Militavia - Katonai repülés és légvédelem

Lopakodók kontra radarok - a lopakodás fizikai háttere, radar egyenlet

2022. július 31. - molnibalage

00-lopakodok_vs_radarok.png

Előszó

1999-ben az Allied Force hadművelet alatt lelőtt F-117 alacsony észlelhetőségű csapásmérő, közismertebb módon „lopakodó” repülőgép esete után számtalan városi legenda kapott szárnyra az alacsony észlelhetőségű repülőgépek képességei, illetve magával az esettel kapcsolatban is. Ezek még több mint 20 évvel később is fájóan gyakran bukkannak fel szerte az Interneten, ezért ideje tisztába tenni bizonyos dolgokat mindkét főbb területen.

Azok számára, akik inkább a hangoskönyveket és animációt kedvelik a cikk anyaga videón, narrálva is elérhető.

Bevezetés

Mielőtt a konkrét esetre rátérnék szükséges ismét radarokkal foglalkozni. Ez idáig már sok szó esett légvédelmi rendszerekről és azok radarjairól, ahol többnyire csak olyan megjegyzés volt téve az észlelési távolsághoz, hogy MiG-17 vagy MiG-21 méretű vadászgépet mekkora távolságról érzékel a radar. Egész egyszerűen ezeket a típusokat mérték ki a szovjetek referenciának, mert ezzel rendelkeztek. Emiatt ideje szót ejteni egy igen fontos tényezőről, ami komolyan befolyásolja a radarok felderítési távolságát. Ez pedig a célpont radarkeresztmetszete, angolul radar cross section (RCS).[1]

Radarkeresztmetszet

01_masolata_4.png

Hogyan képzelhetjük el a radarkeresztmetszet fogalmát? Nos, egy igen gyenge analógiával olyan ez, mint egy tárgy mérete az emberi szem számára. Minél nagyobb valami, annál távolabbról képes a szem érzékelni. Egy tárgy is lehet eltérő irányból eltérő méretű. Egy papírlap is szemből sokkal, de sokkal nagyobb távolságból érzékelhető ahhoz képest, mint amikor élére állítva nézünk rá. De egy pontosan szemből közeledő repülőgép is kisebb felületet mutat optikailag, mint oldalról nézve.

02_masolata_4.png

Az irányfüggés igaz a radarral történő célkövetésre is. A repülőgépek attól függően, hogy melyik irányból éri őket a sugárzás, nem azonos mértékben verik vissza elektromágneses hullámokat. Viszont a fenti nagyon primitív analógia ott megy félre, hogy egy repülőgép radarral való észlelhetősége sokkal nagyobb irányfüggést mutat és sokszor egyáltalán nincs összefüggésben az optikailag látható mérettel. A linkelt[2] videón látható, hogy egy nagyon egyszerű felületnél is, annak megdöntése drámaian csökkenti az egyenértékű radarkeresztmetszetet.

2:16-tól fordítás.

Mivel egy repülőgép áramvonalas szerkezet ebből következik, hogy viszonylag kevés olyan felülete van, ami merőleges az áramlásra, tehát az azt pásztázó radarra szemből nézve. Viszont más irányból ez már korántsem igaz. Tehát egy repülőgépnek viszonylag korlátozott része felelős a visszaverődés számottevő részéért adott irányokba. Emiatt van az, hogy a radarkeresztmetszet nagyban függ a felületek összességére történő rálátásától a radar számára, emiatt erősen irányfüggő, és nem egy fix érték. Ennek köszönhetően a radarkeresztmetszet egy értékkel való jellemzése a repülőgépeknek erősen valóság torzító hatású, hiszen az mindig csak egy adott irányra vonatkozik.

Hogy egzaktabb megfogalmazása legyen ennek a fontos értéknek. A radarkeresztmetszet alatt azt értjük, hogy a repülőgép mekkora méretű merőleges visszaverő felülettel egyenértékű objektum egy adott radar számára.

03_masolata_4.png

Az ábrán láthatók, a visszaverődések jellemző okai és helyei, de ezek nem azonos súllyal esnek latba. Emiatt van az, hogy a modern alacsony észlelhetőségű repülőgépek nagy része viszonylag konvencionális kinézettel bír. Értem ez alatt az F-22-őt és például az F-35-öst összevetve az F-117-essel. A visszaverődést okozó legkritikusabb helyeken szükséges megfelelő geometriai kialakítás vagy más technikai megoldás az elektromágneses hullámok szétszórására vagy elnyelésére. Ez a következőket jelenti:

04_masolata_5.png

A repülőgépeken levő fő élek egymáshoz képes kötött szöget zárnak be, a szárnyak és a vezérsíkok a törzshöz és egymáshoz képest is.

05_masolata_5.png

Az elektronikus nyalábeltérítésű fedélzeti lokátor (amennyiben van) síkantennáját is adott szögben, ferdén építik be.

06_masolata_5.png

07_masolata_5.png

A hajtómű kompresszor lapátjaira való rálátást gátolják, és magát a hajtómű szívócsatornát is annak megfelelően tervezik, hogy csökkentse a bekerülő hullámok reflexióját.

08_masolata_5.png

A kabin üvegezését átlátszó, de radarhullám visszaverő fémréteggel látják el.

Radarabszorbens, vagyis radarhullám elnyelő festék alkalmazása. Üzemeltetés közben a felületek illesztésére és simaságára különösen odafigyelnek, a szervizpanelek réseit, és a rögzítő csavarokat elfedik.

09_masolata_5.png

Az alacsony észlehetőségű kialakítás legjellemzőbb és leginkább látható része, hogy az ilyen repülőgépek belső fegyvertérrel rendelkeznek. Az összes eddig felsorolt megoldás semmit sem érne, ha repülőgép külső függesztményt hordozna. Azok formáját ugyanis nem lehet a funkciójuk miatt optimalizálni kellően az alacsony észlelhetőséghez. Ráadásul az alacsony észlelhetőségű gépek ugyanazon fegyvereket kell, hogy alkalmazni legyenek képesek, mint a régi hagyományos gépek költséghatékonysági okokból.

10_masolata_5.png

A fenti hat fő megoldás közül mind szükséges, ezek önmagukban nem elégségesek a célhoz. Hagyományos repülőgépeken alkalmazva például radarhullám elnyelő festést nem történik meg a „csoda”. A speciális festék lényege, hogy az akár 2-3 nagyságrenddel csökkentett radarkeresztmetszet még tovább szorítsa le. Erre ott is képes adott esetben, ahol a megfelelő forma használatával sem csökkenthető már tovább a reflexió. Sokat nem segít a repülőgépen alkalmazott speciális festés, ha rálátni a hajtómű forgó kompresszorlaptájaira és a külső függesztményekről is verődik vissza a radarhullám…

11_masolata_5.png

De ugyanez igaz a belső fegyvertérre. Hiába rendelkezik ilyennek minden interkontinentális bombázó, az F-102 és F-106 vadászgép vagy néhány csapásmérő, mint az F-111 vagy F-105. Még, ha csak ezekben is hordoztak volna fegyverzetet, akkor sem csökkent volna számottevően az észlelési távolság a radarok ellen, mert a felsorolt hat pontos listából a többi feltétel nem teljesül.

12_masolata_5.png

A konvencionális kinézetű vadászgépekhez képest léteznek hatékonyabb alapformák is, de ezek problémája, hogy azokkal termelhető felhajtóerő, és az elérhető repülési teljesítmény lényegesen korlátozottabb. Ilyenek a különféle gyémánt alapformákkal operáló kialakítások. Ezek a legkevésbé sem hasonlítanak semmilyen hagyományos vadászgép alapformára. Ennek felhasználásával tervezték meg a később híressé vált F-117 alacsony észlelhetőségű csapásmérő gépet. Megjegyzendő, hogy az F-117 esetén azért síklapokból alkották meg a gépet, mert a korszak számítógépes kapacitása nem tette lehetővé az ívelt formákkal való tervezést.

13_masolata_5.png

14_masolata_5.png

Egy repülőgép radarkeresztmetszete az alacsony és csökkentett észlelésű repülőgépeket megelőzően azok méretével erős korrelációt mutatott. Egy kisebb gép jellemzően kisebb távolságról volt érzékelhető, egy nagyobb meg messzebbről. Csak nagyon különleges formájú repülőgépeknél volt számottevően eltérő a radarkeresztmetszet a szokványostól. Csak véletlenül eredményezett a repülőgépek aerodinamikai kialakítása alacsony reflexiót, és csak egyes irányokban. Erre volt példa az YB-49 kísérleti bombázógép, ahol fény derült a csupaszárny kialakítás előnyeire, a repülőgép méretéhez képest meglepően kis távolságról volt csak érzékelhető radarral. Később ez vezetett el a B-2 Spirit bombázó alapformájának kiválasztásához, de önmagában az alapforma kevés volt, a kritikus területek speciális kialakítása ettől még ugyanúgy szükséges.

15_masolata_5.png

Az alacsony észlelhetőségű repülőgépek megjelenésével viszont elérkezett az a korszak, amikor egy repülőgép méretéből egyáltalán nem következik annak radar visszaverő keresztmetszetének még a nagyságrendje sem. A hasonló fő befoglaló méretekkel (hossz, fesztávolság, magasság) rendelkező F-4 Phantom II és F-117 között
kb. 4 nagyságrend eltérés van egyes irányokból mérhető radarkeresztmetszetben. Egy nagyságrend az tízszeres eltérést jelent, tehát itt tízezerszeres eltérésről van szó.

16_masolata_3.png

Mivel vadászgépek közötti légiharc és a légvédelem elleni tevékenység során is megközelítési fázis a legfontosabb, ezért az alacsony észlelhetőségű repülőgépek terén a gép szemből felderíthetőségének csökkentése kapta a prioritást, az attól eltérő irányokban számottevően kisebb a reflexió csökkenés, de még mindig számottevő a konvencionális gépekhez képest.

Radar egyenlet, fő tényezők, észlelési távolság

17_masolata_4.png

Itt az ideje számszerűsíteni azt, hogy mire képes az alacsony észlelhetőség. Remélem senki sem gondolta komolyan azt a gyakran emlegetett butaságot, hogy az alacsony észlelhetőségű repülőgépek láthatatlanok mindentől függetlenül a radarok számára. Annak ellenére, hogy a bulvár vagy lassan bármilyen média képes ilyen szenzációhajhász kijelentéseket tenni. Valójában a kérdés az, hogy mennyire csökkenti le egy radar észlelési távolságát a stealth technológia csomag alkalmazása a hagyományos repülőgépekkel összevetve. Ehhez viszont szükséges némi matematika és fizika. Ez van…

18_masolata_4.png

Az F-4 Phantom és F-117-es összehasonlításnál említett tízezerszeresen eltérő radarkeresztmetszet értékek elsőre is jól mutatják, hogy észlelési távolság és a reflexiós felület közötti kapcsolat minden, csak nem egyenesen arányos. Emiatt a radartechnikában a decibel, tehát logaritmikus skálával való számolás az általánosan elfogadott, a radarkeresztmetszet karakterisztikákra vonatkozó ábrák is így vannak megadva. 10 dB különbség tízszeres eltérést jelent, 20 dB százszoros, 30 dB ezerszeres eltérést stb. Az 1 m2 radarkeresztmetszet a referencia 0 dBsm, tehát a -30 dBsm érték 0,001 m2 radarkeresztmetszetet jelent, a +20 dBsm meg a 100 m2-t.

Ezek után akkor vigyázó tekintetünket a lenti egyenletre vessük, ez az általános radar egyenlet. Nyugalom, nem lesz annyira bonyolult, mint elsőnek látszik.

19_masolata_3.png

  • Az egyenlet baloldal a vételi érzékenység, ami az a jelerősség, amit még képes észlelni a radar-rendszer a háttérzajban.
  • Adóteljesítmény, a radar impulzus csúcsteljesítménye. Ez is egyszerű, minél nagyobb teljesítménnyel ad a radar, úgy a célról visszavert jelerősség is nő. Persze ez konstrukciós okokból nem növelhető a végtelenségig.
  • Az antenna nyereséget a kisugárzott nyaláb mérete határozza meg, minél szűkebb a nyaláb, annál nagyobb. (0dBi az omnidirekcionális antenna nyeresége.) A nyaláb méretét az antenna típusa és kialakítása határozza meg, ahogy ezt a Berkut videó elején levő rövid radar összefoglaló már tisztázta.
  • További tényező a célpont észlelhetőségében a radar üzemi frekvenciája, ami a terjedési veszteség miatt fontos. Hosszabb hullámhosszt használva a terjedési veszteség kisebb, ellenben fizikailag nagyobb antenna méretet igényel.
  • És végül az utolsó fő faktor maga a célpont, annak radarkeresztmetszete. Ez a célpont fizikai tulajdonsága, ami irányfüggő.

Amennyiben minden paraméter ismert, akkor az egyenlet átrendezésével számolható ki az észlelési távolság. Az levezetés végén lényegében a 10 hatványkitevőjét számoljuk ki a dB értékekből.

Ha csak a célpont radarkeresztmetszete a változó érték, akkor az egyenletben csak a 10 log(o) érték változik. Tehát ezen keresztül vizsgálható, hogy a felderítési távolság hogyan alakul. Az egyenletből látszik, hogy radarkeresztmetszet és a felderítési távolság között a kapcsolat nem lineáris. Amennyiben csak ez a faktor, akkor egyszerűbben is értelmezhető a modell.

 20_masolata_3.png

A felderítési távolság duplázódása vagy feleződése a radarkeresztmetszet változásának a negyedik hatványával arányos. Tehát, ha egy 1 m2 radarkeresztmetszettel bíró gép észlelési távolságának a felezése a cél, akkor 0,54 mértékben kell csökkenteni a visszaverő felületet. Ez körülbelül az eredeti felület 6%-a, egészen pontosan számolva 0,0625 m2. Ha további felezése a cél a felderítési távolságnak, akkor ennek 6%-át kell elérni, ami 0,0039 m2. Nem semmi kihívás ez, annyi szent. Tegyük fel, hogy egy radar észlelési távolsága 100 km 1 m2-es cél ellen. Akkor 0,0039 m2 értéket szükséges elérni ahhoz, hogy 25 km-re csökkentsük az észlelési távolságát az adott radarnak. Ez fordítva is igaz, tehát ha radarkeresztmetszet 16-szorosra nő, ettől a felderítési távolság mégis csak a duplája lesz a tizenhatszor kisebb refelxióval bíró célhoz képest.

21_masolata_3.png

Ez az összefüggés azért is hasznos, mert ha egy radar, adott üzemmódján rendelkezésre áll a  felderítési távolság adott radarkeresztmetszetű cél ellen, akkor ez átszámítható nagyobb, vagy kisebb reflexiójú célra is. Például az Sz-400 légvédelmi rendszernél 4 m²-es visszaverő felületre 250 km-es felderítési távolságot adnak meg égháttérben. Akkor egy negyed akkora felderítési távolságú cél esetén, 1/4⁴ = 1/256-od radarkeresztmetszetű cél, tehát 0,015 m²-es visszaverő felületnél az észlelési távolság a negyede, tehát kb. 62 km.

 A hatalmas radarkeresztmetszettel bíró repülőgépeknél a felderítési távolság emiatt logaritmikus jelleg miatt nem száll el végtelenbe, de ennek ellenére számottevő a különbség a hagyományos harcászati repülőgépekhez képest. Nagyméretű célokat, mint például B-52 vagy a nagy méretű teherszállító gépek, mint a C-17 akár már 300 km távolságról is képesek követni égháttérben a vadászgépek radarjai, de ehhez képest egy kisméretű vadászgépet mégis csak fele vagy akár csak harmad akkora távolságból.[3]

De nézzünk akkor egy másik változót. Mi lenne, ha egy azonos antenna kialakítással duplázni akarnánk a felderítési távolságot az adó teljesítmény növelésével. Mivel itt is logaritmikus az összefüggés azt kapjuk, hogy ehhez tizenhatszoros adó teljesítmény szükséges. Ebből szerintem érezhető, hogy a fő faktor az, hogy az antenna konstrukció milyen szűk nyaláb kibocsátásra képes. Ez, a Berkutról szóló videó elején elhangzottak szerint, az antenna konstrukció és az alkalmazott hullámhossztól függ, ez utóbbi viszont a terjedési veszteséget is befolyásolja. A teljesítmény mondhatni agyatlan növelésével, erőből nem oldható meg a feladat. Nincs csoda radar, ami kis antenna mérettel nagy felderítési távolságra lenne képes.

A terjedési veszteség csökkentése hosszabb hullámhossz alkalmazását követeli meg, a szűk nyaláb előállításához szükséges antenna fizikai mérete nagyobb lesz azonos nyalábszélesség esetén, egy méteres radarnál, mint egy centiméteresnél. Ezért van az, hogy a cm-es hullámhosszú Sentinel radar így néz ki, ami 120 km felderítési távolsággal rendelkezik. Ez a másik, a Buk-M1 rendszer felderítő radarja, 160 km-es észlelési távolsággal, ami szemmel láthatólag nagyobb és nehezebb is, amit az önjáró jármű lánctalpas kialakítása is mutat.

 22_masolata_3.png

A hagyományos vadászgépeket kb. 500 km távolságból érzékelni képes Nyebo-M antennája meg két teniszpálya méretével vetekszik. Ez az alacsony észlelhetőségű gépeket kb. 60-90 km-ig képes felderíteni. Ez már legalább valamennyire mobil, nem, mint elődei, de a telepítési ideje azért ennek is 15 perc.

23_masolata_3.png

Az Sz-200 nagy hatótávolságú légvédelmi rakéta-rendszer extrém nagy hatótávolságú P-14F felderítő radarja is hasonló méretekkel bírt, ennek mobilitása gyakorlatilag a nullához közelít, elméleti. Minimum 24 óra a telepítési ideje. Ehhez képest a Nyebo-M előrelépés, de látható, hogy univerzális csodaradar nincs. A megkövetelt felderítési távolság, üzemi frekvencia és az adott cél radarkeresztmetszetnek alapján történik a radar méretének meghatározása, ami korlátozza annak mobilitását és több egyéb paraméterét is.

24_masolata_3.png

Ami még néhány szót érdemel a méteres hullámhosszú radarok kérdésköre. Az adott radarkeresztmetszet, mint geometriai érték nem változik attól, hogy milyen frekvenciájú jellel van a cél megvilágítva. Viszont mivel a cél is antenna reflektorként működik, így a jel frekvenciájától függ a visszavert jel teljesítménye. Ezzel szemben az, hogy a méteres radarok ellen a geometriai lopakodás nem működik, egész egyszerűen nem igaz. Akkor a méteres szovjet felderítő radarok simán több száz kilométerről is nyomon követték volna az F-117-eseket, amire sem Szerbiában, sem a Sivatagi Vihar alatt nem volt példa.

25_masolata_3.png

Szintén egy létező jelenség, ami erősen túl van értékelve egyes lopakodó szkeptikusok által a Rayleigh szóródás. Abban az esetekben, ha a repülőgép látható fő jellemző mérete és a hullámhossz között egy kötött arány áll fent, akkor a visszaverődés erősebb. Viszont mivel az eltérő alacsony észlelhetőségű gépek mérete nem azonos, illetve a radarok frekvenciája sem, még egy típusé is elhangolható valamennyire, ezért ezen tényezők folyamatos egyidejűségére nem lehet számítani. Ettől a jelenségtől egy alacsony észlelhetőségű repülőgép nem lesz varázslatosan hatalmas távolságból érzékelhető. Egyes nagyon szerencsés esetekben néhány %-ot változhat az észlelési távolság, de ez a nagy összképen semmit változtat.

26_masolata_3.png

Repülőgépek jellemző radarkeresztmetszet értékei

A radar egyenletben foglalkoztunk már a távolság, frekvencia és az antenna kialakítás hatásával. Akkor ezek után marad a célok taglalása, azok radarkeresztmetszete. Az egyes harci repülőgépek pontos radarkeresztmetszet karakterisztikái titkosak, jellemzően becslések állnak rendelkezésre azok értékeit illetően, egyetlen esetet leszámítva, de erről majd később. Ezek adott esetben modellezéssel kapott eredmények. Mivel a radarkeresztmetszetnek komoly hatása van a felderítési távolságra, ezért annak titokban tartása fontos. Az Egyesült Államok és más légierők vadászgépei külföldi látogatásokra, szinte mindig úgy érkeznek, hogy a Sidewinder súlymakett rakéta orr részén egy szögvisszaverő van elhelyezve, ami mesterségesen megnöveli a repülőgép radarkeresztmetszetét, hogy a valós karakterisztika rejtett maradhasson. Az F-22 Raptor ezt a maszkolást a repülőgép hasán, egy kis szögvisszaverő, úgynevezett Luneburg-lencse kibocsátásával oldja meg, hasonló megoldással él az F-35, és élt az F-117 is.

27_masolata_2.png

Na de hogyan is kell elképzelni a radarkeresztmetszet jellegét? A lenti ábrán a Neptune haditengerészeti járőrgép mért értékei láthatók. Az ábra szerint nagyságrendi eltérés mutatható ki a radarkeresztmetszetben egyes irányok között, de jellemzően 10 és 20 dBsm közötti értékek olvashatók le, ami ugye 10 és 100 m²-t jelent. Mivel azonban csak nagyon szűk szögtartományokban alacsony a mért érték, ezért inkább arra lehet számítani, hogy a középérték körüli és a kiugróan magas átlagok fontosak. Ez a 15 dBsm és 20 dBsm közötti tartomány, ami 30 m² és 100 m² értékeket jelent, ezek között az észlelési távolság kb. 30%-kal tér el. Tehát egy radar, ami nagyméretű gépek esetén 200 km körüli felderítési távolsággal bír, az így is és úgy is nagy távolságról fogja érzékelni ez a célt. Harcászatilag a hatás lényegtelen.

28_masolata_3.png

Ami még lényeges, hogy szinte minden esetben csak egy síkmetszetben van az érték megadva. Ennek oka a radarok és repülőgépek közötti távolságból fakad. Az alulról/felülről, a helyszög szerint rálátás miatti irányfüggés nincs ábrázolva. Ez a hatás az esetek nagy részében elhanyagolható, nem jelent nagy eltérést. Nagy keresési távolság esetén a repülőgépekre nagyjából ugyanazon, néhány fokos szögben lát rá a radar, ez egyszerű trigonometriai számítással belátható. Közeli célpontnál meg már lényegtelen a komolyabb szögeltérés, mert előbb utóbb még az alacsony észlelhetőségű repülőgépet is képesek érzékelni a radarok, ahogy majd ez később látni fogjuk. Annak vizsgálata, hogy egy 5-10 km magasság eltéréssel repülő célt 15-20 km távolságból mit mutat nincs jelentősége. A fegyveralkalmazás sokkal hamarabb megtörténik, ahol az alacsony észlelhetőség hatalmas előnyt képes biztosítani.

29_masolata_2.png

30_masolata_1.png

31_masolata_1.png

Na de mi a helyzet a harci gépeknél? Mekkora azok radarkeresztmetszete? Egy F-16 méretű vadászgép szemből, kb. ±30 fokos aspektussal nagyjából 3-4 m2, a nagyobb iker vezérsíkos vadászgépek, pl. F-15 és Szu-27 esetén
7-10 m2 becslésekkel lehet találkozni. A B-52-nél ez akár elérheti a 80 m2 körüli értéket is.

bscap0000_masolata.png

A 4. generációs vadászgépek legújabb tagjainál tervezéskor már szempont volt a radarkeresztmetszet csökkentése, de csodát nem tudtak tenni, a külső függesztmények miatt, amik jelentős reflexiós felületek. A Super Hornet, az Eurofighter Typhoon és a Rafale típusok esetén a radarkeresztmetszet a marketing adatok szerint nagyjából a 1-3 m2 tartományba esik, de ez függesztmények nélkül értendők. Ezeket az újabb tervezésű 4. generációs vadászgépeket szokták csökkentett észlelhetőségű gépeknek hívni. Az első 4. generációs vadászgépekhez képest – ez az F-14 és F-15 – kb. egy nagyságrenddel alacsonyabb radarkeresztmetszettel bírnak. Ennek ellenére közelében sincsenek az alacsony észlelhetőségű, vagyis lopakodó repülőgépeknél elért rendkívül kis értékekhez.

32_masolata_2.png

Ez mind szép és jó, de akkor mi a helyzet a lopakodó repülőgépeknél?

Mivel az alacsony észlelhetőségű gépek karakterisztikái és értékei titkosak, ezekről közszájón forgó becslések, illetve lelkes egyetemisták, katatók és mérnökök által készített numerikus szimulációk érhetők el, mint források. De ezek legfeljebb csak tájékoztató jellegűek. A fenti szabály alóli egyetlen kivétel az F-117-es, ott mért adat is van, de erről majd később.

Egy 2005-ből származó szűkszavú hivatalos közlemény az Amerikai Légierőtől az F-22-es minimális radarkeresztmetszetét üveggolyó méretű, vagyis 13 mm átmérőjű fémgolyóéval azonosnak írta le. Az ezzel az adattal számolható érték -39 dBsm, vagyis 0,00012 m2. Az F-35 esetén a szemléletes mérce egy golflabda volt, ez egy kb. 43 mm átmérőjű labdát figyelembe véve -29 dBsm, vagyis 0,0013 m2. A B-2 radarkeresztmetszete az F-117-hez képest fele akkora, ez a dB skála sajátosságait figyelembe véve 3 dB értékkel kisebbet jelent. Ez -32 dBsm, vagyis 0,0006 m2.

33_masolata_2.png

Ezeket az értékeket nem kell szentírásnak tekinteni, ahhoz viszont több mint elég alapot adnak, hogy legalább közelítően levezethető adatokat kapjunk harcászati képességekhez, ne csak a levegőbe beszéljen az ember. A B-2-ről készült karakterisztika a ’80-as években történt méretarányos modell gyakorlati méréseinek eredményét mutatja számszerű érték nélkül, de jellegre helyesen. A mért eredmények a tesztek során, az előrejelzéseknél arányosan kisebb értékek voltak, de az abszolút érték és jelleg is szépen egyezett. Tehát már akkor is képesek voltak modellezéssel ellenőrizni ezeket. Ami még igen fontos, hogy az alacsony észlelhetőség szinte minden irányban érvényes maradt, kivéve a párhuzamos élek által meghatározott 4 csúcsot leszámítva, ami egy szűk irányszögre korlátozódik.

Az egyenszilárd radarkeresztmetszet fizikailag nem biztos, hogy megvalósítható azzal repülési teljesítménnyel, tehát aerodinamikai alapformával, amit az F-22-től vagy az F-35-től elvártak. Lehetséges, hogy emiatt használatos olyan alapforma, mint a B-2 vagy az X-47B, a csupaszárny és gyémánt alapforma keveréke. Mivel egyik gép karakterisztikája sem ismert pontosan, csak az B-2 tervezése során modellezett és mért, emiatt egyértelmű megállapítás erre nem tehető.

Az alacsony észlelhetőség harcászati haszna és kiaknázása

Nos, most már nagyjából képbe kerültünk az alacsony észlelhetőség határaival és azzal, hogy univerzális csodaradar nincs. Felmerülhet ezen a ponton a kérdés, hogy mi az alacsony észlelhetőség lényege és mit váltott ki.

34_masolata_2.png

Az alacsony észlelhetőségű repülőgépek alkalmazása előtt az egyetlen módszer az észlelési távolság drámai csökkentésére az alacsonyan repülés volt. Ennek hatását már a Nyeva légvédelmi rendszerről, illetve a Moszkva cirkálóról szóló videó is taglalta. A tereptárgyak adta takarás, illetve a radar horizont alatti repüléssel, adott esetben 30-40 km-re csökkenthető az észlelési távolság még relatíve sík terep esetén is. Ez olyan radarok ellen, amik közepes- vagy nagy magasságban akár 150-300 km távolságból is képesek észlelni a célt elég brutális különbséget jelent.

Csakhogy ennek a módszernek több hátulütője is van. Elsősorban az, hogy rendkívül korlátozza a repülőgépek hatósugarát és utazósebességét a sűrű légkörben repülés. A nagy magassághoz képest akár két-háromszoros fogyasztást is jelenthet. Másodsorban terepkövető radar és robotpilóta nélkül ez csak nappal hajtható végre és rendkívüli módon megterhelő a pilóta számára. Végül vadászgépek esetén a kisebb magasságban levő repülőgép, különösen terepkövető módon teljes alárendelt légi harcban azon ellenféllel szemen, aki magasabban repül, de már tisztában van az ellenség pozíciójával. Az alacsonyan repülés egyetlen előnye a közepes vagy nagy magasságban repülő lopakodó gép esetéhez képest, hogy sík terepet feltételezve nagyjából egyenszilárdan csökkenti az észlelési távolságot minden irányban a földi telepítésű radarok szemszögéből nézve. Az lopakodó gépeknél a kis radarkeresztmetszet irányfüggő. Légtérellenőrző gépek ellen manapság a földháttérben repülés önmagában édeskevés, ezért a lopakodó képesség sokkal előnyösebb ezek ellen.

De ettől függetlenül a terepkövető repülésnél is előfordulhat, hogy rövid időszakokra képes érzékelni a radar a célokat. Csak, ha ez nem biztosít elég időt arra, hogy egy légvédelmi rendszer azonosítsa célt, célba vegye, rakétát indítson és a rakéta célba is érjen, amíg újra el nem tűnik, akkor a cél nem leküzdhető. Még, ha ismételt célbefogásra van is idő a rakéta adott esetben nem tud a cél felé fordulni, mert vagy túlságosan lelassul vagy már túl is repült a célon közben. Ezt egy B-1B pilóta is kifejti.

Tehát a cél a folyamatos célkövetés ellehetetlenítése, mert annak hiányában nagy távolságból célt megsemmisíteni nem lehet rakétával, a vezérlési és kinematikai korlátok miatt sem. Mind a Nyeváról, mind a Moszkva cirkálóról szóló videóban már szó esett arról, hogy a légvédelmi rendszerek nem úgy működnek, hogy észlelik a célpontot és a következő másodpercben már repül is a cél felé a rakéta…

https://youtu.be/01xiHoIy4NA?t=60

 26:42-től fordítás.

Ezzel szemben az alacsony észlelhetőség nem minden irányba biztosít hasonló képességet, de cserébe ehhez nem kell alacsonyan repülni. Egy alacsony észlelhetőségű repülőgép tetszőleges magasságon közelítheti meg a célját. Ennek több előnye is van. Legyen szó akár csapásmérő, akár vadászgépekről azok lényegében a bevetések teljes időtartama alatt az kis hatótávolságú infravörös rakétákat használó légvédelmi rendszerek hatásos magassága felett repülhetnek. Ezek a kisméretű rakéták egyszerűen nem képesek a gépek repülési magasságát elérni sem. Másrészt a gépek a gazdaságos utazómagasságot használhatják. A terepkövető repüléshez képest számottevően nagyobb utazósebességük lehet, terepkövető radar kisugárzása nélkül repülhetnek, és hatósugaruk is sokkal nagyobb.

35_masolata_2.png

Vadászgépek esetén nagyon nem mindegy, hogy egy tengerszinten repülő vadászgép indít rakétát egy 6-8 km magasan repülő célra  vagy azonos magasságból teszi-e ezt. A kisebb magasságból indítás kb. felezi vagy akár harmadolja is a rakéta által lerepülhető hasznos távolságot.

Na, de számszerűleg akkor mekkora észlelési távolság érhető el, mondjuk Volhov tűzvezető radarjával, szélessávú üzemmódban egy hagyományos célpont és egy alacsony észlelhetőségű célpont ellen? A célpont legyen, mondjuk egy F-16 vadászgép, ennek radarkeresztmetszetét vegyük 4 m²-nek. A Volhov paramétereit egy korábbi videóból más ismerhetjük. 1000 kW adó teljesítmény, 5GHz üzemi frekvencia, 7x1,1 fokos nyalábbal legyez a rendszer, a vételi érzékenység a korábban említett -92 dB. Ez alapján az észlelési távolság 115 km.

36_masolata_2.png

Mi a helyzet, ha kb. a 0,001 m² a célpont radarkeresztmetszete? Akkor az észlelési távolság 14 km-re csökken. Ha ennél egy nagyságrenddel nagyobb, 0,01 m2 ez az érték, akkor is csak 26 km az észlelési távolság. Számoljunk a kisebb értékkel.

37_masolata_1.png

Azt nézve, hogy a Volhov reakció ideje mennyi – 30 másodperc teljesen idealizált esetben, de inkább több – mire követésbe vesz a rendszer egy 6 km magasan repülő kb. 250 m/s sebességű (M0,8) célt, az kirepülhet a megsemmisítési zónából. A radar már nem lenne képes érzékelni és befejezni a rakéta rávezetését. Ha meg maga a légvédelmi rakétaosztály a célpont, akkor egy ilyen reflexióval rendelkező cél eléri a minimális megsemmisítési távolságot, mire egyáltalán Volhov képes lenne reagálni, tüzelni és a rakétát célig kivezetni.

38_masolata.png

Amennyiben a P-18 felderítő radar zavarásával az észlelési távolság csökkent vagy a radar teljesen el van nyomva zavarással, akkor a tűzvezető radarral végrehajtott keresés szinte lehetetlen feladat. Ez nagyban megkönnyíti azt, hogy még relatíve kis távolságban, akár 10-15 km-re egyszerűen elrepüljön egy Volhov rakétaosztály mellett egy ennyire kis visszaverő felülettel rendelkező cél. Még gyenge zavarás esetén is, ha zavarás irányából érkezik az alacsony észlelhetőségű cél, gyakorlatilag az osztály feletti átrepülésig nem észlelhető az.

39_masolata_1.png

Ezzel szemben az F-16 ellen olyan távolságból lehetséges a célkövetés, hogy akár a megsemmisítési zóna 55 km-es távoli határán is lehetséges a találat. Ehhez képest egy alacsony észlelhetőségű gépet érzékelni csak akkor volt esélye egyáltalán a Volhovnak, ha az már régen mélyen a megsemmisítési zónán belül repült közeledő irányból.

40_masolata_1.png

Ezek alapján felvetődik a kérdés, hogy akkor hol húzzuk meg a határt radarkeresztmetszetben, ami alacsony észlelhetőséget, tehát már lopakodó kialakítást jelent. Véleményem szerint ott, amikor egy területvédelemre tervezett légvédelmi rendszernél a felderítési képességet annyira degradálja, hogy területvédelmi képesség megszűnik. Vagy ott, hogy az ’70-es években tömegesen hadrendben állt légvédelmi rendszerek esetén a tüzelési lehetőséget drámain korlátozza, azok nagyon kis célkövetési távolsága és reakció idejük miatt. Ez azt jelenti, hogy a Volhov rendszer tűzvezető radarja esetén a maximális célkövetési távolságot kb. 20 kilométerre, a Nyeva esetén kb. 15 km-re kell csökkenteni. Ez nagyjából a 0,001 m2 radarkeresztmeszet környékén van. Az F-117 alapvetően ezen légvédelmi rendszerek ellen készült, az Sz-200 ellen már az F-117 is alacsonyan repült volna. Vagy egyszerűen elkerüli, lévén az gyakorilat teljesen statikus rendszer volt. De erről majd később.

Az alacsony észlelhetőség egyik fő előnye a tűzvezető lokátorok felderítési távolságának csökkentése. Ezáltal lehet, hogy egyes légvédelmi rendszerek ugyan képesek érzékelni az adott gépet, de már csak annyira későn, hogy a szükséges tevékenységeket figyelembe véve effektíven már nem képesek a célpont ellen tevékenykedni.

A környezet felmérése kezdődik a bevetés előtti felderítési adatok figyelembevételével, ami ott végződik, hogy a radarbesugárzás jelző által észlelt, vagy éppen bevetés közben, adatkapcsolaton keresztül frissített helyzetképpel figyelembe vesznek bevetés közben azonosított fenyegetéseket is.

A mai modern gépek a színes, többfunkciós kijelzőn képesek ezeket szemléletesen és könnyen értelmezhetően ábrázolni. Lényegében a robotpilóta által a gép követhet egy optimálisan megtervezett útvonalat, a pilótának csak a bevetés menedzselésére kell az idejét fordítania. A robotpilóta fordulópontok akár térképre bökve is megadhatók vagy kurzorral kijelölhető. Az alacsony észlelhetőség így válik kihasználhatóvá. Elkerülve a lokátorok hatásos felderítési zónáját, a nagy hatótávolságú célleküzdés lehetetlenné válik. A nagy hatótávolságú, hagyományos gépek ellen területvédelemre is képes légvédelmi rendszerek egész egyszerűen elvesztik ezt a képességüket. Az F-35A vadászgép esetén megvalósítható ilyen üzem. Az F-117 képességei lényegesen korlátozottabbak voltak az F-35-höz képest, de hogy ez mire volt elég, arra majd egy következő videó tér vissza.

  Közreműködők

  • Molnár Balázs                                Grafika, animáció, szöveg
  • Hpasp                                             Technikai lektor
  • Cifka”Cifu” Miklós                           Technikai lektor

 A Patreon csatorna elérhetősége az extra tartalomhoz és a csatorna támogatásához.

https://www.patreon.com/militavia

 

[1] RCS– radar cross section, http://www.aerospaceweb.org/question/electronics/q0168.shtml

[2] https://www.youtube.com/watch?v=0LIqRshUoPct

[3] https://basicsaboutaerodynamicsandavionics.wordpress.com/2016/03/04/stealth-techniques-and-benefits/

https://basicsaboutaerodynamicsandavionics.wordpress.com/2016/04/12/radar-electronic-countermeasure/

A bejegyzés trackback címe:

https://militavia.blog.hu/api/trackback/id/tr4317894167

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

ranyek 2022.08.02. 12:02:34

Jó cikk! rákényszerített, hogy végiggondoljam az egyetemi találmányaimat és leporoljam a diplomamunkámat. Köszönöm!

Néhány gondolatot hadd fűzzek hozzá a hullámhossz – észlelhetőség kérdéskörhöz!
Egy felületi antenna irányítottsága alapvetően a méret és a hullámhossz arányával írható le. Minél nagyobb, annál jobb. Az antenna jobban koncentrálja a kimeneti energiát (G-antennanyereség) és jobb az iránybeli szelektivitása is (ezt a „3db-s irányélességi szög” paraméterrel jellemzik – pl. zavarhatóság szempontjából nagyon fontos: szűk antennanyalábba nehezebb belezavarni, mert a zavarónak az antennanyalábon belül célszerű elhelyezkednie, hogy ne kelljen eszelős teljesítmény a zavaráshoz).

A repülőgép is alapvetően felületi antennaként működik a radar fele, szóval ha egy egyszerű fémlapként képzelnénk el a célt, igazából a minél nagyobb működési frekvencia lenne a kívánatos minden szempontból. A radarkeresztmetszet diagrammokon jól látszik, hogy ez mennyire nem igaz, a radarkeresztmetszet igencsak irányfüggő (és köszönő viszonyban nincs a geometriai kiterjedéssel).
Ami a nagyobb frekvencia ellen szól, a nagyobb terjedési veszteség (ez alapvetően a légkör csillapító hatása, minél koszosabb-párásabb, annál nagyobb). Az alacsony működési frekvencia azért hasznosabb egy távolfelderítő radar számára, mert érzéketlenebb a légköri viszonyokra, cserébe rosszabb lesz az iránybeli felbontása és könnyebben lesz zavarható. Ugyanezek miatt a tűzvezető radaroknál inkább a magasabb (GHz-es) frekvencia a kedvező és a jellemző.

Hogy jön ehhez az alacsony észlelhetőség? Ha egy antenna méret-hullámhossz aránya ~10-nél kisebb, megszűnik felületi sugárzónak lenni, sokkal inkább kezd közelíteni egy pontsugárzóhoz. Aminek elég rossz az irányítottsága, viszont kicsi az irányfüggése. Tehát az alacsonyabb működési frekvencia ugyanazt a célt kisebb radarkeresztmetszetűnek, de irányfüggetlenebbnek mutatja. Tessék képzeletben egy „krumplit” rajzolni a B-26-os radarkeresztmetszet-ábrájára, valahova az 5 dBsm köré!

ranyek 2022.08.03. 10:34:29

Szóval az alacsonyabb frekvenciájú radar nem észleli előbb a csökkentett észlelhetőségű repülőgépeket (sőt: később!), de stabilabban.

A Rayleigh-diffrakcióhoz annyit tennék hozzá, hogy az elméleti maximuma (ami valahol 3-4-szr nagyobb radarkeresztmetszetet jelent a névlegeshez képest) kb. méret/hullámhossz=~0,3 aránynál van. Ezt nagyon pontosan el kell találni! Lásd:
www.researchgate.net/figure/Monostatic-radar-cross-section-RCS-of-a-perfectly-conducting-metal-sphere-as-a-function_fig4_327499876
Meg eleve: 10 m-es repülőgéphez ez 30 m hullámhosszt jelent (10 Mhz). Ehhez kezelhetetlen méretű antenna tartozna. Vannak ilyen alacsony frekvencián üzemelő radarok, de azok hatalmas méretűek, fixen telepítettek és korai előrejelzésre szolgálnak akár több 1000 km távolságra, de a repülőgép pontos helyének ismerete nem elvárás tőlük (over-the-horizon radar).

gigabursch 2022.08.03. 17:59:24

Akkor itt is megköszönöm!

Kifejezetten olvasmányos és informatív!

A TeCsőn azt írtad egy hsz-ban, hogy egy F-35 olcsóbb mint egy EF vagy egy Rafale. Gripen?
Vajon ezeknek, ill a Gripennek készítik a fejlesztését a lopakodós működésre, új korpusszal?
Mert így akkor tényleg nagy a lemaradás és a piaci helyzete sem túl rózsás az európai gépeknek...

Más:
A radar hullámok kapcsán említetted, hogy azért tesznek rá radartükröt, hogy mások nem találják meg a "saját rezonanciáját". De ha exportra kerül az F-35, akkor csak el tudnak vele szórakozni...

Azt is írtad, hogy a gépek radar keresztmetszete kicsi. Nem azt látja az emberi szem, amit a radar.
Ennek egyik oka az - ha jól értem -, hogy a radar saját "fénnyel" dolgozik, ugyanakkor az emberi szem (is) meg a központi fényszóró (Nap, Hold, stb...) által kibocsátott és a felületekről ide-oda, de végül is a szembe jutó fények értelmezéséből ad képet.
Ennek tükrében helyes az az értelmezés, hogy adott esetben az emberi szem nem feltétlenül a repcsit látja, hanem a visszaverődő fények hiányát, és azt értelmezi, míg az effajta hiány érzékelésére a radarok alkalmatlanok?

Remélem érthető voltam.
Előre is köszönöm a válaszokat!

ranyek 2022.08.05. 09:57:46

@gigabursch: a radartükör kapcsán a "rezonancia" nem jó kifejezés - a gép radarkeresztmetszete van megnövelve. Legalább egy átlag katonai repülőgép szintjéig, de még akár nagyobbra is, hogy mondjuk utasszállítónak látszódjon a radaron. Ennek a valós radarkeresztmetszet elfedése mellett van olyan szerepe is, hogy békeidőben a polgári légiirányítás is lássa a repülőgépet, ne kelljen magyarázkodni, hogy egyébként itt meg itt van a légtérben néhány katonai repülőgép is. Persze, aki megveszi a gépet, nyilván kipróbálja valós radarkeresztmetszettel is és megtudja, mit tud és mit nem. Ez természetes.

ranyek 2022.08.05. 10:15:12

@gigabursch: az emberi látás lényegesen bonyolultabb a radarnál. A radar egy adott frekvenciájú sugárzást használ "fényforrásként", amit mi fénynek hívunk, az egy elég széles frekvenciasávú sugárzás. A látás mint olyan, azon alapszik, hogy a tárgyak ebből a széles frekvenciasávú megvilágításból bizonyos frekvenciákat jobban, másokat kevésbé vernek vissza. Még ha egy adott test keveset is ver vissza minden frekvencián (ezek a tárgyak feketék), akkor is meg tudjuk látni, mert a reflexiója eltér a környezetétől. Ehhez viszont az kell, hogy egyszerre sokféle, nagyon különböző frekvenciájú sugárzással világítsuk meg a céltárgyat. Ezt a radarok nem tudják.

Ha hasonlóan kellene leírni a radar működését, akkor az kb. úgy nézne ki, hogy csak piros színű megvilágítás van és a tárgyakat kizárólag az alapján tudnánk megítélni, mennyire pirosak vagy sem. A csökkentett észlelhetőségű repülőgép kevésbé "piros" mint a normál repülőgép.

RoGeR 2022.08.12. 12:41:53

Ha egy lopakodónak a radar keresztmetszete egy 13-43 mm átmérőjű fém golyó...

...akkor dipól kötegek kidobása már akkora zavarást eredményez, ami mellett gyakorlatilag nem lehet észrevenni egy ilyen tulajdonságokkal rendelkező gépet?
süti beállítások módosítása