Ραντάρ Ενεργητικής Ηλεκτρονικής Σάρωσης (AESA) και συστήματα Υπέρυθρης Έρευνας και Ιχνηλάτησης (IRST) εναντίον απειλών χαμηλής παρατηρησιμότητας

Γεώργιος-Κωνσταντίνος Γαϊτανάκης*, Γεώργιος Λημναίος** και Κωνσταντίνος Χ. Ζηκίδης**

* Τμήμα Στρατιωτικών Επιστημών, Στρατιωτική Σχολή Ευελπίδων, Βάρη

** Τμήμα Αεροπορικών Επιστημών, Σχολή Ικάρων, Αχαρνές

 

[Απόδοση στα ελληνικά της ακόλουθης εργασίας, που δημοσιεύτηκε την 27-03-20:  Gaitanakis, G.-K., Limnaios, G. and Zikidis, K. (2020), «AESA radar and IRST against low observable threats», Aircraft Engineering and Aerospace Technology  https://doi.org/10.1108/AEAT-01-2020-0011]

Σύνοψη

Σκοπός – Τα σύγχρονα μαχητικά αεροσκάφη που χρησιμοποιούν ραντάρ ελέγχου πυρός τεχνολογίας ενεργητικής ηλεκτρονικής σάρωσης (AESA – Active Electronically Scanned Array) μπορούν να αποκαλύψουν και να ιχνηλατήσουν στόχους σε μεγάλες αποστάσεις, της τάξης των 50 ναυτικών μιλίων ή και περισσότερο. Η τεχνολογία χαμηλής παρατηρησιμότητας ή στελθ (stealth) έχει αμφισβητήσει τις ικανότητες των ραντάρ, μειώνοντας τις αποστάσεις αποκάλυψης / παρακολούθησης περίπου στο 1/3 (ή ακόμα περισσότερο, όσον αφορά ραντάρ μαχητικών αεροσκαφών). Ως εκ τούτου, τα συστήματα Υπέρυθρης Έρευνας και Ιχνηλάτησης (IRST – InfraRed Search & Track) εξετάστηκαν εκ νέου, ως εναλλακτική λύση στα ραντάρ. Η παρούσα εργασία διερευνά και συγκρίνει τις δυνατότητες και τους περιορισμούς αυτών των δύο τεχνολογιών, των ραντάρ AESA και των συστημάτων IRST, καθώς και της συνέργειάς τους μέσω συγχώνευσης δεδομένων αισθητήρων (sensor fusion).

Σχεδίαση/μεθοδολογία/προσέγγιση – Η απόσταση αποκάλυψης στόχου από ραντάρ AESA υπολογίζεται με τη βοήθεια της εξίσωσης ραντάρ και με ορισμένες υποθέσεις, λαμβάνοντας υπόψη τις απαιτήσεις απαγωγής θερμότητας, χρησιμοποιώντας ως μελέτη περίπτωσης το μαχητικό F-16. Αναφορικά με τον αισθητήρα IRST, προτείνεται ένα νέο μοντέλο για την εκτίμηση της απόστασης ανίχνευσης, το οποίο βασίζεται στην εκπεμπόμενη υπέρυθρη ακτινοβολία που προκαλείται λόγω αεροδυναμικής θέρμανσης.

Αποτελέσματα – Η μέγιστη απόσταση αποκάλυψης που παρέχεται από ένα ραντάρ AESA μπορεί να περιοριστεί λόγω της αυξημένης πλεονάζουσας θερμότητας που παράγεται και των σχετικών περιορισμών που αφορούν την ικανότητα ψύξης του φέροντος αεροσκάφους. Από την άλλη, τα συστήματα IRST επιδεικνύουν συγκεκριμένα πλεονεκτήματα σε σχέση με τα ραντάρ εναντίον απειλών χαμηλής παρατηρησιμότητας. Το IRST θα μπορούσε να συνδυαστεί με ένα ασύρματο δίαυλο (datalink) και με τη βοήθεια συγχώνευσης δεδομένων να παράσχει ακριβή στοιχεία ιχνηλάτησης (track), επιτρέποντας την εξαπόλυση όπλου.

Πρωτοτυπία/αξία – Παρέχεται μία νέα προσέγγιση για την εκτίμηση απόστασης ανίχνευσης στόχου από σύστημα IRST. Η σύγκριση AESA/IRST προσφέρει πολύτιμη γνώση, ενώ επιτρέπει πιο αποτελεσματική σχεδίαση, στο στάδιο στρατιωτικών προμηθειών, καθώς και στο τακτικό επίπεδο.

Τα συστήματα έρευνας και ιχνηλάτησης υπέρυθρης ακτινοβολίας (IRST) ως μία προσέγγιση εναντίον δυσδιάκριτων (Stealth) στόχων

Γεώργιος-Κωνσταντίνος Γαϊτανάκης, Ανδρέας Βλασταράς, Νικόλαος Βάσσος, Γεώργιος Λημναίος και Κωνσταντίνος Χ. Ζηκίδης

Σημείωση: Η εξέταση των συστημάτων InfraRed Search & Track ή IRST ξεκίνησε ως μία διπλωματική εργασία στην Σχολή Ικάρων, η οποία εκπονήθηκε το 2016 από τους (τότε) Ικάρους IV (Ι) Ν. Βάσσο και Α. Βλασταρά, με επιβλέποντες τους Ασμχους (ΜΗ) Κ. Ζηκίδη και Γ. Λημναίο. Στη συνέχεια, το θέμα δόθηκε ως διπλωματική εργασία στον Γ. Γαϊτανάκη (απόφοιτο του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Παν/μίου Πατρών), στο πλαίσιο του μεταπτυχιακού προγράμματος που διοργανώνει η ΣΣΕ σε συνεργασία με το Πολ/χνείο Κρήτης: http://sse-tuc.edu.gr/  Αρχικά αποτελέσματα παρουσιάστηκαν στο Συνέδριο OPTIMA 2017, που διοργάνωσε η ΣΣΕ τον Μάιο 2017: https://belisarius21.wordpress.com/2017/05/23/4ο-διεθνές-συνέδριο-για-τον-επιχειρησι/ Επίσης, ορισμένα συμπεράσματα δημοσιεύθηκαν σε αμυντική ιστοσελίδα: http://www.defence-point.gr/news/ta-systimata-irst-ke-i-anavathmisi-ton-ellinikon-aeroskafon-f-16 Τέλος, η πλήρης εργασία δημοσιεύτηκε στο Journal of Computations & Modelling (vol.9, no.1, 2019, pp.33-53): http://www.scienpress.com/download.asp?ID=940703 Η παρούσα ανάρτηση αποτελεί απόδοση της εργασίας αυτής στην ελληνική γλώσσα.

Σύνοψη

Εδώ και πάνω από μισό αιώνα, το ραντάρ αποτελεί αδιαμφισβήτητα τον πιο σημαντικό αισθητήρα στο πεδίο της μάχης, ιδίως στον αεροπορικό τομέα. Τα συστήματα ραντάρ ανέκαθεν ανταγωνίζονταν τα συστήματα ηλεκτρονικού πολέμου, τα οποία προσπαθούν να παρεμποδίσουν την ανίχνευση και την ιχνηλάτηση με τη χρήση διαφόρων τεχνικών παρεμβολής. Εντούτοις, η εμφάνιση της τεχνολογίας stealth ή χαμηλής παρατηρησιμότητας (low observable) από τα τέλη της δεκαετίας του ’80 αποτέλεσε μία κρίσιμη αλλαγή, ως μία έμπρακτη αμφισβήτηση της κυριαρχίας του ραντάρ. Έτσι, επανεξετάστηκαν άλλες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, σε μια προσπάθεια να υποκατασταθεί ή να συμπληρωθεί το ραντάρ. Ως εκ τούτου, η εκμετάλλευση της υπέρυθρης ακτινοβολίας φαίνεται να είναι μια βιώσιμη προσέγγιση. Ακόμη κι αν έχουν καταβληθεί σημαντικές προσπάθειες για την ελαχιστοποίηση της υπέρυθρης υπογραφής των μαχητικών αεροσκαφών, είναι αδύνατον να καταστεί εντελώς αόρατο στο υπέρυθρο φάσμα ένα ταχέως κινούμενο αεριωθούμενο αεροσκάφος, προωθούμενο από θερμά καυσαέρια. Τα συστήματα έρευνας και ιχνηλάτησης υπέρυθρης ακτινοβολίας (συστήματα InfraRed Search & Track ή IRST) προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα παραδοσιακά συστήματα ραντάρ, όπως παθητική λειτουργία, αντοχή στην παρεμβολή και, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, μεγάλες αποστάσεις αποκάλυψης. Από την άλλη, δεν υπάρχει άμεση μέτρηση της απόστασης του στόχου, όπως στην περίπτωση του ραντάρ. Η εργασία αυτή ξεκινά με μία αναφορά στις στρατιωτικές εφαρμογές της υπέρυθρης ακτινοβολίας, ακολουθούμενη από μία συνοπτική παρουσίαση επί των σύγχρονων συστημάτων IRST. Στη συνέχεια προτείνεται μία προσέγγιση στην εκτίμηση της απόστασης αποκάλυψης ενός αεριωθούμενου μαχητικού από ένα σύστημα IRST. Η προσέγγιση βασίζεται στη μοντελοποίηση ενός τυπικού στροβιλοανεμιστήρα (Turbofan) κινητήρα και ενός σύγχρονου συστήματος IRST. Κατά την προσομοίωση, εξετάστηκαν διάφορες καιρικές συνθήκες και διαφορετικά οπτικά πεδία (Field Of View). Αποδεικνύεται ότι, υπό ευνοϊκές συνθήκες, η απόσταση αποκάλυψης ενός αεροκινητήρα χωρίς χρήση μετάκαυσης, σε οπίσθια θέαση, βρίσκεται στην τάξη των 100 km ή ακόμα περισσότερο, ξεπερνώντας έτσι την αναμενόμενη επίδοση ενός τυπικού ραντάρ αεροσκάφους εναντίον δυσδιάκριτου στόχου (Stealth).

Λέξεις-κλειδιά: Έρευνα και ιχνηλάτηση υπέρυθρης ακτινοβολίας (InfraRed Search & Track – IRST), νόμος του Planck, κώδικας MODTRAN, νόμος του Beer, ενεργό διάφραγμα (effective aperture ή effective calibre), οπτικό πεδίο (field of view), μεταδοτικότητα (transmittance), ειδική ανιχνευσιμότητα (specific detectivity ή spectral detectability).

1  Εισαγωγή

Η υπέρυθρη ακτινοβολία (Infrared radiation – IR) είναι μη ορατή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με μήκη κύματος μεγαλύτερα από αυτό του ερυθρού φωτός, η οποία τυπικά καλύπτει το φάσμα από τα 300 GHz (μήκος κύματος 1 mm ή 1000 μm) έως τα 430 THz (0,7 μm). Κάθε αντικείμενο με θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, κυρίως στο υπέρυθρο φάσμα. Αντικείμενα σε υψηλότερες θερμοκρασίες εκπέμπουν επίσης και ορατό φως, όπως στην περίπτωση του λαμπτήρα πυρακτώσεως. Η φασματική πυκνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα μέλαν σώμα σε θερμική ισορροπία δίδεται από τον νόμο του Planck [1].

Καθώς η υπέρυθρη ακτινοβολία διαδίδεται μέσω της ατμόσφαιρας, απορροφάται από υδρατμούς, διοξείδιο του άνθρακα, μονοξείδιο του άνθρακα, οξείδιο του αζώτου κ.λπ. Ως εκ τούτου, μόνο συγκεκριμένα “παράθυρα” (οι υποπεριοχές των 3-5 και 8-12 μm) επιτρέπουν ικανοποιητική διάδοση. Στην Εικόνα 1 απεικονίζεται η μεταδοτικότητα (transmittance) της ατμόσφαιρας σε 1 ναυτικό μίλι στο επίπεδο της θαλάσσης [2]. Η μεταδοτικότητα γενικώς βελτιώνεται καθώς αυξάνει το υψόμετρο.

Όσον αφορά την περίπτωση ενός αεροπλάνου, αυτό παρουσιάζει μία περίπλοκη θερμική υπογραφή, η οποία προέρχεται από τα ακόλουθα τμήματα:

• Τα θερμά τμήματα του κινητήρα (κεντρικό τμήμα του κινητήρα, οπίσθια όψη του στροβίλου, σώμα και εσωτερική επιφάνεια των πτερυγίων ελέγχου του ακροφυσίου εξαγωγής).
• Τα καυσαέρια του κινητήρα (εκπομπές από την καύση του καυσίμου, κυρίως διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμοί).
• Την δομή του αεροσκάφους, που περιλαμβάνει όλες τις εξωτερικές επιφάνειες των πτερύγων, της ατράκτου, της καλύπτρας κ.λπ., καθώς και ηλιακές και επίγειες αντανακλάσεις και το κρουστικό κύμα Mach (αεροδυναμική θέρμανση).

Επομένως, κάθε όχημα που πετάει στον αέρα εκπέμπει αναπόφευκτα θερμική ακτινοβολία, η οποία μπορεί να ανιχνευθεί, εάν παρουσιάζει επαρκή αντίθεση με το ψυχρό υπόβαθρο.