16 июня, 2010

Радиолокаторы наведения системы ПРО «А» (2)

Окончание.

Начало в № 2 за 2010 г.

Аппаратурный автоматизированный функциональный контроль осуществлялся с целью проверки работоспособности в целом аппаратуры радиолокатора. В состав этой аппаратуры входили встроенные специализированные измерители, включающие направленные ответвители на ВУМ с направленностью не хуже 40 дБ.

При проведении электрической юстировки измерялись парциальные диаграммы направленности с выходов всех 4 каналов волноводного тракта при вращении антенны поочередно вокруг каждой из осей 1, 2. Находилось равносигнальное направление, которое совмещалось с геометрической осью антенны путем перемещения контррефлектора.

Передающее устройство канала цели обеспечивало генерацию импульсных сигналов двух длительностей – 3 мкс и 0,5 мкс для функционирования соответственно на предварительной и главной ступенях работы. Импульсная мощность передающего устройства канала цели составляла 30 Мвт, а канала ПР – 1 МВт.

Для генерации СВЧ-энергии был специально разработан предельно-волноводный мощный магнетрон «Канал», который по своим выходным параметрам намного превосходил все зарубежные СВЧ магнетроны этого диапазона частот. Модулятор передающего устройства канала цели представляет собой линейный модулятор с емкостным накопителем энергии в виде трех параллельно работающих искусственных линий формирования. Для переключения схемы с заряда на разряд используется три импульсных мощных водородных тиратрона с током в импульсе 2500 ампер и амплитудой напряжения до 35 кВ. Модулятор передающего устройства канала противоракеты собран по известной схеме с частичным разрядом накопленной энергии, коммутируемой двумя «жесткими» лампами с током в импульсе каждой лампы 90 ампер и напряжением до 32 кВ с использованием импульсного трансформатора.

Мощные ферритовые вентили появились позднее, в 1960-х гг., и для магнетронного передатчика серьезной проблемой было согласование с нагрузкой – волноводным трактом антенны. Экспериментальным путем выяснилось, что результаты измерений на низком уровне мощности не дают полной информации об отражениях в волноводном тракте на высоком уровне мощности (ВУМ). На объекте был разработан рефлектометр, который позволял при работе на ВУМ определять величину и местонахождение неоднородности в волноводном тракте для ее последующего устранения.

Антенна радиолокатора точного наведения
Фотоархив «ВКО»

Приемное устройство каналов цели и противоракеты по структуре построения представляли собой высокочувствительный супергетеродин с двойным преобразованием частоты и широким динамическим диапазоном. Входные усилители были построены на специально разработанных малошумящих лампах бегущей волны (ЛБВ). Формирование пеленгационной характеристики производится суммарноразностным волноводным дискриминатором, связывающим ППП с входами усилительных каналов приемного устройства.

Входным усилителем каждого из трех каналов – канала дальности, каналов углового сопровождения 1 и 2 – являлась широкодиапазонная малошумящая ЛБВ «Тростник», обеспечившая получение требуемого коэффициента шума в любой точке рабочего диапазона.

Наличие двух раздельных усилителей для функционирования соответственно на предварительной и главной ступенях работы с разными промежуточными частотами позволяло оптимальным образом решить вопрос о неискаженном усилении принятых сигналов при обеспечении максимальной чувствительности приемного устройства на обеих ступенях работы станции. Входные сигналы после прохождения приемной системы, где производились усиление, преобразование, нормирование по амплитуде, выработка сигнала углового рассогласования, поступали на дальномерное устройство, индикаторы, систему углового подслеживания и контрольно-регистрирующую аппаратуру.

Приемное устройство было охвачено рядом схем автоматического регулирования, в состав которых входил также калибратор дальности, вырабатывающий высокочастотный сигнал, задержанный относительно импульса передатчика на строго постоянное время, по которому проводится юстировка дальномеров каналов цели и противоракеты. Метод формирования калибрационного сигнала по частоте и использование в качестве задерживающего элемента термостатированной кварцевой линии обеспечивал получение высокой точности юстировки.

Впервые был решен вопрос защиты приемных каналов от мощных импульсов передатчика. Простота конструктивного решения примененных разрядников (ППП) позволила разработать высоконадежное, простое в эксплуатации входное устройство.

Приемный канал сигнала ответчика противоракеты в схемном решении аналогичен каналу дальности цели, работающему в режиме «Главная ступень». Конструктивно приемное устройство каналов цели и противоракеты выполнено в виде общей секционированной аппаратурной стойки. Широкое применение в аппаратуре печатного монтажа и полосковых волноводов позволило спроектировать достаточно компактное устройство.

Два дальномерных устройства, построенные на цифровом принципе, обеспечивали раздельное автоматическое сопровождение и измерение дальностей до цели и ПР. Угловые координаты цели определялись моноимпульсным методом. Сигналы, поступающие от облучателя антенны, преобразовывались в приемном устройстве в два разностных и один суммарный сигналы. Поддержание равенства коэффициентов усиления суммарного и двух разностных линеек обеспечивалось импульсной автоматической регулировкой усиления. В разностной линейке сигнал ошибки выделялся амплитудно-фазовым дискриминатором.

Высокие точности измерения текущих координат получены в результате применения нового метода построения цифровых измерителей дальности и углов (ВСП), впервые разработанных в КБ-1 (ныне ГСКБ «Алмаз-Антей» им. академика А. А. Расплетина), в которых цифровые элементы являлись органическими элементами структуры измерителей, а не просто оцифровки измеренных аналоговых величин, как это иногда представляется в литературе.

Цифровые операции, необходимые для решения задач автосопровождения, осуществлялись специализированным цифровым 20-разрядным вычислительным устройством РС-40В с жесткой программой управления операциями. Быстродействие составляло около 50 тыс. операций в сек. Цифровое устройство во время перехода из режима предварительной на главную ступень после включения передающего устройства канала ПР дополнительно решало задачу автоматической союстировки дальномерных устройств каналов цели и ПР, позволяющей свести разностные ошибки измерения дальности до весьма малых величин. Это же устройство обеспечивало контроль всей аппаратуры РТН с помощью имитационной аппаратуры по тест-программам. Конструктивно дальномерное устройство и РС-40В выполнены полностью на безнакальных элементах: полупроводниковых диодах, триодах, ферритах и тиратронах с холодным катодом.

Распределительно-преобразующее устройство
Фотоархив «ВКО»

По окончании основного объема испытаний системы «А» были проведены экспериментальные работы с пусками противоракет, направленные на исследование возможности использования измеренных радиолокатором точного наведения угловых координат. Для этого была разработана общая функциональная программа работы системы «А» (ОБП-16), в которой для определения параметров движения цели и наведения ПР использовались дальность и угловые координаты, измеренные одним РТН.

Отметим, что трехканальное построение приемного устройства радиолокационной станции сопровождения целей, широко известное ныне как моноимпульсный метод измерения угловых координат, было, по-видимому, первым в отечественной практике.

Захват на сопровождение целей и противоракет осуществлялся вручную операторами. Попытки разработки и создания аппаратуры, которая позволила бы обеспечить автоматическое обнаружение сигнала цели и переброс стробов сопровождения на цель в заданном интервале неопределенности положения цели по дальности, в то время не вполне увенчались успехом.

После захвата цели дальнейшее ее сопровождение осуществлялось в автоматическом режиме. В процессе проведения испытаний РТН обнаружилось, что при глубоких замираниях сигнала, характерных для флюктуации отраженного сигнала от головной части баллистической цели, строб сопровождения дальномерного устройства успевал отклониться от реального положения цели на величину, большую длительности импульса, и при восстановлении сигнала строб сопровождения оказывался вне пределов сигнала. В результате этого в расчет на ЭВМ М-40 попадали недостоверные данные, приводящие к ошибкам вычисления текущих координат цели и упрежденной точки встречи. Восстановление параметров баллистической траектории к действительным после этого сбоя при узкой полосе фильтра сглаживания занимало значительное время.

Для устранения этого эффекта был использован имевшийся задел по аппаратуре автоматического обнаружения сигнала, который позволил обеспечить контроль наличия сигнала в стробе сопровождения дальномера. Тот же аппаратурный задел был использован для доработки аппаратуры автоматического захвата сигнала головной части при ее выделении из состава групповой двухэлементной цели при входе в атмосферу и переброса строба сопровождения на него. Это был первый успешный опыт создания достаточно эффективной аппаратуры автоматической селекции головных частей из состава парной цели.

С переходом на этап наведения ПР (продолжительностью 12–14 с) возможность вмешательства оператора на ход выполнения рабочего цикла исключалась и он выполнялся в автоматическом режиме при управлении от ЭВМ М-40.

В системе «А» построение траектории цели, расчет упрежденной точки встречи, а также наведение ПР на ГЧ баллистической ракеты осуществлялись ЭВМ М-40 в соответствии с алгоритмом по трем дальностям до цели и ПР, измеренным пространственно разнесенными РТН.

В основе такого решения лежало известное обстоятельство, состоящее в том, что в радиолокаторах слежения технически легче достигнуть более высокой точности измерения дальности по сравнению с угловыми координатами. Ошибка измерения дальности при прочих равных условиях не зависит от дальности, тогда как угловая ошибка, пересчитанная в пространственную ошибку, увеличивается с увеличением дальности.

Шкаф контроля частоты
Фотоархив «ВКО»

Принятый в системе «А» метод определения координат целей и ПР требовал не только высокой точности, а исключительно высокой точности измерения дальности для обеспечения поражения головной части осколочным боевым зарядом ПР. Для этого было необходимо принятие специальных дополнительных мер. Прежде всего это касалось привязки измеренных дальностей ко времени.

Привязка измеренных дальностей (и угловых координат) ко времени осуществлялась синхронизатором РТН. Первой принятой мерой была жесткая привязка частотной сетки синхронизатора к эталонным меткам высокоточной системы единого времени (СЕВ) полигона. Целеуказания по дальности и угловым координатам цели и ПР, команды управления, передаваемые в направлении ЦВС-РТН, измеренные дальности и угловые координаты цели и ПР, сигналы состояния радиолокатора, передаваемые в направлении РТН-ЦВС, занимали вполне определенное место в кадре передачи информации по радиорелейным линиям связи. Кадр информации, передаваемый по радиорелейной линии связи, также жестко был привязан к меткам СЕВ. Такая организация привязки измерений радиолокационных средств системы «А» к абсолютному времени гарантировала исключение временных ошибок, связанных с огромным пространственным разносом РТН на местности.

Далее, для обеспечения требуемых точностей расчета координат баллистических целей и успешного наведения противоракет на цель по результатам измерений с помощью пространственно разнесенных средств системы «А» была осуществлена высокоточная топографическая привязка объектов.

Индикаторное устройство
Фотоархив «ВКО»

Для обеспечения сопровождения баллистических ракет, двигающихся со скоростью до 7 км/с, необходима система с высоким быстродействием или иначе – система с широкой динамической частотной полосой. Но широкополосные системы не обеспечивают высокой точности измерения. И это было хорошо известно.

Оригинальное решение технически сложного в реализации высокоточного измерения дальности скоростных баллистических целей было найдено на основе построения дальномера по принципу относительного сопровождения, когда он является составной частью двухконтурной системы авторегулирования. Первый опорный контур авторегулирования реализуется на ЭВМ М-40 в виде сложной системы, включающей пересчет измеренных координат из радиолокационной в декартовую систему координат, интегрирование уравнений движения баллистической ракеты в поле тяготения Земли и обратный пересчет в дальность целеуказания. Этот контур как система авторегулирования обладал большой динамической устойчивостью, связанной с накоплением замеров в процессе интегрирования. Устойчивость этого контура была чрезвычайно важна для работы двухконтурной следящей системы радиолокатора как источника непрерывных данных целеуказания, облегчающих повторный захват цели при неизбежных кратковременных срывах автосопровождения из-за флюктуации эхо-сигналов.

Двухконтурное построение слежения по дальности цели позволило также существенно снизить динамические требования к ней. Дальномерное устройство РТН должно было обеспечивать измерение дальности при отклонениях по положению в пределах ±7,5 км, скорости – в пределах ±150 м/с и ускорения цели – в пределах ±50 м/с2.

Дальномерное устройство
Фотоархив «ВКО»

По этим параметрам дальномерное устройство незначительно отличалось от ранее созданных в КБ-1 аналоговых дальномеров для систем ПВО. Внедрение в построение дальномера относительного принципа и цифровых методов измерения, что было осуществлено в отечественной практике впервые, позволили улучшить достигнутые ранее характеристики дальномерных устройств, доведя инструментальную ошибку до величины менее 0,2 м.

Следующим шагом в обеспечении требуемой точности измерения дальности являлось исключение медленных уходов параметров, связанных с двухканальным построением РТН, которые были выявлены в процессе настройки и ввода РТН на объекте. Это были неравные задержки в трактах передающих и приемных устройств каналов цели и ПР.

Штатная схема компенсации ошибок разноканальности, предусматривавших ввод в измеренную дальность юстировочной поправки, определяемой по результатам функционального контроля радиолокатора, их не охватывала.

Синхронизатор
Фотоархив «ВКО»

Для устранения ошибок, связанных с этими неучтенными факторами, был использован уголковый отражатель, установленный на удалении порядка 15 км. Выбор места его установки производился с учетом получения достаточно мощного и четкого эхо-сигнала на фоне отражений от местных предметов. Разность измеренных дальностей двумя каналами РТН при работе двух передающих устройств по уголковому отражателю периодически вносилась в память котировочных поправок. В результате принятых мер аппаратурная ошибка измерения дальности (то есть ошибка измерения при больших значениях отношения сигнал/шум) двумя дальномерами в промежутках между проведением юстировочных работ не превосходила 0,75 м.

Измеренные дальности до цели и ПР передавались по радиорелейной линии связи в виде 22 разрядных двоичных чисел при цене младшего разряда в доли метра.

В 1966 г. по инициативе одного из авторов предлагаемого вниманию читателей «ВКО» материала на РТН были проведены экспериментальные работы по наблюдению головных частей баллистических ракет, оборудованных солнечными датчиками ориентации. Данные с датчиков ориентации передавались на наземные пункты приема телеметрической информации с борта головных частей БР. Разработка и установка оптических датчиков на головные части БР были проведены в короткие сроки под руководством И. Ф. Бабича и В. Н. Крыжко.

Устройство управления приводами
Фотоархив «ВКО»

В результате совместной обработки радиолокационной и телеметрической информации впервые были измерены диаграммы обратного рассеяния головных частей баллистических ракет в реальных условиях их полета. Полученные материалы имели особую ценность, так как практически эксперимент был проведен с точки зрения электродинамики в идеальных условиях. В дальнейшем они использовались в интересах проектирования РЛС ПРО, а также как эталон при лабораторных и полевых измерениях диаграмм обратного рассеяния различных объектов.

При разработке аппаратуры радиолокатора точного наведения впервые были реализованы новые конструктивные и технологические решения. В основу этих решений было положено применение в массовом количестве новых, более совершенных радиоэлементов, технологий и механизации сборки ячеек и всей аппаратуры при изготовлении ее на заводах, позволивших резко снизить трудоемкость изготовления аппаратуры и сократить сроки ее изготовления. Вместо ранее использовавшихся медных волноводов в РТН были применены алюминиевые волноводы, получаемые в результате горячего прессования через язычковые матрицы, что позволило обеспечить экономию большого количества дорогой меди.

Применение в РТН полупроводниковых приборов и техники дискретного счета потребовало разработки и освоения в производстве новой технологии изготовления печатного монтажа, новых, более надежных и специальных элементов: полупроводниковых приборов, импульсных трансформаторов, высоконадежных разъемов, ферритовых колец для устройств магнитной памяти, высокоточных цифровых магнитных записывающих головок и пр.

Среди вновь освоенных технологических процессов следует отметить фотохимический способ изготовления печатного монтажа, аргонно-дуговую сварку и пайку твердыми припоями алюминия и его сплавов, сварку тантала и молибдена, сварку кварцевых окон с коваровыми диафрагмами, механизированную импульсную сварку вакуумно-плотных швов, намотку тороидальных сердечников диаметром до 500 мм из ленты толщиной 20 микрон, представлявшей тогда серьезную проблему, и др.

Впервые разработаны и применены в СВЧ аппаратуре печатные волноводы, разработаны и изготовлены высокостабильные кварцевые линии задержки, обеспечивающие получение длительного времени задержки, разработаны и освоены в промышленности алюминиевые волноводы, применение которых позволило только при изготовлении трех РТН сэкономить 42 тонны латуни.

Успешные демонстрационные испытания системы «А» с поражением головных частей баллистических ракет типа Р-5 и Р-12 в натурных условиях, с одной стороны, развеяли миф о баллистической ракете как абсолютном оружии и с другой – явились источником большого числа новых идей в различных отраслях науки и техники, а также способствовали совершенствованию как самих БР, так и способов борьбы с ними.

Уникальные экспериментальные данные, полученные в ходе испытаний системы «А», а также при испытаниях средств преодоления ПРО «Верба», «Кактус» и «Крот», работы по исследованию влияния высотных ядерных взрывов на радиотехнические средства и средства связи при проведении операций «К» и другие исследовательские работы легли в основу построения следующих поколений систем ПРО и ее средств.

Многие научные, технические и технологические достижения использовались в различных отраслях отечественной науки и техники. Например, по конструкторской документации антенны канала цели РТН с разрешения Генерального конструктора Г. В. Кисунько и Министерства обороны заводами оборонной промышленности изготовлялись антенны и антенные обтекатели приемных пунктов Центрального телевидения «Орбита».

По завершении работ на системе «А» антенны каналов цели и ПР одной из РТН были переданы Физико-техническому институту АН Туркменской ССР. На основе антенны канала цели был создан крупнейший в стране полноповоротный радиотелескоп РТ-15. В период с 1974 по 1992 г. на этом радиотелескопе были проведены широкие научно-исследовательские работы по изучению радиоизлучений космических объектов. На радиотелескопе РТ-15 НИИРП совместно с ФТИ АН ТССР велись исследования, легшие в основу радиоастрономических методов юстировки и измерения характеристик остронаправленных зеркальных антенн и фазированных антенных решеток (ФАР), а также измерения характеристик ФАР по геостационарным спутникам.

На базе разработанной аппаратуры РТН был создан экспериментальный радиолокатор РЭ-3 (РЭ-2М), развернутый в 1959 г. на полуострове Камчатка для наблюдений отечественных межконтинентальных баллистических ракет. Радиолокационная установка РЭ-3 в отличие от РТН являлась одноканальной (отсутствовал канал ПР) и была укомплектована полупроводниковой ЭВМ МП-40, разработанной силами СКБ-30. По производительности и объему памяти ЭВМ МП-40 соответствовала аналогичным характеристикам ЭВМ М-40, которая использовалась в системе «А», но была построена в отличие от МП-40 на лампах.

Оригинальная архитектура МП-40 и применение полупроводниковых элементов в ее конструкции являлись на то время наивысшим научно-техническим и технологическим достижением отечественной техники в создании ЭВМ высокого быстродействия для систем реального времени.

Принципы, опробованные в составе системы «А», легли в основу построения радиолокационных средств системы А-35, решение о создании которой было принято в 1960 г.