rugi_vnb
Xe điện
- Biển số
- OF-673778
- Ngày cấp bằng
- 18/6/19
- Số km
- 3,345
- Động cơ
- 138,330 Mã lực
Phần I Radar hoạt động như thế nào:
Từ “RADAR” là từ viết tắt của RAdio Detection And Ranging. Về cơ bản, radar hoạt động theo phương thức phát ra sóng radio, sóng này gặp vật cản sẽ phản xạ lại. Qua đó radar biết có mục tiêu. Tương tự như việc ta ném 1 hòn đá xuống mặt hồ sẽ thấy các vòng sóng tỏa ra từ chỗ hòn đá rơi xuống, nếu chỗ nào có vật nổi lênh bềnh trên hồ thì khi sóng đập vào đó sẽ có 1 phản sóng dịch chuyển theo hướng ngược lại. Do vận tốc của sóng radio trong không gian là cố định, tương đương vận tốc ánh sáng nên bằng cách tính thời gian từ khi phát sóng, đến khi nhận được sóng phản xạ mà có thể biết được khoảng cách tới vật là bao nhiêu xa.
Điều quan trọng tiếp theo là làm thế nào để xác định vận tốc của mục tiêu?: để làm được điều đó radar tận dụng hiệu ứng Doppler. Hiệu ứng Doppler là hiện tượng tần số của sóng vô tuyến sẽ bị thay đổi khi phản xạ từ một mục tiêu di chuyển so với radar. Để đo tốc độ chính xác, bộ xử lý trung tâm của radar tính toán sự khác biệt giữa tần số của sóng mà radar truyền đi và tần số của sóng phản xạ lại từ mục tiêu.
Trong các hình dưới đây, fo là tần số truyền của radar và ft là tần số của sóng phản xạ.
Đối với mục tiêu đứng yên, tần số của tín hiệu phản xạ sẽ bằng tần số của tín hiệu đã truyền
Đối với mục tiêu di chuyển về phía radar, tần số của tín hiệu phản xạ sẽ cao hơn tần số của tín hiệu truyền đi
Đối với mục tiêu di chuyển ra xa khỏi radar, tần số của tín hiệu phản xạ sẽ thấp hơn tần số của tín hiệu mà radar truyền đi
Mục tiêu di chuyển càng nhanh thì mức thay đổi tần số này sẽ càng lớn. Tuy nhiên điều quan trọng cần nhớ là các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng Doppler không phải là vận tốc tuyệt đối của mục tiêu mà là vận tốc tương đối của mục tiêu so với radar. Do đó, góc do chuyển giữa mục tiêu và radar là rất quan trọng.
Tuy nhiên câu hỏi tiếp theo được đặt ra là làm thế nào để biết được mục tiêu ở hướng nào, góc nào? Thực ra việc này cũng vô cùng đơn giản nếu ta biết hướng mà chùm tia radar (radar beam) hướng tới khi nhận được tín hiệu phản xạ radar, thì ta có thể biết hướng của của mục tiêu. Ví dụ, chùm tia đang hướng về bên phải khi nhận được tín hiệu phản xạ của mục tiêu thì mục tiêu sẽ là ở bên phải . Tất nhiên để dẫn bắn hay thậm chí là để cảnh báo sớm thì chỉ đơn thuần biết được mục tiêu ở bên trái hay bên phải là chưa đủ, phải biết chính xác, lệch vài độ thôi cũng đã là cả 1 vấn đề lớn. Vậy ta có thể thấy là chùm tia radar (radar beam) càng hẹp, càng nhỏ, thì độ chính xác của radar trong việc định vị hướng và phương vị của mục tiêu sẽ càng tốt vì chùm tia càng bé thì ta sẽ càng biết chính xác được góc và phương vị mà nó chiếu đến.
Trước hết chúng ta sẽ làm quen với 1 số từ chuyên môn:
1- Beam width: là độ rộng của chùm tia radar (khác với band width là dải tần số mà radar hoạt động nhé). Như đã nêu trước đó, độ rộng chùm tia radar đóng một vai trò quan trọng trong các đặc tính chính xác góc của chúng vì miễn là các mục tiêu nằm trong chùm tia radar thì sẽ có phản xạ. Vấn đề là nếu một số mục tiêu bay đủ gần để khoảng cách góc của chúng sẽ nhỏ hơn độ rộng chùm tia radar thì tín hiệu phản xạ sẽ bị kết hợp và radar sẽ chỉ hiển thị một mục tiêu duy nhất trên màn hình. Để có khả năng hiển thị 2 mục tiêu gần nhau thì chùm tia radar cần có khả năng quét qua khoảng trống giữa chúng mà không có tín hiệu phản xạ. Để cho dễ tưởng tượng thì giả sử beam width của radar là 15 độ thì ở khoảng cách 200 km tín hiệu của 2 mục tiêu bay ngang cách nhau 53 km cũng hòa vào làm 1. Ngoài ra chùm tia càng nhỏ thì năng lượng xung càng tập trung và radar có thể nhìn được càng xa
2- Gain: là 1 chỉ số thể hiện độ lợi của antenna thể hiện khả năng bức xạ công suất của sóng radio đưa tới cho nó, cứ hiểu 1 cách nôm na là gain càng lớn thì Beam width càng nhỏ, và ngược lại.
3- Pulse width/pulse length: Độ dài của mỗi xung được phát ra từ radar. Xung càng dài thì năng lượng càng lớn tuy nhiên cũng đồng nghĩa với việc range resolution sẽ giảm. Tất nhiên có cách giảm cái này nhờ vào pulse compression nhưng đó là topic khá phức tạp nên mình sẽ viết bài riêng
4- Range resolution: là khả năng của radar tách hai mục tiêu ở gần nhau trong 1 phạm vi và ở gần cùng một góc phương vị. Ví dụ: ở phía trước khoảng cách 100 km có 1 chiếc F-16, ở khoảng cách 102 km có 1 chiếc F-15 và ở khoảng cách 120 km có 1 chiếc F-18, các máy bay này ở cùng 1 góc phương vị. Nếu radar của bác có range resolution là 3 km thì sẽ phân tách được chiếc F-18 thành 1 mục tiêu riêng, nhưng không phân tách được chiếc F-15 và F-16 ở đây thành 2 mục tiêu, mà sẽ hợp thành 1 mục tiêu.
5- Resolution cell: Độ dài mỗi xung, độ rộng chùm tia theo chiều ngang và độ rộng chùm tia theo chiều dọc cùng tạo thành một ô ba chiều (nôm na chính là thể tích của chùm tia phát ra). Ô phân giải (resolution cell) là thể tích nhỏ nhất của vùng trời mà trong đó radar không thể xác định sự hiện diện của nhiều hơn một mục tiêu, hay nói cách khác là 1000 mục tiêu trong ô thì cũng chỉ tính là 1 và không thể biết rõ vị trí của mục tiêu nằm ở đâu trong ô này. Ô phân giải của radar là thước đo mức độ radar có thể phân giải các mục tiêu trong phạm vi, phương vị và độ cao. Kích thước ngang và dọc của ô độ phân giải thay đổi theo phạm vi. Càng xa radar, ô độ phân giải sẽ càng lớn , tức là độ chính xác càng tệ. Ví dụ beam width là 2 độ, ở khoảng cách 100km thì kích thước ngang và dọc của ô phân giải sẽ vào khoảng 3.5 km, ở khoảng cách 2500 km thì kích thước ngang và dọc của ô phân giải sẽ là 87 km.
Đã bao giờ các bác tự hỏi: tại sao radar VHF (dải tần số 30-300MHz) được quảng cáo chống tàng hình tốt như thế mà đa số các radar điều khiển hỏa lực vẫn nằm trong dải tầm S (2-4 GHz) tới X band (8-12 GHz) ?. Tại sao không lắp luôn radar HF (dải tần số 3-30 MHz) hay VHF lên máy bay cho nó máu?. Tại sao các radar OTH lại phải to đến thế?. Thực ra tất cả đều liên quan đến radar beam width và radar gain mà mình đã giải thích bên trên. . Không cần biết loại radar sử dụng là gì AESA hay PESA, thì độ rộng của chùm tia radar (Gain) vẫn có mối quan hệ trực tiếp với diện tích ăng ten và tần số hoạt động của radar. Về cơ bản, diện tích ăng ten càng lớn thì Gain càng lớn (hay nói cách khác là chùm tia càng bé). Ngược lại, radar hoạt động ở tần số càng thấp thì để đạt cùng 1 mức gain, diện tích của ăng ten lại càng phải lớn. Ví dụ ở tần số 3 Ghz, radar với đường kính 1 mét đã có thể có chỉ số gain tương ứng 30 dBi tuy nhiên ở tần số 300 MHz thì radar có đường kính 10 mét thì chỉ số gain cũng chỉ đạt tầm 29 dBi mà thôi. Hay nói 1 cách đơn giản lý do người ta không sử dụng radar dẫn bắn tần số HF hay VHF trên máy bay chiến đấu hay thậm chí tàu chiến đơn giản là vì chúng cần kích cỡ siêu to khổng lồ thì chùm tia radar của chúng mới có thể đủ nhỏ để nhìn được chính xác.
Phần II Radar tần số thấp và máy bay tàng hình
Có lẽ chúng ta đã nghe rất rất nhiều về việc radar tần số thấp sẽ khiến máy bay tàng hình trở thành vô dụng, hoặc radar tần số thấp là khắc tinh của máy bay tàng hình. Vậy trong bài này mình sẽ giải thích lý do cho những phát ngôn này.
Trước khi hiểu được tại sao radar tần số thấp lại chống tàng hình, thì trước tiên, cần hiểu sóng radar phản xạ lại từ vật thể như thế nào. Về cơ bản tín hiệu phản xạ radar của mục tiêu (RCS) là tổng năng lượng phản xạ từ các phương thức sau:
1 - Specular return (Phản xạ dạng gương): đây là dạng phản xạ với cường độ lớn nhất trong vùng quang học (khi kích thước cấu trúc> 10 lần bước sóng), bề mặt hoạt động như một tấm gương đối với xung radar tới. Phần lớn năng lượng rađa tới được phản xạ theo quy luật phản xạ gương (góc phản xạ bằng góc tới). Thiết kế hình khối đặc biệt của máy bay tàng hình khiến sóng radar từ phản xạ dạng này không quay trở lại nguồn phát. Tuy nhiên vẫn cần nhớ là sóng phản xạ vẫn tuy theo quy luật với cùng 1 kích cỡ antenna phát thì tần số càng thấp, beamwidth càng lớn. Hay nói cách khác, khi sử dụng sóng tần số thấp hơn, thì chùm tia phản xạ sẽ có góc lớn hơn, kéo theo đó là sẽ dễ có khả năng quay lại nguồn phát hơn, bù lại thì góc to hơn cũng đồng nghĩa với việc độ tập trung năng lượng bị giảm đi cực nhiều. (Giải thích có thể hơi tối nghĩa, các bác xem ảnh sẽ hiểu)
2 - Traveling/Surface wave scattering (Phản xạ sóng bề mặt): khi sóng radar chiếu vào thân máy bay, nó có thể tạo ra một dòng điện di chuyển trên bề mặt lan truyền dọc theo đường dẫn đến các ranh giới bề mặt như mép cánh, các mép panel... vv, các ranh giới bề mặt đó có thể tạo ra sóng phản xạ truyền theo hướng ngược lại hoặc làm cho sóng radar phân tán theo nhiều hướng. Loại phản xạ này có thể được giảm thiểu bằng vật liệu hấp thụ radar, cấu trúc hấp thụ radar, giảm số lượng rãnh trên bề mặt hoặc thiết kế các cạnh panel răng cưa theo hướng nhất định để các sóng phản xạ không quay lại nguồn phát
3 - Creeping wave return (Sóng quay trở lại):đây là một dạng surface wave không bị phản xạ bởi chướng ngại vật khi di chuyển dọc theo bề mặt vật thể và không gặp các khoản gián đoạn, do đó nó có thể đi vòng xung quanh vật thể để quay trở lại nguồn radar. Thông thường là cường độ creeping wave return thấp hơn Specular return khá nhiều.
4-Diffraction (Nhiễu xạ): sóng đánh vào bề mặt hoặc cạnh sắc ví dụ như đầu cánh, cạnh cửa hút khí hay các điểm góc cạnh khác sẽ bị phân tán theo nhiều hướng thay vì tuân theo quy luật phản xạ gương.
Sóng radar từ các phương thức phản xạ nêu trên sẽ cùng hợp vào nhau, tạo thành tiết diện phản xạ radar. Về cơ bản tỷ lệ (trên tổng) của mỗi phương thức phản xạ sóng radar đã nêu bên trên phụ thuộc rất nhiều vào kích cỡ vật thể so với độ dài sóng radar, quy luật có thể chia ra làm ba vùng:
Vùng quang học optical region):được áp dụng khi chu vi của vật thể lớn hơn độ dài sóng radar khoảng 10 lần trở lên, ví dụ giả sử vật thể là 1 quả cầu thì đây là vùng mà chu vi của quả cầu này sẽ lớn hơn độ dài sóng radar*10. Trong chế độ này, phương thức phản xạ sóng radar chiếm tỷ lệ % lớn nhất trong tổng năng lượng phản xạ lại là phản xạ dạng gương (specular return). Trong vùng này, cơ chế sóng bề mặt (surface wave) vẫn hiện diện nhưng góp phần vô cùng nhỏ vào RCS.
Vùng Mie/Vùng cộng hưởng (Mie region, resonance region):được áp dụng khi chu vi của vật thể ở vào khoảng 1/10 tới tối đa là bằng 1 lần độ dài sóng radar. Giả sử vật thể là 1 quả cầu thì: Độ dài sóng radar*0.1 ≤ Chu vi quả cầu ≤ Độ dài sóng radar*1. Trong vùng này Surface wave sẽ trườn 1 vòng quanh vật thể và giao thoa tăng cường (constructive interference) hoặc giao thoa triệt tiêu (destructive interference) với sóng phản xạ Specular (giao thoa này có thể khiến tổng tiết diện phản xạ radar tăng lên, nhưng cũng có thể làm nó bé đi nhé). Do sóng có xu hướng trườn quanh bề mặt vật thể thay vì phản xạ dạng gương nên thiết kế hình dáng góc cạnh của máy bay tàng hình ít có tác dụng. Ngoài ra, cường độ của surface wave và diffraction cũng tăng theo bình phương của bức sóng. Đây chính là lý do các radar UHF, VHF, HF có thể phát hiện vật thể tàng hình 1 cách dễ dàng hơn. Trong vùng Mie, cường độ phản xạ từ creeping wave bắt đầu lớn dần, và đạt mức tối đa khi chiều dài sóng bằng kích cỡ vật thể.
Vùng Rayleigh (Rayleigh region): được áp dụng khi chiều dài sóng radar còn lớn hơn cả vật thể, trong vùng này thì sóng radar sẽ bị tán xạ , các chi tiết cụ thể của hình học mục tiêu không còn quan trọng. Sóng radar dài hơn cấu trúc và đẩy dòng điện từ bên này sang bên kia khiến nó hoạt động giống như một antenna lưỡng cực và phát ra sóng điện từ theo hầu hết các hướng, hiện tượng này gọi là tán xạ Rayleigh. Điểm cực kì đặc biệt của vùng Rayleigh là sóng radar càng dài (tần số càng thấp) thì tiết diện phản xạ radar của mục tiêu sẽ càng nhỏ
Cũng cần phải nhớ là với vật thể có hình dạng đơn giản ví dụ như quả cầu, có thể biết được quả cầu đó ở vùng nào so với sóng radar chỉ cần biết chu vi quả cầu và độ dài sóng, ví dụ chu vi quả cầu là 1 mét, độ dài sóng radar là 1 cm thì phản xạ sóng radar từ quả cầu sẽ tuân theo quy luật của vùng quang học. Trái lại, với phương tiện chiến đấu như máy bay tàu chiến, sẽ có rất nhiều chi tiết với kích thước to nhỏ khác nhau, dẫn đến hiện tượng là với cùng 1 độ dài sóng radar: 1 số chi tiết sẽ ở vùng Mie, 1 số chi tiết sẽ ở vùng Rayleigh, 1 số chi tiết sẽ ở vùng quang học.
Vậy có cách nào giúp máy bay tàng hình chống lại khắc tinh của chúng là radar tần số thấp không? hay ít nhất là cũng làm giảm hiệu quả chống tàng hình của radar tần số thấp?. Câu trả lời là Có
Do bản chất sóng radar tần số thấp đánh bại thiết kế hình dáng đặc biệt của máy bay tàng hình nhờ vào creeping wave return và surface wave scattering nên để giảm hiệu quả của sóng radar tần số thấp đối với máy bay tàng hình thì quan trọng nhất là giảm tác động của 2 phương thức phản xạ này.
Phương pháp thứ 1, ảnh hưởng tiêu cực của creeping wave return và surface wave scattering có thể được giảm bớt bằng cách: sắp xếp các điểm gián đoạn để hướng phản xạ của surface wave sẽ không quay ngược trở lại hướng radar phát. Nếu các bác để ý kỹ thì sẽ thấy ở trên máy bay tàng hình, các phần tấm nắp đậy có thể mở ra được thường được thiết kế dạng răng cưa. Cốt yếu là để khi surface wave trườn tới các phần này và bị tán xạ, cũng không chiếu trực tiếp trở lại nguồn phát sóng
Hay như trên thiết kế của B-2 hay B-21, chúng ta cũng có thể thấy phần đuôi cánh được thiết kế dạng răng cưa thay vì cắt phăng thành hình tam giác.
Phương pháp thứ 2: như đã biết là surface wave sẽ gây tán xạ theo nhiều hướng khi gặp góc cạnh sắc hoặc khi đi tới vùng rãnh, môi trường không đồng nhất. Vậy để giảm ảnh hưởng của hiện tượng này thì phương án là giảm các góc cạnh sắc nét
Nếu các bác để ý thì sẽ thấy là trên máy bay tàng hình thế hệ thứ nhất như F-117, máy bay được tạo thành từ các miếng đa giác rất sắc nét, nhìn na ná như viên kim cương. Ngược lại, các máy bay tàng hình hiện đại ra đời sau như B-2, F-22, X-47, thường có các phần góc được bo tròn, mục đính chính là để giảm surface wave scattering.
Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhớ là, mặc dù hình dạng bo tròn các góc có thể giúp máy bay tàng hình hơn vì chúng làm giảm sự tán xạ bề mặt so với thiết kế sắc cạnh. Thiết kế thân máy bay tròn vo như cái ống thì lại cực kỳ không tốt, lý do là sóng bề mặt không bị tán xạ mà sẽ truyền đi một vòng tròn xung quanh thân máy bay và quay trở lại nguồn (creeping wave return)
Phương pháp thứ 3:
Có 1 số phần cạnh sắc trên máy bay, sẽ không thể bo tròn được, ví dụ như phần đầu, đuôi cánh , hay phần cửa hút khí. Sóng radar đánh vào các phần này cũng gây ra tán xạ theo nhiều hướng.
Vậy, để giải quyết vấn đề này thì người ta sử dụng 1 phương pháp gọi là xử lý cạnh (edge treatment). Mép đầu cánh và cửa hút khí có thể được thiết kế thành một bề mặt điện từ mềm, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng vật liệu nhẹ như sợi thủy tinh cấu trúc tổ ong, được nạp carbon với nồng độ tăng dần từ phần mép đến thân hoặc một miếng điện trở có thể được dán hoặc sơn lên phần mép cánh hoặc cửa hút khí để đạt được kết quả tương tự. Điện trở suất của tấm sẽ giảm từ cực đại ở đầu phía trước của mép xuống gần bằng không ở phía sau. Điện trở suất của tấm dán này có thể được tăng lên bằng cách thêm các lỗ và giảm bằng cách thêm các hạt kim loại trong đó.
Điều này cho phép dòng điện bề mặt chuyển đổi chậm cũng như được hấp thụ thay vì chuyển đổi đột ngột và tán xạ
Các bác có thể phát hiện phần edge treatment này rất dễ dàng nhờ vào phần sơn hơi nhạt so với các phần khác của máy bay.
Tất nhiên là phương án này cũng có nhược điểm nhỏ, đó là miếng dán điện trở phải có chiều rộng ít nhất bằng một nửa bước sóng để thực sự có hiệu quả. Ví dụ: miếng dán điện trở trên của hút khí của F-35 có chiều rộng khoảng 22-25,4 cm (ước lượng), thì tần số thấp nhất mà nó vẫn có thể hiệu quả là vào khoảng 0,5-0,7 GHz
Link https://basicsaboutaerodynamicsandavionics.wordpress.com/2016/04/12/radar-electronic-countermeasure/
Từ “RADAR” là từ viết tắt của RAdio Detection And Ranging. Về cơ bản, radar hoạt động theo phương thức phát ra sóng radio, sóng này gặp vật cản sẽ phản xạ lại. Qua đó radar biết có mục tiêu. Tương tự như việc ta ném 1 hòn đá xuống mặt hồ sẽ thấy các vòng sóng tỏa ra từ chỗ hòn đá rơi xuống, nếu chỗ nào có vật nổi lênh bềnh trên hồ thì khi sóng đập vào đó sẽ có 1 phản sóng dịch chuyển theo hướng ngược lại. Do vận tốc của sóng radio trong không gian là cố định, tương đương vận tốc ánh sáng nên bằng cách tính thời gian từ khi phát sóng, đến khi nhận được sóng phản xạ mà có thể biết được khoảng cách tới vật là bao nhiêu xa.
Điều quan trọng tiếp theo là làm thế nào để xác định vận tốc của mục tiêu?: để làm được điều đó radar tận dụng hiệu ứng Doppler. Hiệu ứng Doppler là hiện tượng tần số của sóng vô tuyến sẽ bị thay đổi khi phản xạ từ một mục tiêu di chuyển so với radar. Để đo tốc độ chính xác, bộ xử lý trung tâm của radar tính toán sự khác biệt giữa tần số của sóng mà radar truyền đi và tần số của sóng phản xạ lại từ mục tiêu.
Trong các hình dưới đây, fo là tần số truyền của radar và ft là tần số của sóng phản xạ.
Đối với mục tiêu đứng yên, tần số của tín hiệu phản xạ sẽ bằng tần số của tín hiệu đã truyền
Đối với mục tiêu di chuyển về phía radar, tần số của tín hiệu phản xạ sẽ cao hơn tần số của tín hiệu truyền đi
Đối với mục tiêu di chuyển ra xa khỏi radar, tần số của tín hiệu phản xạ sẽ thấp hơn tần số của tín hiệu mà radar truyền đi
Mục tiêu di chuyển càng nhanh thì mức thay đổi tần số này sẽ càng lớn. Tuy nhiên điều quan trọng cần nhớ là các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng Doppler không phải là vận tốc tuyệt đối của mục tiêu mà là vận tốc tương đối của mục tiêu so với radar. Do đó, góc do chuyển giữa mục tiêu và radar là rất quan trọng.
Tuy nhiên câu hỏi tiếp theo được đặt ra là làm thế nào để biết được mục tiêu ở hướng nào, góc nào? Thực ra việc này cũng vô cùng đơn giản nếu ta biết hướng mà chùm tia radar (radar beam) hướng tới khi nhận được tín hiệu phản xạ radar, thì ta có thể biết hướng của của mục tiêu. Ví dụ, chùm tia đang hướng về bên phải khi nhận được tín hiệu phản xạ của mục tiêu thì mục tiêu sẽ là ở bên phải . Tất nhiên để dẫn bắn hay thậm chí là để cảnh báo sớm thì chỉ đơn thuần biết được mục tiêu ở bên trái hay bên phải là chưa đủ, phải biết chính xác, lệch vài độ thôi cũng đã là cả 1 vấn đề lớn. Vậy ta có thể thấy là chùm tia radar (radar beam) càng hẹp, càng nhỏ, thì độ chính xác của radar trong việc định vị hướng và phương vị của mục tiêu sẽ càng tốt vì chùm tia càng bé thì ta sẽ càng biết chính xác được góc và phương vị mà nó chiếu đến.
Trước hết chúng ta sẽ làm quen với 1 số từ chuyên môn:
1- Beam width: là độ rộng của chùm tia radar (khác với band width là dải tần số mà radar hoạt động nhé). Như đã nêu trước đó, độ rộng chùm tia radar đóng một vai trò quan trọng trong các đặc tính chính xác góc của chúng vì miễn là các mục tiêu nằm trong chùm tia radar thì sẽ có phản xạ. Vấn đề là nếu một số mục tiêu bay đủ gần để khoảng cách góc của chúng sẽ nhỏ hơn độ rộng chùm tia radar thì tín hiệu phản xạ sẽ bị kết hợp và radar sẽ chỉ hiển thị một mục tiêu duy nhất trên màn hình. Để có khả năng hiển thị 2 mục tiêu gần nhau thì chùm tia radar cần có khả năng quét qua khoảng trống giữa chúng mà không có tín hiệu phản xạ. Để cho dễ tưởng tượng thì giả sử beam width của radar là 15 độ thì ở khoảng cách 200 km tín hiệu của 2 mục tiêu bay ngang cách nhau 53 km cũng hòa vào làm 1. Ngoài ra chùm tia càng nhỏ thì năng lượng xung càng tập trung và radar có thể nhìn được càng xa
2- Gain: là 1 chỉ số thể hiện độ lợi của antenna thể hiện khả năng bức xạ công suất của sóng radio đưa tới cho nó, cứ hiểu 1 cách nôm na là gain càng lớn thì Beam width càng nhỏ, và ngược lại.
3- Pulse width/pulse length: Độ dài của mỗi xung được phát ra từ radar. Xung càng dài thì năng lượng càng lớn tuy nhiên cũng đồng nghĩa với việc range resolution sẽ giảm. Tất nhiên có cách giảm cái này nhờ vào pulse compression nhưng đó là topic khá phức tạp nên mình sẽ viết bài riêng
4- Range resolution: là khả năng của radar tách hai mục tiêu ở gần nhau trong 1 phạm vi và ở gần cùng một góc phương vị. Ví dụ: ở phía trước khoảng cách 100 km có 1 chiếc F-16, ở khoảng cách 102 km có 1 chiếc F-15 và ở khoảng cách 120 km có 1 chiếc F-18, các máy bay này ở cùng 1 góc phương vị. Nếu radar của bác có range resolution là 3 km thì sẽ phân tách được chiếc F-18 thành 1 mục tiêu riêng, nhưng không phân tách được chiếc F-15 và F-16 ở đây thành 2 mục tiêu, mà sẽ hợp thành 1 mục tiêu.
5- Resolution cell: Độ dài mỗi xung, độ rộng chùm tia theo chiều ngang và độ rộng chùm tia theo chiều dọc cùng tạo thành một ô ba chiều (nôm na chính là thể tích của chùm tia phát ra). Ô phân giải (resolution cell) là thể tích nhỏ nhất của vùng trời mà trong đó radar không thể xác định sự hiện diện của nhiều hơn một mục tiêu, hay nói cách khác là 1000 mục tiêu trong ô thì cũng chỉ tính là 1 và không thể biết rõ vị trí của mục tiêu nằm ở đâu trong ô này. Ô phân giải của radar là thước đo mức độ radar có thể phân giải các mục tiêu trong phạm vi, phương vị và độ cao. Kích thước ngang và dọc của ô độ phân giải thay đổi theo phạm vi. Càng xa radar, ô độ phân giải sẽ càng lớn , tức là độ chính xác càng tệ. Ví dụ beam width là 2 độ, ở khoảng cách 100km thì kích thước ngang và dọc của ô phân giải sẽ vào khoảng 3.5 km, ở khoảng cách 2500 km thì kích thước ngang và dọc của ô phân giải sẽ là 87 km.
Đã bao giờ các bác tự hỏi: tại sao radar VHF (dải tần số 30-300MHz) được quảng cáo chống tàng hình tốt như thế mà đa số các radar điều khiển hỏa lực vẫn nằm trong dải tầm S (2-4 GHz) tới X band (8-12 GHz) ?. Tại sao không lắp luôn radar HF (dải tần số 3-30 MHz) hay VHF lên máy bay cho nó máu?. Tại sao các radar OTH lại phải to đến thế?. Thực ra tất cả đều liên quan đến radar beam width và radar gain mà mình đã giải thích bên trên. . Không cần biết loại radar sử dụng là gì AESA hay PESA, thì độ rộng của chùm tia radar (Gain) vẫn có mối quan hệ trực tiếp với diện tích ăng ten và tần số hoạt động của radar. Về cơ bản, diện tích ăng ten càng lớn thì Gain càng lớn (hay nói cách khác là chùm tia càng bé). Ngược lại, radar hoạt động ở tần số càng thấp thì để đạt cùng 1 mức gain, diện tích của ăng ten lại càng phải lớn. Ví dụ ở tần số 3 Ghz, radar với đường kính 1 mét đã có thể có chỉ số gain tương ứng 30 dBi tuy nhiên ở tần số 300 MHz thì radar có đường kính 10 mét thì chỉ số gain cũng chỉ đạt tầm 29 dBi mà thôi. Hay nói 1 cách đơn giản lý do người ta không sử dụng radar dẫn bắn tần số HF hay VHF trên máy bay chiến đấu hay thậm chí tàu chiến đơn giản là vì chúng cần kích cỡ siêu to khổng lồ thì chùm tia radar của chúng mới có thể đủ nhỏ để nhìn được chính xác.
Phần II Radar tần số thấp và máy bay tàng hình
Có lẽ chúng ta đã nghe rất rất nhiều về việc radar tần số thấp sẽ khiến máy bay tàng hình trở thành vô dụng, hoặc radar tần số thấp là khắc tinh của máy bay tàng hình. Vậy trong bài này mình sẽ giải thích lý do cho những phát ngôn này.
Trước khi hiểu được tại sao radar tần số thấp lại chống tàng hình, thì trước tiên, cần hiểu sóng radar phản xạ lại từ vật thể như thế nào. Về cơ bản tín hiệu phản xạ radar của mục tiêu (RCS) là tổng năng lượng phản xạ từ các phương thức sau:
1 - Specular return (Phản xạ dạng gương): đây là dạng phản xạ với cường độ lớn nhất trong vùng quang học (khi kích thước cấu trúc> 10 lần bước sóng), bề mặt hoạt động như một tấm gương đối với xung radar tới. Phần lớn năng lượng rađa tới được phản xạ theo quy luật phản xạ gương (góc phản xạ bằng góc tới). Thiết kế hình khối đặc biệt của máy bay tàng hình khiến sóng radar từ phản xạ dạng này không quay trở lại nguồn phát. Tuy nhiên vẫn cần nhớ là sóng phản xạ vẫn tuy theo quy luật với cùng 1 kích cỡ antenna phát thì tần số càng thấp, beamwidth càng lớn. Hay nói cách khác, khi sử dụng sóng tần số thấp hơn, thì chùm tia phản xạ sẽ có góc lớn hơn, kéo theo đó là sẽ dễ có khả năng quay lại nguồn phát hơn, bù lại thì góc to hơn cũng đồng nghĩa với việc độ tập trung năng lượng bị giảm đi cực nhiều. (Giải thích có thể hơi tối nghĩa, các bác xem ảnh sẽ hiểu)
2 - Traveling/Surface wave scattering (Phản xạ sóng bề mặt): khi sóng radar chiếu vào thân máy bay, nó có thể tạo ra một dòng điện di chuyển trên bề mặt lan truyền dọc theo đường dẫn đến các ranh giới bề mặt như mép cánh, các mép panel... vv, các ranh giới bề mặt đó có thể tạo ra sóng phản xạ truyền theo hướng ngược lại hoặc làm cho sóng radar phân tán theo nhiều hướng. Loại phản xạ này có thể được giảm thiểu bằng vật liệu hấp thụ radar, cấu trúc hấp thụ radar, giảm số lượng rãnh trên bề mặt hoặc thiết kế các cạnh panel răng cưa theo hướng nhất định để các sóng phản xạ không quay lại nguồn phát
3 - Creeping wave return (Sóng quay trở lại):đây là một dạng surface wave không bị phản xạ bởi chướng ngại vật khi di chuyển dọc theo bề mặt vật thể và không gặp các khoản gián đoạn, do đó nó có thể đi vòng xung quanh vật thể để quay trở lại nguồn radar. Thông thường là cường độ creeping wave return thấp hơn Specular return khá nhiều.
4-Diffraction (Nhiễu xạ): sóng đánh vào bề mặt hoặc cạnh sắc ví dụ như đầu cánh, cạnh cửa hút khí hay các điểm góc cạnh khác sẽ bị phân tán theo nhiều hướng thay vì tuân theo quy luật phản xạ gương.
Sóng radar từ các phương thức phản xạ nêu trên sẽ cùng hợp vào nhau, tạo thành tiết diện phản xạ radar. Về cơ bản tỷ lệ (trên tổng) của mỗi phương thức phản xạ sóng radar đã nêu bên trên phụ thuộc rất nhiều vào kích cỡ vật thể so với độ dài sóng radar, quy luật có thể chia ra làm ba vùng:
Vùng quang học optical region):được áp dụng khi chu vi của vật thể lớn hơn độ dài sóng radar khoảng 10 lần trở lên, ví dụ giả sử vật thể là 1 quả cầu thì đây là vùng mà chu vi của quả cầu này sẽ lớn hơn độ dài sóng radar*10. Trong chế độ này, phương thức phản xạ sóng radar chiếm tỷ lệ % lớn nhất trong tổng năng lượng phản xạ lại là phản xạ dạng gương (specular return). Trong vùng này, cơ chế sóng bề mặt (surface wave) vẫn hiện diện nhưng góp phần vô cùng nhỏ vào RCS.
Vùng Mie/Vùng cộng hưởng (Mie region, resonance region):được áp dụng khi chu vi của vật thể ở vào khoảng 1/10 tới tối đa là bằng 1 lần độ dài sóng radar. Giả sử vật thể là 1 quả cầu thì: Độ dài sóng radar*0.1 ≤ Chu vi quả cầu ≤ Độ dài sóng radar*1. Trong vùng này Surface wave sẽ trườn 1 vòng quanh vật thể và giao thoa tăng cường (constructive interference) hoặc giao thoa triệt tiêu (destructive interference) với sóng phản xạ Specular (giao thoa này có thể khiến tổng tiết diện phản xạ radar tăng lên, nhưng cũng có thể làm nó bé đi nhé). Do sóng có xu hướng trườn quanh bề mặt vật thể thay vì phản xạ dạng gương nên thiết kế hình dáng góc cạnh của máy bay tàng hình ít có tác dụng. Ngoài ra, cường độ của surface wave và diffraction cũng tăng theo bình phương của bức sóng. Đây chính là lý do các radar UHF, VHF, HF có thể phát hiện vật thể tàng hình 1 cách dễ dàng hơn. Trong vùng Mie, cường độ phản xạ từ creeping wave bắt đầu lớn dần, và đạt mức tối đa khi chiều dài sóng bằng kích cỡ vật thể.
Vùng Rayleigh (Rayleigh region): được áp dụng khi chiều dài sóng radar còn lớn hơn cả vật thể, trong vùng này thì sóng radar sẽ bị tán xạ , các chi tiết cụ thể của hình học mục tiêu không còn quan trọng. Sóng radar dài hơn cấu trúc và đẩy dòng điện từ bên này sang bên kia khiến nó hoạt động giống như một antenna lưỡng cực và phát ra sóng điện từ theo hầu hết các hướng, hiện tượng này gọi là tán xạ Rayleigh. Điểm cực kì đặc biệt của vùng Rayleigh là sóng radar càng dài (tần số càng thấp) thì tiết diện phản xạ radar của mục tiêu sẽ càng nhỏ
Cũng cần phải nhớ là với vật thể có hình dạng đơn giản ví dụ như quả cầu, có thể biết được quả cầu đó ở vùng nào so với sóng radar chỉ cần biết chu vi quả cầu và độ dài sóng, ví dụ chu vi quả cầu là 1 mét, độ dài sóng radar là 1 cm thì phản xạ sóng radar từ quả cầu sẽ tuân theo quy luật của vùng quang học. Trái lại, với phương tiện chiến đấu như máy bay tàu chiến, sẽ có rất nhiều chi tiết với kích thước to nhỏ khác nhau, dẫn đến hiện tượng là với cùng 1 độ dài sóng radar: 1 số chi tiết sẽ ở vùng Mie, 1 số chi tiết sẽ ở vùng Rayleigh, 1 số chi tiết sẽ ở vùng quang học.
Vậy có cách nào giúp máy bay tàng hình chống lại khắc tinh của chúng là radar tần số thấp không? hay ít nhất là cũng làm giảm hiệu quả chống tàng hình của radar tần số thấp?. Câu trả lời là Có
Do bản chất sóng radar tần số thấp đánh bại thiết kế hình dáng đặc biệt của máy bay tàng hình nhờ vào creeping wave return và surface wave scattering nên để giảm hiệu quả của sóng radar tần số thấp đối với máy bay tàng hình thì quan trọng nhất là giảm tác động của 2 phương thức phản xạ này.
Phương pháp thứ 1, ảnh hưởng tiêu cực của creeping wave return và surface wave scattering có thể được giảm bớt bằng cách: sắp xếp các điểm gián đoạn để hướng phản xạ của surface wave sẽ không quay ngược trở lại hướng radar phát. Nếu các bác để ý kỹ thì sẽ thấy ở trên máy bay tàng hình, các phần tấm nắp đậy có thể mở ra được thường được thiết kế dạng răng cưa. Cốt yếu là để khi surface wave trườn tới các phần này và bị tán xạ, cũng không chiếu trực tiếp trở lại nguồn phát sóng
Hay như trên thiết kế của B-2 hay B-21, chúng ta cũng có thể thấy phần đuôi cánh được thiết kế dạng răng cưa thay vì cắt phăng thành hình tam giác.
Phương pháp thứ 2: như đã biết là surface wave sẽ gây tán xạ theo nhiều hướng khi gặp góc cạnh sắc hoặc khi đi tới vùng rãnh, môi trường không đồng nhất. Vậy để giảm ảnh hưởng của hiện tượng này thì phương án là giảm các góc cạnh sắc nét
Nếu các bác để ý thì sẽ thấy là trên máy bay tàng hình thế hệ thứ nhất như F-117, máy bay được tạo thành từ các miếng đa giác rất sắc nét, nhìn na ná như viên kim cương. Ngược lại, các máy bay tàng hình hiện đại ra đời sau như B-2, F-22, X-47, thường có các phần góc được bo tròn, mục đính chính là để giảm surface wave scattering.
Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhớ là, mặc dù hình dạng bo tròn các góc có thể giúp máy bay tàng hình hơn vì chúng làm giảm sự tán xạ bề mặt so với thiết kế sắc cạnh. Thiết kế thân máy bay tròn vo như cái ống thì lại cực kỳ không tốt, lý do là sóng bề mặt không bị tán xạ mà sẽ truyền đi một vòng tròn xung quanh thân máy bay và quay trở lại nguồn (creeping wave return)
Phương pháp thứ 3:
Có 1 số phần cạnh sắc trên máy bay, sẽ không thể bo tròn được, ví dụ như phần đầu, đuôi cánh , hay phần cửa hút khí. Sóng radar đánh vào các phần này cũng gây ra tán xạ theo nhiều hướng.
Vậy, để giải quyết vấn đề này thì người ta sử dụng 1 phương pháp gọi là xử lý cạnh (edge treatment). Mép đầu cánh và cửa hút khí có thể được thiết kế thành một bề mặt điện từ mềm, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng vật liệu nhẹ như sợi thủy tinh cấu trúc tổ ong, được nạp carbon với nồng độ tăng dần từ phần mép đến thân hoặc một miếng điện trở có thể được dán hoặc sơn lên phần mép cánh hoặc cửa hút khí để đạt được kết quả tương tự. Điện trở suất của tấm sẽ giảm từ cực đại ở đầu phía trước của mép xuống gần bằng không ở phía sau. Điện trở suất của tấm dán này có thể được tăng lên bằng cách thêm các lỗ và giảm bằng cách thêm các hạt kim loại trong đó.
Điều này cho phép dòng điện bề mặt chuyển đổi chậm cũng như được hấp thụ thay vì chuyển đổi đột ngột và tán xạ
Các bác có thể phát hiện phần edge treatment này rất dễ dàng nhờ vào phần sơn hơi nhạt so với các phần khác của máy bay.
Tất nhiên là phương án này cũng có nhược điểm nhỏ, đó là miếng dán điện trở phải có chiều rộng ít nhất bằng một nửa bước sóng để thực sự có hiệu quả. Ví dụ: miếng dán điện trở trên của hút khí của F-35 có chiều rộng khoảng 22-25,4 cm (ước lượng), thì tần số thấp nhất mà nó vẫn có thể hiệu quả là vào khoảng 0,5-0,7 GHz
Link https://basicsaboutaerodynamicsandavionics.wordpress.com/2016/04/12/radar-electronic-countermeasure/
