Самолеты-невидимки

Самолеты-невидимки. Другим перспективным направлением развития военной техники является создание самолетов - невидимок.

Эти самолеты движутся с помощью реактивных двигателей, в основу создания которых положен принцип получения тяги за счт силы реакции, возникающей при отбросе от двигателя некоторой массы рабочего тела, а направление тяги и движения отбрасываемого рабочего тела противоположны.

При этом величина тяги пропорциональна произведению массы рабочего тела на скорость е отброса. Так упрощнно можно описать работу реактивного двигателя, а настоящая научная теория наглости современных реактивных двигателей разрабатывалась несколько десятков лет. И в е основе и конструкции реактивных двигателей лежат труды русских учных и изобретателей, которые в развитии реактивных двигателей и вообще в ракетной техники всегда занимали ведущее место.

Конечно, к началу работ по ракетной технике в России относится к 1690г когда было построено специальное заведение при активном участии Петра 1 для производства пороховых ракет, которые гораздо ранее были использованы в древнем Китае. Тем не менее пороховые ракеты образца 1717г. благодаря своим высоким по тому времени качествам использовались почти без изменения в течение около ста лет. А первые попытки создания авиационного реактивного двигателя следует наверно отнести к 1849 году, когда военный инженер И.М. Третесский предложил для передвижения аэростата использовать силу реактивной струи сжатого газа. В 1881 Кибальчич разработал проект летательного аппарата тяжелее воздуха с реактивным двигателем. Конечно, это были первые попытки использовать силу реактивной струи для летательных аппаратов, а конечно Н. Е. Жуковский, отец русской авиации, впервые разработавший основные вопросы теории реактивного движения, является по праву основоположником этой теории.

Труды Российских и советских учных и конструкторов, вместе с трудами наших выдающихся соотечественников Н.Е.Жуковского, К.Э.Циолковского, В.В.Уварова, В.П.Мишина и многих других являются основой современной реактивной техники, что позволило создать высокоскоростные истребители, тяжлые транспортные самолты типа Руслан, сверхзвуковой лайнер Ту- 144, ракетоноситель Энергия и орбитальную станцию Мир и многое другое, что является славной историей и гордостью России.

В основе современных мощных реактивных двигателей различных типов лежит принцип прямой реакции, т.е. принцип создания движущей силы или тяги в виде реакции отдачи струи вытекающего из двигателя рабочего вещества, обычно - раскалнных газов.

Рассмотрим этот процесс применительно к реактивным двигателям. Начнем с камеры сгорания двигателя, в котором тем или иным способом, зависящим от типа двигателя и рода топлива, уже создана горючая смесь. Это может быть, например, смесь воздуха с керосином, как в турбореактивном двигателе современного реактивного самолта, или же смесь жидкого кислорода со спиртом, как в некоторых жидкостных ракетных двигателях, или, наконец, какое-нибудь тврдое топливо пороховых ракет.

Горючая смесь может сгорать, т.е. вступать в химическую реакцию с бурным выделением энергии в виде тепла. Способность выделять энергию при химической реакции, и есть потенциальная химическая энергия молекул смеси. Химическая энергия молекул связана с особенностями их строения, точнее, строения их электронных оболочек, т.е. того электронного облака, которое окружает ядра атомов, составляющих молекулу.

В результате химической реакции, при которой одни молекулы разрушаются, а другие возникают, происходит, естественно, перестройка электронных оболочек. В этой перестройке минус является источником выделяющейся химической энергии. Видно, что топливами реактивных двигателей могут служить лишь такие вещества, которые при химической реакции в двигателе сгорании выделяют достаточно много тепла, а также образуют при этом большое количество газов.

Все эти процессы происходят в камере сгорания, но остановимся на реакции не на молекулярном уровне это уже рассмотрели выше, а на фазах работы. Пока сгорание не началось, смесь обладает большим запасом потенциальной химической энергии. Но вот пламя охватило смесь, ещ мгновение - и химическая реакция закончена. Теперь уже вместо молекул горючей смеси камеру заполняют молекулы продуктов горения, более плотно упакованные.

Избыток энергии связи, представляющей собой химическую энергию прошедшей реакции сгорания, выделился. Обладающие этой избыточной энергией молекулы почти мгновенно передали е другим молекулам и атомам в результате частых столкновений с ними. Все молекулы и атомы в камере сгорания стали беспорядочно, хаотично двигаться со значительно более высокой скоростью, температура газов возросла. Так произошел переход потенциальной химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания.

Подобных переход осуществлялся и во всех других тепловых двигателях, но реактивные двигатели принципиально отличаются от них в отношении дальнейшей судьбы раскалнных продуктов сгорания. После того, как в тепловом двигателе образовались горячие газы, заключающие в себя большую тепловую энергию, эта энергия должна быть преобразована в механическую. Ведь двигатели для того и служат, чтобы совершать механическую работу, что-то двигать, приводить в действие, все равно, будь то динамо-машина, электростанции, тепловоз, автомобиль или самолт.

Чтобы тепловая энергия газов перешла в механическую, их объм должен возрасти. При таком расширении газы и совершают работу, на которую затрачивается их внутренняя и тепловая энергия. В случае поршневого двигателя расширяющиеся газы давят на поршень, движущийся внутри цилиндра, поршень толкает шатун, а тот уже вращает коленчатый вал двигателя. Вал связывается с ротором динамомашины, ведущими осями тепловоза или автомобиля или же воздушным винтом самолта - двигатель совершает полезную работу.

В паровой машине, или газовой турбине газы, расширяясь, заставляют вращать связанное с валом турбиной колесо - здесь отпадает нужда в передаточном кривошипно-шатунном механизме, в чем заключается одно из больших преимуществ турбины Расширяются газы, конечно, и в реактивном двигателе, ведь без этого они не совершают работы. Но работа расширения в том случае не затрачивается на вращение вала, связанного с приводным механизмом, как в других тепловых двигателях.

Назначение реактивного двигателя иное - создавать реактивную тягу, а для этого необходимо, чтобы из двигателя вытекала наружу с большой скоростью струя газов - продуктов сгорания сила реакции этой струи и есть тяга двигателя. Следовательно, работа расширения газообразных продуктов сгорания топлива в двигателе должна быть затрачена на разгон самих же газов. Это значит, что тепловая энергия газов в реактивном двигателе должна быть преобразована в их кинетическую энергию - беспорядочное хаотическое тепловое движение молекул должно замениться организованным их течением в одном, общем для всех направлении.

Для этой цели служит одна из важнейших частей двигателя, так называемое реактивное сопло. К какому бы типу не принадлежал тот или иной реактивный двигатель, он обязательно снабжен соплом, через которое из двигателя наружу с огромной скоростью вытекают раскалнные газы - продукты сгорания топлива в двигателе.

В одних двигателях газы попадают в сопло сразу же после камеры сгорания, например, в ракетных или прямоточных двигателях. В других, турбореактивных газы сначала проходят через турбину, которой отдают часть своей тепловой энергии. Она расходует в этом случае для приведения в движение компрессора, служащего для сжатия воздуха перед камерой сгорания. Но, так или иначе, сопло является последней частью двигателя - через него текут газы, перед тем как покинуть двигатель. Реактивное сопло может иметь различные формы, и, тем более, разную конструкцию в зависимости от типа двигателя.

Главное заключается в той скорости, с которой газы вытекают из двигателя. Если эта скорость истечения не превосходит скорости, с которой в вытекающих газах распространяются звуковые волны, то сопло представляет собой простой цилиндрический или суживающий отрезок трубы. Если же скорость истечения должна превосходить скорость звука, то соплу придается форма расширяющейся трубы или же сначала суживающейся, а за тем расширяющейся сопло Лавля. Только в трубе такой формы, как показывает теория и опыт, можно разогнать газ до сверхзвуковых скоростей, перешагнуть через звуковой барьер.

Однако этот могучий ствол, принцип прямой реакции, дал жизнь огромной кроне генеалогического дерева семьи реактивных двигателей. Чтобы познакомиться с основными ветвями его кроны, венчающей ствол прямой реакции. Вскоре, как можно видеть по рисунку см. ниже, этот ствол делится на две части, как бы расщепленный ударом молнии.

Оба новых ствола одинаково украшены могучими кронами. Это деление произошло по тому, что все химические реактивные двигатели делятся на два класса в зависимости от того, используют они для своей работы окружающий воздух или нет. Один из вновь образованных стволов - это класс воздушно-реактивных двигателей ВРД. Как показывает само название, они не могут работать вне атмосферы. Вот почему эти двигатели - основа современной авиации, как пилотируемой, так и беспилотной.

ВРД используют атмосферный кислород для сгорания топлива, без него реакция сгорания в двигателе не пойдет. Но все же в настоящее время наиболее широко применяются турбореактивные двигатели ТРД, устанавливаемые почти на всех без исключения современных самолтах. Как и все двигатели, использующие атмосферный воздух, ТРД нуждаются в специальном устройстве для сжатия воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Ведь если давление в камере сгорания не будет значительно превышать атмосферное, то газы не станут вытекать из двигателя с большей скоростью - именно давление выталкивает их наружу.

Но при малой скорости истечения тяга двигателя будет малой, а топлива двигатель будет расходовать много, такой двигатель не найдт применения. В ТРД для сжатия воздуха служит компрессор, и конструкция двигателя во многом зависит от типа компрессора. Существует двигатели с осевым и центробежным компрессором, осевые компрессоры могут иметь спасибо за пользование нашей системой меньшее или большее число ступеней сжатия, быть одно-двухкаскадными и т.д. Для приведения во вращение компрессора ТРД имеет газовую турбину, которая и дала название двигателю.

Из-за компрессора и турбины конструкция двигателя оказывается весьма сложной. Значительно проще по конструкции безкомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, в которых необходимое повышение давления осуществляется другими способами, которые имеют названия пульсирующие и прямоточные двигатели. В пульсирующем двигателе для этого служит обычно клапанная рештка, установленная на входе в двигатель, когда новая порция топливно-воздушной смеси заполняет камеру сгорания и в ней происходит вспышка, клапаны закрываются, изолируя камеру сгорания от входного отверстия двигателя. Вследствие того давление в камере повышается, и газы устремляются через реактивное сопло наружу, после чего весь процесс повторяется.

В бескомпрессорном двигателе другого типа, прямоточном, нет даже и этой клапанной рештки и давление в камере сгорания повышается в результате скоростного напора, т.е. торможения встречного потока воздуха, поступающего в двигатель в полте.

Понятно, что такой двигатель способен работать только тогда, когда летательный аппарат уже летит с достаточно большой скоростью, на стоянке он тяги не разовьет. Но зато при весьма большой скорости, в 4-5 раз большей скорости звука, прямоточный двигатель развивает очень большую тягу и расходует меньше топлива, чем любой другой химический реактивный двигатель при этих условиях.

Вот почему прямоточные двигатели. Особенность аэродинамической схемы сверхзвуковых летательных аппаратов с прямоточными воздушно-реактивными двигателями ПВРД обусловлена наличием специальных ускорительных двигателей, обеспечивающих скорость движения, необходимую для начала устойчивой работы ПРД. Это утяжеляет хвостовую часть конструкции и для обеспечения необходимой устойчивости требует установки стабилизаторов. Первый испытательный полет такого истребителя состоялся в июне 1981 года. При его постройке широко применялись токопроводящие композиты сверхпрочные пластики, армированные углеродными волокнами, поглощающие радиоволны. Сконструирован самолет - невидимка так, что все участки его поверхности гасят сигналы радаров применена специальная ячеистая структура поверхности, благодаря чему радиоволны практически полностью поглощаются ею. В результате формой самолет напоминает электрического ската, а все это сделало его невидимым для систем ПВО противника.

Первый самолет - невидимка был изготовлен фирмой Локхид и получил обозначение F - 117 A. Программа же по производству самолетов невидимок носит название Стелс. Но летающих скатов производит не только Локхид, на заводе в Палм-дейли, где изготавливаются все невидимки, воплотили в металле и пластики бомбардировщик В - 2 фирмы Нортроп. Нортроп тоже участвует в программе Стелс. Но хотя эти модели F - 117 A и В - 2 могут и хорошо защищаться, и нападать новейшая компьютерная ударно - навигационная система приборы ночного видения кошачьи глаза различные цели на удалении 12 километров, сверхточная лазерная система наведения бомб, способность нести все виды тактического вооружения - от управляемых ракет воздух - воздух до ядерных зарядов весом 900 кг, 2. Радиолокация Радиолокация - область науки и техники, предмет которой - наблюдение различных объектов целей радиотехническими методами их обнаружение, распознавание, определение их координат и скорости и др. Различают активную и пассивную радиолокации. При активной радиолокации объект облучается радиоволнами, посылаемыми РЛС, в результате чего возникают сигналы от объекта.

Активная радиолокация, в свою очередь, подразделяется на радиолокацию с пассивным и активным ответами.

При радиолокации с пассивным ответом обнаружение производят по сигналу, отраженному от объекта после облучения его электромагнитными волнами.

В этом случае сигнал, излучаемый РЛС, называют зондирующим, а сигнал, приходящий от цели отраженным или эхо-сигналом.

Значение отраженного сигнала зависит от отражающих свойств объекта. При радиолокации с активным ответом обнаружение производят по сигналу, ретранслированному объектом. При этом прямой сигнал называют запросным, а сигнал приходящий от цели ответным. Ретрансляционную аппаратуру, находящуюся на объекте, именуют ответчиком. Интенсивность ответного сигнала зависит от мощности установленного на объекте ретрансляционного передатчика. Дальность действия этих РЛС намного больше дальности действия РЛС с пассивным ответом.

Однако такие РЛС могут работать только со своими объектами. Их в основном используют для сопровождения ракет и других объектов, обладающих слабыми отражающими свойствами, а также для опознавания своих объектов. Пассивная радиолокация основана на приме собственного радиоизлучения объектов. РЛС с пассивной радиолокацией не имеет передатчика. Она имеет лишь направленную примную антенну, улавливающую излучения объекта, примник, усиливающий принятые радиосигналы, и устройства, с помощью которых происходят регистрация и анализ этих сигналов.

Такие РЛС используют для исследования явлений, происходящих в космическом пространстве радиотелескопы, а также для определения местоположения кораблей и самолетов по радиомаякам радиопеленгация. Основной является активная радиолокация, которая в дальнейшем именуется просто радиолокацией. В радиолокации применяют РЛС с непрерывным и импульсным излучением энергии. Еще А.С. Попов заметил, что радиоволны имеют способность отражаться.

На этом и основан принцип действия радиолокационной станции. Мощный луч радиолокационного передатчикам фокусируется большой антенной в направлении исследуемого объекта, фиксируется и изучается отраженный радиосигнал, на основе чего делаются выводы о тех или иных характеристиках объекта. Первые работы по созданию радиолокационных систем начались в нашей стране в середине 30-х годов. Впервые идею радиолокации высказал научный сотрудник Ленинградского электрофизического института ЛЭФИ П. К. Ощепков еще в 1932 году. Позднее он же предложил идею импульсного излучения. 16 января 1934 года в Ленинградском физико-техническом институте ЛФТИ под председательством академика А. Ф. Иоффе состоялось совещание, на котором представители ПВО РККА поставили задачу обнаружения самолетов на высотах до 10 и дальности до 50 км в любое время суток и в любых погодных условиях.

За работу взялись несколько групп изобретателей и ученых. Уже летом 1934 года группа энтузиастов, среди которых были Б. К. Шембель, В.В. Цимбалин и П. К. Ощепков, представила членам правительства опытную установку.

Проект получил необходимое финансирование и в 1938 году был испытан макет импульсного радиолокатора, который имел дальность действия до 50 км при высоте цели 1,5 км. Создатели макета Ю. Б. Кобзарев, П. А. Погорелко и Н. Я. Чернецов в 1941 году за разработку радиолокационной техники были удостоены Государственной премии СССР. Дальнейшие разработки были направлены в основном на увеличение дальности действия и повышение точности определения координат.

Станция РУС- 2 принятая летом 1940 года на вооружение войск ПВО не имела аналогов в мире по своим техническим характеристикам, она сослужила хорошую службу во время Великой Отечественной войны при обороне Москвы от налетов вражеской авиации. После войны перед радиолокационной техникой открылись новые сферы применения во многих отраслях народного хозяйства. Без радаров теперь немыслимы авиация и судовождение.

Радиолокационные станции исследуют планеты Солнечной системы и поверхность нашей Земли, определяют параметры орбит спутников и обнаруживают скопления грозовых облаков. Определение координат цели радаром производится с учетом выбранной системы координат. Выбор той или иной системы координат связан со сферой применения радиолокационной установки рис. 1. Например, наземная радиолокационная станция РЛС наблюдения за воздушной обстановкой измеряет три координаты цели азимут, угол места и наклонную дальность полярная система координат.

Различают два основных режима работы РЛС режим обзора сканирования пространства и режим слежения за целью. В режиме обзора луч РЛС по строго определенной системе просматривает все пространство или заданный сектор. Антенна, например, может медленно поворачиваться по азимуту и в то же время быстро наклоняться вверх и вниз, сканируя по углу места. В режиме слежения антенна все время направлена на выбранную цель, и специальные следящие системы поворачивают ее вслед за движущейся целью.

Удаленность того или иного объекта определяется по запаздыванию отраженного сигнала относительно излучаемого. Запаздывание сигнала очень мало, поскольку радиоволны распространяются со скоростью, близкой к скорости света 300 000 кмс. Действительно, для самолета, находящегося на расстоянии 3 км от РЛС, запаздывание сигнала составит всего 20 мкс. Такой результат, получается, из-за того, что радиоволна проходит путь в обоих направлениях, к цели и обратно, так что общее расстояние, пройденное волной, составит 6 км. Однако при радиолокации Марса, успешно проведенной в начале 60-х годов, задержка сигнала составила около 11 мин, а это время малым назвать нельзя.

Современная вычислительная техника способна с высокой точностью обрабатывать сигналы с ничтожным временем запаздывания, поэтому с помощью радаров можно регистрировать объекты, расположенные как на больших, так и на малых расстояниях от наблюдателя. Существует единственное существенное ограничение применения радаров в целях сверхдальних наблюдений - это ослабление сигнала.

Если сигнал проходит большое расстояние, то он частично рассеивается, искажается и ослабевает и выделить его в приемнике из собственных шумов приемника и шумов иного происхождения зачастую крайне затруднительно. в свободном пространстве. Ослабление сигнала при радиолокации вполне поддается расчету, который основан на простых физических соображениях. Если в какой - то точке излучается мощность Р, то поток мощности через единичную площадку, находящуюся на расстоянии R , будет пропорционален Р4R2. В знаменателе стоит площадь сферы радиусом R, окружающей источник.

Таким образом, при обычной радиосвязи мощность, принятая антенной, обратно пропорциональна квадрату расстояния. Этот закон - закон сферической расходимости пучка энергии - выполняется всегда при распространении волн в свободном пространстве. Даже если сконцентрировать излучаемую мощность в узкий луч и поток энергии возрастет в несколько раз, этот коэффициент называется коэффициентом направленного действия антенны, КНД, квадратичная зависимость от расстояния сохранится.

Но в радиолокации радиосигнал преодолевает двойные расстояния, а сама облучаемая цель рассеивает энергию по всем направлениям, и если облучающий цель поток энергии ослабевает обратно пропорционально R2, то приходящий к приемнику рассеянный поток еще ослабляется во столько же раз и оказывается обратно пропорциональным R4. Это означает, что для повышения дальности действия РЛС в два раза при прочих равных условиях мощность ее передатчика надо повысить в 16 раз. Столь высокой ценой достигаются высокие характеристики современных РЛС. Стремление увеличить дальность действия привело к тому, что радиолокация, как и многие другие области техники, пережила эпоху гигантомании.

Создавались все более мощные магнетроны, антенны все больших размеров, устанавливавшиеся на гигантских поворотных платформах. Мощность РЛС достигла 10 и более мегаватт в импульсе.

Более мощные передатчики создавать было уже физически невозможно резонаторы и волноводы не выдерживали высокой напряженности электромагнитного поля, в них происходили неуправляемые разряды. Появились данные и о биологической опасности высококонцентрированного излучения РЛС у людей проживающих вблизи РЛС наблюдались заболевания кроветворной системы, воспаленные лимфатические узлы. Со временем появились нормы на предельную плотность потока СВЧ энергии, допустимые для работы человека кратковременно допускается до 10 мВтсм2. Новые требования, предъявляемые к РЛС, привели к разработке совершенно новой техники, новых принципов радиолокации.

В настоящее время на современных РЛС импульс посылаемый станцией представляет собой сигнал, закодированный по весьма сложному алгоритму наиболее распространен код Баркера, позволяющий получать данные повышенной точности и ряд дополнительных сведений о наблюдаемой цели. С появлением транзисторов и вычислительной техники мощные мегаваттные передатчики ушли в прошлое.

На их смену пришли сложные системы РЛС средней мощности объединенные посредством ЭВМ. Благодаря внедрению информационных технологий стала возможна синхронная автоматическая работа нескольких РЛС. Радиолокационные комплексы постоянно совершенствуются, находят новые сферы применения. Однако есть еще масса неизученного, поэтому эта область науки еще долго будет интересна физикам, математикам, радиоинженерам будет объектом серьезных научных работ и изысканий.

Радиолокационные системы имеют следующие преимущества перед визуальными работа РЛС не зависит от наличия оптической видимости и эффективна не только в дневные, но и в ночные часы, в тумане, при дожде и снегопаде. Они обеспечивают большую дальность действия и точность измерения координат цели. Они являются днем сегодняшним, а может быть и вчерашним. 3.