Ανάπτυξη μεθόδων αύξησης της ανιχνευσιμότητας χαμηλής ηλεκτρομαγνητικής ορατότητας ιπτάμενων οχημάτων

Abstract

The theory of scattering of electromagnetic wave over the last 75 years has had as its main objective the calculation of the Radar Cross Section (RCS) of flying vehicles and since the 1980s it has played an important role in the design of aircraft (stealth) that minimize RCS, determining the detection range of aircraft, which the effort is to reduce as much as possible. This reduction of RCS, stealth technology, is achieved by shaping the geometry of the aircraft surfaces, using special electromagnetic radiation absorbing materials and employing cold mechanical design to reduce thermal signature. The consequence of these efforts is that today there are stealth aircraft with RCS comparable to that of a very small bird, namely 0.05m2. Many techniques have been applied over time, with greater or lesser success, utilizing different regions of the electromagnetic spectrum, in order to nullify stealth technology and reveal the aircraft that use it. The Thesis deals with the development of methods that allow the detection of the aforementioned stealth aircraft using electromagnetic sensors. In this context, in the present work, focusing on the research of the development of specific electromagnetic methods, other methods are examined using jet fighter aircraft engine exhaust gases, as a countermeasure for the disclosure of stealth targets that have been designed to have very low active radar cross-section and infrared radiation. Not, however, by utilizing infrared radiation, as corresponding systems do, e.g. IRST. But, some different characteristics, as follows: a. Passively "capturing" an electromagnetic field because of the movement of electrons and electrically charged particles and ions emitted with the exhaust gases of aircraft turbine engines at low frequencies, 10Hz-10kHz. These phenomena are due to the linear movement of electrons-ions, as well as the rotational movement of electrons due to the presence of the Earth's magnetic field. The research on the subject was based on experimental measurements and an attempt to discover these signals using machine learning methods (artificial neural networks). b. Passively exploiting the capabilities and characteristics of microwave radiometry, across the entire spectrum, from UHF to THz, with another passive method. The analysis of the emission of chaotic radiation from aircraft exhaust gases that have a "diluted plasma" character has been carried out using an electromagnetic method and extensive numerical calculations have been made. At low frequencies (<100 GHz) the exhaust gases from a turbofan engine are modeled with a diluted plasma, while for THz frequencies the absorption mechanisms by CO2, CO and H2O gases are considered. Furthermore, in this section the chaotic (blackbody) emission from the aircraft body itself at THz frequencies (>100 GHz up to 3000 GHz) is studied, which shows the emission of strong signals from aircraft designed to have a very small RCS.c. Using an active Radar technique operating at frequencies of 100-300MHz, exploiting the backscatter from the “fuselage” of the exhaust gases of jet aircraft engines and exploiting the resonance phenomenon from said scatterer. It is noted that, in all cases, the effort is based on the exploitation of the “plasma” properties of the exhaust gases, the properties of which are derived from measurements conducted in other works. While method (a) is based on experimental measurements and an attempt to detect these signals using machine learning methods, for methods (b) and (c) theoretical electromagnetic scattering methods have been developed that demonstrate the possibility of detecting aircraft with a very small active scattering surface. In each method, research study reports and measurement results are presented, where deemed necessary and feasible. In the above context, the above methods are examined at a theoretical level, at a simulation and measurement level, where required, in order to draw useful conclusions for the determination of anti-stealth methods for detecting stealth aircraft.

Η θεωρία της σκέδασης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων τα τελευταία 75 χρόνια έχει ως κύριο αντικείμενο τον υπολογισμό της Ενεργού Επιφάνειας Ραντάρ (ΕΕΡ) ιπτάμενων οχημάτων και από την δεκαετία 1980 έχει παίξει σημαντικό ρόλο στη σχεδίαση αεροσκαφών (stealth) που ελαχιστοποιούν την ΕΕΡ, καθορίζοντας την εμβέλεια ανίχνευσης των αεροσκαφών, που η προσπάθεια είναι να μειωθεί όσο το δυνατό περισσότερο. Η μείωση αυτή της ΕΕΡ, γνωστή ως τεχνολογία stealth, επιτυγχάνεται με τη διαμόρφωση της γεωμετρίας των επιφανειών των αεροσκαφών, τη χρήση ειδικών απορροφητικών υλικών της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και την ψυχρή μηχανική σχεδίαση για τη μείωση της θερμικής υπογραφής. Συνέπεια των προσπαθειών αυτών είναι σήμερα να υπάρχουν αεροσκάφη stealth με ΕΕΡ συγκρίσιμη με αυτήν ενός πολύ μικρού πτηνού, ήτοι 0,05m2. Πολλές τεχνικές έχουν κατά καιρούς εφαρμοσθεί, με μεγαλύτερη ή μικρότερη επιτυχία, αξιοποιώντας διαφορετικές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, προκειμένου να ακυρώσουν την τεχνολογία stealth και να αποκαλύψουν τα ιπτάμενα μέσα που τη χρησιμοποιούν. Η Διατριβή ασχολείται με την ανάπτυξη μεθόδων που επιτρέπουν την ανίχνευση των αναφερόμενων stealth αεροσκαφών αξιοποιώντας ηλεκτρομαγνητικούς αισθητήρες. Στο πλαίσιο αυτό, στην παρούσα εργασία, επικεντρώνοντας στην έρευνα της ανάπτυξης συγκεκριμένων ηλεκτρομαγνητικών μεθόδων, εξετάζονται άλλες μέθοδοι αξιοποιώντας τα καυσαέρια των αεροκινητήρων jet μαχητικών αεροσκαφών, ως αντίμετρο για την αποκάλυψη stealth ιπτάμενων στόχων που έχουν σχεδιαστεί να έχουν πολύ μειωμένη ενεργή επιφάνεια Radar και υπέρυθρη ακτινοβολία. Όχι όμως, αξιοποιώντας την υπέρυθρη ακτινοβολία, όπως κάνουν αντίστοιχα συστήματα, πχ το IRST. Αλλά, ορισμένα διαφορετικά χαρακτηριστικά, ως ακολούθως: α. «Εκμαιεύοντας» παθητικά ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ως απόρροια της κίνησης των ηλεκτρονίων και των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων και ιόντων που εκπέμπονται με τα καυσαέρια των στροβιλοκινητήρων αεροσκαφών σε χαμηλές συχνότητες, 10Hz-10kHz. Τα φαινόμενα αυτά οφείλονται στην γραμμική κίνηση των ηλεκτρονίων-ιόντων, καθώς επίσης της περιστροφικής κίνησης των ηλεκτρονίων λόγω της παρουσίας του γήινου μαγνητικού πεδίου. Η έρευνα επί του θέματος βασίστηκε σε πειραματικές μετρήσεις και προσπάθεια ανακάλυψης των σημάτων αυτών με μεθόδους μηχανικής μάθησης (τεχνητά νευρωνικά δίκτυα). β. Αξιοποιώντας παθητικά τις δυνατότητες και τα χαρακτηριστικά της μικροκυματικής ραδιομετρίας, σε όλο το φάσμα, από UHF έως THz, με μία επίσης παθητική μέθοδο. Η ανάλυση της εκπομπής χαοτικής ακτινοβολίας από τα αέρια εξόδου αεροσκαφών που έχουν χαρακτήρα «αραιού πλάσματος» έγινε με ηλεκτρομαγνητική μέθοδο και έχουν γίνει εκτεταμένοι αριθμητικοί υπολογισμοί. Στις χαμηλές συχνότητες (<100 GHz) τα αέρια εξόδου από έναν στροβιλοκινητήρα μοντελοποιείται με αραιό πλάσμα, ενώ για τις συχνότητες THz λαμβάνονται υπόψη οι μηχανισμοί απορρόφησης από τα αέρια CO2, CO και υδρατμούς Η2Ο. Επιπλέον, στην ενότητα αυτή μελετάται η εκπομπή χαοτικής (μέλαν σώμα) από το ίδιο το σώμα του αεροσκάφους στις συχνότητες THz (>100 GHz μέχρι 3000 GHz) που δείχνει την εκπομπή ισχυρών σημάτων από αεροσκάφη που έχουν σχεδιαστεί να έχουν πολύ μικρή ενεργό επιφάνεια Radar.γ. Χρησιμοποιώντας ενεργή τεχνική Radar λειτουργούσα σε συχνότητες 100-300MHz, αξιοποιώντας την οπισθοσκέδαση από την «άτρακτο» των καυσαερίων των αεροκινητήρων jet αεροσκαφών και αξιοποιώντας το φαινόμενο συντονισμού από τον εν λόγω σκεδαστή. Σημειώνεται ότι, σε όλες τις περιπτώσεις η προσπάθεια στηρίζεται στην αξιοποίηση των ιδιοτήτων “πλάσματος” των αερίων εξόδου που οι ιδιότητές τους προκύπτουν από μετρήσεις άλλων εργασιών. Ενώ η μέθοδος (α) βασίζεται σε πειραματικές μετρήσεις και προσπάθεια ανακάλυψης των σημάτων αυτών με μεθόδους μηχανικής μάθησης, για τις μεθόδους (β) και (γ) έχουν αναπτυχθεί θεωρητικές μέθοδοι ηλεκτρομαγνητικής σκέδασης που αποδεικνύουν τη δυνατότητα αποκάλυψης αεροσκαφών με πολύ μικρή ενεργή επιφάνεια σκέδασης. Σε εκάστη μέθοδο παρουσιάζονται οι εκθέσεις ερευνητικών μελετών και αποτελέσματα μετρήσεων, όπου κρίθηκε απαραίτητο και εφικτό. Στο παραπάνω πλαίσιο, εξετάζονται σε θεωρητικό επίπεδο, σε επίπεδο προσομοίωσης και μετρήσεων, όπου απαιτείται, οι παραπάνω μέθοδοι, προκειμένου να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα για τον προσδιορισμό anti-stealth μεθόδων αποκάλυψης stealth πτητικών μέσων.