Tối ưu hóa kiến trúc thượng tầng để giảm diện tích bề mặt phản xạ của tàu nổi

Trong bài viết này, bằng phương pháp mô phỏng trên phần mềm Ansys Electronics Suite 2021, nhóm tác giả đề xuất phương án thiết kế lại tầng 2 và nóc cabin của tàu DV53 nhằm giảm diện tích bề mặt phản xạ của tàu.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Tối Ưu Hóa Kiến Trúc Thượng Tầng Để Giảm Diện Tích Bề Mặt Phản Xạ Của Tàu Nổi Lê Doãn Trinh1, Vũ Văn Hiếu1, Trần Thị Hồng Thắm2, Hoàng Ngọc Tùng3, Vũ Hoàng Sơn4 Viện thiết kế tàu quân sự, Tổng cục Cơng nghiệp quốc phịng Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn, Hà Nội, Việt Nam Khoa Kỹ thuật Tác chiến điện tử, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Thông tin Khoa kỹ thuật hàng không, Học viện Phịng khơng – Khơng qn Email: anhletrinhnd@gmail.com Abstract — Trong năm gần đây, ứng dụng cơng nghệ tàng hình để đóng gam tàu chiến nhằm giảm diện tích bề mặt phản xạ (RCS) tàu trở thành xu chung nước giới Trong báo này, phương pháp mô phần mềm Ansys Electronics Suite 2021, nhóm tác giả đề xuất phương án thiết kế lại tầng cabin tàu DV53 nhằm giảm diện tích bề mặt phản xạ tàu Kết tính tốn cho thấy rằng, trường hợp đa đơn tĩnh làm vát thành tầng cabin góc 100, góc nối chuyển thành mặt phẳng vát, loại bỏ thành phần trang trí, giữ nguyên cách bố trí trang thiết bị tàu tuyến hình tàu RCS lớn tàu DV53 theo phương án đề xuất đối tượng tác chiến tàu giảm 1.8 lần, đối tượng tác chiến phương tiện bay không người lái (UAV) giảm 3.2 lần so với RCS tàu DV53 nguyên nhiều lớp cột buồm gắn tàu khu trục [5], tối ưu hóa hình dạng cột buồm tàu [6] Tuy nhiên Việt Nam nghiên cứu để giảm RCS tàu hạn chế Việc thiết kế đóng tàu dựa thiết kế khơng có tính tàng hình Trong đó, việc mua lại thiết kế tàng hình nước giới khó, chi phí cao khơng khả thi Chính vậy, báo chúng tơi đề xuất phương án để tối ưu hóa kiến trúc thượng tầng nhằm giảm RCS tàu nổi, cụ thể tàu DV53 Để giảm RCS tàu DV53, báo nghiên cứu hình dáng bên ngồi tàu DV53 (phần II) để lựa chọn thành phần tiến hành tối ưu, từ lựa chọn tầng cabin tàu (phần III) để tiến hành tính tốn đề xuất phương án để giảm RCS chúng (phần IV) Cuối đánh giá ảnh hưởng RCS tầng cabin đến RCS tồn tàu (phần V) Keywords - Diện tích bề mặt phản xạ, đa đơn tĩnh, sóng vơ tuyến, DV53 I II GIỚI THIỆU Tàu DV53 (hình 1) tàu Việt Nam tự thiết kế đóng với chiều dài 53.2m, chiều rộng 9m Sự phát triển công nghệ tàng hình đại Mỹ bắt đầu vào năm 1958, đa số nước giới tính tốn sử dụng cơng nghệ tàng hình để chế tạo tàu chiến (tàu nổi) Bằng cách làm cho tàu chiến “biến mất” hình hiển thị đa đối phương, việc ứng dụng cơng nghệ tàng hình nâng cao khả tác chiến tàu chiến cách rõ rệt, tạo ưu vượt trội chiến trường Các tàu chiến ứng dụng công nghệ tàng hình bật giới phải kể đến như: tàu US2000 Thụy Điển, tàu Zumwalt Mỹ, tàu La Fayette Pháp, tàu tên lửa thuộc dự án 22160 22631 Nga Trong năm gần đây, nhiều nghiên cứu giảm RCS tàu chiến công bố với nhiều phương pháp khác phân tích mặt cắt ngang tàu hải quân [2], sử dụng vật liệu siêu hấp thụ đa (vật liệu tải trọng phản kháng) [3], nghiên cứu quy trình thiết lập giá trị tiêu chuẩn giá trị mục tiêu cho mơ hình tàu hải qn [4], sử dụng lớp phủ điện môi ISBN 978-604-80-5958-3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Hình Tàu DV53 Tuy nhiên, thiết kế khơng có tính tàng hình Vật liệu tàu tàu thép tàu khơng sử dụng vật liệu có khả hấp thu sóng điện từ Để giảm RCS tàu DV53, báo tối ưu hóa hình dáng bên ngồi tầng cabin (hình 2) Vì phần ảnh 210 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) hưởng lớn đến RCS tàu, việc tối ưu hóa hình dáng phần không ảnh hưởng lớn đến việc xắp xếp bố trí lại thiết bị tàu, tuyến hình tàu a) a) b) b) Hình RCS tầng cabin tàu DV53 nguyên đối tượng tác chiến tàu (a) UAV (b) đối phương Hình thể RCS tầng cabin tàu DV53 nguyên đối tượng tác chiến tàu (a) UAV (b) đối phương Ngoài ra, đối tượng tác chiến tàu vách tầng cabin vng góc với sóng tới, RCS tầng cabin tính cơng thức sau [7]: RCS = 4πS12/λ2 + 4πS22/λ2 Trong đó: λ – Bước sóng sóng tới (c/f = 0.1m); S1 – Diện tích vách tầng vng góc với sóng tới φ = 900; S2 – Diện tích vách cabin vng góc với sóng tới φ = 900 Từ đó, RCS tầng cabin bằng: RCS = 4π(3*8.2)2/(0.1)2 + 4π(2.2*12.1)2/(0.1)2 = 1.65*106 (m2) Từ hình kết tính tốn, thấy với phương pháp mô RCS lớn tầng cabin tàu DV53 nguyên đối tượng tác chiến tàu = 1.89*106 m2 φ = 900, gần phương pháp tính tốn Khi đối tượng tác chiến UAV = 57754 m2 φ = 1800 c) Hình Tầng cabin tàu DV53 Việc tính tốn RCS tàu tiến hành phần mềm Ansys Electronic 2019 R3 phương pháp SBR+ [1] RCS tàu tính toán với phần đường thước nước tàu III RCS TẦNG VÀ NÓC CABIN CỦA TÀU DV53 NGUN BẢN Phần tính tốn RCS tầng cabin tàu DV53 nguyên đối tượng tác chiến tàu mặt nước là: tàu UAV đối phương trường hợp đa đơn tĩnh (ăng ten thu ăng ten phát nằm vị trí) Đối với đối tượng tác chiến tàu nổi, tàu ta tàu đối phương nằm mặt phẳng góc tà (ε) sóng tới = 900 Đối với đối tượng tác chiến UAV, giả sử đối tượng tác chiến General Atomics MQ-9 Reaper Mỹ bay độ cao 10km sử dụng hệ thống đa AN/APY-8 Lynx II, phát tàu ta khoảng cách 40km Lúc góc tà (ε) sóng tới = 900-atan(10/40) = 760 Do thuyền có tính đối xứng qua trục Ox, phương vị (φ) sóng tới xét khoảng từ 00 đến 1800 Tần số đa quan sát đối phương hoạt động băng tần S với f = 3GHz ISBN 978-604-80-5958-3 211 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Nguyên nhân làm cho giá trị RCS tầng cabin tàu DV53 tính tốn phương pháp mơ phương pháp tính tốn có khác phương pháp tính tốn tính tốn RCS mặt phẳng có độ phản xạ lớn khơng tính tốn đến thành phần có cấu trúc phức tạp cộng hưởng sóng phần với IV Từ hình 5, thấy RCS lớn tầng cabin tàu DV53 theo phương án đề xuất đối tượng tác chiến tàu = 4443 m2 φ = 1800 giảm 425 lần so với RCS tầng cabin tàu DV53 nguyên (1889751 m2) RCS TẦNG VÀ NÓC CABIN CỦA TÀU DV53 THEO PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT A Phương án đề xuất Do thay đổi góc nghiêng vách tàu RCS vách tàu thay đổi theo hàm sin(x)/x [7], vậy, từ đánh giá phần trên, để giảm RCS tầng cabin tàu DV53 ngun mà khơng ảnh hưởng đến bố trí trang thiết bị tuyến hình tàu, nhóm tác giả đề xuất phương án sau: - Làm vát thành tầng cabin tàu DV53 góc 100; - Các thành phần khơng cần thiết bị loại bỏ (phần nhơ lên cabin); - Các góc nối chuyển thành mặt phẳng vát Hình dáng tầng cabin tàu DV53 theo phương án đề xuất thể hình Hình RCS tầng cabin tàu DV53 theo phương án đề xuất đối tượng tác chiến tàu C Đối tượng tác chiến UAV Hình thể RCS tầng cabin tàu DV53 theo phương án đề xuất đối tượng tác chiến UAV Từ hình 6, thấy RCS lớn tầng cabin tàu DV53 theo phương án đề xuất đối tượng tác chiến UAV = 11333 m2 φ = 1800 giảm lần so với RCS tầng cabin tàu DV53 nguyên (57754 m2) a) b) Hình RCS tầng cabin tàu DV53 theo phương án đề xuất đối tượng tác chiến UAV c) Hình Hình dáng tầng cabin tàu DV53 theo phương án đề xuất V RCS CỦA TÀU DV53 THEO PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT B Đối tượng tác chiến tàu A Đối tượng tác chiến tàu Hình thể RCS tầng cabin tàu DV53 theo phương án đề xuất đối tượng tác chiến tàu Hình thể RCS tàu DV53 nguyên (màu đỏ) theo phương án đề xuất (màu xanh), hình ISBN 978-604-80-5958-3 212 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) thể biểu đồ phản xạ ngược tàu DV53 theo phương án đề xuất đối tượng tác chiến tàu Hình RCS tàu DV53 nguyên (màu đỏ) theo phương án đề xuất (màu xanh) đối tượng tác chiến UAV Hình RCS tàu DV53 nguyên (màu đỏ) theo phương án đề xuất (màu xanh) đối tượng tác chiến tàu dB dB Hình 10 Biểu đồ phản xạ ngược tàu DV53 theo phương án đề xuất đối tượng tác chiến UAV Hình Biểu đồ phản xạ ngược tàu DV53 theo phương án đề xuất đối tượng tác chiến tàu VI Trong báo, nhóm tác giả đề xuất phương án thiết kế lại tầng cabin tàu DV53 nhằm giảm RCS tàu khơng làm thay đổi đến vị trí bố trí thiết bị tàu tuyến hình tàu Kết tính tốn cho thấy rằng, RCS lớn tàu DV53 theo phương án đề xuất đối tượng tác chiến tàu giảm 1.8 lần, đối tượng tác chiến UAV giảm 3.2 lần so với RCS tàu DV53 nguyên Từ hình 7, thấy đối tượng tác chiến tàu nổi, RCS lớn tàu DV53 theo phương án đề xuất = 4044552 m2 giảm 1.8 lần so với RCS tàu DV 53 nguyên (7264310 m2) B Đối tượng tác chiến UAV Hình thể RCS tàu DV53 nguyên (màu đỏ) theo phương án đề xuất (màu xanh), hình 10 thể biểu đồ phản xạ ngược tàu DV53 theo phương án đề xuất đối tượng tác chiến UAV LỜI CÁM ƠN Nghiên cứu tài trợ ngân sách nghiệp khoa học Viện thiết kế tàu quân sự, Tổng cục Cơng nghiệp quốc phịng Từ hình 9, thấy đối tượng tác chiến UAV, RCS lớn tàu DV53 theo phương án đề xuất = 40963 m2 giảm 3.2 lần so với RCS tàu DV53 nguyên (133633 m2) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] ISBN 978-604-80-5958-3 KẾT LUẬN 213 Банков C.Е., Гутцайт Э.М., Курушин А.А., Решение оптических и СВЧ задач с помощью HFSS, Москва, «Оркада», 2012, 250c Hyun-Wung Kwon, Suk-Yoon Hong, Kwang-Kook Lee, JongChul Kim, In-Chan Na, Jee-Hun Song, Analysis of Radar Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) [3] [4] Cross Section for Advanced Naval Vessels, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety Research Paper, Vol 20, No 5, pp 593-600, October 31, 2014 Joon-Tae Hwang, Suk-Yoon Hong, Hyun-Wung Kwon, JongChul Kim, Jee-Hun Song, Analysis of Radar Cross Section for Naval Vessels with Metamaterials and Radar Absorbing Materials, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety Research Paper, Vol 21, No 6, pp 737-743, December 31, 2015 Byeongjun An, Sangkui Seo, A Study on the Setting Procedure of Standard Value and Design Target Value for the RCS Reduced Design for Naval Ships, The journal of Korean ISBN 978-604-80-5958-3 [5] [6] [7] 214 institute of electromagnetic engineering and science, vol 26, pp 581-588, Jun., 2015 Lee J.H., Ra Y.E., Lee K.M., Jang J.S., Design of RCS reduction structure of integrated mast on the destroyer, J Inst Korean Electr Electron Eng., Vol 24, pp 238–242, 2020 Hokeun S., Daeyeong Y., Chanyeong K., Young S.Y., Man G.L., Joon Y.P., Keum C.H and Yong B.P., Shape Optimization of an Integrated Mast for RCS Reduction of a Stealth Naval Vessel, Appl Sci., Vol 11, pp 2819-2823, 2021 Naval air warfare center weapons div point mugu ca, Electronic Warfare and Radar Systems Engineering Handbook, 4th Edition, Sep, 2013 ... đến RCS tàu, việc tối ưu hóa hình dáng phần không ảnh hưởng lớn đến việc xắp xếp bố trí lại thiết bị tàu, tuyến hình tàu a) a) b) b) Hình RCS tầng cabin tàu DV53 nguyên đối tượng tác chiến tàu (a)... RCS lớn tầng cabin tàu DV53 theo phương án đề xuất đối tượng tác chiến tàu = 4443 m2 φ = 1800 giảm 425 lần so với RCS tầng cabin tàu DV53 nguyên (1889751 m2) RCS TẦNG VÀ NÓC CABIN CỦA TÀU DV53... tầng cabin tàu DV53 nguyên đối tượng tác chiến tàu mặt nước là: tàu UAV đối phương trường hợp đa đơn tĩnh (ăng ten thu ăng ten phát nằm vị trí) Đối với đối tượng tác chiến tàu nổi, tàu ta tàu đối