4 декабря, 2008

Первый локатор сантиметровых волн

В 1946 г. в координационном комитете № 3 при Совете Министров СССР был разработан Государственный план развития важнейших радиолокационных разработок с четкой специализацией научно-исследовательских предприятий, привлекаемых к этим разработкам.

Государственный Союзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт № 20 (в настоящее время Всероссийский НИИ радиотехники), имеющий значительный опыт в разработке и производстве радиолокационных станций метрового диапазона волн был привлечен к разработке комплексного проекта двухлетнего Государственного плана работ по радиолокации.

На НИИ-20 было возложено выполнение двух крупнейших работ по разработке стационарной РЛС «Обсерватория» (П-50) и подвижной РЛС «Перископ» (П-20), предназначенных для дальнего обнаружения самолетов и наведения истребителей на воздушные цели в системе ПВО.

РЛС «Перископ» разрабатывалась в соответствии с постановлением Совета министров Союза ССР от 10 июля 1946 г. по теме III-а Главным конструктором разработки был назначен Л. В. Леонов, заместителями Ю. К. Адель, А. Р. Вольперт, С. П. Заворотищев. Эскизный проект передвижной радиолокационной станции «Перископ» был утвержден директором НИИ-20 Куракиным К.Л. 5 ноября 1946 года и был предъявлен заказчикам.

В пояснительной записке к эскизному проекту давались технические решения задачи создания передвижного радиолокатора обнаружения и наведения самолетов. По принятому способу определения координат были произведены необходимые технические расчеты, подтверждающие возможность удовлетворения пунктов ТТТ.

Большинство блоков приемно-индикаторной аппаратуры было подвергнуто экспериментальной отработке в лабораторных схемах. Эксперименты подтвердили правильность выбора принятых решений.

По сравнению с РЛС предыдущего поколения, использующие метровый диапазон волн, к радиолокационной станции «Перископ» были предъявлены очень жесткие тактико-технические требования, которые могли быть реализованы только при работе в более коротком диапазоне волн. Впервые в отечественной радиолокации был выбран десятисантиметровый диапазон длин волн.

Разработка локатора сантиметровых волн для НИИ-20 являлась новой задачей. Отсутствие измерительной десятисантиметровой аппаратуры заставило специалистов института (параллельно с основным проектированием) провести большую подготовительную работу по созданию лабораторных образцов контрольно-измерительных приборов, которые в дальнейшем позволили произвести необходимую экспериментальную работу по антенным устройствам и волноводному тракту. Новизна сантиметровой техники потребовала также постановки ряда экспериментов с импортными магнетронами, клистронами, специальным железом и т.д.

Подвижный радиолокатор обнаружения и наведения «Перископ» предназначался для работы в системе ПВО объектов территории страны и в частях ВВС. Основное назначение РЛС – обнаружение самолетов противника и наведение на них своих истребителей.

РЛС «Перископ» состояла из следующих основных элементов: антенно-фидерных устройств и системы управления ими; передающих устройств; манипуляторно-модуляторного устройства; приемных и индикаторных устройств; опросного устройства системы опознавания; комплекта приборов для решения задачи наведения, прибора преобразования координат и специального оборудования командного пункта; двух агрегатов питания (рабочего и резервного); телефонного коммутатор на 30 номеров, кабелей питания и связи, комплекта ЗИП и инструментов; тренажера.

Радиолокатор должен был определять следующие данные целей: в режиме обнаружения – наклонную дальность и азимут; в режиме наведения – наклонную дальность, азимут и высоту. Определение высоты должно было производиться без прерывания кругового обзора.

В ходе эскизного проектирования рассматривалось несколько способов решения задачи создания передвижного радиолокатора обнаружения и наведения самолетов.

Удовлетворительными решениями могли считаться только те, которые приводили к конструкциям, обеспечивающим не только заданные дальности действия и необходимые точности измерения координат, но и обеспечивающие необходимую скорость развертывания локатора на позиции, удобство его эксплуатации, надежность, минимальный вес и минимальные габариты.

При создании любого локатора ведется непрерывная работа по сокращению веса, размеров и времени развертывания. Эти факторы не являются решающими в стационарных станциях. Наоборот, они диктуют выбор того или иного варианта, как только поднимается вопрос о передвижном объекте.

Рассматривая с этой точки зрения выбор варианта радиолокатора, было принято решение, что вопрос о распределении параметров, определяющих дальность действия РЛС, между аппаратурой и антенной, является основным.

Действительно, дальность действия станции, с одной стороны, определяется коэффициентом усиления антенн и тем самым размерами этих антенн. С другой же стороны, она зависит от параметров приемно-передающей аппаратуры, количества этой аппаратуры, поэтому аппаратура определяет мощность потребления, вес и габариты станции в целом.

Целесообразность сокращения мощности потребления передвижной РЛС заключается не столько в сокращении стоимости суточной эксплуатации по расходу электроэнергии или горючего, сколько в сокращении веса и габаритов самой системы электропитания и организации подвоза и хранения сравнительно большого количества горючего.

Один из вариантов размещения РЛС П-20 на позиции
Фото: Фотоархив ВНИИРТ

Распределение факторов, определяющих дальность действия, между антенной и аппаратурой, путем выбора размера антенны, являлось только частичной задачей эскизного проектирования. Выбор размеров антенны и ее типа диктуется еще дополнительными соображениями, связанными с принятым методом измерения координат и обеспечением необходимой точности этих измерений в соответствии с ТТТ.

На момент проектирования достижимые мощности генераторных ламп были еще не настолько велики. Поэтому для станции были выбраны самые мощные магнетроны (причем независимо от выбранных методов измерения координат и громоздкости антенн).

В соответствии с ТТТ для изготовления всех устройств станции должны были применяться материалы, детали и лампы отечественного производства или осваиваемые отечественной промышленностью. Поэтому были выбраны магнетроны мощностью в 1000 кВт, которые уже разрабатывались нашей вакуумной промышленностью (по типу зарубежного прибора 720 В).

Проведенные расчеты по дальности действия показали, что РЛС «Перископ» может обеспечить дальность кругового обзора в радиусе 200 км и необходимую точность измерения дальности и азимута целей, если использовать тысячекиловатный передатчик и антенну в виде дважды срезанного параболоида с размерами в срезе 2,4 х 6 м.

Коэффициент направленности такой антенны должен быть равен 6000, а ширина диаграммы в азимутальной плоскости порядка 1,20.

В соответствии с расчетами диаграмма антенны получилась сильно сжатой в вертикальной плоскости, поэтому для получения одновременного обзора всех углов места до 300 потребовалось употребить три комплекта приемно-передающей аппаратуры и три отдельных облучателя.

Так как выбор типа антенного устройства и его размеров в значительной мере определяются методом измерения высоты, а выбор того или иного метода приводит к различию в конструкции и составе РЛС в целом, то было рассмотрено два возможных способа измерения высоты.

Первый способ заключался в том, что цель пеленгуется ориентацией диаграммы направленности по углу места. Чтобы обеспечить необходимую точность измерения высоты и расширить сектор одновременного обзора в азимутальной плоскости, необходимо было использовать непрерывно качающуюся по углу места отдельную антенну с диаграммой направленности, сильно сжатой в вертикальной плоскости и сравнительно широкой диаграммой в азимутальной. Развертка времени (дистанции) на экране индикаторной трубки с послесвечением при этом должна смещаться по вертикали синхронно с качанием антенны.

На экране трубки, таким образом, должен образоваться прямоугольный план с координатами «дистанция» и «высота». Поэтому становилось возможным непосредственное считывание этих координат с экрана трубки. Однако в связи с тем, что диаграмма направленности такой антенны не имеет одновременного обзора всего азимутального круга, эту антенну необходимо было ориентировать каждый раз на новый азимут (с точностью, по крайней мере, до половины ширины диаграммы).

Последнее обстоятельство создало бы большие неудобства в работе и привело бы к излишней потере времени за счет переориентирования антенны при измерении высот двух самолетов, находящихся на различных азимутах.

Второй способ заключался в применении системы из двух антенн создающих две перекрещивающиеся у горизонта диаграммы. Диаграммы обоих антенн при этом сильно сжаты в азимутальной плоскости и искусственно расширены в вертикальной. Диаграмма одной из антенн наклонена к горизонту под углом 450 и, в комбинации со второй антенной, образует «V» – образный луч.

Представляя эти две диаграммы как две, скрепленные по линии их пересечения математические плоскости, вращающиеся одновременно по азимуту, вокруг вертикальной оси, и исходя из чисто геометрических соображений, нетрудно понять, что поочередное пересечение обеими плоскостями двух целей, отличающихся только высотой, будет происходить с различием азимутальных углов вертикальной и наклонной диаграммы. Так, очень низкие цели будут пересекаться обеими плоскостями почти одновременно, т.е. разностный азимутальный угол, имеющий вершину в точке установки локатора и образованный двумя вертикальными плоскостями, проходящими через две точки пересечения цели с диаграммами, будет близок к нулю. Наоборот, при высоких целях он будет стремиться к 450.

Зависимость этого угла от высоты летящих самолетов и дистанции положена в основу измерения высоты. Если на экране трубки при этом развертку времени (дистанции) смещать по вертикали синхронно с вращением антенны, то в зависимости от выбранного закона смещения развертки по оси ординат можно дать градуировку угла места в градусах или высоты цели непосредственно в километрах. На экране трубки будут получаться две отдельные отметки от цели пересеченной вначале вертикальной, а затем наклонной диаграммами.

Оба указанных способа позволяли дать необходимую точность измерения высоты в 10-сантиметровых локаторах.

Первый способ измерения высоты требовал применения отдельного антенного полотна (примерно с теми же размерами, что и полотно для измерения азимута) и один дополнительный комплект приемно-передающей аппаратуры. Второй способ измерения высоты предполагал применение двух дополнительных комплектов приемно-передающей аппаратуры и антенны с рефлектором (размеры которого должны были быть увеличены до 8 метров).

Оценивая возможность применения этих способов для передвижного радиолокатора дальнего действия, разработчики пришли к выводу о целесообразности использования второго варианта, т.к. по весовым и обще-габаритным характеристикам (несмотря на то, что во втором варианте применяется вместо четырех пять комплектов аппаратуры) оба варианта равноценны. Что же касается тактических и технических преимуществ, то они оставались за вторым способом.

Главным тактическим преимуществом второго варианта нужно было считать большее азимутальное поле одновременного обзора (от 400 на малых дистанциях до 130 на дистанциях 100 км) и возможность определения высоты двух целей, находящихся на разных азимутах, не путем ориентирования всего антенного устройства, а путем выбора соответствующего рабочего сектора только внешними регулировками индикатора.

Таким образом, в ходе эскизного проектирования было выбрано: рабочая волна – 10 см; мощность магнетронного генератора – 1000 кВт; общее число приемо-передатчиков – 5; метод определения высоты с помощью V-образной антенны, состоящей из двух параболических рефлекторов.

Диаграмма обзора РЛС П-20 в вертикальной плоскости

Немалое внимание было уделено и вопросам помехозащищенности новой РЛС. Они требовали большой теоретической и экспериментальной работы, далеко выходящей за рамки разработки этого радиолокатора. Поэтому при разработке П-20 ограничились реализацией таких мероприятий, которые могли ослабить воздействие помех, не слишком усложняя схему радиолокатора.

Обзор пространства в П-20 осуществлялся механическим вращением антенной системы, которая состояла из двух подвижных антенн: основной – антенны вертикального луча и вспомогательной – антенны наклонного луча. Оба отражателя представляли собой усеченные параболоиды вращения, раскрыв которых в горизонтальном положении больше, чем в вертикальном.

С помощью антенны вертикального луча велся поиск и обнаружение целей и определение наклонной дальности и азимута. Антенна наклонного луча служила для повторного облучения целей. С ее помощью определялась высота целей.

Обе антенны образовывали почти идентичные диаграммы направленности, но диаграмма второй антенны была наклонена относительно первой под углом 450. Размеры антенны: первая – 7,6 на 3,0 м, вторая – 7,6 на 2,6 м.

В станции имелось 5 самостоятельных приемо-передающих каналов: в антенне вертикального луча – 3 канала и соответственно 3 облучателя, в антенне наклонного луча – 2 канала и соответственно 2 облучателя. Всеми облучателями формировались лепестки общей диаграммы направленности, отличные друг от друга.

Диаграмма направленности РЛС П-20: по азимуту – 0,8-30; по углу места – 250. Углы обзора: по азимуту – 3600; по углу места – 250. Во избежание взаимной интерференции между волнами одного и того же канала в местах, где лепестки от отдельных приемно-передающих трактов смыкались, был осуществлен разнос частот этих каналов. Каждый самостоятельный канал имел магнетронный генератор, супергетеродинный приемник, восьмикаскадный резонансный УПЧ, видеоусилитель. Имелся канал автоподстройки частоты.

Основных индикаторов в РЛС П-20 было три: кругового обзора (ИКО), индикатор азимут-дистанция (ИАД) и индикатор высоты. Кроме того, имелся выносной ИКО. Индикатор кругового обзора (также применялся термин – план-индикатор) имел три шкалы дальности (80, 200 и 400 км) и мог работать в трех режимах: круговом, кольцевом и секторном.

В круговом режиме на экране воспроизводился план расположения целей во всей облучаемой зоне по азимуту и в соответствии со шкалами по дальности. В кольцевом режиме на экране воспроизводился выбранный по дальности участок, что давало возможность наблюдать цели, находящиеся только в пределах выбранного пояса дальности.

В секторном режиме на экране воспроизводился любой сектор за счет смещения центра в любом направлении, что позволяло увеличивать масштаб изображения в два раза.

Главный пульт управления радиолокатором объединял в себе органы дистанционного управления и контроля приемно-передающей аппаратурой и органы управления синхронной системой и вращением антенны. Он был выполнен в виде шкафа с собственным блоком питания, контрольным осциллографом и панелью управления передатчиками.

В качестве автомобилей под монтаж аппаратуры и оборудования использовались грузовики «Студебеккер» (на снимке – индикаторная автомашина).
Фотоархив ВНИИРТ

Местный пульт управления приемно-передающими устройствами был выполнен в виде распределительного щита с релейной и предохранительной системой защиты, с элементами пуска и контроля.

Питание РЛС «Перископ» осуществлялось от подвижной электростанции, в состав которой входил агрегат питания АЛ8-60-2 (дизель типа ЯА3-204-Г). Число дизельных агрегатов было два (основной и резервный). Электростанция вырабатывала трехфазный переменный ток частотой 50 Гц, напряжением 230 В, мощностью 30 кВт. Для питания цепей передатчиков использовался агрегат повышенной частоты, который вырабатывал однофазное напряжение 230 В частоты 350 Гц с общей мощностью 9 кВт. Приводился во вращение агрегат от асинхронного электродвигателя.

6 мая 1947 г. в Генеральном штабе ВС состоялось совещание о ходе работ по созданию РЛС «Перископ». Было принято решение о проведении стендовых испытаний РЛС в период с 16 августа по 20 ноября 1947 г. без монтажа аппаратуры в автомашинах и без антенно-поворотного устройства.

17 июля 1947 г. вышло постановление Совета Министров Союза ССР № 2501-767сс по созданию опытного образца подвижной радиолокационной станции дальнего обнаружения самолетов и наведения истребительной авиации «Перископ» НИИ-20 МПСС. На заводские испытания радиолокатор «Перископ» был предъявлен 3 января 1949 г. полностью смонтированный на автомашинах и прицепе.

Опытный образец РЛС «Перископ» размещался в 4 автомашинах типа «Студебеккер» и специальном прицепе. Кроме того, для перевозки антенны станции придавался одноосный прицеп и автомашина «Студебекер», а для перевозки спецприцепа – тягач М-12 (всего 8 транспортных единиц). В опытном образце в соответствии с ТТТ на РЛС «Перископ» разрешалось применение автомашин «Студебекер», серийные образцы должны были размещаться на автомашинах ЗиС-151.

Заводские испытания подтвердили очень высокие тактико-технические характеристики радиолокационной станции «Перископ». Так в пункте 11 выводов акта было записано: «Станция «Перископ» является первым отечественным образцом радиолокатора обнаружения и наведения, работающим в диапазоне сантиметровых волн. По сравнению с существующими радиолокаторами он имеет следующие преимущества: а) наличие кругового обзора; б) повышенная точность определения координат; в) высокая разрешающая способность (по дальности 460 м и по азимуту порядка 1,50); г) повышенная оперативность определения координат; д) высокая пространственная селективность; е) возможность измерения высоты целей при одновременном круговом обзоре; ж) увеличенный угол одновременного обзора в вертикальной плоскости.

Несмотря на достигнутые успехи при разработке РЛС члены комиссии от военной стороны и от НИИ-20 не пришли к обоюдному согласию по следующим тактико-техническим требованиям: потолку действия; зонам видимости без провалов; четкости и яркости отметок от самолетов на экранах индикаторов; нормальной работоспособности при наличии дождей, снегопадов, облаков и т.д. (вследствие отражения радиоволн); точности измерения высоты.

Представители НИИ-20 отчет не подписали, ими было написано аргументированное особе мнение. Однако, отчет № 491/25001 по заводским испытаниям РЛС «Перископ» был утвержден заместителем главнокомандующего ВВС генерал-лейтенантом авиации Агальцовым 31 августа 1949 г. со следующей формулировкой «просить Совет Министров СССР отменить решение о проведении государственных испытаний станции «Перископ» в августе-сентябре 1949 г., установить сроки выполнения работ, указанных в пункте 3«а» (порядка 3-4 месяцев)…».

Комиссия по заводским испытаниям опытного образца радиолокатора «Перископ» посчитала необходимым провести дополнительно исследования (пункт 3а), позволяющие определить: влияние высоты подъема антенны на зоны видимости радиолокатора; влияние угла наклона антенной системы на потолок действия радиолокатора; влияние скорости вращения антенной системы на потолок и дальность действия радиолокатора; возможность замены магнетронов первого и четвертого каналов на более мощные; характер метеорологических объектов, создающих помехи наблюдению за самолетами; степень влияния их на видимость радиолокатора; возможность применения в радиолокаторе селекции борьбы с помехами, создаваемыми облаками, дождями и т.д.; тактические возможности радиолокатора при решении задач обнаружения и наведения групповых целей (звена, эскадрильи).

Вот что было написано представителями НИИ-20 на данные рекомендации.

«5. Рекомендуемые комиссией дополнительные исследования:

а) или не могут существенно изменить полученные результаты (влияние скорости вращения антенны, угла наклона антенны и т.п.);

б) или представляют собой самостоятельные научно-технические исследования, выходящие за рамки данной разработки (влияние метеофакторов и борьба с ними);

в) или не могут быть реализованы в данной станции без радикальной ее реконструкции (применение более мощных передатчиков);

г) или могут быть проведены на госиспытаниях (обнаружение и наведение соединений самолетов).

Шкафы с индикаторной аппаратурой РЛС П-20 (шкаф П-индикатора, шкаф В-индикатора, шкаф Н-индикатора)
Фото: Фотоархив ВНИИРТ

Поэтому эти предложения комиссии следует рассматривать только как оттягивающие решение вопроса».

Комиссия также посчитала необходимым:

«3в):

- МАП ускорить разработку объекта «Кремний-2», предусмотрев при этом возможность его совместной работы с радиолокаторами сантиметрового диапазона (с целью опознавания, а также увеличения потолка и дальности наведения);

- МПСС разработать для ВВС подвижный радиолокатор обнаружения и наведения дециметрового диапазона (с целью наиболее полного удовлетворения требований ВВС и увеличения помехоустойчивости его радиолокационной системы)».

Представители НИИ-20 поддержали предложение комиссии об ускорении разработки системы государственного опознавания «Кремний-2» («…разработка комплекта приборов системы опознавания является важнейшей и срочной задачей».).

Вопрос разработки РЛС в дециметровом диапазоне, конечно, не имел никакого отношения к РЛС «Перископ» и должен был быть решен в рамках программы создания новых радиолокаторов.

29 ноября 1949 г. НИИ-20 предъявил на государственные испытания опытный образец радиолокатора «Перископ» (письмо № 0859сс от 29.11.1949 г.).

Председателем комиссии по государственным испытаниям радиолокатора «Перископ» был назначен генерал-лейтенант авиации Стерлигов.

На опытном образце радиолокатора вместо образца азимутального зеркала с размерами 6 на 2,4 м был установлен макет зеркала с размерами 7,6 на 3 м, добавлено устройство дистанционного управления углом наклона и редуктор вращения антенн на 3 об/мин. 28 января 1950 г. был подписан последний протокол государственных испытаний радиолокационной станции «Перископ».

РЛС «Перископ» успешно прошла весь цикл государственных испытаний и была передана для серийного производства на Лианозовский электромеханический завод и на опытный завод НИИДАР.

РЛС «Перископ» (П-20) заложила основу целому семейству таких РЛС, как П-25, П-30, П-35, П-37, 1Л-117, 1Л-118. Некоторые из них в значительны объемах серийно выпускаются и сегодня.

Авторы выражают благодарность ветерану Института Нине Ивановне Томилиной за помощь в подборе архивных материалов. Фото из архива ВНИИРТ, публикуются впервые.