Решение задачи селекции путем оценки эффективной площади рассеяния плазменной оболочки

Введение

Одной из основных проблем современных средств противоракетной обороны (ПРО) яв­ляется селекция высокоскоростных космиче­ских объектов на фоне ложных целей. Высоко­скоростные космические объекты на пассив­ном участке траектории полета представляют собой совокупность следующих элементов: истинная цель, тяжелая и легкая ложные цели и дипольный отражатель. На одну истинную цель количество тяжелых ложных целей со­ставляет около десяти единиц, легких ложных целей - несколько десятков, дипольных отра­жателей - сотни тысяч.

Перехват целей осуществляется на пре­дельных скоростях зенитной управляемой ра­кеты в условиях дефицита ее энергии, поэтому крайне важно проводить селекцию на внеат­мосферном участке полета или на участке с сильно разреженной атмосферой, что позволит получить некоторый запас времени для орга­низации обстрела цели [1].

На внеатмосферном участке цели име­ют примерно одинаковые радиолокационные «портреты», по которым сложно осуществить селекцию ложных целей. Дополнительные трудности для радиолокационных станций (РЛС) возникают при включении в состав сложных целей станций активных помех (САП), которые непременно присутствуют в комплексе средств преодоления ложных целей.

Перехват одной истиной цели - сложная задача, связанная с ограниченными вычисли­тельными и временными ресурсами современ­ного комплекса ПРО, многократно усложняю­щаяся при групповом налете.

В данной статье рассмотрена атмосфер­ная селекция, т. е. селекция, использующая в качестве критериев физические явления, свя­занные с входом быстролетящего тела в ат­мосферу и его движением в атмосфере. В со­временных системах ПРО применяются две группы признаков атмосферной селекции:

• связанные с изменением характера движения тел при их входе в атмосферу и за­кономерностями их движения в атмосфере;
• связанные с изменением радиофи­зических характеристик среды вокруг дви­жущегося в атмосфере тела и использующие радиотехнические характеристики сигнала, отраженного от вызванных этими изменения­ми плазменных образований (плазменной обо­лочки спутного следа).

К первой группе относятся алгоритмы селекции по баллистическому коэффициен­ту и высоте ориентации тел по набегающему потоку, ко второй - алгоритмы селекции по косвенной оценке массы и пространственно­спектральным характеристикам сигнала, отра­женного от спутного следа [2].

Цели настоящей работы: определить признаки идентификации целей на атмосфер­ном участке траектории и критерий приня­тия решения а также синтезировать алгоритм идентификации, оценить возможность его при­менения в цифровом вычислительном компью­тере современных информационных средств.

Алгоритм селекции по косвенной оценке массы

Наиболее устойчивым среди параметров, ко­торые могут быть различны для истинных и ложных целей, является масса цели. Произве­дем оценку массы цели, измерив радиотехни­ческими средствами баллистический коэффи­циент γ и эффективную площадь рассеяния (ЭПР) цели, используя известную связь вели­чины γ с массой цели т, площадью S_m миделя и коэффициентом C_x лобового сопротивления:

где g₀ - ускорение свободного падения.

Проведенные исследования показали, что произведение C_xS_m может быть оценено через ЭПР σ_пл гиперзвуковой цели, окружен­ной плазменной оболочкой.

Физическое обоснование использования σ_пл для оценки произведения C_xS_m заключает­ся в том, что при наличии плотной плазмен­ной оболочки, имеющей отражающие свой­ства металлической поверхности, ЭПР цели определяется не материалом и отдельными деталями конфигурации цели, а свойствами, формой и геометрическими размерами плаз­менной оболочки, которая в основном повто­ряет форму ударной волны. Последняя, в свою очередь, тесно связана с коэффициентом лобо­вого сопротивления C_x с учетом того, что на рубежах образования плазменной оболочки цели в значительной степени стабилизируют­ся. Таким образом, наличие ударной волны позволяет связать σ^ с произведением C_xS_m зависимостью

Выразив из формулы (2) и подставив в формулу (1) C_x, получим:

где k - коэффициент, подобранный в ходе на­турных испытаний.

Выразим σ_пл из основного уравнения ра­диолокации и подставим в формулу (3):

где R - расстояние до цели, м;

P_t - мощность радиопередатчика, Вт;

S - уровень принимаемого сигнала, В.

Выделим признак косвенной оценки мас­сы km. Сделаем предположение, что истин­ные и ложные цели могут быть селектирова­ны по данному признаку. Для подтверждения предположения при отсутствии реальных сиг­налов используется модель измерителя РЛС Х-диапазона, одним из входных параметров которой является ЭПР плазменной оболочки цели. Таким образом, необходимо смодели­ровать процессы плазмообразования вокруг цели с произвольной геометрией на разных высотах, а также процессы распространения электромагнитной волны в слоях с высокой концентрацией ионов.

Моделирование эффективной площади рассеяния плазменной оболочки цели

Условия образования плазменной оболочки с высокой концентрацией электронов связа­ны с условием существования устойчивой ударной волны. Иными словами, высоты су­ществования плазмы зависят от поперечного размера цели (плазменная оболочка вокруг тел меньших размеров возникает на меньших высотах) (рис. 1) [3]. На рисунке также обо­значены условные поверхности разделения зоны отражения от плазмы на поверхности ударной волны и зоны поглощения в плаз­ме V1, зоны поглощения в плазме и зоны с не­устойчивой плазмой V2 и разделения зоны с неустойчивой плазмой и зоны без плазмы V3.

Для оценки влияния плазменной обо­лочки на значение ЭПР цели в пакете ANSYS Fluent была создана численная модель обте­кания твердого тела гиперзвуковым потоком.

При моделировании гиперзвукового по­тока необходимо учитывать газовый состав среды, а также химические реакции, протека­ющие за ударной волной при наличии высокой температуры. В условиях поставленной зада­чи основными реагирующими компонентами воздушной смеси являются O₂, N₂, ON, O, N, O⁺, N⁺, NO⁺, O₂⁺, N₂⁺, е. Все химиче­ские реакции являются обратимыми, реакции диссоциации протекают в присутствии тре­тьих тел. В данной модели рассматриваются реакции [4, 5]:

• диссоциации O₂ + M <=> 2O + M, N₂ + + M <=> 2N + M, NO + M <=> N + O + M;
• рекомбинации N₂ + O <=> NO + N, O + + NO <=> N + O₂;
• ассоциативной ионизации N + O <=> <=> NO⁺ + е, N + N <=> N₂⁺ + e, O + O <=> O₂⁺.

Для сокращения времени, отводимого на расчеты, задача решалась в двухмерной осесимметричной постановке. Использова­лась расчетная сетка с высоким разрешением в области больших градиентов исследуемых параметров. Скорость цели принималась рав­ной 25 М. В таблице приведены начальные условия моделирования, на рис. 2 показаны результаты моделирования плазмообразования вокруг цели на высоте 100 км.

Были условно выделены два слоя, эми­тируемые материалами с различными свой­ствами. В пакете ANSYS HFSS было проведено моделирование ЭПР истинной и ложной цели с учетом и без учета плазменной оболочки (рис. 3).

На рис. 4 представлена диаграмма ЭПР от передней до задней части целей. По дан­ным рис. 4 можно заключить, что при схожей геометрии носиков наличие плазменной обо­лочки на указанных высотах не сильно влия­ет на разницу между ЭПР тяжелой ложной и истинной целей. Таким образом, оценка ЭПР является стабильным критерием при наличии плазменной оболочки.

Результаты работы алгоритма

Селекция целей с близким значением балли­стического коэффициента показана на рис. 5. Критерием селекции является косвенная оценка массы, сформированная по взвешен­ному методу наименьших квадратов. В ка­честве информативного параметра выбра­на оценка баллистического коэффициента. Решающее правило D имеет два значения: 1 - принято решение о ложности целей, цель признана ложной; 0 - решение о ложности не принято. Распределение целей на истинные и ложные осуществляется посредством взве­шенного метода наименьших квадратов.

Аналогично на рис. 6 показана селекция целей с близким значением ЭПР. Здесь инфор­мативным параметром является оценка ЭПР плазменной оболочки: D = 0 обозначает ложь, D = 1 - истину.

Исходя из полученных результатов, мож­но заключить, что оценка ЭПР цели с плаз­менной оболочкой позволяет проводить эф­фективную селекцию целей в верхних слоях атмосферы. Косвенная оценка массы является информативным признаком для проведения процедуры селекции целей обоих типов лож­ных целей. Полученные результаты позволили синтезировать алгоритм селекции целей, ко­торый может быть реализован в центральном вычислительном компьютере существующих и перспективных РЛС.

Заключение

В данной статье предложен алгоритм атмо­сферной селекции плазменных и тяжелых ложных целей на основе полученной от РЛС траекторной информации. Было проведе­но моделирование в пакетах Fluent и ANSYS HFSS для оценки концентрации электронов. Оценка ЭПР плазменной оболочки позволя­ет проводить эффективную селекцию целей в верхних слоях атмосферы. В случае когда ЭПР плазменной оболочки истинной и лож­ной целей имеют близкие значения, эффек­тивным признаком селекции является оценка баллистического коэффициента. Наиболее удачный признак для проведения процедуры селекции целей - косвенная оценка массы. На основе полученных результатов синтезиро­ван алгоритм селекции целей, который может быть реализован в центральном вычислитель­ном компьютере существующих и перспек­тивных пунктов управления или РЛС.