Кто не спрятался – я не виноват (история скрытности в авиации)

в 18:56, , рубрики: авиация, Научно-популярное

В описаниях современных боевых самолётов «малозаметный» — чуть ли не самая значимая характеристика. Важная и интересная. Под катом попытка описать историю и разные аспекты малозаметности. Картинок будет довольно много, но не жалуйтесь, авиация — это красиво.
Итак, пройдёмся от image до image

Рыцари без страха и упрёка

Первоначально пилоты так гордились своей исключительностью, что скрывать своё присутствие в воздухе им и в голову не приходило. Наоборот, как в истории с Рихтгофеном, старались поярче себя обозначить.
image
Но, как только авиация стала настоящей угрозой и их начали регулярно сбивать, выжившие герои озаботились скрытностью. С тех пор малозаметность всех видов: акустическая, оптическая, тепловая, радио, – непрерывно совершенствовалась.

Я попробую, примерно следуя истории вопроса, кратко изложить основы и виды скрытности. Благо они, основы на удивление просты. В отличие от реализации.

Не ходи подслушивать песенки заветные

Самолёт можно услышать издалека по звуку двигателя и, конечно, это использовали, и вполне всерьёз. Чтобы лучше улавливать звук и особенно направление на него, использовали специальные устройства-концентраторы. От небольших и мобильных:
image
До огромных стационарных в Британии:
image
В том или ином виде акустические пеленгаторы были во всех армиях, а потом – исчезли. Самолёты стали намного шумнее и… намного скрытнее. Причина — скорость полёта. Сверхзвуковой самолёт вообще не слышно, пока он мимо не пролетит и, если он летит высоко и быстро, звук дойдёт до нас, когда будет уже поздно. Даже дозвуковой, но быстрый, самолёт станет слышно, когда он уже слишком близко. Кроме того, звуковая пеленгация не давала достаточной точности, особенно, если самолёт был не один.

Куда чаще самолёт в небе ищут, конечно, в оптическом, инфракрасном и радио-диапазонах. Рентген и гамма-излучение не рассматриваем, они слишком быстро поглощаются воздухом и дальность слишком мала (очевидно, но вдруг кто спросит).

Вы лежите на газоне, и Вас не видно

Скрытность оптическая, в видимом диапазоне, применяется с давних пор, и не только людьми.
image
Подобно рыбам, самолёты обзавелись светлым брюшком и тёмной спинкой, как этот Як-3:
image
То, что низ делали именно голубым, а верх чаще зелёным – на самом деле не так важно. Для машин, летающих низко (штурмовики, вертолёты) такой подход сохранился и развился до деформирующих изображение пятен. Но для тех, кто летает повыше, камуфляжная окраска не так важна, так что большинство боевых самолётов просто серые.
Что-либо более серьёзное сделать на современном техническом уровне нереально. Способы сделать предмет принципиально невидимым в оптике, как ни странно, существуют. Но, по множеству причин, они вряд ли доберутся до авиационной реализации, так что перейдём к методам обнаружения и, конечно, скрытности, вне видимого света.

Ей тотчас показалось, что она чует, слышит этот мягкий, теплый дух

Двигатель не только шумен, но и горяч, нужно только уметь увидеть. И нужно уметь скрывать его горячность.
Проблемы заметности раскалённых частей двигателя появились рано, в эпоху поршневых двигателей и начала ночных боевых вылетов. Выхлопные патрубки раскаляются до яркого красного свечения, да и выхлопные газы светятся ночью синевой. Довольно часто вражеский ночной бомбардировщик обнаруживался по свечению выхлопа и выпускных патрубков. Потому у самолётов, специально предназначенных для ночной работы, изменяли выхлопные коллекторы, ставили теплозащитные щитки.

Но всерьёз вопросом экранирования горячих частей и выхлопа занялись, конечно, после распространения ракет с ИК (тепловыми) головками самонаведения.
image
Для вертолётов, например, обычным стало смешивание выхлопа с наружным воздухом. Так и сопло становится невидимым, и струя уже не такая горячая. Такими экранно-выхлопными устройствами снабжены Ми-24:
image

Для самолётов ЭВУ вертолётного типа не пригодны, ведь именно горячая струя даёт тягу. У первых реактивных самолётов с этим вообще ничего нельзя было поделать — не хватало запаса тяги.
Со временем двигатели стали ещё мощнее, зато стали и двухконтурными, где выхлопные газы смешиваются с потоком относительно холодного воздуха внешнего контура.
image
Но проблема не исчезла: на степень двухконтурности и, соответственно, на степень охлаждения накладывает ограничение скорость полёта. Чем планируемая скорость полёта выше – тем меньше эффективная степень двухконтурности. При работе двигателя на форсаже говорить об охлаждении струи и вовсе смысла нет.

Есть и другие решения. Можно изменить сечение струи, сделать её плоской. Из-за большей поверхности такая струя быстрее охлаждается и быстрее рассеивается. Вот, например, сопла F-22:
image
Решение сложное и весьма невыгодное с точки зрения тяги двигателя, так что применяется редко, на, можно сказать, экстремальных аппаратах. Экстремальнее F-117, наверно, уже некуда:
image

Не забыт, конечно, и старый добрый способ загородить чем-нибудь самые горячие части. Например, у В-2 видно и стремление сделать струю плоской, и уменьшить её видимость снизу:
image
Аналогичное решение планировалось и для YF-23 (конкурента F-22):
image
Одновременно двигатель экранируется от радиоволн, так что пора перейти и к незаметности для радиолокаторов? Нет, погодите ещё немного, есть же ещё УФ-диапазон.

Солнце, прищурившись, смотрит лукаво

Обнаружение в ультрафиолетовом диапазоне отличается от прочих — цель не освещают и ловят отражение, а наблюдают как тень на фоне светящегося ультрафиолетом неба. Таким свойством, обладали, например, головки самонаведения у FIM-92 «Stinger»
image
Ещё больше прятаться — некуда, самолёт и так выглядит чёрным пятном. Приходится поступать наоборот, светить УФ-фонарями, отстреливать ловушки. В общем, непросто. Как самостоятельный способ прицеливания УФ-наведение не годится, но в сумме с другим методами — очень неприятная штука.

Глаза не прячь, я вижу всю тебя насквозь

Как ни перечисляй методы обнаружения и скрытности, ничто не сравнится по дальности действия и независимости от погодных условий с радиолокатором. Отсюда и значение, которое придают радиолокационной малозаметности.

Сразу скажу: есть локаторы, против которых мелкие уловки не срабатывают. Волны [много]метровой длины, отражаются от самолёта как целого, и, какие там подробности у его формы – не слишком важно. Даже за горизонтом засекут, что «где-то там что-то летит». К сожалению для зенитчиков и к счастью для самолётчиков, эти локаторы только для обнаружения и годятся, прицеливание с их помощью производить не получится, точность не та.

аналогия из автозвука

Пищалки, динамики высоких частот, нужно направлять точно в сторону слушающего, иначе толку не будет. Среднечастотные динамики уже можно разместить просто в салоне. А вот низкочастотный сабвуфер хоть в багажник клади, всё равно человек «бум-бум» услышит, а направление определить не сможет.

Бороться с локаторами начали почти сразу с началом их применения, выставляя «щит» из нарезанной фольги. За войну только американцы сбросили над Германией больше сорока тысяч тонн фольги. В одном налёте сбрасывалось до 2,5 млн. пачек по 2000 лент в каждой. Пять миллиардов! Длина одной полоски доходила до 120 м соответственно длине волны, используемой локатором. Были и специальные самолёты постановщики активных радиопомех. Действия, более, чем масштабные, но очень общие, «загородить всё». Потому хорошо прятать так одиночный самолёт сложно и дорого.
Для точного прицеливания по конкретному самолёту подходят локаторы с длиной волны поменьше. И начинает играть роль размер, форма и свойства поверхностей самолёта. Короче говоря, мы добрались до главного.

Предшественники

Несколько десятилетий перед конструкторами реактивных самолётов стояли задачи и поважнее радиоскрытности: скорость, высота, маневренность… Неожиданность появления пытались обеспечить высокой скоростью полёта. Например, «сотка» Т-4 должна была выдавать свыше 3000км/час:
image
как и XB-70 Valkyrie:
image
Или малой высотой, полётом в режиме огибания поверхности, как В-1В:
image
Обратите внимание, передние «крылышки» у В-1В малы, потому это не стабилизатор для всего самолёта, а гасители тряски пилотской кабины при полёте вблизи земли.

Самолёты, сами по себе малозаметные для локаторов, существовали, что с удовольствием отмечалось, но специального развития их свойства до поры до времени не получали.
Наиболее ярко незаметность была заметна (паrдон за каламбур) у самолётов со схемой «летающее крыло», например, вот как выглядит Avro «Vulcan» в сравнении с В-52:
image
Для радиолокаторов Vulcan был не более заметен, чем небольшой истребитель. Один истребитель, любой.
image
Но вот другое «летающее крыло», B-35, таким чудным свойством не обладало, хотя было даже более прилизанным на вид:
image
Почему? Разберём чуть дальше. А пока ещё один предшественник, который уже обладал многими чертами настоящих невидимок, ведь разведчику необходимо быть скрытным. Любуйтесь, самый быстрый из бывших в серии самолётов, SR-71:
image
Отличие современных «настоящих стелсов» от него в том, что в годы его разработки (1960-е) невозможно было выполнить расчёты современного уровня, и радиопоглощающих покрытий не было. Впрочем, на таких скоростях мало какое покрытие уцелеет.

Итак, самое время разобраться в составляющих скрытности. В самых общих, конечно, чертах.

Невидимость широкими мазками

Чтобы уменьшить радиолокационную заметность, нужно сначала разобраться, почему именно он заметен, простого «луч отражается» — недостаточно. Короче говоря, нужен серьёзный научный вклад. Одно из первых серьёзных исследований дифракции радиоволн, повлиявшее на всё последующее развитие, сделал наш (а потом американский) учёный, Петр Уфимцев. В 1962 году, вполне открыто, в издательстве «Советское радио» вышла его книга. Она, как и другие работы на эту тему, полна математики, мы же попытаемся свести всё к нескольким грубым упрощениям.
Картина отражений весьма сложна, но основные нарушители скрытности известны:
• Уголковый отражатель
• Яркая точка
• Отражение от плоской поверхности, стоящей поперёк луча.
• Отражение от границы

Уголковый отражатель

Уголковый отражатель, он же катафот, всем хорошо знаком по автомобилям, велосипедам, светоотражающей краске и так далее:
image
Суть проста, луч отражается несколько раз и уходит назад, туда, откуда его испустили:
image
Уголковый отражатель идеален для того, чтобы увеличить заметность. И не обязательно для этого быть классической коробочкой из зеркал. Его роль может сыграть любая яма, к примеру, пилотская кабина. Фонарь самолёта для радиолучей практически прозрачен, кабина – ящик с металлическими стенками, чем не уголковый отражатель?
Ящик закрывают, покрывая фонарь тонким слоем металла, не мешающим лётчику смотреть, но прячущим кабину от локатора. Чаще всего используют покрытия из прозрачных проводников вроде оксида индия-олова, хотя иногда пишут и о тонком золотом слое. Из-за таких покрытий фонари современных боевых самолётов в зависимости от освещения выглядят золотистыми, коричневатыми, серыми, фиолетовыми…, вот пример F-16:
image
Другой вид уголкового отражателя получается в «подмышках», образуемых фюзеляжем и крылом.

С этим борются, размещая крыло внизу. Заметность сверху растёт, но это не так важно, как заметность снизу. Поэтому все «стелсы» – низкопланы. Ещё лучше интегральная схема, когда крыло плавно переходит в фюзеляж, как у Ту-160:
image
Заметно, что Ту-160, как и прародитель его формы, В-1 (да-да, «законы аэродинамики», я помню), не идеально прячется, гондолы двигателей образуют уголки-отражатели.

Примером самолёта с заявленной скрытностью может служить Миг-1.42 (1.44). Но, посмотрите – какая уж тут скрытность? Ковшовые воздухозаборники, щель для слива пограничного слоя, зуб на стабилизаторе, киль, продолженный под стабилизатор, выступающая механизация на нижней поверхности крыла:
image

Яркая точка

Снова в темноту, снова берём фонарик и светим на глобус. С какой бы стороны мы не зашли – увидим в центре светлое пятно.
image
Как ни крути, на шаре всегда будет место, перпендикулярное нашему лучу и отражающее его к нам назад. Это и есть «яркая точка».

Но что шар, яркую точку может обеспечить любая выпуклая поверхность. Этим выпуклости хуже плоскостей. Плоскость тоже может отразить точно назад, но только если направление луча перпендикулярно плоскости. Для пролетающего самолёта это означает, что он только на секундочку блеснёт ярко, а потом станет почти невидим. А выпуклость будет блестеть совсем не так ярко, зато с любого направления.

Самый простой пример выпуклости – крыло. Оно ведь не плоское в профиль:
image
Выход, казалось бы, есть. Профили, плоские снизу, не просто известны, но и широко распространены. Вот, к примеру, широко известный Clark-Y:
image
Верхняя дужка выпуклая… Не беда, можно и верхнюю дужку провести ломаной линией. Беда, конечно, будет с аэродинамикой, на таком крыле летать нелегко. Но есть пример и такого самолёта, это F-117, за внешний вид и неустойчивый полёт получивший кличку «Wobblin' Goblin» (шатающийся гоблин):
image

Отражение от плоской поверхности

Уже было упомянуто, что плоскость, стоящая поперёк луча, отразит его назад, и отразит неплохо. И было сказано, что время наблюдения будет очень малым, зайчик отражения пробежит убежит подальше от принимающей антенны даже шустрее, чем самолёт летит.

Но есть, есть такие плоскости, которые вечно поворачиваются плашмя. Имя им – лопасти. Лопасть вращается, угол, под которым она к нам повёрнута, всё время меняется. За время оборота угол обязательно окажется и прямым. На долю секунды, но тут же возникнет засветка от другой лопасти, третьей… Причём эффект этот, аналогично яркой точке, проявляется с самых разных направлений. А ведь лопасти есть не только у винтовых самолётов и вертолётов, у компрессоров и турбин реактивных двигателей лопастей более, чем достаточно.

С вертолётами и винтовыми самолётами уже ничего не поделать, незаметность для них невозможна (выше писал о В-35, гладкое летающее крыло, но…). А вот с реактивными движками можно что-нибудь придумать, они же маленькие (относительно винта вертолёта).
К примеру, можно сделать S-образный воздуховод к двигателю. Из-за изогнутости двигатель (точнее, лопатки компрессора) будет «не виден», луч будет переотражаться от стенки к стенке и затухать.
image
Можно и просто о-о-очень длинный воздуховод сделать, тогда лопатки будет видно только при взгляде строго спереди. Можно применять устройства под названием радар-блокатор. Ложка дёгтя – такой воздуховод хуже работает, снижается эффективность движка.

Особенно трудно спрятать от облучения сзади лопатки турбины, вообще мало что применишь, потери из-за слишком длинного или кривого сопла будут уж очень велики. Несколько выручает то, что в военных самолётах часто стоят двигатели с форсажной камерой, а её внутреннее устройство само по себе здорово загораживает лопатки:
image

Отражение от границы

Настало время поговорить о волновых свойствах радиоволн. То, что более-менее длинные волны отражаются от самолёта, как от целого, уже написано, но и с короткими, сантиметровыми, не так просто. Опуская сложную физику, можно представить границу как переизлучающую антенну. Отражение может быть довольно сильным. Полностью устранить эту неприятность нельзя, что же делать? Прежде всего, хорошо бы иметь поменьше кромок вообще. Например, отказавшись от стабилизатора (F-117), да и от килей тоже (B-2):
image
Во-вторых, нужно избежать отражения во все стороны. Очевидно, что наилучшее отражение, как и с плоскостью, идёт при облучении «в лоб», перпендикулярно к плоскости или кромке. Значит, чтобы самолёт засекался строго с одного направления (и ярко высвечивался локатору на секунду, а то и долю секунды), нужно, чтобы все кромки шли в одном направлении, были параллельны друг другу. Все линии сделать параллельными не получится, но можно разбить их на группы так, чтобы было малое количество направлений, с которых видно, зато со всех остальных – не видно. Именно этот приём придаёт такой характерный внешний вид современным стелсам. Вот и у Су-57 (Т-50) передние кромки крыла параллельны передним кромкам стабилизатора, и задние друг другу параллельны:
image
Но не только кромки работают отражателями. Швы, стыки панелей обшивки – тоже отражают. Чтобы ослабить эффект, шов «ломают» на части, подбирая длину этих частей неудобной для ожидаемой длины волны. Причём составные части шва стараются делать параллельными кромкам крыла, стабилизатора. Получаются стыки «зубчиками». Вот, к примеру, F-22. Видите, как края бомбоотсека выполнены? А крышка шасси, там тоже видна?
image

Ещё одна хитрость – сделать крыло с обратной стреловидностью (С-37/Су-47 Беркут):
image
Здесь хитрость в том, что при облучении спереди отражение от кромки крыла попадает в фюзеляж, прячется за него. Сзади такое крыло видно получше, но сзади самолёт виден, когда он уже улетает, сделав своё дело. Да и шанс попасть при пуске вдогон гораздо ниже, чем стрелять с передней полусферы.
У обратной стреловидности ожидались и аэродинамические преимущества, чего обычно от противолокационных мер не получишь. Более того, попыток построить самолёт с обратной стреловидностью было несколько, но справиться с дивергенцией крыла (закручиванием, можно даже сказать, выворачиваинем крыла воздушным потоком) не удавалось. Новые материалы, углепластики, позволили решить эту проблему, пусть ценой высокой стоимости, но обнаружилось, что вихри, сходящие с корневой части крыла, портят устойчивость и управляемость настолько, что продолжения эта машина не имела. И не только у нас, американцы тоже пробовали обратную стреловидность на Х-29, с тем же результатом.

Знаменитая краска

Теперь о радиопоглощающем покрытии, «чёрной краске»:
image
Покрытие довольно толстое, весьма дорогое и, как выяснилось, не всегда стойкое. Это не просто так краска, а целый хитрый комплекс. В самом грубом описании – в слое краски располагается хаотично множество мелких металлических иголочек или отражающих стеклянных микрошариков с металлизированной поверхностью. Они, конечно, отражают радиоволны. Но отражают мелкими порциями в самых разных направлениях, друг на друга… в результате радиоизлучение рассеивается, поглощается. Сигнал, отражённый наружу — существенно уменьшается.
image
Взамен, конечно, приобретаются и недостатки: такое покрытие немало весит, под напором воздуха, частиц пыли и капель воды быстро изнашивается, а то и отслаивается. О цене упоминать даже не будем.

Как спрятать радиолокатор

Одну из проблем заметности создаёт собственный радиолокатор самолёта. Даже, если его отключить. Как назло, его антенна специально сделана, чтобы отражать. Пусть не обманывает красивый обтекатель на носу – он прозрачен для радиоволн, а за ним…, например, РЛС «Ураган- 5:»:
image
Старые локаторы с параболическими тарелками умели «видеть» только в одном направлении, и для обзора их поворачивали. В отключенном состоянии тарелка останавливалась повёрнутой вверх, чтобы при облучении спереди и снизу не давать сильного отражения.

Ладно, это старомодная «тарелка», но ведь и у более новых самолётов есть, чем покрасоваться в лучах вражеского локатора, например, плоской тарелкой ФАР.

ФАР - это

Фазированная Антенная Решётка. Бывают подвижные ФАР, неподвижные, пассивные, активные и цифровые… но это совсем другая, обширная тема.

На иллюстрации РЛС «Жук-М» на МиГ-29:
image
Плоские фазированные антенны с электронным сканированием могут «смотреть в бок» без физического поворота. От дорогих, тяжёлых и снижающих надёжность систем поворота, конечно, избавились. Чтобы избежать сильного отражения при облучении спереди, тарелку крепят повёрнутой несколько вверх, хотя это и снижает возможности по наблюдению в нижней полусфере. Видите наклон?
image

Есть способы и экзотичнее. Например, не так давно СМИ пошумели про плазменное облако, за которым якобы умеют прятаться самолёты. Конечно, смешно, плазму просто сдует, да и порождать её в таких объёмах даже ядерный реактор на борту не поможет. Но, всё-таки, плазму применяют. Если заполнить объём внутри радиопрозрачного обтекателя легко ионизируемым газом и при отключении локатора его ионизировать (превращать в плазму), самолёт в радиоочертаниях обретает красивый, острый и плохоотражающийплохо отражающий нос. При необходимости включить свой локатор плазму можно погасить за доли секунды, просто проветрив объём.

Печальное заключение

Я – всё-таки дилетант, пусть и широкого профиля. Несколько серьёзнее и подробнее (чего некоторые читатели, возможно, от меня ждали) можно прочитать в статье «На пути к пятому и шестому поколению»:
paralay.iboards.ru/viewtopic.php?f=5&t=138
Но, увы, исходный сайт Паралая исчез совсем, и новый тоже испытывает проблемы с этой статьёй. Скрытность есть скрытность!

Благодарности

Спасибо OIelukoe, Tarasv, ptg.Martynov, Old_dancer, AKnyazev за стилевые и, особенно, фактические замечания, а также Франциску Первому, А.С.Пушкину, Э.Н.Успенскому, Ф.И.Гримберг, В.С.Минаеву и А.Т.Рысбекову за заголовки.

Автор: Bedal

Источник


* - обязательные к заполнению поля