Εκτίμηση ραδιοδιατομής (RCS) του πυραύλου επιφανείας-επιφανείας ATMACA

Παναγιώτης Τουζόπουλος* και Κωνσταντίνος Χ. Ζηκίδης**

* Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών

“Δεν είναι απαραίτητο να αλλάξεις. Η επιβίωση δεν είναι  υποχρεωτική.”

Αποδίδεται στον W. Edwards Deming

 

Η δυνατότητα εκτέλεσης πρώτου πλήγματος είναι κρίσιμης σημασίας στο σύγχρονο πεδίο μάχης. Καθοριστικός παράγοντας μπορεί να αποδειχθεί η ραδιοδιατομή ενός οπλικού συστήματος (αεροσκάφος, πλοίο, πύραυλος κ.α.), η οποία καθορίζει την απόσταση που το οπλικό σύστημα θα εντοπιστεί από τα εχθρικά ραντάρ. Αν το οπλικό σύστημα του επιτιθέμενου εντοπιστεί πολύ αργά, θα υπάρχει ελάχιστος χρόνος αντίδρασης από τον αμυνόμενο και πιθανόν να μην μπορέσει να εξουδετερώσει την απειλή.

Η μέση ραδιοδιατομή ενός στόχου είναι μια διαβαθμισμένη πληροφορία. Στην παρούσα προσέγγιση προτείνεται μια μέθοδος, η οποία περιλαμβάνει την τρισδιάστατη μοντελοποίηση ενός στόχου και στην συνέχεια την χρήση της μεθόδου της Φυσικής Οπτικής, για την εκτίμηση της ραδιοδιατομής του στόχου. Η εν λόγω προσέγγιση εφαρμόζεται στον πύραυλο τουρκικής ανάπτυξης και κατασκευής ATMACA, με σκοπό την εκτίμηση της ραδιοδιατομής του.

 

1      ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Τα σύγχρονα οπλικά συστήματα τύπου stealth είναι σχεδιασμένα για να μην εντοπίζονται σε μεγάλες αποστάσεις από το εχθρικό σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης και να μειώνουν στο ελάχιστο τον χρόνο αντίδρασης του αμυνόμενου. Το σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης μπορεί να περιλαμβάνει ραντάρ (radar), υπέρυθρες (infrared – IR), sonar κ.α. Η τεχνολογία stealth μπορεί να χρησιμοποιηθεί από πλήθος οπλικών συστημάτων όπως αεροσκάφη, πλοία, πυραύλους και άρματα μάχης. Η σημασία της παραπάνω τεχνολογίας είναι καθοριστική καθώς δίνει την δυνατότητα στον επιτιθέμενο να πετύχει ισχυρό πρώτο πλήγμα και να επιφέρει μεγάλες απώλειες στον αμυνόμενο. Οι πρώτες προσπάθειες για ελαχιστοποίηση της απόστασης εντοπισμού από την εχθρική αεράμυνα έγιναν με χρήση ειδικών βαφών ανάλογα με την μορφολογία του εδάφους και μείωση του θορύβου. Σύγχρονες λύσεις είναι ο σχεδιασμός της γεωμετρίας του οπλικού συστήματος με γνώμονα την ελαχιστοποίηση της προβαλλόμενης, προς τα εχθρικά ραντάρ, διατομής, καθώς και επιλογή γεωμετρικών σχημάτων τα οποία ανακλούν την προσπίπτουσα ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία προς τυχαίες κατευθύνσεις. Επίσης χρησιμοποιούνται ειδικά υλικά τα οποία απορροφούν την προσπίπτουσα ακτινοβολία καθώς και ηλεκτρονικά μέσα.

 Ο υπολογισμός της απόστασης στην οποία θα εντοπιστεί ένα εχθρικό οπλικό σύστημα είναι ζωτικής σημασίας για τον αμυντικό σχεδιασμό κάθε χώρας. Λόγω των ελάχιστων διαθέσιμων πληροφοριών για τα συστήματα ενδιαφέροντος δεν είναι γνωστά τα χαρακτηριστικά ενός στόχου, όπως η ραδιοδιατομή, τα οποία θα επέτρεπαν στον αμυνόμενο μια ασφαλή εκτίμηση για την απόσταση αποκάλυψης από το υφιστάμενο σύστημα επιτήρησης. Στην παρούσα εργασία προτείνεται μια μεθοδολογία η οποία περιλαμβάνει την τρισδιάστατη μοντελοποίηση των στόχων ενδιαφέροντος με βάση πληροφορίες από ανοιχτές πηγές (φωτογραφίες, βίντεο κ.α.). Ακόμα και με ελάχιστα στοιχεία, για συστήματα τα οποία βρίσκονται υπό ανάπτυξη, μπορεί να γίνει μια εκτίμηση για την ραδιοδιατομή του στόχου. Μετά την σχεδίαση του μοντέλου, γίνεται εισαγωγή του στο πρόγραμμα POFACETS 4.1 [1], το οποίο λειτουργεί σε περιβάλλον MATLAB. Στην συνέχεια μετά την αρχικοποίηση των παραμέτρων από τον χρήστη υπολογίζεται η ραδιοδιατομή του στόχου με την προσεγγιστική μέθοδο της Φυσικής Οπτικής η οποία επιτρέπει την εξέταση μεγάλων γεωμετρικά στόχων με σχετικά μικρή επεξεργαστική ισχύ.

2      ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ

2.1     ΡΑΔΙΟΔΙΑΤΟΜΗ ΕΝΟΣ ΣΤΟΧΟΥ

Η ραδιοδιατομή (Radar Cross Section – RCS) ενός στόχου είναι ένα μέτρο της ικανότητας του στόχου να ανακλά την προσπίπτουσα ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία από ένα ραντάρ και επηρεάζει τη μέγιστη απόσταση στην οποία ο στόχος αυτός θα ανιχνευθεί από το ραντάρ. Όσο μεγαλύτερο είναι το RCS ενός στόχου, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση στην οποία θα μπορεί να εντοπιστεί από ένα εχθρικό ραντάρ.  Η τεχνολογία stealth μειώνει στο ελάχιστο τον χρόνο αντίδρασης του αμυνόμενου με στόχο την αποκάλυψη του οπλικού συστήματος όταν θα έχει εκτελέσει μεγάλο μέρος της αποστολής του και η αντίδραση θα είναι σχεδόν αδύνατη. Το RCS ενός στόχου επηρεάζεται κυρίως από το σχήμα του στόχου, το μέγεθος του στόχου, τα υλικά κατασκευής του στόχου, το μήκος κύματος της ακτινοβολίας από το ραντάρ εκπομπής και την γωνία θέασης του στόχου. Οι κύριες τεχνικές μείωσης του RCS είναι η αποφυγή καμπύλων επιφανειών κατά την σχεδίαση, καθώς και η χρήση υλικών RAM (Radiation Absorbent Materials) τα οποία «παγιδεύουν» την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και την μετατρέπουν σε θερμότητα.

Αναφορικά με το σχήμα, γίνεται προσπάθεια για αποφυγή καμπύλων επιφανειών στις οποίες γίνεται ανάκλαση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας πίσω στην πηγή καθώς θα έχουν τουλάχιστον ένα τμήμα της επιφάνειας κάθετο προς την πηγή εκπομπής. Χρησιμοποιούνται κυρίως επίπεδες επιφάνειες οι οποίες είναι σχεδιασμένες με τέτοιο προσανατολισμό ώστε να ανακλά την ακτινοβολία προς άλλες κατευθύνσεις. Μια πιθανή λύση για τον εντοπισμό στόχων με την παραπάνω γεωμετρία θα ήταν ένα πολυστατικό ραντάρ το οποίο έχει μια πηγή εκπομπής και πολλούς δέκτες οι οποίοι είναι πιθανό να εντοπίσουν την ακτινοβολία η οποία ανακλάται από τον στόχο. Το RCS μπορεί επίσης να αυξηθεί από εξωτερικά φορτία (εξωτερικές δεξαμενές, βόμβες, πυραύλους κ.α.), από τον τρόπο σχεδίασης των αεραγωγών καθώς και από ασυνέχειες στην επιφάνεια του στόχου.

Η ραδιοδιατομή ενός στόχου συμβολίζεται με το γράμμα σ και έχει μονάδα μέτρησης το τετραγωνικό μέτρο (τ.μ. ή m²) ή σε dbsm (dB σε σχέση με το ένα τ.μ.). Ένας στόχος θα παρουσιάζει αυξημένη ραδιοδιατομή στα πλάγια επειδή μεγαλώνει η προβαλλόμενη διατομή προς το ραντάρ. Συνοπτικά η ραδιοδιατομή μπορεί να παρουσιαστεί ως το γινόμενο τριών παραγόντων :

σ = Προβαλλόμενη διατομή × Κατευθυντικότητα × Ανακλαστικότητα.

Η σημασία της τιμής του RCS φαίνεται στην παρακάτω εξίσωση ραντάρ:

Εικόνα 1. Αρχή λειτουργίας Ραντάρ

 

Όπου  Pr είναι η ισχύς την οποία λαμβάνει το ραντάρ, Pt είναι η ισχύς που εκπέμπει το ραντάρ, Gt είναι το κέρδος της κεραίας εκπομπής, Gr είναι το κέρδος της κεραίας λήψης, σ είναι η ραδιοδιατομή του στόχου, λ είναι το μήκος κύματος της συχνότητας λειτουργίας του ραντάρ και R είναι η απόσταση μεταξύ ραντάρ και στόχου. Για μονοστατικά ραντάρ, όπου ο πομπός και ο δέκτης είναι στο ίδιο σημείο, Gt = Gr = G. Η μέγιστη απόσταση στην οποία ένα ραντάρ μπορεί να εντοπίσει έναν στόχο μπορεί να υπολογιστεί αν στην παραπάνω εξίσωση αντικαταστήσουμε την ισχύ την οποία λαμβάνει ένα ραντάρ με το ελάχιστό σήμα το οποίο μπορεί να εντοπιστεί Smin. Λύνοντας την εξίσωση ως προς την απόσταση:

Κάθε στόχος εκτελεί σύνθετες κινήσεις στον χώρο, επομένως δεν προβάλλεται συνεχώς η ίδια διατομή προς τα εχθρικά ραντάρ και το RCS παρουσιάζει διακυμάνσεις. Τα περισσότερα οπλικά συστήματα είναι σχεδιασμένα για ελαχιστοποίηση του RCS στο πρόσθιο μέρος καθώς με αυτό τον τρόπο θα προσεγγίσουν το εχθρικό έδαφος. Επίσης, το RCS δεν παραμένει σταθερό για όλα τα ραντάρ, καθώς εκτός από τη γωνία θέασης εξαρτάται και από τη συχνότητα εκπομπής του ραντάρ. Η γεωμετρία που είναι σχεδιασμένη για ανάκλαση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, καθώς και τα υλικά RAM αποδίδουν στις υψηλές συχνότητες. Όσο μειώνεται η συχνότητα, μειώνεται και η απόδοση τους λόγω αύξησης του μήκους κύματος. Βεβαίως, κάθε περιοχή συχνοτήτων έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα ανάλογα με το μέγεθος της κεραίας εκπομπής, τη δυνατότητα για διακριτοποίηση των στόχων και τον υπολογισμό χαρακτηριστικών σχετικά με τη θέση, την ταχύτητα του κ.α. Η μέση ραδιοδιατομή των στρατιωτικών Α/Φ και πυραύλων είναι διαβαθμισμένη και δεν αποκαλύπτεται από τους κατασκευαστές. Παρόλα αυτά, η ραδιοδιατομή μπορεί να μετρηθεί σε κατάλληλα πεδία δοκιμών ή να προβλεφθεί με τη χρήση υπολογιστικού ηλεκτρομαγνητισμού (Computational Electromagnetics). Έτσι έχουν εμφανιστεί στη βιβλιογραφία μέσες τιμές ραδιοδιατομής διάφορων στόχων. Στην Εικόνα 2 παρατίθεται ένα διάγραμμα όπου απεικονίζονται διάφοροι στόχοι και οι αποστάσεις αποκάλυψής τους από το ραντάρ APG-68(V)9 του Α/Φ F-16, καθώς και οι αντίστοιχες τιμές RCS [2].

Εικόνα 2. Ενδεικτικές τιμές RCS

 

2.2     ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ

Για την εκτίμηση του RCS ενός στόχου δημιουργείται ένα τρισδιάστατο μοντέλο του στόχου το οποίο στην συνέχεια χρησιμοποιείται σε ένα πρόγραμμα υπολογιστικού ηλεκτρομαγνητισμού.

Τα μηχανολογικά σχέδια στόχων όπως αεροσκάφη, πλοία, πύραυλοι κ.α. προφανώς δεν είναι διαθέσιμα ώστε να χρησιμοποιηθούν για τον ακριβή σχεδιασμό ενός τρισδιάστατου μοντέλου. Μπορεί όμως να γίνει εκτίμηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών από φωτογραφίες. Ιδανικά οι φωτογραφίες θα πρέπει να είναι η πρόσοψη, μια πλάγια όψη, η κάτοψη και αρκετές ακόμα φωτογραφίες υπό διάφορες γωνίες ανάλογα με την πολυπλοκότητα της γεωμετρίας. Είναι πολύ δύσκολο να βρεθούν φωτογραφίες που αντιπροσωπεύουν τις τρεις βασικές όψεις και επιπλέον υπάρχει και η παραμόρφωση από τον φακό της εκάστοτε μηχανής που χρησιμοποιείται για την φωτογραφία. Αν είναι γνωστή η μηχανή που χρησιμοποιήθηκε μπορεί να γίνει ευθυγράμμιση του πεδίου σχεδιασμού στο λογισμικό που θα χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή του τρισδιάστατου μοντέλου χρησιμοποιώντας την γραμμή του ορίζοντα και ευθείες από την φωτογραφία οι οποίες είναι παράλληλες. Έτσι μπορεί να γίνει μια σύγκριση του τελικού μοντέλου με την φωτογραφία ή να ξεκινήσει από την αρχή η σχεδίαση του μοντέλου με βάση την φωτογραφία.

Αν η γεωμετρία δεν είναι πολύπλοκη (π.χ. πύραυλοι) αρκεί μια φωτογραφία σε πλάγια όψη και ακόμα λίγες φωτογραφίες σε προοπτική όψη. Θα είναι γνωστό το μήκος του στόχου (από την κατασκευάστρια εταιρεία) επομένως μπορεί να γίνει μια κλίμακα στην φωτογραφία με την πλάγια όψη και να βρεθούν και άλλα χαρακτηριστικά όπως η διάμετρος, αν είναι κυλινδρικός ο στόχος και η θέση πτερυγίων και αεραγωγών σε σχέση με την άτρακτο. Επίσης, μπορεί να γίνει μια γρήγορη επεξεργασία στην εικόνα για να τονιστούν οι άκρες (edge detection) και να είναι πιο ξεκάθαρα τα όρια της γεωμετρίας κατά την σχεδίαση. Ο ιδανικός τρόπος για την σχεδίαση ενός τρισδιάστατου μοντέλου θα ήταν είτε ο σχεδιασμός του με βάση τα μηχανολογικά σχέδια, είτε η τρισδιάστατη σάρωση του (3D Laser Scan), και στην συνέχεια η σχεδίαση του μοντέλου σε λογισμικό CAD με βάση το νέφος σημείων (Point Cloud) με παράλληλη σύγκριση των επιφανειών που σχεδιάζονται με τις επιφάνειες της πραγματικής γεωμετρίας. Λόγω της φύσης των στόχων (οπλικά συστήματα) αυτό είναι αδύνατο, οπότε χρησιμοποιείται η διαδικασία που αναφέρεται παραπάνω για την σχεδίαση του τρισδιάστατου μοντέλου.

 

2.3     ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΡΑΔΙΟΔΙΑΤΟΜΗΣ

 Οι κύριες μέθοδοι για τον υπολογισμό του RCS ενός τρισδιάστατου μοντέλου είναι η Μέθοδος των Ροπών (Method of Moments), η Μέθοδος Πεπερασμένων Διαφορών (Finite Difference Method) και η μέθοδος της φυσικής οπτικής (Physical Optics). Όλες οι μέθοδοι χρησιμοποιούν εξισώσεις οι οποίες προκύπτουν από τις εξισώσεις του Maxwell και χρειάζονται μια μορφή του τρισδιάστατου μοντέλου η οποία να είναι χωρισμένη σε τμήματα, με διαφορετικές προϋποθέσεις για κάθε μέθοδο. Οι δυο πρώτες μέθοδοι παρέχουν μεγαλύτερη ακρίβεια στα αποτελέσματα αλλά χρειάζονται πολύ μεγάλη επεξεργαστική ισχύ για μεγάλους και περίπλοκους στόχους.

Για τον υπολογισμό του RCS θα χρησιμοποιηθεί το πρόγραμμα POFACETS 4.1, μια εφαρμογή του MATLAB που βασίζεται στην μέθοδο της Φυσικής Οπτικής. Η παραπάνω μέθοδος είναι προσεγγιστική και αποδίδει καλά αποτελέσματα στις υψηλές συχνότητες. Χρησιμοποιείται η στερεολιθογραφική (stereolithographic – stl) μορφή ενός μοντέλου όπου το πλέγμα (Mesh) χωρίζεται σε τριγωνικές επιφάνειες.  Η μέθοδος της Φυσικής Οπτικής υπολογίζει το επιφανειακό ρεύμα το οποίο επάγεται σε μια γεωμετρία από την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Στα σημεία του στόχου τα οποία δέχονται ακτινοβολία το επαγόμενο ρεύμα είναι ανάλογο με την ένταση του προσπίπτοντος μαγνητικού πεδίου ενώ στα σημεία τα οποία δεν δέχονται ακτινοβολία το επαγόμενο ρεύμα είναι μηδέν. Λόγω της παραδοχής ότι το επαγόμενο ρεύμα στις περιοχές που δεν δέχονται άμεσα την ακτινοβολία είναι μηδέν, οι τιμές του υπολογιζόμενου πεδίου δεν είναι ακριβείς για μεγάλες γωνίες, σε σχέση με την κάθετο. Επιπλέον δεν λαμβάνονται υπόψη τα επιφανειακά κύματα, οι πολλαπλές αντανακλάσεις και οι περιθλάσεις στις ακμές.

Το πρόγραμμα POFACETS 4.1 είναι μια εφαρμογή που αναπτύχθηκε στο US Naval Postgraduate School και λειτουργεί σε περιβάλλον MATLAB. Χρησιμοποιεί την μέθοδο της Φυσικής Οπτικής, αποδίδει στις υψηλές συχνότητες (μεγαλύτερες από 1 GHz), δίνει καλά αποτελέσματα για μεγάλους και σύνθετους στόχους και έχει μικρές υπολογιστικές απαιτήσεις σε σχέση με τις μεθόδους των Ροπών και των Πεπερασμένων Διαφορών. Σαν στόχος χρησιμοποιείται ένα τρισδιάστατο μοντέλο σε μορφή stl, το οποίο είναι ήδη χωρισμένο σε τριγωνικές επιφάνειες που θα χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό του επαγόμενου ρεύματος, σε κάθε μια ξεχωριστά. Ο αριθμός των τριγωνικών επιφανειών επηρεάζει την ακρίβεια των υπολογισμών και γενικά πρέπει να χρησιμοποιείται μεγάλος αριθμός τριγωνικών επιφανειών σε σημεία τα οποία δεν είναι επίπεδα ώστε να αντιπροσωπεύεται με μεγαλύτερη ακρίβεια η γεωμετρία από τις δισδιάστατες τριγωνικές επιφάνειες. Η μία πλευρά ενός κύβου μπορεί να αντιπροσωπεύεται από δύο μόνο τριγωνικές επιφάνειες αλλά ένα ημισφαίριο θα πρέπει να αποτελείται από χιλιάδες τρίγωνα, ώστε να προσεγγίζεται επαρκώς η καμπυλότητα. Επίσης είναι πολύ σημαντικό να ελεγχθούν τα διανύσματα (normals) των επιφανειών κατά την σχεδίαση του μοντέλου. Εάν το διάνυσμα είναι αντίθετο σε σχέση με το επιθυμητό κατά την σχεδίαση, το αποτέλεσμα θα είναι να παραλειφθούν κάποιες επιφάνειες και να χρησιμοποιηθούν επιφάνειες οι οποίες βρίσκονται πίσω από τις πρώτες και κανονικά δεν θα έπρεπε να συνεισφέρουν στο επαγόμενο πεδίο.

Εικόνα 3. Γραφικό περιβάλλον POFACETS

 

Κάθε τριγωνική επιφάνεια (facet) έχει τρεις κορυφές (vertices) στις θέσεις των οποίων υπολογίζεται το ρεύμα. Στις περισσότερες περιπτώσεις το σύστημα συντεταγμένων των facets δεν θα είναι είναι το ίδιο με το σύστημα συντεταγμένων του παρατηρητή. Επομένως θα πρέπει να γίνει μια μετατροπή του συστήματος συντεταγμένων από το σύστημα συντεταγμένων παρατηρητή (global) στο σύστημα συντεταγμένων στόχου (local) το οποίο επιτυγχάνεται με την χρήση πινάκων.

Ακολουθώντας την ανάλυση στο [1] έχουμε τα ακόλουθα: σε ένα σφαιρικό σύστημα συντεταγμένων (r, θ, φ), το προσπίπτον σε οποιοδήποτε σημείο μαγνητικό πεδίο είναι:

όπου Ho  είναι μια σταθερά,  είναι το διάνυσμα της πόλωσης για το μαγνητικό πεδίο, k = 2πλ (όπου λ είναι το μήκος κύματος), r το διάνυσμα θέσης και  το μοναδιαίο διάνυσμα ως προς την πηγή.

               Το σκεδαζόμενο πεδίο από τον στόχο υπολογίζεται ως:

όπου J είναι το επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα, Ζο είναι η εγγενής αντίσταση (intrinsic impedance) και g=rr .

 

Οι τριγωνικές επιφάνειες που προκύπτουν από το τρισδιάστατο μοντέλο είναι δισδιάστατες επομένως:

Ο υπολογισμός του σκεδαζόμενου πεδίου από μια τριγωνική επιφάνεια έχει απλοποιηθεί και αρκεί ο υπολογισμός του Js, το οποίο είναι μηδέν αν η τριγωνική επιφάνεια δεν δέχεται ακτινοβολία, και ο υπολογισμός του ολοκληρώματος στην παραπάνω εξίσωση.

Η πυκνότητα επιφανειακού ρεύματος  που επάγεται στην επιφάνεια του σκεδαστή ή το ρεύμα Οπτικής Φυσικής προσεγγίζεται με τον παρακάτω τύπο:

όπου είναι το μοναδιαίο κάθετο διάνυσμα σε κάθε σημείο της επιφάνειας S του σκεδαστή. Γενικά το προσπίπτον πεδίο είναι της μορφής:

όπου . Για ένα σημείο στην τριγωνική επιφάνεια ισχύει επομένως:

Η ένταση του μαγνητικού πεδίου θα είναι:

Από την προσέγγιση της μεθόδου της Φυσικής Οπτικής για το ρεύμα προκύπτει:

Στην συνέχεια θα προστεθούν και δυο συντελεστές ανάκλασης (transverse magnetic/electric coefficients) οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τον χρήστη για επιλογή διαφορετικών υλικών.

Σύμφωνα με τα παραπάνω ο υπολογισμός του σκεδαζόμενου πεδίου από μια τριγωνική επιφάνεια μπορεί να γίνει με την εξίσωση:

Για να υπολογιστεί η παραπάνω εξίσωση αρκεί ο υπολογισμός του ολοκληρώματος:

για το οποίο δεν μπορούμε να πάρουμε μια ακριβή κλειστή λύση. Είναι γνωστές οι τιμές του προσπίπτοντος πεδίου στις κορυφές των τριγωνικών επιφανειών και αν ληφθούν υπόψιν οι συντεταγμένες και οι πλευρές κάθε τριγωνικής επιφάνειας οι οποίες είναι γνωστές μετά την εισαγωγή τους (import) στο πρόγραμμα και την μετατροπή τους σε αρχείο τύπου .m το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο MATLAB. Το πλάτος και η φάση στα εσωτερικά σημεία ολοκλήρωσης μπορεί να βρεθεί μέσω παρεμβολής (interpolation). Ακολούθως, το ολοκλήρωμα μπορεί να αναπτυχθεί χρησιμοποιώντας σειρές Taylor και κάθε όρος να ολοκληρωθεί για να δώσει μια κλειστή λύση. Συνήθως πέντε όροι αρκούν για να δώσουν ένα καλό αποτέλεσμα. Μετά την προσομοίωση αν υπάρχουν μεγάλες αποκλίσεις και ακραίες τιμές σε κάποιες γωνίες, προτείνεται η επανάληψη της προσομοίωσης με περισσότερους όρους καθώς δίνεται επιλογή στον χρήστη για τον καθορισμό του αριθμού τους πριν ξεκινήσει η προσομοίωση. Έχουν γίνει ανάλογες προσομοιώσεις για αεροσκάφη F-16, F-35 καθώς και για βαλλιστικούς πυραύλους [2].

Το τρισδιάστατο μοντέλο του στόχου θα αποτελείται από μεγάλο αριθμό τριγώνων, συνήθως δεκάδες χιλιάδες. Για το υπολογισμό του συνολικού σκεδαζόμενου πεδίου, γίνεται πρόσθεση των διανυσμάτων από το σκεδαζόμενο πεδίο κάθε τριγωνικής επιφάνειας προς την κατεύθυνση παρακολούθησης (observation direction). Μόλις το σκεδαζόμενο πεδίο προς μια κατεύθυνση είναι γνωστό, υπολογίζεται η τιμή του RCS προς την συγκεκριμένη κατεύθυνση. Ακολούθως η διαδικασία επαναλαμβάνεται προς κάθε κατεύθυνση η οποία έχει οριστεί από τον χρήστη. Οι τιμές του RCS υπολογίζονται σε dBsm τα οποία συνδέονται με τα τετραγωνικά μέτρα (m²) με την παρακάτω εξίσωση:

Συνοπτικά η διαδικασία υπολογισμού του RCS στο πρόγραμμα POFACETS 4.1 είναι η εξής:

 

1. Ο χρήστης καθορίζει τις αρχικές παραμέτρους παρατήρησης.
2. Το τρισδιάστατο μοντέλο εισάγεται και υπολογίζονται τα στοιχεία κάθε τριγωνικής επιφάνειας.
3. Καθορίζεται η κατεύθυνση παρακολούθησης.
4. Αν η τριγωνική επιφάνεια δέχεται ακτινοβολία συνεχίζεται η διαδικασία. Στην αντίθετη περίπτωση δεν γίνονται υπολογισμοί για την συγκεκριμένη τριγωνική επιφάνεια.
5. Γίνεται μετατροπή του συστήματος συντεταγμένων σε τοπικές (local).
6. Υπολογίζεται το ρεύμα Φυσικής Οπτικής.
7. Υπολογίζεται το σκεδαζόμενο πεδίο.
8. Γίνεται μετατροπή στις αρχικές συντεταγμένες.
9. Τα βήματα 4 έως 8 γίνονται για κάθε τριγωνική επιφάνεια.
10. Γίνεται πρόσθεση των διανυσμάτων κάθε σκεδαζόμενου πεδίου.
11. Υπολογίζεται το RCS.

 

2.4 ΓΩΝΙΕΣ ΘΕΑΣΗΣ

Κάθε στόχος κατά την κίνηση του παρουσιάζει μεγάλες αποκλίσεις σχετικά με την θέση του και την προβαλλόμενη διατομή ως προς το ραντάρ παρατήρησης. Ειδικά τα αεροσκάφη εκτελούν πολλούς ελιγμούς. Για τον υπολογισμό της ραδιοδιατομής τους μπορεί να γίνει ένας υπολογισμός για ανύψωση (elevation: γωνία από τον άξονα z προς τον άξονα y) 90° και αζιμούθιο (azimuth: γωνία απο τον άξονα x προς τον άξονα y) 0°. Σε αυτές τις γωνίες ο στόχος είναι head-on. Οι περισσότεροι στόχοι είναι σχεδιασμένοι για να έχουν χαμηλό ίχνος σε head-on καθώς με αυτόν τον τρόπο θα προσεγγίσουν την εχθρική περιοχή και σε αυτές τις συνθήκες θα εντοπιστούν από τον σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης του εχθρού.

Εικόνα 4 Τρισδιάστατο μοντέλο αεροσκάφου F-16 χωρίς τον κώνο του ραντάρ.

Ακόμα και με την παραπάνω παραδοχή ο στόχος δεν θα είναι μόνιμα στις συγκεκριμένες μοίρες, επομένως μπορεί να γίνει μια προσέγγιση και να υπολογιστεί το RCS για μια περιοχή αζιμούθιου 0°-5° (για συμμετρικούς στόχους) και ανύψωση 88°-90°. Στην συνέχεια ο μέσος όρος των τιμών του RCS μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση του RCS του στόχου.

Κατά την μοντελοποίηση πρέπει να γίνει μια εκτίμηση για τις ιδιαιτερότητες κάθε στόχου ως προς την γεωμετρία η οποία επηρεάζει την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Αν υπάρχει γεωμετρία η οποία είναι διαπερατή σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (π.χ. καλύπτρα) δεν θα πρέπει να ληφθεί υπόψη καθώς οι τριγωνικές επιφάνειες που την αποτελούν δεν θα συνεισφέρουν στο RCS. Επίσης σχεδόν το σύνολο των στόχων που είναι σχεδιασμένοι με αρχές Stealth φέρουν υλικά RAM τα οποία απορροφούν την ακτινοβολία. Αν και για την γεωμετρία μπορούν να γίνουν εκτιμήσεις με βάση φωτογραφίες, οι ιδιότητες των παραπάνω υλικών δεν μπορούν να εκτιμηθούν ώστε να συμπεριλαμβάνονται στην προσομοίωση. Μια προσέγγιση θα ήταν ο υπολογισμός του RCS για την γεωμετρία ενός στόχου και στην συνέχεια, αν είναι γνωστή η τιμή ή το εύρος τιμών του πραγματικού RCS, η αναγωγή των τιμών και η εκτίμηση της επίδρασης των υλικών RAM. Κατά τον υπολογισμό του RCS άλλων στόχων παρόμοιας τεχνολογίας θα μπορούσε να γίνει μια αφαίρεση της εν λόγω τιμής (ή παρόμοιας) από τις τελικές τιμές της προσομοίωσης για την καλύτερη εκτίμηση της απόστασης αποκάλυψης. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι καθώς μειώνεται η συχνότητα εκπομπής του ραντάρ, το οποίο αποτελεί μέρος του συστήματος έγκαιρης προειδοποίησης, μειώνεται η απόδοση των υλικών RAM λόγω του μεγαλύτερου μήκους κύματος.

Υπάρχει δυνατότητα επιλογής μονοστατικού (monostatic) ή πολυστατικού (bistatic) ραντάρ. Μονοστατικό είναι το ραντάρ όπου πομπός και δέκτης βρίσκονται στο ίδιο σημείο ενώ στο πολυστατικό ραντάρ ο πομπός και ο δέκτης (ή οι δέκτες) δεν βρίσκονται στο ίδιο σημείο. Ο δέκτης δεν εκπέμπει ακτινοβολία επομένως δεν μπορεί να εντοπιστεί από τα εχθρικά συστήματα. Στην συγκεκριμένη περίπτωση οι προσομοιώσεις θα γίνουν για μονοστατικό ραντάρ.

Μετά την εισαγωγή του μοντέλου και τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών κάθε τριγωνικής επιφάνειας ο χρήστης καθορίζει τις ακόλουθες παραμέτρους:

1. Εύρος γωνιών ανύψωσης (θ).
2. Εύρος γωνιών αζιμουθίου (φ).
3. Βήμα αύξησης των παραπάνω γωνιών.
4. Συχνότητα εκπομπής ραντάρ.
5. Αριθμό όρων που θα αναπτυχθούν στις σειρές Taylor.

Επίσης υπάρχουν και κάποιες άλλες επιλογές οι οποίες δεν θα χρησιμοποιηθούν στην προσομοίωση.

Εικόνα 5 Ορισμός αρχικών συνθηκών στο πρόγραμμα POFACETS

 

3.     ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ RCS ΠΥΡΑΥΛΟΥ ATMACA

3.1     ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΠΥΡΑΥΛΟΥ ATMACA

Ο ATMACA είναι ένας πύραυλος επιφανείας-επιφανείας, παντός καιρού, εναντίων πλοίων, ο οποίος μπορεί να εκτοξευθεί από φρεγάτες και κορβέτες. Κατασκευάζεται από την τούρκικη εταιρία Roketsan, έχει μήκος 4,8 – 5,2 μέτρων, διάμετρο 0,35 μέτρα, εκπέτασμα 1,4 μέτρα, χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό διαφορετικών συστημάτων καθοδήγησης και έχει ταχύτητα 0,85 Mach.

Η σχεδίαση του ATMACA ξεκίνησε το 2009 και η εταιρία ξεκίνησε την ανάπτυξη του το 2012 με σκοπό την δυνατότητα εκτόξευσης του από πλοίο αλλά και από υποβρύχια, αεροσκάφη και παράκτιες πυροβολαρχίες. Η πρώτη δοκιμή από ξηρά έγινε το 2017 και η πλήρης παραγωγή ξεκίνησε στα τέλη του 2018. Θα φέρεται από τούρκικες φρεγάτες και κορβέτες. Στις 3 Νοεμβρίου 2019 έγινε η πρώτη εκτόξευση του από μια κορβέτα κλάσης Ada στην Μαύρη Θάλασσα.

Υπάρχουν μόνο δυο φωτογραφίες διαθέσιμες από την πρώτη δοκιμή του πυραύλου. Επίσης υπάρχουν φωτογραφίες από πρόπλασμα του πυραύλου σε έκθεση αμυντικών συστημάτων και κάποια render (φωτορεαλιστικές εικόνες με την χρήση τρισδιάστατων μοντέλων) από την κατασκευάστρια εταιρία η οποία αναφέρει και τις διαστάσεις του πυραύλου που αναφέρθηκαν παραπάνω. Υπάρχει ένα render του πυραύλου σε πλάγια όψη το οποίο θα ήταν δυνατό να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μιας κλίμακας με σκοπό την επαλήθευση των διαστάσεων και της θέσης των πτερυγίων. Ο κατασκευαστής αναφέρει μήκος από 4.8 έως 5.2 μέτρα. Αν υποθέσουμε το συνολικό μήκος του πυραύλου 4.8 μέτρα, μετά την δημιουργία κλίμακας η σχέση που συνδέει το ύψος με το μήκος είναι περίπου 0,077 επομένως προκύπτει ότι το ύψος (άρα και η διάμετρος) είναι 0,36 μέτρα και επαληθεύονται οι διαστάσεις του κατασκευαστή με μια μικρή αποδεκτή απόκλιση. Όταν θα είναι διαθέσιμες περισσότερες φωτογραφίες για τον πύραυλο η διαδικασία θα επαναληφθεί και θα γίνονται διορθώσεις και στην συνέχεια δειγματοληπτική σύγκριση με τα υπάρχοντα αποτελέσματα. Σε περίπτωση αισθητής μεταβολής του RCS μπορεί να γίνει εκ νέου προσομοίωση με το νέο μοντέλο. Επίσης είναι πιθανό να χρειαστούν κάποιες τροποποιήσεις στα πτερύγια και στον αεραγωγό για τα οποία δεν υπάρχει πλήρης εικόνα από τα ελάχιστα δεδομένα.

Από την κατασκευάστρια εταιρία αναφέρεται ότι ο πύραυλος χρησιμοποιεί ραντάρ (active RF seeker). Η συνήθης θέση του εν λόγω συστήματος είναι στο εμπρόσθιο τμήμα του πυραύλου. Ο κώνος του ραντάρ θεωρείται διαπερατός στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Για να είναι όσο το δυνατό πιο ρεαλιστικά τα αποτελέσματα της προσομοίωσης θα χρησιμοποιηθεί ένα μοντέλο του πυραύλου με πλήρες κώνο ραντάρ και 2 μοντέλα τα οποία θα χρησιμοποιηθούν 2 πιθανές γεωμετρίες ραντάρ οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί σε αντίστοιχους πυραύλους στο παρελθόν και υπάρχει έστω και μια φωτογραφία για να γίνει η μοντελοποίηση τους.

Τα μοντέλα σχεδιάστηκαν στο πρόγραμμα CATIA v5 το οποίο είναι ένα πρόγραμμα τύπου CAD (Computer Aided Design) και χρησιμοποιείται για παραμετρικό σχεδιασμό. Επίσης καλύπτει ένα πλήρες φάσμα λειτουργιών σχετικά με την βιομηχανική παραγωγή όπως CAM (Computer Aided Manufacturing) και απλή ανάλυση με χρήση πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Analysis – FEA). Σε προγράμματα τύπου CAD γίνεται παραμετρικός σχεδιασμός (Parametric Modeling) όπου όλες οι εντολές και παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν για τον σχεδιασμό του μοντέλου είναι διαθέσιμες με χρονολογική ταξινόμηση και προβάλλονται σε δενδροειδή μορφή (Tree Structure). Αν το μοντέλο σχεδιαστεί σωστά είναι δυνατή η παρέμβαση σε μεταγενέστερο χρόνο με σκοπό την τροποποίηση κάποιων χαρακτηριστικών του αν υπάρχουν νέα δεδομένα.

Εικόνα 6 Τρισδιάστατο μοντέλο πυραύλου ATMACA

Το μοντέλο του πυραύλου αποτελείται από 324.000 τριγωνικές επιφάνειες οι οποίες θεωρείται ότι είναι αρκετές για την συγκεκριμένη γεωμετρία. Περισσότερες τριγωνικές επιφάνειες θα προσεγγίζουν καλύτερα τις καμπύλες. Επίσης όσο μεγαλώνει το μέγεθος του στόχου απαιτούνται περισσότερες τριγωνικές επιφάνειες. Έγινε μια προσομοίωση στα 16 GHz για αζιμούθιο 0-15 μοίρες και θ 90 μοίρες σε μοντέλο πυραύλου με περίπου 500.000 τριγωνικές επιφάνειες και δεν παρατηρήθηκαν μεγάλες αποκλίσεις. Επομένως για λόγους οικονομίας επεξεργαστικής ισχύος θα εξεταστεί το μοντέλο με τις 324.000 τριγωνικές επιφάνειες.

Εικόνα 7 Τρισδιάστατο μοντέλο σε στερεολιθογραφική μορφή πυραύλου ATMACA. Είναι ορατό το πλήθος των τριγωνικών επιφανειών

 

Εικόνα 8 Τρισδιάστατο μοντέλο σε στερεολιθογραφική μορφή πυραύλου ATMACA. Είναι ορατό το πλήθος των τριγωνικών επιφανειών

 

3.2     ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ

Όλες οι προσομοιώσεις θα γίνουν για μονοστατικό ραντάρ, συχνότητες από 1 έως 16 GHz, αζιμούθιο (φ) 0°-15° (λόγω συμμετρίας), ανύψωση (θ) 0° μοίρες, σειρές Taylor με πέντε όρους. Το μοντέλο είναι τοποθετημένο στους άξονες ώστε να είναι ο πρόσθιος τομέας προς το ραντάρ για αζιμούθιο 0° και ανύψωση 90°. Η ιδιαιτερότητα στο πρόγραμμα POFACETS είναι ότι η ανύψωση μετριέται από τον άξονα z προς τον άξονα x επομένως στις 90° είναι στον άξονα x. Επίσης δεν ορίζεται κάποιος συγκεκριμένος συντελεστής ανακλαστικότητας για τα υλικά του πυραύλου.

Οι συχνότητες που θα επιλεγούν για τις προσομοιώσεις θα είναι 1, 3, 8, 12 και 16 GHz και οι γωνίες φ από 0° έως 170° με βήμα μία μοίρα. Δεν γίνεται πλήρης υπολογισμός έως 360° καθώς ο πύραυλος είναι συμμετρικός επομένως θα υπάρξει επανάληψη των αποτελεσμάτων. Επίσης δεν υπολογίζεται η περιοχή 170 έως 180 μοίρες καθώς αποτελεί το οπίσθιο μέρος του πυραύλου για το οποίο δεν υπάρχουν πληροφορίες. Τονίζεται ότι λόγω της λογαριθμικής σχέσης dBsm και τ.μ. οι αρνητικές τιμές αντιστοιχούν σε τιμές τ.μ. μικρότερες της μονάδας.

3.2.1       ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΡΑΝΤΑΡ 16 GHz

Η πρώτη προσομοίωση σε συχνότητα 16 GHz έγινε με τις αρχικές συνθήκες που απεικονίζονται παρακάτω. Σε όλες τις υπόλοιπες προσομοιώσεις αλλάζει μόνο η συχνότητα εκπομπής του ραντάρ. Σημειώνεται ότι η πόλωση του ραντάρ δεν επηρεάζει τα αποτελέσματα. Σημειώνεται ότι στις τιμές που υπολογίζονται δεν λαμβάνεται υπόψη η ενδεχόμενη εφαρμογή υλικών απορρόφησης ακτινοβολίας (RAM).

Εικόνα 9 Ορισμός αρχικών συνθηκών στο πρόγραμμα POFACETS

 

Εικόνα 10 Αποτελέσματα προσομοίωσης για συχνότητα εκπομπής ραντάρ 16 GHz

Η μέση τιμή του RCS για αζιμούθιο 0°- 5° είναι -19,85 dBsm και η μέση τιμή για αζιμούθιο 0°-15° είναι -15,39 dBsm. Συγκεκριμένα για αζιμούθιο 0° το RCS είναι -19,12 dBsm το οποίο αντιστοιχεί σε 0,01 τ.μ. τιμή η οποία είναι πολύ μικρή και αντιστοιχεί στο RCS ενός πτηνού. Η τιμή είναι μικρή για έναν τυπικό στόχο τέτοιου μεγέθους. Το χαμηλό RCS είναι πιθανό να οφείλεται στον σχεδιασμό του κώνου του ραντάρ. Αν η διατομή του κώνου ήταν ημισφαιρική το RCS μόνο από την περιοχή του κώνου σε γωνίες θ=90° και αζιμούθιο 0° το RCS θα ήταν 0,1 τ.μ. Παρακάτω προτείνεται και μια διαφορετική προσέγγιση. Η μεγάλη επιστροφή στις 90° οφείλεται στο γεγονός ότι υπάρχουν πολλές κάθετες επιφάνειες στην συγκεκριμένη γωνία η οποία αντιπροσωπεύει την αριστερή πλάγια όψη του πυραύλου.

3.2.2       ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΡΑΝΤΑΡ 12 GHz

Για συχνότητα εκπομπής 12 GHz τα αποτελέσματα απεικονίζονται στο παρακάτω διάγραμμα.

Εικόνα 11 Αποτελέσματα προσομοίωσης για συχνότητα εκπομπής ραντάρ 12 GHz

Παρατηρείται μια μικρή αύξηση στις τιμές του RCS. Ο μέσος όρος για το εύρος αζιμούθιου 0°-5° είναι -15,38 dBsm και για αζιμούθιο 0°-15° είναι -14,02 dBsm. Επισημαίνεται και πάλι ότι το RCS σε dBsm είναι σε λογαριθμική κλίμακα. Για την γωνία azimuth 0 μοίρες είναι -16,39 dBsm ή 0,023 τ.μ.

Σε στόχους σχεδιασμένους με αρχές stealth όσο μειώνεται η συχνότητα εκπομπής του ραντάρ τόσο μεγαλώνει το RCS καθώς στις χαμηλές συχνότητες συνεισφέρει στο RCS περισσότερο ο όγκος του στόχου παρά το σχήμα του καθώς μεγαλώνει το μήκος κύματος. Σε πιο απλές γεωμετρίες τα αποτελέσματα μπορεί να διαφέρουν. Για παράδειγμα σε μια επίπεδη πλάκα όσο μεγαλώνει η συχνότητα εκπομπής αυξάνεται και το RCS.

3.2.3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΡΑΝΤΑΡ 8 GHz

Για συχνότητα εκπομπής 8 GHz τα αποτελέσματα απεικονίζονται στο παρακάτω διάγραμμα.

Εικόνα 12 Αποτελέσματα προσομοίωσης για συχνότητα εκπομπής ραντάρ 8 GHz

Παρατηρείται περαιτέρω αύξηση του RCS. Για αζιμούθιο 0°-5° η μέση τιμή του RCS είναι -15,55 dBsm και για τιμές 0-15 μοίρες η μέση τιμή του RCS είναι -14,36 dbsm. Για γωνία αζιμούθιο 0° η τιμή του RCS είναι -22,15 dBsm ή 0,006 τ.μ. Οι προηγούμενες προσομοιώσεις για συχνότητες 12 και 16 GHz αναφέρονται σε συχνότητες εκπομπής ραντάρ οπλικών συστημάτων. Οι συχνότητες εκπομπής μικρότερες από 8 GHz αναφέρονται σε ραντάρ οπλικών συστημάτων και ραντάρ επιτήρησης. Οι τιμές στην παρούσα προσομοίωση για ραντάρ με συχνότητα εκπομπής 8 GHz είναι λογικές σχετικά με τις τιμές για παρόμοιους πυραύλους οι οποίες βρίσκονται στην βιβλιογραφία αν εξαιρεθεί η τιμή για αζιμούθιο 0° η οποία είναι ιδιαίτερα χαμηλή.

 

3.2.4 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΡΑΝΤΑΡ 3 GHz

Για συχνότητα εκπομπής 3 GHz τα αποτελέσματα απεικονίζονται στο παρακάτω διάγραμμα.

Εικόνα 13 Αποτελέσματα προσομοίωσης για συχνότητα εκπομπής ραντάρ 3 GHz

Για αζιμούθιο 0°-5° η μέση τιμή του RCS είναι -15,28 dBsm ενώ για αζιμούθιο 0°-15° η τιμή του RCS είναι -14,6 dBsm. Για αζιμούθιο 0° η τιμή του RCS είναι -14,6 dBsm ή 0,034 τ.μ. Παρουσιάζεται μια μείωση της τιμής του RCS σε σχέση με την προσομοίωση για συχνότητα εκπομπής 8 GHz και μια αύξηση σχετικά με τις συχνότητες εκπομπής 12 και 16 GHz.

3.2.5 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΡΑΝΤΑΡ 1 GHz

Για συχνότητα εκπομπής 1 GHz τα αποτελέσματα απεικονίζονται στο παρακάτω διάγραμμα.

Εικόνα 14 Αποτελέσματα προσομοίωσης για συχνότητα εκπομπής ραντάρ 1 GHz

Για αζιμούθιο 0°- 5° μοίρες η μέση τιμή του RCS είναι -8,13 dBsm ενώ για αζιμούθιο 0°-15° η μέση τιμή του RCS είναι -9,07 dBsm. Για αζιμούθιο 0° η τιμή του RCS είναι -7,96 dBsm ή 0,16 τ.μ. Παρατηρείται και πάλι αύξηση της τιμής σε σχέση με την προσομοίωση στα 8 Ghz.

Δεν θα γίνει προσομοίωση σε χαμηλότερες συχνότητες καθώς πρακτικά δεν υπάρχουν ραντάρ που λειτουργούν κάτω από το 1 GHz, ενώ θεωρείται ότι το πρόγραμμα POFACETS δεν αποδίδει αξιόπιστα αποτελέσματα σε χαμηλότερες συχνότητες.

 

3.3 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΩΝ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΠΥΡΑΥΛΟΥ ATMACA ΜΕ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟ ΤΟΝ ΚΩΝΟ ΤΟΥ ΡΑΝΤΑΡ

Σε μοντέλα αεροσκαφών ο κώνος του ραντάρ είναι διαπερατός σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, επομένως το ίδιο το ραντάρ του αεροσκάφους επηρεάζει το RCS του αεροσκάφους [3]. Θεωρείται ότι το ίδιο δύναται να ισχύει και για τον πύραυλο ATMACA επομένως θα γίνουν και κάποιες προσομοιώσεις όπου θα είναι ορατή η κεραία εκπομπής του πυραύλου. Δεν υπάρχουν πολλές πληροφορίες εκτός από ένα βίντεο από το οποίο μπορεί να γίνει μια προσέγγιση του σχήματος του ραντάρ και να γίνει ο σχεδιασμός του στο πρόγραμμα σχεδίασης CATIA v5. Το ραντάρ είναι πολύ πιθανό να συνεισφέρει αρκετά στο RCS καθώς αποτελείται από επίπεδη επιφάνεια με γωνία ως προς τον άξονα y. Παρακάτω απεικονίζεται το τρισδιάστατο μοντέλο του πυραύλου με ορατό το ραντάρ. Δεν έγινε σχεδιασμός της εσωτερικής δομής του πυραύλου καθώς δεν υπάρχουν καθόλου πληροφορίες.

Εικόνα 15 Τρισδιάστατο μοντέλο πυραύλου ATMACA με ορατό το ραντάρ

 

Εικόνα 16 Τρισδιάστατο μοντέλο πυραύλου ATMACA με ορατό το ραντάρ

 

3.3.1       ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΡΑΝΤΑΡ 16 GHz       

Για συχνότητα εκπομπής 16 GHz τα αποτελέσματα απεικονίζονται στο παρακάτω διάγραμμα.

Εικόνα 17 Αποτελέσματα προσομοίωσης για συχνότητα εκπομπής ραντάρ 16 GHz

Για αζιμούθιο 0-5 μοίρες η μέση τιμή του RCS είναι -10,11 dBsm ενώ για αζιμούθιο 0°-15° η μέση τιμή του RCS είναι -16,51 dBsm. Για αζιμούθιο 0° η τιμή του RCS είναι -0,9 dBsm ή 0,8 τ.μ. Παρατηρείται μεγάλη αύξηση σε σχέση με τις τιμές του RCS για το μοντέλο χωρίς το ραντάρ. Για να γίνει μια καλύτερη εκτίμηση χρειάζονται περισσότερες πληροφορίες όπως π.χ. η γωνία του ραντάρ του στόχου ως προς το ραντάρ εκπομπής η οποία παίζει σημαντικό ρόλο καθώς και η κίνηση που θα κάνει το ραντάρ όσο πλησιάζει τον στόχο. Παρόλα αυτά μπορεί να γίνει μια εκτίμηση για την επίδραση που θα έχει στο RCS. Όσο αυξάνεται η γωνία azimuth αυξάνεται έστω και λίγο και δεν τείνει προς το μηδέν παρατηρείται μια μικρή μείωση του RCS και ειδικά για αζιμούθιο 0°-5° η  μέση τιμή του RCS είναι 0,1 τ.μ.

3.3.2 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΡΑΝΤΑΡ 8 GHz

Για συχνότητα εκπομπής 8 GHz τα αποτελέσματα απεικονίζονται στο παρακάτω διάγραμμα.

Εικόνα 18 Αποτελέσματα προσομοίωσης για συχνότητα εκπομπής ραντάρ 8 GHz

Για αζιμούθιο 0°-5° μοίρες η μέση τιμή του RCS είναι -12,36 dBsm ενώ για 0°-15° μοίρες η μέση τιμή του RCS είναι -14,82 dBsm. Για αζιμούθιο 0° η τιμή του RCS είναι -9,2 dBsm ή 0,12 τ.μ. Παρατηρείται μείωση στη μέση τιμή του RCS για αζιμούθιο 0°-5°, αύξηση της μέσης τιμής του RCS για γωνίες azimuth 0°-15° και μεγάλη μείωση στην τιμή του RCS για αζιμούθιο 0°.

 

3.3.3       ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΡΑΝΤΑΡ 3 GHz

Για συχνότητα εκπομπής 3 GHz τα αποτελέσματα απεικονίζονται στο παρακάτω διάγραμμα.

Εικόνα 19 Aποτελέσματα προσομοίωσης για ραντάρ εκπομπής συχνότητας 3 GHz

Για αζιμούθιο 0°-5° η μέση τιμή του RCS είναι -26,21 dBsm ενώ για 0°-15° η μέση τιμή του RCS είναι -19,6 dBsm. Για αζιμούθιο 0° η τιμή του RCS είναι -23,39 dBsm ή 0,004 τ.μ. Τα συγκεκριμένα αποτελέσματα δεν φαίνεται να συνάδουν με τις εκτιμήσεις καθώς είναι πολύ μικρές οι τιμές του RCS σε σχέση με τις αναμενόμενες.

 

3.3.4 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΡΑΝΤΑΡ 1 GHz

Για συχνότητα εκπομπής 1 GHz τα αποτελέσματα απεικονίζονται στο παρακάτω διάγραμμα.

Εικόνα 20 Αποτελέσματα προσομοίωσης για ραντάρ συχνότητας εκπομπής 1 GHz

Για αζιμούθιο 0°-5° η μέση τιμή του RCS είναι -8,15 dBsm ενώ για 0°-15° η μέση τιμή του RCS είναι -9,08 dBsm. Για αζιμούθιο 0° η τιμή του RCS είναι -23,39 dBsm ή 0,004 τ.μ. Τα συγκεκριμένα αποτελέσματα δεν φαίνεται να συνάδουν με τις εκτιμήσεις καθώς είναι πολύ μικρές οι τιμές του RCS σε σχέση με τις αναμενόμενες.

 

3.4 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ ΑΠΟΚΑΛΥΨΗΣ ΠΥΡΑΥΛΟΥ ATMACA

Οι ολλανδικής σχεδίασης φρεγάτες τύπου S (Standard) διαθέτουν το ραντάρ ερεύνης LW08, το οποίο εκπέμπει στην περιοχή συχνοτήτων L. Σύμφωνα με ανοικτές πηγές, η μέγιστη απόσταση αποκάλυψης στόχου με RCS 2 m² είναι τα 260 km ή 140 ν.μ., η οποία αντιστοιχεί σε 118 ν.μ. για στόχο με RCS 1 m². Οι γερμανικής σχεδίασης φρεγάτες ΜΕΚΟ διαθέτουν δύο ραντάρ αέρος, το DA08 στην περιοχή συχνοτήτων S και το MW08 στην C. Το τελευταίο φέρεται και από τα Ταχέα Περιπολικά Κατευθυνομένων Βλημάτων (ΤΠΚ) Super Vita. Το ραντάρ επιτήρησης DA08 έχει αποκάλυψη από 78 έως 92 ν.μ. για στόχους με RCS 2 m² [4]. Λαμβάνοντας υπόψη την χειρότερη περίπτωση, η εμβέλεια για στόχο με RCS 1 m² υπολογίζεται σε 65 ν.μ. Τέλος, το ραντάρ MW08 σύμφωνα με ανοικτές πηγές αναμένεται να αποκαλύψει στόχο με  RCS 1 m² περίπου στα 15 ν.μ.

Πέραν των υφιστάμενων ραντάρ, θα συμπεριληφθούν και δύο πιο σύγχρονα συστήματα, αμφότερα τεχνολογίας ενεργητικής ηλεκτρονικής σάρωσης (Active Electronically Scanned Array – AESA). Πιο συγκεκριμένα, θα εξετασθούν τα ραντάρ TRS-4D Rotator της Hensoldt (τέως Airbus Defense and Space) και το Sea Fire της Thales, τα οποία θα εξοπλίζουν τα πλοία Multi-Mission Surface Combatant (MMSC) της Lockheed Martin και τις φρεγάτες Belh@rra ή Frégates de défense et d’intervention (FDI), όπως τις ονομάζει το Γαλλικό ΠΝ, της Naval Group. Λαμβάνοντας υπόψη τις πιο πρόσφατες επίσημες ανακοινώσεις των εταιρειών, προκύπτουν τα ακόλουθα συμπεράσματα, αναφορικά με τις αποστάσεις αποκάλυψης των δύο αυτών ραντάρ:

α.  Για το TRS-4D Rotator, το οποίο λειτουργεί στην περιοχή συχνοτήτων C, η απόσταση παρακολούθησης στόχου μεγέθους μαχητικού είναι άνω των 100 km (https://www.hensoldt.net/products/radar-iff-and-datalink/trs-4d-rotator/), σύμφωνα με την κατασκευάστρια εταιρεία. Αν και το RCS ενός τυπικού οπλισμένου μαχητικού (π.χ., F-16) εκτιμάται ότι ανέρχεται σε 2-2,5 m², υποθέτουμε ότι η προαναφερθείσα εμβέλεια αναφέρεται σε μαχητικό με χαμηλό RCS 1 m², την οποία στρογγυλοποιούμε στα 55 ν.μ. Σημειώνεται ότι το υπόψη ραντάρ εξοπλίζει την κλάση “Freedom” των Littoral Combat Ship (LCS) του USN (https://www.navalnews.com/naval-news/2019/08/us-navy-lcs-vessels-now-operate-hensoldt-trs-4d-naval-radar/), από την οποία προήλθε και η έκδοση MMSC, ενώ στη μορφή των 4 σταθερών κεραιών (αντί της μίας περιστρεφόμενης) εξοπλίζει τις (πολύ μεγαλύτερες) γερμανικές φρεγάτες F125 κλάσης Baden-Württemberg, με λίγο καλύτερες επιδόσεις, καθιστώντας όμως περιττή την ύπαρξη επιπρόσθετου ραντάρ ελέγχου πυρός (Fire Control Radar).

β.  Για το Sea Fire, το οποίο αποτελείται από 4 σταθερές κεραίες και λειτουργεί στην περιοχή συχνοτήτων S, παλαιότερα είχαν αναφερθεί μέγιστες αποστάσεις αποκάλυψης άνω των 500 km για στόχους αέρος (https://www.air-cosmos.com/article/euronaval-2016-sea-fire-le-radar-des-fti-6134), οι οποίες όμως πιθανότατα σχετίζονταν με μεγαλύτερες υλοποιήσεις του εν λόγω συστήματος (με περισσότερα στοιχεία εκπομπής και λήψης σε κάθε κεραία). Με την έναρξη των δοκιμών και λαμβάνοντας υπόψη τη συγκεκριμένη υλοποίηση για την φρεγάτα  FDI/Belh@rra (με 12 × 8 υποσυστήματα εκπομπής και λήψης σε κάθε κεραία), η μέγιστη εμβέλεια αναφερόταν στα 400 km (https://www.navalnews.com/naval-news/2019/09/sea-fire-next-gen-radar-system-begins-testing-at-shore-integration-facility/), ενώ η κατασκευάστρια εταιρεία σήμερα κάνει λόγο για αποκάλυψη έως τα 300 km (https://www.thalesgroup.com/en/markets/defence-and-security/naval-forces/above-water-warfare/sea-fire) για εναέριους στόχους. Υποθέτοντας ότι η εμβέλεια των 300 km αναφέρεται σε ένα μεγαλύτερο μαχητικό με RCS 5 m², τότε η αποκάλυψη ενός στόχου με RCS 1 m² επιτυγχάνεται στα 200 km ή 108 ν.μ.

Στις τιμές RCS του πυραύλου ATMACA που υπολογίσθηκαν προηγουμένως δεν ελήφθη υπόψη η χρήση ειδικών επιστρώσεων απορρόφησης ακτινοβολίας (RAM). Η χρήση RAM αναμένεται να μειώσει ακόμα περισσότερο το RCS. Ακολουθώντας τη λογική που αναπτύχθηκε στο [5], η εξασθένηση λόγω RAM εκτιμάται σε -4 dB στην περιοχή συχνοτήτων L και -7 dB στην S, τιμή την οποία μπορούμε να υποθέσουμε και για την περιοχή συχνοτήτων C. Λαμβάνοντας υπόψη τις αποστάσεις αποκάλυψης για κάθε ραντάρ για στόχο με RCS 1 m² και την εκτιμώμενη τιμή RCS στην αντίστοιχη περιοχή συχνοτήτων (εκτίμηση από 0° έως 15° λαμβάνοντας υπόψη τις εκτιμήσεις της ενότητας 3.3, με το ραντάρ), μπορούμε να εκτιμήσουμε την απόσταση αποκάλυψης επερχόμενου πυραύλου ATMACA. Οι ανωτέρω εκτιμήσεις, καθώς και ο αντίστοιχος χρόνος που απομένει έως την πρόσκρουση με την παραδοχή ότι ο πύραυλος κινείται με ταχύτητα 0,85 Mach (https://navalnews.net/atmaca-turkeys-first-indigenous-anti-ship-missile/) (562 knots), παρατίθενται στον πίνακα που ακολουθεί.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι σε όλες τις περιπτώσεις υποτίθεται ότι ο επερχόμενος πύραυλος πετάει σε κάποιο υπολογίσιμο ύψος και όχι πολύ χαμηλά (όπως συνήθως γίνεται), καθώς στην περίπτωση αυτή η απόσταση αποκάλυψης περιορίζεται από τον ορίζοντα ραντάρ ή ραδιο-ορίζοντα. Πιο συγκεκριμένα, η προσέγγιση του ραδιο-ορίζοντα μπορεί να υπολογιστεί από τον ακόλουθο τύπο:

όπου: Rmax ο ραδιο-ορίζοντας (σε km), hr  το ύψος του ραντάρ (σε m) και ht το ύψος του στόχου (σε m). Έτσι, εάν το ραντάρ του πλοίου βρίσκεται σε ύψος περίπου 20 m πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας και ο αντιπλοϊκός πύραυλος ίπταται σε ύψος 10 m, τότε ο ραδιο-ορίζοντας ανέρχεται σε 31,5 km ή 17 ν.μ. Επομένως, ακόμα κι αν ένα ραντάρ προσφέρει μεγαλύτερη απόσταση αποκάλυψης, εάν ληφθεί υπόψη ότι ο επερχόμενος πύραυλος πετά πολύ χαμηλά (ίσως και σε ύψος λιγότερο από 10 m), η αποκάλυψή του θα γίνει σε απόσταση μικρότερη των 17 ν.μ.

 

 

4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η σημασία του RCS ενός στόχου είναι πολύ μεγάλη, τόσο για την δυνατότητα επίτευξης πρώτου πλήγματος από τον επιτιθέμενο, όσο και για τον αμυντικό σχεδιασμό του αμυνόμενου. Η τιμή του RCS επηρεάζει την απόσταση αποκάλυψης του στόχου καθώς και την δυνατότητα εξουδετέρωσης του εν λόγω στόχου από τα οπλικά συστήματα του αμυνόμενου. Ένας στόχος με πολύ μικρό RCS θα ανιχνευθεί όταν θα έχει ήδη εισέλθει στον χώρο του αμυνόμενου μειώνοντας τον χρόνο αντίδρασης.

Οι ακριβείς τιμές RCS κάθε στόχου αποτελούν διαβαθμισμένες πληροφορίες και δεν διατίθενται σε ανοικτές πηγές. Ως εκ τούτου, για την εκτίμηση των τιμών του RCS σε διάφορες γωνίες ως προς το ραντάρ παρακολούθησης και για διαφορετικές συχνότητες εκπομπής από το ραντάρ παρακολούθησης προτείνεται η μέθοδος της Φυσικής Οπτικής. Αρχικά σχεδιάζεται ένα τρισδιάστατο μοντέλο του στόχου με βάση τις ελάχιστες πληροφορίες που υπάρχουν καθώς δεν είναι διαθέσιμα τα μηχανολογικά σχέδια και δεν γίνεται να πραγματοποιηθεί μια τρισδιάστατη σάρωση του στόχου. Ακολούθως το τρισδιάστατο μοντέλο χρησιμοποιείται για την εκτίμηση του RCS με βάση τις αρχικές συνθήκες που εισάγει ο χρήστης.

Ως στόχος ενδιαφέροντος επιλέχθηκε ο τούρκικος πύραυλος ATMACA ο οποίος βρίσκεται υπό ανάπτυξη. Τα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις φαίνονται αναλυτικά στα διαγράμματα που παρατέθηκαν. Αναφέρθηκαν ενδεικτικά οι τιμές για γωνίες 0°-5°, 0°-15° και 0°, όπου είναι και το πιο πιθανό να εντοπιστεί ο στόχος. Ανάλογα με την εκτίμηση για την διαδρομή που είναι πιθανό να ακολουθήσει ο πύραυλος μπορούν να τροποποιηθούν οι γωνίες αζιμούθιου και ανύψωσης.

Τέλος, επιχειρήθηκε η εκτίμηση των αποστάσεων αποκάλυψης του πυραύλου ATMACA από διάφορα ραντάρ πλοίων του ΠΝ, λαμβάνοντας υπόψη το υπολογισθέν RCS για την αντίστοιχη περιοχή συχνοτήτων, καθώς και μία εκτίμηση της εξασθένησης που προκαλεί η ενδεχόμενη χρήση επιστρώσεων απορρόφησης ακτινοβολίας (RAM). Το χαμηλό RCS του υπόψη πυραύλου, ιδίως στις υψηλότερες περιοχές συχνοτήτων S και C, επιτρέπει την αποκάλυψη σε πολύ μικρές αποστάσεις, αφήνοντας πολύ μικρό χρόνο αντίδρασης. Όλα αυτά θα πρέπει να ληφθούν υπόψη τόσο στο επίπεδο της επιλογής και της προμήθειας, όσο και στον τακτικό σχεδιασμό και αξιοποίηση των ανάλογων οπλικών συστημάτων.

 

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

[1] Chatzigeorgiadis, F., «Development of Code for a Physical Optics Radar Cross Section prediction and analysis application,» Master’s Thesis, Naval Postgraduate School, Monterey, California, Sep 2004.

[2] Touzopoulos P., Boviatsis D. & Zikidis K., «3D modelling of potential targets for the purpose of Radar Cross Section (RCS) prediction: Based on 2D images and open source data,» 2017 International Conference on Military Technologies (ICMT), May 31 to June 2, 2017, Brno, Czech Republic, pp. 636-642.

[3] Sutrakar V., «Effect of Nose Radar on the Radar Cross Section of a Fighter Aircraft at X-Band,» International conference on Antennae Test and Measurement Society (ATMS – 2014), Seventh Annual Conference, 10-12 February, 2014, Chennai, India.

[4] Norman Friedman, «The Naval Institute Guide to World Naval Weapons», Naval Institute Press, Anapolis, USA, 2006.

[5] Zikidis K.C., Early Warning Against Stealth Aircraft, Missiles and Unmanned Aerial Vehicles. In: Karampelas P., Bourlai T. (eds) Surveillance in Action. Advanced Sciences and Technologies for Security Applications. Springer, Cham, 2018.