Reflected sound
Активный участник
- Сообщения
- 1.752
- Адрес
- Казахстан
Дисклаймер .
Автор статьи не претендует на полноту изложения материала, данная статья должна осветить только основные вехи в истории развития авиационных средств поражения и наиболее интересные образцы.
Автор намеренно не приводит таблици с детальными ТТХ указанных в статье видов вооружения по многим причинам. В первую очередь секретность и неоднозначность в различных источниках .
__________________________________________________
Часть I
Поговорим немного о вооружении самолётов, в первую очередь хочу остановиться на вооружении класса Воздух-Воздух.
Итак, вооружение современного самолёта представляет собой тесно связаный комплекс различных систем, которые можно условно разделить на Систему Управления Вооружением (СУВ), и непосредственно подвесное и встроенное вооружение.
Основой СУВ в первую очередь является Бортовая Радиолокационная Станция (БРЛС).
Проведём краткий обзор истории развития РЛС воздушного базирования.
1. Первое поколение БРЛС, появившееся во время Второй Мировой позволяло только приблизительно оценить дальность до цели и направление правее/левее и выше/ниже и только на малой дальности. Антенна были выполнены в виде массивов штыревых неподвижных антенн, отдельно приёмников и излучателей. РЛС позволяла только вывести перехватчик в район цели, далее обнаружение и сама атака выполнялись визуально.
В конце войны появились параболические антены, что дало возможность точнее оценивать расстояние и направление до цели.
Первая отечественная БРЛС "Изумруд" устанавливалась на истребители МиГ-15 и МиГ-17. РЛС работала в импульсном режиме, и могла обнаруживать и сопровождать цели, летящие выше истребителя. Обнаружение и сопровождение осуществлялось двумя переключаемыми антеннами.
Её дальнейшее развитие - "Изумруд-2" имела уже одну антенну, вдвое большего диаметра, за счёт чего возросла дальность обнаружения целей (цель типа В-29 "Изумруд" обнаруживала на дистанции до 15км, "Изумруд-2" до 25-30км).
Для перехватчиков Як-25 была создана БРЛС "Сокол", и её модификация "Орёл" для Су-11, Як-28 и Су-15. За счёт большего диаметра зеркала и большей мощности передатчика дальность обнаружения цели типа В-29 возросла до 40 км.
2. Второе поколение БРЛС использовало уже полупроводники и микроминиатюрные лампы, но принципиально от первого поколения не отличались. К ним относятся БРЛС "Алмаз" самолётов Су-9, "Сапфир-21" истребителей МиГ-21, "Смерч" перехватчиков Ту-128 и "Смерч-А" для МиГ-25. Основное отличие - снижение массо-габаритных характеристики и улучшение сопряжения с комплексами бортового вооружения, в первую очередь - с ракетами В-В с полуактивными ГСН.
3. Третье поколение преследовало цель обнаружения самолётов на фоне земли, т.е. летящих ниже носителя.
Для выделения сигнала цели на фоне отраженных от земли применён метод селекции движущихся целей с внешней когерентностью. Опорный сигнал создавался за счёт отражения зондирующих импульсов от протяженных объектов на земле. После захвата цели БРЛС переходит в режим непрерывного излучения для подсветки цели при атаке ракетами с доплеровкими полуактивными ГСН.
Перой БРЛС стала "Сапфир-23" для истребителей-перехватчиков МиГ-23 и её модификация "Сапфир-25" соответственно для МиГ-25.
4. К четвёртому поколению относят импульсно-доплеровские БРЛС с режимом квазинепрерывного излучения (КНИ). Данный режим, используя высокую частоту повторения зондирующих импульсов (причём каждая пачка импульсов состоит из пактов разных частот) детектирует дижущиеся цели на фоне земли гораздо лучше. Но при этом значительно возрастает нагрузка на вычислительную подсистему БРЛС, первой БРЛС с полностью цифровой архитектурой стала APG-63 истребителя F-15. У нас работы по созданию БРЛС начались с создания РЛС для истребителей МиГ-31 и Су-27. При создании БРЛС "Заслон" впервые применена ФАР (комплекс принят на вооружение в 1981 году). При создании БРЛС для Су-27 ставилась задача превзойти APG-63, и для этого применили оригинальную антенну с электронным сканирование луча по углу места и механическим сканированием по азимуту со стабилизацией по крену. Идея была в том, что плоскость электронного сканирования антенны можно было совместить с двумя целями и добиться одновременного обстреля обеих ракетами Р-27 с полуактивной ГСН. К сожалению, созданный комплекс оказался неработоспособен в воздухе. Наряду с необходимостью коренной переработки и самого Су-27, начались работы по созданию БРЛС одноканального наведения на базе создаваемой в то же время БРЛС Н-019, истребителя МиГ-29. Главным отличием стала антенна большего диаметра и соответственно доработаный её силовой привод и узлы крепления. При этом возник неприятный момент - РЛС невидит цели расположенные ниже 3 градусов от плоскости горизонта, в момент смены полусферы наблюдения (т.е. расположенные перпендикулярно вектору наблюдения). Для этого было введено инерциальное сопровождение таких целей. Увы, от двухканальности наведения пришлось отказаться, так как чисто механический привод не позволял добиться требуемой скорости переброски диаграммы направленности. В 1985 году комплекс был принят на вооружение.
В 1983 году также завершились испытания истребителя МиГ-29 БРЛС которого отличалась большой степенью унификации с БРЛС Су-27.
На данный момент созданы БРЛС "Оса" для оснащения лёгких самолётов (МиГ-2УБТ, в переспективе модернизация МиГ-21) и "Сокол" для оснащения тяжелых истребителей Су-37, Су-30МК и Су-35. Обе они оснащены ФАР и способны атаковать от 4 до 6 целей.
Как нетрудно догадаться, первые БРЛС небыли в полном смысле этого слова частью СУВ - они обеспечивали только обнаружение факта присутствия цели и приблизительный вывод истребителя к ней. Ситуация изменилась, с принятием на вооружение первых ракет Воздух-Воздух.
Первые принятые на вооружение в СССР ракеты наводились по радиолучу, методом "трёх точек" : после перевода РЛС в режим стрельбы, её луч жестко фиксировался по оси самолёта, и выпущенная ракета старалась держаться в этом луче. Пилот всё время должен был держать визир прицела на цели, что сковывало истребитель и позволяло атаковать только строго с хвоста и только большие маломаневренные цели. Не смотря на все недостатки, ракетное вооружение позволяло истребителю держаться вне зоны эффективного огня бортстрелков.
Первой ракеой этого типа стала К-5 (Р-2-УС), поступившая на вооружение первых реактивных перехватчиков МиГ-17. Интересной особенностью ракеты было применение свободного гироскопа для стабилизации ракеты по крену - это было необходимо для привязки команд управления в зависимости от принятой информации.
Начиная с 1954 года в СССР шли работы по созданию ракет с полуактивной РЛГСН, что освобождало носитель от сопровождения цели всем корпусом и расширяло возможные ракурсы обстрела.
Из серии ракет успехом увенчалась программа создания К-8 (Р-8), принятая на вооружение в 1961 году. Наведение ракеты осуществлялось БРЛС "Орёл" или "Тайфун" истребителей Су-11, Су-15 или Як-28П. Переходя в режим сопровождения, БРЛС подсвечивала выделенную цель серией импульсов, при этом захват цели осуществлялся при нахождении ракеты на подвеске. Для этого ось ракеты (маневром истребителя) совмещалась с направлением на цель, после получения подтверждения захвата цели ГСН ракеты, и при нахождении цели в зоне разрешенного пуска по дальности производится пуск, после чего носитель свободен в маневрировании (в пределах угла прокачки антенны, что составляет +/- 60° по азимуту и углу места). Ракета могла поражать относительно маломаневренные цели (маневрирующие с перегрузкой до 2G) только в заднюю полусферу на дальностях от 2 до 12 км.
При создании данной ракеты впервые столкнулись с трудностями создания гиростабилизированной антенны ГСН, которая должна была отслеживать цель вне зависимости от колебаний и маневров ракеты. Проблема состояла в том, что великолепно отрабатывая колебания по тангажу и рысканию, антенна "уходила" при колебаниях по крену. Математическое исследование законов движения оси антенны позволило прийти к новой схеме гиростабилизатора (с шарнирным соединением корпусов гироскопов).
Второй проблемой было появление так называемой "синхронной" ошибки. Основная причина её появления - разность преломления луча в зависимости от угла отклонения оси антенны от оси ракеты. Небольшой градиент возрастал по мере отклонения оси антенны, и вызывает ложный сигнал угловой скорости линии визирования. Возникшая положительная обратная связь приводила к раскачке ракеты и либо заканчивалась срывом наведения, либо недопустимым промахом.
На том техническом уровне с этим типом ошибки справились тщательным подбором материалов обтекателя ГСН и индивидуальным тестированием каждого комплекта ГСН-обтекатель.
Теперь рассмотрим подробнее - каким именно образом ракета попадает в цель ?
Задачу можно разложить на два этапа :
1) определение координат цели, отноительно ракеты
2) формирование сигналов управления
I
Итак, наш бортовой радар захватил цель и постоянно подсвечивает её серией зондирующих импульсов (измеряя при этом дальность), ракета находится на пилоне подвески, ось самолёта-носителя (и следовательно - ось ракеты и её ГСН) совмещены с направлением на цель.
ГСН ракеты "увидела" цель, и подан соответствующий сигнал пилоту.
Исходя из скорости сближения (при знании собственной путевой скорости, скорости ракеты и максимального времени её полёта) СУВ рассчитывает зону возможного пуска ракеты, и при вхождении цели внутрь этой зоны формируется команда "пуск разрешен". ПУСК ! Ракета уходит к цель.
Но цель маневрирует, на ракету действуют возмущающие силы и направление на цель неизбежно уходит от оси ракеты. Как-же ракета узнает, куда именно смещается вектор дальности ?
Для этого был применён метод конического сканирования. Ось главного лепестка диаграммы направленности антенны описывала конус, вокруг вектора дальности, и при смещении сигнала от цели из равносигнальной зоны, появлялась разница амплитуды принимаемого сигнала в зависимости от положения антенны (мощность сигнала будет увеличиваться при приближении вектора дальности к оси диаграммы направленности). ГСН опираясь на эту разность поворачивала ось таким образом, чтобы сигнал от цели вновь вернулся к равносигнальной зоне. Угол отклонения координатора цели относительно корпуса ракеты фиксировался при помощи пары гироскопов.
Задача первой фазы достигнута - ГСН может следить за маневрирующей целью и знает угловые координаты цели, относительно корпуса ракеты.
II
В общем случае, задачей наведения является достижение совпадения координат цели и координат ракеты.
Основными исходными данными для решения являются угловые координаты цели в "ракетной" системе координат, но вариантов выполнения может быть несколько, все они называются методами наведения.
Простейший из них - "метод погони", или прямое наведение. Суть его состоит в том, чтобы по возможности добиться нулевой разности углов координатора и оси ракеты. Метод максимально прост и потому нашел применение на ракетах первых поколений. Недостатками его является сложность атаки маневренных целей и неоптимальный путь ракеты, что приводит к уменьшению фактической дальности стрельбы. Поэтому ему на смену быстро пришел "метод параллельного сближения", суть которого состоит в сохранении параллельности вектора дальности самому себе. В чистом виде способ неприменим, ввиду инерционности исполнительных махенизмов и реакции ракеты. И фактически реализуется "метод пропорциональной навигации", когда величина управляющего сигнала выбирается таким образом, чтобы угловая скорость цели была пропорциональна ускорению ракеты (в плоскостях наведения), т.е. боковое ускорение ракеты тем меньше, чем меньше угловая скорость вектора дальности.
Метод пропорциональной навигации оказался настолько удачен, что применяется во всех ракетах до сих пор.
На этом завершается решение задачи второй фазы – выработка оптимальных команд исполнительным устройствам ракеты для обеспечения попадания в цель.
Развитием ракет Р-8 стала модификация Р-98 (1965 год).
За счёт введения постоянно обращённой к земле компенсационной антенны, удалось повисить соотношение "сигнал/шум" и увеличить дальность захвата, теперь ракета могла атаковать цели в переднюю полусферу с дистанции до 18 км.
Для этого в ГСН ПАРГ-15 была введена дополнительная стабилизация ракеты относительно горизонта, вне зависимости от крена самолёта-носителя в момент пуска.
В это-же время на вооружение перехватчиков Ту-128 посупает ракета Р-4, со сходными (но немного лучшими) характеристиками.
Обладая значительной энерговооруженностью, Р-4 могла атаковать цели, находящиеся выше носителя на 3-5 км. В сочетании с мощной БРЛС "Смерч", обеспечивающей обнаружение бомбардировщика на дальности до 50км, это позволило самолётам летать на средних высотах без выхода на высоту перехватываемой цели.
Основной задачей комплекса был перехват целей на большом удалении от охраняемого объекта (рубеж перехвата по топливу составлял от 1100км при полёте на высоте 10 км до 850км при полёте на высоте 18км) и действия группы перехватчиков автономно в районах, слабо охваченных радиолокационным полем наземных средств ПВО. Для этого группа могла сохранять строй или по данным своих БРЛС, или при полёте по навигационной аппаратуре с коррекцией от радионавигационной системы РСБН-2СА.
Недостатком метода конического сканирования является уязвимость к амплитудным помехам, совмещённым с целью. При знании противником частоты сканирования, мощная помеха "ослепляет" ГСН или создаёт ложный сигнал, ведущий к срыву захвата. Уязвимость связана с АРУ - автоматический регулятор усиления, цель которого компенсировать усиление отраженного сигнала по мере сближения с целью.
С недостатком пытались бороться, вводя случайную частоту сканирования (от экземпляра к экземпляру, на заводе задавалась одна из возможных частот), что вынуждало противника ставить помеху в более широком диапазоне, снижая спектральную мощность. Или путём сканирования по случайному закону.
Но оба метода оказались малоэффективными, и более не применялись.
На смену методу с коническим сканированием пришли ГСН с моноимпульсным измерением углового рассогласования. Задача была в обнаружении смещения вектора дальности относительно оси координатора по одному сканирующему импульсу (в предыдущем случае разность определялась по многим импульсам за один полный оборот тарелки антенны).
Для решения задачи в ГСН ПАРГ-12В ракеты Р-40 была применена антенна с четырёхлепестковой диаграммой направленности (применена двузеркальная система Кассегрена) - по паре лепестков на каждую плоскость. Оси лепестков слегка наклонены от оси координатора и образуют в центре равносигнальную зону, при смещении вектора дальности в паре лепестков возникала разница амплитуды сигналов, и в дальнейшем ГСН действовала аналогично предыдущей.
Для упрощения формирования команд наведения методом пропорционального наведения, все расчёты велись уже в антенной системе координат. Благодаря применению антенны Кассегрена удалось получить рекордные значения углов целеуказания : +/-70°, что вместе с пропорциональным наведением в антенной системе координат позволило атаковать скоростные цели под б’ольшими ракурсами. Но это породило и проблему - автопилот мог выдать такую команду, которая выведет ракету за предел допустимой перегрузки. Во избежание этого был введён контур, сравнивающий текущую перегрузку и её производную с пороговым значением, и при превышении его обнуляющий команду.
Конструктивно, Р-40 интересна малой удельной нагрузкой на крыло, что позволяет атаковать цели на больших высотах. Для преодоления термических перегрузок во время длительного сверхзвукового полёта, корпус ракеты выполнен из титанового сплава и имеет теплоизоляцию. Боевая часть находится в хвостовой части, а сопловой блок состоит из пары сопел направленных в стороны (располагается как раз перед БЧ). Благодаря расположению двигателя вблизи центра масс, упрощается стабилизация ракеты по мере выгорания топлива.
Помимо полуактивной импульсной РЛ ГСН, ракеты могли оснащаться и ИК ГСН с охлаждением азотом, от находящегося на борту резервуара.
Ракета Р-40 поступила на вооружение истребителей-перехватчиков МиГ-25 в 1969 году. Сам истребитель входил в состав автоматического комплекса перехвата (АПК) МиГ-25П-40, принятого на вооружение в 1972 году. Помимо собственного радиолокатора, истребитель мог принимать по командной радиолинии управления (КРУ) "Бирюса" сигналы наведения на ненаблюдаемую им цель.
Комплексы перехвата Ту-128-С4 и МиГ-25П-40 были способны перехватывать сверхзвуковые цели на больших высотах, в том числе и на большом удалении. Для МиГ-25 была реализована схема полностью автоматического выполнения перехвата, за исключеием только взлёта/посадки.
Развёртывание подобных АКП привели к поиску новых схем преодоления ПВО, и взгляд специалистов в первую очередь упал на прорыв на малых и предельно малых высотах, так как БРСЛ того поколения были неспособны выделять цели на фоне подстилающей местности. И одновременно с этим, встал вопрос о поражении таких целей.
Для выделения целей на фоне подстилающей поверхности в нашей стране были начаты работы по созданию импульсно-допплеровской БРЛС "Сапфир-23", которой предполагалось оснастить истребитель МиГ-23. Как уже отмечалось, для поиска целей был применён принцип селекции движущихся целей с внешней когерентностью.
Суть метода состоит в измерении времени запаздывания сигналов в двух и более зондирующих импульсах. При отражении от условно неподвижной земли (при неизменном положении оси антенны можно принять подобное допущение) запаздывание отраженных сигналов одинаково, но в случае с движущимся объектом запаздывание будет либо увеличиваться, либо уменьшаться. Для надёжного детектирования столь малых величин времени может быть применён фазовый детектор, состоящий из сумматора, амплитудного детектора и разделительного конденсатора. Для обеспечения возможности сравнения фаз необходимо иметь стабильный опорный генератор (гетеродин). Чуствительность детектора такова, что при задержке всего на половину периода колебания, видеосигнал на выходе конденсатора меняет полярность на противоположную. Таким образом, принимая одновременно два сигнала – от земли и от движущегося объекта и пропуская их через детектор, на выходе получим два пика с неизвестной заранее амплитудой и фазой. При обработке второго импульса, получим одинаковый по фазе и амплитуде пик от земли, и изменившийся пик от сдвинувшегося объекта. Если вычесть из первого импульса второй, то одинаковые пики земли компенсируют друг друга, полностью самоуничтожившись, а пик от цели останется. При сравнении последующих зондирующих импульсов будет получен пульсирующий сигнал от цели, а все пики земли будут компенсироваться. Цель достигнута – выделен полезный сигнал на фоне земли. Метод СДЦ столь же изящен и прост в описании, сколь оказался сложен в реализации. В первую очередь потребовалось добиться высокой степени стабильности частоты излучателя при низком уровне собственного шума, и обеспечить большой динамический диапазон приёмника (иначе появлялось большое число ложных целей). Так как земля будет не идеальной плоскостью, пришлось ввести пороговый фильтр который отсеивает незначительные флуктуации пика земли, но это загрубляло БРЛС. Большим недостатком было наличие так называемых «слепых скоростей» - такие значения радиальной скорости цели, при которой задержка сигнала равна одному периоду. В результате чего сигнал перестаёт пульсировать и компенсируется, в купе с пороговым фильтром это давало кумулятивный эффект и «слепые скорости» превращались в некий диапазон скорострей, недоступных для детектирования. Но не смотря на все недостатки, данный тип радара давал огромное преимущество.
Разработка «Сапфир-23» потребовала концентрации усилий большого числа НИИ, и увенчалась успехом - в 1976 году самолёт МиГ-23 и СУВ «Сапфир-23» был принят на вооружение.
Но для нового самолёта нужны и новые ракеты. Для сопровождения цели на фоне земли было решено использовать метод постоянной подсветки цели и доплеровскую ГСН (аналогичный путь выбрали и наши потенциальные противники, в своём комплексе F-4 с ракетами AIM-7E /E-2 чуть ранее). Во время начала работ, был получен «подарок» в виде нескольких ракет AIM-7E Sparrow со сбитого F-4 Phantom, и в 1967 году были начаты работы по копированию данной ракеты, так как чем закончится разработка отечественной К-23 (такой индекс получила новая ракета в КБ) неизвестно, а у американцев уже была готовая ракета работающая по целям на фоне земли. Копия получила индекс К-25. Однако помимо сходств, ракеты имели и существенное различие – в то время как К-23 имела моноимпульсную ГСН, AIM-7E до сих пор работала по принципу конического сканирования. В итоге обе работы были доведени до опытного производства и лётных испытаний, после чего К-23 признана лучшей и в 1973 году принята на вооружение, а тема К-25 закрыта.
Помимо прогрессивного моноимпульсного метода сопровождения, Р-23 (такой индекс получила ракета после принятия на вооружение) имела и другие особенности, в первую очередь – фазовый метод детекции отклонения вектора дальности от оси координатора. Суть его состоит в том, что оси всех 4-х лепестков направленности антенны теперь не сходятся в одной точке, а параллельны друг другу. Принимаемый сигнал от цели на паре лепестков имеет одинаковую амплитуду, но из-за разности пути (приёмник, в сторону которого смещается цель ближе, и путь радиосигнала до него короче) будет наблюдаться разность фаз принимаемых сигналов, по которой и определяется направление смещения метки цели. Сам сигнал цели выделяется по доплеровскому смещению на фоне условно неподвижной земли, при этом ГСН следит за монотонно меняющимся сигналом, не реагируя на все остальные. Применение ГСН данного типа сделало практически невозможным срыв наведения в результате воздействия амплитудных помех цели.
Важной особенностью всех ракет с доплеровской ГСН работающей на непрерывном подсвете цели была невозможность захвата с подвески, так как близость собственной БРЛС вносила чрезмерные помехи. Недостаток обходился захватом на траектории, когда в течении первых 2-3 секунд ракета управляется автопилотом, выходя в заранее исчисленную точку пространства при ГСН заранее ориентированой в сторону цели.
В 1981 году принята на вооружение глубоко модернизированная версия ракеты – Р-24. Главным отличием было введение инерциального участка полёта, на котором ракета продолжает следить за мнимой целью (параметры дальности, курса, угловых координат и скорости которой вводятся до пуска) до её захвата ГСН, с учётом реального перемещения самой ракеты. Участок инерциального наведения позволил увеличить дальность пуска с 25 до 32 километров в ППС (и с 15 до 20 в ЗПС). По традиции, выпускалась и версия ракеты со всеракурской ИК ГСН, фотоприёмник которой охлаждался азотом, основные ТТХ обоих вариантов идентичны, разница в аэродинамических характеристиках носовых обтекателей ГСН компенсировалась соответственно подобраных небольших дестабилизаторов, что позволило не менять ни конструкции ракеты, ни систем управления и стабилизации.
После угона МиГ-25 в Японию, страны НАТО получили детальные сведения о его БРЛС, и хотя ракет на борту небыло, по режимам работы радара специалисты легко извлекали требуемую информацию о них. Это потребовало срочной модернизации самолёта (помимо смены всей системы опознавания «свой-чужой» вообще), и в результате была разработана модификация «Сапфир-25». ГСН ракет Р-40 была несовместима с ней, и на вооружение принята модель Р-40Д, с ГСН на базе ракеты Р-24. И хотя диаметр корпуса Р-40 был больше, поставить антенну большего диаметра не удалось, так как это повышало остроту диаграммы направленности и соответственно – жесткость уловий по точности наведения координатора на цель для её захвата. Уменьшились при этом и углы прокачки линии визирования (с 70° до 50°) и угловая скорость сопровождения, но благодаря возможности атаки целей на фоне подстилающей поверхности и увеличении дальности пуска с 30км до 40км (в ППС) эффективность ракеты возросла.
Но время уже ставило новые задачи...
На смену концепции высотного прорыва сверхзвуковых бомбардировщиков или маловысотного «просачивания» пришла новая угроза – залповое применение крылатых ракет идущих на малой высоте. Помимо этого значительно усложнился наряд сил, выделяемых для преодоления ПВО и количество целей резко возросло. Всё это, в купе с малым покрытием территории страны сетью радиолокационного наблюдения и целеуказания побудило начать работы над новым комплексом перехвата.
Первоначально работы шли над улучшением удачного перехватчика МиГ-25, но вскоре объём изменений стал настолько велик, что всякая преемственность была потеряна, и машина получила собственный индекс МиГ-31.
В основу концепции нового перехватчика легли требования :
а) возможность перехвата целей как в свободном пространстве, так и на фоне подстилающей поверхности
б) обеспечение дальнего рубежа перехвата, упреждающего пуск тактических ракет по охраняемому объекту
в) ведение автономного патрулирования в составе группы над месностью, не покрытой радарным полем
г) координация действий других истребителей ПВО.
Центральной частью СУВ «Заслон» перехватчика стала новая БРЛС, антенна которой была выполнена в виде пассивной фазированой антенной решетки (ФАР) с электронным сканирование луча по азимуту и углу места. Помимо нового типа антенны, применялись и новые методы выделения целей – теперь БРЛС работала в режиме квазинепрерывного излучения с частотой повторения импульсов до 200 кГц, и доплеровский принцип селекции целей. В режиме КНИ каждый последующий пакет когерентен предыдущему, в результате чего повышаются энергетические параметры принятого сигнала, за счёт накопления электромагнитной энергии от нескольких пакетов зондирующих сигналов – это позволило повысить дальность обнаружения. Выделение цели за счёт доплеровского смещения частоты отраженного сигнала потребовало существенно повысить быстродействие БЦВМ, так как решение о наличии сигнала цели производилось на основе дискретного преобразования Фурье по выборке порядка N=1000-4000 чисел (зависит от частоты повторения и спектра принимаемых сигналов). Фактически, можно говорить о разбиении принятого сигнала на N узкополосных фильтров, в каждом из которы происходит накопление энергии когерентных импульсов, и при превышении порогового значение фиксируется факт обнаружение цели.
Процедура дискретного преобразования Фурье считается оптимальным алгоритмом выделения полезного сигнала с неизвестной заранее доплеровской частотой и начальной фазой, но требует огромной вычислительной мощности, в связи с чем оптимальный алгоритм несколько упрощался с целью снизить нагрузку на БЦВМ.
Новизна работ и большой объём инноваций делали доводку системы непростой задачей, для ускорения внедрения был создан комплекс полунатурного моделирования – в радиобезэховой камере перед антенной БРЛС на расстоянии 20-25 метров ставился имитатор цели, и в этой камере отрабатывались все составляющие части БРЛС в режиме имитации всех типов задач. На конечном этапе работ, БРЛС (получившая индекс 8Б) поднялась в воздух в 1975 году на борту летающей лаборатории (пероборудованый Ту-104). Первый полёт на борту МиГ-31 – годом позже, и по завершению всех опытных работ и гос.испытаний в 1981 году СУВ «Заслон» в составе истребителя МиГ-31 принята на вооружение.
Возможность безинерциального переброса луча позволила реализовать обстрел сразу четырёх целей ракетами с полуактивной РЛ ГСН – мгновенное перемещение луча от цели к цели давало достаточный энергетический уровень отраженного сигнала для надёжного захвата.
Основным вооружением МиГ-31 является ракета Р-33, с полуактивной РЛ ГСН с захватом на траектории (ИК ГСН на ракетах данного типа не применялась) и инерциальным участком полёта. ГСН ракеты схожа с ГСН ракеты Р-24, но имеет и отличия – примена не силовая (гироскопическая), а индикаторная система стабилизации координатора цели и оценки угловых координат , основаная на датчиках угловых ускорений. Так как подсветка целей идёт прерывисто, то ГСН ракет работает в строгой согласованности с тактами подсвета «своей» цели, всё остальное время не ведя приём, а выработка команд наведения идёт по прогнозируемому расположению цели. В задачу СУВ теперь входит не только выработка данных стартовой поправки ракеты, но и прогнозирование точки захвата цели на траектории (и соответственно – положения коррдинатора цели), причём дистанция инерциального участка может достигать 30км. Помимо четырёх ракет, находящихся на подфюзеляжных подвесках (в полуутопленом положении) самолёт может нести ПТБ и до четырёх ракет среднего радиуса класса Р-40Д (с РЛ или ИК ГСН).
Помимо БРЛС 8Б в состав СУВ вошел и выдвигаемый теплопеленгатор 8ТК, его наличие позволяло скрытно сопровождать цели в ЗПС на дистанции до 40 километров. Большой объём информации, поступающий с БРЛС, теплопеленгатора и по внешним каналам связи вынудил ввести в состав экипажа штурмана-оператора, но он получил индикатор тактической обстановки большого формата что несомненно повысило эффективность его рабочего места. Основным методом ведения боевых действий нового перехватчика есть дежурство в составе звена из четырёх машин, объединённых общим информационным полем, для чего установлена аппаратура закрытой двусторонней связи АПД-518, обеспечивающая автоматический обмен тактической информацией. Причём был реализован интересный режим обстрела целей двумя самолётами – первый, достигнув рубежа пуска и запустив ракеты сразу отворачивает в сторону, для выхода из под возможной встречной атаки, а наведение осуществляет идущий сзади. На СУВ при этом возлагается дополнительная нагрузка – отождествление целей, т.е. сравнение координат реально наблюдаемых БРЛС целей с данными принятыми с других бортов. Всё это стало возможно благодаря переходу на чисто цифровые методы обработки сигналов на БЦВМ «Аргон-15», принявшей на себя все функции по компексированию систем.
Важной особенностью комплекса является возможность координации действий других истребителей ПВО, в таком случае звено МиГ-31 работает как единый самолёт ДРЛО, ведя обнаружение целей, и выдачу целеуказания на перехватчики других моделей и в первую очередь – Су-27.
Рассмотрим принципы работы БРЛС с режимом КНИ чуть более подробно. Первое, что бросается в глаза – кажущаяся невозможность определения дальности до цели. На БРЛС импульсного типа дальность определялась по времени запаздывания зондирующего импульса, и излучение следующего происходило только спустя время, неободимое сигналу на возвращение с максимальной дистанции работы радара. В новой БРЛС излучение сигналов происходит практически постоянно, и однозначно определить время запаздывания конкретного импульса невозможно. Для определения дальности в режиме КНИ было разработано несколько методов :
а) Режим линейно-частотной модуляции. Излучение зондирующих импульсов по обнаруженной цели происходит не на одной частоте, а на плавно меняющейся во времени (даже в одном зондирующем импульсе) – это даёт дополнительное доплеровское смещение сигнала от цели, по которому и вычисляется дальность. Метод хорош практически мгновенным определением дальности, но точность его невелика, погрешность достигает 1,5 километров при измерении на максимальной дальности. Вдобавок падает спектральная мощность сигнала, снижающая дальность измерения координат, относительно дальности обнаружения.
б) второй метод требует излучения пакетов зондирующих сигналов на двух (или трёх) различных частотах и с разной (но близкой) периодичностью. При этом существует некий интервал времени (значительно больший, чем период повторения для каждой из частот), когда излучение всех зондирующих импульсов происходит одновременно. Соответственно, для определения дальности считают запаздывание только тех импульсов, которые были приняты одновременно на всех частотах. Точность этого метода равна точности обычного импульсного детектора дальности, но требует значительной мощности излучателя, так как спектральная мощность падает, а с ней и дистанция обнаружения.
в) И третий способ – метод вобуляции частоты повторения зондирующих импульсов. В режиме определения дальности БРЛС излучает импульсы через различные интервалы. Принимаемые последовательности импульсов сравниваются с посылаемыми на основе метода распознавания образов. Точность определения дальности не отличается от предыдущего случая, и отсутствует падение спектральной мощности, за счёт облучения на одной частоте. Но метод требует значительной вычислительной мощности БЦВМ и большого объёма ОЗУ.
Теперь коснёмся теплопеленгаторов. Первый теплопеленгатор был введён уже на перехватчике МиГ-23, и после этого стал неотъемлемой частью как специализированных перехватчиков, так и фронтовых истребителей. Рассмотрим теплопеленгатор 8ТК истребителя МиГ-31. Для детекции теплового излучения двигателя цели был применён фотоприёмник в виде линейки чуствительных элементов и системой зеркал, обеспечивающих сканирование заданного сектора пространства (при этом пилот может выбирать между узким и широким полем обзора).
Очевидным недостатком данного решения является низкая чиствительность, связанная с небольшим временем экспозиции фотоприёмника при сканировании текущей строки – так как для более точного определения координат движущейся цели необходимо сканировать сектор обзора как можно чаще. Второй недостаток кроется в наличии системы развертки изображения, что увеличивает массу теплопеленгатора и инерционность.
Математически, выделение сигнала цели и её сопровождение повторяет модель зрения самого человека. После завершения сканирования сектора обзора и перевода полученных данных в цифровой вид (амплитуда силы тока на каждом элементе в каждой из «строк»), на выходе получается двумерная матрица. Различными преобразованиями (Фурье или иными) происходит отсеивание несущественной информации (цифровое сжатие) и выделение сигнала цели в группе элементов матрицы. Неизвестная заранее мощность фонового сигнала делает невозможным применение простых пороговых фильтров и требует такого сложного математического подхода. Как мы видим, методы распознавания цели и для БРЛС с режимом КНИ, и для теплопеленгаторов дают существенную нагрузку на вычислительную систему, и эффективность средств обнаружения ставится в прямую зависимость от быстродействия БЦВМ и совершенства математического аппарата.
Итак, каковы задачи СУВ современного истребителя ?
В первую очередь, это обнаружение целей с помощью БРЛС, теплопеленгатора или получение данных о цели от внешнего источника. После перехода в режим сопровождения и назначения очерёдности обстрела целей, СУВ в зависимости от выбранных ракет начинает рассчёт зоны разрешенного пуска по целям и при вхождении в зону, выдачу пилоту сигнала о разрешении на пуск. При этом непрерывно формируется полётное задание для ракеты – модель движения цели, стартовая поправка, время включения ГСН и её начальная ориентация (в случае если ГСН не следит за мнимой целью с момента пуска). Если применяются ракеты с каналом радиокоррекции (о них ниже), то в задачу СУВ входит и выдача корректирующих команд ракетам, в соответствии с маневрами целей. И конечно же необходимо выводить на индикаторы пилота и/или оператора тактической инфрмации, данных о параметра движения целей, остатке вооружения и действиях других перехватчиков.
До сих пор рассматривались только СУВ специализированных перехватчиков, ниже будет рассмотрена история развития СУВ фронтовых истребителей.
Начальной точкой отсчёта можно будет принять истребитель МиГ-21, серийное производство которого началось в самом конце 50-х годов прошлого века. Основным его вооружением стали ракеты семейства К-13. В 1957 году в СССР были доставлены обломки и неразорвавшиеся ракеты AIM-9B Sidewinder с тепловой ГСН, производства США, и начались работы по её воспроизводству. Надо заметить, ракеты семейства Sidewinder оказались чрезвычайно удачными по заложенным техническим решениям, и стали прототипами для управляемых ракет не только СССР, но и многих других стран, и до сих пор являются основными ракетами ближнего боя стран НАТО (и не только). Перое, что обращает на себя внимание – большое относительно удлинение ракеты при малом калибре – до 20 (и более, на ряде моделей) при диаметре корпуса 127мм (5 дюймов). Это позволило снизить лобовое сопротивление. Наличие предельно смещенных назад крыльев создаёт значительный стабилизирующий момент, и упрощает систему стабилизации ракеты, в это же время рули вынесены максимально вперёд, и весьма эффективны во всём диапазоне скоростей. Вторая особенность рулевого привода – отсутствие обратной связи, при этом конфигурация рулей и расположение оси подобраны так, что отклонение плоскостей обратно пропорционально скоростному напору, а перегрузка соответствует команде вне зависимости от скорости и других условий полёта. Рассуждения приблизительны, но такая схема управления доказала свою эффективность в очень большом диапазоне условий применения. Но самой интересной особенностью оказалась система стабилизации ракеты выполненная на роллеронах. На концах крыльев сделаны небольшие свободно отклоняемые поверхности со встроенными гироскопами, раскрутка которых производится набегающим потоком (гироскоп выполнен в форме зубчатого колеса, зубья котоорого подобны пиле а не шестерне – с пологим задним скатом и плоским передним, практически параллельным радиусу). За счёт малого веса роллерона и значительного стабилизирующего момента относительно массивного гироскопа даже при небольших углах отклонения ракеты свободно поворачивающийся на шарнире роллерон отклоняется, создавая аэродинамический момент, направленый на парирование колебаний. Наличие роллеронов на всех 4-х крыльях обеспечивает демпфирование ракеты по всем осям (углу рыскания, тангажа и крена). Всё это позволило создать предельно простую и лёгкую систему управления и стабилизации ракеты. При воспроизведении ракеты были оставлены без изменений основные размерности и сохранены все особенности ракеты-прототипа (за исключением демпфирования – в Р-3, такой индекс получила ракета при принятии на вооружение, оно осуществлялось только по осям тангажа и рыскания), таким образом преемственность хорошо заметна даже на внешнем виде. В состав вооружения МиГ-21 входили две ракеты и радиодальномер СРД-5. Захват цели осуществлялся ракетой при точном совмещении оси ГСН (маневром истребителя) с целью. Применение неохлаждаемого ИК приёмника ГСН вводило ограничение на пуск только в заднюю полусферу цели. Функции СУВ сводились только к измерению дальности до цели и при наличии сигнала о захвате цели ГСН, формирование сигнала «пуск разрешен» если дистанция находится в интервале от 1 до 7 километров.
Ограниченность полусферы атаки и необходимость «ловить» цель осью ГСН существенно снижали эффекивность ракет в ближнем бою. Для разерешния этих трудностей была создана ракета Р-3Р с радиолокационной полуактивной ГСН работающей в импульсном режиме с коническим сканированием диаграммы направленности. Наличие РЛ ГСН позволило несколько расширить ракурс цели при атаке и сделало возможным захват цели в конусе 10°. Для применения ракет Р-3Р на истребители МиГ-21С, СМ и СМТ устанавливалась усовершенствованная БРЛС РП-22. Серийное производство ракет Р-3Р началось в 1967 году. Но развитие семейства на этом не остановилось – благодаря применению охлаждаемого фотоприёмника и миниатюризации его оптической систему удалось увеличить дельность захвата цели и одновременно снизить лобовое сопротивление (теперь обтекатель имел не полусферическую форму, а оживальную с небольшим полусферическим носком), что повысило дальность пуска до 15 км в ЗПС. Одновременно были введены роллероны, обеспечивающие трёхосевую стабилизацию, как и на оригинале. Получившая индекс К-13М ракета поступила на вооружение истребителей МиГ-21 и МиГ-23 в 1973 году. Повышенная скорость слежения за целью и высокая маневренность ракеты позволяла атаковать цели, маневрирующие с вдвое большей перегрузкой (до 6G, против 2-3G у ракет Р-3). Следующим шагом было введение возможности захвата цели в конусе +/- 12°, благодаря сопряжению ГСН с осью БРЛС, следящей за целью на ракете Р-13М1 (1977 год).
Финальной версией линии развития ракеты К-13 стала разработка ракеты ближнего боя Р-60, принятой на вооружение в 1974 году. Требования к ней были сформулированы после ряда конфликтов 60-х годов. Основными направлениями стали :
а) миниатюризация ракеты, для увеличения боекомплекта
б) обеспечение захвата цели не только маневром носителя
в) снижение минимальной дистанции пуска
г) поражение высокоманевренных целей.
Масса ракеты была сокращена до 43,5кг, при БЧ в 3кг (что считалось достаточным для поражения цели прямым попаданием в двигатель), ГСН могла захватывать цели в конусе +/- 12° от своей оси и благодаря высокой маневренности поражать цели на дистанциях от 300 метров до 8 км. Модернизированная ракета поступила на вооружение в 1979 году под индексом Р-60М, основными отличиями стала охлаждаемая ГСН, что повысило помехоустойчивость, несколько расширилась зона захвата цели – до +/- 20° и выозросла допустимая перегрузка маневрирования цели – до 8G. Удачной ракетой оснащались почти все типы истребителей и некоторые вертолёты. В США проводились работы по созданию аналогичной ракеты LCLM, но на вооружение она принята не была. Не нашло продолжения развитие малогабаритных ракет и в СССР. Причиной этих двух фактов стало исследование динамики маневренного боя, в результате которого обе стороны пришли к выводу о необходимости всеракурсности захвата цели ракетами ближнего боя.
С середины 70-х годов начинаются работы по созданию следующего поколения ракет ближнего боя, одновременно разрабатывались ракеты К-14 (глубокая модернизация Р-13М1) и новая малогабаритная ракета К-73. Поначалу, К-73 должна была иметь бескрылую компоновку с газодинамическим управлением и ГСН с захватом только в ЗПС, тогда как К-14 предполагалось оснастить всеракурсной ГСН. Однако нецелесообразность создания переспективных ракет с ГСН ограниченной ракурсности захвата цели была очевидна, и первоначальный вариант был отвергнут заказчиком. При содействии ГосНИИАС и завода «Арсенал» для ракеты была создана принципиально новая ИК ГСН «Маяк» с фотоприёмником глубокого охлаждения, обеспечивающая захват цели с любого ракурса. Существенное различие в массе и габаритах привело к увеличению веса ракеты и выходе её из класса «малогабаритных». Ввиду явного преимущества К-73 по возможности поражеия маневрирующих целей и углам целеуказания, работы над К-14 прекратили. Р-73 поступила на вооружение в 1983 году. Главными её отличительными особенностями стали возможность захвата целей в переднюю полусферу с дистанции 8-10км (в ЗПС – 10-15км) и газодинамическое управление на активном участке, что позволило запускать ракеты при большой угловой ошибке. Возможность прокачки координатора цели в диапазоне +/- 60° (целеуказание перед стартом - +/-45°) с большой скоростью (до 30°/сек.) и отличная реакция на управление достигнутая отклонением вектора тяги на активном участке, позволяют перехватывать цели маневрирующие с перегрузкой до 12G, т.е. практически ни одна пилотируемая цель не в состоянии маневром выйти из зоны слежения ГСН и предотвратить попадание. Подобные характеристики особенно важны в ближнем бою на минимальной дальности, но после израсходования топлива ракета управляется только аэродинамическими рулями и её маневренные характеристики значительно падают.
При создании новых истребителей МиГ-29 и Су-27 было принято решение оснастить их одним типом ракет, но различающихся по ТТХ. Новая разработка К-27 была выполнена по модульному принципу – имель по два варианта ГСН и двигателя. Более тяжелая и «дальнобойная» версия «Э» (энергетическая, а не экспортная) для истребителя Су-27 и более лёгкая для МиГ-29. Обе они могли быть оснащены либо полуактивной радиолокационной ГСН, либо всеракурсной ИК ГСН. При формировании требований к новой ракете основной задачей видилось достижение превосходства над принятым на вооружение в 1975 году комплекса в составе истребитея F-15A с БРЛС APG-63 и ракетой AIM-7F Sparrow. Но обеспечить превосходство в дальности пуска никак не удавалось, так как чуствительность ГСН и энергетика БРЛС не позволяли осуществить захват цели на дальности, больше чем у указанного комплекса. Решением стала разработка режима инерциального наведения с коррекцией от БРЛС носителя. Кажущаяся простота на деле обернулась сложнейшей проблемой сопряжения систем координат носителя и ракеты после её старта. Положение усугублялось невозможностью установки на борту ракеты БЦВМ – все рассчёты требовалось произвести на БЦВМ носителя и «сбросить» на ракету уже готовое полётное задание и ограничиться простейшами коррекциями на этапе инерциального полёта. В результате оформилось решение, когда гироскоп стабилизации антенны несёт на себе датчики ускорений и перед стартом ему задаётся такое положение, при котором его ось будет направлена на цель в момент её захвата по истечению инерциального участка. Положение антенны запоминается и БЦВМ носителя, после чего происходит непрерывное вычисление координат цели в «ракетной» системе координат. На ракету передаются поправки угла установки ГСН, учитывающие маневрирование цели. Ракета управляется таким образом, чтобы при неподвижной ГСН (отклонённой на некоторый угол от оси ракеты) обнулять проекции вектора дальности на плоскость, перпендикулярную оси антенны. Т.е. фактически реализуется метод параллельного сближения на участке инерциально-корректируемого наведения. После захвата цели, наведение происходит уже в подвижной системе координат отслеживающей цель ГСН методом пропорционального наведения. Режим коррекции на инерциальном участке позволил увеличить дальность пуска до 2-2,5 дальностей захвата цели ГСН, и в случае применения Р-27Э с истребителя Су-27 перехватывать цели в ППС удалённые на 70км.
Конструктивно, ракета интересна плоскостями управления большого размаха и сложной формы. Такая их конфигурация обеспечивает сохранение эффективности на больших углах атаки и повышает маневренность ракеты. Небольшие дестабилизаторы различны на ГСН разных типов и компенсируют их аэродинамическое несоответствие, что позволяет обходиться одинаковыми системами стабилизации и управления вне зависимости от комплектации ракеты. Таким образом, с принятием на вооружение в 1984-85 годах серии ракет Р-27 завершилось формирование вооружения Воздух-Воздух советских истребителей 4-го поколения МиГ-29 и Су-27.
Интересно проследить влияние новых разработок на старые модели. Первый прецендент случился после принятия на вооружение серии К-13 – тогда ракету Р-2-УС оснастили ИК ГСН, освободив носитель от жесткого сопровождения цели после пска. Ракета получила индекс Р-55. Затем, в процессе работ по теме К-27, ряд новых разработок был применён при глубокой модернизации ракеты Р-23, так родилась Р-24. И в завершении – уже упомянутый случай замены ГСН ракеты Р-40.
При анализе факторов снижающих эффективность вооружения Воздух-Воздух средней дальности, внимание в первую очередь сосредотачивается на полуактивной РЛ ГСН – необходимость подсвета цели до момента попадания сковывает маневры уклонения от встречной атаки и не позволяет атаковать несколько целей одновременно (кроме самолётов, оснащённых БРЛС с ФАР). Для преодоления данного недостатка был выдан заказ на проектирование ракеты с активной РЛ ГСН. ГосНИИАС требовалось оценить представленные концепции двух КБ – «Вымпел» и «Молния». КБ «Вымпел» предложило по сути глубокую модернизацию ракеты Р-24, а КБ «Молния» - уменьшенную версию Р-40 с новой ГСН. И хотя оба проекта были неудовлетворительны, насущная потребность в новой ракете вынудила принять проект «Вымпела». В ходе разработки переспективных истребителей, было выдвинуто требование по внутреннему размещению боекомплекта, что жестко ограничивало массо-габаритные параметры новой ракеты, а проектируемая в них не вписывалась. Возникший конфликт между разработчиком и заказчиком был решен силовым методом – был выработан эскиз ракеты с указанием весов и предельных габаритов, в которые требовалось уложиться, эскиз был утверждён министром авиационной промышленности Силаевым. Подход оправдался – переработанный проект достаточно точно соответствовал предъявленным требованиям и незначительно превышал стартовую массу эскиза. Р-77 успешно прошла гос.испытания в 1994 году и была прнята на вооружение.
Основой ГСН являлась активная РЛ ГСН с щелевой антенной работаящая в импульсном режиме, при этом во избежание наведения ложных сигналов приёмник «запирается» на время излучения зондирующего импульса. Автопилот выполнен на бесплатформенной инерциальной системе навигации, с применением высокоточных датчиков угловых и линейных ускорений. В отличии от Р-27, на ракете применена БЦВМ с полностью цифровой обработкой сигналов и предпусковой калибровкой всех систем. Наличие мощного вычислителя на борту, позволило принимать команды коррекции независимо для самой ракеты и координатора цели, что оптимизирует траекторию. Всё это позволило повысить дальность пуска до 4-5 дальностей захвата.
Конструктивно, ракета интересна применением крыла сверхмалого удлиннения и решетчатыми рулями. Такое крыло увеличивает жесткость корпуса ракеты и значительно снижает габариты. Особенностью решетчатых рулевых поверхностей (к тому моменту давно уже применяемых в космонавтике) является малый шарнирный момент практически во всём диапазоне скоростей, что позволило оснастить их миниатюрными приводами малой мощности и соответственно – с небольшой массой. Для внутреннего и конформного размещения ракет на будущих истребителях предусмотрена возможность оснащения рулей механизмом складывания вперёд.
Применение ракеты возможно практически с любого носителя, оборудованного какими угодно средствоми измерения угловых координат цели – как БРЛС, так и оптическими. При пуске с небольшой дальности (до 1,5 дальностей захвата) ракета полностью автономна и не требует внимания носителя. При стрельбе на большую дистанцию ракета принимает команды коррекции с борта носителя. Благодаря активной РЛ ГСН возможно обеспечить пуск нескольких ракет по разным целям без перехода на их непрерывное сопровождение.
В данный момент идут работы по совершенствованию ракеты, основными направлениями являются :
а) увеличение дальности пуска
б) повышение точности
в) возможности поражать малозаметные цели на предельно малых высотах, в том числе и такие, как вертолёты в режиме висения.
Модернизированные перехватчики МиГ-31М (БМ) получили новую БРЛС со значительно увеличенной дистанцией обнаружения (до 300км по цели типа бомбардировщик) и новые ракеты Р-37. Благодаря более мощному двигателю с увеличенным временем работы и повышению точности автопилота дальность пуска составила до 280км.
Автор статьи не претендует на полноту изложения материала, данная статья должна осветить только основные вехи в истории развития авиационных средств поражения и наиболее интересные образцы.
Автор намеренно не приводит таблици с детальными ТТХ указанных в статье видов вооружения по многим причинам. В первую очередь секретность и неоднозначность в различных источниках .
__________________________________________________
Часть I
Поговорим немного о вооружении самолётов, в первую очередь хочу остановиться на вооружении класса Воздух-Воздух.
Итак, вооружение современного самолёта представляет собой тесно связаный комплекс различных систем, которые можно условно разделить на Систему Управления Вооружением (СУВ), и непосредственно подвесное и встроенное вооружение.
Основой СУВ в первую очередь является Бортовая Радиолокационная Станция (БРЛС).
Проведём краткий обзор истории развития РЛС воздушного базирования.
1. Первое поколение БРЛС, появившееся во время Второй Мировой позволяло только приблизительно оценить дальность до цели и направление правее/левее и выше/ниже и только на малой дальности. Антенна были выполнены в виде массивов штыревых неподвижных антенн, отдельно приёмников и излучателей. РЛС позволяла только вывести перехватчик в район цели, далее обнаружение и сама атака выполнялись визуально.
В конце войны появились параболические антены, что дало возможность точнее оценивать расстояние и направление до цели.
Первая отечественная БРЛС "Изумруд" устанавливалась на истребители МиГ-15 и МиГ-17. РЛС работала в импульсном режиме, и могла обнаруживать и сопровождать цели, летящие выше истребителя. Обнаружение и сопровождение осуществлялось двумя переключаемыми антеннами.
Её дальнейшее развитие - "Изумруд-2" имела уже одну антенну, вдвое большего диаметра, за счёт чего возросла дальность обнаружения целей (цель типа В-29 "Изумруд" обнаруживала на дистанции до 15км, "Изумруд-2" до 25-30км).
Для перехватчиков Як-25 была создана БРЛС "Сокол", и её модификация "Орёл" для Су-11, Як-28 и Су-15. За счёт большего диаметра зеркала и большей мощности передатчика дальность обнаружения цели типа В-29 возросла до 40 км.
2. Второе поколение БРЛС использовало уже полупроводники и микроминиатюрные лампы, но принципиально от первого поколения не отличались. К ним относятся БРЛС "Алмаз" самолётов Су-9, "Сапфир-21" истребителей МиГ-21, "Смерч" перехватчиков Ту-128 и "Смерч-А" для МиГ-25. Основное отличие - снижение массо-габаритных характеристики и улучшение сопряжения с комплексами бортового вооружения, в первую очередь - с ракетами В-В с полуактивными ГСН.
3. Третье поколение преследовало цель обнаружения самолётов на фоне земли, т.е. летящих ниже носителя.
Для выделения сигнала цели на фоне отраженных от земли применён метод селекции движущихся целей с внешней когерентностью. Опорный сигнал создавался за счёт отражения зондирующих импульсов от протяженных объектов на земле. После захвата цели БРЛС переходит в режим непрерывного излучения для подсветки цели при атаке ракетами с доплеровкими полуактивными ГСН.
Перой БРЛС стала "Сапфир-23" для истребителей-перехватчиков МиГ-23 и её модификация "Сапфир-25" соответственно для МиГ-25.
4. К четвёртому поколению относят импульсно-доплеровские БРЛС с режимом квазинепрерывного излучения (КНИ). Данный режим, используя высокую частоту повторения зондирующих импульсов (причём каждая пачка импульсов состоит из пактов разных частот) детектирует дижущиеся цели на фоне земли гораздо лучше. Но при этом значительно возрастает нагрузка на вычислительную подсистему БРЛС, первой БРЛС с полностью цифровой архитектурой стала APG-63 истребителя F-15. У нас работы по созданию БРЛС начались с создания РЛС для истребителей МиГ-31 и Су-27. При создании БРЛС "Заслон" впервые применена ФАР (комплекс принят на вооружение в 1981 году). При создании БРЛС для Су-27 ставилась задача превзойти APG-63, и для этого применили оригинальную антенну с электронным сканирование луча по углу места и механическим сканированием по азимуту со стабилизацией по крену. Идея была в том, что плоскость электронного сканирования антенны можно было совместить с двумя целями и добиться одновременного обстреля обеих ракетами Р-27 с полуактивной ГСН. К сожалению, созданный комплекс оказался неработоспособен в воздухе. Наряду с необходимостью коренной переработки и самого Су-27, начались работы по созданию БРЛС одноканального наведения на базе создаваемой в то же время БРЛС Н-019, истребителя МиГ-29. Главным отличием стала антенна большего диаметра и соответственно доработаный её силовой привод и узлы крепления. При этом возник неприятный момент - РЛС невидит цели расположенные ниже 3 градусов от плоскости горизонта, в момент смены полусферы наблюдения (т.е. расположенные перпендикулярно вектору наблюдения). Для этого было введено инерциальное сопровождение таких целей. Увы, от двухканальности наведения пришлось отказаться, так как чисто механический привод не позволял добиться требуемой скорости переброски диаграммы направленности. В 1985 году комплекс был принят на вооружение.
В 1983 году также завершились испытания истребителя МиГ-29 БРЛС которого отличалась большой степенью унификации с БРЛС Су-27.
На данный момент созданы БРЛС "Оса" для оснащения лёгких самолётов (МиГ-2УБТ, в переспективе модернизация МиГ-21) и "Сокол" для оснащения тяжелых истребителей Су-37, Су-30МК и Су-35. Обе они оснащены ФАР и способны атаковать от 4 до 6 целей.
Как нетрудно догадаться, первые БРЛС небыли в полном смысле этого слова частью СУВ - они обеспечивали только обнаружение факта присутствия цели и приблизительный вывод истребителя к ней. Ситуация изменилась, с принятием на вооружение первых ракет Воздух-Воздух.
Первые принятые на вооружение в СССР ракеты наводились по радиолучу, методом "трёх точек" : после перевода РЛС в режим стрельбы, её луч жестко фиксировался по оси самолёта, и выпущенная ракета старалась держаться в этом луче. Пилот всё время должен был держать визир прицела на цели, что сковывало истребитель и позволяло атаковать только строго с хвоста и только большие маломаневренные цели. Не смотря на все недостатки, ракетное вооружение позволяло истребителю держаться вне зоны эффективного огня бортстрелков.
Первой ракеой этого типа стала К-5 (Р-2-УС), поступившая на вооружение первых реактивных перехватчиков МиГ-17. Интересной особенностью ракеты было применение свободного гироскопа для стабилизации ракеты по крену - это было необходимо для привязки команд управления в зависимости от принятой информации.
Начиная с 1954 года в СССР шли работы по созданию ракет с полуактивной РЛГСН, что освобождало носитель от сопровождения цели всем корпусом и расширяло возможные ракурсы обстрела.
Из серии ракет успехом увенчалась программа создания К-8 (Р-8), принятая на вооружение в 1961 году. Наведение ракеты осуществлялось БРЛС "Орёл" или "Тайфун" истребителей Су-11, Су-15 или Як-28П. Переходя в режим сопровождения, БРЛС подсвечивала выделенную цель серией импульсов, при этом захват цели осуществлялся при нахождении ракеты на подвеске. Для этого ось ракеты (маневром истребителя) совмещалась с направлением на цель, после получения подтверждения захвата цели ГСН ракеты, и при нахождении цели в зоне разрешенного пуска по дальности производится пуск, после чего носитель свободен в маневрировании (в пределах угла прокачки антенны, что составляет +/- 60° по азимуту и углу места). Ракета могла поражать относительно маломаневренные цели (маневрирующие с перегрузкой до 2G) только в заднюю полусферу на дальностях от 2 до 12 км.
При создании данной ракеты впервые столкнулись с трудностями создания гиростабилизированной антенны ГСН, которая должна была отслеживать цель вне зависимости от колебаний и маневров ракеты. Проблема состояла в том, что великолепно отрабатывая колебания по тангажу и рысканию, антенна "уходила" при колебаниях по крену. Математическое исследование законов движения оси антенны позволило прийти к новой схеме гиростабилизатора (с шарнирным соединением корпусов гироскопов).
Второй проблемой было появление так называемой "синхронной" ошибки. Основная причина её появления - разность преломления луча в зависимости от угла отклонения оси антенны от оси ракеты. Небольшой градиент возрастал по мере отклонения оси антенны, и вызывает ложный сигнал угловой скорости линии визирования. Возникшая положительная обратная связь приводила к раскачке ракеты и либо заканчивалась срывом наведения, либо недопустимым промахом.
На том техническом уровне с этим типом ошибки справились тщательным подбором материалов обтекателя ГСН и индивидуальным тестированием каждого комплекта ГСН-обтекатель.
Теперь рассмотрим подробнее - каким именно образом ракета попадает в цель ?
Задачу можно разложить на два этапа :
1) определение координат цели, отноительно ракеты
2) формирование сигналов управления
I
Итак, наш бортовой радар захватил цель и постоянно подсвечивает её серией зондирующих импульсов (измеряя при этом дальность), ракета находится на пилоне подвески, ось самолёта-носителя (и следовательно - ось ракеты и её ГСН) совмещены с направлением на цель.
ГСН ракеты "увидела" цель, и подан соответствующий сигнал пилоту.
Исходя из скорости сближения (при знании собственной путевой скорости, скорости ракеты и максимального времени её полёта) СУВ рассчитывает зону возможного пуска ракеты, и при вхождении цели внутрь этой зоны формируется команда "пуск разрешен". ПУСК ! Ракета уходит к цель.
Но цель маневрирует, на ракету действуют возмущающие силы и направление на цель неизбежно уходит от оси ракеты. Как-же ракета узнает, куда именно смещается вектор дальности ?
Для этого был применён метод конического сканирования. Ось главного лепестка диаграммы направленности антенны описывала конус, вокруг вектора дальности, и при смещении сигнала от цели из равносигнальной зоны, появлялась разница амплитуды принимаемого сигнала в зависимости от положения антенны (мощность сигнала будет увеличиваться при приближении вектора дальности к оси диаграммы направленности). ГСН опираясь на эту разность поворачивала ось таким образом, чтобы сигнал от цели вновь вернулся к равносигнальной зоне. Угол отклонения координатора цели относительно корпуса ракеты фиксировался при помощи пары гироскопов.
Задача первой фазы достигнута - ГСН может следить за маневрирующей целью и знает угловые координаты цели, относительно корпуса ракеты.
II
В общем случае, задачей наведения является достижение совпадения координат цели и координат ракеты.
Основными исходными данными для решения являются угловые координаты цели в "ракетной" системе координат, но вариантов выполнения может быть несколько, все они называются методами наведения.
Простейший из них - "метод погони", или прямое наведение. Суть его состоит в том, чтобы по возможности добиться нулевой разности углов координатора и оси ракеты. Метод максимально прост и потому нашел применение на ракетах первых поколений. Недостатками его является сложность атаки маневренных целей и неоптимальный путь ракеты, что приводит к уменьшению фактической дальности стрельбы. Поэтому ему на смену быстро пришел "метод параллельного сближения", суть которого состоит в сохранении параллельности вектора дальности самому себе. В чистом виде способ неприменим, ввиду инерционности исполнительных махенизмов и реакции ракеты. И фактически реализуется "метод пропорциональной навигации", когда величина управляющего сигнала выбирается таким образом, чтобы угловая скорость цели была пропорциональна ускорению ракеты (в плоскостях наведения), т.е. боковое ускорение ракеты тем меньше, чем меньше угловая скорость вектора дальности.
Метод пропорциональной навигации оказался настолько удачен, что применяется во всех ракетах до сих пор.
На этом завершается решение задачи второй фазы – выработка оптимальных команд исполнительным устройствам ракеты для обеспечения попадания в цель.
Развитием ракет Р-8 стала модификация Р-98 (1965 год).
За счёт введения постоянно обращённой к земле компенсационной антенны, удалось повисить соотношение "сигнал/шум" и увеличить дальность захвата, теперь ракета могла атаковать цели в переднюю полусферу с дистанции до 18 км.
Для этого в ГСН ПАРГ-15 была введена дополнительная стабилизация ракеты относительно горизонта, вне зависимости от крена самолёта-носителя в момент пуска.
В это-же время на вооружение перехватчиков Ту-128 посупает ракета Р-4, со сходными (но немного лучшими) характеристиками.
Обладая значительной энерговооруженностью, Р-4 могла атаковать цели, находящиеся выше носителя на 3-5 км. В сочетании с мощной БРЛС "Смерч", обеспечивающей обнаружение бомбардировщика на дальности до 50км, это позволило самолётам летать на средних высотах без выхода на высоту перехватываемой цели.
Основной задачей комплекса был перехват целей на большом удалении от охраняемого объекта (рубеж перехвата по топливу составлял от 1100км при полёте на высоте 10 км до 850км при полёте на высоте 18км) и действия группы перехватчиков автономно в районах, слабо охваченных радиолокационным полем наземных средств ПВО. Для этого группа могла сохранять строй или по данным своих БРЛС, или при полёте по навигационной аппаратуре с коррекцией от радионавигационной системы РСБН-2СА.
Недостатком метода конического сканирования является уязвимость к амплитудным помехам, совмещённым с целью. При знании противником частоты сканирования, мощная помеха "ослепляет" ГСН или создаёт ложный сигнал, ведущий к срыву захвата. Уязвимость связана с АРУ - автоматический регулятор усиления, цель которого компенсировать усиление отраженного сигнала по мере сближения с целью.
С недостатком пытались бороться, вводя случайную частоту сканирования (от экземпляра к экземпляру, на заводе задавалась одна из возможных частот), что вынуждало противника ставить помеху в более широком диапазоне, снижая спектральную мощность. Или путём сканирования по случайному закону.
Но оба метода оказались малоэффективными, и более не применялись.
На смену методу с коническим сканированием пришли ГСН с моноимпульсным измерением углового рассогласования. Задача была в обнаружении смещения вектора дальности относительно оси координатора по одному сканирующему импульсу (в предыдущем случае разность определялась по многим импульсам за один полный оборот тарелки антенны).
Для решения задачи в ГСН ПАРГ-12В ракеты Р-40 была применена антенна с четырёхлепестковой диаграммой направленности (применена двузеркальная система Кассегрена) - по паре лепестков на каждую плоскость. Оси лепестков слегка наклонены от оси координатора и образуют в центре равносигнальную зону, при смещении вектора дальности в паре лепестков возникала разница амплитуды сигналов, и в дальнейшем ГСН действовала аналогично предыдущей.
Для упрощения формирования команд наведения методом пропорционального наведения, все расчёты велись уже в антенной системе координат. Благодаря применению антенны Кассегрена удалось получить рекордные значения углов целеуказания : +/-70°, что вместе с пропорциональным наведением в антенной системе координат позволило атаковать скоростные цели под б’ольшими ракурсами. Но это породило и проблему - автопилот мог выдать такую команду, которая выведет ракету за предел допустимой перегрузки. Во избежание этого был введён контур, сравнивающий текущую перегрузку и её производную с пороговым значением, и при превышении его обнуляющий команду.
Конструктивно, Р-40 интересна малой удельной нагрузкой на крыло, что позволяет атаковать цели на больших высотах. Для преодоления термических перегрузок во время длительного сверхзвукового полёта, корпус ракеты выполнен из титанового сплава и имеет теплоизоляцию. Боевая часть находится в хвостовой части, а сопловой блок состоит из пары сопел направленных в стороны (располагается как раз перед БЧ). Благодаря расположению двигателя вблизи центра масс, упрощается стабилизация ракеты по мере выгорания топлива.
Помимо полуактивной импульсной РЛ ГСН, ракеты могли оснащаться и ИК ГСН с охлаждением азотом, от находящегося на борту резервуара.
Ракета Р-40 поступила на вооружение истребителей-перехватчиков МиГ-25 в 1969 году. Сам истребитель входил в состав автоматического комплекса перехвата (АПК) МиГ-25П-40, принятого на вооружение в 1972 году. Помимо собственного радиолокатора, истребитель мог принимать по командной радиолинии управления (КРУ) "Бирюса" сигналы наведения на ненаблюдаемую им цель.
Комплексы перехвата Ту-128-С4 и МиГ-25П-40 были способны перехватывать сверхзвуковые цели на больших высотах, в том числе и на большом удалении. Для МиГ-25 была реализована схема полностью автоматического выполнения перехвата, за исключеием только взлёта/посадки.
Развёртывание подобных АКП привели к поиску новых схем преодоления ПВО, и взгляд специалистов в первую очередь упал на прорыв на малых и предельно малых высотах, так как БРСЛ того поколения были неспособны выделять цели на фоне подстилающей местности. И одновременно с этим, встал вопрос о поражении таких целей.
Для выделения целей на фоне подстилающей поверхности в нашей стране были начаты работы по созданию импульсно-допплеровской БРЛС "Сапфир-23", которой предполагалось оснастить истребитель МиГ-23. Как уже отмечалось, для поиска целей был применён принцип селекции движущихся целей с внешней когерентностью.
Суть метода состоит в измерении времени запаздывания сигналов в двух и более зондирующих импульсах. При отражении от условно неподвижной земли (при неизменном положении оси антенны можно принять подобное допущение) запаздывание отраженных сигналов одинаково, но в случае с движущимся объектом запаздывание будет либо увеличиваться, либо уменьшаться. Для надёжного детектирования столь малых величин времени может быть применён фазовый детектор, состоящий из сумматора, амплитудного детектора и разделительного конденсатора. Для обеспечения возможности сравнения фаз необходимо иметь стабильный опорный генератор (гетеродин). Чуствительность детектора такова, что при задержке всего на половину периода колебания, видеосигнал на выходе конденсатора меняет полярность на противоположную. Таким образом, принимая одновременно два сигнала – от земли и от движущегося объекта и пропуская их через детектор, на выходе получим два пика с неизвестной заранее амплитудой и фазой. При обработке второго импульса, получим одинаковый по фазе и амплитуде пик от земли, и изменившийся пик от сдвинувшегося объекта. Если вычесть из первого импульса второй, то одинаковые пики земли компенсируют друг друга, полностью самоуничтожившись, а пик от цели останется. При сравнении последующих зондирующих импульсов будет получен пульсирующий сигнал от цели, а все пики земли будут компенсироваться. Цель достигнута – выделен полезный сигнал на фоне земли. Метод СДЦ столь же изящен и прост в описании, сколь оказался сложен в реализации. В первую очередь потребовалось добиться высокой степени стабильности частоты излучателя при низком уровне собственного шума, и обеспечить большой динамический диапазон приёмника (иначе появлялось большое число ложных целей). Так как земля будет не идеальной плоскостью, пришлось ввести пороговый фильтр который отсеивает незначительные флуктуации пика земли, но это загрубляло БРЛС. Большим недостатком было наличие так называемых «слепых скоростей» - такие значения радиальной скорости цели, при которой задержка сигнала равна одному периоду. В результате чего сигнал перестаёт пульсировать и компенсируется, в купе с пороговым фильтром это давало кумулятивный эффект и «слепые скорости» превращались в некий диапазон скорострей, недоступных для детектирования. Но не смотря на все недостатки, данный тип радара давал огромное преимущество.
Разработка «Сапфир-23» потребовала концентрации усилий большого числа НИИ, и увенчалась успехом - в 1976 году самолёт МиГ-23 и СУВ «Сапфир-23» был принят на вооружение.
Но для нового самолёта нужны и новые ракеты. Для сопровождения цели на фоне земли было решено использовать метод постоянной подсветки цели и доплеровскую ГСН (аналогичный путь выбрали и наши потенциальные противники, в своём комплексе F-4 с ракетами AIM-7E /E-2 чуть ранее). Во время начала работ, был получен «подарок» в виде нескольких ракет AIM-7E Sparrow со сбитого F-4 Phantom, и в 1967 году были начаты работы по копированию данной ракеты, так как чем закончится разработка отечественной К-23 (такой индекс получила новая ракета в КБ) неизвестно, а у американцев уже была готовая ракета работающая по целям на фоне земли. Копия получила индекс К-25. Однако помимо сходств, ракеты имели и существенное различие – в то время как К-23 имела моноимпульсную ГСН, AIM-7E до сих пор работала по принципу конического сканирования. В итоге обе работы были доведени до опытного производства и лётных испытаний, после чего К-23 признана лучшей и в 1973 году принята на вооружение, а тема К-25 закрыта.
Помимо прогрессивного моноимпульсного метода сопровождения, Р-23 (такой индекс получила ракета после принятия на вооружение) имела и другие особенности, в первую очередь – фазовый метод детекции отклонения вектора дальности от оси координатора. Суть его состоит в том, что оси всех 4-х лепестков направленности антенны теперь не сходятся в одной точке, а параллельны друг другу. Принимаемый сигнал от цели на паре лепестков имеет одинаковую амплитуду, но из-за разности пути (приёмник, в сторону которого смещается цель ближе, и путь радиосигнала до него короче) будет наблюдаться разность фаз принимаемых сигналов, по которой и определяется направление смещения метки цели. Сам сигнал цели выделяется по доплеровскому смещению на фоне условно неподвижной земли, при этом ГСН следит за монотонно меняющимся сигналом, не реагируя на все остальные. Применение ГСН данного типа сделало практически невозможным срыв наведения в результате воздействия амплитудных помех цели.
Важной особенностью всех ракет с доплеровской ГСН работающей на непрерывном подсвете цели была невозможность захвата с подвески, так как близость собственной БРЛС вносила чрезмерные помехи. Недостаток обходился захватом на траектории, когда в течении первых 2-3 секунд ракета управляется автопилотом, выходя в заранее исчисленную точку пространства при ГСН заранее ориентированой в сторону цели.
В 1981 году принята на вооружение глубоко модернизированная версия ракеты – Р-24. Главным отличием было введение инерциального участка полёта, на котором ракета продолжает следить за мнимой целью (параметры дальности, курса, угловых координат и скорости которой вводятся до пуска) до её захвата ГСН, с учётом реального перемещения самой ракеты. Участок инерциального наведения позволил увеличить дальность пуска с 25 до 32 километров в ППС (и с 15 до 20 в ЗПС). По традиции, выпускалась и версия ракеты со всеракурской ИК ГСН, фотоприёмник которой охлаждался азотом, основные ТТХ обоих вариантов идентичны, разница в аэродинамических характеристиках носовых обтекателей ГСН компенсировалась соответственно подобраных небольших дестабилизаторов, что позволило не менять ни конструкции ракеты, ни систем управления и стабилизации.
После угона МиГ-25 в Японию, страны НАТО получили детальные сведения о его БРЛС, и хотя ракет на борту небыло, по режимам работы радара специалисты легко извлекали требуемую информацию о них. Это потребовало срочной модернизации самолёта (помимо смены всей системы опознавания «свой-чужой» вообще), и в результате была разработана модификация «Сапфир-25». ГСН ракет Р-40 была несовместима с ней, и на вооружение принята модель Р-40Д, с ГСН на базе ракеты Р-24. И хотя диаметр корпуса Р-40 был больше, поставить антенну большего диаметра не удалось, так как это повышало остроту диаграммы направленности и соответственно – жесткость уловий по точности наведения координатора на цель для её захвата. Уменьшились при этом и углы прокачки линии визирования (с 70° до 50°) и угловая скорость сопровождения, но благодаря возможности атаки целей на фоне подстилающей поверхности и увеличении дальности пуска с 30км до 40км (в ППС) эффективность ракеты возросла.
Но время уже ставило новые задачи...
На смену концепции высотного прорыва сверхзвуковых бомбардировщиков или маловысотного «просачивания» пришла новая угроза – залповое применение крылатых ракет идущих на малой высоте. Помимо этого значительно усложнился наряд сил, выделяемых для преодоления ПВО и количество целей резко возросло. Всё это, в купе с малым покрытием территории страны сетью радиолокационного наблюдения и целеуказания побудило начать работы над новым комплексом перехвата.
Первоначально работы шли над улучшением удачного перехватчика МиГ-25, но вскоре объём изменений стал настолько велик, что всякая преемственность была потеряна, и машина получила собственный индекс МиГ-31.
В основу концепции нового перехватчика легли требования :
а) возможность перехвата целей как в свободном пространстве, так и на фоне подстилающей поверхности
б) обеспечение дальнего рубежа перехвата, упреждающего пуск тактических ракет по охраняемому объекту
в) ведение автономного патрулирования в составе группы над месностью, не покрытой радарным полем
г) координация действий других истребителей ПВО.
Центральной частью СУВ «Заслон» перехватчика стала новая БРЛС, антенна которой была выполнена в виде пассивной фазированой антенной решетки (ФАР) с электронным сканирование луча по азимуту и углу места. Помимо нового типа антенны, применялись и новые методы выделения целей – теперь БРЛС работала в режиме квазинепрерывного излучения с частотой повторения импульсов до 200 кГц, и доплеровский принцип селекции целей. В режиме КНИ каждый последующий пакет когерентен предыдущему, в результате чего повышаются энергетические параметры принятого сигнала, за счёт накопления электромагнитной энергии от нескольких пакетов зондирующих сигналов – это позволило повысить дальность обнаружения. Выделение цели за счёт доплеровского смещения частоты отраженного сигнала потребовало существенно повысить быстродействие БЦВМ, так как решение о наличии сигнала цели производилось на основе дискретного преобразования Фурье по выборке порядка N=1000-4000 чисел (зависит от частоты повторения и спектра принимаемых сигналов). Фактически, можно говорить о разбиении принятого сигнала на N узкополосных фильтров, в каждом из которы происходит накопление энергии когерентных импульсов, и при превышении порогового значение фиксируется факт обнаружение цели.
Процедура дискретного преобразования Фурье считается оптимальным алгоритмом выделения полезного сигнала с неизвестной заранее доплеровской частотой и начальной фазой, но требует огромной вычислительной мощности, в связи с чем оптимальный алгоритм несколько упрощался с целью снизить нагрузку на БЦВМ.
Новизна работ и большой объём инноваций делали доводку системы непростой задачей, для ускорения внедрения был создан комплекс полунатурного моделирования – в радиобезэховой камере перед антенной БРЛС на расстоянии 20-25 метров ставился имитатор цели, и в этой камере отрабатывались все составляющие части БРЛС в режиме имитации всех типов задач. На конечном этапе работ, БРЛС (получившая индекс 8Б) поднялась в воздух в 1975 году на борту летающей лаборатории (пероборудованый Ту-104). Первый полёт на борту МиГ-31 – годом позже, и по завершению всех опытных работ и гос.испытаний в 1981 году СУВ «Заслон» в составе истребителя МиГ-31 принята на вооружение.
Возможность безинерциального переброса луча позволила реализовать обстрел сразу четырёх целей ракетами с полуактивной РЛ ГСН – мгновенное перемещение луча от цели к цели давало достаточный энергетический уровень отраженного сигнала для надёжного захвата.
Основным вооружением МиГ-31 является ракета Р-33, с полуактивной РЛ ГСН с захватом на траектории (ИК ГСН на ракетах данного типа не применялась) и инерциальным участком полёта. ГСН ракеты схожа с ГСН ракеты Р-24, но имеет и отличия – примена не силовая (гироскопическая), а индикаторная система стабилизации координатора цели и оценки угловых координат , основаная на датчиках угловых ускорений. Так как подсветка целей идёт прерывисто, то ГСН ракет работает в строгой согласованности с тактами подсвета «своей» цели, всё остальное время не ведя приём, а выработка команд наведения идёт по прогнозируемому расположению цели. В задачу СУВ теперь входит не только выработка данных стартовой поправки ракеты, но и прогнозирование точки захвата цели на траектории (и соответственно – положения коррдинатора цели), причём дистанция инерциального участка может достигать 30км. Помимо четырёх ракет, находящихся на подфюзеляжных подвесках (в полуутопленом положении) самолёт может нести ПТБ и до четырёх ракет среднего радиуса класса Р-40Д (с РЛ или ИК ГСН).
Помимо БРЛС 8Б в состав СУВ вошел и выдвигаемый теплопеленгатор 8ТК, его наличие позволяло скрытно сопровождать цели в ЗПС на дистанции до 40 километров. Большой объём информации, поступающий с БРЛС, теплопеленгатора и по внешним каналам связи вынудил ввести в состав экипажа штурмана-оператора, но он получил индикатор тактической обстановки большого формата что несомненно повысило эффективность его рабочего места. Основным методом ведения боевых действий нового перехватчика есть дежурство в составе звена из четырёх машин, объединённых общим информационным полем, для чего установлена аппаратура закрытой двусторонней связи АПД-518, обеспечивающая автоматический обмен тактической информацией. Причём был реализован интересный режим обстрела целей двумя самолётами – первый, достигнув рубежа пуска и запустив ракеты сразу отворачивает в сторону, для выхода из под возможной встречной атаки, а наведение осуществляет идущий сзади. На СУВ при этом возлагается дополнительная нагрузка – отождествление целей, т.е. сравнение координат реально наблюдаемых БРЛС целей с данными принятыми с других бортов. Всё это стало возможно благодаря переходу на чисто цифровые методы обработки сигналов на БЦВМ «Аргон-15», принявшей на себя все функции по компексированию систем.
Важной особенностью комплекса является возможность координации действий других истребителей ПВО, в таком случае звено МиГ-31 работает как единый самолёт ДРЛО, ведя обнаружение целей, и выдачу целеуказания на перехватчики других моделей и в первую очередь – Су-27.
Рассмотрим принципы работы БРЛС с режимом КНИ чуть более подробно. Первое, что бросается в глаза – кажущаяся невозможность определения дальности до цели. На БРЛС импульсного типа дальность определялась по времени запаздывания зондирующего импульса, и излучение следующего происходило только спустя время, неободимое сигналу на возвращение с максимальной дистанции работы радара. В новой БРЛС излучение сигналов происходит практически постоянно, и однозначно определить время запаздывания конкретного импульса невозможно. Для определения дальности в режиме КНИ было разработано несколько методов :
а) Режим линейно-частотной модуляции. Излучение зондирующих импульсов по обнаруженной цели происходит не на одной частоте, а на плавно меняющейся во времени (даже в одном зондирующем импульсе) – это даёт дополнительное доплеровское смещение сигнала от цели, по которому и вычисляется дальность. Метод хорош практически мгновенным определением дальности, но точность его невелика, погрешность достигает 1,5 километров при измерении на максимальной дальности. Вдобавок падает спектральная мощность сигнала, снижающая дальность измерения координат, относительно дальности обнаружения.
б) второй метод требует излучения пакетов зондирующих сигналов на двух (или трёх) различных частотах и с разной (но близкой) периодичностью. При этом существует некий интервал времени (значительно больший, чем период повторения для каждой из частот), когда излучение всех зондирующих импульсов происходит одновременно. Соответственно, для определения дальности считают запаздывание только тех импульсов, которые были приняты одновременно на всех частотах. Точность этого метода равна точности обычного импульсного детектора дальности, но требует значительной мощности излучателя, так как спектральная мощность падает, а с ней и дистанция обнаружения.
в) И третий способ – метод вобуляции частоты повторения зондирующих импульсов. В режиме определения дальности БРЛС излучает импульсы через различные интервалы. Принимаемые последовательности импульсов сравниваются с посылаемыми на основе метода распознавания образов. Точность определения дальности не отличается от предыдущего случая, и отсутствует падение спектральной мощности, за счёт облучения на одной частоте. Но метод требует значительной вычислительной мощности БЦВМ и большого объёма ОЗУ.
Теперь коснёмся теплопеленгаторов. Первый теплопеленгатор был введён уже на перехватчике МиГ-23, и после этого стал неотъемлемой частью как специализированных перехватчиков, так и фронтовых истребителей. Рассмотрим теплопеленгатор 8ТК истребителя МиГ-31. Для детекции теплового излучения двигателя цели был применён фотоприёмник в виде линейки чуствительных элементов и системой зеркал, обеспечивающих сканирование заданного сектора пространства (при этом пилот может выбирать между узким и широким полем обзора).
Очевидным недостатком данного решения является низкая чиствительность, связанная с небольшим временем экспозиции фотоприёмника при сканировании текущей строки – так как для более точного определения координат движущейся цели необходимо сканировать сектор обзора как можно чаще. Второй недостаток кроется в наличии системы развертки изображения, что увеличивает массу теплопеленгатора и инерционность.
Математически, выделение сигнала цели и её сопровождение повторяет модель зрения самого человека. После завершения сканирования сектора обзора и перевода полученных данных в цифровой вид (амплитуда силы тока на каждом элементе в каждой из «строк»), на выходе получается двумерная матрица. Различными преобразованиями (Фурье или иными) происходит отсеивание несущественной информации (цифровое сжатие) и выделение сигнала цели в группе элементов матрицы. Неизвестная заранее мощность фонового сигнала делает невозможным применение простых пороговых фильтров и требует такого сложного математического подхода. Как мы видим, методы распознавания цели и для БРЛС с режимом КНИ, и для теплопеленгаторов дают существенную нагрузку на вычислительную систему, и эффективность средств обнаружения ставится в прямую зависимость от быстродействия БЦВМ и совершенства математического аппарата.
Итак, каковы задачи СУВ современного истребителя ?
В первую очередь, это обнаружение целей с помощью БРЛС, теплопеленгатора или получение данных о цели от внешнего источника. После перехода в режим сопровождения и назначения очерёдности обстрела целей, СУВ в зависимости от выбранных ракет начинает рассчёт зоны разрешенного пуска по целям и при вхождении в зону, выдачу пилоту сигнала о разрешении на пуск. При этом непрерывно формируется полётное задание для ракеты – модель движения цели, стартовая поправка, время включения ГСН и её начальная ориентация (в случае если ГСН не следит за мнимой целью с момента пуска). Если применяются ракеты с каналом радиокоррекции (о них ниже), то в задачу СУВ входит и выдача корректирующих команд ракетам, в соответствии с маневрами целей. И конечно же необходимо выводить на индикаторы пилота и/или оператора тактической инфрмации, данных о параметра движения целей, остатке вооружения и действиях других перехватчиков.
До сих пор рассматривались только СУВ специализированных перехватчиков, ниже будет рассмотрена история развития СУВ фронтовых истребителей.
Начальной точкой отсчёта можно будет принять истребитель МиГ-21, серийное производство которого началось в самом конце 50-х годов прошлого века. Основным его вооружением стали ракеты семейства К-13. В 1957 году в СССР были доставлены обломки и неразорвавшиеся ракеты AIM-9B Sidewinder с тепловой ГСН, производства США, и начались работы по её воспроизводству. Надо заметить, ракеты семейства Sidewinder оказались чрезвычайно удачными по заложенным техническим решениям, и стали прототипами для управляемых ракет не только СССР, но и многих других стран, и до сих пор являются основными ракетами ближнего боя стран НАТО (и не только). Перое, что обращает на себя внимание – большое относительно удлинение ракеты при малом калибре – до 20 (и более, на ряде моделей) при диаметре корпуса 127мм (5 дюймов). Это позволило снизить лобовое сопротивление. Наличие предельно смещенных назад крыльев создаёт значительный стабилизирующий момент, и упрощает систему стабилизации ракеты, в это же время рули вынесены максимально вперёд, и весьма эффективны во всём диапазоне скоростей. Вторая особенность рулевого привода – отсутствие обратной связи, при этом конфигурация рулей и расположение оси подобраны так, что отклонение плоскостей обратно пропорционально скоростному напору, а перегрузка соответствует команде вне зависимости от скорости и других условий полёта. Рассуждения приблизительны, но такая схема управления доказала свою эффективность в очень большом диапазоне условий применения. Но самой интересной особенностью оказалась система стабилизации ракеты выполненная на роллеронах. На концах крыльев сделаны небольшие свободно отклоняемые поверхности со встроенными гироскопами, раскрутка которых производится набегающим потоком (гироскоп выполнен в форме зубчатого колеса, зубья котоорого подобны пиле а не шестерне – с пологим задним скатом и плоским передним, практически параллельным радиусу). За счёт малого веса роллерона и значительного стабилизирующего момента относительно массивного гироскопа даже при небольших углах отклонения ракеты свободно поворачивающийся на шарнире роллерон отклоняется, создавая аэродинамический момент, направленый на парирование колебаний. Наличие роллеронов на всех 4-х крыльях обеспечивает демпфирование ракеты по всем осям (углу рыскания, тангажа и крена). Всё это позволило создать предельно простую и лёгкую систему управления и стабилизации ракеты. При воспроизведении ракеты были оставлены без изменений основные размерности и сохранены все особенности ракеты-прототипа (за исключением демпфирования – в Р-3, такой индекс получила ракета при принятии на вооружение, оно осуществлялось только по осям тангажа и рыскания), таким образом преемственность хорошо заметна даже на внешнем виде. В состав вооружения МиГ-21 входили две ракеты и радиодальномер СРД-5. Захват цели осуществлялся ракетой при точном совмещении оси ГСН (маневром истребителя) с целью. Применение неохлаждаемого ИК приёмника ГСН вводило ограничение на пуск только в заднюю полусферу цели. Функции СУВ сводились только к измерению дальности до цели и при наличии сигнала о захвате цели ГСН, формирование сигнала «пуск разрешен» если дистанция находится в интервале от 1 до 7 километров.
Ограниченность полусферы атаки и необходимость «ловить» цель осью ГСН существенно снижали эффекивность ракет в ближнем бою. Для разерешния этих трудностей была создана ракета Р-3Р с радиолокационной полуактивной ГСН работающей в импульсном режиме с коническим сканированием диаграммы направленности. Наличие РЛ ГСН позволило несколько расширить ракурс цели при атаке и сделало возможным захват цели в конусе 10°. Для применения ракет Р-3Р на истребители МиГ-21С, СМ и СМТ устанавливалась усовершенствованная БРЛС РП-22. Серийное производство ракет Р-3Р началось в 1967 году. Но развитие семейства на этом не остановилось – благодаря применению охлаждаемого фотоприёмника и миниатюризации его оптической систему удалось увеличить дельность захвата цели и одновременно снизить лобовое сопротивление (теперь обтекатель имел не полусферическую форму, а оживальную с небольшим полусферическим носком), что повысило дальность пуска до 15 км в ЗПС. Одновременно были введены роллероны, обеспечивающие трёхосевую стабилизацию, как и на оригинале. Получившая индекс К-13М ракета поступила на вооружение истребителей МиГ-21 и МиГ-23 в 1973 году. Повышенная скорость слежения за целью и высокая маневренность ракеты позволяла атаковать цели, маневрирующие с вдвое большей перегрузкой (до 6G, против 2-3G у ракет Р-3). Следующим шагом было введение возможности захвата цели в конусе +/- 12°, благодаря сопряжению ГСН с осью БРЛС, следящей за целью на ракете Р-13М1 (1977 год).
Финальной версией линии развития ракеты К-13 стала разработка ракеты ближнего боя Р-60, принятой на вооружение в 1974 году. Требования к ней были сформулированы после ряда конфликтов 60-х годов. Основными направлениями стали :
а) миниатюризация ракеты, для увеличения боекомплекта
б) обеспечение захвата цели не только маневром носителя
в) снижение минимальной дистанции пуска
г) поражение высокоманевренных целей.
Масса ракеты была сокращена до 43,5кг, при БЧ в 3кг (что считалось достаточным для поражения цели прямым попаданием в двигатель), ГСН могла захватывать цели в конусе +/- 12° от своей оси и благодаря высокой маневренности поражать цели на дистанциях от 300 метров до 8 км. Модернизированная ракета поступила на вооружение в 1979 году под индексом Р-60М, основными отличиями стала охлаждаемая ГСН, что повысило помехоустойчивость, несколько расширилась зона захвата цели – до +/- 20° и выозросла допустимая перегрузка маневрирования цели – до 8G. Удачной ракетой оснащались почти все типы истребителей и некоторые вертолёты. В США проводились работы по созданию аналогичной ракеты LCLM, но на вооружение она принята не была. Не нашло продолжения развитие малогабаритных ракет и в СССР. Причиной этих двух фактов стало исследование динамики маневренного боя, в результате которого обе стороны пришли к выводу о необходимости всеракурсности захвата цели ракетами ближнего боя.
С середины 70-х годов начинаются работы по созданию следующего поколения ракет ближнего боя, одновременно разрабатывались ракеты К-14 (глубокая модернизация Р-13М1) и новая малогабаритная ракета К-73. Поначалу, К-73 должна была иметь бескрылую компоновку с газодинамическим управлением и ГСН с захватом только в ЗПС, тогда как К-14 предполагалось оснастить всеракурсной ГСН. Однако нецелесообразность создания переспективных ракет с ГСН ограниченной ракурсности захвата цели была очевидна, и первоначальный вариант был отвергнут заказчиком. При содействии ГосНИИАС и завода «Арсенал» для ракеты была создана принципиально новая ИК ГСН «Маяк» с фотоприёмником глубокого охлаждения, обеспечивающая захват цели с любого ракурса. Существенное различие в массе и габаритах привело к увеличению веса ракеты и выходе её из класса «малогабаритных». Ввиду явного преимущества К-73 по возможности поражеия маневрирующих целей и углам целеуказания, работы над К-14 прекратили. Р-73 поступила на вооружение в 1983 году. Главными её отличительными особенностями стали возможность захвата целей в переднюю полусферу с дистанции 8-10км (в ЗПС – 10-15км) и газодинамическое управление на активном участке, что позволило запускать ракеты при большой угловой ошибке. Возможность прокачки координатора цели в диапазоне +/- 60° (целеуказание перед стартом - +/-45°) с большой скоростью (до 30°/сек.) и отличная реакция на управление достигнутая отклонением вектора тяги на активном участке, позволяют перехватывать цели маневрирующие с перегрузкой до 12G, т.е. практически ни одна пилотируемая цель не в состоянии маневром выйти из зоны слежения ГСН и предотвратить попадание. Подобные характеристики особенно важны в ближнем бою на минимальной дальности, но после израсходования топлива ракета управляется только аэродинамическими рулями и её маневренные характеристики значительно падают.
При создании новых истребителей МиГ-29 и Су-27 было принято решение оснастить их одним типом ракет, но различающихся по ТТХ. Новая разработка К-27 была выполнена по модульному принципу – имель по два варианта ГСН и двигателя. Более тяжелая и «дальнобойная» версия «Э» (энергетическая, а не экспортная) для истребителя Су-27 и более лёгкая для МиГ-29. Обе они могли быть оснащены либо полуактивной радиолокационной ГСН, либо всеракурсной ИК ГСН. При формировании требований к новой ракете основной задачей видилось достижение превосходства над принятым на вооружение в 1975 году комплекса в составе истребитея F-15A с БРЛС APG-63 и ракетой AIM-7F Sparrow. Но обеспечить превосходство в дальности пуска никак не удавалось, так как чуствительность ГСН и энергетика БРЛС не позволяли осуществить захват цели на дальности, больше чем у указанного комплекса. Решением стала разработка режима инерциального наведения с коррекцией от БРЛС носителя. Кажущаяся простота на деле обернулась сложнейшей проблемой сопряжения систем координат носителя и ракеты после её старта. Положение усугублялось невозможностью установки на борту ракеты БЦВМ – все рассчёты требовалось произвести на БЦВМ носителя и «сбросить» на ракету уже готовое полётное задание и ограничиться простейшами коррекциями на этапе инерциального полёта. В результате оформилось решение, когда гироскоп стабилизации антенны несёт на себе датчики ускорений и перед стартом ему задаётся такое положение, при котором его ось будет направлена на цель в момент её захвата по истечению инерциального участка. Положение антенны запоминается и БЦВМ носителя, после чего происходит непрерывное вычисление координат цели в «ракетной» системе координат. На ракету передаются поправки угла установки ГСН, учитывающие маневрирование цели. Ракета управляется таким образом, чтобы при неподвижной ГСН (отклонённой на некоторый угол от оси ракеты) обнулять проекции вектора дальности на плоскость, перпендикулярную оси антенны. Т.е. фактически реализуется метод параллельного сближения на участке инерциально-корректируемого наведения. После захвата цели, наведение происходит уже в подвижной системе координат отслеживающей цель ГСН методом пропорционального наведения. Режим коррекции на инерциальном участке позволил увеличить дальность пуска до 2-2,5 дальностей захвата цели ГСН, и в случае применения Р-27Э с истребителя Су-27 перехватывать цели в ППС удалённые на 70км.
Конструктивно, ракета интересна плоскостями управления большого размаха и сложной формы. Такая их конфигурация обеспечивает сохранение эффективности на больших углах атаки и повышает маневренность ракеты. Небольшие дестабилизаторы различны на ГСН разных типов и компенсируют их аэродинамическое несоответствие, что позволяет обходиться одинаковыми системами стабилизации и управления вне зависимости от комплектации ракеты. Таким образом, с принятием на вооружение в 1984-85 годах серии ракет Р-27 завершилось формирование вооружения Воздух-Воздух советских истребителей 4-го поколения МиГ-29 и Су-27.
Интересно проследить влияние новых разработок на старые модели. Первый прецендент случился после принятия на вооружение серии К-13 – тогда ракету Р-2-УС оснастили ИК ГСН, освободив носитель от жесткого сопровождения цели после пска. Ракета получила индекс Р-55. Затем, в процессе работ по теме К-27, ряд новых разработок был применён при глубокой модернизации ракеты Р-23, так родилась Р-24. И в завершении – уже упомянутый случай замены ГСН ракеты Р-40.
При анализе факторов снижающих эффективность вооружения Воздух-Воздух средней дальности, внимание в первую очередь сосредотачивается на полуактивной РЛ ГСН – необходимость подсвета цели до момента попадания сковывает маневры уклонения от встречной атаки и не позволяет атаковать несколько целей одновременно (кроме самолётов, оснащённых БРЛС с ФАР). Для преодоления данного недостатка был выдан заказ на проектирование ракеты с активной РЛ ГСН. ГосНИИАС требовалось оценить представленные концепции двух КБ – «Вымпел» и «Молния». КБ «Вымпел» предложило по сути глубокую модернизацию ракеты Р-24, а КБ «Молния» - уменьшенную версию Р-40 с новой ГСН. И хотя оба проекта были неудовлетворительны, насущная потребность в новой ракете вынудила принять проект «Вымпела». В ходе разработки переспективных истребителей, было выдвинуто требование по внутреннему размещению боекомплекта, что жестко ограничивало массо-габаритные параметры новой ракеты, а проектируемая в них не вписывалась. Возникший конфликт между разработчиком и заказчиком был решен силовым методом – был выработан эскиз ракеты с указанием весов и предельных габаритов, в которые требовалось уложиться, эскиз был утверждён министром авиационной промышленности Силаевым. Подход оправдался – переработанный проект достаточно точно соответствовал предъявленным требованиям и незначительно превышал стартовую массу эскиза. Р-77 успешно прошла гос.испытания в 1994 году и была прнята на вооружение.
Основой ГСН являлась активная РЛ ГСН с щелевой антенной работаящая в импульсном режиме, при этом во избежание наведения ложных сигналов приёмник «запирается» на время излучения зондирующего импульса. Автопилот выполнен на бесплатформенной инерциальной системе навигации, с применением высокоточных датчиков угловых и линейных ускорений. В отличии от Р-27, на ракете применена БЦВМ с полностью цифровой обработкой сигналов и предпусковой калибровкой всех систем. Наличие мощного вычислителя на борту, позволило принимать команды коррекции независимо для самой ракеты и координатора цели, что оптимизирует траекторию. Всё это позволило повысить дальность пуска до 4-5 дальностей захвата.
Конструктивно, ракета интересна применением крыла сверхмалого удлиннения и решетчатыми рулями. Такое крыло увеличивает жесткость корпуса ракеты и значительно снижает габариты. Особенностью решетчатых рулевых поверхностей (к тому моменту давно уже применяемых в космонавтике) является малый шарнирный момент практически во всём диапазоне скоростей, что позволило оснастить их миниатюрными приводами малой мощности и соответственно – с небольшой массой. Для внутреннего и конформного размещения ракет на будущих истребителях предусмотрена возможность оснащения рулей механизмом складывания вперёд.
Применение ракеты возможно практически с любого носителя, оборудованного какими угодно средствоми измерения угловых координат цели – как БРЛС, так и оптическими. При пуске с небольшой дальности (до 1,5 дальностей захвата) ракета полностью автономна и не требует внимания носителя. При стрельбе на большую дистанцию ракета принимает команды коррекции с борта носителя. Благодаря активной РЛ ГСН возможно обеспечить пуск нескольких ракет по разным целям без перехода на их непрерывное сопровождение.
В данный момент идут работы по совершенствованию ракеты, основными направлениями являются :
а) увеличение дальности пуска
б) повышение точности
в) возможности поражать малозаметные цели на предельно малых высотах, в том числе и такие, как вертолёты в режиме висения.
Модернизированные перехватчики МиГ-31М (БМ) получили новую БРЛС со значительно увеличенной дистанцией обнаружения (до 300км по цели типа бомбардировщик) и новые ракеты Р-37. Благодаря более мощному двигателю с увеличенным временем работы и повышению точности автопилота дальность пуска составила до 280км.
