Ανάπτυξη Μεθόδων Αύξησης της Ανιχνευσιμότητας Χαμηλής Ηλεκτρομαγνητικής Ορατότητας Ιπτάμενων Οχημάτων

Abstract

Η θεωρία της σκέδασης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων τα τελευταία 75 χρόνια έχει ως κύριο αντικείμενο τον υπολογισμό της Ενεργού Επιφάνειας Ραντάρ (ΕΕΡ) ιπτάμενων οχημάτων και από την δεκαετία 1980 έχει παίξει σημαντικό ρόλο στη σχεδίαση αεροσκαφών (stealth) που ελαχιστοποιούν την ΕΕΡ, καθορίζοντας την εμβέλεια ανίχνευσης των αεροσκαφών, που η προσπάθεια είναι να μειωθεί όσο το δυνατό περισσότερο. Η μείωση αυτή της ΕΕΡ, γνωστή ως τεχνολογία stealth, επιτυγχάνεται με τη διαμόρφωση της γεωμετρίας των επιφανειών των αεροσκαφών, τη χρήση ειδικών απορροφητικών υλικών της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και την ψυχρή μηχανική σχεδίαση για τη μείωση της θερμικής υπογραφής. Συνέπεια των προσπαθειών αυτών είναι σήμερα να υπάρχουν αεροσκάφη stealth με ΕΕΡ συγκρίσιμη με αυτήν ενός πολύ μικρού πτηνού, ήτοι 0,05m2. Πολλές τεχνικές έχουν κατά καιρούς εφαρμοσθεί, με μεγαλύτερη ή μικρότερη επιτυχία, αξιοποιώντας διαφορετικές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, προκειμένου να ακυρώσουν την τεχνολογία stealth και να αποκαλύψουν τα ιπτάμενα μέσα που τη χρησιμοποιούν. Η Διατριβή ασχολείται με την ανάπτυξη μεθόδων που επιτρέπουν την ανίχνευση των αναφερόμενων stealth αεροσκαφών αξιοποιώντας ηλεκτρομαγνητικούς αισθητήρες. Στο πλαίσιο αυτό, στην παρούσα εργασία, επικεντρώνοντας στην έρευνα της ανάπτυξης συγκεκριμένων ηλεκτρομαγνητικών μεθόδων, εξετάζονται άλλες μέθοδοι αξιοποιώντας τα καυσαέρια των αεροκινητήρων jet μαχητικών αεροσκαφών, ως αντίμετρο για την αποκάλυψη stealth ιπτάμενων στόχων που έχουν σχεδιαστεί να έχουν πολύ μειωμένη ενεργή επιφάνεια Radar και υπέρυθρη ακτινοβολία. Όχι όμως, αξιοποιώντας την υπέρυθρη ακτινοβολία, όπως κάνουν αντίστοιχα συστήματα, πχ το IRST. Αλλά, ορισμένα διαφορετικά χαρακτηριστικά, ως ακολούθως: α. «Εκμαιεύοντας» παθητικά ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ως απόρροια της κίνησης των ηλεκτρονίων και των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων και ιόντων που εκπέμπονται με τα καυσαέρια των στροβιλοκινητήρων αεροσκαφών σε χαμηλές συχνότητες, 10Hz-10kHz. Τα φαινόμενα αυτά οφείλονται στην γραμμική κίνηση των ηλεκτρονίων-ιόντων, καθώς επίσης της περιστροφικής κίνησης των ηλεκτρονίων λόγω της παρουσίας του γήινου μαγνητικού πεδίου. Η έρευνα επί του θέματος βασίστηκε σε πειραματικές μετρήσεις και προσπάθεια ανακάλυψης των σημάτων αυτών με μεθόδους μηχανικής μάθησης (τεχνητά νευρωνικά δίκτυα). β. Αξιοποιώντας παθητικά τις δυνατότητες και τα χαρακτηριστικά της μικροκυματικής ραδιομετρίας, σε όλο το φάσμα, από UHF έως THz, με μία επίσης παθητική μέθοδο. Η ανάλυση της εκπομπής χαοτικής ακτινοβολίας από τα αέρια εξόδου αεροσκαφών που έχουν χαρακτήρα «αραιού πλάσματος» έγινε με ηλεκτρομαγνητική μέθοδο και έχουν γίνει εκτεταμένοι αριθμητικοί υπολογισμοί. Στις χαμηλές συχνότητες (<100 GHz) τα αέρια εξόδου από έναν στροβιλοκινητήρα μοντελοποιείται με αραιό πλάσμα, ενώ για τις συχνότητες THz λαμβάνονται υπόψη οι μηχανισμοί απορρόφησης από τα αέρια CO2, CO και υδρατμούς Η2Ο. Επιπλέον, στην ενότητα αυτή μελετάται η εκπομπή χαοτικής (μέλαν σώμα) από το ίδιο το σώμα του αεροσκάφους στις συχνότητες THz (>100 GHz μέχρι 3000 GHz) που δείχνει την εκπομπή ισχυρών σημάτων από αεροσκάφη που έχουν σχεδιαστεί να έχουν πολύ μικρή ενεργό επιφάνεια Radar. γ. Χρησιμοποιώντας ενεργή τεχνική Radar λειτουργούσα σε συχνότητες 100-300MHz, αξιοποιώντας την οπισθοσκέδαση από την «άτρακτο» των καυσαερίων των αεροκινητήρων jet αεροσκαφών και αξιοποιώντας το φαινόμενο συντονισμού από τον εν λόγω σκεδαστή. Σημειώνεται ότι, σε όλες τις περιπτώσεις η προσπάθεια στηρίζεται στην αξιοποίηση των ιδιοτήτων “πλάσματος” των αερίων εξόδου που οι ιδιότητές τους προκύπτουν από μετρήσεις άλλων εργασιών. Ενώ η μέθοδος (α) βασίζεται σε πειραματικές μετρήσεις και προσπάθεια ανακάλυψης των σημάτων αυτών με μεθόδους μηχανικής μάθησης, για τις μεθόδους (β) και (γ) έχουν αναπτυχθεί θεωρητικές μέθοδοι ηλεκτρομαγνητικής σκέδασης που αποδεικνύουν τη δυνατότητα αποκάλυψης αεροσκαφών με πολύ μικρή ενεργή επιφάνεια σκέδασης. Σε εκάστη μέθοδο παρουσιάζονται οι εκθέσεις ερευνητικών μελετών και αποτελέσματα μετρήσεων, όπου κρίθηκε απαραίτητο και εφικτό. Στο παραπάνω πλαίσιο, εξετάζονται σε θεωρητικό επίπεδο, σε επίπεδο προσομοίωσης και μετρήσεων, όπου απαιτείται, οι παραπάνω μέθοδοι, προκειμένου να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα για τον προσδιορισμό anti-stealth μεθόδων αποκάλυψης stealth πτητικών μέσων.