11 февраля, 2012

Получить радиолокационное изображение

В конце 1950-х гг., в разгар холодной войны возникла явная угроза использования вероятным противником баллистических ракет, оснащенных ядерными боеголовками, противостоять которым средства ПВО уже не могли. Сейчас, по истечении стольких лет, становится очевидным, насколько важным для того периода было решение вопроса достоверной оценки отражательных характеристик головных частей баллистических ракет. А тогда это воспринималось как очередное желание генералов от ВПК разрешить спор между конструкторами о возможности применять для решения новых важных задач ПРО уже имеющиеся на вооружении РЛС противосамолетной обороны. Первая экспериментальная радиолокационная станция РЭ системы ПРО с 15-метровой поворотной антенной была разработана, а затем и смонтирована на Балхаше уже к концу лета 1957 г. Именно благодаря новой РЛС впервые были проведены наблюдения (проводки) баллистических ракет малой дальности 8Ж39 – ее головной части и корпуса ракеты-носителя. В ходе этих работ установлено, что при обеспечении необходимой точности наведения антенны радиолокатора головные части и корпуса ракет уверенно обнаруживались на расчетных дальностях и устойчиво сопровождались.

Результаты наблюдений были зафиксированы на киноленте, что позволило затем проанализировать и провести статистическую обработку отраженных сигналов. В ходе этих наблюдений оценены значения эффективной площади рассеяния (ЭПР) головных частей и корпуса, которые, как выяснится позже, были несколько преувеличены. Полученные оценки ЭПР головных частей баллистических ракет полностью удовлетворили конструкторов РЛС, но вызвали определенное недоумение у специалистов, занимавшихся вопросами электродинамики и рассеяния радиоволн и имевших определенный опыт экспериментально-теоретических исследований в этой области. Для того чтобы полностью развеять миф о каких-то особенных свойствах головных частей баллистических ракет, делающих невозможным их наблюдение радиолокационными средствами, было принято решение пойти по пути более детального исследования их отражательных характеристик.

А в это же время на вооружение Войск ПВО страны стали интенсивно поступать радиолокационные средства обнаружения целей, зенитные и авиационные ракетные комплексы с радиолокационными системами наведения. Для оценки эффективности этих средств, подготовки и проведения учений, задания технических требований на разработку перспективных радиолокационных средств вооружения возникла необходимость в достоверных и обоснованных исходных данных по радиолокационным характеристикам СВКН. Выяснилось, что точных значений ЭПР даже типовых целей никто не знает.

Расчетные значения, приводимые различными авторами, отличались в десятки раз. Такое положение вполне устраивало разработчиков РЛС, которые завышали ЭПР типовых целей при задании требований к своим системам и занижали ее при проведении испытаний. Именно поэтому военные заказчики радиолокационного вооружения твердо решили, что для получения объективных и достоверных данных по целям необходимо создавать независимую специализированную измерительную базу.

В связи с этим в руководстве Министерства обороны было принято решение о создании открытого измерительного комплекса полигонного типа для прецизионных измерений эффективной площади рассеяния баллистических, аэродинамических и космических летательных аппаратов (ныне Эталонного радиолокационного измерительного комплекса).

Стратегический бомбардировщик В-2 и сегодня остается единственным самолетом в своем классе, выполненным по технологии «Cтелс»
Фото: US AIR FORCE

В те годы опыта в создании такой измерительной базы не было. Тем не менее в открытых источниках уже публиковались сведения о крупнейшем в США измерительном полигоне RAT SCAT (Radar Target Scatter Site) и полевом измерительном комплексе фирмы Conductron Corporation. Беглое знакомство с их структурой и принципами работы указывало на большое разнообразие схем построения измерительных полигонов, но не давало ответа на вопрос: какая из схем является наиболее предпочтительнойё Выход был один – специалистам требовалось приобретать собственный опыт, использовать имеющиеся технические наработки и внедрять новые, при этом не исключать возможные ошибочные решения.

Из воспоминаний одного из авторов комплекса, ветерана Великой Отечественной войны и института, полковника в отставке Ивана Ивановича Кравченко: «Первые важные шаги в создании комплекса принимались, как казалось на первый взгляд, вопреки желанию сделать как можно лучше. Так получилось и с выбором позиции для его развертывания в городе Калинине (г. Тверь) на базе НИИ-2 (ныне НИЦ ПВО 4-го ЦНИИ Минобороны России). Для этих целей отводилась непригодная для гражданского и промышленного строительства заболоченная территория, поросшая густым мелким кустарником и такими же деревьями. Уже позже в ходе активной эксплуатации комплекса в полной мере проявилось преимущество такого «болота», играющего роль природного поглотителя для широкого диапазона радиоволн и обеспечивающего минимальные уровни мешающих отражений.

Первая экспериментальная измерительная установка была разработана на основе штатной радиолокационной станции орудийной наводки (СОН). Отражательные характеристики летательных аппаратов оценивались методом прямых измерений. При этом привлекались самолеты, базировавшиеся на военном аэродроме в окрестностях города Клина. Объект измерений – самолет, взлетев в Клину, по заданному маршруту осуществлял пролет над Калинином в зоне действия измерительной РЛС комплекса, которая регистрировала отраженный сигнал. Сразу же выявились существенные недостатки такого метода, основные из которых – невозможность точной привязки величины отраженного сигнала к угловому положению объекта-цели, а также высокий уровень отражений от местных предметов, находящихся в зоне действия РЛС. Это были затратные эксперименты, к тому же этим методом можно было исследовать характеристики только существующих летательных аппаратов.

Вместе с тем выдаваемые заказчиком тактико-технические требования на создание новых образцов вооружения ПВО всегда были рассчитаны на борьбу с перспективными средствами нападения, сведения о которых были достаточно скупы. Изготовление масштабных моделей и макетов летательных аппаратов могло бы существенно удешевить и упростить измерения, а также предоставить возможность экспериментировать. Поэтому следующим шагом в развитии измерительной базы стало использование в качестве измерительной станции радиолокатора СОН-4 с внедренной системой стробирования, обеспечивающей выделение отраженного от объекта сигнала на фоне отражений от местных предметов.

Совершенствуется регистрация диаграмм обратного отражения объектов измерения на основе фотографического способа с применением шлейфовых осциллографов. Отдается предпочтение методу относительных измерений, использование которого стало возможным после установки двух 30-метровых мачт типа «Унжа», обеспечивающих подъем на высоту 20–25 метров исследуемых объектов, а затем и металлических сфер разных диаметров для точной калибровки отраженного от объектов измерения сигнала».

Ветеран стратегической авиации ВВС США – бомбардировщик В-52Н.Cовместный полет с машиной следующего поколения – В-2
Фото: US AIR FORCE

За относительно короткое время на измерительной базе были получены первые экспериментальные результаты по объектам, представляющим различные классы целей. И вот теперь, возвращаясь к особенностям отражающих свойств головных частей баллистических ракет, к измерительному комплексу проявился повышенный интерес со стороны разработчиков отечественных баллистических ракет. Это диктовалось потребностью сравнить заметность зарубежных и отечественных ракет, а также сделать последние как можно менее заметными.

Первым к такой задаче обратился главный конструктор баллистических ракет М. К. Янгель. Он предложил провести измерения отражательных характеристик головных частей своих новых ракет. Однако из-за ограниченной грузоподъемности существующей на тот момент мачтовой системы это было невозможно. Выход из сложившегося положения нашли сравнительно быстро, он заключался в следующем. Еще со времен войны на базах хранения находилось большое количество аэростатов воздушного заграждения. Один из таких аэростатов, наполненный гелием, решили использовать вместо мачт для подъема головной части ракеты. Сформировали подразделение для обслуживания аэростата, разработали оригинальные системы подъема и вращения объекта, а также контроля его углового положения. Почти ежедневно в небе Калинина зависал аэростат, напоминая жителям города о грозных днях Великой Отечественной войны. Однако схема подъема объектов измерений на аэростате была очень сложна и в том числе из-за большого влияния ветра ненадежна в эксплуатации.

Требовалось вернуться к старой проверенной подъемно-мачтовой системе, но для этого необходимо было разработать и установить более мощные по грузоподъемности мачты, на строительство которых в то время институт не имел средств. Важность и достоверность полученных к этому времени результатов по отражательным характеристикам головных частей ракет сыграли свою положительную роль. Идею дооснащения измерительной базы новыми грузоподъемными мачтами поддержал М. К. Янгель.

За решение этой задачи взялись в днепропетровском КБ «Южное», где под руководством будущего президента Украины Леонида Кучмы в короткие сроки была разработана и согласована конструкторская документация. Строительство мощной подъемно-мачтовой системы, оснащение ее центром управления и специальным механизмом вращения объектов измерения явилось большим событием для коллектива НИИ-2, не только стало определенной точкой отсчета стремительного развития инфраструктуры измерительного комплекса, но и подняло на новый качественный уровень проведение исследований радиолокационных характеристик объектов.

Уже в 1960 г. был создан отдел, главной задачей которого стала организация и проведение исследований на измерительном комплексе. Численность сотрудников, участвующих в исследованиях, выросла до ста человек. Возникла необходимость в строительстве лабораторного здания для размещения средств управления комплексом, техники регистрации и обработки результатов измерений с привлечением ЭВМ «Днепр». Выделяемых в то время средств не хватало, так как в первую очередь они шли на строительство жилья для сотрудников института.

Истребитель ВВС США F-117 навсегда останется в истории боевой авиации как первая машина, выполненная по технологии «Стелс»
Фото: US AIR FORCE

Помог случай. С появлением нового средства воздушного нападения – крылатых ракет встал вопрос получения достоверных исходных данных по их отражательным характеристикам. Для его решения срочным порядком в экспериментальных мастерских института по чертежам, предоставленным п/я В-2680 (ныне ОАО «ГосМКБ «Радуга» им. А. Я. Березняка»), был изготовлен, а затем исследован на измерительном комплексе полномасштабный макет крылатой ракеты AGM-28 «Хаунд Дог».

Данные о ее отражательных характеристиках потребовались конструкторскому бюро КБ-1 (сегодня ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей»), где в то время уже пользовались результатами измерений, предварительно полученными в ЦНИИ-108 (ныне ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А. И. Берга») в безэховой камере на уменьшенной модели данной крылатой ракеты. Сравнительный анализ результатов измерений отражательных характеристик вызвал недоумение у разработчиков отечественного зенитно-ракетного оружия: они расходились более чем на порядок. С этим не могли согласиться в КБ-1, в адрес военного руководства и НИИ-2 ушли письма с просьбой разобраться и установить истину.

С этой целью из представителей организаций промышленности, представителей ГУВа и НТК ПВО была создана комиссия, которая в течение месяца детально изучала как сам объект, так и процесс измерения его отражательных характеристик, включая калибровку и обработку результатов измерений. Анализ данных повторно проведенных контрольных измерений подтвердил ранее опубликованные результаты, а представителям ЦНИИ-108 пришлось признать достоверность оценок, полученных в НИИ-2. Только таким образом, последовательными конкретными делами коллектив научных сотрудников и инженеров, создавших измерительный комплекс, завоевывал авторитет у организаций оборонной промышленности и Главного командования Войск ПВО.

Середина 1960-х и начало 1970-х гг. стало временем наиболее активного развития радиолокационного измерительного комплекса. На базе серийных РЛС были созданы качественно новые измерительные установки, а также уникальные антенны с вынесенными облучателями, обеспечивающие формирование однородного измерительного объема с размерами 15–20 метров при минимальном сигнале, принимаемом по боковым лепесткам диаграммы направленности.

Подъемно-мачтовая система большой грузоподъемности была оснащена системой стабилизации несущего троса и малоотражающей подвеской объектов измерения из высокопрочного арамидного материала. Для снижения отражений от подстилающей поверхности устанавливаются отсекающие экраны общей протяженностью более 800 метров.

Вводится в строй оригинальная система контроля потенциала, разрабатывается и изготавливается комплект эталонных отражателей. Внедряется электрохимический способ регистрации результатов измерений. Автоматизируются процессы управления комплексом, обработки и анализа экспериментальных данных с применением современных на тот момент ЭВМ СМ-2 и СМ-2М.

Для нормального функционирования всего этого большого хозяйства в короткие сроки решается вопрос о строительстве просторного лабораторного здания. Совершенствование элементов комплекса и внедрение передовых технологий позволяют обеспечивать более высокую точность измерений при исследовании как натурных образцов летательных аппаратов, так и их масштабных макетов.

Расширение возможностей и улучшение характеристик комплекса превратили его в уникальный инструмент, не имеющий аналогов в России и Европе. Подтверждение тому – более сотни авторских свидетельств и патентов на изобретения. В начале 1984 г. коллектив сотрудников активно участвует в первой метрологической аттестации комплекса и успешно ее проводит, подтверждая предназначение комплекса обеспечивать единство и точность измерений отражательных характеристик радиолокационных целей в Вооруженных Силах и оборонных отраслях промышленности.

Логическим завершением длительной работы по созданию комплекса стал приказ министра обороны 1986 г. о принятии его на вооружение. В 1987 г. за разработку и создание Эталонного радиолокационного измерительного комплекса четырем сотрудникам института (Игорю Ростиславовичу Ефремову, Вейсалу Байрам оглы Мустафаеву, Валерию Петровичу Петропавловскому, Анатолию Ивановичу Полищуку) была присуждена Государственная премия СССР.

Несмотря на определенную стабилизацию военно-политической обстановки в мире, в середине 1980-х гг. не уменьшаются темпы проведения и объемы финансирования военных программ по созданию качественно нового поколения вооружения. Достижения в различных областях науки и техники создали достаточные предпосылки для успешного решения задач в обеспечении военного превосходства США и стран НАТО.

В это время определены основные направления дальнейшего совершенствования средств воздушно-космического нападения, которые в наибольшей степени должны повлиять на облик перспективных ЛА, способных на более высоком уровне при снижении необходимого числа средств нападения решать стратегические и оперативно-тактические задачи.

Один из приоритетов – программа комплексного снижения всех видов заметности СВН, получившая название «Стелс». Реализуемые в их конструкциях технические достижения призваны снизить заметность ЛА в РЛ-, ИК-, оптическом и акустическом диапазонах волн. Для всех классов ЛА характерной становится тенденция уменьшения их ЭПР в см- и дм-диапазонах длин волн, о чем свидетельствуют результаты как теоретических, так и экспериментальных исследований.

Для успешной борьбы с малозаметными ЛА требуются более широкое знание и детальный учет РЛ-характеристик этих целей во всем радиодиапазоне в ближней и дальней зонах локации для произвольного ракурса, совмещенного и разнесенного приема.

Для Эталонного радиолокационного измерительного комплекса наступает горячая пора. Долгосрочные планы ряда стран по развитию средств воздушно-космического нападения (СВКН) представляют потенциальную опасность для экономических и военных объектов России и определяют необходимость развития воздушно-космической обороны в направлении дальнейшего улучшения характеристик информационного обеспечения и огневого поражения целей. В связи с этим еще больше возрастает потребность в достоверных исходных данных по радиолокационным характеристикам СВКН.

Имея более чем 50-летний опыт теоретических и экспериментальных исследований, специалисты продолжают вкладывать свои силы и знания в расширение частотного и динамического диапазона измерительных средств, а также повышение точности измерения малых уровней ЭПР. В интересах разработки требований к перспективному радиолокационному вооружению ВВС и других видов Вооруженных Сил решается задача организации и проведения ряда работ по разработке и уточнению радиолокационных характеристик, наиболее «важных» с точки зрения потенциальной опасности и в первую очередь выполненных по технологии «Стелс» малозаметных ЛА.

Для разработки подробных каталогов радиолокационных характеристик таких целей по согласованной со специализированными организациями документации изготавливаются их электродинамические макеты и масштабные модели, которые затем исследуются в условиях измерительного комплекса.

Важное место в проведении заводских и государственных испытаний существующих, модернизируемых и перспективных радиолокационных систем вооружения, а также в обучении и тренировке личного состава пускам неуправляемых и управляемых авиационных и зенитных ракет отводится использованию целей-мишеней аналогов СВКН.

Большая часть их создается на базе серийных или снятых с вооружения ЛА. Однако более перспективным признано применение специально разрабатываемых малогабаритных управляемых мишеней – имитаторов ЛА, достоинство которых состоит в том, что не обладая всеми свойствами типовых целей, они могут обеспечивать имитацию основных, в том числе радиолокационных характеристик современных и перспективных СВН зарубежных государств при меньшей их стоимости.

Очевидно, что без анализа и синтеза требуемых РЛХ таких мишеней, а также их экспериментальной отработки на измерительном комплексе просто не обойтись. В этой связи актуальным является решение задачи экспериментальной оценки эффективности применения новых способов и устройств изменения (уменьшение или увеличение) радиолокационной заметности как ЛА, так и наземных объектов.

В настоящее время возможности экспериментальных исследований радиолокационной заметности существующей, модернизируемой и перспективной авиационной техники и вооружения ВВС, с последующей разработкой рекомендаций разработчикам отечественных летательных аппаратов и наземных средств ВВС по снижению радиолокационной заметности вооружения и военной техники, поддерживают и дополняют теоретические исследования. Они базируются на комплексе математического моделирования РЛ-характеристик ЛА с учетом применения конструкционных и радиопоглощающих материалов и влияния подстилающей поверхности, а также оценки влияния на РЛ-характеристики ЛА плазменных и аэродисперсных образований, сопровождающих их полет на активном участке и при гиперзвуковом полете в атмосфере.

Полученные с помощью физического и математического моделирования результаты оценки РЛ-характеристик широкого класса целей, а также перспективных отечественных ЛА показали, что разработанный методический подход к определению фактических уровней РЛ-заметности ЛА, включая выполненные по технологии «Стелс», является на современном этапе наиболее доступным, относительно дешевым, точным и достоверным.

Очевидно, что в развитии современной радиолокации такой инструмент, как измерительный комплекс, должен занимать особое место, первым испытывать на практике возможности современных прорывных технологий и самые последние достижения в науке и технике. Возросший перечень современных задач сегодня предопределяет совершенствование возможностей комплекса в направлении:

• увеличения веса исследуемого объекта до 10 т и более;
• охвата всего парка радиолокационных средств по диапазону длин волн;
• расширения динамического диапазона и повышения точности измеряемых уровней ЭПР объектов;
• снижения уровней мешающих отражений;
• получения новых радиолокационных характеристик: одно- и двухмерных амплитудно-фазовых диаграмм рассеяния, радиолокационных двухмерных портретов.

Существующий Эталонный радиолокационный измерительный комплекс ЭРИК создавался силами 2-го ЦНИИ Минобороны России и организаций оборонных отраслей промышленности на базе образцов штатных РЛС ПВО путем доработки последних для решения задач измерения ЭПР исследуемых объектов. Все существующие измерительные установки комплекса являются некогерентными (отсутствует возможность измерения фазы отраженного сигнала) и не могут обеспечивать режим перестройки частоты.

Без такого технического решения принципиально невозможно получить радиолокационное изображение исследуемого объекта. Вместе с тем актуальность решения задачи распознавания и селекции воздушных объектов непрерывно растет. В настоящее время в ведущих зарубежных странах активно разрабатываются и принимаются на вооружение информационные системы нового поколения, оснащенные сверхширокополосными радиолокационными средствами, позволяющими получать пространственные радиолокационные изображения целей со сверхразрешением, за счет чего повышается эффективность их обнаружения, сопровождения, распознавания.

Для противодействия таким системам, а также для обеспечения возможности разработки отечественных радиолокационных средств необходимо создавать специализированные сверхширокополосные измерительные средства, реализующие режимы получения радиолокационных изображений ЛА в интересах распознавания их классов (типов), повышения точности наведения на них средств поражения, контроля эффективности боевых частей ракет (включая использование направленных боевых частей).

Поэтому новой задачей, возлагаемой на модернизированный Эталонный радиолокационный измерительный комплекс, стало получение радиолокационных изображений СВКН зарубежных государств и отечественных ЛА, в том числе выполненных по технологии «Стелс», в интересах решения задачи распознавания воздушных объектов.

Для получения радиолокационных изображений объектов локации необходимо создание принципиально новых когерентных измерительных установок с широкой полосой перестройки несущей частоты зондирующих сигналов и системой точного определения координат и углов локации исследуемых объектов. Основой таких измерительных установок являются широкополосные (девиация частоты 30%) когерентные приемо-передающие устройства и антенно-фидерные устройства в заданных диапазонах длин волн, аналогов которым в Государственной программе вооружения пока нет.

Модернизация комплекса позволит снизить технологический риск, сроки и стоимость разработки перспективных сверхширокополосных разведывательно-информационных средств, решающих задачи обнаружения, сопровождения, распознавания аэродинамических и баллистических целей, наведения на них средств поражения, а также обеспечить снижение радиолокационной заметности отечественной авиационной, ракетной техники и вооружения.

Эталонный радиолокационный измерительный комплекс завтра – это перспективный отечественный образец измерительных систем данного класса, а экспериментальные исследования, проводимые на нем, станут важнейшим направлением, обеспечивающим требуемую полноту и достоверность исходных данных по радиолокационным характеристикам целей.