1 января, 2006

Мозг ракеты

Особенности построения и тенденции развития головок самонаведения для ракет класса "поверхность-воздух" и "воздух-воздух"

В 1958 г. специалистам ОсКБ-15, созданного на базе филиала Московского института НИИ-17, была поручена разработка РГС для ракеты войскового ЗРК "Куб". Эта РГС в составе ракеты в 1966 г. была принята на вооружение. Впоследствии коллектив разработчиков РГС ОсКБ-15 (впоследствии – НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова) разработал РГС для ракет модернизированного ЗРК "Куб" и комплекса "Квадрат", а также для ЗРК "Бук" и его модификаций, корабельного комплекса обороны "Штиль" и для ракет "воздух-воздух" истребителей МиГ-31, МиГ-29 и Су-27.

В период с 1963 г. РГС для ракет "воздух-воздух" для истребителей МиГ-23, МиГ-25, МиГ-29 и Су-27 разрабатывал коллектив НИИ Радиостроения.

В 1986 г. в связи с расширением работ по созданию РГС в целях консолидации усилий разработчиков в НПО "Фазотрон" Минрадиопрома СССР на базе коллективов разработчиков РГС НИИП им. В.В. Тихомирова и НИИР был создан специализированный институт по разработке РГС – МНИИ "Агат".

КЛАССИФИКАЦИЯ

Прежде всего, следует определить классификацию РГС по поколениям разработки, аналогично тому, как принято классифицировать бортовые РЛС истребителей.

Первое поколение – это полуактивные РГС с аналоговыми приемниками, с жесткой логикой работы, определяемой построением аппаратуры, не имеющие бортового вычислителя и не использующие интегральную элементную базу.

Второе поколение – полуактивные РГС, имеющие бортовой вычислитель и широко использующие интегральные микросхемы.

Третье поколение – активные и полуактивные РГС, имеющие аналоговые приемники и цифровую управляющую перепрограммируемую машину, используемую для вторичной обработки информации с приемника, построения логики захвата, сопровождения и помехозащиты РГС от помех самоприкрытия. В этих РГС широко используется микроминиатюризация устройств, интегральные микросхемы и микрополосковая техника. РГС этого поколения защищены от основных помех самоприкрытия, но не полностью защищены от помех из зон барражирования и имеют недостаточную дальность действия в задней полусфере.

Четвертое поколение – активные, полуактивные и комбинированные РГС с цифровыми приемниками, быстродействующими процессорами цифровой обработки радиолокационных сигналов. Основное отличие от РГС 3-го поколения – большая дальность действия и более высокая помехозащищенность, в том числе с боковых направлений. Однако эти РГС имеют ограниченную полосу анализа доплеровских частот, определяемую входным аналоговым фильтром, ограничения при работе в задней полусфере и не способны сопровождать цели по дальности.

Пятое – наиболее современное поколение РГС, имеет цифровую обработку сигнала начиная с первой промежуточной частоты в широкой полосе частот, минимальную длину аналоговой части тракта и высокопроизводительные сигнальные процессоры. Благодаря этому РГС обеспечивают сопровождение целей по дальности, параллельный анализ и обнаружение цели по скорости и дальности, режим работы без целеуказания по скорости и реализуют алгоритмы помехозащиты как от помех самоприкрытия, так и от помех внешнего прикрытия. Увеличена дальность захвата целей, в том числе существенно увеличена дальность захвата в задней полусфере.

В первый период создания РГС (с середины 1950-х до середины 1970-х гг.) для ракет средней и большой дальности разрабатывались полуактивные РГС первого поколения, работавшие в режиме приема радиолокационного сигнала, отраженного от цели, облучаемой наземным, корабельным или самолетным радиолокатором. Примером такой РГС может служить полуактивная РГС 1СБ4, созданная в начале 1960-х гг. для ракеты ЗРК "Куб". Для обеспечения работы РГС в состав РЛС сопровождения цели был введен специальный канал подсвета цели непрерывным сигналом.

Полуактивные РГС первого и второго поколений как в нашей стране, так и за рубежом в связи с дальнейшим совершенствованием средств воздушного нападения и тактики их применения подвергались ряду модернизаций.

Однако к началу 1970-х гг. стало ясно, что полуактивные РГС в дальнейшем не смогут удовлетворять требованиям, предъявляемым к системам управления ракетами при борьбе с перспективными воздушными целями. Эти требования могла бы выполнить активная РГС (АРГС).

Большие тактические преимущества ракет с АРГС (реализация принципа "пустил-забыл", лучшие возможности наведения на одну из целей в плотной группе и т.д.) вынуждали разработчиков этих видов вооружения (как в наиболее развитых западных странах, так и у нас) прилагать максимальные усилия к их созданию. В результате этих усилий в последние годы прошлого столетия появились ракеты с АРГС: "АМРААМ" (США), "Мика", "Астер" (Франция), РВВ-АЕ (СССР).

Вместе с тем опыт применения современных средств воздушного нападения в локальных войнах показал, что эффективное противодействие им невозможно без существенного повышения характеристик как зенитных ракетных комплексов, так и систем управляемого ракетного оружия истребителей-перехватчиков.

Использование в качестве средств нападения самолетов, изготовленных по технологии "Стелс", крылатых и баллистических ракет, а также массированного применения помех различных типов вынуждало разработчиков ракетного оружия систем ПВО непрерывно совершенствовать свою продукцию с тем, чтобы не допускать снижения ее эффективности в новых условиях.

Учитывая эти обстоятельства, фирмы-лидеры начали вести новые разработки, а также стали проводить существенную модернизацию разработанных ранее ракет и АРГС. К их числу следует отнести модернизацию "АМРААМ" (Future-"AMRAAM"), разработку европейской ракеты "воздух-воздух" "Meteor" c АРГС, усовершенствование ракет "Мика" и "Астер", разработку ракеты "Эринт". Работы по созданию ракет с АРГС ведутся также в КНР, Израиле, ЮАР и ряде других государств, о чем свидетельствуют публикации в прессе и выставочные экспозиции.

Разработка нового поколения АРГС ведется и в России. Показанные в 2002-2005 гг. на ряде международных авиационно-космических салонов АРГС нового поколения 9Б-1103М-200 ("Прогресс"), 9Б-1103М-350 ("Шайба"), миниатюрная АРГС "Колибри", созданные в ОАО Московский НИИ "Агат" концерна ПВО "Алмаз-Антей", являются разработками пятого поколения. Они имеют рекордные значения по дальности захвата целей, минимальные веса и габариты, используют новейшую элементную базу, включают в себя быстродействующие перепрограммируемые процессоры цифровой обработки радиолокационных сигналов, позволяющие обеспечить защиту АРГС от организованных и естественных помех.

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ АРГС

Основными проблемами, которые приходится решать при создании АРГС, являются:

– реализация максимальных дальностей обнаружения целей;
– обеспечение высокой помехозащищенности;
– обеспечение высокой точности наведения ракеты на перспективные цели;
– выполнение требований по минимизации массогабаритных характеристик.
– минимизация стоимости АРГС.

Выполнение перечисленных выше проблем требует оптимизации структуры и параметров антенных и приемо-передающих СВЧ и ВЧ устройств АРГС и устройств первичной и вторичной обработки с использованием новейших достижений радиоэлектроники в областях системо- и схемотехники, включая цифровую обработку сигналов.

Требуемую дальность обнаружения целей и помехозащищенность в современных АРГС обеспечивает ряд новых схемотехнических и конструкторско-технологических решений.

Важнейшими из них являются:

– использование в качестве зондирующего сигнала когерентных импульсных последовательностей с высокими (в передней полусфере цели) и средними (в задней полусфере) частотами повторения импульсов. Это позволяет реализовать максимальные дальности обнаружения движущихся целей как на встречных курсах (в передней полусфере цели), так и на догонных (в задней полусфере);

– применение в качестве антенны АРГС плоской волноводно-щелевой антенной решетки (ВЩАР) с размещением на антенне многоканального приемного СВЧ-модуля, что обеспечивает максимальное (при данном диаметре апертуры) значение коэффициента усиления антенны и позволяет свести до минимума потери на прием;

– использование в приемном устройстве малошумящих транзисторных СВЧ-усилителей и малошумящих СВЧ-смесителей, позволяющих реализовать коэффициент шума приемных каналов (совместно с устройством защиты) менее 5 дБ во всех условиях в диапазоне Кu;

– применение цифрового сигнального процессора для узкополосной фильтрации сигналов целей и помех для реализации адаптивных алгоритмов обнаружения и сопровождения сигнала цели в сложных помеховых ситуациях и уменьшения потерь на обнаружение сигнала;

– использование в качестве выходного усилителя радиопередающего устройства электровакуумного СВЧ-усилителя, что позволяет создать малогабаритное передающее устройство со средней выходной мощностью в десятки Ватт в раскрыве антенны.

Достижение необходимой точности наведения в значительной степени определяется стабилизацией антенны АРГС в пространстве и особенностями прохождения сигнала через систему "антенна-обтекатель".

Поскольку АРГС находится на подвижном корпусе ракеты, совершающем в полете угловые колебания (как в ортогональных плоскостях управления, так и по крену), а управляющие сигналы, передаваемые в ракету, формируются измеренными угловыми скоростями линии визирования "ракета-цель", очевидно, что антенна АРГС должна быть стабилизирована в пространстве ("развязана" от угловых колебаний ракеты). Иначе колебания корпуса сложатся с угловой скоростью линии визирования и ракета будет управляться ложными сигналами.

Аналогичную роль (источника ложных сигналов) играют искажения луча антенны АРГС в пространстве за счет прохождения луча через обтекатель, защищающий её от аэродинамического воздействия. Ошибки, вносимые за счет неполной стабилизации антенны и искажений луча обтекателем, называемые "синхронными ошибками", могут очень сильно влиять на точность наведения ракеты на цель.

В настоящее время разработаны различные способы компенсации ошибок обтекателя как в процессе изготовления (вставки, проточки, напыления), так и в процессе полета ракеты. Наиболее перспективным способом компенсации ошибок обтекателя является параметрический.

Этот метод компенсации заключается в том, что в каждый момент времени определяется матрица измеряемых параметров, с помощью которой и формируется сигнал, нейтрализующий влияние ошибки обтекателя.

Параметрический метод практически не имеет временной задержки, и, несмотря на присущие ему недостатки (не учитываются условия конкретной работы – температура, поляризация сигнала и т. п.), его перспективность не вызывает сомнений.

Наряду с требованиями повышения дальности, точности и помехозащищенности АРГС выдвигаются не менее жесткие требования по минимизации её массогабаритных характеристик. Выполнение этих требований сопряжено со значительными трудностями, т.к. решение задач по повышению ТТХ АРГС неизбежно приводит к повышению уровня сложности ее конструкции.

Необходимый для обеспечения требований к РЭА уровень сложности аппаратуры быстро растет: если в 1980-х гг., разрабатываемая аппаратура РГС имела сложность порядка 10 тыс. активных элементов, а в 1990-х – около 1 млн., то сегодня в связи с применением цифровых методов обработки и ИС с высокой степенью интеграции она оценивается семизначными цифрами.

Тем не менее, задача снижения массы и габаритов перспективных АРГС успешно решается. Разрабатываемые в настоящее время в ОАО МНИИ "Агат" АРГС имеют массу порядка 8-15 кГ при диаметре 150-350 мм. Эти достижения стали возможны в основном благодаря применению малогабаритных быстродействующих процессоров, малогабаритных низковольтных многолучевых электровакуумных приборов с высоким КПД, малошумящих многоканальных СВЧ-модулей, волоконно-оптических датчиков угловой скорости, малогабаритных электродвигателей с полым ротором и малым напряжением трогания, достижениям в конструировании антенных гиростабилизированных подвесов и щелевых волноводных решеток и т. п.

В таблице приведены основные ТТХ АРГС, разработанных в ОАО "МНИИ "Агат" в разное время, а также находящихся в настоящее время в стадии разработки.

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ РГС

Требования к перспективным РГС в значительной степени определяются характеристиками и тактикой использования будущих перспективных целей и помех. Вероятнее всего, цели станут все более малозаметными, высокоскоростными, способными выполнять быстрые маневры и будут доступны для перехвата только на больших дальностях. Кроме того, по сравнению с существующими целями, следует ожидать их большего разнообразия. По-видимому, исходя из критерия "эффективность-стоимость", в будущих конфликтах будут всё чаще использоваться беспилотные средства и различного рода ракеты, включая крылатые и баллистические ракеты.

В некоторых случаях, например, при перехвате боевых блоков баллистических ракет, понадобится такая точность наведения, при которой необходимо будет обеспечивать выбор наиболее уязвимой точки на цели, в которой вероятность поражения будет максимальной.

Средства радиопротиводействия будущего станут все более совершенными. Поэтому для успешного обнаружения и сопровождения перспективных целей в сложных условиях противодействия РГС должны будут использовать самые современные средства защиты от помех.

Все вышесказанное позволяет заключить, что будущие РГС должны будут иметь:

- радикально увеличенную дальность обнаружения целей;

- высокое разрешение по угловым координатам, скорости и дальности;

- высоко интеллектуальную, адаптивную обработку сигналов и помех, при которой они будут способны выбирать нужные цели из широкого диапазона типов целей на фоне мощных отражений от подстилающей поверхности и других мешающих сигналов.

Устранить большинство из присущих аналоговым РГС недостатков в значительной степени позволило применение цифровой обработки сигналов. В зависимости от структуры приемного тракта с цифровой обработкой сигналов и производительности сигнального процессора могут решаться следующие задачи:

- оптимизация обработки с целью уменьшения потерь;

- применение радиолокационных сигналов, обработка которых в аналоговом исполнении затруднена или невозможна;

- реализация гибких алгоритмов обработки, адаптированных к текущей ситуации. Возможность параллельной обработки выборки входных сигналов по нескольким альтернативным алгоритмам (гипотезам);

- увеличение числа пространственных каналов РГС, реализация современных методов пространственной обработки сигналов;

Дальнейшим шагом в совершенствовании АРГС является применение радиолокационных сигналов с разрешением по дальности. Простейшими из таких сигналов являются квазинепрерывные (КНИ) сигналы со средней частотой повторения (СЧП) и средней скважностью, однако возможно также применение периодических КНИ-ФКМ сигналов с небольшой базой.

При этом важным фактором является способность изменять параметры сигнала в широких пределах. Это позволяет улучшить работу АРГС на фоне отражений от земли при сопровождении цели в задней полусфере, осуществлять селекцию целей в группе, а также обеспечивает непрерывное сопровождение цели без эклипсинга. Одновременно, за счет согласования обработки сигнала по дальности, это позволяет повысить потенциал АРГС и увеличить дальность обнаружения цели.

Возможность применения радиолокационных сигналов с разрешением по дальности и гибко изменяемыми параметрами приближает АРГС к самолетным или наземным радиолокационным станциям. Сравнительный анализ структуры приемных каналов АРГС и РЛС показывает, что как сами каналы, так и алгоритмы первичной обработки сигналов в них имеют много общего.

Различия между АРГС и РЛС в данном случае чисто количественные. Общий объем массива данных на выходе первичной обработки (произведение числа элементов дальности на число элементов разрешения по доплеровской частоте и количество пространственных каналов) в РЛС достигает 104 элементов, в то время как в АРГС при сопоставимых параметрах обработки сигнала, объем этого массива не превышает 100-200 элементов.

Обусловливается это тем, что АРГС принципиально является одноцелевым радиолокатором, работающим по предварительному целеуказанию, что дает возможность часть задач, решаемых в РЛС цифровым процессором, в АРГС решить хотя и в цифровой форме, но аппаратно.

Таким образом, использование небольшого числа элементов дальности, сужение диапазона анализируемых доплеровских частот и аппаратная реализация некоторых элементов приемного устройства позволяют в 50-100 раз снизить требования к производительности процессора обработки сигналов, что, в свою очередь, позволяет решить требуемые задачи в габаритах АРГС.

Возможности цифровой обработки позволяют решить в АРГС и другие задачи, ранее доступные для решения только в РЛС. К таким задачам относится компенсация помех от вынесенных источников.

На очереди стоит внедрение в АРГС методов пространственной обработки сигналов, включая "сверх разрешение" – угловое разрешение близко отстоящих целей, неразрешимых традиционным угловым дискриминатором.

Принятые ранее меры по внедрению цифровой обработки сигналов исчерпали практически все возможности для увеличения дальности обнаружения целей АРГС, связанные с совершенствованием обработки. В современных цифровых РГС обработка сигналов близка к оптимальной. Все потери, вызванные несовершенством обработки, в настоящее время сведены на нет.

Однако новые задачи, в том числе повышение живучести ЗРК в условиях применения противником высокоточного оружия, требуют радикального увеличения дальности обнаружения. Эволюционные методы, связанные с дальнейшим уменьшением коэффициента шума приемных устройств и наращиванием мощности передатчиков, конечно, должны применяться, но они не дают существенного увеличения потенциала, в частности, из-за ограничений массогабаритного характера. Задача может быть решена только применением специальных режимов работы радиопередающих устройств, которые могут повысить энергетический потенциал РГС на 8-10 дБ.

Еще одной возможностью повышения возможностей АРГС является электронное сканирование луча. В существующих АРГС используются антенны с механическим подвесом и отдельное радиопередающее устройство. Механика подвеса ограничивает быстродействие, с которым радиолокационный луч может перемещаться в пространстве.

В отличие от антенн с механическим подвесом антенны в виде фазированных антенных решеток (ФАР) обладают рядом преимуществ: отсутствие дорогостоящей механики, высокая скорость перемещения луча, адаптивное формирование диаграммы направленности, позволяющее оптимизировать прием полезных сигналов в условиях воздействия организованных помех. ФАР обладают также возможностью компенсации ошибок обтекателя путем изменения амплитудно-фазовых соотношений отдельных элементов решетки.

Естественно, на пути внедрения ФАР в АРГС еще предстоит решить ряд сложных научных и конструкторско-технологических проблем, что потребует дополнительных временных и материальных затрат.

Дальнейшим совершенствованием АРГС может стать использование широкополосных зондирующих сигналов. В настоящее время в действующих радиолокационных системах, включая и АРГС, начинают применяться новые прогрессивные методы модуляции зондирующих сигналов и они могут быть реализованы в АРГС следующего поколения, что позволит добиться значительных преимуществ по сравнению с широко используемыми сегодня сигналами типа КНИ ВЧП и КНИ СЧП и, в том числе, получить сверх-разрешение по дальности, повысить скрытность работы и помехозащищенность.

При большой полосе частот зондирующих сигналов как со сплошным, так и с дискретным спектром (многочастотные сигналы) удается разрешать элементы сложных целей вдоль линии визирования и наблюдать их радиолокационные дальностные портреты (профили). При полосах зондирующих сигналов порядка 30-500 МГц можно обеспечить согласованную разрешающую способность по дальности 5-0,3 м, что позволяет получать дальностные портреты широкого класса целей различной протяженности.

Обеспечения большей точности и лучшей помехозащищенности по сравнению с однодиапазонными головками самонаведения (ГСН) можно добиться путём применения ГСН, работающих в двух далеко отстоящих друг от друга диапазонах длин волн, что делает задачу срыва наведения ракеты для противника значительно более трудной.

При рассмотрении видов комбинированных РГС следует указать на комплексирование пассивного, полуактивного и активного каналов.

Главная проблема, которая должна быть решена разработчиками двух- диапазонной РГС – создание двухдиапазонных антенны и обтекателя с требуемыми радиотехническими характеристиками. С наименьшими трудностями проблема совмещения рабочих частот комплексируемых каналов решается при работе на кратных частотах. При использовании обтекателей с многослойными стенками со слоями различной толщины и диэлектрической проницаемости, возможна работа каналов и на некратных частотах.

Комплексирование каналов (датчиков) в интересах повышения эффективности системы в целом может быть существенно облегчено при модульном построении головок самонаведения для одной и той же ракеты, например варианты использования ракет с полуактивным, пассивным и активными головками самонаведения, включая варианты с использованием ИК наведения. Примером такого построения являются варианты ракеты "МИКА" с ИК и активными головками самонаведения.

ВЫВОДЫ

Существенный прогресс, достигнутый в области создания средств воздушного нападения, вынуждает разработчиков средств ПВО и, в том числе, разработчиков РГС для ракет класса "воздух-воздух" и "поверхность-воздух" искать пути противодействия нарастающей угрозе.

Наличие у вероятного противника высокоскоростных маневренных малозаметных целей требует существенного повышения технических характеристик. Поэтому ведущие фирмы-разработчики ракетной техники как за рубежом, так и в России проводят интенсивную работу по созданию новых поколений ракет и, в том числе, АРГС.

Создание новой ракетной техники базируется на последних достижениях в области цифровой вычислительной техники, радиолокации, микроэлектроники и технологии. АРГС будущего будут иметь значительно большую дальность действия по сравнению с современными. Высокое разрешение по угловым координатам, скорости и дальности существенно повысит точность наведения ракеты на цель. Адаптивная обработка сигналов и помех обеспечит способность выбора нужных целей на фоне мощных отражений от подстилающей поверхности.

В АРГС новых поколений будет широко внедряться цифровая обработка сигналов. В них должны найти применение новые виды и методы формирования зондирующих сигналов. Для электронного формирования и сканирования луча возможно использование ФАР, но этому должны предшествовать исследовательские работы и решены вопросы стоимости.

Для повышения точности наведения ракеты на цель и повышения помехозащищенности наряду с АРГС будут использоваться комбинированные ГСН. Продолжатся работы по созданию унифицированныaх АРГС, позволяющих применять их как в зенитных ракетах, так и в ракетах "воздух-воздух".

Не вызывает сомнения, что все перечисленные выше меры позволят создать новые поколения ракетной техники будущего, обладающей уникальными возможностями, что безусловно приведет к существенному повышению эффективности средств ПВО.