DE4121584A1 - Verfahren und einrichtung zur radartarnung bei triebwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Tarnung und weitgehenden Eliminierung einer in den Einlauf eines Triebwerkes eintretenden Radar­ strahlung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß der Triebwerkseinlauf den Hauptbeitrag zum RQS (Radar­ querschnitt) eines Kampfflugzeuges liefert. Für Stealth-Anwendungen (geringe Entdeckungswahrscheinlichkeit) muß dessen Radarsichtbarkeit um mindestens 30 dB verringert werden, wenn der RQS dieser Komponente den des restlichen Flugzeugs nicht überschreiten soll.

In den Fig. 1 bis 5 sind die bisherigen Lösungen des Standes der Technik - wie er beispielsweise in der DE 34 26 990 der Anmelderin offen­ bart ist - skizziert, die alle auf der Sammlung der einfallenden Strahlung in einem Radarsumpf beruhen. Eine andere Lösung besteht darin, die einfal­ lende Strahlung mit einem Gitter an der Einlaufeintrittsebene zu reflek­ tieren (beispielsweise bei der F 117). Des weiteren ist die Möglichkeit gegeben, Profile oder Ringe in den Einlaufkanal einzubauen, und die einfallende Radarenergie an der Kanalwand und an der Oberfläche dieser Einbauten zu absorbieren. Der Nachteil dieser letztgenannten Lösung besteht darin, daß die Kanaleinbauten unterhalb der Cut-Off-Frequenz des engsten Querschnitts unwirksam werden.

Aus "Flügge: Handbuch für Physik, Band XVI: Elektrische Felder und Wellen" ist die Theorie elektromagnetischer Hohlleiter bekanntgeworden, wonach sich die elektromagnetische Energie in der Einlaufröhre in einer Grund­ schwingungsform und einer Vielzahl von Oberschwingungen fortpflanzt. Das heißt nun, trifft eine monochromatische Radarwelle auf die Eintrittsfläche des Einlaufs, dann regt sie alle Hohlraum-Schwingungsmoden gleicher Frequenz an, wobei diejenigen Oberschwingungen, deren Wellenstrukturen mit der räumlichen Struktur der einfallenden Welle vergleichbar sind, bevor­ zugt angeregt werden. Bei einer Radarwellenlänge von 3 cm liegen die bevorzugt angeregten Moden im Bereich sehr hoher Oberschwingungen.

Gemäß der Hohlleitertheorie wirkt sich eine Krümmung oder eine Verwindung des Hohlleiters weder auf die Verteilung der Feldstärken im Kanalquer­ schnitt noch auf die Wellenlänge der Hohlleiterwelle aus, solange der Krümmungsradius sehr viel größer ist als die Kanalbreite und außerdem Krümmungssprünge in Längsrichtung vermieden werden. Eine Ausnahme hiervon bilden gewisse Moden des kreisförmigen Hohlleiters, bei denen der H-Vektor rein radial gerichtet ist. Hier kann bereits eine geringe Kanalkrümmung zu einer Modenumwandlung führen.

Weiterhin lehrt diese Hohlleitertheorie, daß bei einer langsamen Änderung der Querschnittsfläche der Hohlleiter variablen Querschnitts durch einen Leiter konstanten Querschnitts ersetzt werden kann, dessen Hohlraum mit einem Dielektrikum variabler Dielektrizitätskonstanten gefüllt ist. Der Querschnittserweiterung im Originalkanal entspricht eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten (Verringerung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit) im Ersatzmodel. Rechnungen dieser Art zeigen, daß, wenn eine aus der Grundschwingungsform und den höheren Moden zusammengesetzte Radarwelle sich in einer konvergenten Röhre ausbreitet, zuerst die hohen Oberschwin­ gungen und mit abnehmender Querschnittsfläche die mittleren Moden im Kanal reflektiert werden, bis zuletzt nur noch die Grundschwingungsform übrig­ bleibt. Auch diese Ausbreitungsform wird reflektiert, wenn die Kanalbreite die Cut-Off-Breite λ/2 unterschreitet. Wegen des Fehlens einer quer zur Kanalachse angeordneten stromleitenden Reflexionsfläche findet dieser Reflexionsvorgang nicht schlagartig statt. Ähnlich wie in der Quantentheo­ rie, wo ein Teilchen eine gewisse Strecke in ein Gebiet negativer kineti­ scher Energie vorzudringen vermag, dringt die Radarwelle unter exponen­ tieller Abschwächung bis über den Cut-Off-Punkt hinaus vor. Dabei treten sehr hohe Wandstromdichten auf, da das Reflexionsfeld aus dem relativ großen Abstand der Kanalwand heraus aufgebaut werden muß. Entsprechend hoch sind auch die ohmschen Verluste bei dieser Reflexionsart.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens der eingangs genannten Art aufzuzeigen, das eine weitestgehende Einschließung einer Radarstrahlung im Einlaufkanal gewährleistet und eine Radartarnung er­ laubt, die zumindest den bisher erzielten Erfolgen entspricht, jedoch einen erheblich geringeren Schubverlust sicherstellt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen und die im Anspruch 4 aufgezeigte Realisierung dieser Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert.

Diese Erläuterungen werden durch die Figuren der Zeichnung ergänzt. Es zeigen:

Fig. 1 bis 5 Ausführungsskizzen der durch den in der DE 34 26 990 zum Stand der Technik bekanntgewordenen Ausführungsformen einer Radartarnung,

Fig. 6 ein Diagramm bezüglich des zulässigen Modenbereichs einer einlaufenden und am Verdichter reflektierten Welle mit der Wellenlänge von 3 cm bei einem quadratischen Einlaufquer­ schnitt, der sich von 60 cm Breite auf 75 cm erhöht,

Fig. 7 ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels eines Einlaufkanals mit Radarkanal und Modenkonverter in schematischer Längs­ schnittsdarstellung,

Fig. 8 ein Schemabild eines Einlaufkanalabschnittes weiteren Aus­ führungsbeispiels gemäß Fig. 7,

Fig. 9 eine Ansicht von der Einlauf-Eintrittsebene in den Luftkanal gemäß Fig. 8.

Eingehende Untersuchungen und Überlegungen zur Beseitigung der Nachteile des Standes der Technik erbrachten die Erkenntnis, daß sich die Lehren der Hohlleitertheorie auch auf einen divergenten Pitoteinlauf übertragen lassen und sich nun zeigt, daß die einfallenden Radarwellen im wesentli­ chen diejenigen höheren Moden in der Einlaufröhre anregen, die ihrer eigenen räumlichen Struktur am nächsten kommen. Diese feinstrukturierten Modenwellen laufen hier auf den Verdichter zu, wobei sie sich immer mehr verbreitern und in ihrer Länge sich immer mehr verkürzen, die Zahl der Wellenberge, die den Kanalquerschnitt ausfüllen, jedoch konstant bleibt.

Beim Auftreffen auf den Verdichter werden die Wellen aufgrund des dort größeren Kanaldurchmessers und der zerklüfteten Natur des Reflektors in einer höheren Modenform reflektiert. Diese Wellenmoden höherer Ordnung sind aber nicht in der Lage, bis zur Einlaufeintrittsebene zurückzukehren, da sie vorher ihren Cut-Off-Querschnitt erreichen. Sie werden unter Abschwächung zum Verdichter zurückreflektiert.

Das Diagramm der Fig. 3 für eine Wellenlänge von 3 cm verdeutlicht den zulässigen Modenbereich der einlaufenden und der am Verdichter reflektier­ ten Welle für den Fall einer quadratischen Einlaufröhre, deren Breite sich von 60 cm auf 75 cm erhöht. Die Wellenlänge der Hohlleiterwelle λ_HL variiert zwischen der Freiraumwellenlänge λ, die für die Moden niedri­ ger Ordnung gilt, bis hin zu dem Wert λ_HL = ∞ an der Cut-OFF-Grenze. Das Band zwischen den beiden Cut-OFF-Kurven gibt den Bereich der Moden an, die in der divergenten Einlaufröhre eingeschlossen sind. Die Breite dieses Bandes nimmt proportional zur Kanalbreitenerweiterung zu.

Bei der Reflexion am Verdichter entstehen natürlich auch Moden niedriger Ordnung, die den Einlauf ungehindert verlassen könnten. Es ist also notwendig den relativen Energieanteil dieser zurückstrahlenden Wellen so gering wie irgend möglich zu halten. Hierzu wird nun vorgeschlagen, daß dem Verdichter ein Reflexionsgitter vorgeschaltet wird, welches so struk­ turiert ist, daß bei der Reflexion vorzugsweise die eingeschlossenen Moden höherer Ordnung angeregt werden. Um dies zu gewährleisten wird nun der Kanalquerschnitt mit einem Netz von Subreflektoren überzogen, deren geometrische Lage in etwa mit den Schwingungsmaxima der anzuregenden Mode übereinstimmt, und deren Reflexionsfläche proportional zu den Amplituden A_r/A_e des einfallenden (A_e) und des anzuregenden Reflexionsfeldes (A_r) am Ort des Subreflektors gewählt wird. An den Netzpunkten, wo die beiden Felder gegenphasig sind, wird kein Subreflektor angeordnet. Dieses beschriebene Reflexionsgitter wird nachfolgend als Modenkonverter be­ zeichnet.

Die in Fig. 6 dargestellten Cut-OFF-Linien für die Eintritts- und die Verdichterebene verschieben sich proportional zur Radarfrequenz in Rich­ tung höherer Modenzahl. Wählt man nun als anzuregende Schwingungsform ein Mode, die knapp innerhalb der äußeren Cut-Off-Linie liegt, dann bleibt bei einer Erhöhung der Frequenz die am Modenkonverter 11 reflektierte Strah­ lung solange eingeschlossen, bis die innere Cut-Off-Linie diesen Moden­ punkt erreicht hat. Der Frequenzbereich, in dem die Strahlung eingeschlos­ sen bleibt - f_max/f_min - deckt sich ungefähr mit dem Verhältnis der maximalen zur minimalen Kanalbreite.

Bei Frequenzen, die unterhalb des nominellen Wirksamkeitsbereichs der Anlage liegen, liefert der Modenkonverter eine primäre Schwingungsform, die im Einlaufkanal nicht ausbreitungsfähig ist. Die gegebene Konverter­ geometrie wird in diesem Fall aber auch Moden niedriger Ordnung liefern, die zum Teil im Einlaufkanal eingeschlossen werden. Eine gewisse Tarnwir­ kung ist daher auch unterhalb des Auslegungs-Frequenzbereichs gegeben. Auch oberhalb des Nutzbandes, wo die primäre Reflexionsmode des Konverters 11 die Einlaufröhre 10 ungehindert nach vorne verlassen kann, ist mit einer - wenn auch geringeren - Tarnwirkung zu rechnen, da der Konverter neben der primären Reflexionsschwingung auch Moden höherer Ordnung erzeu­ gen wird.

Die Wirksamkeit und Breitbandigkeit der hier vorgeschlagenen - und nach­ stehend noch detaillierter beschriebenen - Tarnmaßnahmen ist umso größer, je größer das Verhältnis von maximaler zu minimaler Kanal-Querschnitts­ fläche gestaltet wird. Eine Möglichkeit der Vergrößerung des maximalen Querschnitts ist in der Fig. 7 skizziert, wobei hier keine entsprechende Verlängerung der Einlaufröhre in Kauf genommen werden muß. Diese Ver­ größerung wird dadurch herbeigeführt, daß die Radarstrahlung und die Luftströmung ab einer bestimmten X-Station in getrennten Kanälen 10 und 13 geführt werden.

Hierzu wird die Radarstrahlung durch ein radartransparentes Fenster 14 aus der divergierenden Einlaufröhre 10 heraus in einen stark divergierenden Radarkanal 13 geleitet, der mit dem bereits erwähnten Modenkonverter 11 und einem dahinterliegenden Radarsumpf 15 abschließt. Die Luftkräfte werden im wesentlichen durch die Radarkanalwand getragen, so daß das Radarfenster 14 relativ dünn ausgeführt werden kann, insbesondere wenn es zusätzlich noch mit einem Hartschaum abgestützt wird, der zweckmäßiger­ weise mit sogenannten radarabsorbierenden Verluststoffen durchsetzt ist.

Die vorgeschlagene Lösung mit dem separaten Radarkanal 13 hat den Vorteil, daß auf einen Teil des Modenkonverters 11 in Achsnähe des Einlaufkanals 10 verzichtet werden kann, ohne daß sich dessen Wirksamkeit dadurch ver­ schlechtert. Die in der Fig. 7 skizzierte Ausführungsform entspricht einem nominellen Nutzfrequenzbereich von f_max/f_min = 1,6.

In den Fig. 8 und 9 ist ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Modenkonverters 11 skizziert, das nachstehend beschrieben wird. Kurz vor dem Triebwerk wird in die kreisförmige Einlaufröhre 10 eine regelmäßige Anordnung von langen und kurzen zugespitzten Profilen 11 ₂ eingebaut, die sich außerhalb der Einlaufröhre 10 im Radarkanal 13 bis zu dessen äußerem Rand fortsetzen. Die Vorderkanten dieser Profile liegen auf einer Kugel­ fläche, die senkrecht auf der rotationssymmetrischen Wand des Radarkanals und senkrecht auf der Achse 10a der Einlaufröhre 10 steht. Diese Profile 11 ₂ bestehen aus dielektrischem Material.

An der Vorderkante der Profile 11 ₂ sind metallische Drähte 17 unter­ schiedlicher Länge angeordnet. Senkrecht dazu sind dünne, aerodynamisch profilierte, metallische Stäbe 18 unterschiedlicher Länge in die Vorder­ kante der Profile 11 ₂ eingelassen. Die jeweilige radiale Lage und die jeweilige Größe dieser kreuzförmigen Reflektoren sind so gewählt, daß bei der Reflexion der in den Einlauf einfallenden Radarwelle eine bestimmte Ausbreitungsmode des Radarkanals vorzugsweise angeregt wird, die über einen breiten Frequenz- und Aspektwinkelbereich hinweg im Radarkanal 13 eingeschlossen bleibt.

Der Radarkanal 13 ist mit einem Hartschaum 13 ₂ gefüllt, der mit radarab­ sorbierenden Füllstoffen durchsetzt ist. Dieser Hartschaum stützt das sehr dünne radartransparente Fenster 14 ab, das vom Luftstrom LS bespült wird. Der zwischen den einzelnen Profilen 11 ₂ im Radarkanal 13 angebrachten Pyramidenabsorber 17a sorgt dafür, daß die Radarstrahlung, die hinter den Modenkonverter 11 gelangt, vollständig absorbiert wird.

Die radiale Ausdehnung der Profile 11 ₂ wird so gewählt, daß einerseits bei der Reflexion der einfallenden Radarwelle am Modenkonverter 11 mög­ lichst wenige nichteingeschlossene Moden erzeugt werden und andererseits der Gesamtdruckverlust am Triebwerk weitestgehend minimiert wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur Tarnung und weitgehenden Eliminierung einer in den Einlauf eines Triebwerkes eintretenden Radarstrahlung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mittels einer divergenten Einlaufröhre (10) und einem ihr zugeordneten, vor dem Triebwerk angeordneten Modenkonverter (11) die in den Einlauf eintretende Radarstrahlung im Einlaufkanal (10, 13) einge­ schlossen und durch Absorptionsmaßnahmen eliminiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Minimierung der rückstrahlenden Wellen dem Verdichter des Triebwerkes ein Reflexionsgitter (11) vorgeschaltet ist, welches bei der Reflexion die eingeschlossenen Moden höherer Ordnung anregt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des maximalen Kanalquerschnittes ohne entsprechende Verlängerung der Einlaufröhre die Radarstrahlung und die Luftströmung ab einer bestimmten Einlauflänge in getrennten Kanälen (10, 13) geführt werden.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdichter im Triebwerkseinlauf (10) ein Reflexionsgitter in Form eines Modenkonverters (11) vorgeschal­ tet ist, das aus einem Netz den Kanalquerschnitt überziehender Subre­ flektoren besteht, deren geometrische Lage im wesentlichen mit den Schwingungsmaxima der anzuregenden Mode übereinstimmt, wobei deren Reflexionsfläche proportional zum Kehrwert des Verhältnisses der Ampli­ tuden des einfallenden (A_e) und des anzuregenden Reflexionsfeldes (A_r) am Ort des Subreflektors ist und an den Punkten des Netzes, wo die beiden Felder gegenphasig sind, die Anordnung eines Subreflektors unterbleibt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der stark divergenten, elektrisch leitenden Wandungen EF des Radarkanals (13) die Radarstrahlung aus der Einlaufröhre (10) durch das radartransparente Fenster (14) in den stark divergierenden Radarkanal (13) geleitet wird, welcher durch den Modenkonverter (11) mit an­ schließendem Radarsumpf (15) abgeschlossen ist.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das dünne Radarfenster (14) mit einem Hartschaum, in den radarabsorbierende Stoffe eingelagert sind, abgestützt wird.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Modenkonverter (11) sich aus regelmäßig angeordneten langen und kurzen, sich verjüngenden Profilen (11 ₂) aus dielektrischem Material zusammensetzt, an deren Vorderkante metallische Drähte (17) unterschiedlicher Länge und senkrecht dazu dünne, aerodynamisch profi­ lierte, metallische Stäbe (18) unterschiedlicher Länge eingelassen sind.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen den einzelnen Profilen (11 ₂) im Radarkanal (13) Pyramidenabsorber (17a) angeordnet sind.