Stealth - w wojskowości tym terminem określa się technologie mające na celu zmniejszenie możliwości wykrycia obiektu znanymi metodami obserwacji: począwszy od ludzkiego wzroku, na metodach stricte technicznych kończąc. Obecnie dotyczy ona głównie samolotów, okrętów oraz pojazdów lądowych.

Jest wiele technik umożliwiających stworzenie obiektu typu stealth, np.: wykorzystanie materiałów pochłaniających w części promieniowanie radarowe, kamuflaż obiektu, zmniejszenie śladu termicznego i turbulencji za obiektem (np. w lotnictwie), zmniejszenie hałasu z napędu obiektu (bardzo istotne w marynarce ze względu na możliwość wykrycia przez sonar) i wiele innych. Najwazniejsze jest jednak odbicie fal radarowych pod kątem innym niż nadeszły, stąd właśnie płaskie i pochylone powierzchnie.

Technologia stealth nie jest nowością, już pierwsze samoloty wojskowe nosiły kamuflaż, latały nisko nad ziemią by nie zostać wykrytymi. Ale najnowsze osiągnięcia techniki pozwoliły drastycznie zmniejszyć wykrywalność obiektów takich jak np.: bombowiec B-2, F-117, samoloty F-22 i F-35, okręt Sea Shadow i wiele innych.

Nowoczesne techniki stealth wykorzystują jednocześnie wiele osiągnięć technicznych i naukowych. Dla przykładu: samolot F-22 został przemyślany tak, by w jak największym stopniu pochłonąć lub rozproszyć promieniowanie radarowe; zastosowano w tym celu nie tylko odpowiednie materiały kompozytowe i farby, lecz również ekstremalne rozwiązania aerodynamiczne (które jednocześnie zmniejszyły turbulencję za samolotem), ukryto stateczniki pionowe, wentylatory silników osadzono głęboko we wlotach powietrza, uzbrojenie znalazło się w specjalnych komorach. Oprócz wiązki promieniowania radarowego zgubny może być także ślad termiczny, dlatego zastosowano nowoczesne silniki wykorzystujące zimne powietrze do schładzania gazów wylotowych. Również anteny systemów pokładowych zostały wkomponowane w sposób uniemożliwiający ich potencjalne wykrycie przez przeciwnika.

W przypadku okrętu Sea Shadow zastosowano m.in. bardzo ciche silniki elektryczne zasilane prądem z prądnicy napędzanej silnikiem diesla, a także kształt i materiały pochłaniające wiązkę radarową.

Przed technikami stealth drzwi się dopiero otwierają. Przy każdym kolejnym obiekcie wojskowym będzie się dążyło do zmniejszenia wykrywalności.

Zasada działania

Zjawisko odbicia

Amerykański samolot F-117 wykonany w technologii stealth.

Fale elektromagnetyczne podlegają zjawisku odbicia oraz rozproszenia w przypadku natknięcia się na zmianę w środowisku dielektrycznym czy diamagnetycznym, w którym się rozchodzą. Może to być ciało stałe w powietrzu, cieczy czy innym otaczającym je ośrodku o znacznie mniejszej gęstości, w którym rozchodzi się promieniowanie. Jest to szczególnie zauważalne w przypadku obiektów wykonanych z materiałów, będących przewodnikami elektrycznymi, takich jak: metale czy włókna węglowe, czyniąc radar urządzeniem wyjątkowo dobrze nadającym się do wykrywania samolotów czy statków. Materiały absorbujące promieniowanie mikrofalowe emitowane przez radar, zawierąjące składniki rezystywne a czasami magnetyczne są często wykorzystywane przy budowie pojazdów wojskowych. Typowym tego przykładem jest amerykańska technologia stealth wykorzystana przy konstrukcji samolotów F-117 oraz B-2. Obiekty wykonane w tej technologii nie są dla promieniowania elektromagnetycznego "przeźroczyste" a jedynie ich "dziwny" kształt oraz powłoka wykonana z absorbującego promieniowanie mikrofalowe materiału powodują, że odbita wiązka radarowa dociera do odbiornika o dużo mniejszej mocy niż zwykle, i to sprawia, że są one trudne do wykrycia.

Fale radiowe odbijają się w różny sposób w zależności od długości fali, kształtu oraz skutecznej powierzchni odbicia obiektu. Jeśli długość fali będzie dużo mniejsza od wielkości obiektu, to ten przypadek możemy przyrównać z odbiciem wiązki światła padającej na lustro. Natomiast jeśli mamy do czynienia z odwrotną sytuacją, kiedy to długość fali jest znacznie większa od długości obiektu, wtedy dochodzi do tzw. zjawiska polaryzacji fali (składowe fali są odseparowane), podobnie jak w dipolu. Zjawisko to jest opisane jako rozpraszanie Rayleigha, w efekcie którego możemy zobaczyć np. błękit ziemskiego nieba czy zachód słońca kolorujący niebo na czerwono. W przypadku porównywalnych długości fali elektromagnetycznej oraz oświetlanego obiektu może dojść do zjawiska rezonansu. Pierwsze radary używały fal radiowych o bardzo dużej długości (metrowe i dłuższe) i w konsekwencji otrzymywano nieprecyzyjny sygnał odpowiedzi, podczas gdy we współczesnych urządzeniach używa się fal o mniejszej długości (decymetrowe i krótsze), dzięki czemu można wykrywać oraz określać parametry obiektów o stosunkowo małej powierzchni.

Krótkie fale radiowe odbijają się od zakrzywionych powierzchni oraz wszelkiego rodzaju kantów w podobny sposób jak błysk światła odbija się od zaokrąglonych szklanych elementów. Powierzchnie idealnie odbijające fale krótkie są nachylone względem siebie pod kątem 90°. Struktura posiadająca trzy płaskie powierzchnie łączące się ze sobą pod kątem prostym będzie zawsze obijać fale bezpośrednio do źródła promieniowania. Wykorzystując tę właściwość skonstruowano tzw. rożki odbijające, które często są używane jako reflektory radarowe w pewnego rodzaju obiektach, czyniąc je łatwiejszymi do wykrycia. Ma to istotne znaczenie szczególnie w żegludze, gdzie obiekty posiadające małą skuteczną powierzchnię odbicia (np. jachty) lub istotne dla nawigacji (np. mosty na kanałach), mogą być widoczne na ekranie wskaźników dużych statków, co ma na celu oczywiście podniesienie poziomu bezpieczeństwa poprzez uniknięcie przypadkowych kolizji. Z tego samego powodu unika się tego typu powierzchni oraz wszelkiego rodzaju wystających elementów podczas konstruowania obiektów typu stealth. To zabezpieczenie nie eliminuje w stu procentach odbicia fal z powodu zjawiska dyfrakcji, szczególnie kiedy używa się fal o większej długości. Pręty czy paski o długości równej połowie długości fali wykonane z przewodzącego prąd materiału, takie jak paski folii rozrzucane przez samolot w celu uniknięcia namierzenia przez wiązkę radarową rakiety, bardzo dobrze odbijają padające na nie promieniowanie, rozpraszajęc je w kierunku różnym od tego, na jakim znajduje się źródło sygnału. Rozmiar powierzchni, jaką obiekt odbija padające na niego promieniowanie jest opisywane przez tzw. skuteczną powierzchnię odbicia.

Równanie zasięgu radaru

Moc powracająca do anteny odbiorczej radaru P_r jest opisywana równaniem:

gdzie*'

• P_n = moc nadajnika

• G_n = zysk anteny nadawczej

• A_o = skuteczna apertura (powierzchnia) anteny odbiorczej

• σ = skuteczna powierzchnia odbicia

• F = współczynnik propagacji

• R_n = odległość pomiędzy nadajnikiem a celem

• R_o = odległość pomiędzy celem a odbiornikiem

• L = współczynnik tłumienia na trasie sygnału nadajnik-cel-odbiornik.

W przypadku, kiedy nadajnik i odbiornik są umieszczone w tym samym miejscu, R_n = R_o i oznaczenie R_n² R_o² może być zastąpione przez R⁴, gdzie R oznacza zasięg. W ten sposób otrzymujemy:

Równanie to pokazuje, że moc odebrana jest odwrotnie proporcjonalna do zasięgu, który jest w mianowniku aż w czwartej potędze. Oznacza to na przykład, że przy dwukrotnym zwiększeniu odległości od celu, moc, jaka dostanie się na wejście odbiornika, będzie 16 razy mniejsza. W miarę wzrostu odległości do celu mamy do czynienia z znaczącym spadkiem mocy fali, która wraca po odbiciu się od niego.

Stosowane jest dla powyższego równania pewne uproszczenie, a mianowicie przyjmujemy, że F = 1 w przypadku próżni bez występowania zjawiska interferencji. Współczynnik propagacji jest efektem występowania zjawiska cienia oraz strat zależneych od wielu czynników środowiskowych. W rzeczywistych warunkach powinien być uwzględniany efekt strat sygnału.

Inne rozwiązania matematyczne są stosowane w procesie obróbki sygnałowej, włączając w to analizę czasowo-częstotliwościową.

Polaryzacja

Fala wysyłana przez nadajnik radaru może być spolaryzowana. W zależności od rodzaju obiektu którego oczekuje się używane są różnego rodzaju typy polaryzacji: pionowa, pozioma, eliptyczna, bądź kołowa, której używa się w celu minimalizacji zjawiska interferencji zachodzącej w czasie deszczu. Polaryzacja liniowa pozwala na detekcję powierzchni metalowych, ułatwia również wykrywanie podczas deszczu. Podczas odbicia sygnał zmienia stan polaryzacji w zależności od tego czy odbijającą substancją jest gładka powierzchnia metalu, dielektryk, czy też powierzchnia o chropowatości porównywalnej z długością fali. Wracająca fala o polaryzacji losowej, wskazuje na powierzchnie o strukturze chropwatej (fraktalnej), jak skały czy ziemia i jest wykorzystywana przez radary nawigacyjne, pracujace tuż przy horyzoncie.

Interferencja

Systemy radaru muszą wyeliminować wiele różnorodnych źródeł zbędnych sygnałów takich jak np. szumy, aby wyodrębnić i wyostrzyć sygnał przedmiotu zainteresowania. Szumy mogą pochodzić zarówno ze źródeł wewnętrznych, zewnętrznych, jak i z obu jednocześnie. Mogą być pasywne lub aktywne. Zdolność do wyodrębnienia sygnału użytecznego na tle szumów określana jest przez współczynnik sygnał-szum (ang. SNR: signal-to-noise-ratio), im większą wartość posiada tym lepiej odbiornik jest w stanie odizolować echo od celu na tle otaczających go szumów.

Szumy

Szumy są wewnętrznym źródłem przypadkowych wahań wartości sygnału użytecznego. Są generowane przez wszystkie podzespoły elektroniczne. Typowe szumy pojawiają się jako losowe zmiany nakładające się na sygnał odpowiedzi w odbiorniku radaru. Im mniejsza moc sygnału odbieranego tym trudniej jest go wyróżnić na tle szumów urządzenia. Dlatego najważniejsze źródła szumów pojawiają się w odbiorniku i wiele wysiłku wkładane jest w minimalizację tego czynnika. Wielkość szumów jest mierzona poprzez porównanie wartości szumów generowanych przez odbiornik z idealnym źródłem szumów. Szumy są również generowane przez źródła zewnętrzne. Bardzo ważnym źródłem szumów jest naturalne promieniowanie cieplne tła otaczającego obserwowany przedmiot. W nowoczesnych urządzeniach w wyniku zastosowania podzespołów najwyższej jakości oraz odpowiednio dużych anten, szumy generowane przez odbiornik są dużo mniejsze od szumów zewnętrznych.

Stacja radiolokacyjna produkcji polskiej NUR-31 - werska zmodernizowana.

Zakłócenia

Zakłócenia znajdujące się w aktualnej częstotliwości radiowej pracującego radaru w sygnale powracającym od celu są zazwyczaj bezwartościowe. Sygnały echa od celów w większości przypadków występują na wraz z echami od innych obiektów naturalnych takich jak: ziemia, morze, opady atmosferyczne (deszcz, śnieg, grad), burze piaskowe, zwierzęta (zwłaszcza ptaki), zaburzenia atmosferyczne oraz inne zjawiska atmosferyczne tj. odbicia jonosferyczne, deszcze meteorów). Zakłócenia mogą również by również wynikiem odbicia się sygnału emitowanego przez radar od obiektów nienaturalnych takich jak budynki, czy celowo rozrzucone przez samolot paski folii. Niektóre zakłócenia mogą być już wytwarzane w falowodzie pomiędzy nadajnikiem urządzenia a anteną nadawczą. W typowym radarze obserwacji dookrężnej z obracającą się wokół osi anteną, są one zobrazowane na wskaźniku jako impulsy rozchodzące się promieniście ze środka w kształcie przypominającym promienie słońca, oczywiście w przypadku, kiedy przedostaną się one przez układy zabezpieczające w odbiorniku. Wprowadzając odpowiednią synchronizację podczas pracy nadajnika i odbiornika urządzenia, kiedy to oba układy nigdy nie pracują jednocześnie można ograniczyć wpływ zakłóceń generowanych przez nadajnik. W urządzeniach wykorzystywanych przez niektóre radary (np. NUR-31), ze względu na wspólną antenę nadawczo-odbiorczą oraz końcowy odcinek układu nadajnika, który jest jednocześnie początkowym odcinkiem układu odbiornika, stosuje się specjalny typ przełącznika nadawanie-odbiór wykonanego z izolatorów ferrytowych oraz specjalne lampy - tyratrony. Źródłem wielu zakłóceń są również obiekty znajdujące się w najbliższym sąsiedztwie pracującego radaru. Ze względu na duży poziom sygnału docierającego do odbiornika w celu ich eliminacji stosuje się układy typu ZRT (zasięgowej regulacji tłumienia) oraz ZRW (zasięgowej regulacji wzmocnienia). Osobnym rodzajem zakłóceń są zakłócenia pochodzące od obiektów terenowych. Aby je zredukować stosuje się układy typu TES (tłumienia ech stałych). Wiele źródeł niepożądanych zakłóceń w określonych typach radarów, tak jak chmury burzowe w radarach obrony powietrznej, mogą stanowić ważne źródło informacji w innych radarach - te same chmury w radarach meteorologicznych. Zakłócenia są traktowane jako pasywne źródło interferencji, jeśli tylko pojawiają się w odpowiedzi sygnału emitowanego przez radar. Istnieje wiele sposobów neutralizacji zakłóceń. Kilka ze sposobów bazuje na znanym fakcie, że sygnał zakłócenia zmienia swoje umiejscowienie podczas kolejnego skanowania w danym sektorze przestrzeni przez radar. W ten sposób poprzez porównanie dwóch kolejnych sygnałów wchodzących do odbiornika z tego samego kierunku, w łatwy sposób można oddzielić echa użyteczne pochodzące od celów od zakłóceń. Zakłócenia od fal morskich można w łatwy sposób wyeliminować poprzez zastosowanie polaryzacji poziomej emitowanego sygnału, natomiast, jak już wcześniej było wspomniane, zakłócenia wywołane opadami eliminuje się za pomocą polaryzacji kołowej (za wyjątkiem radarów meteorologicznych, gdzie używa się polaryzacji linearnej w celu lepszej detekcji tychże opadów). Inne z metod próbują zwiększyć stosunek współczynnika sygnał-zakłócenie.

SPFA - standaryzacja prawdopodobieństwa fałszywego alarmu (ang. CFAR - Constant False-Alarm Rate). W radarach, urządzenie musi automatycznie bądź przy współudziale operatora określić pewien poziom mocy odbieranego sygnału, po przekroczeniu którego sygał będzie zakwalifikowany jako echo pochodzące od interesującego nas obiektu (echo użyteczne). Wyznaczając jednak ten poziom zbyt nisko może dojść do sytuacji, że nikiedy szumy przekraczając go, będą powodały wzrost ilości tzw. fałszywych alarmów. Z kolei gdy poziom ten będzie wyznaczony zbyt wysoko - dojdzie do odwrotnej sytuacji - ilość fałszywych alarmów zmaleje, ale wiele z ech użytecznych może zostać zignorowanych przez urządzenie, jako potencjalne zakłócenia o stosunkowo dużej mocy, tworząc nieprawdziwy obraz sytuacji powietrznej. W wielu przypadkach sygnał zakłóceń docierający do odbiornika radiolokacyjnego pochodzący z dalszych odległości przewyższa swoją mocą poziom echa od celu użytecznego. Aby wyeliminowac powyższe zjawisko zastosowano układ SPFA, mogący sterować poziomem detekcji. Poziom ten jest automatycznie podwyższany w przypadku występowania licznych zakłóceń w otoczeniu obserwowanego obiektu i analogicznie obniżany, kiedy ich brak. Ułatwia to wyodrębnienie ech użytecznych oraz zmniejsza ilość występujących fałszywych alarmów. We wcześniejszych radarach odpowiedzialne za to były to typowe układy elektroniczne. Obecnie coraz częściej można się spotkać z zastosowaniem odpowiedniego oprogramowania komputerowego.

Zakłócenie może również pochodzić od zwielokrotnienia rzeczywistego obiektu w przypadku odbicia echa od powierzchni ziemi, właściwości atmosfery, odbicia lub refrakcji w jonosferze. To specyficzne zakłócenie jest wyjątkowo uciążliwe, ponieważ pojawia się posiadając cechy "typowego, normalnego" obiektu, tworząc tym samym nierealny cel, który wprowadza w błąd obserwatora. W przypadku występowania fałszywego samolotu powstającego w wyniku odbicia echa od powierzchni ziemi, na ekranie radaru widoczny jest obiekt występujący w pewnej odległości tuż za realnym celem. Układy odbiornika mogą spróbować połączyć oba obiekty, podając błędną odległość, badź całkowicie go eliminując, traktując go jako błąd. Problem ten jednakże może być wyeliminowany poprzez zastosowanie mapy powierzchni otaczającego radar terenu oraz wykluczenie ech obiektów, których stwierdzona wysokość może nasuwać przypuszczenie, że mamy do czynienia z zwielokrotnieniem echa (oczywiście w przypadku zastosowania radaru trójspółrzędnego lub zestawu odległościomierz - wysokościomierz).

Urządzeniem o podobnej zasadzie działania do radaru jest lidar.

Radar czynny występuje w dwóch odmianach: radar pierwotny i radar wtórny.

Często anteny radarów osłaniane są różnego rodzaju osłonami, chroniącymi głównie przed czynnikami atmosferycznymi (wiatr, deszcz) i uszkodzeniami, mechanicznymi, a w samolotach, nadającymi także aerodynamiczny kształt. Osłony te są jednak na tyle cienkie i zbudowane z odpowiednich materiałów, że są praktycznie przezroczyste dla promieni mikrofalowych, których używają radary.

Szczególną grupę radarów stanowią radary dopplerowskie. Radary te wykorzystują zmianę częstotliwości odbitego sygnału w stosunku do wysyłanego, gdy ciało od którego odbiło się promieniowanie porusza się względem radaru. Radary tego typu są stosowane między innymi przez policję do mierzenia prędkości samochodów.

B-2 Spirit - amerykański bombowiec strategiczny wykonany w technologii stealth, zdolny do przenoszenia bomb konwencjonalnych i jądrowych. Konstrukcja samolotu oparta jest na układzie latającego skrzydła. B-2 Spirit napędzany jest czterema turbinowymi silnikami dwuprzepływowymi firmy General Electric.

B-2 Spirit

Samolot zbudowany jest głównie z materiałów kompozytowych, m.in. z kevlaru. Powierzchnia samolotu pokryta jest specjalnym lakierem pochłaniającym fale radarowe. B-2 posiada dwie komory bombowe przystosowane do przenoszenia broni jądrowej.

Stealth

W przypadku "Ducha" niewidoczność radarowa została osiągnięta dzięki zastosowaniu:

• układu latającego skrzydła

• materiałów absorbujących fale radarowe (ang. Radar Absorbing Material)

• krzywoliniowych kształtów

Rzuty

F-117 Nighthawk - amerykański odrzutowy samolot bombowy wykonany w technologii stealth, produkowany przez firmę Lockheed. Pomimo oznaczenia "F", stosowanego w lotnictwie USA do klasyfikacji myśliwców, F-117 jest taktycznym bombowcem, przeznaczonym do wykonywania precyzyjnych ataków na cele naziemne.

F-117 Nighthawk

Rzuty

Budowa

Konstrukcja samolotu wykonana jest ze stopów aluminium i stopów tytanu oraz elementów ceramicznych. Cała powierzchnia pokryta jest powłoką wykonaną z materiałów RAM, której zadaniem jest absorpcja fal radarowych. Ponadto konstrukcja samolotu wykonana jest w taki sposób, aby jak najbardziej rozproszyć fale radarowe. Samolot napędzany jest dwoma turboodrzutowymi silnikami firmy General Electric.

Zastodowane rozwiązania mające na celu utrudnienie namierzenia powodują iż samolot jest wysoce nieaerodynamiczny. Podczas lotu komputer pokładowy musi średnio 3 razy na sekundę stabilizować lot, żeby nie dopuścić do utraty panowania nad samolotem przez pilota.

Stealth

Efekt zmniejszonej wykrywalności przez radary uzyskano poprzez zastosowanie specjalnego kształtu. Samolot złożony jest z fragmentów płaszczyzn, ustawionych pod określonymi kątami, dzięki czemu znaczna część fal radarowych padających na samolot ulega rozproszeniu w różnych kierunkach, zamiast odbiciu w stronę radaru. Dodatkowo cała powierzchnia samolotu pokryta jest lakierem zawierającym materiały absorbujące promieniowanie elektromagnetyczne.

W celu dalszej minimalizacji możliwości namierzenia przez pasywne stacje radiolokacyjne, zrezygnowano z radaru pokładowego. Podczas wykonywania misji pilot wykorzystuje kamery na podczerwień oraz systemy laserowe. Systemy łączności radiowej używane są tylko w sytuacjach wyjątkowych, a do utrzymywania łączności pomiędzy samolotami wykorzystuje się system łączności laserowej. Efektem zastosowania technologii stealth w F-117 Nighthawk jest uzyskanie współczynnika odbicia fal radarowych 2500 razy mniejszego niż w myśliwcu F-15 Eagle.

Sea Shadow - testowa jednostka wodna opracowana przez Marynarkę Wojenną Stanów Zjednoczonych, Advanced Research Projects Agency oraz Lockheed Martin.

Program Sea Shadow rozpoczął się w połowie lat osiemdziesiątych. Jego celem jest opracowanie i przetestowanie wszystkich nowoczesnych technologii, które mogłyby zostać wykorzystane przy budowie superokrętów.
W latach dziewięćdziesiątych istnienie programu zostało podane do informacji publicznej i rozpoczęło się testowanie okrętu Sea Shadow. Sea Shadow stacjonuje aktualnie w porcie U.S.Navy w San Diego.

Sea Shadow wypływający z portu.

Kevlar (PPTA, poli(tereftalano-1,4-fenylodiamid) lub poli(p-fenylotereftalanoamid), -[-CO-C₆H₄-CO-NH-C₆H₄-NH₂-]_n- ) to polimer z grupy poliamidów, a dokładniej aramidów, z którego przędzie się włókna o bardzo wysokiej odporności mechanicznej na rozciąganie. Kevlar® jest nazwą handlową firmy DuPont. Inne zarejestrowane nazwy handlowe to Twaron® firmy Teijin.

Kevlar został wynaleziony w laboratoriach DuPont w 1965 r. przez zespół badaczy pod kierunkiem Stephanie Kwolek.

Schemat syntezy

Kevlar otrzymuje się w wyniku reakcji polikondensacji chlorków kwasów dikarboksylowych z aminami aromatycznymi. Reakcja syntezy przebiega w następujący sposób:

n H₂N-C₆H₄-NH₂ + n ClOC-C₆H₄-COCl → HO-(-CO-C₆H₄-CO-NH-C₆H₄-NH₂-)_n-H + 2n HCl

Właściwości

Struktura kevlaru

Kevlar topi się w temperaturze powyżej 400 °C. Nie rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych, ale rozpuszcza się w stężonym kwasie siarkowym. Kevlar jest lekki, ciężar właściwy wynosi 1.44 g/cm³.

Kevlar zawdzięcza swoją wytrzymałość głównie sposobowi przędzenia włókien. Włókna te wyciąga się ze stopionego kevlaru, który generuje w stopie fazę ciekłokrystaliczną. Dzięki temu, wyciągane włókno wykazuje bardzo wysoki stopień organizacji cząsteczek, nieosiągalny w przypadku przędzenia włókien ze zwykłego poliamidu. Uporządkowanie ciekłokrystaliczne jest "zamrażane" w stanie stałym dzięki występowaniu licznych wiązań wodorowych, które powstają w trakcie krzepnięcia włókien spontanicznie pomiędzy polarnymi grupami amidowymi (-CO-NH-).

Zastosowania

Kevlar to materiał, z którego produkowane są włókna stosowane m.in. w kamizelkach kuloodpornych, kaskach i hełmach ochronnych, trampolinach, wnętrznych powłokach nart, rakiet tenisowych i kajaków. Kevlar jest wykorzystywany również w celu zapewnienia odporności na złamanie i rozciąganie w kablach światłowodowych. W turystyce znalazł zastosowanie przy ochronie szczególnie narażonych na uszkodzenia mechaniczne elementów obuwia i odzieży. W motoryzacji używany jest do wzmocnienia obręczy i innych elementów rowerów i motocykli. Charakteryzuje się ogromną wytrzymałością. Przy tej samej masie jest 5-krotnie bardziej wytrzymały na rozciąganie niż stal z tego powodu wykonuje się z niego żagle jachtów regatowych. Jest także niepalny, odporny na zużycie i nie przewodzi prądu elektrycznego. Rozkłada się jednak stopniowo pod wpływem atmosfery i światła słonecznego.

Jak to dziala?

Technologia stealth (niskiej wykrywalno�ci) polega na silnym odchyleniu odbitej wi�zki radarowej. Jest mo�liwe aby przy pomocy szybkich komputer�w obliczyc k�ty odbijania sygna��w radarowych trafiaj�cych w samolot z r�nych kierunk�w. Wykorzystuj�c takie urz�dzenia samolot lub rakieta mog� byc wykryte z wi�kszo�ci namiar�w, ale nie ze wszystkich. Radar obserwuj�cy cel o niskiej wykrywalno�ci widzi go w postaci b�ysk�w, ale to za ma�o aby prowadzi� obserwacje ciag�e. Jednak kilka po��czonych radar�w mo�e stworzy� jeden obraz, kt�rego sporadyczno�� wyst�powania pozwoli na �ledzenie. Radar o odpowiedniej d�ugo�ci fal widzi obiekt, ale nie widzi jego szczeg��w. Radary wczesnego ostrzegania pracuj� na metrycznych d�ugo�ciach fal, ale u�ytkownicy przeliczaj� je na kr�tsze fale (centymetrowe) dla utworzenia w�skiej wi�zki pozwalaj�cej na precyzyjniejsze �ledzenie. Radary posiadaj� nie tylko podstawowe w�skie wi�zki, ale tak�e dysponuj� mniejszymi listkami bocznymi promieniowania anteny. S� one trudne do zak��cania z powodu ma�ej ilo�ci energii. W warunkach morskich radar o d�u�szych falach promieniowania, nie nadaje si� do u�ytku na ma�ych wysoko�ciach poniewa� wystepuj� zak��cenia od odbi� od powierzchni morza. Dlatego wi�kszo�� radar�w morskich pracuje na falach centymetrowych.

Sposoby wykrycia

• Jedn� z mo�liwych technik wykrycia niewidzialnych jest zastosowanie radaru na d�ugie fale. Sygna�y takiego radaru musz� jednak dolecie� do jonosfery, odbic si� od niej, a nast�pnie wr�ci� na powierzchnie ziemi, co wymaga minimalnego zasi�gu oko�o 900 km.

• Inne proponowane rozwi�zanie to wykorzystanie tzw. radar�w bistatycznych. S� to instalacje, w kt�rych nadajnik i odbiornik sa od siebie do�� odleg�e,dzi�ki czemu odbiornik ma szans� przechwyci� fale rozproszone w ro�nych kierunkach, a tak w�a�nie zachowuj� si� fale trafiaj�ce w samoloty zbudowane w technologii stealth. Takie rozwi�zanie, mimo �e dosy� obiecuj�ce, jest bardzo kosztowne.

• Jeszcze inny pomys� to zastosowanie radaru zwanego impulsowym. Wysy�a on bardzo kr�tkie i bardzo silne impulsy energii w bardzo szerokim pa�mie cz�stotliwo�ci. Obecnie istnieje tylko kilka wyspecjalizowanych urz�dze� tego typu o ma�ej mocy, a poziom rozwoju tej techniki jest jeszcze bardzo daleki od mo�liwo�ci praktycznego wykorzystania.

• Samoloty stealth nie s� ca�kowicie nieme- wszystkie urz�dznia elektroniczne emituj� fale elektromagnetyczne, r�wnie� obwody scalone komputer�w pok�adowych. Nale�y tylko znale�� odpowiedni spos�b nas�uchu oraz interpretacji "mowy" ich elektroniki.

Technologia stealth

Kwiecień 2002   

Technologia niskiej obserwowalności znana także jako stealth jest rozwijana od ponad 20-tu lat. Kiedy po raz pierwszy świat usłyszał w latach 80-tych słowo stealth, to kojarzył je tylko z samolotem, który miał nietypowy kanciasty kształt. Jednakże słowo to znaczyło wówczas już o wiele więcej niż samolot Lockheed F-117A Shadowhawk. (...)Nazwy stealth czy też obniżona obserwowalność dotyczą bardziej możliwości zmniejszenia wykrycia samolotu czy też okrętu i trzeba być świadomym, że nie da się zmniejszyć do zera możliwości ich wykrycia.


Wykrywanie radiolokacyjne

Wykrywanie radiolokacyjne stanowi dziś jeden z podstawowych środków wykrywania i rozpoznawania obiektów. W związku z tym poświęcono najwięcej uwagi na znaczące zmniejszenie zasięgu wykrywania obiektu przez stacje radarowe stosując kilka różnych metod zmniejszających wartość skutecznej powierzchni odbicia. Skuteczna powierzchnia odbicia jest wartością powierzchni obiektu (czyli samolotu lub okrętu) jaka jest widziana przez fale elektromagnetyczne stacji radiolokacyjnej. Dla tego samego samolotu wielkość skutecznej powierzchni odbicia może być różna dla fal elektromagnetycznych o innych częstotliwościach oraz zależy też od kąta pod jakim padają fale elektromagnetyczne na powierzchnię obiektu.

Aby zmniejszyć wielkość skutecznej powierzchni odbicia używa się w samolotach i okrętach innych materiałów pozwalających na pochłanianie energii fali elektromagnetycznej oraz dopasowuje się kształt obiektu tak aby fale elektromagnetyczne radaru nie odbijały się w stronę stacji radiolokacyjnej wysyłającej te właśnie sygnały. Zasięg przeciętnej stacji radiolokacyjnej jest proporcjonalny do pierwiastka czwartego stopnia ze skutecznej powierzchni odbicia wykrywanego obiektu.
Czyli aby podwoić zasięg wykrycia obiektu, należy 16-krotnie zwiększyć wartość mocy wypromieniowanej fali elektromagnetycznej. Ze względu na specyfikę propagacji (rozchodzenia się) fal elektromagnetycznych, znaczne zmniejszenie odległości wykrywania przez stację radiolokacyjną otrzymuje się przy zmniejszeniu skutecznej powierzchni odbicia do wartości poniżej 1 [m2]. Wiadomo, że obecnie używane klasyczne samoloty myśliwskie mają SPO o wartości rzędu 3 do 5 m2, natomiast obecnie rozwijane i używane samoloty o zmniejszonej wykrywalności charakteryzuje wartość tego współczynnika poniżej 0,1 m2. W tabeli 1. przedstawiony jest procentowy spadek zasięgu radaru podczas pracy w stosunku do zasięgu przy SPO równym 1 m2, przy różnych trybach pracy dla wyszczególnionych wartości skutecznej powierzchni odbicia.

Konstruktorzy samolotów i okrętów w technologii stealth mają jedynie wpływ na kształt obiektu oraz na materiały jakie mogą zastosować do jego budowy. Natomiast położenie obiektu względem radaru zależy już tylko od osób kierujących samolotem czy też okrętem znających położenie stanowisk radarów.

Jak już wcześnie wspomniałem wartość skutecznej powierzchni odbicia ma zasadnicze znaczenie przy zmniejszaniu zasięg wykrycia obiektów. Na zmniejszenie tej wartości ww. samolocie mają wpływ takie elementy jak:
- obrys bryły obiektu,
- ostre krawędzie i ich ilość,
- mierzalne bryły obrotowe (lub ich wycinki),
- wystające elementy np.: belki podskrzydłowe,
- pionowe i płaskie powierzchnie,
- łopatki turbin silników i wloty powietrza do komór silnikowych,
- elementy kokpitu i owiewka,
- nieciągłości poszycia obiektu.

Obrys bryły jest najbardziej kłopotliwy do zaprojektowania w obiekcie stealth. Z reguły unika się stosowania długich i prostych krawędzi co jest dość trudne do pogodzenia z prawami aerodynamiki.
W konstrukcjach stealth najczęściej unika się tego kłopotu stosując łamany obrys bryły (F-117, F-22). Dzięki temu uzyskuje się od kilku do kilkunastu kątów pod jakimi muszą padać fale elektromagnetyczne, aby zostać odbite pod kątem prostym od ww. krawędzi skrzydeł (co jest warunkiem odbicia wiązki w kierunku anteny odbiornika). Ponadto padająca fala elektromagnetyczna jest wytłumiana, poprzez wielokrotne odbicie od krawędzi.

Dąży się do zminimalizowania ilości załamań, w celu zmniejszenia liczby możliwych kątów wykrycia obiektu. W rzeczywistości jednak ilość odcinków krzywej łamanej obrysu obiektu jest efektem kompromisu pomiędzy prawami aerodynamiki a wartością SPO.

Innym sposobem na rozproszenie podającej fali elektromagnetycznej jest zastosowanie, ze względu na prawa aerodynamiki, w obrysie bryły obiektu, odcinków krzywych o zmiennym promieniu (B-2, F-22). Jednakże jest to bardzo drogie rozwiązanie i stosuje się je rzadziej niż prezentowane wcześniej. Ponadto minimalizuje się w tych przypadkach ilość wklęsłych połączeń (naroży), bowiem w znaczącym stopniu wpływają na wartość SPO.

Jednakże niektóre elementy stosowane w konstrukcjach stealth muszą być wycinkami brył obrotowych lub muszą być długie i proste, bądź też posiadają wszystkie wcześniej wymienione cechy. Typowym przykładem takiego elementu są krawędzie natarcia skrzydeł. Mają one duży wpływ na wartość SPO każdego samolotu. Aby zredukować ich udział pokrywa się powierzchnię samolotu odpowiednimi materiałami pochłaniającymi (wewnętrzna struktura konstrukcyjna składa się z zestawu wyprofilowanych sekcji spełniających rolę pochłaniaczy pozwalających istotnie zmniejszyć wartość SPO samolotu). Ostre krawędzie stanowią zwykle krawędzie spływu skrzydeł i powierzchni sterów. W klasycznych konstrukcjach są one zwykle długie i proste co przyczynia się do podwyższenia SPO samolotu. Minimalizuje się ich wpływ na SPO poprzez zastosowanie krzywej łamanej co jest uwzględnione w projektowaniu obrysu bryły.
Ostre krawędzie mogą także stanowić elementy drzwi do luków obsługi lub komór przenoszących uzbrojenie, a także wszelkiego typu pokrywy czujników czy wreszcie krawędzie owiewki kabiny pilota. Tego typu problemy usuwa się kilkoma sposobami. Pierwszy z nich polega na takim umieszczeniu krawędzi drzwi, aby były one równoległe do długich skośnych krawędzi (B-2). Powoduje to "pokrycie" sygnału odbitego od krawędzi drzwi sygnałem odbitym od dłuższej krawędzi, gdyż w tym przypadku sygnały te nie sumują się. Druga metoda polega na zastosowaniu "poszarpanych" (ząbkowanych) krawędzi (F-117, F-22). Powoduje to dokładnie taki sam efekt wytłumienia padającej fali elektromagnetycznej jak w przypadku krawędzi spływu skrzydeł. Trzeci sposób polega na wykorzystaniu ww. metod i umieszczeniu luków obsługi w naturalnych z punktu widzenia technicznego miejscach takich jak np.: komory podwozia (F-117, B-2, F-22).


Wszystkie wystające w klasycznych konstrukcjach elementy, takie jak podwieszenia zewnętrzne i przenoszone na nich zasobniki bądź amunicja, także są przyczyną zwiększenia SPO. W związku z tym wszystkie wcześniej przenoszone na podwieszeniach zewnętrznych ładunki umieszcza się wewnątrz bryły obiektu, a dopiero w momencie ich użycia otwiera się drzwi komór.

Duże pionowe i płaskie powierzchnie stosowane zazwyczaj w statecznikach pionowych stanowią poważny problem dla specjalistów konstruujących obiekty stealth. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem w tego typu obiektach mających stery pionowe jest tzw. usterzenie Rudlickiego (bardziej znane jako motylkowe), które zostało wymyślone i zastosowane w polskich konstrukcjach lotniczych jeszcze przed II WŚ. Drugim wyjściem z takiej sytuacji jest opracowanie konstrukcji "latającego skrzydła", która nie posiada długiego kadłuba i klasycznej konstrukcji ogona (B-2). Jednakże ten typ konstrukcji jest bardzo drogim rozwiązaniem (problemy stabilności lotu), co nie czyni go popularnym wśród projektantów. Łopatki turbin silników odrzutowych także są przyczyną dużej wartości SPO. Aby zmniejszyć ich wpływ na wielkość amplitudy odbitego sygnału stosuje się następujące przedsięwzięcia konstrukcyjne:
- umieszczanie silników w obrysie bryły płatowca,
- stosowanie krat pokrytych materiałem pochłaniającym promieniowanie elektromagnetyczne,
- opracowywanie krętych wlotów powietrza do komór silników,
- nachylanie krawędzi wlotów powietrza pod ostrymi kątami w stosunku do osi podłużnej samolotu.


Wnętrze kokpitu samolotu także stanowi poważne źródło sygnałów odbitych od samolotu. Zapobiega się temu poprzez napylenie na powierzchnię owiewki cienkiej warstwy metalu, co powoduje odbicia od powierzchni osłony kabiny pilota. W F-117 szyby owiewki są pokryte złotem, natomiast w F-22 zastosowano do tego celu tlenki cyny i indu. Z tego względu owiewka kabiny jest zazwyczaj wpisana w obrys bryły obiektu (F-117, B-2), lub ma kształt złożony z odcinków krzywych o zmiennym promieniu (B-2, F-22).

Nieciągłości poszycia obiektu są bardzo poważnym i zarazem kosztownym problemem dla zespołów konstrukcyjnych. Najdroższymi elementami rozwiązań tego problemu są zazwyczaj materiały, technologie i obrabiarki. W zależności od materiału stosuje się łączenie warstw za pomocą autoklawu w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia (B-2), w innych przypadkach spoiwem jest agresywny łącznik (F-22), który nie pozostawia rozwarstwień łączonych materiałów. Obrabiarki są urządzeniami sterowanymi numerycznie i z reguły muszą być obsługiwane przez doświadczonych fachowców, co znacząco wpływa także na koszta obsługi warsztatowej takiej konstrukcji.


Drugim ważnym elementem konstrukcji stealth są materiały zastosowane do budowy. Ich własności elektryczne mają niebagatelne znaczenie w zmniejszeniu wartości SPO. Najczęściej określa się angielskojęzycznym terminem RAM (Radar Absorbent Material), który w języku polskim jest rozumiany jako materiał absorbujący (pochłaniający) promieniowanie elektromagnetyczne. Materiałami tymi pokrywa się całość powierzchni zewnętrznej obiektu, a także stosuje się je w wytrzymałościowych elementach konstrukcji i poszyciu.

Każdy materiał RAM może pochłaniać fal elektromagnetyczne tylko z określonego pasma częstotliwości. Charakteryzuje się także określonym współczynnikiem odbicia określającym stosunek mocy sygnału odbitego do mocy sygnału padającego. Dodatkowo współczynnik odbicia materiałów RAM jest także zależny od kąta pod jakim pada na niego fala elektromagnetyczna.


Materiały te są bardzo drogie w produkcji i niestety mają słabą wytrzymałość mechaniczną. Nie używa się ich do wytwarzania elementów, które podlegają działaniu dużych sił i przeciążeń. Dodatkową wadą materiałów RAM jest także duża gęstość, co powoduje że są one bardzo ciężkie.

W związku z powyższymi własnościami tych materiałów stosuje się je przede wszystkim do pokrywania zewnętrznych i wewnętrznych powierzchni samolotów, które mogły by podlegać opromieniowaniu przez stacje radiolokacyjne. Typowym materiałem tego typu jest farba Iron ball, stosowana już w samolocie SR-71 Blackbird.

Pochłonięta przez materiał RAM energia elektromagnetyczna jest zazwyczaj przekształcana na energię cieplną, której nie można już wykryć poprzez stacje radiolokacyjne.


Aby materiały RAM miały szerokie pasmo pochłaniania fal elekromagnetycznych, stosuje się je zazwyczaj w postaci struktur wielowarstwowych. Za górną częstotliwość zakresu absorpcji odpowiada grubość przekroju najcieńszej warstwy. Natomiast dolną częstotliwość pochłaniania widma fal elektromagnetycznych określa suma grubości wszystkich warstw powłoki.

Materiał tego typu tłumi fale elektromagnetyczne poprzez częściowe odbicie od powierzchni zewnętrznej, oraz poprzez odbicie od warstwy wewnętrznej (odległość między warstwami wynosi 1/4 długości fali). Powstają wówczas fale o przeciwstawnych fazach, co powoduje ich wytłumienie. Zakres absorpcji szerokopasmowych materiałów RAM mieści się w zakresie od 0,5 do 40 [GHz].

Z punktu widzenia techniki mikrofalowej struktura wielowarstwowa złożona z materiału RAM, odpowiada wielostopniowemu transformatorowi ćwierćfalowemu. Pozwala to na lepsze dopasowanie elektryczne warstwy pokrywającej samolot do otaczającego go powietrza.


Opracowano także materiałów tłumiących RAM w strukturach nośnych konstrukcji.

Materiały te posiadają dużą wytrzymałość mechaniczną i mogą pracować w szerokim zakresie temperatur. Oprócz tego powinny one odporne na korozyjne działanie wody, oraz paliw i smarów.

Typowymi materiałami tego typu są kompozyty z włóknem grafitowym oraz tworzywa ABS.

Ponadto znane są przypadki użycia materiałów kompozytowych znanych jako Kevlar i Nomex produkowanych przez firmę DuPont. Charakteryzują się one dużą wytrzymałością mechaniczną, małą gęstością, oraz odpornością na działanie czynników chemicznych i termicznych.

Kompozyty zwykle są stosowane z włóknami grafitowymi i szklanymi, które spełniają rolę elementów usztywniających sam kompozyt. Włókna węglowe zazwyczaj są stosowane w miejscach gdzie wymagana jest duża sztywność elementu (np. krawędź natarcia). Natomiast kompozyty wzmocnione włóknami szklanymi używane są przeważnie w tych elementach, gdzie wymagana jest duża elastyczność na oddziaływujące naprężenia mechaniczne (np. osłona anteny radaru pokładowego). Ponadto kompozyty z włóknami szklanymi mają odpowiednie własności dielektryczne, pozwalające na emisję przez własne elementy nadawcze osłonięte tymi materiałami. Wszystkie kompozytowe elementy poszycia mają integralne ekrany miedziane, chroniące urządzenia wewnętrzne przed skutkami uderzenia pioruna.

Jeszcze innym elementem są struktury materiałowe znane jako RAS (Radar Absorbent Structure), których głównym zadaniem jest rozproszenie promieniowania elektromagnetycznego wewnątrz konstrukcji samolotu. Struktury takie w odróżnieniu do materiałów RAM są używane w elementach wytrzymałościowych oraz rozpraszają fale elektromagnetyczne o małej częstotliwości, które nie zostały zaabsorbowane przez materiały RAM.

Typową strukturą RAS jest "honeycomb" (tzw. plaster miodu). Zaletą tej struktury jest jej niski współczynnik odbicia od powierzchni zewnętrznych.

Struktura ta może składać się z zewnętrznej powłoki z Kevlaru 149-kompozytów epoksydowych, oraz rdzenia z Nomexu. Możliwe jest także używanie innych materiałów mających własności dostosowane do konkretnych wymagań wytrzymałościowych i rozpraszających.

Struktury RAS stosuje się zazwyczaj w krawędziach natarcia skrzydeł, które są największymi elementami każdego samolotu. Krawędzie te są zazwyczaj podstawowym elementem wykrywanym przez radary wczesnego ostrzegania, pracujące zazwyczaj na mniejszych częstotliwościach niż większość innych stacji radarowych.


Jednakże, aby RAM i RAS spełniały swoje role i były efektywnie wykorzystane, należy je odpowiednio umiejscowić w bryle płatowca. Tego typu problem jest rozwiązywany indywidualnie dla każdej nowo opracowywanej konstrukcji i jest on zdeterminowany przez sylwetkę samolotu oraz położenie źródła promieniowania elektromagnetycznego. Istotę współpracy materiałów RAM i RAS przedstawia poniższy opis.

Wysokoczęstotliwościowy absorber ferromagnetyczny (materiał RAM) pokrywa rezystywne poszycie samolotu odbijające fale elektromagnetyczne o dużej częstotliwości. Natomiast wszystkie sygnały o niskiej częstotliwości są przez niego przepuszczane. Poniżej tej warstwy jest struktura plastra miodu (RAS) z włókien szklanych. Jej zadaniem jest rozproszenie sygnałów o niskiej częstotliwości.

Taki schemat użycia materiałów RAM i struktur RAS pozwala na lepsze ukrycie samolotu przed wieloma rodzajami stacji radiolokacyjnych, oraz dodatkowo optymalizuje ciężar materiałów pochłaniających stosownie do potrzeb i udźwigu samolotu.

Wykrywanie w podczerwieni

Następnym i także ważnym elementem pozwalającym wykryć i śledzić samolot jest jego promieniowanie cieplne w zakresie podczerwieni. Największy udział w emisji promieniowania cieplnego mają następujące komponenty:
- pracujący silnik,
- poszycie samolotu nagrzewające się pod wpływem tarcia,
- nagrzewające się podczas pracy urządzenia pokładowe.

Spośród wyżej wymienionych elementów pracujący silnik ma największy wpływ na emisję promieniowania cieplnego, a wydzielane przez niego gorące gazy wylotowe mają zasadnicze znaczenie w naprowadzaniu pocisków rakietowych kierowanych na podczerwień. W celu zmniejszenia emisji promieniowania cieplnego w podczerwieni wydzielanego przez silnik i gazy wylotowe, podejmuje się następujące działania:
- ekranowanie cieplne całego zespołu napędowego,
- stosowanie dysz wylotowych oraz komór silników pozwalających na szybsze zmieszanie się gorących spalin z chłodniejszym otoczeniem,
- użycie mikserów mieszających gorące gazy ze strumieniem chłodniejszego powietrza,
- dodawanie do gazów wylotowych substancji zmniejszających gęstość mocy promieniowania w podczerwieni.


Nagrzewanie się poszycia samolotu jest minimalizowane głównie poprzez stosowanie ekranów termicznych, oraz odpowiednio wykończonych powierzchni. Natomiast urządzenia pokładowe są zazwyczaj chłodzone przez dodatkowe układy chłodzenia. Projektowanie takich konstrukcji wymaga podejmowania wielu kompromisowych decyzji, gdzie zaczyna być ważne doświadczenie zespołu konstrukcyjnego. Nie jest to proste chociażby ze względu na sprzeczność wymagań stawianych przez prawa aerodynamiki i propagacji fal. Dodatkowo dochodzą do tego problemy materiałowe i technologiczne, wymagające dużych nakładów pieniężnych.

Podsumowując należy stwierdzić, że projektowanie samolotów w technologii niskiej obserwowalności nie jest łatwe i tanie. A i przedstawionych przeze mnie wniosków nie można uznać za kompletne, gdyż rywalizacja technologiczna powoduje ciągłą ewolucję prezentowanych zasad, a dostęp do nich jest zwykle ograniczony.

Technologia Stealth zmniejsza ślady akustyczne, elektromagnetyczne, radarowe i w podczerwieni. Samoloty typu Stealth nie tylko są trudne do wykrycia, ale również trudno je zauważyć gołym okiem.

Chociaż zastosowanie technologii Stealth w myśliwcach może zmniejszać ich zwrotność, to jednak mimo słabszej zwinności, Siły Lotnicze USA uważają, że dwa odrzutowce F-117A, to tyle, co 75 odrzutowców opartych na starej technologii.

---