Askeri Hedeflerin Radar Ara Kesitlerinin (RCS) Hesaplanması ve Görünmezlik (Stealth) Tekniklerinin Geliştirilmesi RCS Hesaplamaları Levent GÜREL 1 Uçak, helikopter, roket veya gemi gibi büyük geometrilerin radar ara kesitlerinin (radar cross section: RCS) hesaplanması askeri açıdan stratejik öneme sahiptir. Bu hesaplamanın yapılması için bir yöntem yansıtmasız odalar (anechoic chamber) kurarak söz konusu hesaplamaları deneysel ortamda yapmaktır. Ancak RCS si hesaplanacak hedef büyüdükçe bu odaların da maliyetleri artmaktadır. RCS ölçümleri için bir alternatif de sayısal elektromanyetik (EM) çözüm teknikleri kullanılarak bu hedeflerin modellenmesidir. Ancak askeri açıdan önemli geometrilerin modellenmesi karşımıza çok büyük sayısal problemler çıkarmaktadır. Böyle büyük problemleri de sayısal olarak çözmek olanaksızdır. Bu nedenle, tüm dünyada hızlı çözüm algoritmaları geliştirilmektedir. Bu yöntemlerden biri de hızlı çokkutup yöntemidir (fast multipole method: FMM). Geleneksel sayısal yöntemler, örneğin, momentler metodu (method of moments: MoM), N bilinmeyenli bir RCS probleminin çözümü için O(N 3 ) işlem ve O(N 2 ) bellek karmaşıklığı gerektirirken, FMM metodunun özelliği, aynı RCS problemi için hem işlem, hem de bellek kullanımını O(N 1.5 ) mertebesine indirerek çözebilmesidir. FMM çözümünde hiçbir zaman matris denkleminin tam olarak kurulmaması ve dolayısıyla tüm matrisin saklanmasının gerekmemesi bu basitleştirmenin ana sebepleridir. FMM metodunun getirdiği yeniliklerle geleneksel metodlarla on günde çözülebilen bir sayısal elektromanyetik problemi bir günde çözülebilmektedir. Bu bildiride, FMM gibi hızlı çözüm algoritmalarının geliştirilmesi ve büyük problemlere uygulanması anlatılacaktır. Ayrıca bir problemin farklı tekniklerle çözülmesinin kazandıracağı zaman da örneklenecektir. Şekil 1. RCS bilgisi hesaplanacak olan örnek bir tank geometrisinin bilgisayar ortamında modellenmesi. 1 1964 yılında İzmir de doğmuş olan Doç. Dr. Levent Gürel, Bilkent Üniversitesi nin Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü nde öğretim üyesi olarak görev yapmaktadır.
Örnek Askeri Hedefler Şekil 1 de RCS ve stealth çalışmalarında kullanılmak üzere Bilkent Üniversitesi nde geliştirilmiş olan örnek bir tank modeli gösterilmiştir. Bu örnek modelin geometrisini herhangi bir özel proje kapsamına daha uygun olacak şekilde değiştirmek olasıdır. Şekil 2 de yine Bilkent Üniversitesi nde geliştirilmiş olan bir F-16 uçak modelinin üç farklı yönden görünümü verilmiştir. Bu model kendi içinde oldukça gelişmiş bir model olmasına rağmen, daha da gelişmiş F-16 uçak modelleri üstündeki çalışmalarımız sürmektedir. Şekil 3 te oldukça gerçekçi bir F-5 uçak modeli gösterilmiştir. Yine Bilkent Üniversitesi nde gerçekleştirilmiş olan bu modelin de geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Şekil 1, 2 ve 3 te gösterilen bütün modellerin geometri karmaşıklıkları, eğri yüzeylerin ustaca kullanımı ve eğri yüzeylerin birbirleriyle olan mükemmel birleşmeleri, bundan sonra daha da karmaşık geometrileri modelleyebilmemiz konusunda güven yaratmaktadır. Şekil 4 te RCS çalışmalarında denemek üzere geliştirilmiş olan hayali bir güdümlü mermi veya roketin üçgenlenmiş (mesh) geometrisi gösterilmiştir. Bu roket modeli de özel bir hedefin geometrisine uyacak şekilde değiştirilebilir. Bu bağlamda, herhangi bir roket veya güdümlü mermi problemini cözebilecek kabiliyete sahibiz. Şekil 2. RCS çalışmaları amacıyla Bilkent Üniversitesi nde geliştirilmiş olan F-16 uçağının bilgisayar modelinin üç farklı yönden görünümü.
Şekil 3. Bilkent Üniversitesi nde geliştirilmiş olan ve oldukça karmaşık eğri yüzeylere sahip olan bir F-5 uçağının bilgisayar modeli. Şekil 4. RCS çalışmalarında denemek üzere geliştirilmiş olan hayali bir güdümlü mermi veya roketin üçgenlenmiş (mesh) geometrisi.
Stealth Teknikleri Geliştirilmesi Bu çalışmada, stratejik öneme sahip askeri araç ve silahların radar ara kesitlerinin (RCS) azaltılması için gereken stealth tekniklerinin geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Böylece, 1. dost hedeflerin daha güç tespit edilmesi ve tanınması, ve 2. düşman hedeflerin stealth (görünmezlik) zırhlarının aşılması planlanmaktadır. Dost hedeflere stealth özellikleri kazandırılması iki şekilde gerçekleştirilebilir: 1. Türkiye'de yapılan askeri araç ve silahların tasarım aşamasında bu çalışmanın sonuçları geometri tasarımında kullanılabilir. 2. Yurtdışından satın alınan askeri araç ve silahların üstünde, asıl işlevlerini bozmayacak şekilde küçük değişiklikler yapılabilir. Bu çalışma kapsamında geliştirilecek olan stealth tekniklerinin sınaması farklı radar sinyalleri kullanılarak yapılacaktır. Kuşkusuz, bazı radar sinyalleri stealth yapılmaya çalışılan hedefin üstüne düştüğünde iyi sonuçlar verecek (yani, hedef büyük oranda görünmez olacak), bazıları ise kötü sonuçlar verecektir. Kötü sonuçlar veren radar-stealth kombinasyonları bize aslında başka açıdan çok yararlı bir bilgi verecektir: Düşmanın stealth yaptığı veya yapmaya çalıştığı hedefleri ne tür radar sinyalleri ile daha kolay algılayabiliriz? Bu çalışmada yaptığımız araştırmalar sonunda bu soruya da yanıt bulmayı ve düşman hedeflerin stealth (görünmezlik) zırhlarını büyük ölçüde kaldırmayı amaçlıyoruz. Bu çalışmada kullandığımız elektromanyetik çözüm algoritmalarının ve geliştirdiğimiz bilgisayar programlarının pek çok iyi yönlerinin arasında özellikle aşağıdaki iki tanesi stealth teknikleri geliştirilmesi için çok önemlidir: 1. Herhangi bir geometrinin elektromanyetik saçınımının hesaplanabilmesi: Algoritmalarımız ve programlarımız hedefin geometrik yapısına hiçbir kısıtlama getirmeyecek şekilde tasarlanmıştır ve bu şekilde geliştirilmişlerdir. Böylece, aynı algoritmalarla hem bir fırkateynden, hem bir uçaktan, hem bir helikopterden, hem bir roketten, hem de bir tanktan saçınan elektromanyetik dalgalar hesaplanabilmektektir. Ek olarak, bir hedefe stealth özelliği kazandırabilmek için, hedefin geometrisinde belki onlarca, belki yüzlerce büyük veya küçük pek çok değişiklik denemek gerekmektektir. Simülasyon programımız bu çeşit geometri değişikliklerine hiçbir sınırlama getirmeyecek, herhangi bir geometriyi çözebilecek kabiliyettedir. Bu kabiliyet, özellikle Türkiye'de imal edilen askeri araçlara, tasarımları sırasında stealth özelliği kazandırılmasında yararlı olacaktır. 2. Herhangi bir materyalin simüle edilebilmesi: Algoritmalarımızda ve programlarımızda iletken hedeflere ek olarak, farklı materyaller içeren veya farklı materyallerle kaplanmış hedeflerden elektromanyetik saçınım hesaplaması yapabilme kabiliyeti olacaktır. Hatta, bu materyaller elektromanyetik enerjisinin kısmen ısı enerjisine dönüştüğü kayıplı (lossy) materyaller de olabilir. Bu çeşit materyallerin soğurucu (absorbing) etkisi bu projenin amaçları açısından çok önemlidir. Bu kabiliyeti özellikle yurtdışından satın alınan ve tasarımını değiştiremeyeceğimiz askeri araçlar için kullanmayı planlıyoruz. Bir hedef üstünde saçınıma en çok katkıda bulunan bölgeleri simülasyon yoluyla tespit edebilmek için kullanmayı planladığımız teknikler var. Bu şekilde belirleyeceğimiz "problemli" bölgeleri soğurucu (absorbing) ve kayıplı (lossy) bir materyalle kaplayıp, hedefin geometrik yapısını ve aerodinamik özelliklerini hiç değiştirmeden hedefe stealth özelliği kazandırmayı planlıyoruz. Şekil 5 te bir uçak modelinin üstünde hesaplanmış olan elektrik akımları gösterilmiştir. Şekil 6 da ise aynı uçak modelinin üç ana düzlem (x-y, x-z ve y-z düzlemleri) üstündeki RCS değerleri verilmiştir. Şekil 5 te gösterilen akım değerleri yukarıda açıklanan stealth teknikleri kullanılarak düşürülebilir ve buna bağlı olarak Şekil 6 daki RCS değerlerinin de düşmesi beklenir.
Şekil 5. İsimsiz bir uçak modeli üstünde hesaplanmış olan akım değerleri. Şekil 6. Geometrisi ve akımları Şekil 5 te verilmiş olan uçak modelinin üç ana düzlem (x-y, x-z ve y-z düzlemleri) üstündeki RCS değerleri.
Kaynakça 1. L. Gürel, Recursive algorithms for computational electromagnetics, Ph.D. dissertation, University of Illinois, Champaign-Urbana, USA, 1991. 2. L. Gürel and W. C. Chew, Recursive algorithms for calculating the scattering from N strips or patches, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-38, pp. 507-515, Apr. 1990. 3. L. Gürel and W. C. Chew, A recursive T-matrix algorithm for strips and patches, Radio Science, vol. 27, pp. 387-401, May-June 1992. 4. L. Gürel and W. C. Chew, Scattering solution of three-dimensional array of patches using the recursive T-matrix algorithms, IEEE Microwave and Guided Wave Lett., vol. 2, pp. 182-184, May 1992. 5. L. Gürel and W. C. Chew, Recursive T-matrix algorithms with reduced complexities for scattering from three-dimensional patch geometries, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-41, pp. 91-99, Jan. 1993. 6. L. Gürel and M. İ. Aksun, Electromagnetic scattering solution of conducting strips in layered media using the fast multipole method, IEEE Microwave and Guided Wave Lett., vol. 6, no. 8, pp. 277-279, Aug. 1996. 7. L. Gürel, Fast RCS computation via the fast multipole method, NATO AGARD SPP Symposium on Radar Signature Analysis and Imaging of Military Targets, Ankara, Turkey, Oct. 1996. 8. L. Gürel, Karmaşık ve büyük hedeflerin radar ara kesitlerinin hesaplanması için hızlı algoritmalar, Savunma Sanayiindeki Teknolojik Gelişmeler Sempozyumu, s. 1101-1108, Kara Harp Okulu, Ankara, Haziran 1997. 9. L. Gürel and W. C. Chew, Fast algorithm for scattering from planar arrays of conducting patches, IEEE Microwave and Guided Wave Lett., vol. 8, no. 4, pp. 155-157, April 1998. 10. L. Gürel, K. Sertel, and İ. K. Şendur, On the choice of basis functions to model surface electric current densities in computational electromagnetics, Radio Science, vol. 34, no. 6, pp. 1373-1387, Nov.-Dec. 1999. Teşekkür Bu bildiride yer alan şekillerde aşağıdaki Bilkent Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü öğrencilerinin katkısı olmuştur. Şekil 1: Hakan Bağcı ve Özgür Ergül Şekil 2: Mine Altunay ve Çağdaş Dirik Şekil 3: Hakan Bağcı ve Özgür Ergül Şekil 4: Kürşat Şendur ve Kubilay Sertel Şekil 5: Hakan Bağcı Şekil 6: Hakan Bağcı