Данный материал был переведен уважаемым коллегой NF и немного доработан мной. Перевод был выполнен в мае 2016 года.
Предисловие
Читатели журнала «Luftfahrt International» постоянно просят редакцию рассказать о радиолокаторах времен Второй Мировой войны. Прежде чем мы в более поздних выпусках разместим отдельные материалы о тех или иных радиолокационных системах, мы хотели бы ознакомить читателей с докладом 1944 года, в котором описывались исследования аэродинамики антенн радиолокаторов. Мы считаем данный материал настолько интересным, что решили рассказать об этих исследованиях. Особый интерес, как нам представляется, читатели обратят на фотографии.
Для неспециалиста в области авиации распознавание у современных самолётов – истребителей, разведчиков и бомбардировщиков – оборудования для обнаружения целей и устройств слежения представляет собой очень сложную задачу. Внедрение в конструкцию самолетов радиолокаторов и других электронных и оптических измерительных приборов в качестве единого целого стало возможным лишь к окончанию Второй Мировой войны путем разработки соответствующих комплексных систем.
В Германии в течение длительного времени работали над радиолокационными устройствами с дециметровым диапазоном волн. В это же время союзники уже вели исследования в сантиметровом диапазоне длин волн.
Антенные системы большинства антенн немецких радиолокационных станций, применявшихся в годы Второй Мировой войны, были выполнены в виде т.н. «проволочных заграждений» – решеток, крепившихся в носовой части фюзеляжа самолёта или на консолях крыла. В данной статье мы расскажем о наиболее известных антенных системах, широко применявшихся в радарах ночных истребителей и самолетов-разведчиков.
А вот и сам отчет.
Аэродинамика радиолокационных антенн
Введение
Эффективность применения средств противовоздушной обороны во многом зависит от скорости обнаружения самолётов противника и от точного определения места их нахождения. Ночью и в условиях плохой погоды обнаружение и определение местонахождения самолётов противника осуществляется при помощи бортовых радиолокаторов, работающих на больших частотах и использовавших отраженный сигнал коротких волн. Излучение очень коротких высокочастотных импульсов и приём отраженных от самолётов и кораблей сигналов, а также применение прочих высокочастотых сигналов позволяет в заданных границах обнаруживать самолёты и корабли противника. В качестве антенн для излучения волн и приёма отраженных от целей сигналов применяются системы диполей, установленных на внешней стороне цельнометаллического самолета. Данное оборудование создает дополнительное аэродинамическое сопротивление, в результате чего снижаются скорость полёта и скороподъёмность. Вследствие этого предпринимаются серьёзные исследования, направленные на снижение возникающего аэродинамического сопротивления. Также выбираются места их крепления на самолете и их удобное расположение.
Для определения потерь скорости при установке антенн радиолокаторов отдел Имперского министерства авиации (Reichsluftfahrtministerium – RLM) GL/C-E 4 вместе с расположенным в Вернойхене (Werneuchen) испытательным центром (руководитель штабной инженер Беренс [Stabsing. Behrens]) в течении 1944 года провели исследования, в ходе которых производились замеры аэродинамического сопротивления производившихся в то время радиолокационных антенн. Исследования проводились в аэродинамической трубе института аэродинамики Немецкого научно-исследовательского авиационного института (Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt, E.V.), Берлин-Адлерсхоф (Berlin-Adlershof).
1 Отдельные антенны
Электрическая составляющая антенны связана с очень точными требованиями и не позволяет снижать эти требования в угоду аэродинамике. Однако в данной части имеются некоторые возможности, которые можно получить путем небольших уступок с стороны электрической составляющей антенны.
Основа антенны радиолокатора представляет собой комбинацию двух диполей, передний из которых является излучателем, а задний приёмником. Кроме того перед излучателем можно разместить один или несколько директоров. Расстояние от отражателя от излучателя составляет от 1/4 до 1/5 длины волны, направляющих диполей – от 1/10 до 1/8 длины волны. Отношение толщин диполей определяется требуемой шириной полосы частот и в данное время (1944 год) имеет значение 0,04-0,06.
Излучающая поверхность диполя имеет ширину, равную длине волны, при диполях, имеющих значение 1/2 длины волны и высоте, равной длине волны. Таким образом, площадь равна квадрату самой длины волны.
Использование одновременно многих подобных диполей подбирается площадь антенны, позволяющая получить необходимые дальность и зону обзора для обнаружения самолётов противника и четкость изображения.
Для передачи и приема могут быть использованы как отдельные антенны, так и антенны работающие совместно.
Аэродинамическое сопротивление таких антенных систем вызвано следующими факторами:
- 1) величина площади проекции площади стержней антенн (включая и кронштейны) на плоскость перпендикулярную направлению полета;
- 2) лобовое сопротивление используемых профилей;
- 3) взаимное влияние расположенных друг за другом или рядом диполей или кронштейнов (схемы 1 и 2).
Согласно 1) возникает необходимость устанавливать на самолёты как можно меньшее количество антенн и поэтому по возможности для передачи и приема сигналов должна быть использована только одна антенна. При использовании нескольких небольших по площади антенн можно было располагать эти антенны одна за другой на единых крепёжных элементах. Это предложение поступило от лётчика-инженера Беренса и было разработано в исследовательском центре Luftwaffe в Вернойхене под названием «Zaunkönig» (Крапивник). За счет профилирования антенн и элементов их крепления аэродинамическое сопротивление удалось снизить на 25 % в сравнении с ранее использовавшимися антеннами (схемы 2). Поскольку требуемая толщина распределения отвечает за ширину полосы пропускания и допустимое отклонение концов антенн, то определенное значение размеров не может быть превышено. Иначе это вызвало бы изменение электрического взаимодействия двух расположенных рядом друг с другом антенных стержней. На изгиб элементов крепления под воздействием набегающего потока воздуха существенное влияние оказывает даже незначительные изменения толщины, поскольку момент сопротивления пропорционален третьей степени мощности, тогда как предельная допустимая нагрузка от ветра возрастает линейно в зависимости от диаметра антенны. Технологически стержни антенн изготавливаются путем намотки, складывания или состоят из двух половинок металлических труб.
Помимо формы профиля утончение необходимо и для уменьшения лобового сопротивления профилей стержней. Выравнивание давления на концах стержней в свою очередь приводит к сокращению индуцированного сопротивления давлению, которое изменяется в зависимости от длины стержня пропорционально общему сопротивлению. Обычно стержни антенн крепятся на общей опоре, которая в полете продувается вдоль своей оси. По существу общее сопротивление носителя во многом зависит от отрыва свободного потока от размеров поверхности трубы (Rohroberfläche).
Общее аэродинамическое сопротивление антенны, состоящей из нескольких последовательно расположенных антенн, состоит из суммарного аэродинамического сопротивления всей конструкции. Взаимное влияние расположенных рядом элементов конструкции при малом расстоянии между отдельными антеннами позволяет значительно снизить возникающее аэродинамическое сопротивление. При величине равной до 30 диаметров стержней антенн суммарное аэродинамическое сопротивление не является равным аэродинамическому сопротивлению одиночной антенны (схемы 1). Это снижение величины аэродинамического сопротивления связано с тем, что задний стержень находится под действием кильватерной турбулентности переднего стержня и, таким образом, имеет коэффициент лобового сопротивления в сверхкритическом состоянии. Вследствие этого представляется выгодным располагать стержни антенны на небольшом удалении друг от друга.
При применении данной конструкции для увеличения ширины полосы частот будет необходим толстый профиль, представляющий собой электрический эквивалент отдельных стержней. Таким образом, площадь поперечного сечения опоры оказывает влияние на продольную устойчивость самолёта и не увеличивает при этом аэродинамическое сопротивление (схема 3).
2 Закреплённые на фюзеляже антенны
При креплении антенны на фюзеляже антенна находится в поле воздушного потока обтекающего фюзеляж или крыло. Распределение скорости воздушного потока, обтекающего фюзеляж или крыло, в зависимости от места может значительно отличаться от скорости потока. Соответственно, на антенну оказывают воздействие нагрузки, вызванные воздушным потоком. Распределение воздушного потока и его скорость у носовой части фюзеляжа представлены на схеме 4. Заметны размеры зоны, где скорость воздушного потока ниже чем скорость самолёта. В непосредственной близости от носовой оконечности фюзеляжа скорость воздушного потока равна только 0,71 скорости полёта самолёта, но, тем не менее, и эта скорость значима для установленной в носовой части антенны радиолокатора. Для установки антенны на фюзеляже всегда рекомендуется расположить стержни антенны в зоне статического избыточного давления, поскольку в ней эффективное динамическое давление будет меньше. Помимо изменения значений абсолютной скорости в нисходящем потоке по-прежнему происходят изменения в направлении потока воздуха, что может привести к возникновению больших поперечных и прочих нагрузок, а так же флаттера. Не смотря на то, что индуцированное сопротивление растёт, величина общих тангенциальных нагрузок остаётся неизменной. В данном случае имеет смысл использовать стержни антенны выполненные в виде конуса. У таких штоков толстая часть стержней находится в зоне, где скорость воздушного потока ниже, чем у более тонких частей. Лучше всего, конечно, было бы крепить стержни антенн на линии продольной оси длинных стержней, расположенных звездообразно относительно продольной оси так, как это было сделано на антенне радиолокатора типа Lichtenstein SN 2/SN 3.
Из соображений обеспечения безопасности полёта было необходимо исследовать вероятность возникновения флаттера антенны радиолокатора, закреплённой на носовой части фюзеляжа. В ходе полётов было установлено, что стержни антенн, расположенные в виде круга, в полёте крепятся недостаточно надёжно. У диполей антенны при выполнении полёта были отмечены колебания, вызванные периодическими изменениями воздушного потока; причиной этому были воздушные винты самолёта. Аналогичный эффект может быть получен посредством передачи вибраций от работающих двигателей самолёта через его планер. Создаваемые воздушными винтами импульсы не были настолько велики для того чтобы создать силы достаточные для изгиба стержней.
Это имеет отношение только к профилю одиночных антенн, но должно учитываться в целом для всего того, что расположено на носовой части фюзеляжа и является решающим в отношении частоты возникновения сил на горизонтальных трубчатых стержнях антенны. Цель состоит в том, чтобы добиться максимально возможной разницы в кручении и изгибе частот крутильных и изгибных колебаний. Была достигнута определённая гарантия того, что значения нагрузок, вызванных в результате возникновения флаттера, будут находиться в приемлемом диапазоне и что линия нейтральных сил будет находиться за линией эластичных нагрузок. Некоторый запас от критической скорости флаттера достигается, если нейтральная линия расположена за упругой линии. Нейтральной линией в данном случае является геометрическое место точек давления, на которое оказывают результирующие нагрузки от потока воздуха. Широкая задняя кромка профиля позволяет сместить назад точку приложения сил и, не смотря на несколько увеличенное аэродинамичекое сопротивление, оно остаётся незначительным и более низким, чем при использовании закруглённой задней кромки.
3 Снижение летных характеристик самолёта
Увеличение аэродинамического сопротивления, возникающее вследствие установки антенны радиолокатора, в первую очередь снижает скорость и дальность полёта самолёта. Решающим является доля аэродинамического сопротивления антенны в общем аэродинамическом сопротивлении всего летательного аппарата. В зависимости от аэродинамических качеств самолёта снижение скорости полёта может быть значительным и доходить до 50 км/ч. Улучшение конструкции антенны и элементов её крепления на фюзеляже с точки зрения аэродинамики может снизить потери скорости и дальности полёта до приемлемых границ (тaблицы 2 + 3).
Мы так же считаем нужным упомянуть то, что при использовании самолёта в ночное время установленные на самолёте пламегасители часто приводят к значительному снижению скорости.
Использовавшиеся до 1944 года антенны радиолокаторов в среднем имели коэффициент аэродинамического сопротивления Cw равный 1,3 до 1,4. Особенно хороший показатель был у антенны радиолокатора «Zaunkönig» из-за малой площади. Потери скорости, которые имеют место из-за установки антенны радиолокатора, зависят в основном от аэродинамического сопротивления самого самолёта и равны примерно 2-3 %.
Схема 1 Радиолокаторы Hohentwiel, Zaunkönig, Lichtenstein, SN II, Neptun V
Схема 2 и таблица 1 Данные по профилям
Схема 3 Распределение давления потока воздуха перед носовой оконечностью самолёта
Схема 4 Взаимное влияние двух стержней
Рис. 1 Радиолокатор Hohentwiel в аэродинамической трубе
Рис. 2 Радиолокатор Hohentwiel, установленный на He 111
Рис. 3 Радиолокатор Hohentwiel, установленный на He 111
Рис. 4 Радиолокатор Hohentwiel, установленный на FW 200
Рис. 5 Радиолокатор Hohentwiel, установленный на Ju 88
Рис. 6 Радиолокатор Zaunkönig I в аэродинамической трубе
Рис. 7 Радиолокатор Zaunkönig, установленный на He 111
Рис. 8 Радиолокатор Lichtenstein B.C. в аэродинамической трубе
Рис. 9 Радиолокатор Lichtenstein B.C., установленный на Ju 88
Рис. 10 Радиолокатор Lichtenstein B.C., установленный на Ju 88
Рис. 11 Радиолокатор Lichtenstein B.C., установленный на Me 110
Рис. 12 Радиолокатор Lichtenstein в аэродинамической трубе
Рис. 13 Радиолокатор Lichtenstein SN в аэродинамической трубе
Рис. 14 Радиолокатор Lichtenstein SN 2, установленный на Me 110 (крупный план)
Рис. 15 Радиолокатор Lichtenstein SN 2, установленный на Ju 88 (крупный план)
Рис. 16 Радиолокатор Lichtenstein SN 2, установленный на Ju 88 (крупный план)
Рис. 17 Радиолокатор Neptun V в аэродинамической трубе
Рис. 18 Радиолокатор Neptun R (FuG 216) под крылом
Рис. 19 Радиолокатор Neptun R (FuG 214) на крыле
Рис. 20 Радиолокатор Morgenstern; вид сбоку
Рис. 21 Радиолокатор Morgenstern; вид спереди
Таблица 2
Аэродинамическое сопротивление различных поверхностей антенных систем
Таблица 3
Снижение скорости полёта самолётов различных типов с установленными на них антенными системами радиолокаторов
Источники:
Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt, E.V., Berlin-Adlershof, Institut für Aerodynamik: Die Aerodynamik der Bordfunkmeßantenne, Untersuchung und Mitteilung Nr. 1238 vom 30. 4. 1944.
источник: «Radar. Die Aerodynamik der Funkmeßantennen» «Luftfahrt International» 04-1974
