Стелс-технологии: можно ли сделать самолет невидимым
Победа в современном бою зачастую определяется не силою сторон, а умением незаметно приблизиться к противнику и нанести сокрушительный удар. Особенно важно это для боевой авиации – сегодня перспективный истребитель немыслим без приставки «малозаметный». Несмотря на критику, технология невидимости превращается в настоящий тренд в развитии военной техники – ее облик все отчетливее проступает в обводах перспективных самолетов и вертолетов. И не только их: на вооружение разных стран уже приняты корабли-«невидимки», и очень скоро на поле боя появятся первые малозаметные танки и БМП.
Технология Стелс или просто стелс (stealth) – это комплекс мер по снижению заметности объекта в инфракрасной, оптической, радио и других областях спектра. Естественно, что она не делает самолет невидимым в прямом смысле этого слова – в первую очередь перед конструкторами стоит задача обмануть радары противника. Сегодня лидером в данной области, безусловно, являются американцы – они начали исследования на несколько десятилетий раньше других. Огромные средства на создание малозаметных летательных аппаратов тратит Китай, в нашей стране подобные разработки ведутся с 80-х годов. Стать членом элитного «стелс»-клуба стремятся Япония, Южная Корея, Германия и Британия.
Звуковой и видимый диапазон
На заре авиации летчики мало «заморачивались» скрытностью своих боевых машин. Более того, нередко они старались сделать их ярче и заметнее – история «Красного барона» Рихтгофена тому подтверждение. Но повышение могущества противовоздушной обороны убрало лишнюю спесь, и внешний вид самолетов стал гораздо скромнее. Сегодня вертолеты и штурмовики, работающие на малых высотах, обычно имеют светлое «брюшко» и темную «спинку». Для более высотных летательных аппаратов это не имеет особого смысла, поэтому они, как правило, серые или серо-голубые.
Можно ли сделать объект невидимым для человеческого глаза? Определенные подвижки в этом направлении есть. Связаны они с успехами в создании метаматериалов – сложных молекулярных структур, обладающих очень интересными свойствами. Некоторые из них имеют отрицательный показатель преломления света – он как бы обтекает трехмерный объект, покрытый таким материалом, и заставляет наблюдателя видеть то, что находится позади него. Плащ из подобной ткани сможет сделать человека невидимым не только оптической, но и в инфракрасной части спектра. Причем для его «работы» не нужны источники питания, зеркала, лампы или сложные электронные устройства.
Пока все это находится на стадии разработок, но несколько компаний обещают начать серийное производство невидимых материалов уже в ближайшие годы. До полноценного камуфляжа для самолетов еще очень далеко – пока речь идет о маскировочных костюмах для бойцов спецподразделений и снайперов.
Долгое время, примерно до середины Второй мировой войны, главным способом обнаружения самолетов была акустическая пеленгация. Шум работы авиадвигателя засекали с помощью специальных звуковых локаторов разной величины и конструкции. Некоторые из них имели циклопические размеры. Акустическая пеленгация канула в Лету после появления реактивных самолетов. Они не были тише предшественников – просто значительно выросла их скорость. Сверхзвуковой самолет вы быстрее увидите, чем услышите, но даже если он движется на дозвуковой скорости, времени на реакцию остается совсем мало.
Холодно, теплее, горячо…
Авиационный двигатель не только шумит, но еще и здорово нагревается во время работы. А значит, излучает инфракрасные волны. Это было «головной болью» еще в эпоху поршневых самолетов – раскаленные патрубки и горячие выхлопы из них существенно демаскировали самолеты ночью. Реактивная силовая установка испускает еще больше инфракрасного излучения.
Тепловой след представляет серьезную проблему, ибо на него наводятся значительное количество современных ракет типа «земля-воздух» или «воздух-воздух». Существует несколько способов противодействия данной угрозе:
- экранирование или изменение формы сопел;
- отстрел тепловых ловушек;
- постановка активных помех.
На боевые вертолеты ставят экранно-выхлопные устройства (ЭВУ), в которых происходит смешивание горячих выхлопных газов с холодным воздухом. Благодаря этому заметность двигателя в инфракрасном диапазоне снижается. По понятным причинам на реактивный самолет нельзя поставить подобное приспособление, и здесь применяют другие методы: экранируют сопло с помощью корпуса или делают его прямоугольным. Последнее решение негативно сказывается на эффективности двигателя, зато реактивная струя прямоугольной формы быстрее рассеивается.
Отстрел ложных тепловых целей сбивает головку наведения ракеты, заставляя ее преследовать более мощный тепловой сигнал. Каждая из ловушек представляет собой пиротехническое устройство, похожее на сигнальную ракету. Они заряжаются в специальные устройства сброса, отстрел производится автоматически.
Постановка активных помех производится за счет генераторов или бортовых лазерных станций. Первые представляют собой инфракрасные лампы с отражателями, а вторые комплектуются системами поиска атакующих ракет и ИК-лазером, который ослепляет их ГСН.
Еще можно добавить, что уменьшение теплового излучения актуально не только для самолетов или вертолетов. ПТРК третьего поколения типа американского «Джавелина» также имеют инфракрасную головку самонаведения, поэтому о снижении теплового следа двигателя придется хорошенько задуматься и танкостроителям.
Как защититься от радиоволн
Исторический экскурс
Еще в 30-е годы прошлого столетия британский инженер Уатт утверждал, что в дальнейшем боевые самолеты будут конструироваться с учетом уменьшения их заметности для радиолокационных станций – тогда на него не обратили внимания. Серьезно озаботились данным вопросом уже после Второй мировой войны: при создании бомбардировщика Б-52 американцы учитывали принципы малозаметности в его конструкции.
В Советском Союзе данная проблема не получила должного внимания, в США разработки малозаметных самолетов поколения начались в середине 60-х годов. Российские источники любят писать о «непризнанном» советском гении – Петре Уфимцеве, на основе работ которого американцы, якобы, и создали технологию Стелс. Согласно легенде, в 1962 году ученый издал книгу с описанием математического аппарата для создания малозаметных самолетов. В СССР на нее не обратили внимания, зато ею заинтересовались в США. На самом деле, книгу Уфимцев действительно изучали американские специалисты, но ничего нового в ней не нашли, ибо сами занимались теми же вопросами. Доказательство советских исследований в области малозаметности просто позволило американцам получить дополнительное финансирование.
Так или иначе, но первое поколение «невидимок» появилось в США, к нему относятся:
- самолет-разведчик SR-71 Blackbird;
- тактический ударный самолет F-117 Nighthawk.
Из этой пары наиболее узнаваем F-117, получивший за абсолютно футуристический внешний вид прозвище Wobblin Goblin, что переводится, как «Хромой гоблин». Боевая машина была окрашена в зловещий черный цвет и имела многогранную угловатую конструкцию. Именно за ее счет достигалось значительное уменьшение заметности – согласно данным зарубежных источников ЭПР F-117 составлял от 0,01 до 0,0025 кв. м. Но за все приходится платить: аэродинамическое качество самолета равнялось всего 4, он не мог достичь сверхзвуковой скорости, имел скромный радиус действия и небольшую боевую нагрузку. Летные характеристики машины также оставляли желать лучшего – 10% самолетов от общего числа построенных было потеряно в результате аварий.
Ко второму поколению «невидимок» относятся:
- B-2 Spirit;
- F-22 Raptor;
- F-35 Lightning;
- Chengdu J-20;
- Shenyang J-31;
- Су-57.
Все вышеперечисленные машины абсолютно не похожи на F-117 или SR-71 – конструкторам удалось совместить малозаметность и достойные летно-технические характеристики. Некоторое ухудшение аэродинамических качеств было компенсировано увеличенной тяговооруженностью двигателя и продвинутой авионикой. Можно добавить, что Су-57 и J-31 пока находятся на этапе испытаний и не выпускаются серийно. Кроме того, созданием собственного малозаметного истребителя пятого поколения занимается Япония, Индия, Южная Корея, Турция, европейские страны.
Основные приемы малозаметности
Несмотря на годы исследований и миллиарды потраченных долларов, количество способов снижения заметности, на самом деле, невелико. Оно достигается за счет частичного поглощения сигнала радара материалами корпуса и отражения его остальной части таким образом, чтобы эхо не возвращалось к антенне радиолокационной станции.
Термин «эффективная площадь рассеивания» является важнейшим для понимания технологии малозаметности. Он показывает способность объекта поглощать электромагнитные волны, а также отражать их в сторону антенны радара. Общая площадь объекта и площадь поверхности, отражающей радиоволны, как правило, не совпадает. Меняя форму самолета и используя разные материалы в его конструкции, можно снизить его заметность аппарата, не уменьшая физические размеры. Также ЭПР определяет дальность обнаружения объекта радиолокатором.
Следует добавить, что добиться поглощения и отражения радиоволн возможно только в сантиметровом диапазоне. С дециметровыми волнами это получается гораздо хуже, а с метровыми – длина которых соизмерима с размерами летательных аппаратов – не получается вовсе. Правда, метровые волны редко используются в радиолокации. Они имеют значительную дальность действия, но низкую точность определения координат цели.
Что мешает скрытности
«Главными врагами» скрытности летательных аппаратов являются:
- плоские поверхности, расположенные поперек луча радара;
- выпуклые поверхности;
- кромки, швы и стыки;
- замкнутые элементы конструкции, способные отражать сигнал к его источнику.
Любая плоская поверхность, находящаяся под прямым углом к лучу радара, отразит сигнал обратно. Это касается не только элементов планера самолета, но и лопастей винтов или лопаток турбин. И если с лопастями турбовинтовых самолетов и вертолетов ничего поделать нельзя, то уменьшить видимость лопаток компрессора вполне реально.
Типичным решением этой проблемы является использование S-образных воздуховодов. Их изогнутая форма закрывает двигатель и существенно снижает общую заметность самолета. Правда, при этом падает эффективность работы силовой установки. Сложнее уменьшить радиолокационную заметность самолетов сзади: кривое или очень длинное сопло вообще не сочетается с нормальной работой двигателя. Ситуацию спасает только тот факт, что у большинства боевых самолетов лопатки турбины прикрыты сзади форсажной камерой, которая несколько уменьшает их радиозаметность.
Выпуклые поверхности прекрасно отражают луч радара, причем, в отличие от плоскостей, делают это с любых направлений. Типичным примером такой поверхности является передняя кромка крыла. Решение данной проблемы – это использование прямых угловатых конструкций со скошенными краями и законцовками. Они уменьшают заметность самолета или вертолета, правда, при этом страдают аэродинамические качества.
Скрытность летательного аппарата в радиолокационном диапазоне нарушают кромки, стыки и швы. Поэтому их количество пытаются максимально уменьшить: для повышения скрытности создатели бомбардировщика В-2 вовсе отказались от килей и стабилизаторов. Кроме того, кромки «невидимок» делают параллельными друг другу, чтобы уменьшить количество ракурсов, с которых самолет будет максимально заметен. Например, у российского истребителя Су-57 передняя кромка крыла параллельна передней кромке стабилизатора. Аналогичные решения можно увидеть на американских самолетах F-22 и F-35.
Стыки обшивки и крышки делают пилообразными, причем размеры зубцов специально подбирают под длину волны РЛС и делают их параллельными кромкам крыла или стабилизатора.
В конструкции самолетов присутствуют элементы, способные свести на нет все усилия по снижению его заметности. К ним, например, относится кабина пилота или часть, образуемая стыком крыла и фюзеляжа. Они работают по принципу ретрорефлектора или уголкового отражателя. Попав в кабину пилота, луч радара несколько раз отражается от ее стенок и уходит в обратном направлении, значительно демаскируя аппарат. Для устранения этого эффекта фонарь кабины современных самолетов покрывают тонким слоем металла, из-за чего он имеет золотистый или зеленоватый оттенок.
Еще одной проблемой на пути к уменьшению заметности является собственный радар самолета. Он располагается в носовой части машины под головным обтекателем, прозрачным для радиоволн. Даже в выключенном состоянии БРЛС способна полностью демаскировать самолет, потому что ее антенна по понятным причинам имеет прекрасные отражающие свойства. Поэтому в неработающем состоянии тарелку поворачивают вверх, это касается и суперсовременных радаров с фазированной решеткой.
Обязательным требованием для всех «невидимок» является размещение вооружения во внутренних отсеках, а также максимально качественная подгонка, сборка и покраска всех внешних элементов крыла и планера.
Волшебная невидимая краска
Радиопоглощающие покрытия и материалы – это один из главных «секретов успеха» технологии Стелс. Сегодня известно несколько видов РПМ. Толщина подобных материалов высчитывается, исходя из особенностей радиоизлучения.
Так, например, резонансные РПМ имеют толщину в четверть длины волны. Попав в такой материал, излучение отражается от его внешней и внутренней поверхности, после чего происходит его интерференционная нейтрализация.
Нерезонансные покрытия представляют собой крошечные магнитные частицы, распределенные в пластике. Они рассеивают излучение или хаотически отражают его в разных направлениях. Подобные РПМ могут работать с радиоимпульсами разной частоты и длины волны. Существуют толстые многослойные покрытия, совмещающие в себе материалы обоих типов.
Одним из наиболее известных РПМ является iron ball paint – вещество, содержащее микроскопические сферы, покрытые магнитным составом. Оно превращает высокочастотное излучение локаторов в тепло, существенно уменьшая заметность объекта. Подобный материал использовался для покрытия знаменитого самолета-разведчика SR-71 Blackbird.
Кроме того, для снижения ЭПР летательных аппаратов используются специальные композитные пластики, способные поглощать электромагнитное излучение.
Недостатки стелс-технологий
Технологии малозаметности летательных аппаратов на ее нынешнем уровне развития имеет определенные недостатки. Самым главным из них является высокая стоимость «невидимок», причем это относится, как к разработке и постройке самолетов, так и к их обслуживанию.
Каждый «Хромой гоблин» обходился американскому налогоплательщику в 111 млн долларов, что для середины 80-х годов было очень приличной суммой. Общая стоимость программы F-117 составила 6,56 млрд долларов. Еще дороже оказался малозаметный «стратег» B-2 – 2,1 млрд долларов (по состоянию на 1997 год). На всю программу было потрачено 44 млрд долларов. Цена истребителя F-22 Raptor составляла 141 млн долларов, а F-35 обходится бюджету США примерно в 100 млн долларов.
Стоимость перечисленных самолетов действительно впечатляет, однако сказать, какая именно часть из перечисленных сумм пошла на стелс-технологии, довольно трудно. Истребители пятого поколения вряд ли будут стоить меньше 80-100 млн долларов, причем в основном из-за слишком сложной и дорогой электроники, а не стелс-технологий.
Самолеты-«невидимки» нередко критикуют за ухудшения их аэродинамических качеств в угоду малозаметности. Возможно, что подобные нарекания вполне обоснованы для «стелсов» первого поколения, вроде F-117, но для нынешних истребителей типа «Раптора» или Су-57 они звучат не слишком убедительно. Понятно, что ради снижения заметности конструкторам приходится идти на определенные жертвы, но они компенсируются более мощными двигателями, изменяемым вектором тяги и продвинутой электроникой.
Невидимость «стелсов» – это сильное преувеличение, придуманное журналистами. Такие самолеты правильнее называть «малозаметными». Например, советский комплекс С-300 мог видеть F-117A, но на более близких дистанциях. Если же ЗРК оснащен визуальным каналом, то он легко обнаружит «стелс», как и любой другой летательный аппарат. Говорят, что именно такой казус произошел с «Хромым гоблином» в Югославии, когда он был сбит ракетой устаревшего советского комплекса С-125.
Сегодня трудно сказать, чем закончится эпоха «невидимых» самолетов. Возможно, появится новая технология, которая сможет видеть «стелсы», тем более, что разработками в этом направлении занимаются в разных странах мира. У нас в последнее время появилось много статей о «фотонном радаре», который будет иметь фантастические характеристики и сможет с легкостью засекать малозаметные аппараты. Возможно, именно он изменит путь развития боевой авиации и закончит эпоху господства «невидимых» самолетов.
