Электронный глаз

Техника широкую публику интересует до определённых пределов. Там, где начинаются сложные подробности и непонятные цифры, интерес обычно исчезает. Например, это двигатели современных самолётов. Для подавляющего большинства они делятся на «продвинутые» и «отсталые». Ещё одна скучная тема с таким же делением – это электронные системы наблюдения и прицеливания. Особо подкованные ещё припомнят аббревиатуру «АФАР». Их широкая общественность относит к «продвинутым» в отличии от «отсталой» «ПФАР». Ну и в школе всем рассказали, что это всё есть радиолокационные станции или просто РЛС. 

Ещё часто встречается красивое слово «радар». Это тоже аббревиатура на самом деле, но с английского языка. Произошло от «RAdio Detection And Ranging», что обычно переводят как «радиообнаружение и дальнометрия». Если бы не странное стремление на всё подряд смотреть через английские слова, то, наверное, для этих устройств появилось бы сокращение РДМ, ведь это было бы точнее – «радиодальномер». Но случилось то, что случилось, поэтому постараюсь быть как все и сокращу все варианты названий до РЛС и радар. И попробуем разобраться… верхоглядно, чтобы не перенапрячься.  

Всё, что касается РЛС, барахтается в мутной жиже настоящих и не очень сведений, в которых разобраться непросто. Например, сам факт того, что радиоволны отражаются от предметов открыт и немцем Генрихом Герцем в 1886 году и Александром Поповым в 1897 году. Разница в том, что Герц этими исследованиями занимался в лаборатории, а Попов вообще про это не думал, а пытался определить дальность действия радиосвязи. Для этого он разместил на двух кораблях приёмник и передатчик и корабли принялись маневрировать. И вот в какой-то момент со связью всё было хорошо и вдруг связь пропала. Оказалось, что в этот момент между двумя кораблями прошёл третий. Факт запомнили и записали, но толку от этого было, как от Герца. Изготовить что-то работоспособное на основе этого открытия с тогдашней техникой было невозможно. 

Самыми настырными оказались немцы. В 1904 году инженер К. Хюльсмейер сделал устройство, которое назвал «телемобилоскопом», состоявший из радиоизлучателя и приёмника. При помощи его нельзя было определить расстояние до объекта, но он мог сообщить, что где-то вон там определённо что-то есть. Полезная штука для кораблей в тумане… как в ПДД: «снизить скорость, повысить внимание!» 

Главным в этом изобретении было то, что оно стало выстрелом стартового пистолета для учёных с инженерами главных мировых игроков того периода. Трудились в Германии, Англии, СССР, США. 

Пропустим немалый практический вклад товарища Бонч-Бруевича в это дело и сразу о главном. В 1934 году наши ребята с помощью своей лабораторной РЛС смогли разглядеть самолёт, летящий на высоте 150 м, хотя расстояние до него было такое, что его и без РЛС было неплохо видно. Но дело пошло. В том же году сделали опытные РЛС «Вега» и «Конус» вошедших в систему «Электровизор». Однако серийные станции («радиоулавливатель самолётов») РУС-1 «Ревень», а потом и РУС-2 «Редут-40» приняли на вооружение только в 1939-40 году: 

Немецкий физик Рудольф Кюнхольд в 1935 году создал экспериментальную установку, на основе которой было изготовлено две РЛС: для моряков – «Зеетакт» и «Фрейя» для ПВО. Однако всерьёз развивать тему немцы начали только в 1943, когда их жёстко клюнула та самая птица, которая яиц не несёт, но из них вылупляется. 

Вот «не было бы счастья…», но разведка англичан сработала халтурно. Ихние «джемсы бонды» в своей Англии подняли шум, заявив, что немцы слепили какую-то хрень, типа «лучей смерти», которые могут сбивать самолёты. Доложили наверх. А так как у членов из их парламента с образованием традиционно было «никак», то паника поднялась немалая. Пососав сигары и нахлебавшись односолодового, члены вспомнили, что в Шотландии, кроме виски, есть ещё и весьма неглупый физик Роберт Уотсон-Уотт (Robert Alexander Watson-Watt). «…да-да, конечно помню, это потомок того самого Джемса Уотта! Полагаю, ему можно доверять, джентльмены. Выделим ему необходимые средства». Потомок «того самого» Уотта выслушал членов, с трудом не заржав, но фунты взял, твёрдо пообещав во всём разобраться. Ну, интересно же… 

В 1935 году он успокоил членов тем, что с «лучами смерти» кто-то что-то просто напутал, но зато показал им свою опытную установку, с помощью которой он смог обнаружить самолёт в воздухе. Установка состояла только из приёмника. Источником сигнала служила мощная радиостанция BBC. Членам идея понравилась. Коротковолновую РЛС начали совершенствовать и на следующий год дальность обнаружения летящего бомбардировщика достигла 150 км в идеальных условиях. Это уже было серьёзно. Потом немцы не смогли расхренячить Англию бомбардировками и благодаря работе сети РЛС «Chain Home» в том числе… Именно тогда в обиход и вошла английская аббревиатура радар. Вот Роберт со своим детищем: 

РЛС, несмотря на общее быстрое развитие, подстёгнутое войной, довольно долго были достаточно большими и тяжёлыми. Опыты по установке радаров на самолётах проводились ещё во время войны, однако даже на первых реактивных самолётах лётчики вынуждены были полагаться на свои глаза, а не на электронику. 

У нас первую авиационную РЛС «Гнейс-2» испытали на самолёте Пе-2 в 1942 году. Общий вес аппаратуры был 122,5 кг, дальность обнаружения 3,5 км (ну всё ж на лампах сделано было!): 

Англичане, например, тоже установили свою первую авиационную РЛС на двухмоторном самолёте «Bristol Beaufighter»: 

Ну, это всё хоть интересные, но всё же «преданья старины глубокой», а новации в этом деле начались с появлением радаров с фазированной антенной решёткой (ФАР). Сначала они тоже были достаточно крупными, но потом ФАР наши смогли установить на истребитель-перехватчик МиГ-31. За шеломянцем как водится не поверили, что их так лихо обскакали и скривили губки на сей несомненный успех. В результате нашим пришлось показывать на выставке в Европе самолёт со снятым радиопрозрачным обтекателем, чтобы показать БРЛС-8б «Заслон»: 

Система отлично видела не только самолёты, но даже малоразмерные крылатые ракеты на фоне земли. Этого отсталым совкам с их отсталой электроникой показалось мало и они добавили ещё чуток возможностей: МиГ-31 мог обмениваться данными с тремя такими же самолётами на расстоянии до 200 км, а ещё наземными и прочими радарами, включая летающие типа АВАКСа, и давать целеуказания истребителям МиГ-29 и Су-27. Потом систему ещё улучшили до уровня «Заслон-М» и далее «Заслон-БМ». В сочетании со скоростью и высотностью самолёта это было просто неотразимо. Всем натовцам оптом до таких высот было ещё как до неба. У них, собственно, до сих пор ничего подобного нет. 

При этом в основе «Заслона» гордо возвышается «отсталый» ПФАР. Скажу больше – на самом боевом и успешном из воюющих в мире истребителе Су-35С установлен радар «Ирбис», который тоже относится к ПФАР. При этом у него отличное зрение, которое позволяет ему разглядеть самолёт размерами с МиГ-21 на расстоянии в 400 км, одновременно сканировать землю с режимом картографирования и ещё пара-тройка трюков в рукаве. К примеру, сэшэашный Фу-22 с АФАР по земле вообще не может работать. На Фу-15 стали ставить АФАР (БРЛС AN/APG-63(V)2) начиная примерно с середины нулевых, но он и его улучшенные варианты вплоть до AN/APG-84 уступает по характеристикам радару Су-35С.

Однако время идёт, и на новый Су-57 установили пять радаров АФАР системы «Белка» «Х» и «L» диапазонов. 

Разобраться в том, чем АФАР круче, чем ПФАР, непросто. На самом деле у них очень много общего. Обе системы являются импульсными радиолокаторами. То есть мы посылаем короткий сигнал, и смотрим, от чего он там отразился. На ПФАР генератор сигнала один, который раскидывается на кучу излучателей. На АФАР каждый элемент решётки является и приёмником, и генератором сигнала. 

И ПФАР, и АФАР могут быстро сдвинуть собственную рабочую частоту, чтобы исключить появление взаимных радиопомех или исключить определение своего положения по радиосигналу. Это позволяет избежать помех от других радиолокаторов или явлений природы. Обе могут работать как в узкополосном режиме, так и широкополосном и могут использоваться как одно из средств радиоэлектронной борьбы. Считается, что ПФАР более подвержен влиянию помех. АФАР может использовать как один основной луч (работать как ПФАР), так и несколько одновременно. Также АФАР при выходе из строя одного элемента продолжает оставаться работоспособным, хотя характеристики падают. Если генератор импульса сломается на ПФАР, то он неработоспособен, хотя с чего бы ему ломаться? А вот вероятность выхода из строя одного из сотен, или даже тысяч отдельных приёмо-передатчиков АФАР очень высока. ПФАР конструктивно проще, чем АФАР, а значит он математически более надёжен вообще-то. 

Вообще в описаниях достоинств и недостатков обоих систем много вкусовщины, как мне кажется. Та же помехозащищённость в большой степени зависит не от способа получения сигнала, а от методов его обработки. Ещё часто говорят о мощности. Мол, на ПФАР генератор в несколько киловатт раскидывает сигнал на несколько сотен элементов. Получается по несколько десятков ватт. А вот на АФАР наоборот – несколько модулей по нескольку десятков ватт объединяются в главный луч мощностью в несколько киловатт. И что один источник сигнала с его большой мощностью трудно охлаждать. Ну… не легко. Однако охлаждать сотни мощных приёмопередатчиков разве проще? Им требуется жидкостное охлаждение вообще-то, которое требует больших затрат энергии, которую ещё нужно где-то взять. Именно на этом сейчас погорел Фу-35, оставшийся вообще без радара.  

Если же сравнивать ФАР со старыми радарами, то там тоже есть интересная подробность. Одно из преимуществ радаров ФАР как описывалось… «ура – мы избавляемся от механических приводов поворота радара, заменяя его электронным сканированием!» Круто. Однако ПФАР «Ирбис» на Су-35 имеет механический привод: 

Всё возвращается, хотя и на другом уровне. Даже центральный радар АФАР Х-диапазона системы «Белка» на Су-57 тоже не гвоздями прибит, а поворотный: 

Всё это ещё раз напоминает о том, что нет решений «отсталых» и «продвинутых». Есть только нужные и не нужные в имеющихся условиях. Тот же «Ирбис» – это ПФАР, но мощнее его на сегодня в мире на машинах такого же класса просто нет. 

Разработчики радаров где-то возвращаются к старым решениям, а где-то активно двигаются вперёд. В конструкцию элементов ФАР вводят аналогово-цифровые преобразователи, что позволяет изменять отправленный сигнал, упростить обработку поступающего с радаров сигнала и получить новое качество при этом. За счёт изменения характеристик сигнала и последующей математической обработки отражённого сигнала получили возможность разглядеть на больших расстояниях воздушные цели имеющие конструкцию для пассивного снижения радиолокационной заметности (технология «стэлс»). В систему формирования сигнала добавили цифро-аналоговый преобразователь. Именно радары с такой системой сейчас иногда называют ЦАР (цифровая антенная решётка). Этим системам вообще «по барабану» гордость сэшэашных технических уловок – «режим LPI». Это когда мощность посылаемого радаром широкополосного сигнала удавливают и превращают в этакий маломощный фонарик, который следит за выбранной целью. По мощности он сравним с помехами, но его «вычисляют» из фоновых помех за счёт хорошей математики. Так что… удобная мишень этот самый LPI, если что. 

Теоретические основы всей этой электронно-математически-сканирующей тарабарщины были заложены ещё в 70-х. За шеломянцем книжки из СССР тоже внимательно почитывали. И авторы типа Слока В.К. или того же Уфимцева П.Я. им были отлично известны. Уфимцева в 90-х даже пригласили поработать в компанию «Northrop Grumman Corporation», которая тогда трудилась над своим «невидимым» Northrop B-2 «Spirit». А до этого на основе его трудов сэшэашники совершили трудовой подвиг, заставив летать совершенно нелетучий «невидимый» F-117. 

Ещё одно направление, которое обещает успехи в деле улучшения зрения современных самолётов – это сплошное радиолокационное поле, которое формируется за счёт всех средств наблюдения – поверхностных, воздушных, космических. Если добавить к такой системе обмен данными с обработкой сигнала всеми участниками, то это будет настоящая революция… пока это из области фантастики. 

Не другое, а скорее параллельное направление – это радары с расширенной от 1Гц до 100 ГГц полосой непростого сигнала. Заговорили о радиофотонике и радиооптике. Соответственно возник термин РОФАР (радио-оптическая антенная решётка). На самом деле к оптике эта система прямого отношения не имеет, но проникающая способность радиоволн увеличивается. То есть возможность спрятать что-то за кустами или даже под землёй сильно снижается. Говорят, что радары сейчас неплохо заглядывают под землю на несколько метров и с неплохой точностью. 

Причём в этом нет особой фантастики. Никого же не смущает то, что мобильники нормально работают и в автомобиле, и в железобетонных зданиях, и в металлических лифтовых кабинках. Проникающая способность радиоволн обычно недооценивают. А вообще-то никакая металлическая решётка типа клетки Фарадея особым препятствием для них не являются. Всё дело в характеристиках сигнала и обработке его отражения. Для таких систем даже системы РЭБ уже не противник, а ещё один источник сигнала, который тоже от чего-то отражается, а значит его можно поймать и обработать для получения дополнительных данных. 

Кстати, специально для тех, кто в шапочках из фольги готовится к сражениям со злобными пришельцами. Хочу обратить ваше внимание на то, что нужно внимательнее читать описания древних о встречах с пришельцами. Они же всё видели, но просто воспринимали на своём уровне. Поэтому путали пришельцев с богами или с их посланниками. А те для защиты мозгов носили специальные металлизированные шлемы. Их то древние и путали с блестящим нимбом. Это был нижний, бытовой уровень защиты для гражданского персонала. А вот их боевой спецназ тогда носил уже полный металлизированный скафандр. Древние описывали их как белые или сверкающие одежды. 

Именно поэтому во всех воспоминаниях пришельцы особой подвижностью не отличаются. Обычно стоят столбом и всё. Нужно понимать их логику. Ведь они встречались с местными дикарями! А кто знает, что у них на уме?! Возьмут, да и сожгут гостей с других звёздных миров каким-нибудь волновым излучателем! Поэтому и защитная фольгированная одежда. А стояли столбом потому, что на пятках у них были установлены специальные буравчики. Ведь металлизированный скафандр нужно было надёжно заземлить, иначе от него никакого толку не будет. Так что к шапочке из фольги нужно обязательно ещё и заземление хотя бы в виде цепочки, волочащейся по земле… рекомендую длину по горизонтали не менее 378-412 мм. 

Какие шаги тяжёлой поступи науки ждут людей впереди? Да кто ж их знает, этих учёных? Мы вот воздух сотрясаем попусту, когда говорим, и машинки шумят, и деревья качаются. А ведь всё это – звуковые волны, которые вообще-то изменяют характеристики окружающей среды. И сами мы являемся источником тепла, которое тоже заставляет воздух двигаться. Неважно вообще-то – воздух или ту же воду. А это значит, что эти аномалии тоже можно обнаружить, исследовать, преобразовать до понятного оператору оружия образа и… и вот что со всем этим делать? Как жить? Куда прятаться?