Развитие бортовой радиолокации истребителей и перехватчиков

Глава из книги "Авиация ПВО России и научно-технический прогресс" ЦНИИ АС под редакцией академика Е.А. Федосова.

История развития бортовых радиолокационных станций для самолетов-истребителей в России (СССР) начинается с конца 40-х годов. Первое поколение БРЛС представляло собой импульсные радиолокационные станции, выполненные на электронных пальчиковых лампах и обеспечивающие перехват воздушных целей, летящих выше истребителя. Первой была БРЛС "Изумруд" (главный конструктор Тихомиров В. В.). Коллектив НИИ-17, разработавший БРЛС "Изумруд", впоследствии был выделен в самостоятельное ОКБ-15, переименованное далее в НИИ приборостроения им. В. В. Тихомирова.

Бортовая РЛС "Изумруд" устанавливалась на самолетах МиГ-15 и МиГ-17. Она предназначалась для обнаружения и сопровождения воздушных целей и выдачи целеуказания стрелково-пушечному вооружению истребителя. БРЛС имела две переключаемые антенны (обнаружения и сопровождения целей), дальность обнаружения ею целей типа Ту-4 составляла 15 км.

Бортовая РЛС "Изумруд-2" для самолета МиГ-17ПФ являлась развитием БРЛС "Изумруд", имела одну антенну, которая могла последовательно работать в режимах обзора, захвата и сопровождения целей. Дальность обнаружения воздушных целей этой БРЛС возросла вдвое за счет большего диаметра антенны и большей мощности передатчика. Было несколько модификаций БРЛС "Изумруд-2". Одна из них (БРЛС "Изумруд-5") на самолете МиГ-17ПФ предназначалась для выдачи целеуказания ракетам класса "воздух-воздух" К-5 и наведения их командным методом.

Параллельно в НИИ-17 разрабатывались БРЛС для самолетов типа "Як" и "Су". В частности, была создана БРЛС "Сокол" (главный конструктор Слепуш-кин А.Б.) для самолета Як-25, а затем в развитие ее - БРЛС "Орел" для самолета Су-11. Эти БРЛС имели большие размеры антенны и большую мощность передатчика, что обеспечивало обнаружение цели типа Ту-4 на дальности 35...40 км. БРЛС предназначались для управления стрелково-пушечным вооружением самолета и пуска ракет с тепловыми и полуактивными импульсными головками самонаведения типа К-40Т и К-40Р. Модификации БРЛС "Орел" разработки ОКБ-339 (главный конструктор Кунявский Г.М.) были установлены на самолетах Як-28 и Су-15.

Ко 2-му поколению (1956-1970 гг.) относятся БРЛС с применением полупроводниковых приборов и микроминиатюрных электронных ламп типа
"дробь". Эти БРЛС в отличие от 1-го поколения имели меньшие массу и габариты, большие возможности по сопряжению с оружием самолета. Ко 2-му поколению относятся БРЛС типа "Алмаз" различных модификаций разработки НИИ приборостроения (главный конструктор Тихомиров В. В.), осуществляющих управление ракетами К-7 с полуактивными радиолокационными ГСН, в частности на самолете Су-9. К этому поколению относятся БРЛС ЦД-30 разработки КБ-1 для Су-9, БРЛС "Сапфир-21" для МиГ-21 и БРЛС "Смерч" для Ту-128 разработки ОКБ-339 (переименованного в 1962 г. в НИИ радиостроения). Ко второму поколению принадлежат также БРЛС развития линии "Смерч" НИИ радиостроения (главный конструктор Волков Ф. Ф.): "Смерч-А" для самолета МиГ-25 и "Тайфун" для новой системы управления вооружением истребителя Су-15М.

3-е поколение (1970-е годы) составляют импульсные БРЛС, обеспечивающие обнаружение целей, летящих на фоне земли, при атаке истребителем сверху вниз. Такая задача впервые ставилась в нашей стране, но для ее решения отсутствовал необходимый научно-технический задел. В качестве основы решения был выбран метод селекции движущихся целей (СДЦ) с применением внешней когерентности сигналов, отраженных от земной поверхности и движущейся цели. В системах с внешней когерентностью опорный сигнал создается за счет отражений зондирующих импульсов БРЛС от протяженных местных объектов на поверхности земли. Отраженные сигналы от этих объектов могут на 30...80 дБ превышать уровень внутренних шумов приемника и маскировать полезный сигнал.

Выделить цель методом СДЦ возможно, когда отраженные сигналы занимают один разрешенный импульсный объем и радиальная скорость цели такая, что соответствующая ей доплеровская частота не кратна частоте повторения зондирующих импульсов. При кратности таких частот отраженный от цели сигнал не пульсирует и аппаратурно компенсируется как когерентный сигнал постоянной амплитуды отражений от местных объектов на поверхности земли. Неразличимости цели способствуют также нестабильность работы аппаратуры и внешние причины, связанные с флюктуацией амплитуды и фазы отраженного сигнала.

Для реализации этого решения НИИ радиостроения была задана разработка БРЛС "Сапфир-23" для самолета МиГ-23 (главный конструктор Куняв-ский Г. М.). После подключения к этим работам НИИ приборостроения и создания в 1969 г. НПО "Фазотрон" главным конструктором БРЛС "Сапфир-23" становится Фигуровский Ю.Н.

Основные трудности в создании режима СДЦ возникли при обеспечении необходимого уровня шумов передающего устройства и динамического диапазона приемного устройства. Первое приводило к появлению большого числа ложных отметок цели, а второе загрубляло чувствительность БРЛС, что не позволяло выделять слабые сигналы цели на фоне мощных сигналов, отраженных от земли.

Решение этих задач потребовало концентрации усилий специалистов многих научных и производственных организаций. К разработке системы "Сапфир-23" привлекается группа специалистов НИИ приборостроения во главе с заместителем Генерального конструктора объединения Гришиным В. К., которая совместно со специалистами НИИ радиостроения проводит отработку и испытания этой системы. По результатам испытаний доработано большое количество блоков БРЛС, в том числе передающих и приемных каналов. В 1976 г. самолет МиГ-23 с системой "Сапфир-23" был принят на вооружение.

БРЛС 3-го поколения с режимом СДЦ выполнены на полупроводниковых элементах и микромодулях, практически без применения электронных ламп; в них реализован подсвет цели непрерывным излучением для доплеровских радиолокационных ГСН, обеспечивающих поражение целей, летящих на малых высотах (ниже истребителя). Кроме того, они сопрягались через системы самолета с наземными системами наведения и обеспечивали захват и сопровождение цели по данным наземных АСУ. Это - БРЛС разработки НИИ радиостроения типа "Сапфир-23" для самолетов МиГ-23 различных модификаций и "Сапфир-25" для самолета МиГ-25.

К современному, 4-му поколению относятся импульсно-доплеровские БРЛС, обеспечивающие обнаружение и сопровождение воздушных целей на фоне земли и в свободном пространстве при атаке целей в переднюю и заднюю полусферы без ограничений по условиям атаки. Элементная база БРЛС 4-го поколения выполнена на микросхемах и микросборках с использованием бескорпусных полупроводниковых приборов. Широкое применение здесь находят цифровая вычислительная техника и цифровые линии связи.

На рубеже 70-х годов в ряде капиталистических стран, и в первую очередь в США, начались разработки нового поколения БРЛС с режимом квазинепрерывного излучения (КНИ) зондирующих импульсов. Этот режим наряду с увеличением энергии отраженного сигнала за счет накопления ее от пачки зондирующих импульсов имеет особенности, характерные для импульсно-доплеровских систем. В этих системах обеспечивается частотная селекция сигналов, отраженных от цели и подстилающей поверхности.

Импульсно-доплеровские БРЛС по сравнению с импульсными станциями с режимом СДЦ обладают существенно лучшими характеристиками по обнаружению цели на встречных курсах на фоне земли. Для решение таких задач в режиме КНИ посредством выбора частот повторения зондирующих импульсов выделяется для частотного спектра отраженного сигнала подвижной цели поддиапазон доплеровских частот, свободный от отражений подстилающей поверхности. Фактически создаются условия обнаружения цели на фоне собственных шумов приемника БРЛС.

Импульсно-доплеровские РЛС, как известно, используют метод станций, работающих на непрерывном излучении. Спектр доплеровского сигнала, отраженного от поверхности земли с летящего объекта, представлен на рис. 1. На нем значению мощности сигнала S(Fд) в области доплеровской частоты Fд = 0 соответствуют высотные отражения от точек подстилающей поверхности вблизи нормали, которая проведена с самолета на землю. Области частот Fдгл соответствуют отражению по оси луча антенны РЛС, скользящего по поверхности земли со скоростью перемещения самолета в горизонтальной плоскости.

Как видно на рис.1, при скоростях сближения с целью, больших скорости самолета, отсутствуют сигналы, отраженные от земли, поэтому при атаке сверху вниз в переднюю полусферу цели отсутствует загрубление чувствительности приемника и дальность обнаружения цели РЛС оказывается такой же, как и в свободном пространстве.

При атаке в заднюю полусферу цели имеет место загрубление чувствительности приемника за счет сигналов, принимаемых по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны. При этом чем ниже высота полета самолета, тем больше загрубление приемника и, следовательно, меньше дальность обнаружения цели.

Поскольку для РЛС самолета не представляется возможным реализовать метод непрерывного излучения, так как невозможно разместить две антенны в носовой части самолета, был предложен импульсно-доплеровский метод с высокой частотой повторения (ВЧП) излучения зондирующих импульсов. Этот метод заключается в том, что при атаке в переднюю полусферу цели выбирается частота повторения импульсов Fп большая чем максимальная доплеровская частота цели.

Периодически излучаемые зондирующие когерентные импульсы можно рассматривать как сумму гармонических составляющих с частотами f_k = f₀ + kF_п, где f₀- несущая частота РЛС, a k - любое целое число. Каждая составляющая с частотой f_k подобна непрерывному зондирующему сигналу; максимальное и минимальное доплеровское приращение частоты сигналов, отраженных от подстилающей поверхности, образуется как 2V_c/A_k и -2V_c/А_k соответственно, где А_k = c/f_k, а с - скорость распространения радиоволн. При этом значение мощности доплеровского сигнала отражения от земли по каждой составляющей модулирируется в соответствии с огибающей спектра зондирующих импульсов S_т. В результате этого спектр отраженного от земли доплеровского сигнала имеет вид, показанный на рис. 2.

При атаке с задней полусферы цели применяется метод средней частоты повторения (СЧП) излучения зондирующих импульсов. При этом анализируются доплеровские частоты ниже "пика земли" (Fдгл). Получается неоднозначное измерение дальности до цели и скорости сближения с ней. Весь интервал однозначной дальности для выбранного периода повторения зондирующих импульсов разбивается на равные интервалы D_p, соответствующие разрешающей способности РЛС по дальности, и в каждом из них производится частотный анализ в диапазоне доплеровских частот цели. Иллюстрацией разбиения временной оси для "нарезки" интервала однозначного определения дальности до цели является рис. 3.

Если исключить определенное количество участков по дальности, соответствующих высоте полета самолета, при которой загрубление приемника не обеспечивает необходимую дальность обнаружения цели, то при снижении самолета дальность, на которой осуществляется прием отражений от земли, не будет уменьшаться, как и дальность обнаружения цели. При изменении частоты повторения зондирующих импульсов обеспечивается обнаружение цели на участках дальности, где были "заперты" приемники РЛС.

Отсутствие в режиме КНИ средней частоты повторения импульсов в доп-леровском диапазоне частот зон, свободных от отражений подстилающей поверхности, осложняет процесс обнаружения цели. Он становится зависимым от типа подстилающей поверхности. Причем, в силу наличия селекции по дальности и скорости, режиму КНИ СЧП свойственно собирать фон подстилающей поверхности от отдельных ее участков, которые, естественно, поразному отражают зондирующие сигналы БРЛС.

В режиме КНИ СЧП при n неоднозначности по дальности до цели в отраженном сигнале от подстилающей поверхности имеется столько же колец равных дальностей с шириной 0,5ст_и и расстоянием между ними D = 0,5сТ_и, где т_и и Т_и -длительность и период повторения зондирующих импульсов. Эти кольца пересекаются с полосой приема постоянных доплеровских частот (изодоп), по ширине равной полосе пропускания фильтра в системе селекции цели по скорости дельта F_д.

Отражения от подстилающей поверхности с площадок пересечения колец равных дальностей и полос изодоп образуют шумовой сигнал, проникающий по боковым лепесткам антенны; на его фоне происходит обнаружение в приемном канале отраженного сигнала от цели. Количество таких площадок при неоднозначности по дальности n=3 и неоднозначности по скорости сближения с целью q=2 иллюстрирует рис. 4. Предполагается, что самолет летит на неизменной высоте, начало координат совмещено с самолетом и вектор его скорости совпадает с осью ОХ₀. В зависимости от того, какая подстилающая поверхность оказывается в этих площадках, имеет место разное отношение сигнал/шум. Наиболее неблагоприятным оказывается случай, когда на этих площадках имеются блестящие точки земли. Такими характерными точками являются крыши домов городов. Спокойному фону отражений от подстилающей поверхности соответствует сухая степь.

Характерной БРЛС с таким режимом квазинепрерывного излучения ВЧП является станция прицельной системы AWG-9 американского самолета F-14, принятого на вооружение в 1974 г. С антенной в виде плоской волноводной щелевой антенной решетки диаметром 0,9 м, передатчиком на лампе бегущей волны со средней выходной мощностью 2,4 кВт и параметрическим усилителем на входе приемника, имеющим коэффициент шума 4,9 дБ, БРЛС AWG-9 обеспечивала обнаружение цели с эффективной поверхностью рассеяния Sц = 3 м² на встречных курсах на фоне земли при дальности до 185 км. Обнаружение цели на максимальной дальности БРЛС AWG-9 осуществляется с поиском по скорости без измерения значения дальности. Непосредственное измерение дальности до цели производится по запаздыванию импульсной последовательности с линейной частотной модуляцией несущей частоты. В режиме линейно-частотной модуляции частота зондирующих импульсов равномерно изменяется во времени на интервале такта излучения в диапазоне нескольких десятков килогерц. Без включения этого режима смещение частоты отраженных импульсов обусловлено лишь радиальной скоростью сближения с целью. При линейно-частотной модуляции формируется дополнительное смещение частоты в зависимости от дальности до цели. В этом случае сравнительно низкая точность измерения дальности до цели (1...2 км) обусловлена принципом практически мгновенного измерения дальности. При этом снижаются потенциальные характеристики станции и измерение значения дальности обеспечивается по цели с ЭПР Sц = 3 м² начиная со 150 км.

В БРЛС AWG-9 организован режим сопровождения "на проходе" при сканировании антенны в азимутальной плоскости ±10, ±20, ±30, ±40 и ±65° одной, двумя, четырьмя или восемью строками (шириной около 2,5°) по углу места. N-кратное увеличение обозреваемой зоны по азимуту в градусах по сравнению с минимальной зоной приблизительно в N^0,25 раз сокращает максимальную дальность обнаружения цели. В каждой из зон станция AWG-9 может сопровождать до 24 воздушных целей и по шести из них выдавать целеуказание для организации одновременного пуска до шести ракет.

Полностью цифровой БРЛС импульсно-доплеровского типа являлась станция прицельной системы APG-63 самолета F-15. Основные особенности функционирования БРЛС APG-63:

• использование режима КНИ ВЧП, обеспечивающего в зоне ±30° по азимуту и 10° по углу места обнаружение цели с ЭПР Sц = 3 м² на встречных курсах на фоне земли при дальности 80...100 км;
• реализация режима КНИ средней частоты повторения со сжатием импульсов на базе фазокодовой модуляции, обеспечивающего обнаружение цели с ЭПР Sц = 3 м² на встречных и догонных курсах на фоне земли при дальности 40....50 км;
• организация сопровождения "на проходе" до 10 целей при сканировании антенны, захват одной из целей и ее сопровождение с непрерывным подсветом для наведения ракет с полуактивными радиолокационными ГСH;
• введена двухстрочная зона обзора с вертикальным сканированием луча в пределах -5...+45° вдоль продольной оси самолета для захвата цели посредством накренения самолета в ближнем маневренном бою с последующим переходом в режим непрерывной пеленгации цели при угловой скорости линии визирования до 20 град/с.

В БРЛС APG-63 использовалась такая же антенна, как и в БРЛС AWG-9 с гидроприводом, обеспечивающим отклонение луча в диапазоне ±60° по азимуту и углу места со стабилизацией положения антенны по крену, тангажу и рысканию. В этой станции установлены передатчик со средней мощностью 1 кВт и приемник с коэффициентом шума 4...6 дБ. Введен цифровой процессор сигналов, выполняющий обработку по алгоритму быстрого преобразования Фурье и по алгоритмам сжатия сложномодулированных импульсов.

Для измерения дальности обнаруженных целей в ППС и в ЗПС в режиме КНИ СЧП применялся способ оценки времени задержки отражения зондирующих сигналов. Использование в нем сжатия импульсов с введением фазокодовой модуляции позволяло сузить на порядок длительность импульсов и при эквивалентной их длительности 1 мкс иметь потенциальную точность измерения дальности ~150 м. Однако применение при КНИ СЧП зондирующих импульсов с частотой повторения ~10 кГц обусловливает неоднозначность определения дальности до цели и в общем случае неоднозначное измерение ее скорости. Эта неоднозначность разрешается при вобуляции частоты повторения зондирующих импульсов. Осложнение здесь вызывает наличие "пиков земли" и "альтиметра", в зоны которых не должны попадать стробы селекции по дальности режима КНИ СЧП.

Благодаря межкадровой обработке информации по обнаруженным целям, а также введению компенсационного канала приема и системы подавления мешающих отражений в области доплеровских частот в БРЛС APG-63 обеспечен низкий уровень ложных тревог при обнаружении цели.

Развитие отечественной радиолокации последней трети XX века шло в тех же направлениях, что и за рубежом. От конического сканирования луча при пеленгации целей (60-е годы) был совершен переход к многорежимной работе с реализацией режима внешней когерентности (70-е годы), режима внутренней когерентности и цифровой обработки данных (80-е годы) при работе по воздушным целям. Наращивается и уровень интеграции разрабатывавшихся систем: в 70-х годах радиолокатор комплексируется с теплопелен-гатором, в 80-х и 90-х годах создаются уже интегрированные радиолокационные прицельные комплексы и радиолокационные системы управления.

В таблице приведены некоторые технические характеристики российских бортовых РЛС последних лет. Основные российские разработчики радиолокационных систем для истребителей и перехватчиков - НИИ приборостроения и НИИ радиостроения - находятся на передовых позициях мирового уровня среди компаний и фирм, работающих в этой области, во многих случаях являясь лидером в создании СУВ боевых самолетов.

В НИИ приборостроения были разработаны пошедшие в серию РЛС истребителей МиГ-31 и Су-27. Впервые в мировой практике на истребителе МиГ-31 была установлена ФАР с электронным сканированием луча, что обеспечило многоцелевой обстрел во всем диапазоне углов сопровождения целей. При создании БРЛС самолета Су-27 были реализованы: режим средней частоты повторения, измерение дальности до цели в режиме обзора, режим сопровождения "на проходе" воздушных целей. Из последних работ института следует отметить разработку совместно с Рязанским приборным заводом РЛПК "Оса" с миниатюрной ФАР "Скат-m" для легких фронтовых истребителей и работы по программе серийного освоения ФАР для истребителя Су-ЗОМКИ.

В НИИ радиостроения (ОАО "Фазотрон-НИИР"), являющемся ведущим разработчиком бортовых РЛС и систем управления вооружением истребителей легкого и среднего классов, создано несколько типов бортовой радиолокационной техники и систем, в том числе РЛС и СУВ С-29 для самолета МиГ-29 (1986 г.), модернизированная СУВ С-29С самолета МиГ-29С (1993 г.). Объединением "Фазотрон" создано и изготовлено: семейство РЛС "Копье" ("Суперкопье", "Москит"), предназначенное для установки на самолеты МиГ-21-93, МиГ-23-98 и др.; семейство РЛС "Жук", ориентированное на модернизацию самолетов Су-27, МиГ-29 и др. Кроме того, ведутся работы по новому семейству РЛС с ФАР для оснащения легких истребителей типа МиГ-21 (РЛС "Фараон"), для средних истребителей - РЛС "Сокол-Ф" на основе РЛС "Жук". Разработка всех этих РЛС позволяет оснастить ими разрабатываемые и модернизируемые самолеты, придавая новые качества и расширяя функции авиационных комплексов, существенно увеличивая их боевую эффективность.

В современных условиях российские радиолокационные фирмы не потеряли свой научно-технический потенциал и продолжают успешно работать на внутреннем и международном рынках.

Технические характеристики некоторых российских БРЛС