Методика формирования облика радиолокационных станций перспективной системы вооружения войсковой ПВО

Версия для печати

В настоящее время система вооружения вой­сковой ПВО Российской Федерации, представ­ляющая собой совокупность функционально взаимосвязанных огневых средств (зенитных ракетных комплексов и систем), средств раз­ведки и целеуказания, автоматизированных средств управления и других средств, находит­ся в процессе коренного обновления. Начата и успешно выполняется работа по формиро­ванию облика системы вооружения войсковой ПВО, затем последует ряд ОКР по разработке отдельных образцов вооружения и далее - их серийное производство.

Необходимость разработки нового воору­жения, а также принципы и порядок формиро­вания облика системы вооружения войсковой ПВО, изложены в статье [1]. Основной причи­ной, определившей необходимость обновления вооружения, является дальнейшее развитие средств воздушно-космического нападения противника и существенное повышение их возможностей по преодолению ПВО, а техни­ческой базой обновления - успехи в развитии электронной компонентной базы, микроэлек­тронике, а также созданные новые технологии в различных областях науки и техники, в том числе в радиолокации.

Основными источниками информации в создаваемой системе вооружения войсковой ПВО, как и ранее, остаются РЛС различного назначения, однако они создаются на новой элементной базе и с использованием новых технологий. Существующие РЛС (рис. 1) ис­пользуют пассивные ФАР и построены по тех­нологиям 80-х годов, в связи с чем не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляе­мым к перспективному вооружению как по экс­плуатационным показателям, так и по показа­телям назначения.

 

Рис. 1. Основные современные РЛС войсковой ПВО: 1 - РЛС Х-диапазона 9С19 «Имбирь»; 2 - РЛС S-диапазона 9С15 «Обзор-3»; 3 - РЛС S-диапазона 9С18М1 «Купол»; 4 - РЛС VHF-диапазона 1Л13 «Небо-СВ» (четыре транспортные единицы - аппаратная кабина, антенно-поворотное устройство, дизельная электростанция, прицеп с антенным устройством запросчика)

 

Создаваемые средства ПВО, и РЛС в том числе, входящие в состав соединений и частей ПВО, развертываться будут в боевых порядках на большой площади, и работать они будут по разнообразным баллистическим и аэро­динамическим средствам, в том числе новых типов, с характеристиками, существенно пре­восходящими характеристики современных средств нападения. В [1] на основе анализа летно-технических и отражательных харак­теристик целей и с учетом боевых порядков войск определена рациональная номенкла­тура создаваемых РЛС. Она включает РЛС разведки и целеуказания командных пунктов соединений ПВО и ЗРС, ведущие круговой и секторный обзор (РЛС КО-СО), РЛС сектор­ного обзора для обнаружения баллистических целей (БЦ) - РЛС СО зенитных ракетных си­стем и РЛС БЦ зенитных ракетных комплек­сов, а также РЛС обнаружения низколетящих целей (РЛС НЛЦ) ЗРК. В зависимости от сво­его предназначения и особенностей обнару­живаемых целей перечисленные типы РЛС перекрывают широкий диапазон длин волн активной радиолокации - от сантиметровых до метровых волн (поддиапазоны X, C, S, L, UHF и VHF).

От возможностей создаваемых РЛС по обнаружению целей, от точности оценки ими координат целей и их пропускной способ­ности зависят возможности группировки ПВО по поражению целей. Исходя из этого, обосно­вание облика перечисленных типов создавае­мых РЛС является одной из важнейших задач формирования облика всей системы вооруже­ния войсковой ПВО.

Рассматриваемая задача обоснования об­лика РЛС является задачей начального эта­па конструирования и представляет собой разработку предложений по конструктивно­му исполнению РЛС и определение потреб­ных количественных значений наиболее важ­ных конструктивно-технических параметров.

В последующем сформированный облик из­делия конкретизируется в ходе выполнения ОКР - прорабатывается в эскизном и техниче­ском проектах и в конечном итоге реализуется в виде опытного образца.

Целью формирования облика РЛС яв­ляется определение основных конструк­тивных особенностей построения РЛС, недопущение системных ошибок, которые впоследствии, на этапе выполнения ОКР, мо­гут привести к необходимости переконструи­рования изделия.

В основу подхода к формированию об­лика РЛС может быть положено одно из важ­нейших требований, предъявляемых к воору­жению войсковой ПВО: необходимость его высокой мобильности. Для перспективных РЛС это требование особенно значимо в свя­зи с необходимостью быстрой смены позиций вследствие существенно выросших возмож­ностей противника по вскрытию излучающих средств и оперативному применению по источ­нику излучения высокоточного оружия (ВТО).

Исходя из этого требования, вся аппара­тура и оборудование РЛС, в том числе средства автономного энергоснабжения (САЭС), долж­ны размещаться на высокомобильном шас­си (гусеничном или колесном, в зависимости от штатной принадлежности - см. [1]), обес­печивающем передвижение в боевых порядках войск по различной местности. При этом тре­буемое время свертывания/развертывания РЛС ограничивается единицами минут.

Для высокопотенциальных РЛС с антен­ными системами больших размеров, исходя из того что они работают в глубине боевых порядков, на достаточном удалении от линии боевого соприкосновения и под эшелониро­ванным прикрытием от ВТО, время свертыва­ния/развертывания может составлять несколь­ко десятков минут.

Аппаратура и оборудование высокопо­тенциальных РЛС, исходя из ограничений по грузоподъемности и мобильности, могут размещаться на нескольких шасси, предна­значенных, соответственно, для размещения антенного поста, системы энергоснабжения и аппаратных средств с боевым расчетом, од­нако время стыковки этих средств на боевой позиции не должно ограничивать требуемое время свертывания/развертывания РЛС.

Таким образом, шасси является элемен­том, задающим исходный облик РЛС в части ее максимально возможных массы, габаритов развертываемой антенной системы, а также потребляемой (а следовательно, и излучаемой) энергии.

Характеристики РЛС в основном опреде­ляются характеристиками ее антенной систе­мы и высокочастотной приемо-передающей части (особенностями построения антенны, устройств формирования, излучения, прие­ма и предварительной обработки сигнала). С позиций размещения аппаратуры и обору­дования, шасси, ограничивая массу и габариты антенной системы, а также энергию сигнала, определяет предельно достижимые угловое разрешение, мощность излучаемого сигнала, отношение сигнал/шум и другие важнейшие параметры локатора.

С другой стороны, с позиций целевого назначения, характеристики создаваемых РЛС должны быть согласованы с характеристика­ми конечного потребителя - огневыми сред­ствами. Получаемая локаторами информация должна обеспечивать полную реализацию ог­невых возможностей огневых средств по по­ражению целей на максимальной дальности действия зенитных управляемых ракет (ЗУР) и в глубине зоны поражения при массирован­ных налетах (ударах).

В соответствии с этим характеристики огневых средств определяют показатели на­значения создаваемых РЛС - потребные ру­бежи (дальности) выдачи информации, каче­ство информации (разрешающую способность и точность оценки параметров целей) и про­пускную способность РЛС.

Множество показателей назначения РЛС определенного типа обозначим УПН:

YПН = {Rобн, Ωδ, Тобз},

где Rобн - дальность обнаружения цели за­данного типа в определенных условиях; Ωδ - множество показателей разрешающей способности и точности оценки параметров целей (угловых координат, дальности и ско­рости); Тобз - время обзора заданного сектора пространства (как основной показатель про­пускной способности РЛС).

Множество основных конструктив­но-технических параметров РЛС, определяю­щих ее облик, обозначим XКТП.

Наиболее значимыми конструктив­но-техническими параметрами, на основе ко­торых можно рассчитать показатели назна­чения РЛС на раннем этапе формирования облика, являются: λ - длина волны РЛС; Рср - средняя мощность излучаемого антенной сиг­нала; Sa - площадь раскрыва антенны; ρ - ко­эффициент использования раскрыва антенны; kш - коэффициент шума приемного устройства; kп - коэффициент потерь сигнала (суммарные потери на излучение, прием и обработку сиг­нала); Δf - полоса сигнала.

Конструктивно-технические параметры разнонаправленно влияют на показатели на­значения. Так, при прочих равных увеличение длины волны ведет к повышению пропускной способности РЛС и одновременно к снижению точности оценки координат.

С учетом фактора разнонаправленности влияния, постановка задачи формирования об­лика РЛС является оптимизационной - необ­ходимо найти компромиссные (рациональ­ные) значения конструктивно-технических параметров ХКТП, обеспечивающие требуемый уровень показателей назначения YПН в рамках объективно-существующих массогабаритных и энергетических ограничений, определяемых используемым шасси, при минимальной стои­мости создаваемого образца РЛС СРЛС:

где Rтр, Ωτρ, Tобз тр - требования назначения (соответственно требования по дальности обнару­жения цели, разрешающей способности, точности оценки параметров целей и времени обзора заданного сектора пространства); Мтр, РСАЭС, Sш -  ограничения, определяемые используемым шасси (соответственно по массе РЛС, мощности САЭС, площади раскрыва антенны); Рпотр - потребляемая локатором мощность.

Задача формирования облика РЛС может быть дополнена за счет учета других требо­ваний и факторов, не формализованных в по­становке (1). В частности, современное тре­бование обеспечения наработки на отказ РЛС в сотни часов однозначно определяет необ­ходимость построения РЛС на базе активной твердотельной ФАР. Кроме повышения эксплу­атационных показателей, применение АФАР, и особенно цифровых АФАР (ЦАФАР), имеет ряд других преимуществ (см. [2, 3]) и обес­печивает эффективное решение задачи обна­ружения и сопровождения целей в сложной воздушной и помеховой обстановке сценариев будущих действий.

В связи с этим, несмотря на относитель­ное удорожание РЛС, для перспективной си­стемы вооружения далее рассматриваются только варианты создания РЛС с АФАР.

Решение оптимизационной задачи (1) требует наличия математических соотношений для расчета показателей назначения Аобн, Ωδ, Тобз, а также показателей конструктивных огра­ничений, определяемых используемым шасси МРЛС, Рпотр, Sa, и показателя стоимости РЛС СРЛС в зависимости от конструктивно-техни­ческих параметров ХКТП. Получим далее такие соотношения, используя в качестве опорной переменной, от которой зависят все показате­ли, используемые в (1), длину волны λ.

 

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСНОВ И БАЗОВЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЛИКА РЛС

1.1. АФАР как основной элемент конструкции РЛС и объект ограничений по возможностям применяемых шасси

Начальным, не формализуемым этапом фор­мирования облика РЛС, предваряющим ре­шение оптимизационной задачи (1), является определение архитектуры построения РЛС и конструктивных ограничений Мтр, РСАЭС, Sш в рамках которых может быть реализован кон­кретный вариант построения РЛС.

С целью определения возможной архи­тектуры построения создаваемых РЛС войско­вой ПВО, во всем интервале длин волн, в кото­ром они должны работать, от сантиметровых до метровых, выполнен анализ построения перспективных (наиболее современных су­ществующих или находящихся в разработке) отечественных и зарубежных РЛС различного назначения с АФАР. Внешний вид некоторых из этих РЛС приведен на рисунке 2.

 

Рис. 2. Перспективные локаторы различных диапазонов: 1 - радиолокационный модуль (РЛМ) высокопотенци­альной РЛСХ-диапазона AN/TPY-2 (США) [4]; 2 - РЛМ высокопотенциальной отечественной РЛСХ-диапазона (вариант построения) [8]; 3 - РЛС С-диапазона LTAMDS перспективного ЗРК Patriot (США) [4]; 4 - РЛС типа «Енисей» [5]; 5 - РЛМ сантиметрового диапазона (модуль РЛМ-С) из состава РЛК 55Ж6М «Небо-М»; 6 - РЛМ дециметрового диапазона (модуль РЛМ-Д) из состава РЛК «Небо-М»; 7 - РЛС метрового диапазона 1Л119 «Небо-СВУ»; 8 - РЛМ метрового диапазона (модуль РЛМ-М) из состава РЛК «Небо-ММ»; 9 - РЛМ метрового диапазона (модуль РЛМ-М) из состава РЛК «Небо-М»

 

Также выполнен анализ колесных и гу­сеничных шасси, удовлетворяющих требова­ниям по мобильности, предъявляемым к пер­спективному вооружению войсковой ПВО, и пригодных для размещения аппаратуры и оборудования РЛС различного назначения. На рисунке 3 в качестве примера показаны типовые средства подвижности максимальной грузоподъемности, обеспечивающие создание мобильных РЛС войсковой ПВО.

 

Рис. 3. Средства подвижности максимальной грузоподъемности для создания мобильного вооружения войсковой ПВО (колесный тягач повышенной проходимости БАЗ-6909 и модифицированное самоходное шасси типа «Объект 830» [6])

 

Анализ показал, что мобильные пер­спективные РЛС на основе АФАР для войско­вой ПВО конструктивно могут включать три основных элемента, размещаемые на едином шасси, - антенный пост, аппаратный контейнер и САЭС. Антенный пост строится на основе АФАР и обеспечивает формирование и излуче­ние сигнала, его прием и первичную обработку сигнала. В антенном посту размещаются также другие устройства, свойственные локаторам, например обеспечивающие госопознавание целей.

В аппаратном контейнере, как правило, размещаются аппаратура и вычислительные средства вторичной и последующей обработки сигнала, аппаратура рабочих мест операторов, в том числе индикаторные устройства, другая аппаратура, обеспечивающая управление ра­ботой РЛС, связь и взаимодействие в составе системы вооружения.

Элементы высокопотенциальной РЛС ввиду повышенных массогабаритных характе­ристик антенной системы могут размещаться на нескольких подвижных шасси и включать, соответственно, несколько отдельных единиц техники, например РЛМ с АФАР, модуль бое­вого управления РЛС (аппаратный контейнер) и модуль энергопитания РЛС.

С учетом развития цифровых технологий построения аппаратуры РЛС их отличительные особенности практически полностью опреде­ляются антенным постом (радиолокационным модулем) и прежде всего - особенностями построения АФАР. Аппаратные контейне­ры различных РЛС в перспективной систе­ме вооружения войсковой ПВО выполняются максимально унифицированными по составу аппаратуры и выполняемым функциям (более подробно - см. [1]).

АФАР антенного поста в значительной мере определяет как показатели назначения РЛС, так и возможность удовлетворения на­кладываемым на создаваемый локатор огра­ничениям: анализ показал, что стоимость РЛС на 60-80 % определяется стоимостью АФАР (в метровом диапазоне, ввиду меньшего коли­чества элементов решетки - в меньшей степени, в сантиметровом - в большей); на АФАР при­ходится 70-80 % всей потребляемой локатором энергии; размеры антенны и время ее свертыва­ния существенно определяют мобильность РЛС.

В связи с этим при решении оптимизаци­онной задачи (1) вариативной частью конструк­ции локатора является АФАР - ее конструктив­но-технические параметры, масса, площадь раскрыва антенны и потребляемая мощность. Аппаратный контейнер является унифициро­ванным, с фиксированными характеристиками для различных вариантов создания локатора.

Конструктивные ограничения для АФАР, необходимые для решения задачи (1), опреде­лим исходя из характеристик перспективных шасси.

Для обеспечения высокой мобильности (требуемого времени свертывания/разверты­вания) антенный пост, аппаратный контейнер, САЭС и другое оборудование РЛС должны раз­мещаться на едином шасси. Исходя из величи­ны максимальной массы мобильных средств ПВО, на перспективном шасси может разме­щаться до 20 т полезной нагрузки. При этом, учитывая потенциальные массогабаритные характеристики аппаратного контейнера и дру­гого оборудования, унифицированного для раз­личных вариантов РЛС, а также аппаратуры антенного поста, масса АФАР ограничена ве­личиной mогр ≈ 8 т.

На едином мобильном шасси, с уче­том массогабаритных характеристик, может размещаться САЭС мощностью до 400 кВт. При этом, с учетом характеристик энергопо­требления других видов аппаратуры и обору­дования РЛС, потребление АФАР ограничива­ется величиной Рогр ≈ 350 кВт.

Анализ конструкций антенных систем перспективных РЛС позволяет сделать вывод, что максимальная площадь раскрыва антенны мобильной РЛС (в метровом диапазоне волн) ограничена величиной Sогр ≈ 130 м2.

1.2. Особенности конструкций АФАР перспективных РЛС

1.2.1. Конструктивная база и примеры реализации АФАР сантиметрового диапазона

Известные отечественные и зарубежные пер­спективные РЛС с АФАР создаются (или со­зданы) в различных областях применения для решения своих специфических задач. Конструкции РЛС выработаны на основе ком­промиссов, связанных с необходимостью обес­печения требуемых значений показателей на­значения и эксплуатационных характеристик, а также упрощения процесса и выдерживания сроков конструирования (см., например, [2, 3, 7-9]). В связи с этим АФАР перспективных РЛС имеют большое разнообразие в части аппаратной реализации, особенно в разных диапазонах длин волн (что отражает даже их внешний вид). Вместе с тем АФАР перспек­тивных РЛС имеют одинаковые конструктив­ные основы.

Общие основы построения АФАР пер­спективных РЛС рассмотрим на примере АФАР сантиметрового диапазона волн.

В этом диапазоне волн к конструкции АФАР предъявляются наиболее жесткие массогабаритные требования. Жесткость тре­бований обусловлена тем, что для исключения побочных направлений излучения излучаю­щие элементы антенны должны располагаться на расстояниях друг от друга, не превышаю­щих приблизительно 0,6 длины волны. Соот­ветственно, при малых длинах волн требуется весьма плотная компоновка приемо-передаю- щих каналов (ППК) антенной решетки. (Под ППК поднимется излучатель и подключенные к нему через переключатель (циркулятор) вы­сокочастотные элементы передающего и при­емного трактов.)

Так, при длине волны 3 см на каждый ППК АФАР в поперечном сечении приходит­ся около 3 см2 полотна антенны (при гекса­гональном размещении элементов). На этой площади размещается излучающий элемент решетки, и далее, в глубину антенного полот­на, - связанные с ним элементы ППК. В связи с большим количеством ППК, размещаемых на полотне решетки (десятки тысяч), и срав­нительно невысоким коэффициентом полез­ного действия (КПД) твердотельных усили­телей мощности передающих каналов (по сравнению с электровакуумными приборами пассивных ФАР) вследствие плотной компо­новки полотна одной из основных конструк­тивных проблем построения решеток с ма­лым шагом является отвод тепла от элементов передающего канала.

Проблема обеспечения плотной компо­новки полотна перспективных АФАР решается путем миниатюризации ППК за счет создания основных элементов ППК (усилителей мощности передающего канала (УМ), малошумящих усилителей приемного канала (МШУ), фа­зовращателей (ФВ) и аттенюаторов (АТТ) ка­налов, защитных устройств приемного канала (ЗУ) и др. - см. рисунок 4) с использованием микроволновых монолитных интегральных схем (МИС), выполненных по бескорпусной технологии.

 

 

Рис. 4. Простейшая функциональная схема ППК и 4-канальный ППМ (отдельно выделен усилитель мощности передающего канала)

 

В качестве материала для изготовления твердотельных активных элементов ППК ис­пользуется в основном арсенид галлия (GaAs) или более перспективный материал - нитрид галлия (GaN).

Плата с элементами ППК выполняется обычно по LTCC-технологии (Low Temperature Co-Fired Ceramic - технология низкотемпера­турной совместно обжигаемой керамики). Эта технология при сравнительно невысокой сто­имости изготовления обеспечивает высокую прочность платы, хорошую теплопроводность и одновременно многослойность для разме­щения элементов ППК и создания пассивных элементов.

Несколько ППК, построенных на основе бескорпусных МИС, объединяются в одном ме­таллическом корпусе в виде многоканального приемо-передающего модуля (ППМ). В этом же корпусе размещаются общие для нескольких ППК устройства электропитания (преобразо­ватели напряжения DC/DC), схемы синхрони­зации, цифрового управления фазой и амплиту­дой каналов, а в металлическом основании модуля размещаются трубки системы жид­костного охлаждения для отвода выделяюще­гося тепла. На рисунке 4 в качестве примера показан ППМ, включающий элементы четырех ППК (за исключением излучателей) и различ­ные общеканальные устройства.

ППМ является первичным конструктив­ным сменным элементом АФАР.

Несколько ППМ конструктивно и функ­ционально объединяются в блок подрешетки АФАР.

Блок подрешетки является функциональ­но законченной единицей АФАР (самостоя­тельной мини-АФАР) с собственными систе­мами управления, электропитания (AC/DC) и охлаждения. В ЦАФАР, кроме этого, в блоке подрешетки может выполняться преобразова­ние принятого сигнала в цифровой вид.

Блок подрешетки может использовать­ся в качестве базового элемента для создания АФАР различных размеров и конфигурации для РЛС различного назначения (т.н. техноло­гия масштабирования АФАР [4]).

Фактически вся АФАР перспективной РЛС сантиметрового диапазона волн со­стоит из определенного количества блоков подрешеток, размещенных в несущем кар­касе антенного полотна, а также формиро­вателя диаграммы направленности (устрой­ства объединения сигналов подрешеток), устройств управления и синхронизации ра­боты подрешеток, устройств электропитания и охлаждения решетки.

При таком построении перспективных АФАР их характеристики в конечном итоге определяются характеристиками и количе­ством ППК, в основном - мощностью и КПД усилителя мощности передающего канала, ко­эффициентом шума МШУ приемного канала, массогабаритными характеристиками и стои­мостью ППК.

Представительным примером РЛС Х-диапазона, в которой реализованы описан­ные принципы построения АФАР, является мо­бильная (буксируемая) РЛС AN/TPY-2 с АФАР Х-диапазона системы противоракетной оборо­ны (ПРО) США.

РЛС AN/TPY-2 является высокопотенци­альным локатором - максимальная дальность обнаружения ею цели с ЭПР 0.01 м2 оценива­ется в 870 км (при длительности сигнала 0,1 с) [4]. В состав этой РЛС входят 4 основные еди­ницы: антенный модуль с АФАР, электронный модуль, охлаждающее устройство для АФАР (кулер) и источник электроэнергии мощностью 1300 кВт, напряжением 4160 В (3×60 Гц).

Антенный модуль представляет собой АФАР (рис. 2, 5) площадью 9,2 м2, построен­ную из 72 одинаковых блоков подрешеток, всего 25 344 канала. Средняя мощность из­лучения АФАР равна 81 кВт (средняя мощ­ность излучения одного передающего кана­ла - 3,2 Вт). ППК АФАР выполнены в виде твердотельных МИС на GaAs.

 

 

Рис. 5. Архитектура АФАР AN/TPY-2. Выделены блок подрешетки и один ППМ

 

Стоимость антенного модуля - 140 млн долл., масса - 24 т.

Электронный модуль формирует управ­ляющие сигналы, выполняет обработку при­нятых сигналов, задает порядок работы АФАР при обзоре и сопровождении целей, форми­рует передающие сигналы, взаимодействует с системой управления комплекса ПРО. Сто­имость электронного модуля - 23 млн долл., масса - 16,4 т.

Кулер и источник электроэнергии име­ют стоимости, соответственно, 7,5 и 15,5 млн долл. и массы - 18,6 и 28,6 т.

В настоящее время реализуется програм­ма последовательной модернизации всех 12 имеющихся на вооружении Армии США РЛС AN/TPY-2 с заменой ППК на новые, выпол­ненные на основе GaN. Ориентировочная сто­имость модернизации одной РЛС составляет 63,0 млн долл. Модернизация позволит значи­тельно (предположительно на десятки процен­тов) повысить мощность излучения при преж­нем уровне энергопотребления РЛС.

Каждая из 72 подрешеток (Transmit/Re­ceive element assembly - T/REA) АФАР AN/TPY- 2 состоит из 11 ППМ (Transmit/Receive (T/R) module). Каждый ППМ состоит из двух плат- субмодулей, включающих по 16 ППК. Два суб­модуля, смонтированные зеркально на едином металлическом основании, конструктивно со­ставляют единый 32-канальный ППМ. В со­став ППМ кроме 32 ППК входят 8 преобразо­вателей напряжения DC/DC, 4 микросхемы контроллера системы управления и 2 - фор­мирования луча.

Основание ППМ служит для крепления субмодулей и одновременно выполняет роль радиатора с целью отвода выделяющегося теп­ла, для чего здесь расположены трубки с охла­ждающей жидкостью.

Субмодули монтируются на основании со смещением по вертикали на четверть длины волны друг относительно друга для образова­ния гексагональной антенной решетки.

В состав каждого блока подрешетки (T/REA) кроме 11 32-канальных ППМ входит блок из 352 излучателей, соединенных с соот­ветствующими приемо-передающими кана­лами, а также 2 модуля управления работой подрешетки (SAM) и 2 преобразователя напря­жения AC/DC.

В результате блок подрешетки представ­ляет собой плотно упакованный функциональ­но законченный элемент АФАР, являющийся основным сменным элементом при оперативном ремонте.

В состав АФАР кроме 72 блоков подрешеток входят также блоки управления подрешетками и преобразования входного напряже­ния (4160/150 В).

Схожее с локатором AN/TPY-2 конструк­тивное построение имеет и разрабатываемая отечественная перспективная мобильная РЛС с АФАР Х-диапазона, описанная в статьях [8-11] (возможный внешний вид приведен на рисунке 2). Ее АФАР состоит из 128 бло­ков подрешеток, размещенных на полотне в 16 столбцов и 8 строк.

Блок подрешетки представляет собой 256-канальную антенную систему. В его со­став входят восемь 32-канальных ППМ, блок излучателей с укрытием, модуль суммирования и деления, модуль распределения, модуль уси­ления, кабели, электро- и гидроразъемы (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Структура блока подрешетки АФАР отечественной перспективной мобильной РЛС: внешний вид блока подрешетки; схема одного ППМ (3 ВУМ и 2 ВИП не показаны для демонстрации трубки охлаждения); излучающий элемент

 

Каждый ППМ состоит из двух субмоду­лей, размещенных со сдвигом каналов на об­щем металлическом основании (сплав Al-Li). Внутри основания ППМ под выходными усилителями мощности (ВУМ) каналов и вто­ричными источниками питания (ВИП) прохо­дит плоская медная трубка с циркулирующей охлаждающей жидкостью, обеспечивающая отбор тепла обоих субмодулей. Трубки жид­костного охлаждения отдельных ППМ гидрав­лически объединены между собой в пределах конструкции блока подрешетки. Субмодуль включает 16 ППК, 4 ВИП, модуль управления фазовращателями и аттенюаторами и модуль суммирования сигналов.

Излучающий элемент каждого ППК вы­полнен в виде цилиндрического ферритового стержня, охваченного разнополярными посто­янными магнитами.

Общее тепловыделение всех ППМ АФАР составляет сотни киловатт. Для отбора тако­го количества тепла и отвода его в атмосфе­ру в каждом столбце АФАР (на каждые 8 бло­ков подрешеток) имеется специальный прибор жидкостного охлаждения (ПЖО), содержащий теплотехническое оборудование (насос, тепло­обменники, вентиляторы и др.) и электронные блоки [12].

В состав РЛМ кроме АФАР и 16 ПЖО входят блоки пространственно-временной обработки, управления и команд, синхрони­зации и контроля, управляющий компьютер и технологическое рабочее место [8, 11].

1.2.2. Особенности АФАР дециметровых и метровых диапазонов волн

АФАР перспективных РЛС децимет­ровых и метровых диапазонов волн, так же как и АФАР сантиметрового диапазона, стро­ятся на основе ППМ, созданных по технологи­ям МИС на материалах GaAs или GaN.

Отличительными особенностями АФАР дециметровых и метровых диапазонов волн является увеличение расстояний между излу­чающими элементами в конструкции АФАР и, соответственно, уменьшение количества ППК в составе ППМ. Так, например, в разра­батываемой АФАР S-диапазона перспективной МФРЛС AN/SPY-6( V) корабля ПРО Aegis BMD (США) в составе блока подрешетки использу­ются 6-канальные ППМ (по два 3-канальных субмодуля в каждом ППМ), расстояния между каналами составляют ~ 0,06 м (рис. 7).

 

Рис. 7. МФРЛС AN/SPY-6(V): вид одной грани МФРЛС (всего четыре грани); несущий каркас АФАР для разме­щения блоков подрешеток; один блок подрешетки (24 ППМ, один 6-канальный ППМ выдвинут)

 

По мере увеличения длины волны в пер­спективных РЛС количество ППК в составе ППМ уменьшается. В длинноволновой части дециметрового диапазона и в метровом диапа­зоне волн ППМ АФАР выполняются однока­нальными.

С увеличением длины волны также сни­жается величина удельного тепловыделения на единицу поверхности АФАР, что позво­ляет в коротковолновой части дециметрово­го диапазона вместо жидкостного применять принудительное воздушное охлаждение ППМ, а в длинноволновой части дециметрового диапазона и в метровом диапазоне волн - есте­ственное воздушное охлаждение.

Так, в АФАР VHF-диапазона модуля РЛ- М-М из состава РЛК «Небо-М» ППМ и ис­точники питания к ним расположены возле каждого излучающего элемента, имеют есте­ственное воздушное охлаждение и объединены в единый конструктивный элемент - столбец (рис. 8).

 

Рис. 8. Конструктивные элементы АФАР больших длин волн: 4-канальный ППМ L-диапазона (принудительное воздушное охлаждение); одноканальный ППМ VHF-диапазона (естественное воздушное охлаждение); элементы столбца АФАР РЛМ-М из состава РЛК «Небо-М»

 

Другой особенностью АФАР длинновол­новой части дециметрового и метрового диапа­зонов волн является переход от гексагональной структуры размещения ППК на полотне антен­ны к размещению по прямоугольной сетке. Это обусловлено тем, что в настоящее время не су­ществует достаточно надежных технологий свертывания конструкции большеразмерных антенн с гексагональной структурой.

Выполненный анализ построения пер­спективных АФАР различных диапазонов волн позволяет сделать вывод, что особенности и характеристики АФАР различных диапазо­нов волн определяются главным образом ха­рактеристиками и количеством ППК. В свою очередь, характеристики и возможное количе­ство ППК АФАР зависят от используемой дли­ны волны и ограничений по грузоподъемности шасси. Определим эти зависимости.

1.3. Определение зависимости характеристик АФАР от длины волны

Базовыми характеристиками, на основе кото­рых выполняются все последующие расчеты для АФАР создаваемых РЛС войсковой ПВО, являются: Рк - средняя мощность излучения одного канала АФАР, mк - приведенная масса канала, Ск - приведенная относительная сто­имость канала, η - КПД АФАР.

Для этих характеристик получены за­висимости Рк(λ), mк(λ), Ск(λ), η(λ) при изме­нении длины волны в диапазоне 0,03-1 м. Перечисленные зависимости в виде сред­них значений и границ диапазона измене­ния (с вероятностью 90 %) представлены на рисунке 9.

 

Рис. 9. Зависимости Рк(λ), mк(λ), Ск(λ), η(λ), характеризующие технологические возможности создания АФАР перспективных РЛС войсковой ПВО

 

Зависимости получены на основе ана­лиза имеющихся данных по конструктивным характеристикам 12-ти отечественных и зару­бежных перспективных РЛС различных диапазонов волн. Кроме этого, при получении этих зависимостей учитывались данные по отече­ственной элементной базе, которая доступ­на (по ценовым параметрам и срокам создания) и может быть использована при создании АФАР перспективных РЛС войсковой ПВО.

Средняя мощность излучения ка­нала Рк определяется характеристиками выходного усилителя мощности и особенно­стями его построения (например, применением LDMOS-технологии [13]), характеристиками и количеством каскадов предварительного уси­ления, используемым материалом (GaAs, GaN).

Полученная зависимость Рк(λ) является монотонно-возрастающей. Так, в Х-диапазоне волн элементная база, доступная для серий­ного производства ППК АФАР перспектив­ных РЛС войсковой ПВО, позволяет создавать АФАР со значениями средней мощности из­лучения одного канала Рк = 2-9 Вт. С ростом длины волны значение средней мощности канала Рк существенно возрастает. В метровом диапазоне обеспечиваются значения Рк = 140­220 Вт и более.

Показатели mк и Ск являются показате­лями полной массы и стоимости АФАР, приве­денными (в долевом отношении) к одному ка­налу. При их определении учитывалась только аппаратура АФАР (в том числе и аппаратура системы охлаждения). Аппаратура радиолока­ционного модуля, не входящая в состав АФАР, для разрабатываемого вооружения войсковой ПВО считается максимально унифицированной для различных длин волн (см. [1]), а масса и сто­имость этой аппаратуры (в рамках решаемой задачи формирования предварительного облика РЛС) - не зависящими от диапазона волн.

Так, приведенная масса канала mк пред­ставляет собой величину массы АФАР, прихо­дящейся на один ППК. При этом учитывается масса собственно одного ППМ, а также масса общеканальных модулей блока подрешетки и его каркаса, масса аппаратуры объединения сигналов подрешеток, преобразователей пи­тающего напряжения, системы охлаждения и другой общей аппаратуры АФАР, приходя­щаяся на один ППМ.

Полученная зависимость mк(λ) является монотонно возрастающей с двумя скачками снижения на ~15 и ~5 % в L и UHF-диапазонах волн, связанными с изменением типа системы охлаждения - с переходом, соответственно, от жидкостного на принудительное воздушное охлаждение и затем на естественное воздуш­ное охлаждение. Для определенности последу­ющих расчетов принято, что скачки функции mк(λ) происходят, соответственно, на длинах волн 0,23 и 0,7 м. (Значения длин волн, на кото­рых возможен переход от одного типа системы охлаждения к другому, могут быть и другими, в зависимости от наличия соответствующих технологий.) Среднее значение функции mк(λ) изменяется от 0,6 до 13 кг.

Стоимость на этапе формирования об­лика является наиболее сложноопределяемым показателем создаваемой РЛС. Абсолютные значения стоимости зависят как от собствен­но технологических факторов создания РЛС, так и от производственных и других внеш­них факторов. Например, стоимость РЛС AN/TPY-2 в разные годы производства изменя­лась до 20 % (в зависимости от цены комплек­тующих, освоения технологий и наличия вло­жений в развитие производства) [4].

Постановка задачи формирования облика РЛС (1) в виде задачи минимизации стоимости позволяет исключить необходимость оценки абсолютных величин стоимости и учитывать только изменение стоимости АФАР (при из­менении λ), обусловленное технологическими факторами, относительно некоторого базового уровня. В качестве такой начальной точки от­счета, относительно которой оценивается стои­мость вариантов АФАР различных диапазонов волн, принята стоимость АФАР 3-сантиметро­вого диапазона. Особенности построения АФАР этого класса подробно рассмотрены выше.

Факторами, повышающими стоимость ППК в сантиметровом и коротковолновой ча­сти дециметрового диапазонов волн, являются затраты на системы жидкостного и принудительного воздушного охлаждения ППК АФАР. Вместе с тем анализ показал, что приведенная относительная стоимость ППК имеет тенден­цию роста с увеличением длины волны, что обу­словлено удорожанием усилительных элементов МИС, вторичных источников питания, а также введением АЦП в состав ППМ [14].

КПД АФАР η, определяемый как от­ношение средней излучаемой к средней по­требляемой мощности АФАР, зависит от КПД и количества каскадов усиления мощности передающего канала, КПД источников питания (преобразователей напряжения) ППМ, блока подрешетки и всей АФАР и на порядок менее значимо - от КПД пассивных элементов канала передачи (аттенюаторов и фазовращателей), а также уровнем потребления электроэнергии другой аппаратурой АФАР. В связи с длинной цепью преобразований энергии и сравнитель­но невысоким КПД твердотельной излучаю­щей элементной базы (по сравнению с элек­тровакуумной) КПД твердотельных АФАР невысок, особенно на малых длинах волн. Так, КПД АФАР РЛС AN/TPY-2 разработки начала 2000-х годов составляет около 8 %.

Для твердотельной элементной базы, до­ступной для создания АФАР перспективной РЛС войсковой ПВО, КПД усилителей мощ­ности характеризуется значениями от 25-40 % в сантиметровом диапазоне до 50-65 % в мет­ровом диапазоне волн, при этом наибольшие значения КПД возможны при использова­нии GaN-материалов (см., например, патенты [15-17]). Соответственно, КПД АФАР по па­раметру λ монотонно возрастает от 11-20 % в Х-диапазоне до 30-50 % в UHF, VHF диапа­зонах волн.

Полученные зависимости Рк(λ), mк(λ), Ск(λ), η(λ) при появлении новых данных могут уточняться в части своих абсолютных значе­ний. Однако выявленные общие тенденции, основанные на анализе конструктивных осо­бенностей перспективных АФАР, останутся неизменными - это опережающий рост мощ­ности излучения одного канала с увеличени­ем длины волны λ при одновременном росте КПД АФАР против не столь значимого увели­чения приведенной массы и стоимости кана­ла. Эти тенденции позволяют сделать вывод о потенциальной предпочтительности длинно­волнового диапазона волн перспективных РЛС по показателю мощности излучения.

На основе зависимостей Рк(λ), mк(λ), Ск(λ), η(λ) с учетом массогабаритных ограни­чений по шасси могут быть выполнены расче­ты предельного количества ППК в составе создаваемой АФАР, предельных размеров плотна АФАР и предельной излучаемой мощности.

Предельное количество ППК nк в составе АФАР с учетом ограничений АФАР по массе mогр равно nк = mогр/mк

Зависимость предельного количества ППК nк(λ), рассчитанная исходя из ранее по­лученного ограничения по массе АФАР пер­спективной РЛС mогр = 8 т, приведена на ри­сунке 10.

 

Рис. 10. Предельное количество ППК в составе АФАР при тогр = 8 т

 

Площадь раскрыва антенны зависит от характера размещения элементов.

При размещении элементов в углах квадратов или равносторонних треугольни­ков (квадратная или гексагональная структу­ра решетки) площадь, приходящаяся на один излучающий элемент, вычисляется (см. [18]), соответственно, по формулам

где θмах - предельный угол отклонения луча от нормали в вертикальной (горизонтальной) плоскости, определяемый условием единствен­ности луча.

Гексагональная структура является более предпочтительной с позиций минимизации ко­личества элементов, приходящихся на единицу площади для обеспечения требуемого значения θмах. Однако такая структура неудобна при созда­нии складных (свертываемых) антенных решеток.

График зависимости площади АФАР, при­ходящейся на один канал, от длины волны при­веден на рисунке 11. При построении графика принято, что в диапазоне длин волн λ < 0,5 м используется гексагональная структура решет­ки, а при λ ≥ 0,5 м - квадратная, θмах = 45°.

 

 

Рис. 11. Площадь АФАР, приходящаяся на один канал

 

Площадь раскрыва антенны определя­ется как произведение количества ППК nк и площади, приходящейся на один канал Sк. С учетом ограничения на величину раскрыва антенны Sогр предельная площадь раскры- ва антенны Sа определяется как наименьшее из двух величин:

Sа = min{nкSк; Sогр},

где Sк принимает значение Sтр, или Sкв в зависи­мости от структуры решетки.

На рисунке 12 приведен график зависи­мости предельной площади раскрыва АФАР Sа(λ), рассчитанный с учетом ограничений по массе (mогр = 8 т) и по максимальной пло­щади антенны (Sогр = 130 м2), размещаемой на мобильном шасси.

 

 

Рис. 12. Предельная площадь раскрыва антенны

 

Скачки функции Sа(λ) на рисунке 10 в точках λ = 0,23 и 0,7 м обусловлены изме­нением типа охлаждения ППК, а в точке λ = 0,5 м - изменением структуры решетки.

Для использования зависимости nк(λ) в дальнейших вычислениях ее необходимо пересчитать с учетом влияния на количество ППК ограничений по размеру антенны Sогр:

nк(λ) = Sа(λ)/Sк(λ).

Предельная средняя мощность излуче­ния АФАР Ра определяется произведением ко­личества ППК nк и средней мощности одного канала Рк с учетом ограничения на потребля­емую мощность:

Ра = min{nкРк; Рогрη}.

На рисунке 13 приведен график измене­ния предельной мощности излучения АФАР с учетом ограничения Рогр = 350 кВт по мощно­сти САЭС, применяемой на мобильном шасси.

 

 

Наличие функции предельного количе­ства ППК nκ(λ) позволяет оценить изменение максимальной стоимости АФАР в зависи­мости от длины волны. Относительная мак­симальная стоимость АФАР (относительно стоимости базовой АФАР с длиной волны λб = 0,03 м) равна

График относительной максимальной стоимости АФАР приведен на рисунке 14.

 

 

Рис. 14. Относительная максимальная стоимость АФАР

 

Из графика Са(λ) следует, что с увеличе­нием длины волны λ, несмотря на рост относи­тельной стоимости канала Ск, благодаря опере­жающим темпам снижения количества ППК происходит существенное удешевление АФАР.

Монотонный в целом характер снижения функ­ции Са(λ) позволяет сделать вывод, что решение оптимизационной задачи (1) в случае наличия нескольких альтернатив, удовлетворяющих за­данным требованиям, находится в области бо­лее высоких значений длины волны.

Рассмотренных характеристик достаточ­но для вычисления показателей назначения, используемых в постановке задачи формиро­вания облика РЛС (1). Другие характеристи­ки АФАР (например, коэффициент шума kш) не имеют существенной зависимости от длины волны λ, значимой в рамках решения задачи предварительного формирования облика РЛС.

Дальнейший порядок решения задачи (1) основывается на вычислении показателей назначения РЛС в зависимости от длины вол­ны и сопоставлении полученных результатов с требуемыми. Для наглядности порядок дей­ствий рассмотрим с одновременным выпол­нением числовых расчетов применительно к решению задачи формирования облика РЛС СО, размещаемой на командном пункте ЗРС дальнего действия (см. [1]), отмечая попутно особенности расчетов для других типов РЛС.

2. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАЗНАЧЕНИЯ РЛС С УЧЕТОМ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ ЕЕ ОБЛИК

2.1. Оценка дальности действия РЛС

Дальность действия РЛС различного типа определяется произведением

RРЛС = R0 Кп.атм Кинт,                                      (2)

где R0 - дальность действия РЛС в свободном пространстве (без учета влияния земной по­верхности и затухания сигнала в атмосфере); Кп.атм, Кинт - соответственно коэффициент по­терь энергии сигнала при распространении в атмосфере и интерференционный множи­тель земли.

Дальность действия РЛС в свободном пространстве по цели с эффективной площа­дью рассеивания (ЭПР) σц при согласованной обработке сигнала определяется формулой  

где Gпер = ρ(4πSа2) - коэффициент усиле­ния антенны на передачу; τс - длительность сигнала (одиночного или пачки когерентных импульсов); 0 - произведение постоянной Больцмана на шумовую температуру антенны; kш - коэффициент шума приемного устрой­ства; kр - коэффициент различения (заданное отношение «сигнал/шум»); kп - коэффициент суммарных потерь сигнала в РЛС при излуче­нии и приеме; ρ - коэффициент использования раскрыва.

Показатели Ра, Sа, Gпер являются функ­циями длины волны λ. Предельные значения Ра(λ), Sа(λ), рассчитанные с учетом ограниче­ний по шасси, определены выше. Показатель Gпер вычисляется по формуле

Gпер = ρ(4πSа2)

Параметры 0, kш, kп для создаваемой РЛС СО, исходя из анализа особенностей ее построения, принимаются равными: 0 = 4×10-21 (Втхс), kш = 2,5 дБ; kп = 8 дБ.

Коэффициент различения связан с веро­ятностями ложной тревоги F и правильного обнаружения D:

Значения F, D выбираются, в том числе, с учетом анализа пропускной способности РЛС (см. ниже). Для создаваемой РЛС CO при­нято kр = 13 дБ, что соответствует выделению сигнала на фоне шумов с вероятностью лож­ной тревоги F = 10-6 при вероятности правиль­ного обнаружения D ≈ 0,52.

Формула (3) позволяет определить на­клонную дальность действия РЛС по цели, на­блюдаемой под углом 0 относительно нормали к полотну ФАР. В зависимости от значения это­го угла значение коэффициента ρ вычисляется по формуле:

ρ = ρ0cosθ,

где ρ0 - значение коэффициента использова­ния раскрыва антенны при работе по нормали.

Для РЛС CO принято ρ0 = 0,7, предельное значение θ равно 45°.

Показатели τс, σц зависят от назначе­ния РЛС. Для определенности будем считать, что основным назначением РЛС СО является обнаружение баллистических целей на дальностях Rтр = 300 км и более. Целями являют­ся баллистические ракеты малой дальности и боеголовки ракет средней дальности. ЭПР целей в общем случае является функцией дли­ны волны. Для БЦ рассматриваемого класса используем зависимость σц(λ), приведенную на рисунке 15 [4].

 

Рис. 15. Эффективная площадь рассеивания БЦ

 

Для обнаружения малоразмерных целей типа БЦ на больших дальностях необходимо увеличивать энергию сигнала, в том числе увели­чивая его длительность. Однако увеличение дли­тельности сигнала ограничено возможностью его когерентной обработки, а также допустимым временем стояния луча в одном угловом поло­жении для обеспечения высокой пропускной способности РЛС. Из этих соображений для со­здаваемой РЛС СО принято τс = 1 мс.

Результаты расчетов дальности действия РЛС СО R0 в зависимости от длины волны при выбранных значениях конструктивно-тех­нических параметров приведены на рисунке 16.

Коэффициент потерь энергии сигнала при распространении в атмосфере Кп.атм опре­деляется известным соотношением [19-22]:

Кп.атм = ехр{–0,115βзат2Rп},                                   (4)

где βзат - коэффициент, характеризующий удельное затухание (в децибелах на километр) при распространении радиоволн в атмосфере в одном направлении; Rп - длина пути радио­волн при прохождении атмосферы в одном направлении (удвоение пути соответствует прохождению радиоволны в прямом и обрат­ном направлениях).

Коэффициент затухания βзат как функ­ция длины волны является известной величи­ной. В диапазоне длин волн от сантиметровых до дециметровых коэффициент βзат монотонно снижается, а при λ ≥ 0,5 м принимается рав­ным нулю.

Вычислить длину пути радиоволн в ат­мосфере можно, задавшись толщиной атмо­сферы Натм и зная угол места цели ε.

Можно показать, что для шарообразной модели Земли радиуса Rз, покрытой равномер­ным слоем атмосферы толщиной Натм, длина пути в одном направлении выражается формулой

Более 80 % всей массы атмосферного воздуха сосредоточено в тропосфере. Толщина слоя тропосферы зависит от географической широты. В умеренных широтах она состав­ляет 10-12 км. Исходя из этого, примем тол­щину атмосферы в умеренных широтах равной Натм ~ 12 км.

Графики зависимости длины пути от угла места цели и коэффициента потерь от длины волны для некоторых углов места цели, рас­считанные соответственно по формулам (5) и (4) для умеренных широт, приведены на ри­сунке 17.

Дальность действия РЛС с учетом по­терь энергии сигнала в атмосфере определим как произведение

R0п.атм = R0Кп.атм.

Для рассматриваемой РЛС CO графики дальности действия R0п.атм(λ) на направлении нормали АФАР (0 = 0°) для различных углов места нормали приведены на рисунке 18.

Для РЛС CO характерна работа с больши­ми углами места нормали АФАР (не менее 20°). При этом, как видно из рисунка 18, поте­ри энергии сигнала в атмосфере незначитель­но сказываются на дальности действия РЛС.

При малых углах места нормали АФАР (единицы градусов), что характерно для РЛС НЛЦ, влияние затухания сигнала в атмосфере существенно влияет на дальность действия, особенно в X, C, S-диапазонах волн.

Кроме влияния атмосферы, на малых углах места, сравнимых с шириной луча, на дальность действия РЛС оказывает влия­ние интерференция прямой волны и волны, отраженной от поверхности Земли. Это влияние может быть учтено с помощью интерференци­онного множителя земли Кинт рассчитываемо­го по формуле [19-22]

где Нант - высота фазового центра антенной решетки; ε - угол места цели; р - коэффици­ент отражения волн, р ∈ [0, 1]; φ - изменение фазы волны при отражении от поверхности земли, φ ∈ [0, π].

Влияние интерференции волн наибо­лее существенно для РЛС НЛЦ, которые ра­ботают на малых углах места, и особенно - при больших длинах волн. Для РЛС СО это влияние зависит от характера траектории БЦ.

Для оценки особенностей работы РЛС СО по БЦ, имеющим различные траектории, выполнено построение зон действия двух РЛС СО (работающих, соответственно, на длинах волн λ = 0,77 и 0,03 м) и двух траекторий БЦ (БРСД с дальностями полета, соответственно, Lп = 1000 и 3500 км) в вертикальной плоско­сти, проходящей через нормаль РЛС (рис. 19).

 

 

Рис. 19. Сечения зон действия двух вариантов РЛС СО (с λ = 0,03 и 0,77 м) и траектории двух целей класса БРСД

 

Зоны действия рассчитаны по формуле (2) в угломестном секторе 0,3-75° при угле места нормали 45°; параметры интерферен­ционного множителя земли приняты равными р = 1, φ = π.

Траектории целей построены для случая полета по оптимальной программе (на макси­мальную дальность). Для расчетов использо­вались модели, приведенные в [4].

РЛС, работающая на длине волны 0,77 м, имеет максимальную дальность дей­ствия ~400 км. Для 3-сантиметровой РЛС дальность действия существенно меньше (не более ~190 км), к тому же велики поте­ри сигнала при малых углах места (однако, как будет показано далее, достигается высо­кое разрешение целей).

Из рисунка 19 видно, что при полете БРСД по оптимальной программе углы вхо­да целей в зоны действия РЛС СО находятся в пределах 45-60°. Согласованно с этим углы места нормалей антенн приняты равными 45°.

В нижней части зоны дальность дей­ствия снижается ввиду потерь энергии сигна­ла и уменьшения коэффициента использова­ния раскрыва антенны. На λ = 0,77 м ширина луча в нижней части зоны составляет ~10°, при этом в пределах луча, направленного вдоль земли, имеются значительные интерферен­ционные лепестки. За счет интерференцион­ных лепестков возможно обнаружение БЦ ма­лой дальности (на дальностях до 500-700 км) на восходящем участке траектории (в барьер­ной зоне) с последующей пролонгацией их движения.

Для последующих вычислений пропуск­ной способности создаваемой РЛС оценены скорости входа целей в зону действия РЛС. На дальности 300 км они составили ~2,4 км/с для БЦ с Lп = 1000 км и ~5 км/с для БЦ с Lп = 3500 км.

Проведенные расчеты дополняются трех­мерным представлением зон действия РЛС СО и траекторий целей, действующих с раз­личных азимутальных направлений (рис. 20). Зоны действия РЛС построены по формулам и на основе исходных данных, приведенных выше. Ширина азимутального сектора каждой РЛС СО принята равной 90°. Траектории це­лей построены с использованием моделей [4].

 

 

Рис. 20. Трехмерное представление зон действия двух РЛС СО по двум целям класса БРСД

 

В целом приведенные формулы и поря­док их применения позволяют оценить соответ­ствие возможных вариантов РЛС, работающих на различных длинах волн, предъявляемым требованиям по дальности действия.

Применительно к рассматриваемой РЛС CO при требуемой дальности действия Rтр = 300 км решение задачи (1) находится в диапа­зоне длин волн от λ = 0,25-1 м с предпочтени­ем (по критерию минимума стоимости) более длинным волнам.

Oкончaτельный выбор варианта РЛС мо­жет быть сделан по результатам оценки разре­шающей способности, точности и пропускной способности РЛС.

 

2.2. Расчет разрешающей способности и точности оценки параметров цели

Разрешающая способность РЛС оценивается по следующим формулам [19]:

  • по угловым координатам (по углу ме­ста ε или азимуту β, в общем случае - по углу Θ) при использовании антенны на передачу и прием [19, с. 283]:

где La - линейный размер раскрыва антенны в плоскости рассматриваемого угла; Θ - ве­личина углового отклонения направления при­ема сигнала от нормали;

  • по дальности:

ΔR = с/(2 · Δf)

где с - скорость света; Δf- полоса сигнала;

  • по радиальной скорости:

ΔV = λ/(2 · τс).

Для привязки показателя разрешающей способности РЛС по дальности к длине волны перепишем его в виде

ΔR = λ/(2 · kf),

где kf = Δf/fс - отношение полосы пропуска­ния приемника к несущей частоте сигнала. Для перспективных РЛС коэффициент kf лежит в диапазоне kf = 0,05-0,1.

Точность измерения параметра цели (среднеквадратичное отклонение) прямо про­порционально разрешающей способности РЛС по этому параметру и обратно пропорциональ­но корню из величины отношения «сигнал/ шум» (q), при которой производится измерение, с некоторым коэффициентом пропорциональ­ности, зависящим от особенностей обработки сигнала. Для оценки потенциальной точности измерения угловой координаты, дальности и ра­диальной скорости цели соответственно могут использоваться формулы [19, с. 328, 331]:

Oτношение «сигнал/шум» с учетом по­терь сигнала в атмосфере может быть опреде­лено из формул (2), (3):

q = q0 · Кп.атм4,

где  -  отношение   «сиг­нал/шум» без учета влияния атмосферы.

Применительно к рассматриваемой РЛС CO графики зависимости максималь­но возможной величины q от длины волны λ на направлении нормали АФАР на дальности Rтр для различных углов места нормали при­ведены на рисунке 21.

Результаты расчета показателей разреша­ющей способности и точности оценки пара­метров цели приведены на рисунке 22.

Показатели разрешающей способности РЛС CO по угловым координатам и точность оценки угловых координат рассчитаны на направлении нормали (угол Θ = 0°). Раз­мер раскрыва антенны определен исходя из ее площади: La = Sa1/2. Разрешающая способность РЛС CO по дальности оценена исходя из зна­чения коэффициента kf = 0,05.

Следует обратить внимание на слабую зависимость точности оценки параметров цели от длины волны (при создании АФАР макси­мальной массы, значение которой ограничено грузоподъемностью шасси, и фиксированных значениях параметров сигнала). Такое поведе­ние показателей точности определяется уве­личением отношения сигнал/шум с ростом длины волны вследствие выявленной ранее тенденции роста отношения «средняя мощ­ность ППК/масса ППК».

Необходимо отметить, что рассчитанные показатели разрешающей способности и точно­сти оценки параметров цели являются предель­но-достижимыми. На практике следует ожидать худших значений, однако тенденция зависимо­сти показателей от длины волны сохранится.

2.3. Оценка пропускной способности РЛС

Пропускная способность РЛС определяет­ся временем обзора заданного сектора про­странства. Размер осматриваемого сектора равен произведению угломестного и азиму­тального центральных углов ΔΕ×ΔΒ. Количе­ство угловых положений луча в секторе обзо­ра с коэффициентом перекрытия лучей Кпер.л можно оценить по формуле

Nл = ΔE · ΔB/(Δε · Δβ · Кпер.л2),

где Δε, Δβ - разрешение РЛС соответственно по углу места и азимуту (определяется по фор­муле (6)).

Чистое время обзора сектора (при отсут­ствии задержек обзора на завязку трасс целей, их сопровождение и отработку ложных тре­вог) равно

Тч.обз = ТлNл,

где Тл - время стояния луча в одном угловом направлении.

Величина Тл может быть определена исходя их необходимости обнаружения цели на заданной дальности Rтр:

Тл = 2Rтр/C,

при этом она не должна быть меньше, чем дли­тельность сигнала τс.

В процессе обзора выполняется оценка дальности, а в некоторых случаях - и по ско­рости обнаруженных целей. Количество ячеек дальности и скорости определяется, соответ­ственно, по формулам

Nяч.R = (Rтр – Rн)/ΔR, Nяч.V = (Vтр – Vн)/(ΔV · Кпер.V),

где Rн, Vн - начальные значения диапазонов наклонной дальности и радиальной скорости соответственно; Vтр - заданное значение мак­симальной радиальной скорости обнаружива­емых целей (для РЛС СО выше получено Vтр~ 5 км/с); Кпер V - коэффициент перекрытия фильтров скорости.

Общее количество тестируемых ячеек дальности и скорости на наличие цели со­ставляет

Nяч = Nл Nяч.RNяч.V

Обзор пространства осуществляется те­стированием ячеек на превышение порога об­наружения. Порог обнаружения может быть превышен с вероятностью F за счет шумово­го выброса (событие «ложная тревога»). Об­щее количество ячеек, в которых при обзоре пространства произойдет «ложная тревога», составляет

Nяч.лт = NячF.

На отработку ложных тревог затрачи­вается некоторое время, в связи с чем обзор замедляется. Суммарные затраты времени на проверку всех ложно сработавших ячеек составляют

Тлт.сум = NячТлт,

где Тлт - время отработки одной ложной тре­воги.

Время Тлт определяется используемым критерием завязки трасс. Можно показать, что для наиболее распространенных критериев завязки трасс («два из двух», «три из четырех при обязательном втором») время на отработку ложной тревоги может быть принято равным времени стояния луча:

Тлт = Тл

Время обзора заданного сектора про­странства с учетом возможных задержек на от­работку ложных тревог равно

Тобз.лт = Тч.обз + Тлт.сум

Время обзора заданного сектора также увеличивается на время, затрачиваемое на со­провождение уже обнаруженных целей.

Увеличение времени на сопровождение целей вычисляется рекурсивно. Можно пока­зать, что общее время обзора заданного секто­ра с учетом затрат времени на сопровождение Nсц целей при этом равно

Тобз = Тобз.лт /(1 – Kсц),

где коэффициент Kсц = Nсцτсцсц; Тсц - период обращения РЛС к сопровождаемой цели; τсц - время выполнения операций сопровождения одной цели в одном угловом положении луча.

Результаты расчета времени обзора для РЛС СО приведены на рисунке 23. Расчеты выполнены для сектора размером 75×90 град2 в диапазоне дальности 20-300 км. Предпо­лагается, что для завязки трасс используется критерий «два из двух», вероятность ложной тревоги F = 10-6; одновременно с обзором осу­ществляется сопровождение 10 целей с пери­одом обращения к цели Тсц = 1 с и временем на операцию сопровождения цели при каждом обращении к ней τсц = 1 мс.

3. ПОРЯДОК ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО ОБЛИКА РЛС

Все полученные аналитические соотношения для расчета основных показателей назначения РЛС представляют собой функции одной об­щей независимой переменной - длины волны, что обеспечивает возможность графического решения оптимизационной задачи формиро­вания облика РЛС (1). Для решения задачи (1) необходимо построить графики показа­телей назначения, рассчитанные с использо­ванием конкретных значений учитываемых переменных, характеризующих РЛС, и отоб­разить ограничения, накладываемые на по­казатели назначения. Результатом решения задачи (1), вследствие выявленной ранее мо­нотонно убывающей зависимости стоимости АФАР от длины волны (рис. 14), являются наибольшее значение длины волны в области допустимых значений показателей назначения и соответствующие количественные значения учитываемых конструктивно-технических па­раметров РЛС.

Так, для рассматриваемой РЛС СО, основными задачами которой являются об­зор пространства в заданном секторе разме­ром 75×90 град2 за время не более 2 с, обна­ружение баллистических целей на рубеже Rтр = 300 км и оценка их параметров с уста­новленными требованиями по разрешаю­щей способности и точности, рассчитанные графики показателей назначения представле­ны на рисунке 24.

 

Рис. 24. Oсновные показатели назначения РЛС CO и их ограничения

 

Для заданных по отдельным показателям требований, приведенных на графиках, реше­ние лежит в диапазоне длин волн ~0,65-0,8 м. По критерию минимума стоимости наилучшим решением является создание РЛС СО с длиной волны 0,8 м. Этот вариант РЛС СО характе­ризуется следующими основными конструк­тивно-техническими параметрами: средняя мощность одного ППМ ~150 Вт, приведенная масса ППМ ~11,2 кг, количество ППМ в со­ставе АФАР - 592, площадь раскрыва антен­ны - 130 м2, относительная стоимость АФАР (относительно АФАР с λ = 0.03 м) ~0,08, сред­няя мощность излучения ~89 кВт, полоса сиг­нала ~20 МГц, потребляемая РЛС мощность ~400 кВт. Обеспечение приведенных значе­ний средней мощности ППМ при ожидаемом уровне КПД АФАР η = 35-40 % и воздушном охлаждении элементов решетки предполагает использование в ППМ GaN-материалов.

В случае если требования, наклады­ваемые на показатели назначения, не могут быть удовлетворены, следует оценить возмож­ность корректировки требований. Например, для РЛС СО сужение сектора обзора позволя­ет практически в той же пропорции в длинно­волновой части рассматриваемого диапазона частот сократить время обзора.

Возможно также принятие различных неформализуемых конструктивных решений. Например, неудовлетворительная разреша­ющая способность обзорной РЛС СО, рабо­тающей в диапазоне метровых волн, может быть компенсирована за счет стрельбовой МФРЛС сантиметровых волн, дополняющей зону действия РЛС СО, как показано на ри­сунке 17.

Сформированный таким образом вариант облика РЛС следует считать первичным, тре­бующим дальнейшей проработки.

Задачами проработки являются уточне­ние конструктивно-техническими парамет­ров за счет применения различных конструк­тивных решений. Например, увеличение количества приемных каналов при снижении количества приемопередающих каналов (ко­торые дороже приемных каналов) позволяет в рамках достигнутых показателей назначе­ния, при некотором увеличении приемной апертуры, обеспечить снижение стоимости АФАР.

Важнейшим вопросом, также требую­щим дальнейшей проработки в рамках сфор­мированного облика РЛС, является обеспе­чение помехозащищенности РЛС в заданных условиях функционирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемая методика формирования облика радиолокационных станций различного назначения создаваемой системы вооружения войсковой KBO представляет собой комплекс взаимоувязанных аналитических соотноше­ний, позволяющих оценить влияние основных конструктивных и внешних факторов на по­казатели назначения РЛС и выбрать решение, удовлетворяющее заданным требованиям при минимальных затратах на его реализацию.

Oсобенносτью методики является при­вязка всех рассматриваемых показателей к од­ной общей независимой переменной - длине волны РЛС, что обеспечивает возможность графического сопоставления вариантов и на­глядность выбора лучшего решения.

В основу методики положены зависимо­сти базовых показателей приемо-передающих модулей АФАР от длины волны, полученные на основе анализа особенностей построения перспективных РЛС с АФАР и обобщении из­вестных данных по различным ППМ. На осно­ве полученных зависимостей и с учетом массо­габаритных ограничений, накладываемых на мобильные перспективные РЛС войсковой ПBO, предложены соотношения для расчета основных показателей назначения РЛС.

Предлагаемая методика позволяет выра­ботать первоначальный вариант облика РЛС, подлежащий дальнейшей проработке с целью уточнения используемых конструктивных ре­шений и дополнения не учтенных в методике факторов.

Авторы: Друзин С.В., Горевич Б.Н.

Материал предоставлен для публикации журналом "Вестник концерна ВКО "Алмаз - Антей"

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Друзин С. В., Майоров В. В., Горевич Б. Н. Создание перспективной системы вооружения войсковой ПВО нового облика // Вестник «Концерна ВКО “Алмаз - Антей”». 2019. № 4. С. 7-18.

2. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д. И. Воскресенского, А. И. Канащенкова. М.: Радиотехника, 2004. 488 с.

3. Кашин В. А., Леманский А. А., Митяшев М. Б. и др. Проблемы создания АФАР сантиметрового диапазона для мобильных многофункциональных радиолокаторов зенитных ракетных комплексов // Вопросы перспективной радиолокации. М.: Радиотехника, 2003. С. 240-255.

4. Ненартович Н. Э., Горевич Б. Н. BMDS - Система противоракетной обороны США. Анализ и моделирование. М.: ПАО «НПО “Алмаз”», 2020. 351 с.

5. Телевизионная передача новостей «Вести» от 19.03.2018 об учениях на полигоне «Ашулук». URL: https://www.youtube.com/watch?time_continue=1&v=Gpq2KvZrkBk&feature=emb_logo

6. Оружие отечества. Фото: А. В. Карпенко. СПБ 24.05.2014. URL: http://bastion-karpenko.ru

7. Sarcione M., Mulcahey J., Schmidt D., et al. The design, development and testing of the THAAD (Theater High Altitude Area Defense) solid state phased array (formerly ground based radar) // Proceedings of International Symposium on Phased Array Systems and Technology. 15-18 Oct. 1996.

8. Ненартович Н. Э., Митяшев М. Б. Из практики разработки активных фазированных антенных решеток // Российский технологический журнал. Электронное сетевое издание «Вестник МГТУ МИРЭА». 2014. № 3. С. 173-188.

9. Ненартович Н. Э., Аверин И. Б., Балагуровский В. А. и др. Подходы к технологиям активных фазированных антенных решеток // Вестник воздушно-космической обороны. 2015. № 1. С. 102-109.

10. Гуркин Е. Н., Батов П. Л., Князев С. О. и др. Стержневой феррито-диэлектрический излучатель АФАР круговой поляризации // Вестник воздушно-космической обороны. 2016. № 3. С. 40-46.

11. Дрожжина Н. В., Батов П. Л., Беляев А. С. и др. Управление активной фазированной антенной решеткой в различных режимах работы // Вестник воздушно-космической обороны. 2016. № 3. С. 47-53.

12. Елисеев А. Д., Аверин И. Б. Опыт разработки системы обеспечения теплового режима высокопотенциальной активной фазированной антенной решеткой // Вестник воздушно-космической обороны. 2016. № 3. С. 54-62.

13. Кожевников В., Дикарев В., Горохов В. и др. Мощные СВЧ LDMOS-транзисторы ОАО «НИИЭТ» для средств радиосвязи и радиоло кации // Электронные компоненты. 2015. № 4. С. 60-63.

14. Толкачев А. А. О некоторых тенденциях развития радиолокационных и связных систем. М.: ОАО «Радиофизика». 05.11.2014. URL://nauchebe.net

15. Монолитная интегральная схема усилителя мощности с уровнем выходной мощности 100 Вт в рабочем диапазоне частот 2,7-3,5 ГГц / Авт. Редька А. В. / Правообл.: НПП «Пульсар», Гос. регистрация топологии интегральный схемы, RU 2019630069. Бюл. № 4. 27.03.2019.

16. Монолитная интегральная схема усилителя мощности с уровнем выходной мощности 25 Вт в рабочем диапазоне частот 2,5-6 ГГц / Авт. Редька А. В. / Правообл.: НПП «Пульсар», Гос. регистрация топологии интегральный схемы, RU 2019630050. Бюл. № 4. 27.03.2019.

17. Монолитная интегральная схема усилителя мощности с уровнем выходной мощности 30 Вт в рабочем диапазоне частот 2,7- 3,5 ГГц / Авт. Миннебаев С. В. / Правообл.: НПП «Пульсар», Гос. регистрация топологии интегральный схемы, RU 2019630068. Бюл. № 4. 27.03.2019.

18. Марков Г. Т., Сазонов Д. М. Антенны: Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. М.: Энергия, 1975. 528 с.

19. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник / Под ред. Я. Д. Ширмана. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радиотехника, 2007. 512 с.

20. Васин В. В., Степанов Б. М. Справочник-задачник по радиолокации. М.: Советское радио, 1977. 320 с.

21. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения) / Под ред. В. В. Григорина-Рябова. М.: Советское радио, 1970. 680 с.

22. Дымова А. И., Альбац М. Е., Бонч-Бруевич А. М. Радиотехнические системы: Учебник для вузов / Под ред. А. И. Дымовой. М.: Советское радио, 1975. 440 с.

 

21.07.2020
  • Эксклюзив
  • Вооружения и военная техника
  • Войска воздушно-космической обороны
  • Россия
  • XXI век