Снижение заметности в ИК-диапазоне беспилотных летательных аппаратов



Авторы предлагают к рассмотрению снижение заметности БПЛА в ИК-диапазоне на основе законов теплового излучения.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, тепловое излучение, заметность.

В условиях ведения специальной военной операции (СВО) в РФ параллельно возникли две задачи: 1) разработка и усовершенствование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА); 2) обнаружение, подавление и защита от БПЛА противника, так как эти устройства создают разнообразные риски (шпионаж, проведение террористических актов, угроза аварийности гражданских объектов). Для решения данной проблемы применяют четыре современных метода на основе разных физических закономерностей: акустический, электромагнитный (радиочастотный), оптический и тепловой.

Известно [1, c. 91], что при разработке воздушных судов необходимо учитывать наличие у них средств заметности с целью уменьшения демаскирующих признаков. Это относится и к БПЛА, имеющим небольшие скорости движения и перемещающимся на большие расстояния.

Наиболее труднодостижимым качеством БПЛА является тепловая малозаметность нагретого двигателя. Тепловое излучение как вид электромагнитного излучения испускается веществом. Оно возникает за счет энергии хаотического движения микрочастиц и их взаимодействия при температурах, выше абсолютного нуля. Раскаленные выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания БПЛА имеют высокую температуру и становятся источником тепла летательного аппарата, который приводит к нарушению его незаметности для средств слежения в инфракрасном диапазоне.

Современные тепловые комплексы обнаружения БПЛА фиксируют в инфракрасном диапазоне частот их полётные тепловые сигнатуры. Однако это оборудование имеет небольшой радиус действия и пока не может фиксировать БПЛА, конструкция которых содержит электродвигатель и пластиковый корпус. К тому же дальность обнаружения БПЛА зависит от метеоусловий окружающей среды, в частности от влажности воздуха. Движение БПЛА в облаках невозможно увидеть в инфракрасном диапазоне.

Согласно закону смещения В. Вина в температурном диапазоне от 737 ⁰ С до 1727 ⁰ С частоты теплового излучения тела находятся в пределах от 103,4 ТГц до 206,9 ТГц. В этом интервале частот функционируют инфракрасные головки самонаводящихся ракет [2, с. 84].

Одной из характеристик теплового излучения является степень (коэффициент) черноты, которая на основании закона Стефана-Больцмана устанавливает отношение энергии теплового излучения тела к аналогичной физической характеристике абсолютно черного тела.

Существуют несколько вариантов уменьшения тепловой заметности:

1) экранирование теплового излучения нагретых частей БПЛА в необходимом диапазоне частот с использованием различных покрытий [3–4]. Недостатком данного усовершенствования является низкая термическая и механическая долговечность поверхностного слоя и их селективность;

2) введение в покрытие сплошной металлической пленки [5] с целью поглощения теплового излучения во всем оптическом диапазоне электромагнитных волн. Недостаток этого подхода — сильный нагрев в результате поглощения излучения в отсутствии переизлучения в других диапазонах частот.

3) введение в покрытие двух функциональных слоев серебра [6, с. 122], создающих защиту для волн инфракрасного диапазона с частотой 394 ТГц. Однако такой способ защиты является дорогостоящим и больше подходит для летательных аппаратов больших размеров. Как показано в работе [6, с.124] при таких частотах БПЛА головками самонаводящихся ракет, совершенствование которых идет быстрыми темпами, пока не обнаруживается.

4) использование материалов частей конструкции БПЛА с малым коэффициентом черноты (таблица 1).

Таблица 1

Степень черноты некоторых конструкционных материалов БПЛА [7]

Материал	Степень черноты	Материал	Степень черноты
Полированный алюминий	0,039–0,057	Титановые сплавы	0,12–0,14
Полированный никель		Сталь листовая	0,50–0,57
По нормали Под углом 85 0	0,045 0,140	Углепластик	0,74–0,90
Окисленный алюминий	0,110–0,190	Пластмассы	0,94

Композиционные материалы, применяемые для изготовления БПЛА, имеют лучшую весовую эффективность (30–40 %) по сравнению металлическими аналогами [8, с. 59]. Однако как видно из таблицы 1, степень черноты углепластиков высока. Следовательно, его использование повышает тепловую заметность БПЛА.

Нужно отметить (таблица 1), что угол визирования поверхности также оказывает влияние на соблюдение тепловой заметности. Следовательно, изотермические поверхности БПЛА в разных направлениях излучают неодинаковую энергию, позволяя ИК устройствам разведки противника получать изображение летательного аппарата.

При использовании электродвигателя учитывается его допустимая температура согласно техническому паспорту. У одних модели нормой нагрева является 100 ⁰ С, у других — 60 ⁰ С.

Рассчитаем тепловую мощность, испускаемую элементом поверхности площадью БПЛА, имеющего электродвигатель, в интервале температур от 20 ⁰ С до 100 ⁰ С.

Для её определения воспользуемся законом Стефана-Больцмана с учетом степени черноты

материала, из которого изготовлен элемент БПЛА:

.(1)

Представим интегральную светимость тела R через мощность излучения Ф, проходящего через поверхность площадью S:

(2)

Следовательно, тепловая мощность Ф , испускаемая элементом поверхности БПЛА, определяется выражением:

(3)

В таблице 2 представлены рассчитанные величины тепловой мощности элемента поверхности, выполненной из полированного алюминия и углепластика в интервале температур от 20 ⁰ С до 100 ⁰ С.

Таблица 2

Тепловая мощность [Вт], излучаемая элементом материала (полированный алюминий, углепластик) БПЛА с электродвигателем

Материал	Температура, 0 С
	20	40	60	80	100
Полированный алюминий	33,4	43,5	55,8	70,4	87,8
Углепластик	618,5	805,4	1031,8	1303,0	1624,4

Как видно из таблицы 2, тепловая мощность излучения элемента поверности БПЛА, выполненого из полированного алюминия не превышает тепловой мощности лампы накаливания мощностью 100 Вт, а из углепластика превосходит значительно, являясь демаскирующим фактором.

Таким образом, при разработке и усовершенствовании БПЛА следует использовать материалы, позволяющие снизить тепловую заметность в ИК-диапазоне электромагитного спектра.

Литература:

1. Тулумджьян Р. В. Снижение демаскирующих признаков воздушных судов военно-транспортной авиации с двухконтурными турбореактивными двигателями // Форум молодых ученых.— 2023. — Выпуск 2 (78). — 91–96 с.
2. Меньшаков Ю. К. Основы защиты от технических разведок. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. — 2011. — 478 с.
3. Евстропьев С. К., Киселев В. М., Матвеенцев А. В. Композиция для светопоглощающего покрытия. Патент РФ 2669097 С2 (08.10.2018); C09D 5/32(2006.01); C09D 175/04(2006.01); C01G 21/21(2006.01).
4. Craighead H. G., Howard R. E. Light-absorbing materials. Patent USA 4284689 (опубл. 18.08.1981); F24J 2/00 (20060101); F24J 2/48 (20060101).
5. Quesnel E., Chaton P. Light absorbing coating with high absorption capacity. Patent USA 6335142 B1 (01.01.2002; G11B 7/135; G02B 5/28; G02B 5/00.
6. Копейкин И. А., Базарский О. В. Снижение тепловой заметности летательных аппаратов: Сб. статей VIII нпк «Молодёжные чтения, посвященные памяти Ю. А. Гагарина». Современные проблемы естествознания. Инженерный анализ объектов обеспечения авиации. — Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2023. — С. 122–124.

7. Таблица степени черноты в зависимости от материала поверхности. — URL: https://dpva.ru/Guide/GuidePhysics/ GuidePhysicsHeatAndTemperature/EmmisionCoefficients/EmmisionCoefficientsTable01/

8. Сенюшкин, Н. С. Применение композиционных материалов в конструкции БПЛА / Н. С. Сенюшкин, Р. Р. Ямалиев, Л. Р. Ялчибаева. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2011. — № 4 (27). — Т. 1. — С. 59–61.