Результат интеллектуальной деятельности: Способ защиты радиолокационной станции от малоразмерных беспилотных летательных аппаратов и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к области радиолокации и могут быть использованы для защиты радиолокационных станций (РЛС) от малоразмерных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

В современных условиях задача построения надежной системы ПВО войск и объектов инфраструктуры становится практически невыполнимой в связи с появившимся в последние годы классом малоразмерных беспилотных летательных аппаратов [Журнал Армейский вестник февраль 2015 г. «Малоразмерные беспилотники - новая проблема для ПВО» с. 1, 5, 6, 7-9, 15]. Малоразмерные воздушные цели типа управляемых ракет, планирующих (управляемых) авиационных бомб, крылатых ракет различного вида базирования (авиационного, наземного или морского), противорадиолокационных ракет и др. уже несколько десятилетий доставляют множество трудностей системам ПВО своими специфическими летно-техническими характеристиками. В первую очередь, это их малые эффективные площади рассеивания (ЭПР), широкий диапазон скоростей движения, совершение скрытных полетов на малых и предельно малых высотах с использованием рельефа местности и т.п. Наиболее массовыми и наиболее дешевыми являются малоразмерные БПЛА.

Среди малоразмерных БПЛА выделяют следующие группы: нано-БПЛА, масса до 1 кг, продолжительность полета менее одного часа, высота полета до 300 м; микро-БПЛА, масса до 10 кг, время полета до одного часа, высота полета до 1000 м; мини-БПЛА, масса до 50 кг, время полета несколько часов, высота полета до 3000-5000 м. Все эти БПЛА могут выполнять разведывательные и разведывательно-ударные функции. Их скорости могут достигать 100-150 км/ч, а ЭПР составляет от 0,01 до 0.1 м², с дальнейшим уменьшением в перспективе [там же с. 7].

В основном БПЛА имеют навигационное оборудование с привязкой к навигационной системе GPS.

Такие характеристики БПЛА привели к тому, что своевременное обнаружение традиционными методами локации и надежное поражение БПЛА крайне неэффективно.

Наибольшую опасность для РЛС может представлять массированное применение нано и микро-БПЛА, наводимых на излучение РЛС и способных физически уничтожить излучающие устройства, в первую очередь антенну РЛС, так как нано-БПЛА могут нести заряд до одного кг. Поэтому защита РЛС сводится к борьбе с БПЛА.

Известны способы борьбы с БПЛА в виде целенаправленного применения помех системам навигации, управления полетом и каналам передачи информации [там же, с 9]. Недостатком этих способов борьбы с БПЛА является необходимость создания направленного мощного излучения на БПЛА, для чего необходимо его обнаружить, что является сложной задачей из-за малой ЭПР БПЛА. Кроме того БПЛА с аппаратурой самонаведения на излучения РЛС способны наводиться на РЛС без использования навигационного оборудования и внешнего управления. При этом остается риск разрушения антенны зарядами БПЛА.

Известно, что для исключения возможности проникновения враждебного не обнаруживаемого объекта в охраняемую зону создают «Заграждение военное, искусственные препятствия, преграды, создаваемые заблаговременно…в целях нанесения потерь противнику или маневру его войск… воспрепятствования продвижению…полетам авиации…Выделяют противотанковые, противопехотные, противотранспортные, противодесантные и противокарабельные… в виде минных полей, …проволочных заграждений, противотанковых рвов и надолбов, бетонных и деревянных ограждений, проволочных сетей…. Противосамолетные военные заграждения…впервые…были применены в 1916 г. в Англии, Италии и в Париже в виде аэростатных заграждений.» [БСЭ, М. «Советская энциклопедия», третье издание, т. 9, с. 273]. Военные заграждения создают, в том числе, для случая, когда враждебный объект не может быть обнаружен, а лишь предполагается возможность его проникновения. Примером практического применения противосамолетных заграждений во время Великой Отечественной войны являются аэростатные заграждения, которые создавались в 1941-1942 г.г. на подступах к Москве, перекрывая возможные пути проникновения любого самолета за создаваемую ими линию защиты - барьер. Таким образом, в случаях, когда возможно нападение на охраняемый объект с любого направления, создают «заграждения военные».

Недостатком известных военных заграждений является громоздкость их конструкций, недостаточная мобильность, или в конечном счете, невозможность их применения для защиты мобильных РЛС от БПЛА.

Поставленной технической проблемой (техническим результатом) является надежная защита РЛС от малоразмерных ударных нано и микро-БПЛА с помощью мобильных устройств.

Техническая проблема решается на основе исключения возможности проникновения БПЛА к РЛС на расстояние, меньшее радиуса действия взрыва его заряда.

Поставленная техническая проблема (технический результат) решается тем, что в способе защиты радиолокационной станции (РЛС) от малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, основанном на создании заграждений, согласно изобретению в качестве таковых применяют заграждающие воздушные потоки вихрей (ВПВ).

Поставленная техническая проблема (технический результат) решается так же тем, что в способе защиты радиолокационной станции от малоразмерных беспилотных летательных аппаратов согласно изобретению заграждающие воздушные потоки вихрей создают с помощью генераторов воздушных потоков вихрей, размещают их вокруг РЛС или со стороны ожидаемого налета на расстоянии большем радиуса поражающего действия заряда, который может нести БПЛА.

Поставленная проблема (технический результат) решается тем, что в устройство для осуществления способа защиты радиолокационной станции от малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, содержащее РЛС, включающую в себя излучающую антенну, приемо-передающее устройство и устройство управления РЛС, антенна соединена с приемо-передающим устройством, второй вход которого связан с первым выходом устройства управления РЛС, согласно изобретению в состав устройства вводят генераторы заграждающих воздушных потоков вихрей, входы генераторов соединены со вторым выходом устройства управления.

Суть работы заявленного способа и устройства состоит в том, что на пути возможного проникновения БПЛА создают заграждающий воздушный поток вихрей. Возможные направления БПЛА могут быть определены, например, в зависимости от положения РЛС относительно линии границы (линии фронта), а также, если обнаружен вероятный носитель БПЛА с достаточной для этого эквивалентной отражающей поверхностью (но не БПЛА), благодаря чему может быть обнаружена вероятная зона запуска БПЛА, или рельеф местности, что может ограничивать сектор возможных направлений. Если информация о направлении ожидаемого налета отсутствует, то перекрывают все возможные направления.

В заявляемом способе защиты РЛС от малоразмерных БПЛА используется известное свойство воздушных вихревых колец сохранять свою геометрию и двигаться на большое расстояние [В.И. Меркулов - Гидродинамика знакомая и не знакомая М. Наука 1989 г. с. 86-89]. Как следует из этого источника, в Институте гидродинамики СО АН СССР были проведены теоретические и экспериментальные исследования крупномасштабных кольцевых вихрей, создаваемых с помощью взрыва. Поскольку дальность полета таких вихрей может достигать 1-2 км, авторы предполагали использовать вихри для выброса газообразных промышленных отходов на такую высоту, где они могли бы уноситься горизонтальными потоками воздуха. К этому можно добавить еще большое количество других возможных областей применения кольцевых вихрей. Однако все эти проекты могут быть реализованы только в том случае, если кольцевые вихри будут создаваться не взрывом, а некоторым генератором, который бы создавал вихри дешево, без шума, с большой частотой. Закон движения одиночного вихря определяется формулой (1) [там же с. 86]:

Здесь R₀ - начальный радиус вихря, V₀=U_п - начальная скорость вихря, t - время полета, α=6×10^-3 - экспериментальный коэффициент, L(t) - текущее расстояние от генератора до вихря. Из приведенной выше формулы следует, что начальная скорость вихря пропорциональна начальному радиусу. Формула (1) описывает поведение отдельно взятого вихря. Однако практическое применение могут иметь только генераторы воздушных потоков вихрей (ВПВ) непрерывного действия. Например, генератор ВПВ, который, использует энергию воздушной струи компрессора. Собственно генератором вихрей выступает быстродействующий затвор, который обеспечивает импульсную подачу воздуха в виде цилиндрического объема длиной D, равным длине трубы генератора [там же с. 87]. На фиг. 3б показана схема такого генератора, содержащего сопло, выход которого перекрывается быстродействующим затвором, а вход подсоединен к компрессору.

Время истечения Δt при быстро открытом затворе будет равно

где U - скорость истечения воздуха

Поведение цепочки вихрей отличается от поведения одиночного вихря. В частности, дальность их полета увеличивается. Длительно действующая цепочка вихрей вызывает течение прилегающего воздуха в сторону их полета [там же с. 86].

В работе [препринт №299, В.И. Бояринцев, А.С. Савин «Исследование движения вихревых колец в однородных и стратифицированных средах». Институт проблем механики академии наук СССР, М. 1987 г. с. 9-11, формулы 1.2, 1.3] приводятся формулы для расчета параметров кольцевого вихря.

Поступательная скорость одиночного кольцевого вихря (ОКВ) U_п рассчитывается по формуле (3)

Импульс количества движения ОКВ определяется формулами (4), (5)

где R - радиус вихря; Г - циркуляция ядра вихря, ρ - удельная массовая плотность воздуха, , к моменту окончания формирования вихря α≈R/2. Радиус R(t) вихря увеличивается пропорционально пройденному вихрем пути по линейному закону. Геометрический параметр β=Δ_R/Δx, - скорость изменения радиуса вихря от пройденного вихрем пути составляет 0,001-0,01 долю пройденного пути [там же с. 7, 11].

Отсюда следует, что и диаметр ядра вихря слабо зависит от времени (пройденного вихрем пути).

Особенность вихрей состоит в том, что энергия, накопленная в объеме генератора, передается вихрю (фиг. 3б). Величина этой энергии равна

где Δр - избыточное давление в объеме генератора, W - рабочий объем генератора вихрей. Под действием этого давления воздух при открывании затвора приобретает скорость U=(2Δр/ρ)^1/2 - [Н.И. Кошкин и М.Г. Ширкевич - Справочник по элементарной физике. Изд. «НАУКА». М. 1972 г. с. 54]. При Δр=0,156×10³ н/м², скорость будет равна U≈50 м/с.

Увеличение кинетической энергии Е_к практически пропорционально приводит к увеличению дальнодействия ВПВ L_мах [Ахметов Дарвин Газизович - Экспериментальные исследования линейных и кольцевых концентрированных вихрей - механика жидкости, газа и плазмы. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Новосибирск 2011 г.].

При проектировании предлагаемого средства защиты определяющими параметрами заграждающего воздушного потока вихрей являются:

- размер зоны защиты;

- конфигурация размещения генераторов заграждающего ВПВ;

- скорость в ядре вихря на заданном расстоянии;

- мощность генератора потока;

- принципы управления генераторами потока.

Расчет параметров генераторов, создающих ВПВ для обеспечения защиты РЛС, является инженерной задачей и может быть выполнен при задании конкретных условий использования заявленных изобретений по формулам (1), (2), (3), (4), (5) и (6). Воспользуемся приведенной выше информацией и проведем, для примера, оценочный расчет генерируемых вихрей.

Задаемся радиусом сопла генератора R_г=0,5 м, скоростью истечения воздуха из сопла генератора U=50 м/с. Эта скорость является линейной скоростью вращения ядра вихря. При этом диаметр ядра вихря будет равен R_г=0,25 м, а начальный диаметр вихря По формуле (5) определим начальную циркуляцию ядра вихря Г_ян

По формуле (3) находим начальную скорость вихря

U_вн=23,8 м/с

Определим на каком расстоянии от сопла генератора будет первый вихрь, например, через 2 секунды по формуле (1)

L(t)₁=30,9 м

Если длина сопла генератора вихрей равна D=1 м, то время истечения воздуха из объема генератора (время формирования вихря) согласно формуле (2) будет равно 0,02 с. При периоде повторения 5 Гц удаленность первого вихря через 2,2 с будет равна

L(t)₂=33 м

Изменение расстояния L(t)₂-L(t)₁=2,158 м произошло за 0,2 с

Следовательно, скорость вихря при этом будет равна

U(t)=2,158/0,2=10,7 м/с. Т.е. скорость вихря уменьшится в 2,55 раза. Поскольку текущее значение циркуляции Г_я(t) в первом приближении сохраняется, то справедлива приближенная формула

[М.А. Лаврентьев, Б.В. Шабат - Проблемы гидродинамики и их математическое моделирование, §37 Формирование и движение вихря].

Из которой видно, что R(t) увеличивается обратно пропорционально уменьшению скорости вихря и для рассматриваемого примера будет равна 0,625×2,22=1,38 м

Из формулы (3), полагая, что циркуляция ядра вихря изменяется во времени незначительно, т.е. остается равной Г_ян=78,5 м/с², находим линейную скорость вращения ядра вихря на удаленности 33 м U_я(t)=17,9 м/с.

Величина потенциальной энергии Е_р, запасенной в генераторе, равна

где Δр - избыточное давление в объеме генератора, W - рабочий объем генератора вихрей (сопла). Поясним эту формулу. Давление, действующее на поршень равно Δр xS=F, где S - площадь поршня. Под действием этого давления поршень перемещается на расстояние D=1 м, при этом совершается работа (накопление потенциальной энергии). Произведение площади Sx D равно объему генератора W.

Воздух при открывании затвора приобретает скорость

U=(2Δрхρ)^1/2

При массовой удельной плотности воздуха ρ=0,125 кг/м³ для создания скорости потока воздуха U=50 м/с потребуется избыточное давление Δр=0,156х 10³ н/м².

При радиусе сопла генератора R_г=0,5 м рабочий объем генератора при длине трубы D равном 1 м, равен W=1,57 м³. Потенциальная энергия, запасенная в генераторе и рассчитанная по формуле (6), равна

Е_р=245,3 Дж

Эта энергия, передаваемая вихрю, накапливается в генераторе за время Δt=0,2 с (при частоте повторения вихрей 5 Гц) и для непрерывной работы генератора потребуется мощность компрессора 1,22 кВт.

Из приведенного оценочного расчета видно, что даже на удаленности 33 м от генератора линейная скорость вращения ядра вихря 17,9 м/с, что больше, чем допустимая скорость, при которой может летать БПЛА (10 м/с) [Журнал Армейский вестник февраль 2015 г. «Малоразмерные беспилотники - новая проблема для ПВО» с. 8].

Взаимодействие БПЛА с ядром вихря показано на фиг. 3б.

Опрокидывание БПЛА при воздействии на него вихря можно объяснить следующим. При попадании винта БПЛА в зону ядра вихря скачком изменится величина подъемной силы этого винта за счет набегающего на него сверху или снизу потока с линейной скоростью ядра вихря U(t)_я. При этом практически мгновенно возникает опрокидывающий момент, который, по этому, не может быть скомпенсирован.

Предлагаемый способ защиты основан на свойстве БПЛА, заключающемся в том, что у БПЛА «… низкая устойчивость аппарата к физическому воздействию любого рода, от попадания осколка (пули) до сильного порыва ветра, вихря, приводящее к потере пространственного ориентирования, срыву в штопор. Каждое существенное внешнее возмущение (порыв ветра,) с высокой вероятностью приводит к потере ориентации летательного аппарата и последующей аварии» [ж. Армейский вестник, фев. 2. 2015 г., с. 9, 5 абзац снизу].

Допустимое расстояние L_доп подлета БПЛА к РЛС определяется мощностью заряда на БПЛА и определяет требуемое дальнодействие ВПВ, если генератор ВПВ находится в точке расположения РЛС. По запросу «радиус действия заряда взрывчатого вещества» в интернете приведены примеры: при массе тротила в один кг (у нано и микро БПЛА вес заряда составляет 0,5-1 кг [там же с. 5]), безопасное расстояние составляет 12 м. Принцип кубического подобия позволяет проводить расчеты безопасной дальности для любых других масс взрывчатого вещества (но размеры БПЛА при этом так же возрастают и они могут стать обнаруживаемыми).

Считая конечной скорость ВПВ равной скорости ветра, при которой уже невозможен полет БПЛА (10 м./с [там же с. 8]), при известном допустимом расстоянии R_пер=12 м(при мощности заряда 1 кг) можно рассчитать требуемую начальную скорость для формирования вихря и мощности генераторов, расположив их (для примера) по углам правильного пятиугольника, в который вписана окружность радиусом R_пер (фиг. 2а). Расстояние АВ в правильном пятиугольнике определяется из формулы

[А.А. Рывкин, А.З. Рывкин, Л.С. Хренов - Справочник по математике. Изд. Высшая школа, 1975 г. с. 167]. Угол наклона ϕ₀ ВПВ к горизонту выбираем равным 30°.

Например, генератор расположен в точке А, при R_г=0,5 м, R_пер=12 м, ϕ₀=30°, U(t)_я=10 м/с, АВ равно 25 м, Перекрываемое ВПВ расстояние L(t)₂=33 м (фиг. 2б). При этом из формулы (7) при частоте повторения вихрей в потоке 5 Гц потребляемая мощность компрессора Ф_к равна 1,22 кВт.

Угол ϕ=30° определяется из условия гарантированной защиты РЛС при заданной высоте подлета БПЛА. Если располагать генераторы по углам правильных треугольника, либо четырехугольника, то необходимая мощность генераторов ВПВ будет возрастать при уменьшении их числа (возрастает необходимое дальнодействие), а если использовать 6 или 8 генераторов, располагая их в углах правильных шести или восьми-угольников, то необходимая мощность генераторов ВПВ будет уменьшаться. Выбор количества генераторов ВПВ при решении конкретной задачи по защите РЛС от атаки БПЛА является чисто инженерной задачей и зависит от параметров оптимизации (суммарной мощности), сущность изобретения от этого не меняется.

Таким образом, в заявленном способе и устройстве предусматривают создание вокруг РЛС (или ее излучающей части) зоны заграждения из воздушного потока вихрей, при попадании БПЛА в которую с любого направления, он будет опрокинут и упадет. При этом малоразмерные БПЛА с малой массой особенно подвержены физическому воздействию указанных факторов. Такие БПЛА не могут функционировать при скорости ветра ≥10 м/с [там же с. 8, 14 строка снизу]. При приближении БПЛА к области движения ВПВ на БПЛА будет воздействовать как поступательный импульс количества движения ВПВ, приводящий к изменению направления движения БПЛА, так и вращательное движение ядра вихря в ВПВ, приводящее к опрокидыванию БПЛА или потере его ориентации. При этом на периметре защиты РЛС R_пер линейная скорость вращения ядра вихря ВПВ U_п должна быть более 10 м/с до заданной высоты заграждения L_доп. В данном случае главную роль играет ядро вихря, в котором сосредоточена основная энергия вихря. На фиг. 2 показана организация защиты РЛС системой генераторов вихрей, расположенных вокруг нее на расстоянии, обеспечивающем ее безопасность. Как было показано выше, энергия вихря распространяется на большие расстояния, при этом радиус ядра вихря и радиус самого вихря увеличиваются незначительно при сохранении циркуляции, а значит скорость внутри ядра вихря остается выше критической для БПЛА.

Если известна информация о размере углового сектора Δβ из которого возможен запуск БПЛА (рельеф местности, линия фронта, граница или данные разведки о положении носителя БПЛА) и обнаружено возможное наличие в зоне БПЛА, то источники вихревого потока должны перекрывать только угловой сектор Δβ перед зоной защиты, если же сектор не известен, т.е. ожидается нападение с любого направления, то генераторы ВПВ должны располагаться по углам n-угольника (фиг. 2а), построенного вокруг периметра защиты РЛС с радиусом R_пер. Мощность генераторов ВПВ и их количество - n должна обеспечивать по всему периметру R_пер и высоте L_доп U_п(t) не менее минимально допустимой, при которой БПЛА не могут летать, т.е. U_п(t) на дальности L_доп должна быть более 10 м/с. Проведенный выше, для примера, оценочный расчет подтверждает возможность реализации такого способа защиты РЛС от БПЛА.

Включение (выключение) генераторов ВПВ осуществляется вручную из РЛС в соответствии с инструкцией, которая разрабатывается с учетом расположения РЛС и тактики ее использования (поскольку РЛС сама не может обнаружить налет нано и микро - БПЛА). При этом могут учитываться условия получения информации о вероятном нападении БПЛА, или при начале боевых действий, или при получении директивы вышестоящего командования о приведении средств в боевую готовность.

Взаимодействие (связь) генераторов ВПВ с работой РЛС обеспечивает ее функционирование и выживание в условиях возможной атаки БПЛА. В этом смысле генераторы ВПВ являются необходимым составным элементом РЛС, управление ими осуществляется из РЛС. Включение (выключение) генераторов ВПВ осуществляют вручную с пульта управления РЛС при работающей РЛС и при наличии угрозы налета БПЛА.

Изобретения иллюстрируются чертежами.

На Фиг. 1 показано заявляемое устройство.

На фиг. 2. показан пример организации защиты РЛС с помощью генераторов ВПВ.

На Фиг. 3 показано взаимодействие БПЛА с ВПВ и схема генератора ВПВ.

Заявленное устройство для осуществления заявленного способа защиты РЛС от малоразмерных БПЛА (фиг. 1) содержит РЛС, включающую антенну 1, приемо-передающее устройство 2, устройство управления РЛС 3, и генераторы ВПВ А, В, С, Д, Е, выход антенны 1 соединен с первым входом приемо-передающего устройства 2, второй вход которого соединен с первым выходом устройства управления РЛС 3, второй выход устройства управления РЛС 3 связан с входами генераторов ВПВ А, В, С, Д, и Е

Работа способа и устройства (фиг. 3а) основана на использовании уязвимости нано и микро - БПЛА 3, заключающейся в том, что они крайне неустойчивы к любым физическим воздействиям - порывы ветра более 10 м/сек и вихри приводят к тому, что БПЛА 3 теряет ориентацию - сбивается с курса или падает. Для того, чтобы воздействовать физически на БПЛА 3, в состав РЛС1 вводятся генераторы 2 ВПВ, генераторы 2 располагают вокруг РЛС 1 на расстоянии R_пер. При взаимодействии БПЛА 3 с вращающимся ядром вихря они теряют ориентацию вплоть до опрокидывания, что не допускает проникновение БПЛА 3 к РЛС 1. На (фиг. 2а) показана организация круговой защиты РЛС (вид сверху), а на (фиг. 2б) показана пространственная ориентация воздушных потоков вихрей, заграждающих от проникновения БПЛА к РЛС. Расположение ВПВ под углом ϕ к горизонту обеспечивает необходимую плотность ВПВ на требуемой высоте при необходимой L_доп.

Таким образом решается поставленная техническая проблема и достигается технический результат.