
• Іран (IAIO Qaher-313)

У всіх них багато спільного

У багатьох проектах використовуються лише деякі елементи технологій.

Так, наприклад, у французького “Рафаля” 25% маси та 30% площі – композитні матеріали (економія маси та одночасно зниження ЕПР), криволінійні повітрозабірники, упорскування у сопло суміші, що знижує ІК-випромінювання, і, звичайно, елегантні форми з мінімумом зайвого на поверхні.

Французький Rafale та його S-подібні повітрозабірники

Елементи стелс-технологій використовують у європейському Eurofighter Typhoon, американському палубному F-18 Hornet та шведському JAS 39 Gripen.

Японський малопомітний прототип – X-2. Родич усіх попередніх

Розробляються і вже прийняті на озброєння крилаті ракети з технологією малої помітності та навіть бомби малої помітності.

Малопомітна крилата ракета AGM-158 поруч з малопомітним F-35

І не тільки в авіації можна зустріти технології зниження радіолокаційної помітності. Їх можна зустріти і на флоті, частково на наземній техніці (в основному намагаються знизити теплову сигнатуру).

Шведський корвет-“невидимка” класу “Вісбю”

І, незважаючи на все вищесказане, досі залишаються люди, які стверджують, що стелс – не працює і літаки-невидимки насправді видно.

Технологія працює, ще як працює, адже це просто фізика і трохи геометрія.

Звичайно, це досить закрита і секретна тема, ніхто не повідомляє справжні значення ефективної площі розсіювання своїх літаків, а щоб приховати справжнє значення, використовуються лінзи Люнеберга, що значно збільшують ЕПР, мало що відомо і про радіопоглинаючі покриття…

Безліч суперечок виникає навколо скритності у зв’язку з роботою радара, тисячі думок про якість стелс-фарби та доцільність використання пластикових деталей.

Грунт для виникнення міфів про технологію стелс більш ніж родючий. Але факт залишається фактом – тисячі вчених і інженерів по всьому світу витрачають свій час на те, щоб ще трохи зменшити помітність військової техніки. Невже вони займалися б безглуздою роботою стільки років?