שטח חתך מכ"ם

שטח חתך מכ"ם, בראשי תיבות שח"ם (באנגלית: Radar Cross Section - RCS), הוא המידה של ההד (ההחזר) המכ"מי של עצם או מדד הגילוי של העצם על ידי מכ"ם. כאשר גלים אלקטרומגנטיים משודרים לעבר מטרה מסוימת, רק חלק קטן מהקרינה מוחזר אל המכ"ם. שח"ם נמדד בדרך כלל ביחידות של מטר רבוע. ידיעת השח"ם קריטית בפיתוח מכ"מים וכלים חמקניים, ובפרט מטוסים חמקניים. השח"ם של כלי או פלטפורמה מסוימים נשמר בסוד בדרך כלל. לשח"ם יש שימושים בכל התחומים הקשורים למכמ"ים ובהם שח"ם של ענני גשם בחיזוי מזג אוויר.

הגדרה מתמטית

הגדרת משוואת שח"ם:

P_{r}={{P_{t}G_{t}} \over {4\pi r^{2}}}\sigma {{1} \over {4\pi r^{2}}}A_{eff}

כאשר :

$P_{t}$ = ההספק המשודר על ידי המכ"ם (וואט)
$G_{t}$ = הגבר אנטנת השידור (ללא יחידות)
$r$ = המרחק בין המכ"ם למטרה (מטרים)
$\sigma$ = שח"ם (מטרים ריבועים)
$A_{eff}$ = שטח אפקטיבי של אנטנת הקליטה של המכ"ם (מטרים ריבועים)
$P_{r}$ = ההספק המוחזר מהמטרה למכ"ם (וואט).

השח"ם כפונקציה של אורך הגל

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה.

שטח חתך המכ"ם של עצם יכול להיות שונה מאוד משטח החתך הגאומטרי שלו, ולעיתים קרובות, בעזרת צורה נכונה, מתאפשר ששטח חתך המכ"ם יהיה רק שבריר משטח החתך הגאומטרי.

בפיתוחים מתמטיים הקשורים לחיזוי השח"ם של עצם כלשהו נהוג להפריד בין שלושה "משטרים" שונים: תחום ריילי של אורכי גל ארוכים (גדולים בהרבה מהמטרה), תחום מיי של אורכי גל בינוניים (מסדר גודל של המטרה) והתחום האופטי של אורכי גל קצרים (קטנים בהרבה מגודל המטרה). התנהגות השח"ם שונה בכל אזור עקב אפקטים שונים הנגזרים מתורת הגלים. באיור משמאל מוצג הפתרון לשח"ם של כדור כתלות בתדירות המוקרנת עליו, הידוע כפתרון מיי, על שם מפתחו גוסטב מיי.

בתחום ריילי של אורכי גל ארוכים התנהגות השח"ם היא פחות או יותר לפי החזקה הרביעית של התדירות (וזה נכון לא רק לכדור). תחום מיי הוא אוסצילטורי מאוד באופיו עקב תכונות העקיפה וההתאבכות של הגלים הכדוריים הנפלטים מפני השטח שלו (בהתאם לעקרון הויגנס) - כיוון שאורך הגל הוא מסדר גודל של המטרה, אזורים שונים של המטרה מקרינים גלים בפאזה שונה, כך שהמידה בה יש ביניהן התאבכות בונה תלויה באופן מדויק בתדירות. בפרט, במקרה של כדור, התנודות בשח"ם נגרמות על ידי שינוי הפרש הפאזה בין הגל המוחזר ישירות מהמטרה (לאנטנת המכ"ם) לגל הזוחל (creeping wave) שמצליח "להשלים עקיפה" מלאה מסביב לכדור (דהיינו משלים סיבוב סביב הכדור). באופן הכללי ביותר בתחום זה השח"ם הוא פונקציה מורכבת של צורת הגוף והיחס בין סדר הגודל של הגוף לאורך הגל. באזור האופטי של אורכי גל קצרים התנהגות השח"ם היא הדומה ביותר להתנהגות המצופה מהמודלים הקלאסיים - השח"ם הוא פחות או יותר כמו הגודל המטרה. בפרט, במקרה של כדור, בגבול של תדירות אינסופית השח"ם משתווה לשטח של מעגל גדול.

דוגמה לשח"ם של מטרה מורכבת: שני כדורים במרחק זה מזה

נחשב את השח"ם של מטרה מורכבת (complex target) "פשוטה" באופן יחסי המורכבת משני אובייקטים שווים בגודלם ואיזוטרופיים (כדורים) שמופרדים זה מזה במרחק l. פיזור איזוטרופי פירושו שהשח"ם של כל גוף לא תלוי בזווית הראייה (viewing aspect). ההפרדה l קטנה מ- $c\tau /2$ כש- $\tau$ הוא האורך הזמני של פולס מכ"ם. בנוסף נניח ש-l<<R כש-R הוא המרחק לאמצע הקו המחבר בין הכדורים. עוצמת ההחזרה המתקבלת ממטרה כזאת היא הסכום הפאזי של החזרות משני הכדורים. הווה אומר, המתח החשמלי המתקבל במקלט המכ"ם הוא מהצורה: $V=V_{1}+V_{2}=K{\sqrt {\sigma _{0}}}cos(\phi _{1})+K{\sqrt {\sigma _{0}}}cos(\phi _{2})$ , כאשר $\phi _{2}$ ו- $\phi _{1}$ הם הפאזות של ההחזרות התלויות במרחקים $R_{1}$ ו- $R_{2}$ מאנטנת המכ"ם אל כל אחד מהכדורים, $\sigma _{0}$ הוא השח"ם של כל אחד מהכדורים ו-K הוא קבוע התלוי בפרמטרים שבמשוואת המכ"ם. לכן:

$V=K{\sqrt {\sigma _{0}}}(cos(4\pi /\lambda (R-l/2sin\theta ))+cos(4\pi /\lambda (R+l/2sin\theta )))$ .

מטריגונומטריה: $cosA+cosB=2cos((A+B)/2)cos((A-B)/2)$ ונקבל אחרי פישוט:

$\sigma _{\theta }=2\sigma _{0}(1+cos(4\pi /\lambda *lsin\theta ))$ .

$\sigma _{\theta }$ יכול להשתנות כתלות בזווית ממינימום של אפס למקסימום של 4 פעמים שטח חתך המכ"ם של כל אחד מהכדורים האינדיבדואליים. גרף של $\sigma _{\theta }$ בקואורדינטות פולריות נראה כמו פונקציית "פרח". מספר ה-"עלים" של הפרח תלוי בתדירות המכ"ם המשדר (באורך הגל של הקרינה). גרף זה עוזר להבין את תופעת הנצנוץ (scintillation) המתרחשת בתדרים גבוהים במיוחד כתוצאה משינוי קטן באוריינטציה של המטרה. דוגמה פשוטה זו עוזרת להדגים את תלות גרף השח"ם בתדירות במטרות מורכבות בהרבה. דבר אחד שלא נלקח בחשבון בחישוב הזה הוא החזרות פנימיות (interreflctions) שמתרחשות בתוך המטרה ונשלחות חזרה אל אנטנת המכ"ם ובכך מעלות את השח"ם. בדוגמה הזאת, השפעת החזרות אלו זניחה (אם המרחק בין הכדורים קטן בהרבה מאורך הגל, ההחזרות מסדרים גבוהים יותר בקירוב באותו מופע, ולכן תוספת השח"ם מתנהגת כמו סכום סדרה הנדסית עם מנה $1/l^{2}$ ותוספת השח"ם היא: $d\sigma =2\pi *r^{2}*{\frac {1}{l^{2}-1}}$ ), אך במטרות רציפות כמו מטוסים החזרים אלו יכולים להיות משמעותיים. באמצעות עיצוב מתאים של צורת גוף המטוס, למשל עיצובו כאוסף משטחים ישרים המרחיקים את ההחזרים הפנימיים מהכיוון ממנו (המשטחים הישרים מהווים מעין מראות בזוויות הטיה שונות שביחד יוצרות החזר בכיוון שונה מכיוון המכ"ם) מגיעה קרן המכ"ם, ניתן להשיג יכולת שליטה טובה יותר בכיוון ההחזרה. לצורך ביצוע החישובים העצומים הדרושים כדי להפיק פלטפורמה חמקנית באמת, פותחה תוכנה מתקדמת לחישובי שטח חתך מכ"ם בשם Echo 1.

השח"מה - הקטנת השח"ם

השח"מה היא שינוי של מבנה פיזי או הרכב חומרים וטכנולוגיה של פלטפורמה רכובה, אווירית או ימית, על מנת להקטין את שטח חתך המכ"ם שלה. פעולה זו לרוב מבוצעת במסגרת שדרוג פלטפורמות צבאיות במטרה להקטין את הסיכוי שלהם להתגלות במכ"ם, ולהגדיל את שרידותם.

טיפול צורני

טיפול צורני הוא שינוי המבנה או הצורה של דפנות הכלים כך שהחזרת המכ"ם שלהם תהיה בעיקר בכיוון ששונה מכיוון השידור. בדרך כלל יש כיוון שמטופל יותר מהאחרים כדי ליצור "חרוט של שקט" בכיוון הטיסה כלומר כיוונים בהם השח"ם נמוך במיוחד.

כדי לבצע טיפול צורני יעיל, ניתן, בעזרת שימוש בתוכנות מתקדמות מסוימות, לחזות את דפוס הפיזור של פלטפורמה מסוימת לחזית גל מישורית באורך סופי, ולאחר מכן לבחור בפלטפורמה המתאימה לפי קריטריונים מסוימים, למשל של שח"ם מונוסטאטי ממוצע (כאשר המיצוע נעשה על כל הכיוונים) נמוך ביותר, או כפי שתואר לעיל של חרוט של שקט בכיוון הטיסה. בחינה כזו של דפוס הפיזור של צורות שונות הובילה למשל את המדענים בראשית הפיתוח של מטוסי החמקן ל-"יהלום חסר התקווה" (Hopeless Diamond) .הארכיטקטורה של הפלטפורמה החמקנית עוברת תהליך אופטימיזציה. תחת ההנחה של חזיתות גל באורך אינסופי השדה האלקטרומגנטי מסביב למטוס מגיע ל-"שיווי משקל" ולערך קבוע בכל נקודה (X,Y,Z) על "שפת" המטוס. אם מחלקים את האבולוציה של פלטפורמות חמקניות לשלבים, כך שבכל שלב נעשה שינוי צורני קל בפלטפורמה, אזי בכל שלב שטח חתך המכ"ם של הפלטפורמה רגיש במיוחד להוספת בליטות באזורים "חמים" - כאלה שהשדה האלקטרומגנטי בהם חזק יחסית (כמובן שהאזורים החמים משתנים בין שלב ושלב). זהו העיקרון המנחה מאחורי הטיפול הצורני במטוסים חמקנים.

ניתן לבחין בקלות בטיפול צורני במטוסים חמקניים כמו המטוס החמקן F-117 שתוכנן בשנות ה-70 מכוסה במשטחים ישרים שנועדו להחזיר את החזרי המכ"ם לכיוונים אחרים. B-2 שתוכנן מספר שנים מאוחר יותר, בעל הרבה יותר משטחים ויכולת שליטה טובה יותר בכיווני ההחזרה. ההבדל בין שני המטוסים נובע בעיקר בכוח המחשוב שהשתפר בינתיים. ניתן לראות המשך המגמה של טיפול בשח"ם במטוסים מתקדמים כגון ה-F-22 או מטוס ה-JSF.

ביטול אקטיבי

השיטה השנייה היא שידור אות מכ"ם חזרה לכיוון המכ"ם בעוצמה זהה ובפזה הפוכה ובכך לנטרל את האות המוחזר. לשם כך נדרש לדעת את מאפייני השידור וההחזרה בצורה מושלמת כדי ליצור התאבכות הורסת. מעבר לקושי בהבנת האות המשודר נדרש כוח חישוב רב כדי לנבא את המשך ההחזרה והשתנות האות בזמן בפרט תוך כדי תמרונים.

טיפול משטחי RAM

אם ידוע תדר המכ"ם המאיים בצורה טובה ניתן לצפות את המשטח עם חומר אשר מקטין מאוד את ההחזר בתדר המבוקש. ניתן להשתמש בשיטה זו גם כשדרוג למטוס קיים וגם כחלק מתהליך היצור.

ישנן שתי שיטות לטיפול משטחי:

רזוננטי - עובי הציפוי הוא כרבע אורך גל של האות. האות מוחזר גם מהציפוי וגם מהמשטח ולכן שני האותות מתאבכים התאבכות הורסת ומבטלים זה את זה.
לא רזוננטי - משתמשים בציפוי בעל תכונות של החזרה דיפוסיבית וההחזרה היא פחות כיוונית - יש בליעה מוגברת במשטח עצמו. בדרך כלל מיסוך על ידי חלקיקים בגודל של אורך הגל. היתרון המרכזי של הטכניקה הלא רזוננטית היא אפקטיביות ברוחב פס גדול יותר, במחיר של יעילות בינונית.

שח"ם ביסטטי

השח"ם שהוזכר עד כה הוא בעצם שח"ם מונוסטטי כלומר האנרגיה שחוזרת לכיוון המשדר אולם במכ"ם ביסטטי המקלט והמשדר אינם בהכרח באותו המקום ולכן שיטות הורדת השח"ם אינן יעילות, וצריך לחשב או למדוד את השח"ם עבור זוויות שונות בין המקלט המשדר והמטרה.

ראו גם

.