Текст
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ
СИСТЕМЫ
В РАКЕТНОЙ
ТЕХНИКЕ
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ
СИСТЕМЫ
В РАКЕТНОЙ ТЕХНИКЕ
Под общей редакцией
В. И, ГАЛКИНА, И. И, ЗАХАРЧЕНКО, Л, В. МИХАЙЛОВА
Ордена Трудового Красного Знамени
ВОЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ СССР
Москва- 197 4
355.71
Р15
УДК 621.396.96 :623.451.8
Великанов В. Д. и др.
Р15 Радиотехнические системы в ракетной тех-
нике. М., Воениздат, 1974.
340 с.
Книга содержит обобщенное и систематизированное изложение
взглядов зарубежных специалистов на роль и место современных
радиотехнических устройств при проектировании военных систем
обороны и нападения. На примерах иностранных образцов описы-
ваются элементы комплексов стратегического ракетного оружия,
радиолокаторы с фазированными антенными решетками, виды и
типы помеховых устройств для защиты головных частей ракет.
Книга написана по материалам открытой зарубежной и отече-
ственной печати. Она предназначена для широкого круга военных
и гражданских специалистов, работающих в области радиолокации
и различных применений радиоэлектронной аппаратуры. Книга
может быть полезной и для преподавателей, студентов и слуша-
телей радиотехнических факультетов училищ, вузов и академий.
рП204-200 1Q7-73
068(02)-74
355.71
© Воениздат 1974
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современные радиотехнические системы за рубежом получили
наиболее яркое отображение при проектировании стратегических
систехМ защиты и нападения, повышенный интерес к которым на-
блюдается с середины 50-х годов.
Одним из основных направлений использования иностранных
радиотехнических систем военного назначения является распозна-
вание баллистических и космических целей, наведение на них
антиракет, принципиальная возможность чего подтверждена рядом
теоретических исследований и полигонных испытаний.
Новым направлением в развитии радиотехнических систем яв-
ляется также создание различных помеховых устройств, воздей-
ствующих на радиолокаторы с фазированными антенными решет-
ками и снижающих их эффективность. Эти устройства наряду
с разработкой элементов противоракетной обороны реализуются
в комплексах радиопротиводействия, которыми оснащаются стра-
тегические ракеты.
Бурное развитие указанных направлений в последние годы,
заключение между СССР и США Договора об ограничении си-
стем противоракетной обороны и Временного соглашения о неко-
торых мерах в области ограничения стратегических наступатель-
ных вооружений привлекли внимание широкого круга инженеров
и научных работников к прикладным вопросам радио- и противо-
радиолокации в ракетной технике. Некоторые из них, в частности
теория распознавания, задачи выделения сигнала на фоне случай-
ных помех, методы проектирования многофункциональных РЛС,
широко освещены в отечественной и зарубежной литературе. Одна-
ко систематическое изложение вопросов взаимосвязи стратегиче-
ских средств нападения и обороны в печати отсутствует.
В настоящей книге последовательно излагаются взгляды зару-
бежных специалистов на ряд проблем, возникающих при разработ-
ке отдельных элементов системы противоракетной обороны, а так-
же технико-экономические проблемы оснащения комплексов стра-
тегического ракетного оружия помеховыми средствами.
Ограниченный объем книги не позволяет достаточно полно
осветить все теоретические аспекты проектирования элементов
противоракетной обороны, радиотехнических помеховых устройств,
а также оценки их эффективности. Тем не менее авторы надеют-
1* 3
ся, что читатель сможет получить достаточно полное представле-
ние об уровне развития системы защиты от нападения стратегиче-
ских ракет и о методах радиоэлектронной борьбы с этой системой
за рубежом.
В. Д. Великановым написаны разделы 4.2, 5.4 (совместно с
В. И. Галкиным и Л. В. Михайловым), 6.1 (совместно с В. И. Гал-
киным), 6.2, 6.3, 6.6 (совместно с А. С. Малютиным). Осталь-
ные разделы книги написаны В. И. Галкиным, И. И. Захарченко,
Ю. И. Копошилко, А. С. Малютиным и Л. В. Михайловым сов-
местно.
Авторы весьма признательны генерал-полковнику Н. В. Пету-
хову за замечания, способствовавшие улучшению книги. Авторы
также выражают благодарность j Т. И. Кустаровой j и О. Г. Строй-
лову за товарищескую помощь при подготовке рукописи.
.... ) ЛИНЯЯII II II III
ГЛАВА 1
СИСТЕМА ДАЛЬНЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ
БАЛЛИСТИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ
Прошедшее десятилетие характеризуется интенсивным разви-
тием ракетных систем США, увеличением ракетно-ядерного по-
тенциала, с одной стороны, и поисками путей защиты от баллисти-
ческих ракет разного класса и назначения — с другой. Развитие
техники и средств противоракетной обороны (ПРО) в свою оче-
редь привёло к внедрению в ракетные системы средств преодоле-
ния ПРО.
1.1. История разработки стратегических систем
обороны и нападения
Все работы, проводимые в США по созданию системы ПРО,
головных частей (ГЧ) и средств преодоления ПРО, сконцентриро-
ваны в основном в двух программах: «Дефендер» (Defender) и
«Абрее» (Abres), охватывающих следующие вопросы и проб-
лемы *:
а ) поиски путей создания системы и средств ПРО:
— изучение новых принципов построения ПРО;
— изучение вопросов обнаружения, сопровождения, распозна-
вания ГЧ в условиях применения противником средств радиопро-
тиводействия;
— изучение вопросов перехвата головных частей (маневрирую-
щих, кассетных и т. д.) при применении средств преодоления ПРО;
— испытание средств и элементов ПРО;
б ) работы по созданию средств преодоления ПРО:
— создание передатчиков радиопомех;
— создание специальных радиопоглощающих материалов и по-
крытий;
— исследование физических явлений и динамики полета ГЧ
при входе в атмосферу;
— создание ложных целей (ЛЦ);
* Работы по программе «Дефендер» начались в 1956 г., по программе
«Абрее» — в 1962 г.
б
— создание перспективных головных частей;
— испытание разработанных средств.
Для уничтожения ГЧ МБР система ПРО должна выполнить
следующие операции:
— обнаружить МБР;
— направить средства уничтожения на цель, предварительно
распознав наиболее опасные цели;
— точно навести на МБР средства уничтожения — антираке-
ты (АР);
— уничтожить антиракетами головные части МБР.
Решение перечисленных задач определяется техническими воз-
можностями создания ПРО, которые тесно связаны с особенностя-
ми полета ГЧ на различных участках траектории.
За рубежом считают, что на активном участке баллистиче-
ские ракеты можно обнаружить датчиками ИК- и УФ-излучения,
если датчики и ракеты находятся в пределах прямой видимости.
Однако размещение датчиков вблизи районов запуска МБР прак-
тически невозможно. Для обнаружения и непрерывного наблюде-
ния в принципе можно использовать высокоорбитальные ИСЗ или
системы ИСЗ. Обнаружение и перехват стартующих МБР имели
бы очевидные тактические преимущества перед перехватом ГЧ
на других участках баллистической траектории. На сегодняшний
день для раннего обнаружения МБР можно использовать загори-
зонтные РЛС, которые обеспечат время предупреждения, равное
времени полета МБР от района старта до района падения.
МБР на активном участке траектории в принципе могли бы
уничтожаться с помощью антиракет, запускаемых с ИСЗ. Однако,
чтобы система перехвата МБР со спутников действовала эффек-
тивно, требуется большое число искусственных спутников Земли.
После нескольких лет тщательного изучения такой системы в рам-
ках программы «Бэмби» стало ясно, что расходы на ее создание и
эксплуатацию составят от 20 до 100 млрд, долларов, вследствие
чего работы по программе «Бэмби» были прекращены.
Сложность перехвата головных частей ракет на внеатмосфер-
ном участке баллистической траектории заключается в необходи-
мости сверхдальнего обнаружения МБР, распознавания ГЧ и при-
менения высокоскоростных антиракет. Вероятность распознавания
целей в условиях применения средств преодоления ПРО зависит
от объема их рассеяния и радиуса действия боеголовки антира-
кеты «Спартан», осуществляющей высотный селектирующий взрыв.
Для обнаружения МБР предполагается использовать РЛС си-
стемы BMEWS и станции обнаружения континентальной ПРО. Од-
нако для распознавания ГЧ в условиях применения средств пре-
одоления ПРО, по мнению иностранных специалистов, необходимы
системы с более высокой скоростью обработки данных (до не-
скольких тысяч целей в 1 сек на одну РЛС).
Обнаружение и целеуказание на участке траекторного спуска
могут производиться с помощью континентальных РЛС обнару-
жения и распознавания. Наличие атмосферы упрощает распозна-
6?
hi.in । iimimiih
ванне, облегчая выделение ГЧ среди ложных целей по величине
ускорения (торможения), ЭПРплазмообразований и т. п. В связи с
этим РЛС ПРО объекта также должны существенно повысить
скорость обработки быстро меняющихся параметров дальности и
угловых координат сопровождаемых баллистических целей (т. е.
увеличить темп съема данных).
Военные объекты и основные административно-промышленные
центры США предполагалось защищать маловысотными огневыми
комплексами ПРО с помощью антиракет «Спринт», «Хайбекс».
Для защиты РЛС и шахтных установок антиракет предусматри-
вался перехват целей на высотах около 10 км. Снижение высоты
перехвата до 10—20 км значительно уменьшает требования к
скорости антиракеты. При выборе высоты перехвата и определе-
нии степени опасности цели для объекта необходимо учитывать
возможные разрушения объектов ядерным боезарядом ГЧ и пред-
отвращать соприкосновение огненного шара с поверхностью Земли
и облаками. Требуется учитывать также необходимость распозна-
вания в условиях ядерных взрывов, произведенных антиракетами
соседних батарей.
Для обороны городов предусматривалось использовать так на-
зываемую зональную ПРО, обеспечивающую дальний перехват
боеголовок МБР. Объектовая (местная) ПРО имеет своей задачей
оборону хорошо защищенных небольших целей (подземных КП,
пусковых ракетных шахт); в этом случае ракеты предполагается
перехватывать в ближней зоне на участке спуска (в атмосфере).
Очевидно, что для обеспечения обороны объектов обоих типов не-
обходимо иметь систему ПРО, состоящую из средств дальнего пе-
рехвата и аналогичных средств ближнего перехвата. Зарубежные
специалисты считают, что этим требованиям отвечает система
ПРО «Сейфгард», в состав которой входят РЛС ПАР, высотные
дальние перехватчики «Спартан» и батареи АР «Спринт» для
ближнего перехвата.
Гипотетическая обстановка, принятая при разработке системы
«Сейфгард», предполагала появление двух или трех боеголовок с
множеством ложных целей. Первое предупреждение о появлении
МБР ожидается от РЛС ПАР, установленных вдоль границ США.
Примерная схема размещения постов обнаружения в системе
«Сейфгард» приведена на рис. ,1.1, на которой показано также
взаимное положение защищаемых объектов и средств ПРО на ра-
кетной базе «Гранд-Форкс». Развертывание этого комплекса ПРО,
разрешенное Договором между СССР и США, должно было бы
быть закончено в 1974 г.
Информация от всех постов обнаружения поступает в единый
командный пункт NORAD, где принимается решение об отражении
налета и производится целераспределение средств перехвата в за7
висимости от предполагаемых районов падения головных частей
МБР. Система ПРО «Сейфгард» не рассчитывалась на перехват
МБР, наносящих удар с произвольных направлений.
I
В настоящее время предпринимаются попытки обеспечить ра-
диолокационное обнаружение МБР со всех ракетоопасных направ-
лений. Для этого предполагается использовать новые перспектив-
ные средства обнаружения. Американские специалисты исследова-
ли 25 схем ПРО, большинство из которых было отвергнуто из-за
высокой стоимости и сложности.
Предполагается, что система BMEWS в сочетании с загоризонт-
ными РЛС прямого рассеяния способна просматривать значитель-
ный сектор небесного пространства и определять методом триан-
гуляции время и место запуска ракет. Эта информация может
дополняться данными разведывательных ИСЗ, находящихся на
стационарной орбите.
Некоторый интерес представляли варианты корабельной —
САБМИС (SABMIS) и самолетной — АБМИС (ABMIS) систем
ПРО. Первую из них предполагалось создать на базе антиракет
типа БР «Посейдон», установленных на специально оборудован-
ных крейсерах; вторую — на базе самолетов С-5А, оснащенных АР
большой дальности действия.
Для перехвата головных частей ракет на внеатмосферном уча-
стке траектории также планировалось использование системы
«Минитмейд» (Minutemaid), включающей в себя около 700 МБР
«Минитмен», запускаемых по информационным данным РЛС ПАР.
Кроме этого, в проекте, получившем название «Сейфсам», ис-
следовалась и возможность совместного использования системы
ПРО «Сейфгард» и тактической системы САМ-Д Для обеспечения
защиты промышленных центров.
Средства дальнего обнаружения выполняют следующие основ-
ные задачи:
— обнаруживают баллистические ракеты, предупреждают о
ракетно-ядерном ударе, оценивают степень угрозы и дают реко-
мендации о проведении ответных мероприятий (укрытие населе-
ния, подготовка и проведение ответного удара);
— распределяют по целям противоракетные комплексы.
Эффективность решения большинства из указанных задач опре-
деляется временем, остающимся на ответные оборонительные и на-
ступательные действия. Готовность средств ПРО к выполнению
поставленных задач неодинакова. Высшую готовность имеет систе-
ма дальнего обнаружения BMEWS, которая действует в настоя-
щее время.
Основу системы BMEWS составляют вынесенные радиолокаци-
онные посты, размещенные в Англии, Гренландии и на Аляске, а
также группа радиолокаторов, способных обнаруживать цели за
пределами прямой видимости. Задачу обнаружения и контроля
космического пространства выполняют и радиолокаторы испыта-
тельных полигонов США.
Считается, что в среднем система BMEWS предупреждает о
нападении ракет дальнего действия за 15—20 мин, а ракет сред-
ней дальности — за 4 мин. Основными недостатками системы
8
ЙйШЙЖ?
WARREN A.F.B.41
Mwo/sce.
£oj £• fl—’ Denver
A^CALIFORNIa
,ЛлЯв/е AREA
jMALMSTROM ^***^\.
11—A.RB. GRAND FORKS;
— A.F.B.
MICHIGAN.
?H$?A1REA,
WHITEMAN AF.B;
/ 1 Chicago
Kansas Cjty
TEXAS
О Petre iti£
St. Louis ' v?
ц АР,РЛ'С , ПАР, MGP
11 АР, РЛС, М СР /
Кспартан’^спр.инт'
с A 'N a о a
... SOUTHERN
HEW ENGLAND
№ew York
Atlanta Л t Л A
GEORGIA4, FLORIDA
АР,,Спартан
РЛС МСР
0
0
АР „Спринт1
МБР „Минитмен
0
0
Рис. 1.1. Схема размещения постов обнаружения в системе «Сейфгард»
ООО
ООО
0 0
0
РЛС ПАР
ООО
ООО
0 0
0
0 0
0
0
> 0
0
0 0
0
0 0
0
0
0
®
ООО
ООО
0
0
®
0
0
0 0
0
OQO
ОО
0 0
9
BMEWS являются уязвимость ее постов, узкий сектор обзора,
ограничение дальности действия прямой видимостью, низкая по-
мехозащищенность. Кроме того, система по мнению иностранных
специалистов не обеспечивает надежного обнаружения МБР и
ракет, запускаемых с подводных лодок.
Загоризонтные РЛС по замыслу должны значительно допол-
нить систему дальнего обнаружения BMEWS. В США надеют-
ся, что введение в строй загоризонтных РЛС позволит увели-
чить время предупреждения о ракетно-ядерном нападении до
30 мин.
Сбор, анализ, передача информации и управление основными
средствами ПВКО выполняются объединенным командованием
НОРАД (NORAD), которое контролирует следующие системы об-
наружения и предупреждения:
— вынесенную систему раннего обнаружения BMEWS;
— систему обнаружения запусков БР с подводных лодок
SLBM(474N);
. — систему РЛС обнаружения МБР за линией горизонта;
— РЛС Восточного, Западного полигонов и полигона Уайт-
Сандс;
— радиолокационный комплекс системы ПКО на о-ве Шемия
(Маршалловы острова);
— РЛС ПАР системы «Сейфгард»;
— отдельные РЛС (AN/FPS-17, AN/FPS-85, AN/FPS-49,
AN/FPS-49a).
Группа экспертов США подготовила рекомендации по расши-
рению сети наземных станций системы раннего обнаружения.
В рекомендациях предлагается создание новых пунктов, преду-
преждающих о налете стратегических ракет с южного направле-
ния. Принято также решение о создании в дополнение к BMEWS
системы разведывательных спутников.
1.2. Системы обнаружения и раннего предупреждения
Система BMEWS, или система 474L, предназначена для обна-
ружения баллистических ракет дальнего и среднего радиуса дей-
ствия. После обнаружения система BMEWS сопровождает цели,
опознает их и определяет районы их падения и запуска.
Система имеет три поста обнаружения, расположенные в Туле
(Гренландия), Клире (Аляска) и в Файлингдейлс-Муре (Англия).
Полученные данные по специальным линиям связи передаются в
штабы НОРАД и стратегического авиационного командования Ка-
нады и Англии.
В состав оборудования каждого поста входят мощные РЛС
дальнего обнаружения и сопровождения, сложный комплекс элек-
ю
тронных вычислительных машин для опознавания целей, расчета
их траекторий, районов падения и запуска, индикаторные устрой-
ства и линии передачи данных. Наименования РЛС, используемых
в системе BMEWS, приведены в табл. 1.1.
РЛС системы BMEWS
Таблица 1.1
№ поста Местоположение РЛС Тип РЛС Число РЛС данного типа
1 Туле (Гренландия) AN/FPS-50 4
AN/FPS-49 1
2 Клир (Аляска) AN/FPS-50 3
AN/FPS-92 1
3 Файлингдейлс-Мур AN/FPS-49 3
(Англия)
Предполагалось, что строительство всех трех постов вместе с
оборудованием центра обойдется в 952 млн. долларов. Кроме того,
около 91 млн. долларов должны были стоить линии связи первых
двух постов с НОРАД.
Строительство первого поста началось в 1958 г. и в том же
году выяснилось, что его фактическая стоимость превысит сметную
и составит примерно 720 млн. долларов. Фактическая стоимость
системы BMEWS значительно превысила сметную. При этом сле-
дует иметь в виду, что стоимость ее эксплуатации составляет
НО млн. долларов в год.
Импульсно-допплеровская РЛС AN/FPS-50 работает в длинно-
волновой части дециметрового диапазона. Дальность действия стан-
; ции около 5000 км. На станции имеется несколько передатчиков
I мощностью в импульсе 7—10 Мвт, которые могут работать парал-
лельно. Необходимая частота передатчика достигается путем мно-
гократного умножения частоты кварцевого генератора. В оконеч-
ных каскадах используются мощные клистроны массой по 270 кг
каждый. Передатчики работают на стационарные антенны с усе-
1 ченными параболическими отражателями высотой 50 м и длиной
120 м.. Качание луча осуществляется переключением 176 рупорных
облучателей. В вертикальной плоскости формируется двухлучевая
диаграмма направленности с расстоянием между лучами в не-
сколько градусов. Один из лучей наклонен под углом 2—5°, а вто-
: рой — под углом 6—10°. В горизонтальной плоскости ширина луча
равна 1°. Луч каждой антенны сканирует по азимуту в преде-
лах 38°. Четыре антенны обеспечивают обзор пространства по ази-
муту в пределах 150°. Размещение антенн на местности показано
на рис. 1.2.
РЛС AN/FPS-50 излучает зондирующие импульсы на несколь-
ких частотах. Развертка по дальности производится в несколько
11
интервалов времени. В каждом таком интервале излучается им-
пульс на одной частоте, предварительные усилители приемного
Рис. 1.2. Размещение антенн РЛС AN/FPS-50 на местности
устройства с настройкой на излученную частоту переключаются
синхронно. Для определения радиальной скорости цели ис-
пользуются допплеровские фильтры на выходе УПЧ. Скорость
цели определяется по номеру фильтра, на котором появляется
сигнал максимальной величины. Сигналы с выходов видеодетекто-
ров поступают в систему съема и предварительной обработки дан-
ных.
Импульсно-допплеровская РЛС AN/FPS-49 работает на двух
частотах в длинноволновой части дециметрового диапазона. Им-
пульсная мощность передатчиков — несколько мегаватт, дальность
обнаружения МБР превышает 3200 км. Передатчик работает на
25-метровую параболическую антенну (рис. 1.3) в обтекателе диа-
метром 42 м на крыше башни приемно-передающей станции. Ан-
тенна вращается с помощью электропидравлического привода и
сканирует по азимуту в секторе, равном почти 360°, и по углу ме-
ста — в секторе 90°.
РЛС слежения реконструировалась, в результате на посту № 2
раннего обнаружения установлена усовершенствованная РЛС
AN/FPS-92, работающая на частоте 438 Мгц и в коротковолновом
участке дециметрового диапазона в моноимпульсном режиме.
В одном из передатчиков использован метод сжатия импульсов с
12
коэффициентом сжатия, равным 50. При приеме производится ко-
герентное интегрирование отраженных сигналов с помощью узко-
полосных преддетекторных
интегрирующих фильтров.
Узкополосные допплеров-
ские фильтры обеспечивают
высокую разрешающую спо-
собность по скорости. По
своим параметрам усовер-
шенствованный вариант РЛС
близок к станции типа «Тра-
декс». Характеристики РЛС
AN/FPS-50 и AN/FPS-49 да-
ны в табл. 1.2.
Система съема и предва-
рительной обработки дан-
ных содержит быстродейст-
вующую ЭВМ и преобразо-
ватель непрерывных данных
в цифровые. Она селекти-
рует сигналы, уровень ко-
торых превышает заданное
пороговое значение, опреде-
ляет допплеровский фильтр,
дающий максимальный сцг-
нал, измеряет дальность до
цели, обрабатывает пачку
Рис. 1.3. Антенная система РЛС
AN/FPS-49
сигналов за цикл сканирования цели, определяет азимут цели.
Данные о дальности, скорости и азимуте цели записываются в маг-
нитном блоке временной памяти для сопоставления с последую-
щими сигналами, отраженными от этой цели за один цикл скани-
рования. На последующую обработку в вычислительную машину
передаются координаты сигналов, для которых обнаружен при-
знак корреляции координат внутри пачки, указывающий на нали-
чие баллистической цели.
Поскольку в результате корреляции сигналов за время одного
цикла сканирования предполагается предварительный отсев сиг-
налов, отраженных от небаллистических целей, то на вход вычис-
лительных машин должна поступать информация только от потен-
циально опасных целей. Критерием отождествления информации
о наличии баллистической цели может служить интервал
между моментами пересечения траекторией нижнего и верхнего
лучей.
По результатам обработки информации ЭВМ вырабатывает
команды для наведения на цель антенн следящих РЛС
AN/FPS-49. Вычислительная машина рассчитывает траектории це-
лей на основании пяти-шести измерений. Одновременно ЭВМ мо-
гут рассчитывать траектории нескольких сот целей. На основе рас-
четов вырабатываются два типа сообщений, которые передаются
13
Таблица 1.2
Параметр РЛС AN/FPS-50 AN/FPS-49
Назначение Диапазон частот Обнаружение Длинноволновый сток дециметрового пазона уча- диа- Обнаружение и сопро- вождение 438 Мгц и коротковол- новые участки дециме- трового диапазона
Режим работы Импульсный Импульсный
Длительность импульса 2000 мксек, частота по- вторения 27 гц —
Мощность передатчика в импульсе 7—10 Мвт Несколько мегаватт
Тип антенны Усеченный параболиче- ский отражатель Параболический чаше- образный отражатель
Размеры антенны Высота 50 м, длина 120 м Диаметр 25 м
Метод сканирования Электрический Механический
Форма диаграммы Двухлучевая по углу места, ширина луча по азимуту 1° Игольчатый луч
Разрешающая способ- ность по углу места 1,3° —
Предельные углы ска- нирования 38° по азимуту — 360° по азимуту, 90° по углу места
Дальность действия Около 5000 км Более 3200 км
Чувствительность при- емника 10~15 вт 10“15 вт (с параметри- ческим усилителем)
в кодированном виде в центр управления. Одно сообщение содер-
жит сведения о количестве угрожающих целей или об уровне угро-
зы, другое — сведения о вероятных районах падения, времени па-
дения и районах запуска МБР.
Система BMEWS при большой дальности обнаружения балли-
стических ракет обладает, по американским данным, очень высо-
кой надежностью. Судить о надежности этой системы можно по
тому, что, хотя рубежи радиолокационных станций пересекаются
сотнями спутников, в первые годы эксплуатации ее была зафикси-
рована лишь одна ложная тревога, когда сигналы, отраженные от
Луны, были приняты за сигналы от МБР. Наряду с вышеуказан-
ными преимуществами отмечают существенные недостатки систе-
мы. А именно, помимо невысокой точности определения точек
падения, главным ее недостатком является наличие мертвых зон,
которые лежат ниже радиолокационного горизонта.
14
Радиолокатор ПАР представляет собой РЛС дециметрового
диапазона (400—500 Мгц) с фазированной антенной решеткой и
предназначен для поиска, обнаружения и сопровождения МБР и
баллистических ракет, запускаемых с подводных лодок, выдачи
целеуказания РЛС МСР и наведения антиракет «Спартак» в даль-
ней зоне.
Рис. 1.4. Макеты радиолокационных станций ПАР
с приемопередающими антенными системами;
а — разнесенные; б — совмещенная
Первоначально предполагалось использовать две фазирован-
ные антенные решетки метрового диапазона волн: передающую и
приемную. Диаметр приемной антенны должен был составлять
30,5 м, диаметр .передающей антенны значительно меньше
(рис. 1.4). Однако после опенки стоимости различных вариантов
РЛС ПАР было принято решение об использовании в РЛС одной
15
комбинированной приемопередающей антенны дециметрового диа-
пазона волн (рис. 1.5).
Поскольку РЛС ПАР ведет поиск и сопровождение ГЧ МБР
за пределами земной атмосферы, то радиолокационный сигнал,
проходя сквозь ионизированные слои естественного происхожде-
ния и ионизированные области, образовавшиеся в результате вы-
сотных ядерных взрывов, преломляется и ослабевает. Влияние
этих факторов уменьшается пропорционально квадрату частоты.
Рис. 1.5. Сооружение радиолокационной станции ПАР
Таким образом, уменьшение длины волны ПАР позволило зна-
чительно снизить влияние ионизированных областей на характери-
стики распространения радиолокационных сигналов. Замена двух
антенной системы одной приемопередающей решеткой существен
но увеличила коэффициент усиления передающей антенны и по-
высила точность сопровождения целей.
В радиолокационной станции ПАР (рис. 1.6) используется
обычная антенная решетка с общим питанием, в выходных каска-
дах передатчика применены ЛБВ, в схеме приемника — парамет-
рические усилители. Антенная решетка разделена на несколько
отдельных секций для обеспечения нормального функционирова-
ния РЛС при каких-либо нарушениях в работе передатчика или
приемника.
Фазированная антенная решетка ПАР представляет собой
правильный шестиугольник. Расстояние между элементами по го-
ризонтали составляет 73,2 см. В антенной решетке используются
диодные четырехразрядные фазовращатели, управляемые специ-
альным вычислительным устройством В состав РЛС ПАР входят
16
несколько приемников, выполняющих различные функции Много-
канальный поисковый приемник позволяет принимать одновремен-
но сигналы от различных целей, поступающие на несколько ле-
пестков диаграммы направленности. Приемники системы сопро-
вождения работают по моноимпульсному принципу для обеспече-
ния точного сопровождения в пределах малых долей ширины
луча.
Система
общего
питания
п-плечныи
делитель
мощности
Рис. 1.6. Функциональная схема РЛС ПАР
В отличие от других элементов системы «Сейфгард» РЛС ПАР
должна действовать круглосуточно в течение весьма продолжи-
тельного времени, просматривая несколько тысяч космических
объектов в сутки. В этой связи передатчики и приемники РЛС в
достаточной степени дублируются.
РЛС ПАР занимает участок 1100X1100 м. Основная аппара-
тура размещается в здании, ФАР — в бетонном здании высотой
Г2 м и с основанием 100Х 100 м.
По предположению специалистов США РЛС ПАР сможет об-
наружить МБР через 10—15 мин после их запуска. Первую РЛС
ПАР предполагалось соорудить вблизи Бостона. Стоимость ПАР
с четырьмя фазированными антенными решетками составляет
примерно 230 млн. долларов.
Для формирования луча, его сканирования, управления РЛС
используются ЭВМ. Кроме того, ЭВМ предполагается использо-
вать для распознавания ГЧ на основе изучения сигнальных ха-
рактеристик ложных целей и маскирующих диполей. В качестве
примера рассмотрим некоторые задачи, решаемые ЭВМ ПАР.
В процессе сопровождения цели РЛС ПАР результаты изме-
рений координат цели проходят вторичную обработку в ЭВМ в те-
чение 1—2 мсек. Для определения параметров движения каждой
цели достаточно ста зондирований, которые могут быть проведе-
2—754 17
ны за несколько минут. Это означает, что при среднем времени
выдачи информации о цели около 1 сек возможна экстраполяция
траекторий более чем 1000 целей одновременно.
Тактико-технические данные РЛС ПАР
Диапазон частот....................... . . . • 225—300 (400—500) Мгц
Мощность:
— в импульсе ........................... 300 Мвт
— средняя ..............................1,2 Мвт
Дальность действия ............................. 1600—4250 км
(частота 442 Мгц)
Диаметр антенны..................................34 м
Ширина луча......................................1,2°
Длительность импульса ........................... 250 (при сжатии
1,0) мксек
Сектор обнаружения в вертикальной плоскости . . . От 1 до 15°
1.3. Системы сверхдальнего обнаружения
По мнению американских военных специалистов, наиболее пер-
спективной для сверхдальнего обнаружения является загоризонт-
ная радиолокационная станция (ЗГ РЛС), основанная на принци-
пе возвратно-наклонного зондирования ионосферы.
Работы по созданию загоризонтных РЛС в США начались в
50-х годах и были вызваны стремлением иметь средство сверх-
дальнего обнаружения ракет. Принцип действия таких станций
основан на свойстве верхних слоев ионосферы отражать радиовол-
ны коротковолнового диапазона. От обычных РЛС они отличаются
тем, что отраженный сигнал поступает на антенну после много-
кратных отражений радиоволн от ионизированных слоев, располо-
женных на высотах от 70 до 300 км.
Сигнал РЛС, распространяясь между Землей и ионизирован-
ным слоем, способен обогнуть Землю (коэффициент отражения
сигнала после.каждого скачка составляет несколько процентов).
В эксперименте (диапазон частот от 15 до 18 Мгц) приемная ан-
тенна была развернута на 180° относительно передающей для
приема сигналов, распространяющихся вокруг земного шара.
При этом было отмечено, что импульсы, огибающие земной шар,
испытывали растяжение по времени, эквивалентное увеличению
расстояния примерно до 650 км. Азимут приходящих сигналов ме-
нялся в пределах ±10° по отношению к противоположному азиму-
тальному направлению передающей антенны. Уровень принимае-
мого сигнала менялся от 20 до 100 мв (затухание сигнала пример-
но равно 170 дб).
В основу разработки загоризонтных РЛС положен метод, ана-
логичный методу, применяемому при возвратно-наклонном зонди-
ровании ионосферы. При падении импульсного сигнала, излучае-
мого станцией, на большой объем ионизированного газа, образо-
вавшегося при запусках ракет или ядерных взрывах, возникает
сигнал рассеянного отражения, который можно отличить от
18
обычных рассеянных сигналов, отраженных от поверхности
Земли.
Наблюдения за сигналами рассеянных отражений, приходящи-
ми с больших расстояний, проводились с 1940 г. учеными многих
стран, и только в 1947 г. советский ученый Н. И. Кабанов впервые
экспериментально доказал, что сигналы рассеянных отражений,
приходящие с расстояний, приблизительно равных длине одного
скачка, обусловлены неровностями земной поверхности. Одновре-
менно была установлена возможность использования метода воз-
вратно-наклонного зондирования для определения оптимальных
рабочих частот связи.
Максимальная дальность действия коротковолнового радиоло-
катора при односкачковом распространении ограничена кривиз-
ной Земли и высотой отражающего слоя. При средней высоте от-
ражающего слоя 300 км и нулевом угле места антенны максималь-
ная длина одного скачка равна приблизительно 3500 км.
К недостаткам загоризонтных РЛС относят неоднозначность
отсчета дальности (поскольку прямой и отраженные сигналы прак-
тически имеют несколько путей распространения) и низкую точ-
ность определения координат цели. Считается, что для получения
однозначного отсчета дальности необходимо знать время -распро-
странения радиоволн по каждому пути -на основании данных о по-
ложении отражающего слоя в зависимости от времени года и су-
ток. Для компенсации ошибок должна применяться специальная
аппаратура, позволяющая оценивать условия распространения ра-
диоволн различной длины. Азимут цели в загоризонтных РЛС
определяется интерферометрическим методом.
К настоящему времени в США определились два возможных
подхода в конструировании загоризонтных РЛС: использование
прямого прохождения радиоволн и вторичного излучения. В пер-
вом случае передатчик и приемник располагаются раздельно на
противоположных концах трассы распространения радиоволн, а во
втором — в одном пункте.
Станции с прямым прохождением радиоволн за рубежом ис-
пользуются только в интересах разведки и предупреждения, по-
скольку они не позволяют определять дальность до цели и ее ско-
рость. В США разрабатывались также загоризонтные РЛС с вто-
ричным излучением радиоволн (станции «Типи» — 1957—1959 гг.,
МАДРЕ — I960 г., РЛС AN/FPS-95 — 1968 г.).
Загоризонтные РЛС «Типи» использовали многоскачковые
отражения от ионосферы и вторичное излучение электромаг-
нитных волн от ионизированных областей, возникающих при ра-
боте двигателей МБР на активном участке и при высотных ядер-
ных взрывах. РЛС проектировались со следующими характеристи-
ками: разрешающая способность по дальности — несколько сот
километров, по углу —около 10°, диапазон волн 1—10 м (в метро-
вом диапазоне имеются участки, соответствующие наилучшим
условиям распространения радиоволн).
2*
19
При испытании первых образцов станций «Типи» мощностью
15—50 квт проводились наблюдения за ракетами, запускаемыми
с полигона мыса Канаверал (Флорида). С помощью установок
«Типи» контролировались практически все запуски ракет и спут-
ников.
Кроме того, контролировались испытания атомного оружия.
Так, ядерный взрыв в южной части Тихого океана был зафиксиро-
ван на расстоянии 8000 миль от места установки станции. Амери-
канские специалисты утверждали, что на усовершенствованных
станциях удавалось наблюдать неудачные запуски ракет и уста-
навливать по своеобразным отметкам на пленке причины таких
неудач и факт гибели ракет. Во время одного из опытов был опре-
делен момент запуска первого советского ИСЗ, который был про-
изведен спустя месяц после начала наблюдений системы
«Типи».
Разработчики системы уверяют в возможности надежного об-
наружения ионизированных областей на дальностях, соответствую-
щих дальностям стрельбы МБР. Они также считают, что с по-
мощью одной станции можно одновременно обнаруживать более
95% испытательных взрывов ядерного оружия и запусков ракет,
проводимых во всем мире.
Радиолокационная станция «Типи» может найти применение в
качестве локатора дальнего обнаружения, дополняющего систему
раннего предупреждения BMEWS и спутники Земли с приемни-
ками ИК-излучения (разработанные по проекту «Мидас»), хотя
в связи с достаточно успешными испытаниями станции «Типи»
необходимость в последних была поставлена под сомнение.
Основным недостатком РЛС системы «Типи» считается ее не-
способность обнаруживать и сопровождать ГЧ, обладающие ма-
лой ЭПР в КВ^диапазоне на пассивном участке полета. Другим
недостатком станции считается то, что она даже в большей степе-
ни, чем обычные коротковолновые связные радиостанции, подвер-
жена воздействию ионосферных возмущений, вызываемых повы-
шенной солнечной активностью. Кроме того, небольшие ядерные
взрывы в верхних слоях атмосферы, подобные взрывам по проек-
ту «Аргус», также могут явиться препятствием для распростра-
нения радиоволн на большой период времени.
Радиолокатор системы «Типи» подвержен также и воздей-
ствию активных помех. Так, например, если вблизи установки за-
пуска ракет поместить маломощный передатчик помех коротко-
волнового диапазона, то его сигналы будут в значительной мере
маскировать слабые сигналы, отраженные от ионизированных га-
зов двигателя ракеты.
В 1960 г., в районе Чезапикского залива была сооружена по
проекту МАДРЕ (MADRE) опытная РЛС с дальностью дей-
ствия 4000 км, работающая в диапазоне 3—30 Мгц и использую-
щая односкачковое распространение сигнала. Радиолокатор пред-
назначался для обнаружения низколетящих самолетов и ракет,
запускаемых с подводных лодок, на расстояниях от 800 до
20
4200 км. Так, экспериментальная РЛС обнаруживала ракеты на
дальности 1500 км. Антенная система РЛС площадью 100X45 м2
формировала луч шириной 6—12° по азимуту и 12—24° по углу
места. Луч сканировал благодаря изменению фазы излучаемого
сигнала. Когерентная обработка сигналов в РЛС осуществлялась
по методу взаимной корреляции отраженного сигнала с сигналом
передатчика, задержанным в магнитном барабане. Узкополосные
фильтры допплеровского сдвига частоты отраженного сигнала
позволяли обнаружить слабые сигналы от целей на фоне атмо-
сферных помех. Время накопления сигнала в каждом угловом
канале — 20 сек.
РЛС проекта МАДРЕ селектирует отражения по допплеров-
ской частоте, позволяя выделять цели с радиальной скоростью
более 25 м/сек на фоне движения океанских волн и ионосферы,.
Сильный фон не позволяет обнаруживать цели с малой радиаль-
ной скоростью — надводные корабли и всплывшие подводные
лодки. Разрешающая способность РЛС в 20-км зоне соответствует
длительности импульса около 100 мксек. Это обеспечивает более
точные измерения расстояний до цели, чем в системе «Типи». По-
лоса частот допплеровского фильтра, по опыту разработок много-
численных установок возвратно-наклонного зондирования, состав-
ляет 6—11 кгц.
Тактико-технические данные загоризонтной РЛС по проекту МАДРЕ
Диапазон частот .......................................3—30 Мгц*
Импульсная мощность ...................................5 Мвт
Средняя мощность ......................................100 квт
Длительность импульса..................................100 мксек
Частота повторения.....................................180 гц
Распространение сигнала ...........................• • Односкачковое
Дальность действия................................... До 4 000 км
Ширина луча:
— по азимуту ...........................................6—12°
— по углу места .............................12—24°
Разрешающая способность:
— по дальности..........................................~20 км
— по скорости ................................25 м/сек
* Предположительно рабочая частота ЗГ РЛС по проекту МАДРЕ 20 Мгц,
дальность действия до 3800 км.
Проект «Рэд Милл» (Red Mill) предусматривал создание
РЛС обнаружения запусков МБР по изменению критической ча-
стоты ионосферы под действием факела двигательной установки
ракеты.
Система 441L основана на применении ЗГ РЛС, работающих
на прямом рассеянии сигнала. В систему входит радиолокацион-
ный комплекс GSQ-93, включающий в себя несколько передаю-
щих станций, расположенных на островах Тихого океана, и не-
сколько приемных станций, расположенных в Западной Европе.
В 1968 г. на эту систему были предусмотрены ассигнования в сум-
ме 80 млн. долларов. Предполагается, что в систему 441L вой-
дут также РЛС AN/FPS-95 с дальностью действия 3200 км, осно-
21
ванные на вторичном излучении сигнала. По последним сообще-
ниям, шесть-семь РЛС AN/FPS-95 войдет в состав системы
441L.
Первая РЛС устанавливается в северной части США. Кроме
того, строится РЛС на мысе Орфорднес (Англия) в дополнение
к ЗГ РЛС прямого рассеяния, уже построенной в Англии. Зона
обзора системы 441L приведена на рис. 1.1.
В РЛС AN/FPS-95 для формирования узкого луча исполь-
зуется фазированная антенная решетка (ФАР). С помощью мно-
гоэлементных ФАР осуществляется электронное сканирование по
азимуту лучом, несколько приподнятым над горизонтом. Исполь-
зуются также сложные методы выделения сигнала на фоне шума,
в том числе метод последовательного обнаружения. Излучаемый
сигнал наделяется частотной модуляцией.
Фирма «Дженерал электрик» построила несколько ЗГ РЛС по
программе «Little IDA». Цели этими РЛС обнаруживаются по
возмущениям ионосферы, сопровождающим полет целей.
Работы по созданию загоризонтных РЛС за рубежом в на-
стоящее время направлены на повышение точности измерения ко-
ординат. В частности, изучаются возможности триангуляционной
обработки информации системы загоризонтных РЛС. Одновре-
менно изучается проблема создания загоризонтных РЛС второго
поколения, использующих принцип вторичного излучения. Для
проведения экспериментов по обнаружению воздушно-космиче-
ских целей, приближающихся с южного направления, предпола-
галось построить сверхдлинновблновую загоризонтную РЛС в
штате Флорида.
1.4. Краткая характеристика траекторий полета
целей
После отделения от корпуса МБР головные части и специаль-
ные средства прорыва ПРО совершают свободный полет в поле сил
земного тяготения. При этом газодинамические области течения в
околоземном пространстбе изменяются в широких пределах: от сво-
бодно-молекулярных (космическое пространство) до континуаль-
ных, где проявляется эффективное действие атмосферы на летящий
объект.
Иностранные специалисты считают, что большой диапазон
высот полета головных частей, ложных целей, дипольных
отражателей и т. п. вносит определенные трудности в комплексное
исследование динамики их полета. На малых высотах (до 80 км)
в континууме средний свободный пробег молекул настолько мал
по сравнению с геометрическими размерами ГЧ и их имитаторов,
что атмосферу можно в первом приближении рассматривать как
непрерывную среду. На высотах более 80 км средний свободный
пробег молекул велик, и атмосфера проявляет себя как совокуп-
ность отдельных молекул с определенной закономерностью изме-
нения их скоростей.
22
Приведем некоторые пояснения. Обычно на практике самолето-
динамика сталкивается с задачами, в которых возмущения устано-
вившегося потока могли считаться малыми, а воздух рассматри-
вался как сплошная среда. При полете ракет на гиперзвуковых
скоростях и больших высотах (при очень малой плотности возду-
ха) эти условия, естественно, нарушаются. Понятие «сплошная ат-
мосфера» означает, что молекулы газа находятся настолько близко
друг от друга, что они сталкиваются между собой чаще, чем с
каким-либо другим предметом в потоке.
Из кинематической теории газов известно, что характеризую-
щее поток число Кнудсена
Кп = —»-rT> Н-1!
где X—средний путь свободного пробега молекул;
/ — характерная длина тела;
М — число Маха;
Re — число Рейнольдса *.
По мере того как отношение [1.1] стремится к единице, гипер-
звуковой поток все больше и больше отходит от идеальной моде-
ли, о которой говорилось выше.
В условиях, когда поток стано-
вится свободно-молекулярным,
законы изменения аэродинамиче-
ских сил становятся совершенно
отличными от законов контину-
ума. Так, на уровне моря для мо-
лекул воздуха Ао 6 • 10~5 мм, а
для высоты 80 км, где отношение
Р8о/ро~4 • 10~5, средний путь сво-
бодного пробега молекул Х8о~
«1,5 мм. Очевидно, что такое из-
менение структуры потока яв-
ляется существенным для. тел ко-
нечного размера. Например, из
графика рис. 1.7 можно видеть,
что при очень малых числах Re
(характерных для высот более
80 км) толщина пограничного
слоя 8 становится большой. А
когда отношение Х/В достигает
нескольких процентов, в харак-
тере пограничного слоя и в зако-
Рис. 1.7. Характеристика областей
полета баллистических целей:
1 — область супер аэродинамики Ч потоки
свободных молекул); 2 — переходные обла-
сти (течения со скольжением); 3 —область
аэродинамики (континуум)
нах, определяющих трение по-
верхности ГЧ или ЛЦ и теплопередачу, происходят существенные
изменения. Так, например, слой атмосферы в диапазоне высот
* Re = — pMZa
Iх
плотность воздуха).
(р — вязкость воздуха; а — скорость звука в воздухе; р —
23
Лпогей.
Рис. 1.8. Траектория МБР
Рис. 1.9. Траектории МБР при различных на-
чальных скоростях с углом запуска 30°
24
80—150 км характеризуется наличием «скользящего» потока, для
которого справедливо следующее приближение
X м
6 = Re *
С уменьшением плотности и с увеличением числа М отноше-
ние [1.2] возрастает (например, на высоте 70 км для объекта дли-
ной 300 мм при М=10, 1/8^0,1). Плотность атмосферы с высотой
изменяется примерно экспоненциально (в 10 раз на каждые 16—
19 км), поэтому переходная зона приблизительно равна высоте
сплошной среды и лежит условно в пределах 80—150 км.
Так как на высотах более 150 км отношение подъемной силы
ГЧ или ЛЦ к площади Миделя много меньше 1 кгс/м2*, то уско-
рения, создаваемые аэродинамическими силами, будут значительно
меньше 0,1 м/сек2 (т. е. эффектйвное влияние аэродинамических сил
на траекторию тела начнет проявляться на высотах 100—150 км).
Таким образом, задачи внешней баллистики головных частей
и средств преодоления ПРО в диапазоне высот более 150 км мож-
но решать без учета влияния атмосферы; в диапазоне высот ниже
100—150 км необходим строгий учет аэродинамических сил, дей-
ствующих на летящий объект.
Итак, при полете МБР со средствами защиты в поле тяготения
Земли пассивный участок ее траектории содержит два основных
этапа:
— полет вне пределов эффективного действия атмосферы;
— полет в атмосфере на высотах менее 150—100 км.
Траектории полета головных частей и ложных целей после их
отделения от корпуса МБР вне пределов атмосферы подчиняются
законам Кеплера и представляют дуги эллипсов, заключенные ме-
жду точкой конца активного участка и точкой падения объекта на
Землю (рис. 1.8).
Траектория ракеты будет иметь форму эллипса, пересекаю-
щегося с поверхностью Земли только в том случае, если началь-
ная скорость МБР Vo удовлетворяет неравенству (для угла за-
пуска ©о ¥= 0)
[1.3]
где г0 — длина радиус-вектора точки конца активного участка
траектории;
fM =3,986-1014 м3/сек2 — константа поля тяготения Земли.
Уравнение эллиптической траектории объекта, связывающее
текущие значения полярных координат (рис. 1.9) г, ф, имеет (без
учета вращения Земли) вид
Го _ 1 — cos <Р , cos (<f + 0О) Г1 41
r Xcosae0 cos в0 ’ 1 • J
. Voro
где л = — удвоенное отношение кинетической и потенциаль-
ной энергий в конце активного участка траектории, определяемого
моментом отсечки двигателей.
25
Влияние начальной скорости Vo на форму траектории МБР
иллюстрирует рис. 1.9, полученный по результатам расчетов ве-
личины г(<р) при r0=R = 6371 км, 00 = 30°.
Дальность полета L головных частей и ложных целей, отде-
ляемых в космическом пространстве, может характеризоваться
угловой дальностью Ф (рис. 1.8, табл. 1.3)
L = OR. [1.5]
Таблица 1.3
Таблица соответствия угловой и линейной дальности
Ф, град L, км Ф, град L, км
10 1112 75 8340
15 1668 90 10008
30 3336 120 13344
45 5004 150 16680
60 6672 180 20016
Выражение для угловой дальности полета Ф легко получается
из [4.4] подстановкой полярных координат точки падения ГЧср = Ф,
r=R при условии, что Но: R <С 1 (Но — высота конца активного
участка),
Ф = 2arctg 9,/2Ув° . [1.6]
s 2 (1 — Л2 cos2 0) L J
Зависимость линейной дальности L полета от начальной ско-
рости Vo и угла запуска 0О представлена на рис. 1.10 (кривые, вы-
деленные кружками на этом и дальнейших рисунках, соответст-
вуют оптимальным траекториям).
Высота апогея траектории также получается из [1.4]. Подста-
вив в [1.4] r0 = R, r = R + Ha, ф = 0,5 Ф, можно получить выражение
для определения высоты апогея На:
Ф / Ф \
1 — cos — cos — + ©о)
...к. .. =_________£_j kJ_____L____________[1 71
R + На X2 cos2 0О_______________________________cos 0О ’ l * J
Представляет также интерес оценка времени полета объекта
до цели. Расчетные данные требуемых времен полета МБР на
различные дальности в зависимости от углов запуска 0О приве-
дены на рис. 1.11.
Вращение Земли влияет, во-первых, на начальные условия
свободного движения объекта, запускаемого по баллистической
траектории, т. е. на величину и направление вектора начальной
скорости Vo для пассивного участка траектории, и, во-вторых, на
положение точки пересечения поверхности Земли и эллиптической
траектории ракеты. Поэтому при расчете траекторий баллистич^-
3Q
Рис. 1.10. График зависимости между дальностью стрельбы,
Рис. 1.11. График времени полета МБР до цели
27
ских объектов, учитывая вращение Земли, их выбирают таким
образом, чтобы экстраполированные точки падения головных ча-
стей и ложных целей находились в плоскостях соответствующих
траекторий и были удалены на заданное расстояние от точки стар-
та МБР.
Рис. 1.12. к оценке истинной точки
падения баллистического тела:
а — система координат; б определение
абсолютных величин ^скорости, угла на-
клона траектории и азимута
Формулы [1.5—1.7] определяют высоту и дальность полета бал-
листического объекта в инерциальной системе координат. Для
пользования на практике этими формулами необходимо опреде-
лить абсолютную начальную скорость ГЧ или ЛЦ, равную сумме
относительной Vo и переносной Wo скоростей на широте отделения
головной части и средств ее защиты от корпуса МБР (рис, 1.12).
28
С учетом переносной скорости Земли
Wo = <o8 (R + Но) cos р0
[18]
значения абсолютных величин скорости, угла наклона траектории
и азимута в начальный момент времени свободного полета тела
равны:
voa6c = rcos2®oCos2a0+ fcos0ocosao + -^y+sin20o1-v-> [1.9]
L. \ Vo / J To
eOa6c = arcsin-V°-sinQ° , [1.101
V о абс
COS 0q COS otn f 1 1 1 1
а0абе=аГССОЗ y.--- -----° 0 2 , [1.11]
1/ COS2 0O COS2 Oto 4- ( COS 0O sin a0 + —Д )
r \ Vo J
где <03 = 7,29 • 10~5 сек-1 — угловая скорость вращения Земли;
ao—азимут стрельбы МБР (угол между меридиональной плоско-
стью и проекцией вектора скорости на касательную плоскость; по-
ложительное направление отсчитывается по часовой стрелке);
0о — геоцентрическая широта.
По формулам [1.5—1.11] можно определить эллиптическую даль-
ность. Далее по известному азимуту находится точка пересечения
траектории тела с неподвижной Землей в некотором широтном
поясе. Учет суточного вращения Земли W0T позволяет определить
истинную точку падения головной части или ложной цели.
Кроме того, при отделении головных частей и ЛЦ необходимо
учитывать и несферичность Земли. Поправка, обусловленная не-
сферичностью, может составить 10—12 км при дальностях стрель-
бы 6—8 тыс. км. Такое рассеяние целей, например, при поражении
точечных объектов ракетами «Минитмен-3» является недопусти-
мым.
Точность попадания баллистических целей в объект в основ-
ном зависит от характеристик систем управления МБР и способов
отделения целей от ракеты. В известной степени характеристики
рассеивания определяются также выбором траекторий. •
Оценку точности попадания в цель рассмотрим в предположе-
нии, что возмущения баллистических объектов в свободном по-
лете ничтожно малы. В этом случае траектория свободного полета
тела и мера отклонения точек попадания объекта полностью опре-
деляются шестью пространственными параметрами в начальный
момент времени его свободного полета. Возмущения, действующие
на объект в момент начала свободного полета, могут носить как
случайный, так и систематический характер.
Ошибки системы управления, связанные с ориентацией послед-
ней ступени МБР, с задержкой или опережением выключения дви-
гательной установки ракеты, ошибки системы отделения ложных
29
целей, обуславливающие задержку времени их выброса в конце
активного участка траектории МБР, отклонение тяги двигателя
выброса от номинальной, наличие эксцентриситета тяги, измене-
ние углов ориентации направляющих труб в пространстве и т. п.
приводят к возникновению возмущений по следующим координа-
там (рис. 1.13):
— дальности стрельбы AZ;
• — высоте начала свободного полета АН;
— отклонению действительной плоскости стрельбы от расчет-
ной Az;
— величине начальной скорости движения AV;
— углу Д0 запуска объекта;
— углу Дф между вектором скорости в действительной плоско-
сти стрельбы и его проекцией на расчетную плоскость.
Отклонение точки падения баллистического объекта от расчет-
ной (точки прицеливания) возможно в двух направлениях: по
дальности AL и в боковом направлении AZ.
Очевидно, что если не учитывать вращение Земли, то ошиб-
ки А/ и АН не повлияют на боковое отклонение AZ точки падения.
Поперечная ошибка Аг не влияет на дальность полета. Ана-
логичным образом ошибки AV и Д0 приведут к отклонению точки
падения баллистического объекта по дальности, а Дф вызовет лишь
боковое отклонение точки падения. Таким образом,
ДЬ —ДЬ(ДУ, Д0, ДН, Д/), [1.12]
Д2 = Д2(Дф, Дг). [1.13]
Поскольку дальность полета ракеты и ее боковое смещение
у цели являются функциями нескольких независимых переменных,
то, пользуясь методом малых отклонений, получим в линейном
приближении, что
4L = W4V + -»-49 + >r4H + T4'. П.141
42 = >4'1'+>4г- 11Л51
Значения частных производных в выражениях [1.14 и 1.15] бе-
рутся для расчетной точки выключения двигателя последней сту-
пени БР. Эти частные производные, называемые линейными коэф-
фициентами ошибок, вычисляются по формулам:
~ = ~ [sin Ф + ctg 0 (1 - COS Ф)], [1.16]
= 2R Г sin (Ф j~ 29) -11, [1.17]
дВ L sm 20 J ’ 1 J
= 2 ctg О —-os (Ф ф, [1.18]
dH & sin 0 ’ 1 J
<*z ЛяпФ [119]
дф cos 0 ’ L J
= cos Ф. [1.20]
Коэффициент ошибки равен единице, поскольку измене-
ние продольного положения точки выключения двигателей ракеты
на А/ приводит к смещению на эту же величину всего пассивного
участка траектории.
Зависимости коэффициентов ошибок [1.16—1.18] от угла запу-
ска 0 ракеты при различных значениях дальности полета L пред-
ставлены на рис. 1.14, 1.15, 1.16.
Как видно из рис. 1.14, коэффициент ошибки -^->’0. Это
свидетельствует о том, что увеличение скорости БР относительно
расчетной (AV>0) приводит к перелету по дальности.
51
Кривые, представленные на рис. 1.15, показывают, что ошибка
в задании начальной скорости ракеты проявляется более заметно
при малых углах запуска 0, которые являются характерными для
МБР и БРСД. При заданной дальности стрельбы ошибка ДУ ока-
зывает меньшее влияние на точность попадания в цель при исполь-
зовании навесных (относительно оптимальной) траекторий. Анало-
Рис. 1.14. Коэффициент ошибки
дУ
гичным образом использование навесных траекторий снижает ве-
личину ошибки в дальности стрельбы, вызванной отклонением вы-
соты начала свободного полета ГЧ (рис. 1.16).
В теории стрельбы в качестве характеристик рассеивания БР
(рис. 1.17) часто используются не среднеквадратические отклоне-
ния oL, az, а вероятные отклонения по дальности (Вд) и в боковом
направлении (Вб). Вероятное отклонение Вд. й связано со сред-
неквадратическим отклонением
2^ = 0,6745^. [1.21]
32
'5
20
=3,438'=206,3")
331.
Формулы для расчета составляющих среднеквадратических от-
клонений получаются из [1.14—1.20]
а. = -х— з ,
Li dq{ Qi’
az
zj dqj qj
[1.22]
[1.23]
где qPj— обобщенные параметры ошибок.
Рис. 1.17. Эллипс рассеяния БР
Суммарная ошибка aL, jz для независимых составляющих нахо-
дится по формуле
[1.24]
Определим требования, предъявляемые к параметрам начала
участка свободного полета ГЧ, задаваясь рассеянием составляю-
щих ошибки по дальности, равным 0,01 % дальности стрельбы:
а. == а, = а. = а. = 10“4L.
Ly Lq Lpj L(
Результаты расчета для дальностей L = 2000 км и L=10 000 км
=0,2 км и aL^ = l,0 км соответственно) при оптимальном
угле запуска БР* представлены в табл. 1.4.
* При расчете ае углы запуска взяты несколько больше оптимальных
6=45° и 0=27°.
34
Таблица 1.4
Параметры конца активного участка МБР
Параметр Дальность стрельбы L, км
2000 10 000
0, град 40,5 22,5
V, км/сек 4,1 7,2
Н, км 90 210
0L , км - сек/м dV 1,15 6,05
0L , км/мрад —0,62 -3,5
0L дН 1.5 5,8
®v/V 4-Ю"5 2-Ю-5
Ge , уГЛ. МИН 1.1 1.0
ан/Н 1,5-10—3 0,82-Ю-3
<WZ 2-Ю-3 2-10—3
При расчете кинематических параметров участка начала сво-
бодного полета ГЧ были использованы приближенные зависимости
H^Ztg©, [1.25]
Z»O,O5L. [1.26]
В табл. 1.5 приведены характеристики рассеивания некоторых
стратегических ракет США.
Таблица 1.5
Характеристики рассеивания некоторых стратегических ракет
Ракета Наибольшая дальность полета, км Радиус круга рас- сеивания, км в» вл д б
L L макс макс
„Поларис-А1“ 2200 1.6 1/2400
„Поларис-А2* 2 800 1.6 1/3100
гМиниГмен-1“ 10140 1,2 1/14800
„Минитмен-2* 11680 0,8 1/24500
1.5. Дальность действия РЛС обнаружения
Дальность действия Ro определяется как расстояние, на кото-
ром цель обнаруживается с заданной вероятностью р. Дальность
действия РЛС зависит не только от технических данных радиоло-
катора, но и от свойств наблюдаемых целей (величины ЭПР и
35
характера ее флюктуаций). Поэтому при определении Ro фикси-
руется тип цели. Для ориентированных в пространстве баллисти-
ческих объектов расчет характеристик обнаружения рекомендует-
ся проводить, представляя отраженный от цели сигнал в виде
нормального случайного процесса. Это соответствует предположе-
нию, что в пределах ограниченной группы лепестков диаграммы
вторичного излучения распределение мощности близко к экспо-
ненциальному, а распределение амплитуды к релеевскому.
Обнаружение цели с релеевскими флюктуациями амплитуды
изучено наиболее полно. Вероятность обнаружения вращающейся
баллистической цели оценивается путем усреднения вероятностей
по соответствующим углам наблюдения.
Рассмотрим расчет дальности действия РЛС по цели с релеев-
скими флюктуациями, так как данный случай представляет наи-
больший практический интерес.
Поскольку баллистические цели обнаруживаются, как прави-
ло, в результате некогерентной обработки пачки импульсных
сигналов, запишем вероятность обнаружения некогерентной пачки
импульсов
p = p(q, F, п), [1.27]
где q — отношение сигнал/шум по каждому импульсу;
F — вероятность ложных тревог;
п — число импульсов в пачке.
Вероятность ложных тревог F для наземных РЛС обнаружения
обычно выбирают в пределах 10~4—10~6.
Число импульсов в пачке зависит от полного времени наблю-
дения Тн, периода повторения импульсов Тп и числа угловых ка-
налов S, которые просматривают РЛС в заданном секторе:
п5Гп = Гн.
По известным n, F и заданной вероятности р из [1.27] находят
отношение сигнал/шум q, определяющее дальность действия РЛС
в соответствии с уравнением радиолокации
d4 РРЛС°РЛСАгсср^с М OQ1
(4^РМИН ’
где
Ррлс — мощность передатчика;
Орлс — коэффициент усиления передающей ан-
тенны;
Аг —эффективная площадь приемной антенны;
аср — среднее значение ЭПР на интервале на-
блюдения Тн;
Lc — коэффициент, учитывающий потери сиг-
нала при его распространении;
Рмин = qNmAfnp — чувствительность приемника (величина
порогового сигнала);
36
Afnp— полоса пропускания допплеровского филь-
тра приемника;
Nm = кТэф — плотность мощности собственных шумов,
приведенная ко входу приемника;
к — постоянная Больцмана
(1,4 • 10“23 вт/град • гц);
ТЭф — эффективная шумовая температура при-
емного устройства.
Связь между полосой пропускания Afnp и длительностью зон-
дирующего импульса Ти определяется приближенным соотноше-
нием Д1др=1/Ти. Характеристики обнаружения, близкие к опти-
Рис. 1.18. Зависимость <?(n, р) для
пачки импульсов
мальным, обеспечивает междупериодная обработка сигналов, за-
ключающаяся в квадратичном суммировании огибающих. Соот-
ветствующие зависимости отношений сигнал/шум q (по каждому
импульсу) от числа накапливаемых импульсов п приведены на
рис. 1.18. А поскольку эффективность междупериодной обработки
зависит от эффективной ширины спектра флюктуаций сигнала
А/ф, характеристики обнаружения на рис. 1.18 построены для трех
значений параметров флюктуаций: АТфТн = О (медленные, флюк-
туации); АГфТн^>1 (быстрые флюктуации) и А!фТн=1 (промежу-
точный случай).
37
Как следует из графиков, выявляющих оптимальные или близ-
кие к ним характеристики обнаружения некогерентной пачки,
для п=8 при вероятности р от 0,5 до 0,99 величина q изменяется
в пределах 3—300 для медленных флюктуаций сигнала и 2—8
для быстрых флюктуаций.
В автоматизированных РЛС обнаружения для увеличения бы-
стродействия и пропускной способности системы обработки вме-
сто аналогового накопления применяется цифровая двухпороговая
схема обнаружения, работающая по правилу «к» из «п».
В данной схеме решение о наличии цели принимается в том слу-
чае, если более чем к импульсов из п возможных превышают по
амплитуде порог, определяемый вероятностью F ложных тревог.
Для прямоугольной пачки независимо флюктуирующих им-
пульсов вероятность правильного обнаружения пачки
п
р=2ад(1-ро)п-1. i1-29!
1=к
где ро — вероятность превышения порога каждым импульсом, опре-
деляемая, например, по графикам рис. 1.19а.
Вероятность ложного обнаружения пачки
п
Р= 2ОД(1 - F0)n-i. [1.30]
l=k
Зависимости вероятности цифрового обнаружения от величи-
ны q отношения сигнал/шум для нескольких типовых случаев по-
строены на рис. 1.196 (расчеты проведены по формуле [1.29] и
графикам рис. 1.19а).
Наличие некоторого количества к отметок цели дает возмож-
ность не только обнаруживать цель, но и одновременно измерять
параметры ее траектории.
Энергетические потери цифрового накопления по сравнению с
квадратичным при 100>п>6, р=0,5 и F=10~6 составляют не-
сколько децибелл.
Итак, для широкого класса наблюдаемых целей (с медлен-
ными и быстрыми флюктуациями ЭПР) цифровому обнаружению
пачки из п импульсов соответствуют следующие пороговые отно-
шения сигнал/шум (F=10~6, п = 10—20):
q= 10 — 25 дб при р = 0,99;
q = 5 — 10 дб при р = 0,5.
Оценим дальность действия РЛС дальнего обнаружения на
примере РЛС AN/FPS-50.
Характеристики РЛС, принимаемые для расчета: РРлс = ЮМвт,
Орле = 25 000, Аг = 1000 м2, Ти=2000 мксек, Lc = 0,5, q=200,
ТЭф=700°. Величине ТЭф = 700° соответствует чувствительность
приемника Рмин=Ю-15 вт. При этом дальность действия РЛС,
рассчитанная по формуле [1.28], составляет 5300 км по цели с
Оср= 1 М2,
38
Для уменьшения времени, затрачиваемого на обнаружение,
обычно производится построчный обзор пространства на несколь-
ких углах места — так называемое барьерное обнаружение. При
этом фактическая дальность обнаружения определится точкой пе-
ресечения баллистической траектории цели с плоскостью обзора
и может оказаться существенно меньше расчетной дальности дей-
ствия РЛС. В этой связи возникает задача оптимизации выбора
Рис. 1.19. Зависимость обнаружения импульсного сигнала от
сигнал/шум:
я —при различных вероятностях ложных тревог; б — при двухпороговом
q— отношение сигнал/шум; р — вероятность обнаружения
отношения
обнаружении;
угла места плоскости обзора и числа барьеров обнаружения. Для
пояснения достаточно рассмотреть простейший случай размеще-
ния РЛС в плоскости полета МБР.
Без учета вращения Земли и рефракции электромагнитных
волн для решения задачи необходимо определить координаты точ-
ки пересечения луча РЛС с эллипсом траектории МБР. Уравне-
ние луча РЛС в полярной системе координат с полюсом в центре
Земли и положительным направлением оси отсчета X (рис. 1.20),
проходящим через апогей эллиптической траектории МБР, имеет
вид
Pi =----7----£-------V’ Pi = R cosa>
COs(<p + -^-+a— 8)
где pi — величина радиус-вектора луча РЛС;
Pi — параметр луча РЛС;
<р—центральный угол;
<р0—угловая дальность полета МБР;
a — угол возвышения луча над радиогоризонтом;
8 _ угловая дальность выноса РЛС от точки прицеливания
МБР;
R—радиус Земли.
39
Полярное уравнение эллиптической траектории МБР в той же
системе координат записывается следующим образом:
__ р2_____ _________На_______
Р2 1+есозу ’ е~ R^_cos^.J+Ha ’
где р2 — радиус-вектор эллипса;
р2 — параметр эллипса;
е — эксцентриситет;
На — высота траектории МБР в апогее.
Полагая в точке обнаружения цели pi =рг> определяем угловую
дальность РЛС — цель в момент ее обнаружения
Фобе = arcsin [-д2-|в2' (р1в + А КА2 + В2- р2)] - (те - - 8,
А = pie + p2cos + а — 8
40
В = — р2 sin + а — з),
откуда дальность прямой видимости Дп. в без учета смещения угла
возвышения цели а вследствие рефракции радиоволн равна
Дп.в — R
sin сробн
COS (<Робн + «)’
На, км
Рис. 1.21. Зависимость дальности прямой видимости от угла
подъема луча а и выноса РЛС при 3=0° (сплошные кри-
вые) и 8=9° (пунктир)
Зависимости дальности обнаружения цели от высоты апогея,
угла возвышения луча над горизонтом и угловой дальности выноса
РЛС при стрельбе МБР на дальность 10 тыс. км (без учета реф-
ракции радиоволн) представлены на рис. 1.21..
41
Явление рефракции радиоволн создает впечатление, что обна-
руживаемый объект имеет больший угол возвышения, чем это есть
на самом деле. Рефракция радиоволн является результатом изме-
нения плотности верхних слоев атмосферы и электромагнитных
свойств ионосферы. Рефракция в верхних слоях ионосферы не
зависит от типа РЛС и ее несущей частоты, в то время как
Рис. 1.22. Зависимость рефракции угла
возвышения от наклонной дальности
на УКВ. а — наблюдаемый угол воз-
вышения
в нижних слоях ионосферы величина рефракции находится в
обратной зависимости от частоты РЛС. На частотах больше
5000 Мгц ионосфера оказывает незначительное влияние, которым
обычно пренебрегают, а в диапазоне частот, меньших 5000 Мгц,
влияние ионосферы оказывается очень заметно. Для частот менее
5000 Мгц зависимость рефракции от ионосферы может быть такая
же, как в нижних слоях атмосферы. Неопределенность предсказа-
ния величины рефракции для низкочастотных сигналов в ионосфере
связана с тем, что активность ионосферы претерпевает большие
изменения в течение суток.
В качестве иллюстрации на рис. 1.22 показаны графики по-
грешности Дареф угла возвышения вследствие рефракции на УКВ.
42
График характеризует рефракцию в обычный июльский день. На
нем нанесена типовая траектория МБР. Истинный угол возвыше-
ния находится из соотношения аи = а—Дареф.
При определении дальности действия систем возвратно-наклон-
ного зондирования можно пользоваться соотношением, выведенным
для обычного радиолокатора (с учетом отражающих слоев).
ГЛАВА 2
ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ ПОЛИГОНЫ США
И ИХ РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Разработка и совершенствование системы ПРО и средств РПД
неразрывно связаны с обширной программой экспериментальных
работ, проводимых на испытательных полигонах. В этой связи це-
лесообразен краткий обзор технических возможностей иностран-
ных полигонов и полигонного оборудования.
2.1. Испытательный полигон Эглин
Полигон Эглин протяженностью 720 км (до острова Ки-Уэст)
расположен в северо-западной части полуострова Флорида и соз-
дан в 1957 г. Он является научно-исследовательским центром по
отработке методик измерений параметров траекторий ИСЗ и МБР.
На нем проводятся испытания по перехвату целей системами
«земля — воздух» и «земля — космос».
В районе стартовых позиций находятся радиотелеметрические
станции и контрольная аппаратура для проверки бортовых
устройств ракет-перехватчиков (рис. 2.1). В центре управления
полигоном размещены радиолокаторы слежения за ракетами
AN/FPS-16, одна РЛС AN/FPS-85, а также кинотеодолиты, опти-
ческие следящие устройства и планшет-индикатор для визуального
наблюдения процесса перехвата целей.
На измерительном пункте мыса Сан-Блас имеются РЛС
AN/FPS-16, радиотелеметрические станции, радиолокаторы MPQ-9
и РЛС MPQ-31 (модификация РЛС SCR-584), предназначенные
для измерения траекторий мишеней. Аналогичное оборудование
установлено и в измерительном пункте Анклот.
В центре управления мишенями, расположенном в . Панама-
Сити, задействованы несколько РЛС MPQ-9. Кроме того, РЛС
AN/FPS-16, MPQ-9 и MPQ-31 установлены на острове Марко.
Остров Ки-Уэст имеет РЛС MPQ-9, MPQ-31 и несколько радиоте-
леметрических станций.
На полигоне Эглин размещена также система MATTS, пред-
назначенная для измерения взаимного положения ракеты и мише-
44
ни в районе перехвата. База между двумя РЛС, входящими в си-
стему, составляет около 70 км. Все измерительные пункты полиго-
на связаны между собой службой единого времени.
Рис. 2.1. Схема испытательного полигона Эглин
2.2. Западный испытательный полигон
Западный испытательный полигон (штат Калифорния) пред-
назначен для обеспечения запусков и испытаний баллистических
ракет, ИСЗ, летающих мишеней, а также для отработки элементов
системы ПРО. Ранее Западный испытательный полигон находился в
ведении ВМС и именовался Тихоокеанским ракетным полигоном,
но в конце 1963 г. был передан ВВС, после чего получил сущест-
вующее название.
Полигон включает в себя (рис. 2.2): военно-космический центр
в Ванденберге, приморский опытный полигон в Пойнт-Мугу, сухо-
путный полигон к востоку от Тихоокеанского побережья Калифор-
нии, авиабазу Эдвардс, боевое поле в Дагуэе, полигон ВМС в
Пойнт-Аргуэлло, зону Гавайских островов, районы атоллов Квад-
желейн и Эниветок.
45
Рис. 2.2. Схема Западного испытательного полигона:
/ — район запуска управляемых снарядов; 2 — границы воны полета БРСД; 3— трасса для запуска спутников на полярные орбиты; 4 —•
трасса БРДД и БРСД; 5 —трасса для. запуска спутников на экваториальные орбиты; 6 — испытательный полигон Бумера (Австралия)а
7 — директриса стрельбы
46
Трасса полигона для испытаний оперативно-тактических ракет
и МБР простирается на запад от Пойнт-Аргуэлло в направлении
атолла Уэйк и занимает сектор по азимуту 221—ЗОГ. •
Зоной падения ГЧ МБР служит район атолла Эниветок (Мар-
шалловы острова), где функционируют средства точного опреде-
ления координат точек падения ГЧ и слежения за ней на участке
атмосферного спуска.
На Западном испытательном полигоне проводились, например,
испытания ракет «Найк-Зевс», «Поларис», «Минитмен», а с
1968 г. — летные испытания АР «Спартан». С авиабазы Ванден-
берг запускаются ИСЗ военного назначения, МБР со средствами
преодоления системы ПРО, ведется наблюдение за ИСЗ, запускае-
мыми с территории СССР.
Кроме того, на авиабазе Ванденберг сосредоточены средства
для обучения и тренировки личного состава ракетных частей, в ча-
стности в подземных шахтах для запусков МБР «Минитмен» и
«Титан». На авиабазе Ванденберг сооружен также стартовый ком-
плекс для запуска ракеты-носителя «Титан-ЗС» (аналогично ком-
плексу на мысе Кеннеди) для проведения испытаний обитаемой
орбитальной станции MOL.
С 1970 по 1972 г. с базы Ванденберг планировался запуск
80 МБР «Минитмен-1» с ГЧ, способной имитировать вход в атмо-
сферу головных частей МБР вероятных противников. Указанные
МБР предполагалось оснастить специальным отсеком, осуще-
ствляющим стабилизацию и ориентацию ГЧ при выбросе с борта
ракеты одного-двух десятков ложных целей.
К югу от базы Ванденберг расположен Пойнт-Аргуэлло. При-
легающий к Пойнт-Аргуэлло район представляет собой гористую
местность площадью около 8000 га, пересеченную глубокими кань-
онами. Американские специалисты считают, что размещение старто-
вых площадок в каньонах обеспечивает безопасность и скрытность
запусков ракет.
Станция сопровождения AN/FPS-16 находится на самом южном
из Гавайских островов, в 320 км от Гонолулу. Действующий вул-
кан Муана Лоа защищает станцию от радиопомех со стороны
района Гонолулу. Это облегчает станции сопровождение объектов,
уходящих в дальний космос с азимутом 15—340° при угле возвы-
шения антенны до 4°.
Основные средства полигона, предназначенные главным обра-
зом для распознавания целей и обеспечения запусков антиракет
ПРО, расположены на четырех атоллах и островах: Кваджелейн,
Эннилабеган, Гугеэгуэ и Рой-Наму.
На атолле Кваджелейн построен экспериментальный огневой
комплекс АР «Спартан». Предусматривается при отработке систе-
мы ПРО в качестве мишеней использовать около 175 МБР «Ми-
нитмен» со специальной ГЧ, «Атлас» и «Поларис». Запускать эти
МБР предполагается с базы Ванденберг и с подвижных океанских
платформ. С 1968—1969 гг. на атолле Кваджелейн намечалось
ввести в строй экспериментальную РЛС МСР (MSR), а затем и
47
РЛС ТАКМАР (TACMAR). Также планируются эксперименты с
разделяющимися головными частями ракет. Для этого предпола
гается создать центральную систему обработки радиолокационных
данных, полученных от разделяющихся головных частей.
На островах Эннилабеган и Гугеэгуэ расположены главным об-
разом телескопы, кинотеодолиты и средства радиосвязи, а на
острове Рой-Наму (80 км севернее атолла Кваджелейн) и специ-
альные радиолокационные станции со стартовыми площадками
для запуска антиракет.
Для измерения радиолокационных характеристик ГЧ МБР при
полете на внеатмосферном участке траектории на острове Рой-
Наму построена РЛС АЛТАИР (ALTAIR) и строится РЛС АЛКОР
(ALCOR). В последние годы наблюдения за ГЧ с острова Рой?
Наму на участке атмосферного спуска проводились с помощью
РЛС «Традекс» (TRADEX), работавшей на частотах 425 и
1320 Мгц. После ввода нового оборудования необходимость в РЛС
«Традекс» для измерения сигнальных характеристик ГЧ отпадает,
и она будет работать на одной частоте как станция слежения.
С этой целью доработка РЛС «Традекс» идет в направлении обес-
печения высокой разрешающей способности по дальности и одно-
значных измерений допплеровской частоты.
Помимо РЛС, на острове Рой-Наму имеются оптические реги-
стрирующие установки: 48-дюймовый (122-см) следящий телескоп,
фиксирующий спектр излучения головных частей в видимых лу-
чах, и оптические следящие устройства типа POTI. Измерения в
ИК- и УФ-диапазонах производятся также и со специального са-
молета.
В 4450 км от Гонолулу находится зона атолла Эниветок, пред-
ставляющая собой 40 мелких коралловых островов, расположен-
ных вокруг овальной лагуны размерами 40X32 км. Южная часть
лагуны используется как площадь, в которую должны падать го-
ловные части МБР, запускаемые из района Пойнт-Аргуэлло и
авиабазы Ванденберг. Основные средства зоны сосредоточены на
островах Фред, Элмер, Уайвон и Дэвид. На острове Дэвид разме-
щена система MILS, предназначенная для засечки точек падения
головных частей МБР.
Основными измерительными станциями Западного испытатель-
ного полигона являются AN/FPS-16 и AN/FPS-25 (подвижный мо-
дифицированный вариант AN/FPS-16). Часть этих РЛС располо-
жена на островах.
В состав измерительного комплекса входят около десяти ко-
раблей, оборудованных радиолокаторами и радиотелеметрически-
ми станциями, и специальные самолеты.
Так, судно «Range Tracker» имеет: РЛС AN/FPS-16, аппарату-
ру для приема, записи и воспроизведения данных телеметрии, обо-
рудование для приема и передачи сигналов времени, аппаратуру
для обработки данных, приемопередающие устройства УКВ- и
KB-диапазонов. На других судах имеются допплеровские системы,
48
измерительные РЛС AN/SPQ-8, высотомеры AN/SPS-8A и пелен-
гаторы.
Самолеты применяются в тех случаях, когда испытания рас-
пространяются на районы, лежащие за пределами дальности дей-
ствия стационарных и корабельных радиосредств. Задачи сопро-
вождения объектов выполняют самолеты ЕС-121К (скорость
370 км/ч, дальность полета 6500 км), оснащенные РЛС AN/APS-20.
В дальнейшем для слежения за головными частями, ложными
целями и АР предполагалось использовать специальный корабль
«Sentinelfoarm», оснащенный усо-
вершенствованной контрольно-из-
мерительной аппаратурой. Проек-
тируется также специальный ко-
рабль, оборудованный радиотех-
ническими средствами для сле-
жения за головными частями экс-
периментальных ракет, запускае-
мых в Тихий океан (результаты
обработки измерений предназна-
чаются для отработки элементов
системы «Сейфгард»).
2.3. Полигон Уайт-Сандс
£
„Рампарт Рлс L->
65км
PN/FPS-I6
PNjFPS-16
Трасса
стрельбы
flN/FPS-16
PN/FPS-16
•'РЛС L-Оиапазона
РЛС Р-диапазона
\ANlFPS-16
Рис. 2.3. Схема испытательного поли-
гона Уайт-Сандс
Полигон расположен между
хребтом Сан-Андреас и горным
районом Сокраменто (штат Нью-
Мехико) . На этом полигоне в
1946 г. проводились испытания
немецких ракет ФАУ-2. В настоя-
щее время полигон является ос-'
новным полигоном по отработке
средств системы ПРО. На поли-
гоне проводились испытания АР
«Найк-Зевс», «Спринт» и «Хай-
бекс».
Полигон Уайт-Сандс вытянут с юга на север на 200 км, его
ширина около 65 км (рис. 2.3). Командно-вычислительный центр
полигона и стартовые позиции антиракет расположены в южной
часпй. Из основных радиотехнических средств применяются РЛС
AN/FPS-16, «Рампарт» (RAMPART), «Амрад» (AMRAD), «Хап-
дар» (HAPDAR), допплеровские системы измерения координат
DOVAP, а также система измерения промаха (индикатор
AN/USQ-11). Для непосредственного измерения скорости целей
используется РЛС AN/MPS-36.
В указанный комплекс радиолокационных средств входит так-
же пара двухчастотных РЛС с игольчатой диаграммой направлен-
ности. Эти РЛС имеют по два передатчика мощностью 3 Мвт каж-
дый, работающих в L- и дециметровом диапазонах волн (см. при-
3—754 49
ложение 1) на мощных клистронах с водяным охлаждением. Одна
из РЛС, установленная в северной части полигона, имеет 9-метро-
вую параболическую антенну, другая, расположенная в южной ча-
сти полигона, — антенну диаметром 25 м. Имеются сведения, что
эта РЛС в настоящее время перестраивается из L-диапазона в
метровый диапазон.
Данные измерений ЭПР объектов, входящих в атмосферу, на-
капливаются с целью создания каталога «радиолокационных об-
разцов». При этом необходимо отметить, что в индикаторных уст-
ройствах перечисленных станций фиксируются не просто отметки
целей, а амплитуды отраженных от цели сигналов, что поз*воляет
получать наиболее полные данные о конфигурации целей.
2.4. Австралийский полигон Вумера
Решение о строительстве полигона принято правительствами
Англии и Австралии еще в 1946 г. с целью испытаний систем ра-
кетного вооружения.
Стартовые позиции ракет (рис. 2.2) были построены в районе
деревни Вумера. Основной центр полигона расположен в районе
городов Солсбери и Аделаида в 480 км от стартовых позиций. Про-
тяженность трассы полигона составляет 2000 км (трасса проходит
над малонаселенными районами страны).
Ввиду благоприятных метеорологических условий (до 330 ясных
дней в году) на полигоне в качестве основных измерительных
средств приняты оптические. Из радиотехнических средств на по-
лигоне применяются несколько РЛС AN/FPS-16, размещенных в
районе Вумера, РЛС AN/TPQ-18 в конце испытательной трассы и
система для передачи и приема информации о ракетах и спут-
никах.
В 1968 г. на полигоне проводились работы по сигнальной се-
лекции ГЧ МБР в метровом диапазоне длин волн. Полученные
результаты засекречены, однако сообщалось, что «испытания сле-
дует считать успешными». Применявшиеся при этом сверхмощные
когерентные РЛС «Dazzle» и «Sparta» использовали для селекции
ГЧ информацию об изменении фазы отраженного сигнала.
2.5. Восточный испытательный полигон
Восточный испытательный полигон (полуостров Флорида), соз-
данный в 1950 г., является основным центром США по испытаниям
МБР и управляемых снарядов.
, В состав полигона входят авиабаза Патрик, являющаяся науч-
но-административным центром, и база на мысе Кеннеди, где нахо-
дятся основные стартовые позиции, оборудование для запуска
МБР и аппаратура для слежения за ракетами на начальном уча-
стке их траектории.
На полигоне проводились испытания МБР «Атлас», «Титан»,
«Минитмен», «Юпитер», «Тор», «Поларис», «Посейдон». Основные
50
измерительные средства полигона располагаются в пунктах
1—12 (рис. 2.4).
На каждом пункте наблюдения имеются по две РЛС сопро-
вождения AN/FPS-16, радиотелеметрическая станция, оптические
и инфракрасные локаторы для слежения за МБР. Радиотехниче-
ские и оптические средства работают как в импульсном, так и в
непрерывном режимах.
Рис. 2.4. Схема Восточного испытательного поли-
гона:
/ — мыс Кеннеди; 2 — мыс Юпитер; острова: 3 — Боль-
шая Багама; 4 — Эльютера; 5 — Сан-Сальвадор; 6 —
Мая Гуана; 7 — Гранд-Теркс; 8 — Гаити; 9 — Мэйгуэй;
10 — Санта-Люсия; 11 — Фернанду-ди-Норонья; 12 — Воз-
несения; ± —корабли наблюдения
Радиотехнические системы Восточного испытательного полиго-
на имеют:
— систему измерения параметров траектории и скорости МБР
на активном участке, систему определения ожидаемой точки па-
дения гч, ложных целей и т. д. (система имеет вычислительные'
машины и планшет-индикатор, на котором прочерчиваются трассы
полета ГЧ, ЛЦ, корпуса МБР);
— систему SECOR для измерения параметров траектории го-
ловной части МБР на внеатмосферном участке ее полета;
— системы DOVAP, DOPLOC, определяющие параметры тра-
ектории ГЧ, ЛЦ и скорости их полета;
8*
51
— систему ELSSE для измерения параметров траектории МБР
по сигналам бортового радиотелеметрического передатчика и
сравнения их с расчетными;
— систему ARCAS для сопровождения МБР (содержит шесть
РЛС и вычислительные устройства, расположенные на авиабазе
Патрик, мысе Кеннеди, островах Большая Багама, Сан-Сальвадор,
Пуэрто-Рико и Антигуа);
— РЛС AN/FPS-16 слежения за ИСЗ и измерения параметров
траектории МБР (локаторы размещены на авиабазе Патрик, мысе
Кеннеди, островах Большая Багама и Сан-Сальвадор);
— РЛС AN/FPS-18 (подвижный вариант AN/FPQ-6), пред-
назначенные для сопровождения ГЧ, ЛЦ, корпусов МБР (дисло-
цируются в районе мыса Кеннеди, на авиабазе Патрик, на остро-
вах Большая Багама, Гранд-Теркс, Вознесения, Антигуа);
— РЛС MPQ-12 (модифицированный вариант РЛС SCR-584),
работающую по пассивным целям (установлена на мысе Кеннеди);
— систему MISTRAM для точного измерения координат и ско-
рости МБР и ИСЗ по сигналам радиомаяка (дислоцируется в рай-
оне мыса Кеннеди и на островах Большая Багама);
— систему STAR, контролирующую водное пространство с
целью определения мест падения головных частей и ступеней МБР
(размещена на кораблях). Принцип работы системы основан на
акустической пеленгации взрывов зарядов, размещенных на ГЧ и
в корпусе МБР. Эта система позволяет определять точки падения
ГЧ в радиусе нескольких сот километров от корабля с точностью
до нескольких километров.
В состав каждой станции системы ARCAS входит РЛС сопро-
вождения AN/FPQ-6. Целеуказание и команда на включение
станции выдаются с вычислительного центра. Непрерывный авто-
матический контроль работы РЛС позволяет оперативно опреде-
лять ошибочные показания любой станции с целью исключения ее
из измерительного комплекса.
Для обеспечения измерений при запусках МБР по всей трассе
полигона необходимо располагать свыше десяти кораблей, обору-
дованных РЛС AN/FPQ-4, обзорными локаторами SPN-8, радио-
телеметрическими станциями и аппаратурой для определения свое-
го местоположения с точностью 10—15 м. Радиус действия аппара-
туры каждого судна около 1000 км. Данные о траектории МБР,
полученные с помощью РЛС AN/FPQ-4, сначала должны переда-
ваться на самолет, а с него на мыс Кеннеди. РЛС SPN-8 исполь-
зуются также для определения мест падения ГЧ, корпусов МБР и
ступеней ракет-носителей ИСЗ.
Телеметрическое оборудование полигона имеет более 175 на-
земных радиотелеметрических станций, размещаемых на расстоя-
ниях примерно 500 км. В 1966 г. на полигоне сооружен крупный
наземный телеметрический комплекс для слежения и сбора данных
при запусках МБР и ИСЗ, имеющий в своем составе РЛС типа
AN/FPA-22 и AN/FPA-23.
На полигоне также пришлось установить большое количество
52 •
специальной оптической аппаратуры для съемки процессов схода
МБР со стартового стола, разделения ступеней, отделения ГЧ, от-
стрела средств преодоления системы ПРО.
Для испытаний кассетных ГЧ типа МИРВ (MIRV) полигон мо-
дернизируется. Предусматривается: установка на кораблях аппа-
ратуры для записи радиолокационных характеристик ГЧ типа
МИРВ; установка РЛС слежения, работающих на одном из участ-
ков диапазона 3900—6200 Мгц; оснащение кораблей когерентными
РЛС дециметрового диапазона для сбора данных о возмущениях
атмосферы (спутных следах), сопровождающих полет головных
частей.
Для подводной локации мест падения ГЧ необходима также
модернизация системы гидроакустических станций, расположенных
на трассе полигона. С 1972 г. Восточный полигон намечено обору-
довать дополнительно тремя системами определения траектории
полета испытываемых объектов. Одна из них должна использовать
импульсную РЛС большой мощности, следящую одновременно за
несколькими объектами от точки старта и до точки падения. Вто-
рая система с сетью РЛС непрерывного излучения должна опреде-
лять характеристики объектов с автономными системами наве-
дения. Третья система должна иметь лазерное дальномерное уст-
ройство определения траектории полета ракеты сразу после ее за-
пуска.
2.6. Полигонные РЛС
РЛС AN/FPS-85 с антенной системой из фазированных
решеток (ФАР) с электронным сканированием луча. Антенна
90-элементная, работает в диапазоне дециметровых волн. Исполь-
зование ФАР привело к созданию РЛС «Езар» (ESAR). Испыта-
ния РЛС «Езар» показали возможность автоматического управле-
ния работой РЛС с помощью ЭВМ и легли в основу эксперимен-
тальной станции большой мощности AN/FPS-85 (рис. 2.5), соору-
женной на авиабазе Эглин к 1965 г., но впоследствии уничтожен-
ной пожаром. В 1968 г. был сооружен рабочий образец РЛС. Ан-
тенная система РЛС AN/FPS-85 ориентирована в южном направ-
лении, что позволяет обнаруживать и сопровождать космические
объекты, движущиеся по очень высоким орбитам, с высокой сте-
пенью вероятности. Считается, что РЛС имеет возможность обна-
руживать и сопровождать БРСД, запускаемые с подводных лодок,
МБР, ложные цели и осколки корпусов ракет.
Многофункциональность РЛС определяется высокой скоростью
перемещения луча (время переключения элементов ФАР несколько
микросекунд).
Конструктивной особенностью РЛС является наличие когерент-
ного устройства обработки данных. Оно предназначено для обеспе-
чения достаточной разрешающей способности по допплеровской
частоте, а также когерентного интегрирования отраженных от цели
сигналов. Устройство обработки данных состоит из двух секций —
53
(р/ис. 2.9). Разреженное размещение вибраторов на излучающей
стороне решетки выбрано из расчета амплитудного распределения
Тейлора для получения уровня боковых лепестков около —34 дб.
Линза TACOL, управляемая от ЭВМ, обеспечивает сканирова-
ние луча и трансформацию сферического фронта волны в плоский.
Это приводит к статистическому сглаживанию периодической
функции фазовых ошибок фазовращателей, вызванных дискрет-
ностью, и к уменьшению максимального уровня боковых лепе-
стков.
Рис. 2.9. к принципу действия РЛС «Хапдар»:
а — принцип построения разреженной апертуры; б — принцип построения линзы
с управлением от ЭВМ; /—рупор облучения; 2 — приемные вибраторы; 3 — излу-
чающие вибраторы; 4 — дискретные фазовращатели с нелинейным законом прира-
щения по апертуре; 5 — линза
Пятирупорный облучатель обеспечивает получение независимых
амплитудных распределений (со спадом к краям апертуры для
суммарного и разностного каналов) с низким уровнем боковых ле-
пестков. Коллекторные элементы линзы, выполненные печатным
способом, представляют собой полуволновые диполи с трехэле-
ментными фазовращателями, за каждым из которых устанавли-
вается возбуждающий элемент рупора излучения.
Фазовращатель имеет следующие характеристики: вносимые
потери 1,2 дб; среднеквадратическая ошибка установки фазы 6°;
допустимая импульсная мощность 2 квт (средняя — 20 вт). Пло-
скость антенной решетки отклонена от вертикали на 30°, коэффи-
циент направленного действия антенны 39,5 дб, потери в антенне
3,6 дб.
Уровень боковых лепестков, равный в среднем —40 дб, дости-
гает максимального значения —28 дб. Диаметр рабочей части лин-
зы и фокусное расстояние равны между собой. Антенная решетка
имеет 4300 элементов (2165 активных) с 2165 трехэлементными
фазовращателями. Элементы решетки установлены в вершинах
равностороннего треугольника со стороной 0,676 X.
РЛС «Хапдар» может обнаружить, захватить и сопровождать
60
цели с ЭПР 1 м2 на расстоянии до 370 км при соотношении сиг-
нал/шум, равном 12 дб (с учетом потерь 4,2 дб на распростране-
ние, 3,2 дб на сканирование и 1,5 дб в согласованном фильтре), и
соответствующей вероятности цифрового обнаружения цели с ре-
леевскими флюктуациями по критерию «к» из «п», равной 0,98.
Рис. 2.10. Общий вид РЛС ЗАР:
а — антенная система РЛС ЗАР; б — РЛС ЗАР на по-
лигоне Кваджелейн
Среднеквадратическое значение результирующей ошибки изме-
рений дальности составляет примерно 1/5 (15—20 м) от величины
разрешающей способности по дальности. Все координаты в РЛС
определяются за время одного импульса. Время переключения
луча составляет несколько микросекунд.
РЛС ЗАР (ZAR) (рис. 2.10) проектировалась как основная
РЛС обнаружения и сопровождения огневого комплекса «Найк-
61
когерентного приемника и когерентного интегратора. Аналого-циф-
ровой преобразователь преобразует амплитуды и фазы принятых
сигналов (горизонтальной и вертикальной поляризации) по всем
пяти каналам (от пяти лучей в режиме поиска и сопровождения).
Особенностью AN/FPS-85 является также: применение методов
подавления помех, последовательное обнаружение целей, прием
сигналов с двумя типами поляризаций, оптимальное распределение
мощности в зависимости от дальности до наблюдаемой цели и ее
ЭПР, высокая приспособляемость (около 100 мсек) к быстро из-
меняющейся тактической обстановке.
Рис. 2.5. Радиолокационная станция AN/FPS-85
Создание узкого луча с когерентным излучением большого
числа передающих элементов и наведение лучей в космическом
пространстве требуют точной регулировки фаз всех сигналов РЛС.
Для этого генерируемые сигналы синхронизируются по частоте об-
щим источником синхроимпульсов. Все блоки передатчиков (они
модульные и их 5184) работают в фазе с точностью ±5°. Незави-
симо генерируемые сигналы управления лучом по углу места и
азимуту подаются в передающий модуль. Результирующий сигнал
с фазой колебаний, характерной только для данного модуля, сме-
шивается с импульсами несущей частоты задающего генератора.
Антенные элементы РЛС представляют собой комбинации ди-
польных излучателей, смонтированных группами по 12 элементов.
Расстояние между центрами отдельных вибраторов 0,55 X. Кроме
того, к передающей антенне РЛС AN/FPS-85 отнесены модульные
блоки передатчика, задающих генераторов, модуляторов, контроль-
ные приборы управления лучом и пульт управления модулятором.
Каждый модульный блок объединяет управляющие сигналы по
азимуту и углу места в один управляющий сигнал частотой
100 Мгц, преобразует этот фазированный сигнал в излучаемый
сигнал путем смешения его с сигналом переменной частоты задаю-
щего генератора (537—547 Мгц) и усиливает полученный сигнал
до 10 квт в импульсе.
54
Решетка приемной антенны состоит из антенных панелей, при-
емных модулей, устройства управления лучом, гетеродина, устрой-
ства распределения мощности, калибровочного оборудования и
схемы формирования луча. Приемная антенна содержит 19 500 ви-
браторов, образующих круговую апертуру, по диаметру которой
располагается 152 элемента.
Приемный модуль представляет собой малошумящий суперге-
теродинный приемник на транзисторах с двойным преобразованием
по частоте: в первый смеситель поступает сигнал от местного гете-
родина, управляемого частотным генератором всей системы, во
втором смесителе используется сигнал отклонения луча. После
усиления по высокой частоте с помощью местных гетеродинов фор-
мируются два независимых сигнала первой промежуточной часто-
ты с шириной полосы 1 Мгц, разнесенные на 3 Мгц. Эти сигналы
перед смешением модулируются сигналом с частотой 100 Мгц из
блока управления лучом. В результате создается модулированный
сигнал второй промежуточной частоты (20,5 и 23,5Мгц). Приемный
модуль имеет высокий коэффициент усиления для компенсации по-
терь в пассивной схеме формирования луча.
Вид поляризации (горизонтальная либо вертикальная) опреде-
ляется путем использования для каждого канала сигналов местно-
го генератора с отличающейся частотой. Отдельные распредели-
тельные системы делят поровну 500-ваттную выходную мощность
каждого местного гетеродина между 4660 модулями.
Блок формирования луча (матрица 3X3) образует пучок из
девяти узких лучей шириной 0,4° каждый. В режиме поиска ис-
пользуются все девять лучей, в режиме сопровождения — цен-
тральный и четыре противолежащих друг другу луча.
В системе AN/FPS-85 применяются семь различных сигналов
для трех режимов работы (табл. 2.1): обнаружения, сопровожде-
ния и когерентной обработки. Сигнал поиска длительностью
250 мксек с линейной ЧМ обеспечивает минимальную вероятность
ложной тревоги и спектральную полосу, требуемую для работы без
допплеровских фильтров. Потери в этом случае не превышают по-
тери в допплеровских фильтрах. Модулированный импульс дли-
тельностью 250 мксек, прошедший через линию задержки, обеспе-
чивает хорошее разрешение по дальности.
Поисковый импульс длительностью 10 мксек и простой импульс
сопровождения (1 мксек) позволяют работать с минимальным рас-
ходом энергии по большому числу целей, находящихся на малой
дальности.
В РЛС AN/FPS-85 применяются 11 различных схем сопровож-
дения, подразделяющихся в общем на два типа — сопровождение
известных и неизвестных объектов. При сопровождении известных
объектов для расчета их эфемерид используются записанные в
оперативную память ЭВМ параметры орбиты. Новые данные о па-
раметрах орбиты в режиме сопровождения используются для пред-
сказания траекторий .наблюдаемой цели.
55
Таблица 2.1
Сигналы, излучаемые AN/FPS-85
Наименование сигнала Длительность Назначение
Импульс поиска с ли- нейной ЧМ 250 мксек Поиск на больших дальностях, автосопро- вождение и опознавание РЛ отметок
Простой импульс 10 мксек Поиск на малых даль- ностях
Импульс сопровожде- ния с линейной ЧМ 250 мксек Сопровождение на больших расстояниях
Простой импульс со- провождения 1 мксек Сопровождение на ма- лых расстояниях и поиск БР
Когерентный сигнал Пачка из 40 импульсов Сопровождение в боль-
дальности по 125 мксек. Длитель- ность пачки 1 сек шом диапазоне дально- стей и получение сиг- нальных признаков цели
Когерентный сигнал Пачка из 40 импульсов Измерение допплеров-
скорости по 25 мксек. Длитель- ность пачки 0,2 сек ской частоты и сигналь- ная селекция
Когерентный сигнал Пачка из 40 импульсов Точное сопровождение
точной дальности по 5 мксек, ступенчатая частота, длительность пачки 1,2 мсек по дальности
Импульс калибровки 60 мксек Калибровка (контроль) блоков приемника и пе- редатчика
При сопровождении неизвестных объектов полученные данные
используются для предсказания поведения объекта. Сопровождение
неизвестных объектов и некоторых объектов, требующих большой
скорости обработки данных, производится при помощи простой
экстраполяции по двум точкам с поправками на кориолисово уско-
рение и ускорение силы тяжести. Орбита ИСЗ или траектория
МБР вычисляется в течение 1—2 мин. РЛС AN/FPS-85 способна
сопровождать почти одновременно 200 известных или 20 неопоз-
нанных космических объектов, автоматически передавая их пара-
метры в центр ПКО.
РЛС «Традекс», относящаяся к группе радиолокаторов типа
AN/FPS-16, характеризуется большой мощностью и высокой раз-
решающей способностью по допплеровской частоте. Высокая ча-
стота повторения импульсов (около 1500 импульсов в секунду)
позволяет использовать большой темп считывания информации.
Автоматическое сопровождение начинается сразу после того, как
на следящие системы поступит отраженный сигнал от данной цели.
Диапазон скоростей слежения:
— по дальности до 18,3 км/сек;
— по азимуту и углу места до 12 град/сек,
56
Диапазон измерения ускорений:
— дальность до 27,5 м/сек2;
— азимут до 30 м/сек2;
— угол места до 24 м/сек2.
Двухчастотная схема позволяет опознавать цели путем корре-
ляции отраженных сигналов в VHF- и L-диапазонах.
Работа в моноимпульсном режиме в VHF-диапазоне обеспечи-
вается пятирупорной приемной антенной. Центральный рупор
(рис. 2.6) используется для передачи сигналов круговой или ли-
Рис. 2.6. Антенная система РЛС «Традекс»
нейной поляризации (45° или 135°). Ортогонально поляризованные
сигналы разделяются в приемной системе. Они смешиваются в
приемнике по промежуточной частоте. Угловые координаты целей
определяются моноимпульсным методом по суммарно-разностной
схеме.
Работа длинными импульсами с частотной модуляцией обеспе-
чивает высокую среднюю мощность при сравнительно ограничен-
ной пиковой мощности (разрешающая способность при этом равна
эквивалентной разрешающей способности короткого импульса).
При коэффициенте сжатия около 50 энергия передаваемого им-
пульса примерно в 50 раз больше энергии короткого импульса
того же самого передатчика. После приема и последующего сжа-
тия для уменьшения остатков сигнала выходной импульс подвер-
гается специальной фильтровой обработке.
Во время поиска РЛС вырабатывает 30 последовательных
строб-импульсов дальности. Сигналы, попадающие в один строб-
57
импульс, накапливаются на магнитном диске. Таким образом по-
лучается информация в виде непрерывных сигналов, соответствую-
щих допплеровским частотам целей, находящихся в данном стро-б-
импульсе. Иллюстрация разделения целей по дальности и доппле-
ровской скорости представлена на рис. 2.7.
В РЛС «Традекс» имеется восемь приемных каналов: верти-
кально и горизонтально поляризованные каналы опорных сигна-
лов; канал сигнала ошибки (по
Рис. 2.7. Разделение целей по дальности и
допплеровской скорости в РЛС «Традекс»,
использующей метод когерентного интегри-
рования (отношение сигнал/шум единичного
импульса равно 16 дб для цели 1 и 5 дб
для целей 2, 3)
углу места и азимуту); каналы,
используемые для работы
в моноимпульсном режиме
в VHF-диапазоне; опорный
канал для каждого вида
поляризации в L-диапа-
зоне.
Принятые импульсы сжи-
маются с помощью согласо-
ванного фильтра посредст-
вом использования усилите-
лей с коэффициентом пере-
дачи, зависящим от дально-
сти до цели. Выходные сиг-
налы приемника содержат
информацию обо всех целях,
видимых радиолокатором.
Именно эта информация и
накапливается устройством
для записи на магнитную
ленту по промежуточной ча-
стоте. Помимо стробирова-
ния целей по дальности, в
РЛС используется схема ав-
тосопровождения по скоро-
сти в случае, если несколько
целей находятся в пределах строб-импульса дальности. В этой
схеме и производится автоматическое регулирование частоты.
Результаты испытаний РЛС «Традекс» по слежению за искус-
ственными спутниками Земли и Луны выявили следующие точно-
стные характеристики системы: по дальности — 44,8 м; по скоро-
сти — 42,7 м/сек.
РЛС «Хапдар» (рис. 2.8) —многофункциональная РЛС, входя-
щая в комплекс перехвата ПРО укрепленных пунктов. РЛС рабо-
тает в моноимпульсном режиме с разделением сигналов по време-
ни. Используется ФАР типа TACOL. Станция полностью автома-
тизирована. Один передатчик обслуживает конический сектор об-
зора 90°.
РЛС работает следующим образом. Данные целеуказания с
пункта управления принимаются системой «модулятор — демоду-
лятор» и направляются в ЭВ1М, которая привязывает указанные
координаты цели к точке стояния РЛС с последующим их преобра-
5§ г
зованием в координаты антенны Устройство наведения луча по
управляющим командам ЭВМ формирует сигналы управления для
каждого из 2165 фазовращателей решетки.
После установки фазовращателей на заданное значение фазы из
блока обработки видеоданных посылается сигнал для запуска пе-
редатчика. Сигнал, наделенный линейной ЧМ от задающего гене-
ратора, после предваритель-
ного усиления на ЛБВ посту-
пает на оконечный каскад на
клистроне. Если цель находит-
ся в заданном направлении, то
сигнал от цели принимается
линзовой антенной и через пя-
тирупорный облучатель, антен-
ный переключатель и моноим-
пульсный преобразователь по-
ступает на три приемных ка-
нала (суммарный и разност-
ные по азимуту и углу места)
с идентичными усилителями
на туннельных диодах. Шумо-
вая температура (Т=1130 К)
учитывает следующие потери:
1,5 дб — потери в фазовраща-
телях и в цепях СВЧ и 4 дб —
коэффициент шумов предвари-
тельного усилителя на туннель-
ных диодах (коэффициент уси-
ления 20 дб).
Устройство обработки ви-
деоданных трансформирует
аналоговые сигналы приемных
каналов в цифровую форму и
передает их в ЭВМ. Для под-
тверждения наличия цели в
тех направлениях, где она об-
наружена, посылается допол-
нительный зондирующий сиг- Рис. 2.8. Общий вид РЛС «Хапдар»
нал. Если цели нет, РЛС про-
изводит ограниченный спираль-
ный поиск вокруг заданного направления. Из-за малой емкости
ЭВМ одновременно сопровождается не более пяти целей. Выход-
ные данные (амплитуда, дальность, угол места, время), соответст-
вующие каждой отметке, и ошибки измерений дальности и угло-
вых координат регистрируются в запоминающем устройстве ЭВМ.
Высокочастотная энергия подается через моноимпульсный ру-
порный облучатель, обеспечивающий косинусоидальное распреде-
ление поля в раскрыве антенны с 9-дб спадом на краях. Приемные
вибраторы объединены в группы и распределены в пространстве
59
Зевс». В связи с переходом на огневой комплекс «Найк-Икс» ЗАР
не пошла в серийное производство и в настоящее время выполняет
функции полигонного радиолокатора. Проектная дальность дей-
ствия РЛС 1000—1600 км. В РЛС используются разнесенные на
300 м антенны для приема и передачи. Передающая антенна, со-
стоящая из трех плоских решеток длиной около 24 м, расположен-
ных треугольником, вращается по азимуту вкруговую со скоро-
стью 10 об/мин. В РЛС используется метод сжатия импульсов
«Chirp».
РЛС ЗАР является первой полностью автоматизированной
станцией определения траектории цели. Основные режимы работы
РЛС — обнаружение и слежение. Слежение за целью осуще-
ствляется путем точного направления луча антенны на цель и
удержания ее в этом луче. Более сложным представляется сопро-
вождение цели «на проходе», т. е. слежение за объектом в про-
цессе сканирования. Метод сопровождения цели «на проходе» пред-
полагает непрерывное сканирование заданного участка про-
странства и фиксацию координат всех обнаруженных при этом
объектов. Информация о координатах, получаемая при каждом
цикле сканирования, записывается в запоминающее устройство и
затем анализируется для определения степени корреляции с дан-
ными, получаемыми при последующих циклах сканирования.
Работа РЛС может быть разделена на четыре этапа:
— обнаружение цели;
— сортировка полученных сообщений;
— определение корреляции между координатами полученных
радиолокационных отметок;
— обработка данных о траектории цели.
На первом этапе проводятся фильтрация шумов и выделение
действительных отраженных сигналов, представляющих «сообще-
ния о целях», т. е. информацию о текущих координатах всех обна-
руженных объектов. Эта задача возникает в результате того, что с
аналого-цифрового преобразователя, стоящего на выходе прием-
ного устройства РЛС, снимается большое количество шумовых
импульсов. Амплитуда таких импульсов колеблется в широких
диапазонах, так что в течение секунды появляется много шумовых
выбросов, превышающих по интенсивности минимальный уровень
сигналов. Скорость сканирования и частота следования зондирую-
щих импульсов РЛС ЗАР позволяют принимать за один цикл ска-
нирования 4—5 импульсов, отраженных от каждого объекта. За
это время в приемнике возникает около 10 000 шумовых импуль-
сов, маскирующих полезные сигналы.
В блоке обнаружения цели полезные сигналы селектируются
путем применения методов интегрирования и фильтрации дискрет-
ных шумов. Интегрирование заключается в накоплении отражен-
ных радиолокационных сигналов, принятых за время одного пе-
риода сканирования. Поскольку шумовые импульсы возникают
случайно, то появление их на одной дальности в нескольких цик-
лах временной развертки маловероятно. Интегрирование импуль-
62
сов является эффективным средством селекции сигналов, хотя и
усложняет общую схему РЛС. Усложнение обусловлено наличием
в РЛС более 200 отдельных приемников, работу которых трудно
разделить по времени для использования одного интегрирующего
устройства. Поэтому необходимо каждый приемник дополнять
своей интегрирующей схемой. Для того чтобы можно было менять
частоту следования импульсов в процессе работы, в РЛС исполь-
зуются методы дискретной обработки сигналов. Для каждого ра-
диолокационного сигнала и шумового всплеска аналого-цифровой
преобразователь вырабатывает дискретные значения дальности,
азимута, угла места и времени приема.
На втором этапе работы РЛС данные сортируются на две груп-
пы. В первую группу попадают сообщения о целях, согласующиеся
с ранее рассчитанными траекториями. Такие сообщения поступают
в устройство обработки данных. Сообщения второй группы, не со-
гласующиеся с ранее рассчитанными траекториями, подаются в
корреляционное устройство. Время сортировки сообщений нахо-
дится в квадратичной зависимости от числа рассчитанных траек-
торий. При достаточно большом количестве последних для сорти-
ровки требуется значительное время, что снижает быстродействие
РЛС. Для устранения этого ограничения в РЛС ЗАР применяется
специальное запоминающее устройство, регистрирующее и воспро-
изводящее данные о траекториях в зависимости от их дальности.
Сообщения сортируются на основе их сравнения не со всеми рас-
считанными траекториями, а лишь с теми, которые близки им по
дальности.
Третий, этап работы РЛС—определение корреляции получен-
ных данных — осуществляется в корреляционном устройстве, пред-
ставляющем собой специальную ЭВМ. Коррелированными счита-
ются те сообщения, координаты которых не выходят за допусти-
мые пределы ври сравнении данных в; четырех последовательных
циклах сканирования. Так ГЧ, летящая со скоростью 6,4 км/сек,
переместится за время одного 4-секундного цикла на 25,6 км, и эта
цифра считается предельной при определении корреляции. Если
среди четырех последовательных сообщений найдутся три с коор-
динатами, лежащими на одной прямой, и с разносом, не превы-
шающим указанные пределы, то эти сообщения считаются принад-
лежащими к одному объекту, и информация о его траектории пе-
редается в устройство обработки данных, после чего начинается
четвертый этап работы РЛС, характеризуемый расчетом коорди-
нат обнаруженных объектов для последующих циклов сканиро-
вания.
На рис. 2.11 представлены результаты построения траектории
ИСЗ по 600 радиолокационным отметкам, выделенным в течение
200 сек из 6 млн. шумовых отметок. На рис. 2.11а на участке тра-
ектории с 36-й по 44-ю сек шумы маскируют полезные сигналы. На
рис. 2.116 представлены результаты обработки сообщений, полу-
ченные после прохождения через противошумовой фильтр (начи-
нает намечаться траектория, хотя еще имеется много ложных от-
63
меток, возникших в результате совпадения случайных шумовых
импульсов). По истечении 200 сек наблюдения (рис. 2.11в) после
прохождения через дискретный противошумовой фильтр траекто-
рия уже достаточно отчетлива. После прохождения сигналов через
устройство обработки данных (рис. 2.11г) остались одни действи-
тельные сообщения.
36 44 36 44
Время, сек время, сек
Рис. 2.11. Результаты эксперимента по наблюдению за ИСЗ с помощью
РЛС ЗАР:
а — радиолокационные отметки и шумы до прохождения через фильтр; 6 — радиолокаци-
онные отметки в шумах, оставшихся после прохождения фильтра; в — в результате наблю-
дения за ИСЗ в течение 200 сек с использованием противошумового дискретного фильтра;
е — траектория ИСЗ после окончательной обработки данных в РЛС
РЛС «Рампарт» была разработана для опознавания бал-
листических объектов на основе анализа их входа в атмосфе-
ру. РЛС сооружена на полигоне Уайт-Сандс и распознает ГЧ на
фоне ложных целей на дальностях до 1600 км. РЛС оборудована
аппаратурой сжатия импульсов и имеет передающее устройство из
двух параллельно включенных передатчиков общей мощностью
24 Мвт. Передатчики работают в моноимпульсном режиме на одну
чашеобразную антенну диаметром 18 м. Антенна (рис. 2.12) фор-
64
мирует узкий луч «карандашного» типа с помощью четырех рупор-
ных облучателей.
Направление полета цели определяется фазометрическим спо-
собом. ЭВМ РЛС позволяет обрабатывать 100 отраженных сигна-
лов в секунду. РЛС способна сопровождать одновременно несколь-
ко целей.
Оконечные каскады передатчиков РЛС выполнены на ампли-
тронах с выходной мощностью 3 Мвт. Излучаемый импульс состоит
из десяти импульсов по 1 мксек
каждый, разнесенных по часто-
те на 1 Мгц. Коэффициент сжа-
тия —10.
РЛС АЛТАЙР сооружена на
острове Рой-Наму с целью рас-
ширения исследований физиче-
ских явлений, возникающих при
входе головных частей в атмосфе-
ру. Полученные данные преду-
сматривается использовать для
отработки методики распознава-
ния ГЧ среди ложных целей.
Предполагается, что РЛС ра-
ботает в широком диапазоне ча-
стот (помимо частот 60, 425 и
1320 Мгц, может быть еще не-
сколько рабочих частот) и смо-
жет определять конфигурацию
целей и их скорость.
Антенна РЛС (рис. 2.13) пред-
ставляет собой параболический
рефлектор диаметром 45 м. Пре-
делы движения антенны по ази-
муту ±200°, по углу места — 0—-
90°. Антенна моноимпульсная с пятью рупорными облучателями
(один суммирующий) работает с сигналами различных видов по-
ляризации: линейной (вертикальной и горизонтальной) и круго-
вой (с различным направлением вращения).
РЛС «Амрад» разрабатывалась для слежения за входом ГЧ в
атмосферу. РЛС достаточно точно измеряет ЭПР и скорости
вхождения ГЧ в атмосферу (полигон Уайт-Сандс) в диапазоне
метровых и дециметровых волн. Антенна высотой 18,3 м форми-
рует диаграмму направленности «карандашного» типа. Импульс-
ная мощность РЛС 10 Мвт, средняя излучаемая мощность 750 квт,
ширина диаграммы направленности антенны менее 0,5°.
Другими (стандартными) измерительными полигонными РЛС
являются: AN/FPS-16, AN/FPQ-6, AN/TPQ-18, AN/FPA-22,
AN/FPA-23. Две последние станции построены на полигоне Уайт-
Сандс. Каждая из них имеет по два передатчика с импульсной
мощностью 30 Мвт и по четыре приемника. Поляризация сигнала
65
вертикальная (на передачу) и вертикальная и горизонтальная (на
прием в L- и P-диапазонах соответственно). В аппаратуре исполь-
зуются клистроны с водяным охлаждением. Динамический диапа-
зон приемников 80 дб, полоса пропускания 120, 240, 1200 или
2400 кгц. Антенна по командам целеуказания наводится с точно-
стью 0,05° при угловой скорости 20 град/сек. Секторы обзора: по
азимуту ±110°; по углу места 0—90°. Моноимпульсные
РЛС сопровождения первых трех типов описаны достаточно
полно [12].
Рис. 2,13. Антенная система РЛС АЛТАИР
Радиолокатор МАР, многофункциональный с фазированной
антенной решеткой. Первоначальное название ЗМАР (ZMAR).
Разрабатываемую РЛС было решено использовать в системе
ПРО «Найк-Икс», для чего в 1964 г. радиолокатор МАР прохо-
дил испытания на полигоне Уайт-Сандс. Экспериментальная РЛС
МАР работала в дециметровом диапазоне длин волн. Передающая
и приемная антенны РЛС (на рис. 2.14 они под колпаками) имеют
форму шестиугольников и состоят из нескольких тысяч элементов
(элементы расположены на расстоянии 0,5 X). В станции форми-
руется несколько раздельно управляемых лучей. Использованный
в РЛС метод управления распределением амплитуд по раскрыву
ФАР позволяет снизить уровень боковых лепестков до —35 дб.
Несколько позже был предложен новый принцип использова-
ния ФАР, обеспечивающий одновременный прием многих сигна-
лов с различных направлений. В результате была разработана
РЛС МАР-2, построенная также на полигоне Уайт-Сандс
(рис. 2.15) Эта РЛС предназначается для обнаружения, распоз-
навания, сопровождения целей и наведения антиракет при масси-
ве
Рис 2.14. РЛС МАР фирмы «Сильвания»:
/ — колпак приемника; 2 — колпаки передатчиков; 3 — экран
для защиты от местных помех; 4 — силовая подстанция
Рис. 2.15. РЛС МАР фирмы «Дженерал электрик»
67
рованном налете МБР, оснащенных средствами прорыва ПРО.
РЛС использует раздельные на прием и передачу ФАР и рабо-
тает в диапазоне частот 1000—2000 Мгц. В других источниках
указывается несколько иной диапазон частот: 390—1556 Мгц.
В передающем устройстве применяется 20 000 мощных ЛБВ
Упрощенный вариант РЛС МАР —ТАКМАР, сооружаемый на
атолле Кваджелейн, предназначен для выполнения тех же задач,
что и МАР, но при меньшем количестве сопровождаемых целей.
РЛС ТАКМАР имеет меньшую мощность и меньший коэффициент
усиления антенны по сравнению с РЛС МАР.
В последнее время стало известно о разработке РЛС КАМАР,
прототипом которой послужила РЛС ТАКМАР. В основу этой
РЛС положен новый принцип конструирования ФАР — совмещен-
ные приемопередающие решетки.
РЛС МАР может вести постоянный обзор воздушно-космиче-
ского пространства для обнаружения целей аналогично РЛС ПАР.
После обнаружения цели ЭВМ определяет ее характер, для чего
РЛС длительное время следит за целью и вычисляет ее траекто-
рию. Слежение ведется без прекращения наблюдения за воздуш-
но-космическим пространством. При наличии большого числа це-
лей проводится их селекция. Если число целей превышает про-
пускную способность системы вторичной обработки, ЭВМ обеспе-
чивает очередность обработки данных и времени облучения це-
лей. При поиске ЭВМ обеспечивает управление элементами ан-
тенной системы РЛС с тем, чтобы создать широкий луч для бы-
строго обзора сектора наблюдения и узкие остронаправленные
лучи для селекции баллистических целей. Во время поиска по
команде ЭВМ генерируются длинные импульсы, а во время сле-
жения и распознавания — более короткие для обеспечения высо-
кой разрешающей способности по дальности.
В системе обработки данных предусмотрены расчет траекто-
рий перехвата для АР «Спартан» и «Спринт» и передача команд
управления на антиракеты. Каждый огневой комплекс системы
«Найк-Икс» должен был иметь определенное количество устройств
обработки данных в зависимости от типа РЛС и количества АР
«Спартан» и «Спринт».
Радиолокатор МСР. Радиолокационная станция МСР пред-
назначена для наведения антиракет, сопровождения и распозна-
вания баллистических целей. Она представляет собой импульсно-
допплеровскую станцию диапазона S, работающую в моноим-
пульсном режихме. Дальность действия около 1300 км.
Сооружения РЛС МСР занимают участок 900X1300 м.
Антенное устройство станции представляет собой пирамидаль-
ное сооружение высотой 40 м, содержащее четыре приемопере-
дающие плоские фазированные антенные решетки (рис. 2.16),
Другой вариант РЛС МСР (рис. 2.17) содержит только одну ан-
тенную решетку, которая способна поворачиваться по углу места
и азимуту.
68
Рис. 2.16. РЛС МСР, входящая в экспериментальный,
противоракетный комплекс на атолле Кваджелейн
Рис. 2.17. РЛС МСР, работающая по целе-
указанию РЛС ПАР
69
При диаметре ФАР 4,14 м й нормированном расстоянии меж-
ду фазовыми центрами модулей решетки (0,4—0,6) X рабочая
волна РЛС примерно равна 10 см.
Схематическое изображение антенной решетки МСР и систе-
мы ее питания приведено на рис. 2.18а. Поскольку антенная си-
стема МСР представляет собой ФАР с пространственным пита-
нием, то в качестве приемных и передающих элементов антенны
применены раздельные рупорные облучатели, расположенные в
Диодные сразовращатели
с цифровым
управлением •
безэховая
камера
К цифровому
сумматору
(разовых сдвигов
по азимуту
и углу
места
Рупорные облучатели
и схема сравнения
Излучающие
элементы
Приемные рупоры
системы пространственного
питания ФДР
Тонкопленочный резистор
Фазовращатель спостояннь^ сопротивлением
Жесткая
коаксиальная
Казель для линия
подачи напряжения
смещения на диод
Рис. 2.18. Антенная решетка РЛС МСР:
о — схема; б — конструкция диодного фазовращателя
задней части поглощающей камеры. При этом антенная решетка
выполняет роль линзы по отношению к облучателям, помещенным
в ее фокусе. Диодные фазовращатели, устанавливаемые на ре-
шетке, выполняют роль коллимирующих элементов, которые обес-
печивают подачу энергии к каждому элементу решетки и служат
для управления результирующим лучом диаграммы направленно-
сти в заданном секторе. Конструкция диодного фазовращателя
показана на рис. 2.186.
Ширина диаграммы направленности равномерно облучаемой
ФАР по уровню половинной мощности должна быть примерно
1,7X1,7°. При Смещении луча на край сектора обзора его ширина
70
возрастает вдвое. Предусмотрена возможность дробления мощно-
сти путем создания нескольких лучей.
Функциональная схема РЛС изображена на рис. 2.19. Устрой-
ство обработки данных выдает информацию о координатах бал-
листических целей на ЭВМ управления лучом, которая опреде-
ляет положение луча в пространстве и подает управляющие сиг-
налы на фазовращатели антенны через соответствующие каскады
предварительного усиления.
Антенна
Рис. 2.19. Функциональная схема РЛС МСР
Передатчик МСР выполнен на мощных клистронных генера-
торах (рис. 2.20). Благодаря дублированию передатчика его мож-
но ремонтировать в процессе эксплуатации РЛС.
Приемное устройство МСР также имеет резервные каналы
для повышения надежности работы системы. В приемном устрой-
стве предусмотрены отдельные каналы, соответствующие раз-
личным формам зондирующих импульсов. Каждый из каналов
приемника имеет обычный ВЧ тракт и охлаждаемый параметриче-
ский усилитель.
В состав МСР входят как поисковые приемники, так и прием-
ники сопровождения. В приемниках сопровождения цели исполь-
зуется маноимпульсный метод амплитудной пеленгации для
определения местоположения цели с высокой точностью (до ма-
лых долей ширины луча). Все приемники снабжаются переклю-
чателями, обеспечивающими их подключение к каждой из четы-
рех решеток антенной системы. Радиоэлектронное ,оборудова-
ние, входящее в состав РЛС МСР, схематически показано на
рис. 2.21.
7Т
Рис. 2.20. Клистронные гене-
раторы передатчика РЛС МСР
Рис. 2.21. Радиоэлектронное оборудование РЛС МСР
72
РЛС МСР в состоянии навести на цель несколько АР «Спринт».
В системе ПРО объекта РЛС МСР должны были располагаться
таким образом, чтобы секторы обзора нескольких станций пере-
крывались. Последнее обстоятельство обеспечило бы возможность
использования для наведения АР «Спартак» РЛС других противо-
ракетных комплексов, ибо мощность станции для наведения «соб-
ственных» АР «Спартан» на баллистические цели в диапазоне боль-
ших дальностей явно недостаточна.
Применение в РЛС четырех ФАР с круговым обзором
(4X90°) облегчает использование МСР для обнаружения балли-
стических ракет, запускаемых с подводных лодок.
В результате ряда усовершенствований рабочие характеристи-
ки станции были значительно улучшены. В настоящее время изу-
чается возможность создания нескольких различных моделей РЛС
МСР применительно к конкретным районам объектовой системы
ПРО, что, видимо,* вызвано задачей защиты собственно РЛС
и линий связи (с огневыми комплексами антиракет) от ядерных
ударов, а также необходимостью повышения работоспособности
РЛС по сопровождению и распознаванию целей в условиях помех
от ядерного взрыва.
Радиолокатор «Адар». Радиолокационная станция «Адар»
(ADAR) представляет собой (рис. 2.22) следующее поколение
РЛС (после ПАР, МАР, МСР) системы ПРО городов.
РЛС «Адар» обладает широкой мгновенной полосой частот,
возможностью изменять форму сигнала, высокой пропускной спо-
собностью. Временная задержка в схеме управления лучом позво-
ляет значительно повысить чувствительность станции по сравне-
нию с РЛС МСР. Рабочие частоты РЛС более высокие, чем у
РЛС МАР.
В качестве антенны на РЛС «Адар» используется стандартная
плоская ФАР (при работе в S-диапазоне необходимы три решет-
ки, каждая из которых должна сканировать в телесном угле 120°).
В РЛС используется более экономичный комбинированный метод
сканирования (сочетание механического с электронным). В антен-
ной решетке не будет отдельного передатчика для каждого эле-
мента.
Экспериментальная антенная решетка приемной антенны РЛС
«Адар» (рис. 2.23) имеет диаметр 1,5 м, на ее наружной стороне
располагается несколько тысяч ЛБВ. Система временной задерж-
ки в схеме управления лучом позволяет использовать весьма ко-
роткие импульсы (сжатый импульс имеет длительность 10 нсек),
что в свою очередь позволяет получить разрешение по дальности
до 1,5 м. Кроме того, по аналогии с РЛС МАР, МСР антен-
ная решетка «Адар» в целях увеличения пропускной способно-
сти формирует десять независимых (автономных) приемных
лучей.
Можно считать, что испытания системы ПРО начались в 1968 г.,
когда испытывался противоракетный комплекс, включающий в себя
антиракеты «Спартак» и «Спринт», РЛС МСР, расположенные на
73
Рис. 2.22. Общий вид макета РЛС «Адар»
Рис. 2.23. Опытный образец антенны РЛС «Адар»
74
острове Мек, а также РЛС ТАКМАР (атолл Кваджелейн). Функ-
ции отсутствующей РЛС ПАР были возложены на РЛС «Тра-
декс».
В качестве мишеней намечалось использовать до 175 переобо-
рудованных ракет «Минитмен», «Поларис» и «Атлас», запускаемых
из прибрежного района Калифорнии.
До середины 1970 г. в основном испытывались отдельные эле-
менты системы ПРО: система вторичной обработки радиолокаци-
онной информации, включающая в себя три ЭВМ; отдельные эле-
менты РЛС ПАР; антиракеты «Спартан» и «Спринт». В этот пе-
риод было проведено 18 пусков антиракет «Спартан» (два не-
удачных) и 42 пуска антиракет «Спринт», из которых 10 признаны
неудачными.
Со второй половины 1970 г. начались комплексные испытания
системы «Сейфгард» по перехвату головных частей МБР, рассчи-
танные на два-три года. При этих испытаниях ракеты-мишени за-
пускаются с базы Вандерберг, а антиракеты — с атолла Квадже-
лейн. Наведение антиракет «Спартан» и «Спринт» обеспечивают
РЛС МСР. При отработке антиракет ни головные части, ни сами
антиракеты ядерного боезаряда не несли. В процессе наведения
антиракет фиксируется минимальное расстояние до цели и если
оно не превышает радиуса поражения ядерного боезаряда, то экс-
перимент в целом оценивается как успешный. В первых двух пу-
сках антиракеты «Спартан» отмечалось, что встреча с целью за
пределами атмосферы произошла на расстоянии около 19 км, что
достаточно для ее поражения. Из удавшихся пусков антиракеты
«Спартан» можно отметить следующие:
— январь 1971 г. Одновременный запуск двух антиракет для
перехвата МБР «Минитмен», из которых одна предназначалась
для перехвата ГЧ, а вторая выводилась в расчетную точку на тра-
ектории МБР с наклонной дальностью полета антиракеты около
640 км;
— август 1971 г. Перехват ГЧ ракеты «Титан-2»;
— декабрь 1971 г. Перехват ГЧ «Поларис» в условиях приме-
нения средств преодоления ПРО (дипольные отражатели и лож-
ные цели в виде надувных баллонов).
Неудавшиеся пуски связаны как с, отказами в бортовой систе-
ме антиракеты «Спартан» (июнь 1971 г.), так и с отклонением це-
лей от расчетной траектории (апрель 1971 г.).
Параллельно с испытаниями проводились работы по усовер-
шенствованию отдельных элементов системы ПРО. В ноябре 1971 г.
на острове Дмчитка (Алеутские острова) произведен подземный
ядерный взрыв боезаряда в 5 Мт для антиракеты «Спартан».
Первый перехват головной части ракеты антиракетой «Спринт»
состоялся в декабре 1970 г. Баллистическая ракета, стартовавшая
с базы Вандерберг, пролетела до точки встречи 6750 км. В 1971 г,
эти испытания были продолжены.
В ноябре 1971 г. был проведен первый эксперимент по перехва-
ту ГЧ в условиях применения ложных целей.
75
На 1972 г, планировалось провести перехват пяти межконти-
нентальных баллистических ракет и четырех баллистических ракет
средней дальности. Намечался также эксперимент по одновремен-
ному перехвату нескольких головных частей.
Некоторые тактико-технические данные описанных РЛС приве-
дены в приложении 2.
Перспективы развития иностранных РЛС для сопровождения
баллистических и космических объектов представлены в табл. 2.2
и 2.3.
Таблица 2.2
Перспективы изменения параметров РЛС
Параметры Год
1972 1978
Средняя мощность передатчи- ка в диапазоне L, квт . .t 70 300
Точности измерения: — дальности, м ...... 3 0,3
— радиальной скорости, м/сек ......... 0,3 0,03
— угла, угловых минут . . 14 । 3,5
Пропускная способность (ем- 10-25
кость) по числу целей . . . 60—100
Скорость получения данных, посылок/сек на цель . . * •. 10 20
Полоса частот записи, Мгц . . 50 100
Таблица 2.3
Перспективные характеристики РЛС сопровождения баллистических
и космических объектов
Параметры Диапазон, см
75 25 [ 10 5,5 3
Импульсная мощность, Мвт .:.,... 10 25 25 10 3
Средняя мощность, квт . 600 300 100 50 20
Энергия импульса, вт • сек . 20 000 12500 7 500 1000 300
Размер антенны, м ........ Коэффициент направленного дейст- 60 50 40 40 40
вия, дб . . ........... Полоса пропускания допплеровского 45 52 56,5 62,5 68,5
. фильтра, кгц 0,5 2 3,5 10 10
Коэффициент шума, дб Дальность действия по цели с ЭПР 7 12 11 10,5 10
1 M2, тыс. KM . J ф . t . , . , . 32 48 48 43 45
ГЛАВА 3
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ РЛС
В УСЛОВИЯХ ПОМЕХ
3.1. Пути совершенствования радиотехнических устройств
Развитие противолокационной техники создания помех ставит
ряд новых задач, связанных с вопросами выделения ГЧ среди лож-
ных целей и активных шумовых помех системе. Помехозащищен-
ность становится определяющей при выборе структуры построения
РЛС и всей радиолокационной системы в целом. В результате тре-
буется непрерывная модернизация РЛС для обеспечения работо-
способности системы в сложных помеховых условиях.
Известно, что при работе радиолокаторов в режиме поиска при-
меняются импульсы большой длительности и широкие лучи, что
снижает время поиска цели. В режиме сопровождения использу-
ются импульсы малой длительности и узкие лучи, что позволяет
уточнить координаты цели. Наконец, при опознавании могут при-
меняться импульсы специальной формы.
Оценки предельно возможных значений разрешающей способ-
ности РЛС по дальности, скорости и угловым координатам, полу-
ченные американскими специалистами, показывают.’
— разрешающая способность по углам ограничена величиной
0,1 мрад на частотах свыше 100 Мгц;
— в Х-диапазоне принципиально могут быть разрешены две со-
седние цели, скорости которых различаются на 0,3 м/сек;
— предельное разрешение целей по дальности на частоте
4000 Мгц составляет 0,3 м.
Увеличение разрешающей способности РЛС достигается и при-
менением когерентных методов с использованием широкополосных
сигналов.
При проектировании систем, использующих эффект Допплера,
приходится делать выбор между разрешающей способностью по
дальности и скорости, так как с уменьшением длительности им-
пульсов первая характеристика улучшается, вторая — ухудшается.
Для оптимального выбора обеих характеристик может применяться
кодирование фазы колебаний излучаемых импульсов в пачке. По-
следующая когерентная обработка позволяет в этом случае разре-
шать цели по допплеровскому сдвигу.
77
Весьма перспективно использование сжатых импульсов так;
как, например, в РЛС ПАР. Известно, что уменьшать импульсный
объем радиолокатора можно лишь до определенных пределов.
Основное ограничение вытекает из того обстоятельства, что дли-
тельность сжатого импульса должна быть существенно больше, чем
время прохождения сигналов через апертуру антенны. В противном
случае возникает расфазировка сигналов, что, в свою очередь,
приводит к потере мощности. В этом отношении апертура РЛС ПАР
удовлетворительно согласована с длительностью импульсов:
потери мощности не превышают 0,2 дб в секторе сканирова-
ния 60°.
Принципиально возможно применение в каждом элементе апер-
туры ФАР управляемой компенсирующей задержки сигналов, одна-
ко последнее связано с большими техническими трудностями.
Уменьшение импульсного объема РЛС ПАР в 100 раз (дли-
тельность сжатого импульса 0,01 мксек) приводит к существенному
увеличению времени обнаружения (анализа) и не решает полно-
стью задачу селекции ГЧ на фоне, например, дипольных отража-
телей. При маскировке сложной цели с помощью диполей (в коли-
честве 108) в каждом импульсном объеме будет находиться как
минимум один диполь, ЭПР которого соизмерима с ЭПР стабили-
зированной ГЧ.
Иначе говоря, «сверхразрешение» порождает и усиливает про-
блему повышенной пропускной способности РЛС ПРО, определяе-
мой темпом выдачи информации о целях. Последнее обусловлено
тем, что необходима одновременная обработка данных большого
числа целей (не только с баллистической траекторией полета, но
и маневрирующих) в условиях воздействия активных и пассивных
помех. Кроме того, работа РЛС типа ПАР усложняется непре-
рывным ростом количества космических объектов, нагружающих
систему раннего радиолокационного обнаружения.
Темп (скорость) выдачи данных определяется съемом и преоб-
разованием информации на пути от чувствительных элементов до
системы, принимающей решение. В современных РЛС обработку
информации следует рассматривать по крайней мере на трех
уровнях:
— на уровне чувствительного элемента (скорость выдачи дан-
ных может быть повышена путем оптимизации процессов поиска,
обнаружения и сопровождения цели);
— в системе обработки данных (вопрос сводится к снижению
времени на фильтрацию, сглаживание и корреляцию полученной
радиолокационной информации);
— в системе принятия решения (скорость обработки опреде-
ляется быстродействием вычислительных машин).
Решением проблемы повышения быстродействия РЛС является
обзор данного сектора пространства многолучевой диаграммой на-
правленности, принципиально реализуемой в фазированных антен-
ных решетках. ФАР позволяет перемещать луч в пределах сектора
к
за время, исчисляемое миллисекундами, в го время как антенны
с механическим сканированием могуг поворачиваться со скоро-
стью, не превышающей 10—30 град/сек. Важность быстрой комму-
тации луча становится очевидной при зондировании сложной цели,
когда моменты времени и углы входа целей распределены случай-
ным образом по сечению секТора их поиска и обнаружения. По-
скольку фазированная антенная решетка обеспечивает качание
луча в ограниченных пределах по угловым координатам, целесооб-
разно увеличение количества решеток или их сочетание с механи-
ческим доворотом, как это предложено в одном из вариантов МСР.
Автосопровождение требует повышенной точности измерения угло-
вых координат, для чего в ФАР используются два режима: в режи-
ме поиска формируется система независимо сканирующих лучей,
в режиме автосопровождения образуется оптимальная диа-
грамма направленности двухкоординатной моноимпульсной си-
стемы.
Вторичная обработка результатов наблюдений с помощью ЭВМ
расширяет возможности радиолокационных систем с ФАР за счет
регулирования режима их работы в зависимости от радиолокацион-
ной обстановки. При появлении в приемнике РЛС сигнала подает-
ся команда на повторные наблюдения точки пространства, соот-
ветствующей обнаруженному сигналу. Скорость повторных наблю-
дений определяется маневренностью цели: чем цель маневреннее,
тем чаще темп локации. Далее, при определении траектории цели
ЭВМ сглаживает значения параметров, искаженных шумами, и
экстраполирует траекторию для выполнения последующих наблю-
дений. Накопление данных радиолокационного слежения дает воз-
можность опознать обнаруженный объект по характерным призна-
кам траектории. Наконец, ЭВМ позволяет оптимальным образом
управлять мощностью РЛС с фазированной решеткой. Широкое
использование ЭВМ для анализа данных позволяет приспособить
режим работы РЛС к непрерывно меняющейся радиолокационной
обстановке.
Увеличение надежности обнаружения целей, необходимое наря-
ду с увеличением скорости обнаружения, может быть достигнуто
не только совершенствованием аппаратуры, но и рациональным
размещением РЛС на земной поверхности, объединением их в еди-
ную систему. Так, при развертывании радиолокационной сети РЛС
ПАР было бы желательно обеспечить возможность наблюдения ГЧ
под углами более 70° в плоскости траектории полета МБР. Для
этой цели, по мнению американских специалистов, необходим
большой вынос радиолокационных постов ПАР вдоль траекторий
полета ГЧ. Расположение ПАР в Канаде может существенно об-
легчить задачу обнаружения мощного сигнала, отраженного от ГЧ
(ЭПР при этих условиях более 0,3 м2), и упростить ее селекцию на
фоне пассивных помех. Считают, что такой вынос РЛС ПАР
позволит значительно уменьшить число «подозрительных» эле-
ментов сложной объемно-распределенной цели (с 106—108 до
50—100).
79
Измерение допплеровского сдвига может служить не только для
разрешения групповых целей, но и для распознавания отдельных
целей по скорости вращения («кувыркания»). РЛС с высокими
спектральными характеристиками в принципе способны обнаружить
вращение объекта относительно его центра масс по степени расши-
рения спектра. Предпринимаются попытки определения ракурса
цели по флюктуациям амплитуды отраженного радиолокационного
сигнала.
Опознавание цели может проводиться не только по ее скорости
при входе в плотные слои атмосферы, но также и по эффективной
площади рассеяния плазмы и ее следа за головной частью МБР.
Высокая чувствительность некоторых усовершенствованных поли-
гонных РЛС позволяет сделать заключение относительно характе-
ристик потока (ламинарного и турбулентного), сопровождающего
тело, которое входит в плотные слои атмосферы.
Использование РЛС для распознавания целей по дальности,
скорости, сигнальным признакам и интенсивности плазменных об-
разований показывает, что границы применимости радиолокаторов
ПРО для наблюдения за воздушным и космическим пространством
еще не достигнуты. Одной из причин является ограниченная ши-
рина полосы частот. С целью расширения полосы частот сигнала
исследуется возможность генерирования широкополосных импуль-
сов, для чего разрабатываются новые электровакуумные приборы
высокой мощности, к которым предъявляются следующие требо-
вания:
— ширина полосы частот сигнала, равная 10—15% от несущей
частоты;
— сравнительно постоянное усиление в широком диапазоне
частот;
— линейное соотношение между фазой и частотой;
— минимальные помехи за счет перекрестной модуляции;
— большой срок службы и высокая надежность.
Части этих требований отвечают клистроны, но они не обес-
печивают требуемой широкополосности. Лампы бегущей волны об-
ладают широкой полосой, но имеют другие ограничения. Новые
требования привели к созданию гибридного прибора, обладающего
высоким усилением клистрона и широкополосностью ЛБВ (так на-
зываемые твистроны).
Входная схема этого прибора выполнена по типу клистрона
(обеспечивает усиление на краях полосы частот), а выходная — по
типу ЛБВ (обеспечивает усиление в центре полосы). Новый элек-
тровакуумный прибор — твистрон должен сыграть важную роль в
улучшении характеристик радиолокационных систем. Его предпо-
лагается использовать в РЛС МСР.
Для повышения эффективности распознавания ГЧ среди пас-
сивных помех на внеатмосферном участке траектории в США
предполагается установить радиолокатор наблюдения на АР
«Спартак».
80
Один из проектов предусматривает установку на антиракету
«Спартак» объемносканирующей РЛС с лучом, направленным под
углом в 75° по отношению к траектории полета. Луч должен скани-
ровать в пределах ±60° (рис. 3.1) по курсу, в результате чего го-
ловная часть МБР должна быть легко отселектирована, поскольку
Рис. 3.1. Сектор обзора бортовой РЛС антиракеты «Спартан»:
а —в вертикальной плоскости; б — в наклонной плоскости
ЭПР ее боковой поверхности лежит в интервале от единиц до де-
сятков квадратных метров. При этом ГЧ может быть даже выде-
лена из облака диполей, так как объем неразрешения бортового
локатора в указанной ситуации существенно сокращается.
Характеристики бортовой РЛС антиракеты „Спартан"
Несущая частота.................................2 Ггц
Импульсная мощность.............................0,9 Мвт
Средняя мощность излучения....................-1,08 квт (3,24 квт при
трехлучевом сканирова-
нии)
Длительность импульса...........................6 мксек (линейно-частог
ная модуляция с девиа-
цией частоты 1,66 Мгц)
Частота повторения........*..................... 200 гц (600 гц при трех-
лучевом сканировании)
Коэффициент шума................................4,5 дб
Поляризация .................................. Круговая
Тип антенны ....................................ФАР
Ширина луча.................................... . 10X5°
Дальность обнаружения ГЧ по одному импульсу . . . 230 км (при отношении
сигнал/шум около 12 дб)
Для поиска головной части в облаке диполей необходимы по
крайней мере две АР «Спартан»: одна для сканирования сверху,
другая — снизу (рис. 3.2). Их назначение — передача координат
ГЧ на МСР. Следовательно, в этом случае радиолокационная
система должна иметь два типа антиракет «Спартан»: перехватчик
4—754 81
с боеголовкой, оснащенной ядерным зарядом, и антиракету для
распознавания ГЧ, имеющую вместо боеголовки специальный от-
сек, в котором располагаются бортовая РЛС и ее источники пи-
тания.
По мнению американских специалистов, основная трудность за-
ключается в создании бортовой РЛС с качеством 10~3 Мвт/кгс и
ее размещении в отсеке боеголовки АР «Спартан». Более того, не-
обходимое в этом направлении переоборудование системы «Сейф-
гард» должно занять около трех лет, даже если оно будет осуще-
ствлено параллельно с работами, направленными на модерниза-
цию АР «Спартан».
перехват ГЧ
(время до
падения
1,2 мин)
рубеж рас- рубеж включения
познавания портовой РЛС
ГЧи передачи распознавания
ее координат (время до падения
рлспср г ^7/1иН)
Рис. 3.2. Схема распознавания головной части МБР, скрытой в облаке диполей
В заключение рассмотрим возможности РЛС МСР по сопро-
вождению баллистических целей и наведению антиракет «Спринт»
в условиях воздействия пассивных помех.
При применении ЛЦ и дипольных отражателей важно опреде-
лить возможности селекции ГЧ на их фоне по разнице допплеров-
ских частот. При длительности импульса РЛС МСР 100 мксек по-
лоса допплеровских частот разрешения целей по одному импульсу
составляет 10 кгц. На частоте МСР частотный сдвиг в 10 кгц соот-
ветствует разнице скоростей около 500 м/сек. Эта разница скоро-
стей' ЛЦ и головных частей проявляется с высоты 45 км (об-
щее время на перехват ГЧ при этих условиях составляет 24—
25 сек).
При наблюдении за целями, точки падения которых значитель-
но удалены от точки местоположения МСР (на расстояние до
160 км), высота разрешения целей по допплеровской частоте сни-
жается до 30 км, а общее время на -перехват уменьшается до
21—22 сек.
82
Если АР «Спринт» находится в плоскости полета ГЧ, то пере-
хват последней возможен на высоте 9 км за 6,5 сек до расчетного
момента времени падения ГЧ на цель. Следовательно, запас вре-
мени в системе «Сейфгард» на распознавание цели, траекторные
вычисления, запуск АР «Спринт» составляет 14,5 сек.
Представляет также интерес оценка ошибок сопровождения
РЛС МСР. Поскольку радиус поражения АР «Спринт» равен при-
мерно 0,4—0,5 км, то соответственно с этим ошибка определения
точки перехвата ГЧ не должна превышать 0,4—0,5 км, а скорост-
ная ошибка сопровождения должна быть меньше отношения ошиб-
ки определения точки перехвата ГЧ к полетному времени антира-
кеты. Траектория АР «Спринт» должна, по мнению американских
специалистов, постоянно корректироваться, чтобы к периоду не-
управляемого полета перед расчетной точкой встречи получить
коэффициент улучшения точности наведения 1 :5 (по отношению к
первоначальным ошибкам вывода).
Моноимпульсное сопровождение цели по углам дает угловую
ошибку на порядок меньшую ширины луча. При ширине луча, на-
пример, в 1,7° величина ошибки составит около 0,2°, что на даль-
ности 160—200 км соответствует 600—1000 м промаха. Сглажива-
ние результатов измерений в течение 3—5 сек приводит к умень-
шению этой ошибки до 150—300 м.
По мнению некоторых американских специалистов, наличие
значительных ошибок наведения АР «Спринт», а также влияние на
нее продуктов распада ядерного заряда от предшествующих взры-
вов боеголовок других антиракет «Спринт» ставят под сомнение
рекламное заявление о том, что система «Сейфгард» будет иметь
эффективность, равную 95%. Трудности при перехвате ГЧ на ко-
нечном участке траектории настолько велики, что в последнее вре-
мя специалисты США возвращаются к проектам перехвата голов-
ных частей МБР со спутников, снабженных оптическими система-
ми наблюдения и управления.
Проведенные в США исследования, а также эксперименталь-
ные запуски по специальным программам показали, что проблема
обнаружения и распознавания МБР на фоне ложных целей и за-
дача увеличения помехоустойчивости системы ПРО не могут быть
решены достаточно экономично и эффективно одними радиотехни-
ческими средствами.
Во всяком случае, примерно к началу 1970 г. в США не суще-
ствовало метода, который бы позволял быстро и достаточно на-
дежно выделять ГЧ на фоне ЛЦ, и считалось, что для успешного
решения такой задачи необходимо выполнить комплекс сложных
оптических измерений.
К настоящему времени можно выделить следующие основные
направления исследований и разработок оптических систем приме-
нительно к задачам ПРО:
— разработка средств пассивного наблюдения за целями и со-
ответствующими явлениями в оптическом диапазоне волн на нис-
ходящем участке траектории;
4*
83
— исследование возможностей активной локации баллистиче-
ских целей на малых и средних дальностях действия на базе ла-
зерной техники;
— развитие голографических методов получения оптического
изображения малоразмерных объектов с помощью когерентных ис-
точников света в целях их опознавания;
— разработка лучевого оружия — источников мощных сфокуси-
рованных световых пучков, осуществляющих полное или частич-
ное разрушение баллистического объекта.
Конкретные разработки и исследования в области оптического
распознавания проводились по проектам «Глов» и «Оррас» с ав-
густа 1964 г. и являлись частью более обширной программы разра-
ботки средств ПРО — проекта «Дефендер». Обе системы предназна-
чены для обнаружения ГЧ ракет и выделения их на фоне ложных
целей. Отмечалось, что системы оптического слежения позволяют
получить дополнительные данные о цели, которые должны сравни-
ваться с радиолокационными данными слежения. В настоящее вре-
мя системы «Глов» и «Оррас» проходят испытания на полигоне
Уайт-Сандс.
В начале 1970 г. в печати США появилось сообщение о том,
что по некоторым признакам программа исследований, направлен-
ная на создание лучевого лазерного оружия, приближается к этапу
практического военного применения. В частности, планировался
эксперимент, в процессе которого лазерным оружием якобы был
сбит радиоуправляемый самолет. Однако многие специалисты по
военному применению лазеров считают, что лазеры требуемой мощ-
ности с аппаратурой управления лучом смогут быть разработаны
не ранее следующего десятилетия. В ближайшие же годы военное
применение лазеров ограничится решением задач дистанциометри-
рования и селекции.
При условии разработки лучевого оружия перехвата зарубеж-
ные специалисты считают, что его применение в системах ПРО
так называемого второго поколения обеспечит следующие преиму-
щества:
— необходимое быстродействие, простоту принципиальной схе-
мы и надежность в эксплуатации (последнее пока только по теоре-
тическим расчетам);
— возможность поражения большого числа целей (борьба с
разделяющимися многозарядными ГЧ) и быстрое перенацелива-
ние, что позволило бы решить наиболее трудную задачу — селек-
. цию (распознавание целей);
— безопасность уничтожения ракет над собственной террито-
рией.
Имеются сообщения 1970 г. о демонстрации воздействия ла-
зера на тактическую ракету. При этом луч СОг-лазера умеренной
мощности был сконцентрирован на небольшой площади головной
части ракеты, которая была разрушена менее чем за 1 сек.
Данный эксперимент рассматривается в качестве одного из эта-
пов на пути к практическому применению лазеров для целей ПРО.
84
Однако для практического создания лазерного оружия еще не-
обходимо решить ряд серьезных задач. Одной из таких задач яв-
ляется формирование и наведение на цель узкого лазерного луча,
что, очевидно, будет осуществлено в первую очередь путем ком-
плексирования лазерных средств с радиолокационными системами
управления огнем.
За рубежом проявляется также интерес к исследованию воз-
можностей противоракетного лазерного оружия, размещаемого на
космических объектах.
3.2. Методы борьбы с организованными помехами
Необходимость создания радиоэлектронного оборудования, спо-
собного противостоять воздействию активных и пассивных помех,
обусловлена появлением усовершенствованных методов радиопро-
тиводействия. Исследования некоторых электронных фирм пока-
зали, что в течение ближайших 4—5 лет американские военные ве-
домства израсходуют не менее 800 млн. долларов на модификацию
РЛС, в основном на усовершенствование средств борьбы с актив-
ными помехами. С этой целью в уже эксплуатируемые радиолока-
ционные станции вносят изменения, позволяющие скачкообразно
перестраивать частоту, расширять спектр рабочих частот, использо-
вать импульсное кодирование, изменять поляризацию приемной
антенны.
Для уменьшения маскирующего эффекта применения активных
помех с вынесенных точек (при воздействии по боковым лепесткам
диаграммы направленности РЛС) применяются различные способы
компенсации помех. Радикальный способ защиты заключается в
использовании наряду с сигналом, принимаемым по основной ан-
тенне, сигнала с дополнительной антенны. Амплитудная диаграмма
дополнительной антенны совпадает с формой боковых лепестков
диаграммы основной антенны, либо используется соответствующая
регулировка коэффициентов усиления. После совместной обработ-
ки сигналов с выходов обеих антенн помеха, действующая по бо-
ковому лепестку, частично компенсируется. Данный способ защиты
сводится к эквивалентному уменьшению уровня боковых лепест-
ков.
Для уменьшения эффективности простейших станций активных
помех применяют РЛС с переменной частотой. Наиболее простой
.метод изменения частоты — это перевод РЛС на одну из несколь-
ких фиксированных частот. Другой способ состоит в быстром
скачкообразном изменении частоты в рабочем диапазоне РЛС. Это
стало возможным с появлением новых СВЧ-приборов.
Скачкообразное, изменение частоты осуществляется различны-
.ми методами. Фирма «Рейтеон» разработала цепочку MORA, со-
стоящую из задающего генератора и импульсного усилителя и
позволяющую электронным путем скачкообразно изменять частоту
при использовании ЛБВ. Примером механической перестройки яв-
85
ляется магнетрон фирмы «Amperex Electronic Corporation» с вра-
щающимся ротором внутри вакуумного резонатора. Такой магне-
трон настраивается на любую частоту в диапазоне 500 Мгц. Бы-
страя перестройка происходит в этом приборе благодаря тому, что
ротор вращается со скоростью 4000 об/мин.
Фирма «Миллард» рекламировала магнетроны 3-см диапазона
с перестройкой, скорость которой составляет 450 Мгц за 500 мксек.
Магнетрон с вращающимся ротором используется в настоящее
время в нескольких образцах американских военных РЛС.
Методы изменения несущей частоты можно разделить на че-
тыре типа:
— несущая частота изменяется от группы к группе излучаемых
импульсов (каждая группа состоит из нескольких импульсов) в за-
данной полосе частот;
— несущая частота изменяется от импульса к импульсу;
— несущая частота меняется в пределах длительности каждого
импульса; метод позволяет сжимать импульсы;
— несущая частота меняется в пределах длительности каждого
импульса, так же как и в предыдущем случае, но частота изме-
няется относительно некоторой средней величины, которая, в свою
очередь, изменяется в течение времени излучения всей последова-
тельности.
Несущая частота может меняться по заранее заданному (на-
пример, линейному), случайному или псевдослучайному закону.
Преимущество применения нескольких частот или перестройки не-
сущих частот состоит в том, что при достаточно большом разносе
частот соответствующие максимумы диаграмм вторичного излуче-
ния цели на различных частотах оказываются смещенными друг
относительно друга, благодаря чему уменьшается изрезанность
суммарной диаграммы вторичного излучения, т. е. значительные
провалы ЭПР становятся маловероятными.
Наибольшее ослабление флюктуаций получается при статисти-
ческой независимости отраженных сигналов. Расчеты показывают,
что выигрыш, близкий к оптимальному, получается при сравни-
тельно небольшом числе частот. Наиболее ощутимый выигрыш по-
лучается при больших вероятностях обнаружения (D>0,99).
Кривые двухчастотного обнаружения соответствуют случаю
быстрых флюктуаций пачки из двух импульсов, наличие двух ча-
стот приводит к энергетическому выигрышу, равному 6 дб
(D=0,99) —для случая медленных флюктуаций на каждой из ча-
стот *. Так, в США выдан патент на РЛС обнаружения с двухсту-
пенчатым зондирующим сигналом и двумя ортогональными поля-
ризациями. Зондирующий сигнал представляет собой импульс,
одна половина которого излучается на несущей частоте fb а дру-
гая— на частоте fs (fi и fs отличаются на 4%). Частоты переклю-
чаются с помощью устройства, содержащего циркуляторы и твер-
дотельные элементы. Приемное устройство состоит из двух пар не-
* Это следует из анализа кривых обнаружения, приведенных в гл. 1.
86
коррелированных каналов, в каждом из которых обрабатываются
сигналы только с определенной парой параметров (частота и поля-
ризация). Выходные видеосигналы каналов, соответствующих сиг-
налам с несущей fb задерживаются на половину длительности зон-
дирующего импульса, после чего сигналы объединяются во взвеши-
вающем сумматоре и селекторе канала. Для излучения и приема
сигналов с двумя поляризациями используется антенна Кассегрей-
на, состоящая из параболического отражателя, двух рупорных об-
лучателей обеих поляризаций сигнала и поляризационного зерка-
ла, обеспечивающего разделение сигналов с разной поляризацией.
Принципиально возможно использование в РЛС большего числа
несущих частот для улучшения характеристик обнаружения РЛС
и повышения дальности ее действия.
Другим эффективным средством борьбы считается метод сжа-
тия импульсов, при котором радиолокационный сигнал сжимается
в узкий импульс большой интенсивности.
Побочным эффектом сжатия импульсов, используемого для
борьбы с радиопротиводействием, является расширение спектра,
что приводит к снижению плотности мощности и, следовательно,
ослаблению эффективности шумовых помех.
Средством борьбы с дезориентирующими помехами считают и
применение метода кодирования импульсов, или согласованных
фильтров. Если устройство дезориентации работы РЛС не может
точно воспроизвести сложный радиолокационный сигнал, то создан-
ный им сигнал опознается как фальшивый. Чтобы пропустить при-
нятый радиолокационный импульс со всеми модуляционными со-
ставляющими, устройства дезориентирования должны быть доста-
точно широкополосными. Средством борьбы с такими методами
радиопротиводействия считают и использование кодирования в ши-
рокой полосе частот. Напомним в связи с этим математическую
сторону оптимальной обработки сложных сигналов с внутриим-
пульсной модуляцией.
Если на вход приемника поступает сигнал x(t), то на выходе
оптимального приемника будет сигнал у(t), определяемый выраже-
нием *-
<»
y(t) = 4- f x(t')S(f-t)dt. [3.1]
— оо
60
(Е= J S2(t)dt — энергия сигнала), т. е. приходим к усреднению ре-
зультата перемножения отраженного сигнала на опорный зонди-
рующий сигнал РЛС (импульсную реакцию согласованного прием-
ника).
* Строго говоря, приемник с обработкой сигнала по формуле [3.1] является
оптимальным при выделении сигнала на фоне только собственных шумов Помехи
С постоянной спектральной плотностью.
87
При отсутствии помехи и шумов, т. е. при x(t)=S^(t)*, функ-
ция [3.1] представляет собой обобщенную автокорреляционную
функцию сигнала для случая двух переменных t и £2. При отсут-
ствии расстройки и задержки сигнала относительно опорного на-
пряжения, т. е. при £2=0, t=0, интеграл в [3.1] приобретает смысл
энергии полезного сигнала, т. е. у(0) = 1.
Величина «сигнал/шум» q, т. е. отношение мощности сигнала
к плотности мощности собственных шумов на выходе оптималь-
ного приемника, как показано в теории линейной фильтрации,
составляет q = E/Nm.
Эффект снижения мощности сигнала на выходе приемника при
расстройке входного сигнала относительно опорного по времени t
и частоте £2 описывается так называемой функцией неопределен-
ности сигнала
во
W(t, 2) = J-f S(f)Ss(t'-t)df.
Функция ^(t, £2) характеризует степень различия откликов
фильтра на два близких сигнала.
Ширина области высокой корреляции определяет разрешаю-
щую способность РЛС по дальности и скорости.
Общее выражение для сигнала представим в виде
S (t) = Асас (t) cos [tot + <РС (t)J,
где Ас, <рс — амплитуда и фаза сигнала;
ас (t)—нормированная огибающая импульса, ас(0)=1.
Наиболее распространенные виды модуляции широкополосных
сигналов — линейная частотная и фазо-кодовая. Для РЛС с ли-
нейной частотной модуляцией прямоугольных радиоимпульсов дли-
тельностью Ти справедливо выражение
W(t, =
sinpt+? (Ти-11|> ]
1Ц^(ТИ-It |)
|t|<TH; «pc(t)=^t2 + <po; T =
1 и
2zAF.
где AF — величина частотной девиации (ширина спектра) сиг-
нала;
<р0—начальная фаза.
* Q — величина расстройки принятого сигнала относительно излученного.
88
Для РЛС с фазо-кодовой модуляцией сигнал наиболее просто
представляется в виде
S(t) = Ac 2 a(t — it) cos (<o0t + <р( + <р0), [3.2]
где a(t)—огибающая элементарного имлульса длительностью t;
Ти=Ксжт (Ксж — коэффициент сжатия импульса длительностью Ти
до длительности т); <pi — закон дискретного кодирования фазы.
В случае двоичного кодирования фазы сигнала функция не-
определенности сигнала в точках t = /т и Й = составляет
1 = -Т(Ксж-1) + /
(fi — кодированная последовательность значений +1 и —1), при-
чем
т(ксж-1)
2 ччо, г)=^.
! = -4(Ксж-1) + '
В многочисленных работах, посвященных бифазному кодирова-
нию с большим коэффициентом сжатия (Ксж>100), показано, что
наименьшим уровнем остатков сжатия обладают бинарные псевдо-
случайные последовательности fi (линейные М-последовательности
сдвигового регистра максимальной длительности, Ксж=2м—1).
Типичными образцами РЛС с фазированными антенными ре-
шетками, обладающими высокой средней мощностью, приведенной
ко входу антенны (единицы мегаватт), являются РЛС системы
ПРО «Сейфгард». РЛС излучают модулированные импульсы боль-
шой длительности, при этом необходимая точность измерения даль-
ности до космических целей достигается за счет оптимальной обра-
ботки широкополосных ригналов, приводящей к укорочению им-
пульсов в Ксж=ТиДР раз. Основным недостатком кодирования сиг-
налов является то, что в процессе обработки сигналов на выходе
приемника наряду с основным импульсом длительностью Ти/Ксж
1
возникает значительное число остатков сжатия с уровнем -п— по
лсж
мощности, что приводит к ухудшению разрешающей способности
системы. Одним из способов уменьшения уровня остатков является
переход к неоптимальной (весовой) обработке .сигналов, напоми-
нающий способы снижения боковых лепестков в антенной техни-
ке. Данный способ применим для коррекции функции неопределен-
89
ности сигналов любого типа (ФМ-сигналов, ЧМ-сигналов и др.) и
свЪдится к коррекции импульсной реакции согласованного прием-
ника или его амплитудно- и фазо-частотных характеристик. При
этом допустимое снижение мощности главного отклика приемника
составляет не более 1—2 дб. Теоретически доказана возможность
снижения уровня остатков сжатия до —40 дб. Различного рода
искажения и нестабильности, имеющие место в реальной приемно-
передающей аппаратуре РЛС, приводят к повышению фона остат-
ков сжатия.
Кодированные сигналы обеспечивают повышенную устойчивость
РЛС по отношению к дезориентирующим помехам, так как по-
мимо разведки несущей частоты РЛС от станции помех требует-
ся воспроизведение закона кодирования сигнала.
Работа радиолокационных систем в большей или меньшей сте-
пени зависит от степени ионизации атмосферы. Ядерное и тепловое
излучения, сопровождающие ядерный взрыв, вызывают ионизацию
воздуха. Степень ионизации зависит от мощности ядерного заряда
и высоты его подрыва. Энергия, затрачиваемая на ионизацию, со-
ставляет (в зависимости от высоты подрыва) от 10 до 75% полной
энергии взрыва.
Хотя резкой границы изменения физической картины ядерного
взрыва в зависимости от высоты не существует, условно выде-
ляют четыре зоны: ниже 16 км, от 16 до 64 км, от 64 до 112 км
и выше Д12 км.
На высотах ниже 16 км значительная ионизация воздуха, вызы-
ваемая начальным гамма-излучением, потоком нейтронов и рентге-
новскими лучами, имеет место только вблизи огненного шара (на
расстоянии не свыше нескольких сот метров). Это связано с тем,
что из-за высокой плотности атмосферы свободные электроны
почти мгновенно захватываются нейтральными частицами воздуха.
Высокая температура внутри огненного шара (свыше миллиона
градусов) в течение долей секунды создает ионизацию, достаточ-
ную для некоторого ослабления электромагнитного излучения.
Однако этот эффект быстро исчезает. Диаметр огненного шара от
взрыва мегатонного заряда на уровне моря приблизительно со-
ставляет 1 км. Диаметр огненного шара для высот не свыше 100 км
удобно подсчитывать по формуле
= [3.3]
где ро — плотность воздуха на уровне океана.
Если тротиловый эквивалент боезаряда взят в мегатоннах, то
Дш получится в километрах. Например, шар диаметром 1 км на
высоте 30 км (ро/р=1О2) может быть получен с помощью взрыва,
мощность которого равна только 10 кт, взрыв же боезаряда мощ-
ностью 1 Мт на высоте 50 км (ро/р=Ю3) создаст шар диаметром
около 10 км.
При взрывах на высотах 16—64 км гамма-лучи и нейтроны, до-
стигая слоя «Д» нормальной атмосферы, могут вызвать в нем зна-
90
читальную ионизацию. Расчетные зависимости плотности электро-
нов на высоте 72 км от расстояния по горизонтали для взрывов
мощностью 1 Мт на различных высотах представлены на рис. 3.3.
Именно на высоте 72 км и расположена середина шестнадцатики-
лометровой полосы слоя «Д», в котором следует ожидать наиболее
интенсивного влияния ионизации.
На высотах от 64 до 112 км становится значительной ионизация,
создаваемая рентгеновскими лучами и ультрафиолетовым излуче-
нием. Очень высокая температура огненного шара вызывает про-
Расстояние от центра взрыва, км
Рис. 3.3. Расчетные значения плотности электронов на
высоте 72 км при взрыве боезаряда мощностью 1 Мт
(на различных высотах) в зависимости от расстояния
порциональное повышение давления, которое выталкивает огнен-
ный шар вверх со скоростью, превышающей 1,6 км/сек. По мере
подъема продуктов деления вверх электрически заряженные части-
цы будут перемещаться вдоль силовых линий магнитного поля
Земли.
При ядерном взрыве на высотах свыше 112 км столкновения
электронов с атомами воздуха становятся весьма редкими, и усло-
вием ослепления РЛС является сам факт наличия высокой плотно-
сти электронов (109 эл/см3). Рекомбинация ионов воздуха (по-
стоянная рекомбинация Cr=10“12 см3/сек) с электронами происхо-
дит лишь под воздействием радиации. Если начальная электронная
концентрация превышает 109 эл/см3, то число свободных электро-
нов по прошествии времени t будет приблизительно равно 1/CrI.
Следовательно, если начальная электронная концентрация равна
1012 эл/см3, то через 1000 сек она все еще будет превышать
109 эл/см3. Таким образом, ядерные взрывы на больших высотах
91
создают экраны большой площади на достаточно продолжительное
время.
Кроме повышенной электронной концентрации вблизи огненного
шара на больших высотах ионизация создается за счет воздей-
ствия бета-лучей, исходящих из радиоактивных остатков ядерного
взрыва. Если радиоактивные остатки находятся на большой высо-
те, то бета-лучи будут распространяться вдоль силовых линий маг-
нитного поля Земли. Примерно половина лучей сразу войдет в ат-
мосферу, другая половина будет распространяться некоторое вре-
мя в пространстве, в котором длина их свободного пробега очень
велика. При вхождении этих частиц в атмосферу происходит иони-
зация молекул воздуха. Расстояние, на которое распространяются
бета-лучи в направлении Земли, составляет около 50 км.
Можно показать, что воздействие вызванной бета-лучами иони-
зации на РЛС будет эффективно, если
уГ1,2>10-2,
где у — выход продуктов деления, расположенных на единице пло-
щади, измеряемый в тоннах тротилового эквивалента на км2; t —
время после взрыва, сек.
Эмпирический множитель ir1*2 характеризует скорость распада
радиоактивных осадков. Например, если атакующая сторона хочет
создать помеху длительностью 300 сек, то потребуется уровень ра-
диоактивных осадков, равный 10 т продуктов деления на 1 км2.
Это можно получить распространением продуктов деления, образо-
вавшихся после взрыва мощностью 1 Мт, на площади диаметром
400 км и высоте 60 км.
Наметившийся за рубежом переход к метровым волнам
в РЛС раннего обнаружения (например, ПАР) делает для них
проблему ядерного взрыва особенно опасной. Объясняется это тем,
что величина затухания электромагнитного излучения зависит не
только от свойств ионизированной оболочки, но и от несущей ча-
стоты сигнала, излучаемого РЛС. Величина затухания а (в деци-
беллах на километр) приближенно может быть определена из со-
отношения
где о)р — плазменная частота при данной электронной концен-
трации;
<*>г—частота РЛС, рад/сек;
v — частота столкновений электронов с атомами воздуха
(^2-10й р/р0, р/ро — относительная плотность воздуха).
На высотах, превышающих 30 км, где действие территориаль-
ной ПРО наиболее эффективно, плотность атмосферы р/ро<О,О1.
Для радиосигнала частотой 300 Мгц (длина волны 1 м)
при v2^ о)2, вторым членом в знаменателе уравнения [3.4] можно
пренебречь. При том же ограничивающем условии плотность элек-
92
тронов Ne, соответствующая затуханию более 1 дб/км, получается
в соответствии с неравенством
Ne> ЮООро/р.
Например, для высот 30 и 60 км концентрации электронов бу-
дут приблизительно равны 7 • 104 и 3 • 106 эл/см3 соответственно.
Такие концентрации, разумеется, не дают зеркального отражения
сигналов РЛС, помогут их значительно ослабить. Так как толщина
ионизированного облака, образовавшегося в результате ядерного
взрыва, обычно равна 10 км, то полное затухание сигнала, отра-
женного от находящейся за ионизированным облаком цели, соста-
вит 20 дб, что эквивалентно уменьшению дальности действия РЛС
более чем в три раза.
При взрыве ядерного боеприпаса мощностью 5—25 Мт через
18 мин после взрыва концентрация электронов достигает уровня
5* 107 эл/см3. Осколки взрыва образуют «блин» толщиной 16 км и
радиусом более 80 км. На частоте РЛС ПАР (442 Мгц) затухание
равно 0,66 дб/км, в результате чего ослабление электромагнитной
энергии при обнаружении баллистических целей может составить
более 20 дб (на высоте около 80 км).
В то время как РЛС ПАР «ослепляется» высотным ядерным
взрывом, его воздействие на МСР весьма незначительно, посколь-
ку на частоте 3000 Мгц затухание составляет около 0,02 дб/км.
Последнее свидетельствует о том, что если основные элементы си-
стемы ПРО (РЛС ПАР и АР «Спартан») не справятся с задачей
защиты в условиях помех от ядерных взрывов, то вся ее тяжесть
перекладывается на РЛС МСР и АР «Спринт».
Помимо затухания радиолокационный луч может испытывать
преломление в пространстве с переменной плотностью электронов,
что приводит к дополнительным ошибкам измерения координат
цели. Величина рефракции луча прямо пропорциональна измене-
нию плотности электронов и обратно пропорциональна квадрату
частоты сигнала.
В зарубежной печати отмечалось, что наблюдается и противопо-
ложная МСР тенденция — возвращение к метровому диапазону
волн, использовавшемуся в годы второй мировой войны в первых
радиолокаторах. Об этом говорят, в частности, противоречивые
данные о рабочих частотах РЛС ПАР, а также сообщения о перево-
де в метровый диапазон ряда других РЛС, участвующих в отработ-
ке системы ПРО (так, например, сообщалось о перестройке из
L-диапазона в метровый диапазон волн РЛС мощностью 30 Мвт
на полигоне Уайт-Сандс).
Особое место занимают трудности по защите РЛС ПРО от воз-
действия избыточного давления наземного ядерного взрыва ГЧ.
Так, бетонная стена РЛС ПАР при наземном ядерном взрыве мо*
жет выдержать избыточное давление 2,1 кгс/см2, РЛС МСР может
выдерживать избыточное давление, несколько превышающее
1—2 кгс/см2, что соответствует взрыву ядерного боезаряда мощно-
стью 5 Мт на расстоянии около 7 км. Указанная степень проч-
93
ности радиолокаторов несравнима с защищенностью шахт МБР
«Минитмен», способных выдерживать давление до 20 кгс/см2.
По мнению многих американских специалистов, средства, рас-
ходуемые в настоящее время для организации дальнего перехвата
ГЧ антиракетами «Спартан», было бы целесообразнее затратить на
создание и развертывание сети упрощенных РЛС, более дешевых
в серийном производстве. Последнее вызвано тем, что зарубежные
ученые сомневаются в способности РЛС типа ПАР, МСР даже с
более высокой степенью защищенности выдержать близкий ядер-
ный взрыв ГЧ.
Таким образом, влияние ядерных взрывов на работу РЛС си-
стемы ПРО принципиально устранить нельзя. Однако это влияние
можно уменьшить, оптимизируя выбор рабочих волн радиолокато-
ров ПРО и высот перехвата головных частей антиракетами.
Правильный выбор диапазона частот РЛС ПРО крайне тру-
ден, поскольку приходится удовлетворять нескольким противоре-
чивым требованиям. Как указывалось выше, надежная селекция
и классификация баллистических целей могут быть достигнуты
высоким разрешением по углу и дальности, а также измерением
амплитуды сигнала от импульса к импульсу. Изменение ампли-
туды от импульса к импульсу требует обработки большого объема
данных, высокое разрешение по дальности — широкого спектра
зондирующих импульсов. Для эффективной работы локатора в
условиях создания заградительных шумовых помех необходим
широкий диапазон частот (500—1000 Мгц). Десятипроцентная по-
лоса L-диапазона (1000 Мгц) не удовлетворяет этим требованиям,
а десятипроцентная. полоса S-диапазона (3000 Мгц) в достаточ-
ной мере к ним приближается. Вследствие этого общей тенденцией
использования радиодиапазона для целей ПРО являются освоение
более высоких частот для защиты РЛС от «ослепления» ядерным
взрывом и многочастотная локация.
3.3. Эффективная площадь рассеяния
В основе обнаружения и распознавания баллистических целей
радиолокаторами ПРО по сигнальным характеристикам лежит
явление вторичного излучения, т. е. рассеяния части падающей
энергии из-за наличия резкой границы изменения проводимости,
диэлектрической постоянной или магнитной проницаемости среды.
Явления вторичного излучения подразделяют на три вида:
— зеркальное отражение, наблюдаемое при облучении больших
поверхностей, размеры которых много больше длины волны РЛС,
а размеры шероховатостей не превосходят ХДв;
— диффузное отражение, которым обладают большие поверх-
ности с размерами шероховатостей порядка X (вследствие различ-
ной ориентации отдельных элементов поверхности электромагнит-
ные волны отражаются по разным направлениям);
— резонансное вторичное излучение, наблюдаемое у объектов,
размеры которых равны или кратны ХА (оно обычно обладает
94
большой интенсивностью и зависит от взаимной ориентации цели
и направления плоскости поляризации).
В США исследование характеристик вторичного излучения ГЧ
началось в 1950—1952 гг.» когда в результате ряда экспериментов
была выбрана «оптимальная» величина радиолокационного сече-
ния носового конуса (головной части) МБР, равная 0,2 м2.
Как показали исследования, геометрическая форма ГЧ, обес-
печивающая наименьшее радиолокационное сечение в направлении
оси симметрии, представляет собой «бесконечный» конус. Поэтому
в разрабатываемых в настоящее время головных частях уменьше-
ние их радиолокационного сечения достигается путем максимально
возможной имитации «бесконечного» конуса. Примером такого
рода ГЧ может служить экспериментальная головная часть «Рекс»
(REX), выполненная в виде удлиненного конуса.
Критическими факторами в снижении радиолокационного сече-
ния ГЧ являются отражение и дифракция электромагнитной волны
у основания ГЧ, на различных выступах и переходах поверхности,
которые играют роль уголковых отражателей. Плоское основание
(днище, торец) ГЧ с острыми кромками отражает очень большое
количество электромагнитной энергии, в то время как полусфери-
ческое выпуклое днище ГЧ вызывает дифракцию сигнала в на-
правлении РЛС.
Отражение и дифракция от головной части существенно зави-
сят от частоты облучающей РЛС. Максимальное количество энер-
гии отражается в направлении на радиолокатор в том случае, если
длина волны и геометрические размеры ГЧ соизмеримы.
Кроме того, отражение от носка конуса и любых кромок из-
меняется прямо пропорционально длине волны РЛС: чем больше
длина волны, тем большее количество энергии рассеивается; чем
меньше угол полураствора конуса, тем меньше отражение.
Хотя теоретически наиболее совершенной формой ГЧ является
сильно заостренный конус, на практике заостренный носок конуса
обычно скруглен. С точки зрения теплозащиты более рациональ-
ными считаются головные части с конфигурацией параболоида
вращения.
Ориентирование головных частей на траектории относительно
РЛС ПРО предусматривает установку на ГЧ специальной аппара-
туры (что стало возможным сравнительно недавно). Так, головные
части Мк.4, устанавливавшиеся на МБР «Атлас», «Титан-1», при
полете на внеатмосферном участке траектории вращались случай-
ным образом, представляя собой хорошие радиолокационные цели
с ЭПР от 1 до 4 м2. Стабилизировались они естественным образом
лишь при входе в плотные слои атмосферы. В настоящее время
все ГЧ стратегических ракет США оборудуются системой ориен-
тации.
Основной целью использования радиопоглощающих покрытий
является снижение энергетических уровней отраженного сигнала.
При этом структура диаграммы вторичного излучения практически
це искажается (т. е. спектральные и поляризационные характери-
95
стики, вид интегральных кривых распределения вероятностей
эффективной площади рассеяния существенных изменений не полу-
чают).
Уместно отметить, что в США в 1963 г. были проведены лет-
ные эксперименты с целью проверки способов снижения радио-
локационного сечения ГЧ. Для проведения их использовались
Рис. 3.4. ЭПР конуса с плоским основанием и углом при вершине 25°
(вертикальная поляризация). Облучение:
а «-со стороны вершины; б — перпендикулярно продольной оси; в — со стороны
основания
-----металлический конус;
-----диэлектрический конус;
д - полистирол (£ -2^5) ;
v-тефлон (t=2,f);
• -нейлон (e~2fSff);
х-металл
в
ГЧ «Рекс», оснащенные ферритовым радиопоглощающим покры-
тием и ориентировавшиеся носком в направлении радиолокатора.
Эксперименты показали, что головная часть «Рекс» имеет умень-
шенное радиолокационное сечение и большой баллистический
коэффициент, а следовательно, и большие, чем обычно, тепловые
нагрузки.
Важным методом снижения ЭПР головной части на внеатмо-
сферном участке траектории цолета является замена материала
металлического корпуса ГЧ на диэлектрик. Так, например, были
проведены исследования по определению ЭПР носовых конусов из
нейлона. Измерения, проведенные на частотах 9 и 10 Ггц, позво-
лили сделать вывод о том, что радиолокационное поперечное сече-
ние диэлектрических конусов при облучении их со стороны вер-
шины по мере уменьшения угла приближается к ЭПР металличе-
ских конусов (при увеличении ракурса
облучения ЭПР диэлектрического ко-
нуса снижается). Результаты, исследо-
ваний (рис. 3.4 и 3.5) показывают, что
при облучении диэлектрических кону-
сов со стороны основания и перпенди-
кулярно их продольной оси возможно
снижение радиолокационного попе-
речного сечения ГЧ на 10—15 дб (по
сравнению с металлическим конусом).
Характер кривых существенно не ме-
няется и при горизонтальной, и при
вертикальной поляризациях облучаю-
щих сигналов.
С 1962 г. в США изучалась воз-
можность уменьшения радиолокацион-
ного сечения ГЧ на конечном (атмо-
сферном) участке траектории посред-
ством уменьшения ионизированной
оболочки, из-за которой ЭПР ГЧ су-
щественно возрастает. Была даже раз-
работана головная часть LORV, имею-
Рис. 3.5. Зависимость ЭПР
от угла при вершине конуса
(основание плоское, облучение
со стороны вершины)
щая форму удлиненного конуса с вы-
сотой 2750 мм, диаметром основания 815 мм, углом полураствора
8—10°. Корпус ГЧ LORV покрывался специальным теплозащитно-
радиопоглощающим материалом, резко снижающим размеры иони-
зированной оболочки вокруг ГЧ. Развитием программы LORV яв-
ляется программа RVTO, предусматривающая испытания новых
материалов, методов стабилизации ГЧ в целях снижения ЭПР при
ее полете вне атмосферы и на участке атмосферного спуска. В пла-
не этой программы был разработан стеклопластиковый корпус
для ГЧ с малым коэффициентом отражения.
Ослабление ионизированной оболочки может быть также обес-
печено путем изменения геометрической формы головных частей
и использования покрытий из специальных низкотемпературных
разрушающихся материалов, которые могут частично поглощать
тепловое излучение головных частей при их входе в плотные слои
атмосферы, а также путем разрушения ударной волны или ней-
трализации плазмы с помощью противоположно заряженных ча-
стиц газа. Специалисты одной фирмы исследовали, например,
способ ослабления ионизированной оболочки путем ввода в нее
через отверстия в головной части ракеты ионизированных паров
натрия или цезця,
97
Перспективным типом головных частей может явиться прочный,
но легкий носовой конус, выполненный из циркониевого пенопла-
ста, пропитанного фенольной смолой.
Иностранные разработчики средств РПД считают, что буду-
щие достижения в области материалов для ГЧ связаны с исполь-
зованием слоистого стекловолокна, пределы прочности которого
при растяжении и сжатии близки к 17,6 тс/см2 и 10,5 тс/см2 соот-
ветственно *.
Ослабление излучения ГЧ на участке атмосферного спуска в
инфракрасном диапазоне может быть обеспечено путем охлажде-
ния ГЧ, использования низкотемпературных разрушающихся по-
крытий и также путем изменения формы ГЧ.
Изучаются и возможности снижения сечения ГЧ в оптическом
диапазоне длин волн.
При изучении структуры отраженных сигналов РЛС в зависи-
мости от размеров объекта и разрешающей способности РЛС обыч-
но различают следующие цели:
— одиночные;
— групповые;
— объемно-распределенные, т. е. заполняющие сравнительно
большой объем (например, облако дипольных отражателей).
Эффективной площадью рассеивания цели называют площадь
поперечного сечения эквивалентной (воображаемой) цели, которая
рассеивает всю падающую на нее энергию изотропно, т. е. равно-
мерно во всех направлениях, создавая при этом в приемнике РЛС
такой же сигнал, что и реальная цель.
Эффективная площадь рассеивания для баллистических целей
простейшей формы (бесконечная пластинка, шар, конус, парабо-
лоид вращения) может быть вычислена аналитически.
ЭПР цели можно представить через напряженности поля в ме-
сте расположения цели Ei и антенны РЛС Е2 в виде
где Д — дальность РЛС — цель.
Отношение E2:Ei находится по принципу Гюйгенса — Кирх-
гофа в предположении, что каждый элемент поверхности облучае-
мой цели становится источником элементарной сферической волны.
Поскольку величины Д и Ei в пределах размеров наблюдаемой
цели изменяются мало, то при суммировании действия вторичных
сферических волн напряженность результирующего поля вторич-
ного излучения в месте расположения антенны РЛС
Е2
-£д- Jexp (—/-у- d) cos 0ds
* Отношение прочности к весу у слоистого стекловолокна примерно
в три-четыре раза больше, чем у алюминия и стали»
93
где ' 1— длина волны РЛС;
ds —элемент облучаемой поверхности;
0—угол между направлением на РЛС и нормалью к по-
верхности в данной точке;
d — характерный размер цели, обусловленный кривизной об-
лучаемой части поверхности.
Тогда ЭПР цели
___ 4*гс
ГЭ— Х2
j* exp -р- d) cos 0ds
s
ЭПР плоского листа (рис. Если металлический лист,
размеры которого а, расположен под углом а = 0 относитель-
но направления облучения (Д^>а, b; d = 0 для всех точек листа)
в нормальной плоскости, параллельной стороне а, то
S2
аэ = 4гс COS2 а
[3.5]
где
х = -г- a sin a, s = ab.
Л
ЭПР круглой пластины радиуса R при тех же условиях вы-
числяется по формуле
. S2 Г I, (2х) Т
°э = 4к — COS2 а | >
где Ii — функция Бесселя первого порядка 1-го рода.
При нормальном облучении ЭПР листа и круглой пластины
благодаря зеркальному отражению в сторону РЛС имеют очень
большую величину. Например, при ориентации головной части
МБР плоским днищем (диаметром 2R^>X) перпендикулярно об-
лучению РЛС при s = l м2, 1=10 см, <х=0 получается аэ~1300 м2
(так называемая «блестящая» точка*). Однако даже при неболь-
шом отклонении направления облучения от нормали ЭПР листа
резко уменьшается.
ЭПР шара (рис. 3.66). Выбирая в качестве элементарной пло-
щадки сферическое кольцо радиусом r = Rsin0 и шириной Rd0,
в соответствии. с выражением [3.5] получим
16it3R4
°9 ~ X2
о
J exp (j cos 0^ cos 0d (cos О)
откуда ЭПР шара радиусом R^>-^-получается равной его види-
мой площади
= itR2.
* Под «блестящей» точкой обычно понимают точку иа отражающей поверх-
ности, в которой нормаль совпадает с направлением на РЛС, т. е. происходит
зеркальное отражение в сторону РЛС.
99
Благодаря этому большие сферические объекты с хорошо про-
водящей поверхностью широко применяются в качестве эталонов
при экспериментальном определении ЭПР реальных целей.
Если при неизменных размерах шара увеличивать длину волны
облучающей РЛС, то при значениях R«C-^- ЭПР будет опреде-
ляться формулой Рэлея, характеризующей резкую зависимость
ЭПР от длины волны облучающих колебаний
Сэ = 4,4.104-§-.
Рис. 3.6. К вычислению ЭПР некоторых
простейших тел:
а — прямоугольная пластина; б— шар; в — кру*
говой конус; г параболоид вращения
100
Следует отметить, что для любой выпуклой поверхности ЭПР
может быть оценена по формуле
если главные радиусы кривизны в «блестящей» точке Ri, R2^>X.
ЭПР цилиндра длиной h>^ и диаметром 2R^>X, ориентиро-
ванного параллельно электрическому полю, определяется выра-
жением
аэ = £ Rh2.
Зависимость изменения ЭПР вращающегося (кувыркающегося)
цилиндра от ракурса облучения 0 имеет более сложный вид:
2ic т->1 9 ( sin х у л
= — Rh2 ( —— ) cos 0,
где
х = h sin 0.
Л
ЭПР конуса (рис. З.бв) в предположении, что плоская элек-
тромагнитная волна падает вдоль оси его симметрии и R, h^>X,
равна
(2 . тс \2
— Sin -г- \
—;—— . 13-61
cos ---cos -р- /
к к /
где
k = i,5 + -L, T = arctg^-.
Для вращающегося конуса формулы для определения <зэ не по-
лучено, однако с достаточной точностью конус можно рассматри-
вать как сочетание различных поверхностей. Например, зависи-
мость амплитуды сигнала от ракурса для основания конуса может
быть определена по формуле для круглой пластины. По времени
появления блестящих точек, соответствующих максимальной ам-
плитуде сигнала, отраженного от боковой поверхности, могут быть
выяснены данные о высоте конуса и угле при его вершине.
ЭПР параболоида вращения (рис. 3.6г) при тех же условиях
определится формулой
/ 2 . тс \2
/ -г- sm -г- \
”. == kR2 tgT + ---------Ц- I ,
\ COS --COS —/
X k k /
где у = arctg-jjp а значение k определяется так же, как и в [3.6].
101
Теоретический метод расчета эффективной площади рассеяния
объектов сложной формы состоит из трех этапов:
— объект сложной конфигурации разбивается на составные
элементы, каждый из которых представляет собой объект про-
стейшей формы;
— вычисляются значения ЭПР простейших объектов;
— находится величина ЭПР исходного объекта.
На первом этапе апостериорно определяется важность каж-
дого из простейших элементов. Если вклад какого-либо элемента
в полную величину ЭПР на 20—30 дб ниже, чем у других элемен-
тов, то его ЭПР вычисляется обычно приближенно. Геометриче-
ские детали исследуемого объекта становятся существенно важ-
ными в том случае, если их размеры превышают длину волны
либо сравнимы с ней. Если же размеры объекта малы по сравне-
нию с длиной волны, то задача ограничивается отысканием ЭПР
эквивалентного сфероида.
Головные части большинства иностранных МБР имеют кони-
ческую или оживальную форму. Носик ГЧ часто имеет форму сег-
мента или полусферы. Коническая часть ГЧ может переходить
в цилиндрическую, торцевая (донная) часть может иметь форму
сегмента, полусферы, сфероида или усеченного конуса. Форма го-
ловных частей МИРВ в донной части может определяться нали-
чием двигателей в виде открытых цилиндров, усеченных конусов
и т. п.
На втором этапе вычисления ЭПР возникают задачи, связан-
ные с затенением и, эффектом рассеяния на концах. Так, для ко-
нусов со сферическими основаниями (рис. 3.7) в случае облучения
их с вершины вторичное излучение обусловлено:
— рассеянием на вершине, т. е. дифракцией на заостренном
конце объекта (это единственный вклад, вносимый конусом бес-
конечной длины);
Рис. 3.7. Конус со сферическим основа-
нием и скругленной вершиной
— бегущими волнами, т. е. отражением и (или) возбуждением
поверхностных волн на неоднородностях поверхности тела (конеч-
ный круговой конус дает существенный вклад вследствие влияния
острого края у основания);
— ползущими волнами, т. е. излучением, обусловленным по-
верхностными волнами, которые могут распространяться вокруг
102
тыльной части тела (или области затенения) и направляться ’об-
ратно к излучающему источнику (экспериментально было доказано,
что вклад ползущих волн становится существенным при облу-
чении объекта под нулевым ракурсом).
Перед последним этапом — этапом суммирования должна
быть известна совокупность ЭПР оь сг» •••, он элементарных отра-
жателей для заданных ракурса объекта, длины волны и поляри-
зации.
Суммирование производится обычно двумя методами:
— методом относительной фазы;
— методом случайной фазы.
Метод относительной фазы основан на учете относительных
фазовых сдвигов сигналов, отраженных от каждого из N элемен-
тарных отражателей. ЭПР объекта в целом в этом случае равна
N 2
2/^ехр(^) ,
i=i
где —ЭПР i-ro элемента;
«Pi —относительная фаза, соответствующая i-му элементу.
По чертежу объекта находят относительные расстояния df ме-
жду элементами. Величины ^определяют соответствующие фазы <pi,
которые прямо пропорциональны отношению d(: X.
Метод относительной фазы применяется в том случае, если
исследователю необходимо выяснить характер колебаний (струк-
туры) диаграммы вторичного излучения объекта в зависимости
от ракурса при фиксированной длине волны (или наоборот).
Метод случайной фазы, дающий «среднее значение» ЭПР, при-
меняют для приблизительной оценки величины ЭПР в зависимости
от ракурса при некоторых фиксированных значениях длин волн
(или в зависимости от длин волн при некоторых фиксированных
ракурсах). В основе данного метода лежит предположение о том,
что все фазы характеризуются равномерным распределением на
интервале (0, 2и), т. е. р (<pt) = 0,5к 0 < < 2к для всех i. Это
позволяет вычислить: среднее значение ЭПР (математическое
ожидание)
N
; =E(a) = 2°i;
i=l
— максимально возможное значение ЭПР
N 2
дисперсию ЭПР
N
D(a) = [E(a)P-2a2.
i—1
103
Для экспериментальных значений ЭПР, получаемых обычно на
одной фиксированной частоте, производят сглаживание по ра-
курсу 0 и находят:
— среднеарифметическое значение ЭПР
А W = ь<®> dS;
4 91
Рис. 3.8. Интегральные распределения ЭПР тонких
тел:
а — зависимость ЭПР от ракурса; б — интегральные кривые
формы облучаемых тел (тонкие треугольники, толщина 0,4 Л»
h =55 Л, 2R =13,5 А, 7=6,6°)
среднегеометрическое значение ЭПР
lg G (о) = q f 1g а (0) d0.
Для сравнения эффективной площади рассеяния двух различ'
ных объектов используют интегральные распределения ЭПР. Так
104
интегральные распределения ЭПР двух тонких тел (рис. 3.8), по-
строенные на основании зависимостей их ЭПР от ракурса, позво-
ляют сделать вывод, >что наибольшие пики ЭПР отличаются на
3,5 дб, медианы — на 7 дб.
В настоящее время в США проводится каталогизация радио-
локационных характеристик различных космических и баллисти-
ческих объектов.
Сигнальные характеристики головных частей анализируются по
вторичным признакам — амплитуде и фазе отраженных сигналов,
характеризующих размер, форму ГЧ и ее пространственное распо-
ложение. Размеры объекта определяются непосредственно по
флюктуациям отраженного ра-
диолокационного сигнала, харак-
теризующего ЭПР объекта в на-
правлении на РЛС. При этом гео-
метрически сложное тело рас-
сматривается как комбинация
простейших тел с известными
сигнальными характеристиками
(шар, цилиндр, круг и т. п.). Так,
в 1958 г. по данным РЛС
AN/FPS-16 по кривой изменения
амплитуды отраженного сигнала
была определена форма второго
советского ИСЗ (рис. 3.9).
Каталогизация сигнальных ха-
Рис. 3.9. Форма второго советского
ИСЗ и кривая изменения амплитуды
отраженного сигнала по данным, по-
лученным на РЛС AN/FPS-16:
1 — уголковые отражатели; 2 — эмпириче-
ская кривая; 3 — теоретическая кривая
рактеристик основана на исполь-
зовании аналитического и экспе-
риментального способов измере-
ния ЭПР объектов под различ-
ными ракурсами относительно об-
лучающей РЛС. Аналитический
способ предполагает получение
математических выражений, описывающих характер отражения от
возможных целей. Этот способ предпочтителен, так как пригоден
для автоматического анализа сигнальных характеристик с помощью
ЭВМ. Однако в настоящее время получены лишь упрощенные фор-
мулы, справедливые при следующих допущениях:
— объект имеет полностью металлическую поверхность с пре-
небрежимо малыми потерями за счет сопротивления;
— объект находится на достаточном удалении от РЛС,
позволяющем считать фронт электромагнитной волны пло-
ским;
<— размеры объекта значительно больше длины волны РЛС;
— объект имеет симметричную форму, а ракурс изменяется
вращением объекта относительно оси, Перпендикулярной оси сим-
метрии.
Первое допущение при использовании радиопоглощающих и
абляционных покрытий носовых конусов может существенно огра-
105
ничить аналитический способ. В этом случае дополнительно тре-
буются некоторые эмпирические данные.
Второе и третье допущения почти всегда выполняются: фронт
волны на удалении свыше 160 км является плоским для объекта
длиной от 1,0 м и более (поскольку длина волны в РЛС, распо-
знающих цели, составляет доли метра, т. е. существенно меньше
размеров объекта).
Практически ЭПР цели определяется:
— поляризацией передающей и приемной антенн РЛС;
— материалом, из которого изготовлен объект;
— ориентацией объекта относительно луча РЛС;
— формой объекта;
— длиной рабочей волны.
Отражение электромагнитных волн от одиночных целей с про-
стой конфигурацией, ориентированных определенным образом от-
носительно направления на РЛС, может быть оценено с помощью
вышеприведенных формул. Практически же головные части МБР
представляют собой сложные комбинации отражателей различного
типа, вследствие чего отраженный сигнал представляет собой ре-
зультат сложения нескольких сигналов, отраженных от отдельных
(простейших) элементов объекта. В свою очередь характер отра-
жений от отдельных элементов цели существенно зависит от их
ориентации (рис. 3.10). Кроме этого, при движении цели вдоль
траектории меняются фазовые соотношения между сигналами,
отраженными от различных элементов, что приводит к возникно-
вению флюктуаций в структуре диаграммы обратного отра-
жения.
По указанным выше причинам законы распределения вероят-
ностей ЭПР и характер изменения ее диаграммы при каталогиза-
ции объектов определяются экспериментальным путем. Для этой
цели используются специальные установки, позволяющие модели-
ровать характеристики ЭПР различных объектов. Эксперименталь-
ный способ по сравнению с аналитическим имеет преимущества и
позволяет:
— определить ЭПР объектов, оснащенных радиопоглощающим
покрытием;
— провести тщательный анализ тонкой структуры диаграммы
вторичного излучения с целью получения простых эмпирических
формул и зависимостей.
На рис. 3.11 приведены диаграммы вторичного излучения кру-
гового конуса с углом при вершине 60° (а) и прямого кругового
цилиндра (б) на частоте 9342 Мгц (поляризация перпендикуляр-
на продольной оси конуса и цилиндра). Из диаграмм видно, что
применение на моделях радиопоглощающих покрытий (РПП) по-
зволило снизить их ЭПР в среднем на 8—10 дб. Сравнение теоре-
тических и экспериментальных результатов для цилиндра (частота
9800 Мгц, поляризация вертикальная) показывает, что при углах
облучения, близких к нулю или 180° (рис. 3.12), объект отражает
электромагнитную энергию как плоская пластина.
106
Рис. ЗЛО. Сигнальные характеристики:
а — шара; б — круглой пластины; в — цилиндра; г — конусаа
е — тел цилйндро-конической формы
107
Q
В целях исследования точности экспериментального моделиро-
вания радиолокационного сечения головных частей разработчи-
ками ГЧ Мк.П и Мк.ПА были проведены на частоте 35 200 Мгц
измерения модели объекта конусообразной формы (длина кото-
рого около 2,25 м) с помощью различных измерительных устано-
вок. В одной измерительной установке применялась узкополосная
система, работающая в непрерывном режиме, с передатчиком мощ-
ностью 20 вт. В другой установке использовались импульсы дли-
тельностью 30 нсек, что соответствовало примерно 200 длинам мо-
дели. По результатам измерений (рис. 3.13) можно судить об ЭПР
объекта во всем дециметровом диапазоне длин волн.
108
Ракурс, град
-----экспериментальные данные;
”:”-границы среднеквадратичного откло-
нения по уровню вероятности 0,997
Рис. 3.12. Теоретические и экспериментальные ха-
рактеристики вторичного излучения прямого кру-
гового цилиндра (длина 25,4 см, диаметр 7,5 см)
Как уже отмечалось, наибольшие трудности в определении вида
реальных диаграмм вторичного излучения вносит процесс «кувыр-
кания» объектов. Диаграмма отражения тела цилиндро-конической
формы, вращающегося вокруг произвольной оси, проходящей че-
рез центр тяжести с периодом около 19 сек, представлена на
рис. 3.14. В этом случае на индикаторе РЛС сопровождения будут
наблюдаться регулярные усиления яркости отраженного сигнала,
по частоте следования которых можно определить частоту «ку-
выркания» объекта. Серия устойчивых зеркальных точек А и В
говорит о том, что объект ориентирован относительно луча РЛС
своей боковой поверхностью (торец на диаграмме не просматри-
вается). Использование сигнальных характеристик такого вида
(рис. 3.14) позволяет в предположении равных условий отделения
109
по
Рис. 3.13. Диаграммы вторичного излучения носового конуса
(два результата измерений):
а — горизонтальная поляризация; б — вертикальная поляризация
целей (среди которых находятся и ГЧ) с
борта МБР определить их относительные
массово-инерционные параметры, на осно-
вании которых может быть определено ме-
стоположение головной части ракеты среди
ложных целей.
3.4. Ошибки обработки радиолокационной
информации
Для решения задачи перехвата необхо-
димо определить местоположение цели к не-
которому моменту времени с заданной точ-
ностью. Движение на пассивном участке
траектории, составляющем большую часть
полетного времени МБР, происходит в поле
земного тяготения. Невозмущенное движе-
ние материальной точки в гравитационном
поле (так называемая задача двух тел)
описывается тремя дифференциальными
уравнениями второго порядка, которые в
декартовой системе координат с началом
в притягивающем центре имеют вид
d27- 7-
2£_ + k_L = o, i = l, 2, 3, [3.7]
dt2 1 г3
з
где r2=Sz^ —квадрат радиус-вектора
i=l
материальной точки;
k = f (М + т) — гравитационный параметр
материальных точек с
массами Мит;
f — универсальная постоян-
ная тяготения.
Порядок этой системы равен шести, так
что искомые величины Zi выражаются в виде
функций от независимого переменного t и
шести произвольных постоянных. Поэтому
движение ракеты на пассивном участке
траектории полностью определяется зада-
нием шести констант, выбор которых в до-
статочной степени произволен.
Для полного определения эллиптической
траектории (а следовательно, и всех ее эле-
ментов, таких, как точка падения, точка за-
пуска и время полета снаряда с момента
обнаружения и до момента падения на по-
верхность Земли) в качестве указанных
Рис. 3.14. Сигнальные характеристики тела цилиндро-конической формы с периодом «кувыркания» 19 сек:
зеркальная точка цилиндрической поверхности; В — зеркальная точка конической поверхности,- С — зеркальная точка основания тела
111
выше шести констант можно принять время to и пять парамет-
ров (а), характеризующих эллипс.
В системе ПРО задачу определения параметров цели решают
радиолокаторы, сопряженные с ЭВМ. Радиолокационные наблю-
дения дают обычно азимут, угол места, наклонную дальность и
(или) радиальную составляющую скорости цели. Измеряемые ве-
личины функционально связаны с параметрами эллипса и теку-
щим моментом времени. Эта связь выражается в аналитическом
виде через известные, хотя и громоздкие уравнения. При детер-
минированном характере движения цели и идеальном измерителе
в принципе достаточно было бы иметь шесть независимых изме-
рений одной из величин (например, азимута) для однозначного
определения искомых параметров. Однако в показаниях реальных
измерительных устройств всегда присутствуют ошибки, обуслов-
ленные многими факторами.
Наличие случайных составляющих в ошибках измерений за-
ставляет отказаться от детерминистского метода решения постав-
ленной задачи и перейти к статистическому. Среди множества ста-
тистических методов наиболее эффективными являются метод
максимального правдоподобия, байесов метод и метод наимень-
ших квадратов.
Метод максимального правдоподобия представляет собой один
из основных методов теории точечных оценок и широко исполь-
зуется при обработке радиолокационных измерений. Этот метод
максимизирует функцию правдоподобия, которая определяется как
апостериорная плотность вероятности р(у/а):
L (а) = р (у/а),
где у — совокупность исходных данных (выборка из N измере-
ний);
а — искомый вектор оцениваемых параметров.
Для нахождения максимума плотности вероятности необходи-
мо решить систему уравнений правдоподобия
.4.lnL<a)=0 ; — 1 2 6.
ctej ’ J ’ 1
В общем случае уравнения правдоподобия являются нелиней-
ными. Точное решение этих уравнений сопряжено с большими вы-
числительными трудностями. Как правило, применяют приближен-
ные методы их решения, например, метод Ньютона или метод ите-
раций. Указанные операций выполняются на быстродействующих
ЭВМ. Общим приемом, существенно ускоряющим и упрощающим
вычисления по любому из методов статистических оценок, яв-
ляется линеаризация исходной нелинейной системы уравнений от-
носительно опорной траектории движения.
Оценки параметров по методу наименьших квадратов совпа-
дают с оценками максимального правдоподобия при нормальном
распределении ошибок измерений. В противном случае метод наи-
меньших квадратов приводит к менее эффективным оценкам. . .
112
Использование различных методов оценок определяется раз-
личием в объеме априорных данных, связанных с процессом со-
провождения траектории. Известные классические методы реше-
ния задачи оценок используют информацию о законе движения
цели и статистические характеристики ошибок измерения (одно-
мерный закон распределения, корреляционные матрицы ошибок).
Работа импульсных РЛС в режиме автоматического сопрово-
ждения цели описывается алгоритмом обработки дискретного ан-
самбля координат сигналов, частота поступления которых опре-
деляется темпом локации. Полученные измерения, как правило,
можно представить в виде аддитивной смеси измеряемых коорди-
нат и ошибок измерений т\
yi = F[Zj(a)H-i=0, 1, ...,N, [3.8]
где i — порядковый номер выборки;
N + 1 = + 1 — объем выборки, определяемый временем наблю-
дения tH и интервалом времени т между равноотстоящими момен-
тами съема координат;
F — функция преобразования геоцентрических координат движе-
ния материальной точки в систему координат соответствующей
РЛС.
Для линеаризованной системы выражение [3.8] преобразуется
к виду
у^Н^ + Чр [3.9]
где Н,— матрица преобразования размерности шХп;
у,, Zj — соответственно m-мерный и n-мерный векторы со*
. стояний рассматриваемой системы.
Линеаризованная динамическая модель эллиптической траек-
тории цели описывается с помощью матрицы перехода Aj 6-го по-
рядка
zH-i “ zi •
В последнее время широкое распространение получил байесов
метод обработки радиолокационных наблюдений. Основные осо-
бенности этого метода заключаются в возможности использования
априорной информации о начальных координатах цели, а также
в построении удобных рекуррентных фильтров.
В качестве, примера приведем рекуррентный фильтр Калмана,
осуществляющий сглаживание результатов измерений [3.8, 3.9] при
наличии векторного белого шума 41
z* = A^jZ^j + rKH^R“* (ук HKAK_1zK_ J,
где = [А^Г^А^]-1 + HTR-’H-
* Индекс «Т» означает операцию транспонирования матрицы.
5—754 ИЗ
RK— корреляционная матрица текущих ошибок порядка Ш
(при измерении дальности и двух угловых координат
ш = 3);
Гк — матрица ошибок сглаживания;
z0 и Го — определяются априорными данными о первых двух
моментах распределения вероятностей координат цели
в начальный момент наблюдения.
Рекуррентный фильтр представляет большие удобства в про-
цессе обработки наблюдений на ЭВМ, так как освобождает от не-
обходимости хранения использованной входной информации.
Кроме того, матричные преобразования в фильтре Калмана имеют
относительно малую размерность. Однако при наличии некорре-
лированных во времени ошибок наблюдения, построение опти-
мальных рекуррентных фильтров наталкивается на принци-
пиальные трудности.
В данном случае для относительно коротких интервалов на-
блюдения и экстраполяции можно рекомендовать метод наимень-
ших квадратов применительно к полиномиальной модели движе-
ния цели. При этом баллистическая траектория аппроксимируется
совокупностью полиномиальных функций, описывающих проекции
траектории в прямоугольной системе координат РЛС.
Соответствующий полином движения цели по каждой из коор-
динат Zi, Z2, z3 может быть записан следующим образом;
г
Z (t - к) == |2 (- ix)K (k!)-,z(k) (t),
к=0
где z(K)(/) — к-тая производная от z(t);
г— степень полинома;
t—текущее время (время последнего замера).
, При полиномиальной модели движения цели экстраполирован-
ная координата z3 в момент времени t-M9 рассчитывается по фор-
муле
, г
z, (t + и = 2 *эК (к!Г'ак (I),
к=0
где ак (t) — оценка к-той производной от z (t).
Экстраполяция координат цели требуется для решения задач
целеуказания, вывода антиракеты в расчетную точку встречи, вы-
числения координат точек падения баллистических целей и др.
В случае известной степени полинома движения цели опти-
мальная оценка к-той производной, вычисляемая по методу наи-
меньших квадратов, находится по формуле
N
(t)=2 wi у с ~ к)>
i=0
114
где wi — весовые коэффициенты, определяемые решением матрич-
ного уравнения cN+r + 2 неизвестными
G B]rW| [ Ga
Вт 0 Cr = S
G — корреляционная матрица ошибок измерений координат (по-
рядка N + 1) с элементами gjj = V) (t — it) iq (t —• j-c);
Ga — вектор-столбец вторых смешанных моментов ошибок изме-
рений, содержащий элементы ga (i) — Y](i) (t) v; (t — it);
S — вектор-столбец с элементами
_J0, i¥=j
Si 4! (~ T)~j> *i = J5 ’
Cr — вектор-столбец г коэффициентов Лагранжа;
W — искомый вектор-столбец весовых коэффициентов;
О 0 ... О"
1 1 ... 1
_1 N № . . . Nr_
Соответствующая ошибка оценки определяется выражением
Dj = ST(BTG-IB)~1G. [3.10]
По своим спектральным свойствам ошибки измерений делятся
на некоррелированные (флюктуационные), характеризующиеся
большим значением произведения ширины спектра ошибок AF на
время наблюдения tH(AFtH^>l), слабокоррелированные (медленно
меняющиеся) и сильнокоррелированные (систематические, AFtH<Cl).
Основными источниками некоррелированных ошибок являются
собственные шумы приемных устройств РЛС, а также организо-
ванная шумовая помеха и флюктуационная ошибка измерительных
приборов.
Флюктуационные ошибки единичных измерений в присутствии
шумовых помех определяются отношением сигнал/шум на входе
приемника и вычисляются по следующей приближенной фор-
муле * .
<3Ф==8ч-1/2,-
где 3 — величина разрешающей способности РЛС по соответствую-
щей координате.
Медленно меняющиеся ошибки ам определяются неточностью
юстировки измерительных устройств, а также условиями распро-
странения радиоволн, в частности, влиянием ^ионосферы.
5*
115
Систематические ошибки вызываются, главным образом, де-
фектами измерительных устройств.
Рассмотрим представляющие практический интерес некоторые
частные случаи матричного уравнения [3.10].
При некоррелированных ошибках (время корреляции шума
тк<*с) матрица G превращается в диагональную с элементами
ёи=Ьи
Тогда D.j.j = b0 • ууу-,
N
с элементами х, = 2 р'тг-;
р=0
| X | —определитель матрицы X;
| Xjj | — минор матрицы X.
В случае стационарной шумовой помехи и равноточных изме-
рений (Ьр=Ьо) выражение для ошибки упрощается и при N ^>г
принимает вид
п — ь° Г(г + }+ 1)! Т 1
“ t2W L (r-j)ij! J ’ 2j + 1 ’
Для сравнения приведем точные выражения Вф при малых]иг
112 N r= 1
t2 1 VH ’ (N + l) (N + 2) ’
D1=j 12 N(2N+ 1) (8N — 3) r = 2
It (№ + 1) (N + 2) (N + 3) ’
n 720N8 >r = 2.
u2 — t*(N»+ l)(N + 2)(N + 3) 1
Ошибка экстраполяции положения цели по каждой из коор-
динат в случае некоррелированных оценок производных aj вычис-.
ляется по формуле
VI t2i
i=o
Медленно меняющиеся ошибки измерения. В условиях малого
объема выборок следует воспользоваться точным выражением для
П6
оценок Dj, аппроксимируя корреляционную функцию ошибок рав-
ноточных измерений экспоненциальной функцией
амехр(~
При большом объеме выборок и значительном усложнении ма-
тричных преобразований возможно приведение приближенных
расчетов в два этапа. Весь объем выборок N равномерно разде-
ляется на I групп (/=4н/тк).
На первом этапе производится расчет ошибок сглаживания
(Do) координат внутри каждой группы, содержащей Ni = N//
выборок. На втором этапе, полагая сглаженные координаты не-
коррелированными на интервале тК) для вычисления результирую-
щих ошибок DMj(N) по полному объему выборок N +1, достаточно
воспользоваться формулами вышеприведенного типа, положив
N=/—1, b0=DM0(N1).
При данная процедура резко снижает размерность
матриц и значительно упрощает расчеты.
В случае TK>tH можно рекомендовать более простую схему
выполнения ориентировочных расчетов, основанную на модели
пилообразного закона изменения слабокоррелированных ошибок
со случайным наклоном пилы,
При этом
мл
где — дисперсия скорости изменения ошибки.
Полная ошибка экстраполяции координат при линейном сгла-
живании радиолокационных измерений приближенно определяется
суммированием отдельных составляющих
= ЭфЭ + DM3 + Dc.
Пусть, например, радиолокационная станция находится под
апогеем в плоскости оптимальной траектории МБР с дальностью
действия 8300 км. Измерения начинаются при минимальном угле
места луча РЛС относительно местного горизонта, равным 5°, и
поступают с частотой 30 имп/сек. Стандартные отклонения оши-
бок измерений азимута, угла места, наклонной дальности и ра-
диальной составляющей скорости равны соответственно 0,5°,
3,7 км, 30,5 м/сек, причем их математические ожидания равны
нулю.
Зависимости прогнозирования ошибок в определении точки па-
дения МБР от времени наблюдения, рассчитанные по методу мак-
симального правдоподобия, показаны на рис. 5.1. Из графика сле-
дует, что полуоси эллипса ошибок в случае большого числа изме-
рений изменяются в зависимости от времени наблюдения прибли-
зительно обратно пропорционально степени 3/2.
117
3.5. Пропускная способность РЛС
В теории массового обслуживания пропускная способность
РЛС может определяться как максимальная плотность потока це-
лей, который может быть обслужен радиолокационной станцией.
В данном случае понятие «обслуживание» означает выдачу ин-
формации по целям с точностью не ниже заданной на соответст-
вующих этапах работы РЛС. Под плотностью потока целей обыч-
но понимают количество целей, которое входит в зону наблюдения
за единицу времени.
В общем виде плотность потока целей
S=M:At, [3.11]
где М— среднее число обслуживаемых целей;
At— среднее время обслуживания потока целей.
В качестве критерия обслуживания могут приниматься ошибки
измерения сигнальных и траекторных параметров цели. В подав-
ляющем большинстве случаев оценку качества обслуживания
можно свести к шаровой ошибке а* положения цели в экстрапо-
лированной точке. По данному критерию цель считается обслу-
женной, если
^(ta, [3.12]
где аэ = D1/2 —большая полуось эллипсоида ошибок экстраполя-
ции траектории цели к рубежу принятия решения *.
Шаровая ошибка а* однозначно определяет необходимое
время обслуживания потока целей конкретного класса.
Время обслуживания потока целей рассчитывается в зависи-
мости от метода сканирования пространства. Для РЛС с механи-
ческим обзором полное время обслуживания At представляет со-
бой совокупность интервалов времени выполнения ряда последо-
вательных операций
м
«=2Х,+*«+»„).
i=l
где i — порядковый номер целей (групп целей), разрешаемых
по угловым координатам;
t4i — среднее время переброски луча в направлении i-той
цели;
Ini — время поиска i-той цели в угловом стробе целеуказа-
ния, формируемом на этапе обнаружения;
tHi — время сопровождения и измерения параметров i-той
цели (время наблюдения).
Для РЛС с фазированной антенной решеткой время электрон-
ного переключения луча пренебрежимо мало по сравнению с пе-
риодом следования импульсов. Поэтому можно принять, что на
* См. раздел 3.4.
118
интервале At обеспечивается практически одновременное сопро-
вождение множества целей.
В РЛС с ФАР энергия по различным угловым направлениям
распределяется следующими способами:
— формированием многолучевой диаграммы направленности;
— изменением длительности зондирующих импульсов;
— управлением темпом локации.
Максимальный темп локации ограничивается величиной сред-
ней мощности передатчика. Минимальный темп локации опреде^
ляется условиями устойчивого сопровождения цели и зависит от
типа траектории. Темп обращения к маневрирующей цели увели-
чивается пропорционально интенсивности ее маневра. Кроме того,
на ограничение темпа локации снизу существенное влияние ока-
зывает требуемый объем сигнальной информации о целях в про-
цессе решения задач распознавания и идентификации.
В простейшем случае детерминированного и равномерного по;
тока идентичных целей энергия РЛС распределяется по целям
равномерно. Максимальное число обслуживаемых целей состав-
ляет
______ Тмакс .
макс р »
Г мин
где Рмакс, Имин — соответственно максимальный и минимальный
темпы локации.
В этом случаеk величина пропускной способности РЛС
__ Рмакс го 1Q1
ГМИН
Произведение FMIIU-At определяет объем выборок по каждой
цели за время наблюдения At. Формулы [3.11—3.13] справедливы
при условии выдачи точного целеуказания на каждую цель по
угловым координатам *.
В реальных ситуациях пропускная способность РЛС сущест-
венно ниже ввиду того, что число облучаемых угловых направле-
ний превышает число обслуживаемых целей.
• В случае произвольного потока целей пропускная способность
РЛС определяется решением задачи оптимального распределения
энергии радиолокатора в пространстве по априорным данным
о совокупности характеристик целей с учетом ограничений энер-
гетических ресурсов РЛС.
Упрощенная постановка задачи предполагает, что в каждом
разрешаемом угловом направлении находится не более одной целя
с априорно известными характеристиками, такими как ЭПР (oj),
отнесенная к квадрату дальности .до цели (Rp), и плотность мощ-
ности шумов передатчика помех (Ni), прикрывающего i-тую цель.
* Т. е. в предположении, что время на поиск цели в стробе целеуказания
не затрачивается.
119
При этом количество М обслуживаемых целей рассчитывается с
учетом следующей совокупности неравенств
м
1=1 [3.14]
где Pcpj — средняя мощность сигнала РЛС, зондирующего i-тую
цель на интервале At;
Е — общий энергетический ресурс РЛС;
f— функциональная зависимость между точностью
экстраполяции координат и характеристиками сиг-
нала и цели.
Приняв для упрощения время экстраполяции одинаковым для
рассматриваемого потока целей, в первом приближении можно
представить следующий алгоритм распределения энергии РЛС по
угловым направлениям с коэффициентами пропорционально-
сти Ki, Кг
Оценим пропускную способность РЛС при неравномерном рас-
пределении энергии между целями в соответствии с правилом
[3.15]. Предварительно всю совокупность целей разделим на г групп
(внутри каждой из групп цели идентичны по своим характеристи-
кам). Решая задачу расчета общего числа обслуживаемых це-
лей М при заданном соотношении числа целей в группах, в соот-
ветствии с условиями [3.14] и [3.15] получаем следующее выраже-
ние для пропускной способности РЛС
[3.16]
где 1ПЛ—отношение числа целей в j-той группе к числу целей
в 1-ой группе;
Pi — пропускная способность РЛС в условиях потока одно-
родных целей, содержащего цели только 1-ой группы.
Уменьшение объема априорных данных о потоке целей сни-
жает эффективность распределения энергии по целям и уменьшает
пропускную способность РЛС.
Итак, пропускная способность РЛС зависит как от характери-
стик РЛС, так и параметров потока целей. Основными факторами,
120
ограничивающими пропускную способность, являются энергетиче-
ские ресурсы РЛС и условия организации помеховой обстановки.
Быстродействие обработки информации на ЭВМ, как правило,
играет меньшую роль и учитывается во вторую очередь.
Пропускная способность РЛС определяется к основным рубе-
жам функционирования системы ПРО: целераспределения, приня-
тия решения на пуск антиракеты, уничтожения целей.
ГЛАВА 4
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОМЕХОВЫХ УСТРОЙСТВ
В РАКЕТНОЙ ТЕХНИКЕ
Обеспечение высокой эффективности современных технических
средств преодоления ПРО, входящих в состав комплексов стра-
тегического ракетного оружия, по мнению иностранных специали-
стов, является одной из основных задач боевого использования
МБР. Успешное решение этой задачи во многом зависит от умения
количественно оценивать эффективность средств нападения и ра-
диопротиводействия в заданной практической ситуации. В связи
с этим целесообразно рассмотреть взгляды зарубежных специали-
стов на некоторые комплексные вопросы военно-технической оценки
средств ракетно-ядерного нападения в условиях радиопротиводей-
ствия системе ПРО с учетом возможных перспектив ее совершен-
ствования.
4.1. Общие показатели качества
радиопротиводействия
Эффективность любого современного ракетного комплекса оп-
ределяется в основном двумя независимыми группами факторов.
Первая группа включает в себя так называемые факторы каче-
ства комплекса, основными из которых являются: дальность и
точность стрельбы, мощность боевого заряда ГЧ, количество и со-
став средств РПД на борту ракеты, их технические характери-
стики. Вторая группа учитывает условия боевого применения ра-
кетного комплекса: стратегию и тактику применения МБР (дуэль-
ная ситуация или массированный налет), априорные сведения или
разведданные о местоположении объектов поражения и степени
их защищенности системой ПРО, последовательность действия
радиолокационных и огневых средств ПРО в заданной ситуации,
тактику использования средств РПД.
Числовой характеристикой эффективности, отражающей сте-
пень соответствия ракетного комплекса своему назначению при
заданных условиях боевого применения, является так называемый
обобщенный критерий эффективности. Основу этого критерия
122
составляют параметры ракет, головных частей, средств радиопро-
тиводействия, характеристики их боевого использования, а также
затраты на их создание и эксплуатацию. Недостатком указанного
критерия являются значительные трудности, вызываемые слож-
ностью определения его составных частей и представления техни-
ческих характеристик в условных единицах стоимости.
Анализ характера практических задач по количественной оцен-
ке эффективности различных средств вооружения показывает, что
многие задачи могут быть решены на основе раздельной оценки
технической и экономической эффективности. При этом критерии
технической эффективцости исследуемых видов и систем воору-
жения являются результатом сравнения качества оружия и прин-
ципов его боевого использования. Критерии экономической эффек-
тивности являются итогом сравнения результатов боевого приме-
нения оружия и затрат на его создание и эксплуатацию. Пра-
вильный выбор и определение указанных критериев во многом
предопределяют успех исследований и проектирования систем во-
оружения и позволяют выполнять их с наименьшей затратой сил
и средств.
Обычно в качестве критерия при оценке технической эффек-
тивности сложных систем рекомендуется использовать вероят-
ность выполнения стоящих перед ними задач.
Так, например, если результат действия ракетного комплекса
по цели выразить через эффект поражения, то за критерий эффек-
тивности можно принять вероятность поражения цели. Этот кри-
терий справедлив только для малоразмерных («точечных») объ-
ектов типа стартовых позиций МБР. Вероятность поражения «то-
чечных» целей равна вероятности накрытия цели зоной сплошно-
го поражения, размеры которой определяются мощностью бое-
заряда ГЧ и прочностью цели.
При стрельбе МБР по нескольким целям в качестве критерия
технической эффективности принимают математическое ожидание
числа пораженных целей.
При стрельбе по крупным объектам за критерий эффективно-
сти могут быть приняты вероятность поражения заданной части
объекта или математическое ожидание величины пораженной пло-
щади (нанесенного ущерба).
При прорыве системы ПРО критерием технической эффектив-
ности комплекса РПД может служить, например, число головных
частей, преодолевших систему ПРО.
Однако в условиях ядерной войны сам запуск ракеты по цели
может быть произведен лишь с некоторой вероятностью, которая,
в свою очередь, определяется эффективностью системы ПРО, тех-
нической надежностью всего ракетного комплекса, требуемой ча-
стотой пусков и т. п. Поэтому вероятность успешного запуска
МБР определяют произведением вероятностей выполнения ряда
условий (вероятности того, что стартовая позиция не будет унич-
тожена ударом ракет противника, что ракета не запущена из-за
низкой надежности и т. д.). В этом случае величина полной ве-
123
роятности поражения объекта (или заданной части объекта) при
одном пуске МБР составит
Р = Р» Рпро Ро» И. 1]
где Рж — вероятность того, что МБР подготовлена к пуску и ее
стартовая позиция не будет поражена противником
(так называемый критерий «живучести»);
Рн — условная'Вероятность доставки в район ПРО головной
части и средств РПД, надежности функционирования
средств РПД и подрыва ядерного боезаряда в районе
цели (критерий «надежности»);
РПро — вероятность прорыва ГЧ через систему ПРО (крите-
рий эффективности комплекса РПД);
Ро—условная вероятность поражения объекта (части)
одной МБР (определяется мощностью боезаряда ГЧ и
ошибками подготовки данных для пуска ракеты и рас-
сеянием относительно точки прицеливания).
Если по одному объекту назначено N пусков МБР при одних
и тех же условиях, то критерий технической эффективности мо-
жет быть определен как вероятность хотя бы одного попадания
в цель:
W1 = 1 - (1 - P)N. [4.2]
При стрельбе ракетами по различным однотипным целям при
одинаковых условиях математическое ожидание числа целей, по-
ражаемых МБР, составит
W = NP, [4,3]
где N — число МБР или число целей, по которым запущена одна
ракета с соответствующим количеством боеголовок
в РГЧ.
Обобщенный критерий эффективности ракетного комплекса
Кг
W=-j----------Р, [4.4]
-^Ку + Кр
где W— математическое ожидание числа целей, поражаемых ра-
кетной системой;
Кх — стоимость создания всего ракетного комплекса в серий-
ном производстве;
Ку — стоимость одной пусковой установки;
Кр—стоимость одной МБР, оснащенной конкретным типом
ГЧ;
п — число МБР, приходящееся на одну пусковую установку
(один стартовый стол);
Р — полная вероятность поражения типового объекта при
одном пуске.
124
Из выражения [4.4] легко может быть получен достаточно на-
глядный критерий экономической эффективности ракетного ком-
плекса в шахтном варианте (п=1):
где Кш — стоимость одной пусковой шахты. Выражение [4.5]
позволяет произвести сравнительную стоимостную оценку различ-
ных типов стратегических ракет при постоянной вероятности пора-
жения цели.
Стратегические малоразмерные цели * с заданной вероятно-
стью могут поражаться системами ракетного оружия с боезаря-
дами различной мощности. Если МБР запущена и оснащена вы-
сокоэффективным комплексом средств РПД системе ПРО, то ве-
роятность поражения малоразмерной цели, как указывалось
выше, равна вероятности накрытия цели зоной сплошного пора-
жения, размеры которой определяются мощностью ядерного заря-
да головной части ракеты и прочностью цели.
Если предположить, что система управления МБР обеспечи-
вает нормальное круговое рассеивание точек падения ГЧ с нуле-
вым математическим ожиданием, то вероятность того, что случай-
ный промах г при одном пуске ракеты не превысит некоторое на-
перед заданное число р, определяется из соотношения:
Р(г<р) = 1 -ехр( -^-) , [4.6]
где а — среднеквадратичное отклонение ошибки системы управ-
ления.
В целях упрощения расчетов можно принять, что объект пора-
жается только ударной волной (т. е. без учета других поражающих
факторов ядерного взрыва). Обозначив радиус сплошного пора-
жения через Rn, на основании уравнения [4.6] определим вероят-
ность поражения точечной цели (Ро) ударной волной ядерного
взрыва:
P0 = P(r<R„) = l-exp^-j^g-J, [4.7]
где Е = Q~g°g3 — вероятное круговое отклонение ракеты, вызван-
ное ошибками системы управления.
Уравнение [4.7] можно использовать лишь для вычисления ве-
роятности поражения целей, наибольший размер которых не пре-
вышает радиуса зоны сплошного поражения боезаряда головной
части ракеты. Пусть цель вписывается в круг радиуса Rn
* Под малоразмерной «точечной» целью в теории стрельбы понимают также
цель, размеры которой не превышают 0,2 радиуса зоны поражения боезаряда ГЧ.
125
(рис. 4.1). Это значит, что уравнение (4.7] будет справедливо лишь
в том случае, когда промах г < Rn—Ru- Тогда вероятность пора-
жения такой цели одной ракетой
Ро = Р (r<Rn-Ru) = 1 - ехр [-И
Когда вероятность поражения Ро малоразмерной точечной
цели задана и равна гарантийной вероятности поражения цели а,
уравнение [4.8] записывается в виде
Рис. 4.1. Взаимное расположе-
ние «точечного» (малоразмер-
ного) объекта и зоны сплош-
ного поражения боезаряда ГЧ
Для выполнения [4.9] при лю-
бом заданном значении гарантий-
ной вероятности поражения цели а
необходимо при заданном R4 обес-
печить подходящее соотношение ра-
диуса зоны сплошного поражения
и допустимого вероятного кругового
отклонения точки падения ГЧ от
центра цели.
Величина радиуса зоны сплош-
ного поражения зависит от тро-
тилового эквивалента боевой части
ракеты, а вероятное радиальное
отклонение определяется точностью
применяемой системы управления (или ошибками подготовки
данных для пуска МБР). Поэтому обеспечить заданную гаран-
тийную вероятность поражения цели можно двумя способами:
либо применяя дорогие мощные ядерные заряды в комплексе
с грубыми дешевыми системами управления, либо используя вы-
сокоточные, но более дорогие, системы управления в сочетании
с более дешевыми боевыми частями меньшей мощности.
Если радиус зоны сплошного поражения, радиус объекта и
гарантийная вероятность заданы, то допустимая величина круго-
вого отклонения Е системы управления МБР определяется урав-
нением [4.9]
Е = 0,833 Вд~Вп . [4.101
Г 1 — а
Зависимость величины вероятного кругового отклонения точки
падения ГЧ в функции радиуса зоны сплошного поражения при
различных Ru приведена на рис. 4.2.
Из рисунка следует, что для обеспечения заданной гарантий-
ной вероятности поражения малоразмерного объекта принципи-
ально можно использовать любой ракетный комплекс, значения
вероятного отклонения и радиуса сплошного поражения которого
126
лежат ниже прямой, построенной для объекта заданных разме-
ров. Более того, когда радиус цели мал по сравнению с величи-
ной Е или по сравнению с радиусом зоны сплошного поражения,
критерий эффективности поражения целей конечных размеров мо-
жет рассчитываться по формулам [4.1] и [4.2], где
Ро = 1 — ехр
Rn
1,439 Е2 + 0,5 Иц 1 '
Радиус зоны сплошного поражения Rn определяется как макси-
мальное горизонтальное удаление центра объекта от эпицентра
Рис. 4.2. Зависимость вероятного кругового Рис. 4.3. Зависимости избыточ-
отклонения точки падения ГЧ от радиуса ных давлений во фронте удар-
зоны сплошного поражения боезаряда ной волны при наземном ядер-
ном взрыве ГЧ (Q=l кт)
ядерного взрыва, на котором цель может быть безусловно пора-
жена действием ударной волны. Считается, что
з
Rn = k,rQ. [4.11]
где кя—коэффициент «живучести» цели, зависящий от требуе-
мой интенсивности поражающих факторов ядерного
взрыва;
Q — тротиловый эквивалент ядерного заряда головной части.
По данным комиссии США по атомной энергии, избыточное
статическое давление, которое приводит к полному разрушению
цели, составляет:
127
— для самолетов вне укрытий — 0,35 кгс/см2;
— для наземных или подземных сталебетонных полуцилиндри-
ческих перекрытий с толщиной стенки 5—8 см и земляным валом
1,2 м — от 3,1 до 4,1 кгс/см2;
— для малоразмерных стратегических целей с наземными бе-
тонными укрытиями (ракетные стартовые позиции, базы атом-
ных бомбардировщиков, центры связи и управления, штабы) —
2 кгс/см2. ' .
Коэффициент «живучести» цели в этом случае при заданном
избыточном давлении может быть определен как радиус зоны
сплошного поражения при наземном взрыве ГЧ с тротиловым
эквивалентом в 1 кт.
На рис. 4.3 показаны зависимости изменения статического
Дризб и динамического Ямакс избыточных давлений во фронте удар-
ной волны при наземном взрыве ГЧ с Q=1 кт. Используя фор-
мулу [4.11], получим, что для поражения целей избыточным ста-
тическим давлением ДрИзб = 2 кгс/см2 коэффициент «живучести»
цели кя=180 м-кт“1/3 Радиусы сплошного поражения для ядер-
ных ГЧ различной мощности, рассчитанные по формуле [4.11] при
кя= 180 м • кт“1/3, приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Радиусы сплошного поражения цели избыточным статическим
давлением 2 кгс/см2
Мощность ядерного заряда, Q 1 кт 5 кт 10 кт 50 кт 103 кт 1 Мт 10 Мт 20 Мт 50 Мт 100 Мт
Радиус по- ражения Rn, м 180 307 387 622 834 1800 3870 4880 6620 8360
Используя уравнения [4.10] и [4.11], можно получить искомую
зависимость между допустимым вероятным круговым отклоне-
нием Е точки падения ГЧ, заданной гарантийной вероятностью
поражения цели а и тротиловым эквивалентом Q боезаряда ГЧ
в виде
Е= ОЛЗЗ (t,^Q-R„).
1/ In у——
г 1 — а
[4.12]
Величины допустимого вероятного отклонения точки падения
ГЧ и требуемый тротиловый эквивалент ее боезаряда, обеспечи-
128
вающие гарантийную вероятность поражения цели а = 0,8 избы-
точным статическим давлением 2 кгс/см2, можно определить по
графикам (рис. 4.4), полученным расчетным путем из [4.12].
Рис. 4.4. Допустимое вероятное от-
клонение точки падения ГЧ в функ-
ции мощности заряда
4.2. Защита ГЧ ложными целями
Указанная в формуле [4.1] величина вероятности прорыва ГЧ
через систему ПРО в первом приближении может быть оценена
по формуле полной вероятности
^ПРО = ^ЛЦ ’ ^ПРО, ЛЦ + ^АП ’ ^ПРО, АП +
+ ^ЛЦ, АП ’ ^ПРО, ЛЦ, АП’ [4.13]
где Рпро> лц — эффективность защиты ГЧ ложными целями;
' ^про, ап — эффективность маскировки ГЧ активными помеха-
ми (в простейшем случае — вероятность подавле-
ния РЛС распознавания, сопровождения целей и
наведения антиракет);
Рлц — вероятность оснащения ложными целями;
РАП — вероятность оснащения ракет станциями радио-
помех;
Рлц АП — вероятность одновременного оснащения ракет лож-
ными целями и станциями радиопомех;
Рпро лц ап — вероятность защиты ГЧ совокупным применением
ЛЦ и активных помех.
Благодаря применению ложных целей вероятность прорыва го-
ловных частей (истинных целей) к объекту нападения повышает-
129
ся. Приведенные ниже математические соотношения характери-
зуют эффективность ЛЦ в случае, если система ПРО проводит це-
лераспределение антиракет в условиях неполного (частичного)
распознавания.
В качестве показателей технической эффективности защиты ГЧ
используются:
— вероятность правильного выбора системой ПРО баллисти-
ческой цели для перехвата, т. е. вероятность правильного распоз-
навания ГЧ;
— среднее число «опасных» целей* (головных частей и лож-
ных целей), по которым проведено целераспределение антиракет;
— вероятность того, что головные части останутся непоражен-
ными (либо их не будут обстреливать, ошибочно приняв за ЛЦ,
либо произойдет промах при их перехвате).
В расчетных формулах используются следующие обозначения:
М—число ложных целей;
PR — вероятность правильного распознавания ГЧ;
Рм — вероятность того, что ложная цель будет принята за ГЧ;
РК1 — вероятность поражения цели одной антиракетой после
одного выстрела;
R — общее число головных частей;
S — число ГЧ, оставшихся неуничтоженными;
Q— общее число АР, которыми располагает система ПРО;
со—среднее число АР, приходящихся на каждую баллистиче-
скую цель.
Предполагается, что Pr, Pm, Pki независимы между собой и
постоянны. В рассматриваемой модели также принято, что все
цели, как ГЧ, так и ЛЦ, располагаются в пространстве произ-
вольным образом.
Зарубежные специалисты считают, что вероятность правиль-
ного распознавания целей системой ПРО зависит от априорной
информации, имеющейся в ее распоряжении. Если системе ПРО
заранее не известно действительное число ГЧ, участвующих в на-
лете, то она должна работать в режиме распознавания одновре-
менно по всем целям, не производя окончательного выбора целей
для перехвата до тех пор, пока дальнейшая задержка пуска анти-
ракет станет неприемлемой. Если же системе ПРО известно коли-
чество ГЧ в налете, то она может производить распознавание и
обстрел выбранных целей последовательно, не затягивая этот про-
цесс на максимально возможное время.
В режиме одновременного распознавания вероятность правиль-
ного распознавания целей, участвующих в налете, может быть
определена как вероятность того, что Ri из R головных частей бу-
дут определены как истинные цели (ГЧ), a Mi из М — как ложные
цели.
Pr, и, = С«. (1 - Р,)'-'' PJ' С». (I - Р„)"' Р”-»., [4.14]
* Т. е. целей, подлежащих перехвату в первую очередь,
130
где —число сочетаний количества правильно распознан-
ных истинных (ложных) целей из общего числа истинных (лож-
ных) целей.
При последовательном распознавании вероятность- правильного
распознавания зависит от порядка, в котором анализируются цели.
Для любой последовательности и заданного числа ложных целей
искомая вероятность содержит основной элемент Р£(1—Рм)1,
где i — число исследованных ложных целей в предположении, что
(14-1)-я цель оказывается головной частью.
Число таких сочетаний равно
Общее число возможных последовательностей головных частей
и ложных целей равняется числу сочетаний по R или М из R + M.
Тогда правильная классификация всех ГЧ выражается следую-
щим образом:
R м
Р№ = ^-'ХС«-Ж<1-Р«)' 14Л51
GR+M
i=0
Для стороны, планирующей ракетный удар, представляет инте-
рес выяснить, какое число ГЧ будет обстреляно и сколько расхо-
дуется антиракет на одну атакуемую головную часть.
Предполагается, что система ПРО использует в этом случае
режим одновременного распознавания всех баллистических целей
в налете. Кроме этого, обороняющаяся сторона обладает априорной
информацией о наличии среди наблюдаемых целей ложных, и на
каждую из целей, принимаемую за «опасную», выделяется одина-
ковое количество антиракет. Необходимо отметить два обстоятель-
ства. Во-первых, система ПРО будет использовать часть антиракет
для перехвата ложных целей, которые приняты за «опасные», и,
во-вторых, некоторая часть истинных целей вообще не будет, под-
вергаться обстрелу, поскольку они будут классифицированы как
ложные. Рассмотрим эти случаи.
Среднее число антиракет со, выделяемых для обстрела каждой
из «опасных» целей, может быть определено из [4.14], если поло-
жить Ri = i и Mi = M—j, где i, j — число истинных и ложных целей,
соответственно, принятых за опасные (i+j>0):
R м t .
(1 - р")"~|- [4-161
i=0 j=0
Ожидаемое число истинных целей, не подвергшихся обстрелу,
R
r2 = R - 2 iC> Р> (1 - Pr)r-‘. [4.17]
1=0
Для реальных значений R и М проводить вычисления по фор-
мулам [4.16] и [4.17] весьма трудоемко. В связи с этим для при-
131
блаженных расчетов можно использовать средние значения таких
характеристик, как число обстрелянных головных частей (PrR) и
общее число обстрелянных целей (PrR + PmM). В этом случае выра-
жения [4.16] и [4.17] могут быть представлены в упрощенном виде
“ = [4Л6а]
R2 = (1-Pr)R. [4.17а]
Приведенные уравнения составлены в предположении, что имею-
щийся запас антиракет обеспечивает обстрел всех «опасных» це-
лей (по одной антиракете на каждую цель).
Оценку количества обстрелянных истинных целей, оставшихся
не пораженными системой ПРО, проведем следующим образом.
Вероятность того, что цель не будет уничтожена, зависит от
числа антиракет и вероятности ее поражения одной антиракетой.
В случае независимых пусков антиракет эта вероятность
1-Рк = (1-Рк1Г, [4.18]
где Рк — вероятность поражения цели числом антиракет, рав-
ным (О.
Вероятность того, что ровно N головных частей останутся не-
уничтоженными, т. е. преодолеют рубежи перехвата ПРО с приме-
нением только ложных целей, определится выражением
РПРО,лц = С’’(1 -PrPk)n.(PrPk)«-n. [4.19]
Математическое ожидание числа непораженных ГЧ составит:
R
s = 2 NPnP0. лц = R (1 - PrPk), [4.20]
N—0
где 1 — PRPK—вероятность того, что любая из рассматриваемых
ГЧ осталась неуничтоженной.
Уравнения [4.14—4.20] позволяют найти наиболее рациональ-
ное соотношение между числом истинных и ложных целей. Опре-
деляя среднее число прорвавшихся ГЧ и среднее количество
Использованных антиракет, можно в дальнейшем найти величину
общего ущерба, наносимого ракетным комплексом. Зная предпола-
гаемый ущерб, система ПРО, в свою очередь, может оптимизиро-
вать свои действия, например, сколько и в какой последователь-
ности следует запускать антиракет, какое количество их необхо-
димо использовать для защиты того или иного объекта и т. п.
4.3. Маскировка ГЧ активными радиопомехами
Как указывалось выше, показатель эффективности маскировки
головных частей активными помехами РПР0> ап в простейшем слу-
132
чае представляет собой условную вероятность подавления РЛС
ПРО при использовании в комплексах РПД станций активных ра-
диопомех.
Ниже приведены общие принципы определения величины
Рпро, ап, в основе которых лежат общие закономерности воздей-
ствия активных радиопомех на работу радиолокаторов ПВО.
Возможности конкретных передатчиков помех в определенных
тактических ситуациях можно оценить с помощью так называе-
мого критерия информационного ущерба. Мерой информационного
ущерба является переменный во времени объем (или площадь)
пространства вдоль баллистической траектории, замаскированный
активными помехами от радиолокационного наблюдения. Это соот-
ветствует указанной выше вероятности подавления РЛС, т. е. ве-
роятности обеспечения требуемого коэффициента подавления РЛС
или вероятности превышения отношения сигнал/шум на входе
приемника для заданного сокращения дальности действия
РЛС.
Под коэффициентом подавления понимают иногда величину от-
ношения мощностей помехи и полезного сигнала, при которой
имеет место заданный информационный ущерб, характеризующий-
ся, например, областью неопределенности по дальности и угловым
координатам.
При воздействии станций радиопомех по боковым лепесткам
диаграммы направленности РЛС величина информационного
ущерба достигает максимума. Границы области, маскируемой ак-
тивными помехами, определяются параметрами станций радиопо-
мех, характеристиками РЛС ПРО, их взаимным положением, ЭПР
целей и их количеством в ракетном комплексе.
Вероятность эффективного воздействия активных помех на РЛС
определяется рядом тактических и технических условий и может
быть представлена в виде
п
Рпро,ап=ПР} при п = 5,
j=l
где Pi — вероятность правильного определения частотного диапа-
зона РЛС;
• Р2 — фактический уровень эксплуатационной надежности ра-
боты станций радиопомех;
Р3 — вероятность аппаратурной реализации технических ха-
рактеристик станций радиопомех (чувствительность и
быстродействие приемника, ширина спектра помех, дли-
тельность помехового импульса, мощность передатчика);
Р4 — вероятность наведения помехи по направлению на РЛС;
Рб — вероятность наведения помехи по частоте.
133
В основе определения частотного диапазона работы РЛС ле-
жит, как правило, априорная информация о радиолокационных
средствах ПРО. Значения показателя Pi существенно зависят от
вида помехи и диапазона работы генераторных и усилительных
ламп станций помех, в котором достигается постоянство излучае-
мой мощности и к. п. д.
При оснащении ракетного комплекса станциями радиопомех
организатор РПД стремится скомплексировать помеховые средства
таким образом, чтобы рабочие частоты РЛС ПРО находились
в пределах диапазона частот одной или нескольких станций
помех.
Значение показателя Р4 зависит в первую очередь от взаимно-
го расположения РЛС и станций радиопомех, от ориентации стан-
ции на баллистической траектории, ширины диаграммы направ-
ленности ее антенной системы.
Точность наведения диаграммы направленности на подавляе-
мую РЛС определяется:
— точностью определения направления на РЛС, характеризуе-
мого вероятной ошибкой Е0Р;
— точностью наведения оси антенны на определенное направ-
ление с вероятной ошибкой Е0Н.
Если суммарная ошибка наведения диаграммы направленности
станции радиопомех на подавляемую РЛС имеет нормальное рас-
пределение, диаграмма направленности симметрична и имеет ши-'
рину, равную 0П, а систематические ошибки при наведении отсут-
ствуют, то показатель Р4 для одной станции радиопомех в дуэль-
ной ситуации
0П
2 V Eqp 4 ^ен
Р4 = Ф
[4.21]
где Ф — приведенная функция Лапласа.
В случае реализации принципа заградительности по направле-
нию, т. е. когда ширина диаграммы перекрывает возможную ошиб-
ку наведения антенны на подавляемую РЛС (0п>4‘КЕ|р+ Е^н),
показатель Р4~1. Последнее свойственно для ненаправленных или
слабонаправленных антенных систем передатчиков помех.
С другой стороны, пространственное распределение бтанций по-
мех одного ракетного комплекса в зоне ПРО может носить двоя-
кий характер:
— программный, основанный на предварительной оценке ра-
диотехнической обстановки в зоне ПРО и централизованном рас-
пределении передатчиков помех по радиолокационным постам;
— случайный, когда каждый из передатчиков помех исполь-
зуется самостоятельно, независимо от других.
Обозначив через Ncn число станций помех на баллистической
траектории, а через р угол визирования максимально удаленных
134
друг or друга радиолокаторов ПРО, получим с учетом [4.21], что
вероятность наведения на РЛС одной станции помех равна:
— при программном распределении станций помех
J NCnQn ф
I р
®П \ Ат Р*
/Е2 +Е2 ) ПРИ NCn<©^,
Еер т" Еен / 1
0П \
к > 2 = при N,
ер + Еен '
[4.22а]
где — число угловых направлений на РЛС ПРО;
— при случайном распределении
Р4 = 1 — (1 —
%?'сп
р /
[4.226]
Вероятность наведения помехи по частоте определяется точно-
стью разведки частоты Efp, точностью настройки радиостанции на
рабочую частоту РЛС Еш, а также соотношением ширины спектра
помехи AFn и полосы пропускания приемника РЛС AFnp.
По аналогии с предыдущим для дуэльной ситуации справедливо
^n + AFnp \
2 J/"EfP + ЕШ /
[4.23]
Для ретрансляционных помех, частота которых совпадает с не-
сущей частотой РЛС, т. е. }/<Е*р+Е^н=0, а также для заградитель-
ных шумовых помех, ширина полосы которых ДРП^>У Е^р + Е|н,
показатель Р5= 1.
4.4. Вероятность выполнения боевой задачи
Боевая задача, решаемая антиракетами ПРО, заключается в
своевременном поражении цели, следующей по баллистической
траектории. За критерий боевой эффективности может быть вы-
бран показатель РкЬ являющийся вероятностью поражения цели
антиракетой после одного выстрела.
Известно, что размеры зоны, в которой возможен своевремен-
ный перехват ГЧ, зависят от предельно допустимого рубежа пере-
хвата, местоположения батарей антиракет, рубежа обнаружения
целей радиолокаторами и параметров траектории движения балли-
стической цели.
Допустим, что в распоряжении системы ПРО объекта имеется
некоторое количество антиракет, базирующихся в нескольких ме-
стах. Зоны возможных перехватов баллистических целей с каждо-
го места базирования антиракет могут перекрывать друг друга.
Обозначим вероятности попадания любой баллистической цели
в области, где она может быть перехвачена антиракетами j бата-
135
рей (с разных мест их базирования), соответственно Pnj. (j=0, 1,
2,...), тогда среднее число батарей антиракет, которые могут осу-
ществить перехват,
кСр= 2 ^nj J-
j=o,i,...
Если каждая батарея содержит nj антиракет, то среднее число
антиракет, приходящихся на каждую «опасную» цель в соответ-
ствии с [4.16а], составит:
2 Pnj Jn / \
“ = ЛВДГ I/** J.,.pnjjn = 2} [4.24]
в
I
11
1
I
I
г
Рис. 4.5. Схема зоны перехвата
Средняя вероятность перехвата каждой из числа «опасных»
баллистических целей при стрельбе кср батарей антиракет опреде-
ляется выражением [4.18],
Рк = 1 — explain (1—Рк1)]. [4.25]
Выражением [4.25] можно пользоваться при оценке боевой эф-
фективности антиракет ПРО.
Величина кср может быть оценена из конкретной тактической
ситуации налета, характеризуемой зоной перехвата цели. Показа-
тель РК1 зависит от различных свойств антиракет и баллистических
целей, например, от устойчивости ГЧ к поражающим факторам
ядерного взрыва, разрушительной способности боеголовки антира-
кеты и т. п.
Обозначим (рис. 4.5) границы зоны, внутри которой возможен
перехват цели с одной батареи антиракет (в точке А), т. е. ширину
136
Цолосы, в которой баллистические цели могут быть перехвачены
до подхода к некоторому предельному рубежу, через 21. Величи-
на 2/ должна удовлетворять условию равенства времени полета
цели от рубежа обнаружения до рубежа перехвата сумме интерва-
лов времени, затрачиваемых системой ПРО на все операции обна-
ружения, распознавания и т. п., вплоть до расчетной точки встречи
Do6H Опер I2 + Dnep , .
[4.26]
где Уц, УАР— средние скорости цели и антиракеты;
Dnep — дальность предельного рубежа перехвата;
D06H — дальность рубежа обнаружения [(ели;
tp—промежуток времени от момента обнаружения
цели до принятия решения на пуск антиракеты
(или до пуска антиракеты).
Из [4.26] значение I равно *:
1 = V (Do6H ~ Dne₽ ~ V“t₽)2 “ D“e₽ ‘
[4.27]
Вероятность PKi в общем случае определяется двумя состав-
ляющими:
— точностью вывода антиракеты в окрестность перехватывае-
мой цели;
— радиусом поражения боеголовки антиракеты, зависящим от
устойчивости ГЧ к поражающим факторам ядерного взрыва.
Если заряд боеголовки антиракеты не ядерный, то максималь-
ный радиус поражения баллистической цели, как правило, невелик
(не более 20 м). Если же применяется ядерный заряд, то вели-
чина гп существенно возрастает (особенно за пределами земной
атмосферы). В связи с этим рассмотрим кратко механизмы пора-
жения ГЧ ядерным взрывом.
Основными факторами, воздействующими на головную часть
МБР при взрыве боеголовки антиракеты, считаются:
* — нейтронное излучение;
— гамма-лучи;
— ударная волна (при взрыве в атмосфере).
Нейтроны, проникая через теплозащитное покрытие, корпус ГЧ
и оболочку ядерного боезаряда, вызывают расщепление атомных
ядер с выделением большого количества тепла. Происходит пол-
ный захват нейтронов ядрами боезаряда ГЧ. При этом ядерный
заряд ГЧ может расплавиться и потерять свою форму, в резуль-
тате чего он не взорвется.
* В том случае, когда ширина полосы перехвата ограничивается распола-
гаемым радиусом действия антиракеты хмакс, то Г = ]/" акс — Одер, макс
(рис. 4.5).
137
Радиус поражения нейтронным излучением зависит от кон-
струкции головной части МБР и мощности заряда антиракеты.
Для поражения головной части нейтронным излучением промах
антиракеты должен быть достаточно мал. Этого можно достигнуть
лишь при поражении МБР на малых дальностях* (несколько десят-
ков километров) антиракетами типа «Спринт».
В этом плане фирма «Рэнд» проводит исследования по созда-
нию ядерных зарядов антиракет с «уникальным» нейтронным из-
лучением, в 1000 раз превышающим нейтронное излучение совре-
менных серийных образцов боеголовок АР. Однако такой заряд
можно будет применять лишь на внеатмосферном участке траек-
тории ГЧ с тем, чтобы не подвергать риску поражения обороняе-
мый объект.
При ядерном взрыве, температура которого составляет не-
сколько миллионов градусов, плотность энергии излучения дости-
гает 1016 эрг/см3, а энергия частиц 1014-М015 эрг/см3, около 80%
суммарной энергии выделяется в виде энергии гамма-лучей *, осо-
бенно при взрыве зарядов мегатонного класса. Интенсивное воздей-
ствие гамма-лучей на ГЧ может вызвать сублимацию теплозащит-
ного покрытця за очень короткий промежуток времени, что может
разрушить оболочку ГЧ и даже ее внутреннюю конструкцию.
Действие гамма-лучей особенно эффективно в верхних слоях
атмосферы, где отсутствует их поглощение молекулами воздуха.
При этом взрыв за пределами атмосферы не угрожает обороняе-
мому объекту, так как поверхность Земли защищена атмосферой.
Радиус поражения гп головной части для заряда мегатонного клас-
са вне пределов атмосферы может достигать десятка километ-
ров.
В США разработан и новый тип ядерной боеголовки антираке-
ты для поражения ГЧ с помощью гамма-лучей больших энер-
гий. Новая боеголовка, по-видимому, предназначается для АР
«Спартан».
Существует несколько способов поражения ГЧ с помощью гам-
ма-излучения:
— облучение головной части, в результате чего внутри нее вы-
свобождаются вторичные рентгеновские лучи, которые способны
вывести из строя бортовую электронную аппаратуру наведения ГЧ
и подрыва ее боезаряда;
— поглощение рентгеновских лучей теплозащитным покрытием
вызывает сгорание покрытия до входа в атмосферу;
— использование гамма-лучей для преждевременного подрыва
ядерного боезаряда ГЧ.
В США изучается воздействие гамма-излучения на различные
материалы и элементы электронных устройств, устанавливаемых
на головных частях баллистических ракет. Импульсное рентгенов-
* По общепринятой мировой классификации гамма-излучения подразделя-
ются по диапазону длин волн на жесткое гамма-излучение (Х=10~7—10-8 см)
и мягкое (X=10~10—10-11 см), обладающее сравнительно меньшей энергией.
138
ское излучение, проникая в глубь материала, вызывает чрезвычай-
но быстрое накопление в нем внешней энергии, в результате чего
происходит взрыв материала.
Наиболее эффективными поглотителями рентгеновского излуче-
ния являются материалы, имеющие высокое атомное число, такие,
как золото, серебро и другие элементы, которые за рубежом
широко используются для соединений в бортовых электронных
устройствах МБР. Теплозащитные покрытия не защищают голов-
ную часть МБР от воздействия рентгеновского излучения. Степень
этого воздействия зависит от мощности и высоты ядерного взрыва.
Третий поражающий фактор — ударная волна — будет действо-
вать лишь в плотных слоях атмосферы. Входящая в плотные слои
атмосферы головная часть тормозится с ускорением до 100 g; при
близком ядерном взрыве замедление может быть в несколько раз
больше. Но если ГЧ можно защитить от нейтронов и гамма-лучей,
то ее можно защитить и от ударной волны, обеспечив соответствую-
щую жесткость конструкции.
Для определения величины гп используем формулу для нахож-
дения поражающей дозы гамма-излучения и потока нейтронов.
Общее выражение экспозиционной дозы гамма-излучения (оско-
лочного и захватного *) и потока нейтронов при ядерном взрыве в
атмосфере имеет вид
С„=к,^ехР(-^). [4.28]
где kj — коэффициент радиоактивного излучения, учитывающий
энергию взрыва;
Qbr — мощность заряда боеголовки антиракеты;
р = -^ — относительная плотность воздуха; ро = О,125 кгс • сек2 • м~4;
В5фф — эффективная длина поглощения энергии, т. е. расстояние
ослабления дозы проникающей радиации на 4,3 дб.
Т а б л и ц а 4.2
Значения коэффициентов [4.28]
Поражающий фактор
Вэфф
Осколочное гамма-излучение
(рад)
Захватное гамма-излучение
(рад)...............
„ / нейтрон\
Лоток нейтронов L———J
Мт
0,5.10в-Р^1
Мт
7 5 10.» нейтрон-км2
* см2-Мт
13,5.10в -P^--KM-2-
Мт
300 м
410 м
170 м
* Захватное гамма-излучение имеет более жесткий спектр и действует в те-
чение 0,2—0,3 сек.
139
Пренебрегая ослабляющим действием атмосферы, имеем
ехр (— (что справедливо при перехвате целей на высотах
\ D эфф /
свыше 50 км), В результате получим формулу для определения
условной суммарной экспозиционной дозы
GKr
D8^kmQ-f, [4.29]
*п
где mQ GBr = QBr— эквивалентная мощность заряда боего-
ловки;
h1q — удельная мощность заряда;
GBr—вес боеголовки (полагаем равным весу ядер-
ного заряда за счет некоторого уменьшения
величины mQ);
к = 15,4 • 106 рад • км2 • Мт-1— приведенный коэффициент суммар-
ной дозы радиоактивного излучения (табл. 4.2).
Выражение [4.29] определяет радиус поражения
Г.= /^=0-т^)' |4-М|
Gn ..
где F = q q----коэффициент весового совершенства антира-
кеты;
Go — стартовый вес антиракеты;
Gn — пассивный вес;
GT — вес топлива;
GT
[ат = — относительный вес топлива антиракеты.
Мо
Значения удельных мощностей ядерных боезарядов мегатон-
ного класса ракет типа «Поларис», космических перехватчиков на
основе МБР «Титан» лежат в диапазоне mQ =0,004—0,006 Мт/кгс
(в отличие от боезарядов килотонного класса, например, для
АР «Спринт» mQ =0,00011 Мт/кгс).
• Расчетная величина радиуса зоны поражения радиоэлектронной
аппаратуры ГЧ (или станций радиопомех) с учетом допустимых
значений потоков радиации* D3=2-105 рад при коэффициенте ве-
сового совершенства антиракеты р, = 0,15 и без учета ослабляющего
действия атмосферы составляет:
— АР типа «Спартан» — гп»10—15 км (G0=1515Q кгс, рт =
=0,82);
— АР типа «Спринт» — гп~1 км (Gq = 3400 кгс, рт=0,82),
♦ 10й нейтрон/см2 по нейтронному потоку, что соответствует 1,8 • 102 рад по
экспозиционной дозе гамма-излучения.
140
При заданной ширине полосы перехвата 21 величина дально-
сти рубежа перехвата
Опер = Гх2 (t) + /2 . [4.31]
В предположении полета антиракеты в свободном пространстве
значение x(t) может быть определено из выражения
x(t)eJg[(t-4)lnr=L;+1s4], [4.32]
где J —удельный импульс;
g = 9,81 м/сек2 — ускорение силы тяжести;
F
v=7=;---начальная тяговооруженность антиракеты;
F — величина тяги двигателя.
Результаты оценки дальности перехвата для антиракет с РДТТ
(р=0,15, J = 300—500 сек, v = 4—6) и с ЖРД (р = 0,1, J-450 сек,
v=4) показаны на рис. 4.6. Эти
результаты также свидетель-
ствуют о преимуществе анти-
ракеты с РДТТ в диапазоне
малых времен до 200 сек, когда
производится прицельный пере-
хват, а мощный ядерный взрыв
исключается по оперативным
соображениям. В этом случае
вероятность Рк перехвата го-
ловной части полностью опре-
деляется ошибками вывода
антиракеты в заданную точку
пространства. Причем ошиб-
ки наведения зависят не толь-
ко от качества системы управ-
ления, но и в значительной
Рис. 4.6. Кривые радиусов перехвата
для антиракет:
/ — с РДТТ (типа «Спринт»); 2 —с РДТТ
(типа «Спартан»); 3 —с ЖРД (типа
«Спринт»)
мере от точностных характе-
ристик радиолокаторов сопро-
вождения баллистических це-
лей.
4.5. Показатель стоимости
Поскольку в открытой зарубежной литературе приводятся весь-
ма неполные данные о стоимости ядерных ГЧ, систем управления
МБР, средств радиопротиводействия ПРО, то при оценке стоимо-
сти комплекса ракетного оружия используются условные функции
стоимости.
В общем случае известно, что стоимость системы управления
МБР возрастает вместе с попыткой увеличения ее точности. По-
этому хррошим приближением для функции стоимости систем упра-
141
вления служит экспоненциальная зависимость между стоимостью
системы в условных единицах и вероятным радиальным отклоне-
нием точки падения ГЧ, которое данная система управления обес-
печивает, т. е.
N
Ксу = еЕ , [4.33]
где ' КСу — стоимость системы управления ракетой в условных
единицах;
N — некоторое постоянное число, зависящее от типа системы
управления ракеты (дляинерциальных систем N=l,2).
Зависимость стоимости инерциальной системы управления (в
условных единицах) от вероятного радиального отклонения приве-
дена на рис. 4.7.
в функции вероятного кругового отклонения точ-
ки падения ГЧ
Условная функция стоимости ядерных головных частей в зави-
симости от их тротилового эквивалента имеет вид
Кгч = рПГГ-’Т' I4-34!
где Кгч—стоимость ГЧ МБР в условных единицах;
Q — тротиловый эквивалент заряда.
Для ГЧ с Q= (10—10000) кт показатель и примерно равенеди^
нице. Это значит, что. увеличение тротилового эквивалента от 10
до 10000 кт влечет за собой относительно медленное увеличение
стоимости ГЧ. Для головных частей с тротиловым эквивалентом
свыше 104 кт увеличение Q ведет к более быстрому росту стоимо-
сти. Так, для Q= (10—100) Мт п=1,2—1,3. Зависимость стоимости
142
(в условных единицах) ГЧ от ее тротилового эквивалента при-
ведена на рис, 4.8.
Определив в соответствии с выражением [4.12] ряд значений Ё
и Q, по формулам [4.33 и 4.34] можно определить величину услов-
ной стоимости комплексов ракетного оружия. Очевидно, что наибо-
лее приемлемым будет являться тот ракетный комплекс, для кото-
рого допустимое значение Е при некотором значении Q обеспечи-
вает наименьшую стоимость.
Рис. 4.8. Стоимость ГЧ МБР в за-
висимости от тротилового эквивален-
та ее боезаряда
Рис. 4.9. Условная функция стоимо-
сти ракетного комплекса в зависимо-
сти от мощности ядерного боезаряда
ГЧ и вероятного кругового отклоне-
ния точки ее падения
Таким образом, условием оптимальности будет абсолютный ми-
нимум условной функции стоимости ракетного комплекса в целом,
т. е.
д(Ксу + КгЧ) , д (Кеу + КГЧ) _
дЕ + 3Q ~
[4.35]
Условная функция стоимости ракетного комплекса для различ-
ных R4 приведена на рис. 4.9. Штрихпунктирной линией пока-
зано сечение поверхности Ксу + Кгч — f(Q, Е, R4), для которого
выполняется условие минимума [4.35]. Величина радиуса Rn прини-
мается в качестве варьируемого параметра. В табл. 4.3 приведены
численные значения Е и Q, удовлетворяющие условию оптималь-
ности при поражении целей различных размеров (<х=0,8).
143
Таблица 4.3
Изменение условной функций сТдиМбсТи ракетного комплекса в зависимости
от Ru, Su, Q, Е без учета эффекта средств преодоления ПРО
Иц, км 0 0,5 1.0 2,0 3,0 4,0 5,0
Su, км2 0 0,20 0,79 3,14 7,07 12,57 19,64
Q, кт 8-Ю2 1-Ю3 5-Ю3 1 -10* 1,9-10* 3,1-104 5-10*
Е, км 1,09 0,86 1,43 1,24 1,16 1,10 1.06
КСу + Кгч 9,30 10,75 13,25 19,26 26,80 47,3 130,12
Оценка влияния площади поражаемого объекта Su на мини-
мальную стоимость ракетного комплекса показана на рис. 4.10
(кривая 1). Если исходить из точностных характеристик лучших
Рис. 4.10. Влияние площади объекта на мини-
мальную стоимость ракетного комплекса (а=0,8)
зарубежных образцов инерциальных систем управления (Е = 1—
1,5 км), то (как видно из рис. 4.10) лучший экономический эффект
достигается при поражении целей площадью S4=9,5 кмг. При этом
согласно совместному решению уравнений [4Л2; 4.35] система упра-
вления должна обеспечивать вероятное радиальное отклонение точ-
ки падения ГЧ не более 1 км, а тротиловый эквивалент заряда
головной части ракеты должен быть равен 22 Мт.
Однако следует иметь в виду, что увеличение мощности ядер:
ного заряда, неизбежное при стрельбе по целям большого разме-
ра, не всегда может быть оправдано с точки зрения стоимости.
Последнее объясняется предполагаемым эффективным примене-
нием разделяющихся головных частей МРВ и МИРВ, оснащенных
боеголовками с мощностью боезаряда около 0,2—0,5 Мт. Кривая 2
(рис. 4.10) характеризует изменение общей стоимости, в пределах
144
которой можйо осуществить запуск РГЧ МРВ и МИРВ. Точка пе-
ресечения кривых 1 и 2 соответствует равному экономическому эф-
фекту, получаемому при пуске одной ГЧ — с единым зарядом мощ-
ностью 33 Мт и применением РГЧ с мощностью зарядов боеголо-
вок 0,2—0,5 Мт для поражения объектов с S4=12,7 км2. При по-
ражении объектов, площадь которых S4> 12,7 км2, больший эконо-
мический эффект достигается путем применения разделяющихся
ГЧ. Поэтому во всех случаях применение ядерных ГЧ с тротило-
вым эквивалентом боезаряда свыше 33 Мт по мнению иностран-
ных специалистов не целесообразно.
Проведенная выше оптимизация условной функции стоимости
ракетного комплекса позволяет определять наилучшие соотношения
между кучностью стрельбы и мощностью боезаряда ГЧ без учета
противодействия. В том случае, если ракетный комплекс вынуж-
ден преодолевать зону ПРО, результаты, приведенные на рис. 4.9,
4.10 и в табл. 4.1, требуют уточнения.
В условиях активного противодействия со стороны ПРО напа-
дающая сторона обязательно несет потери, выражающиеся в умень-
шении суммарной мощности ядерного боезаряда. Последнее объ-
ясняется тем, что некоторое количество ГЧ (или боеголовок РГЧ)
будет уничтожено в процессе отражения налета. В этой связи при
планировании ракетно-ядерного нападения на объекты, защищае-
мые системой ПРО, потребуется увеличение суммарной эквива-
лентной мощности ядерного боеприпаса на величину, компенси-
рующую средние потери наряда головных частей. На основании
изложенного стоимости системы управления МБР и головных
частей в условных единицах увеличиваются и могут быть выра-
жены с помощью коэффициентов пропорциональности kj, кг, зави-
сящих от предполагаемых потерь:
К’с^к.Ксу; [4.36]
к;ч = к2кгч. [4.37]
В выражениях [4.36] и [4.37] ki = ki^-S-), k2 = k20^ зависят
от отношения общего числа ГЧ, участвующих в налете, к сред-
нему числу прорвавшихся (непораженных) головных частей. Сред-
нее число непораженных ГЧ, в свою очередь, определяется каче-
ством создания активных и пассивных помех, количеством стан-
ций радиопомех и ложных целей, участвующих в налете, а также
количеством антиракет, выделенных для его отражения.
При использовании наряда МБР с головными частями некассет-
ного типа выражения [4.36] и [4.37] существенно упрощаются:
К:у = -уКсу; [4.36а]
. К;Ч = 4КГЧ. [4.37а]
6-754
145
Число МБР, требуемых для поражения заданных объектов,
этом случае определяется выражением [4.2]:
I4-38
где W — заданный критерий технической эффективности (вероят
ность поражения объекта хотя бы при одном пусю
МБР);
Р—величина полной вероятности поражения объекта npi
одном пуске МБР.
Зная конкретные тактико-технические характеристики налета i
условную'стоимость ложных целей (дипольных отражателей),стан
ций активных радиопомех, можно оптимизировать стоимость все!
системы стратегического ракетного оружия, оснащенного комплек
сом РПД. *
В задачу экономических исследований комплексов радиопроти
водействия входит:
— определение критериев экономической оценки элементе!
РПД и комплекса в целом, процессов проектирования, опытно-кон
структорской отработки и эксплуатации;
— математическая формулировка экономических критериев;
— установление стоимостной связи между затратами и варьи
руемыми параметрами комплекса РПД с целью оптимизации за
трат на выполнение боевой задачи преодоления ПРО.
Как упоминалось выше, при проектировании в качестве эконо-
мических критериев могут быть использованы:
— суммарная стоимость ракетного комплекса с исследуемым
комплексом РПД Крк;
— затраты на выполнение задачи преодоления ПРО одной или
несколькими ГЧ КБ;
— затраты на поражение типовых целей ПРО (например, фи-
зическое уничтожение РЛС и стартовых позиций АР) КПР0;
— затраты на создание одного комплекта средств РПД для од-
ной ракеты Крпд;
— годовые эксплуатационные расходы Кэг;
— стоимость элементов РПД, в том числе и головных частей,
как средств преодоления, и т. д.
Сроком реализации программы оснащения МБР новым ком-
плексом РПД считают период между моментом утверждения так-
тико-технического задания на комплекс РПД и решением о снятии
соответствующего ракетного комплекса с вооружения.
Затраты на программу создания ракетного комплекса со сред-
ствами РПД (с учетом распределения капиталовложений по го-
дам) можно определить выражением
Тп
Кр^ЦкД!+«/"*. 14.39]
i=l
146
где ау— нормативный (т. е. установленный заказчиком) коэффи-
циент ущерба, наносимого экономике государства за
счет отвлечения средств на программу создания ком-
плекса РПД;
Kj — капиталовложения по годам;
Тп — нормативный срок реализации программы вооружения,
определяющий реализацию комплекса РПД (для стра-
тегических ракет США, например, Тп=12—15 лет*).
В связи с трудностью определения годовых капиталовложений
на этапе проектирования величину КРПД находят как сумму за-
трат
Крпд = Кр + Ки + КТ0 + Кэ, [4.40]
где Кр — расходы на разработку;
Ки—расходы на производство и испытания элементов ком-
плекса радиопротиводействия;
Кто — расходы на производство технологического оборудова-
ния;
Кэ — расходы на эксплуатацию.
Величина Кр включает в себя средства, отводимые на органи-
зацию создания комплекса РПД, научные исследования, опытно-
конструкторскую отработку, летные испытания и подготовку лич-
ного состава армии. Сумма затрат Ки + Кто определяется средст-
вами, расходуемыми на материалы, комплектующие изделия, зара-
ботную плату, на освоение нового производства и т. п.
Годовые эксплуатационные расходы с учетом отвлечения госу-
дарственных средств определяются выражением
К«г = Кэг + «уКРПд. [4.41]
Показатель К°г служит также для оценки целесообразности мо-
дернизации или замены существующего комплекса РПД
КэГ = Кэг + ау (КрПд 4- КРПд Кл), [4.42]
где КрПД — стоимость комплекса, подлежащего замене или мо-
дернизации;
Кл — так называемый «ликвидный капитал», учитывающий
средства от реализации оборудования, входящего в
снимаемый с вооружения комплекс РПД.
Стоимость проектируемого комплекса РПД обычно определяют
по стоимости элементов (боезаряда, ложных целей, радиопогло-
щающих покрытий, станций радиопомех), используя для их отьр
скания известные методы укрупненных расчетов по сметной каль-
куляции или по базисной статье калькуляции. Сущность метода
* В отличие от нормативного срока эксплуатации Тэ, который в указанном
случае составляет примерно 10 лет.
6*
147
сметной калькуляции состоит в том, что для элементов комплекс^
РПД расходы определяют по следующим статьям:
— затраты на основные материалы;
— затраты на готовые изделия;
— заработная плата;
— накладные расходы;
— потери от брака;
— затраты на освоение нового изделия.
Сумма затрат по статьям и элементам комплекса РПД и опре-
деляет стоимость всего комплекса радиопротиводействия.
Укрупненный расчет на основе затрат по базисной статье каль-
куляции предполагает, что при переходе от старого комплекса
РПД (прототипа) к новому соотношение расходов по статьям не
изменяется.
Затраты на этапе разработки обычно носят наиболее неопреде-
ленный характер. Так, в США расходы на научные исследования
и опытно-конструкторскую разработку часто превышали заплани-
рованные в два-три раза. Ошибки же в прогнозировании расходов
на оснащение МБР средствами РПД и создание технологиче-
ского оборудования не превышали 60—80%, на эксплуата-
цию— 100%.
Уровень расходов на этапе разработки комплекса РПД опре-
деляется:
— характером работы (новая проблема, модернизация сущест-
вующего комплекса);
— категорией и составом научно-исследовательских и проект-
ных учреждений и фирм, выполняющих данную программу;
— сроками проведения работ и обеспечения требуемого коли-
чества экспериментов.
В настоящее время ряду зарубежных фирм, занятых в про-
граммах «Абрее» и «Дефендер», свойственна тенденция всемер-
ного сокращения сроков разработки элементов системы ПРО и
комплексов средств преодоления ПРО, а также совмещения этапа
разработки с этапом производства. Последнее в достаточной мере
заметно на примере непрерывного совершенствования системы
ПРО — от ПРО «Найк-Зевс» до ПРО «Сейфгард» в течение 5—
7 лет. Для разных вариантов комплексов РПД системы «Минит-
мен» на этап разработки приходится два-три года, на этап произ-
водства— около двух лет (нормативное же Кремя эксплуатации
планируется в 10 лет).
Каждому состоянию процесса разработки и производства ком-
плекса РПД соответствует определенный уровень надежности его
элементов. Определение закона изменения надежности комплекса
РПД на разных этапах его создания в целях минимизации расхода
средств на выполнение боевой задачи ракетным комплексом яв-
ляется одним из основных вопросов проектирования.
Средняя стоимость одного комплекса средств РПД
КРПд = Крг+ Коп + Ки + К91, [4.43]
148
где Kpi—стоимость проектной разработки комплекса РПД в
пересчете на один серийный комплект средств
РПД;
КоП— средняя стоимость отработки испытаний опытного
комплекса средств РПД;
Ки — стоимость серийного производства одного комплекта
средств РПД;
Кэ1 — эксплуатационные расходы в пересчете на один серий-
ный комплект.
Затраты на выполнение задачи преодоления ПРО:
Кг = ПРПДКоп + ЫКРПД, [4.44]
где МРпд — число комплектов средств РПД, израсходо-
ванных на этапе опытной отработки пусками
ракет;
N = — число МБР, оснащенных комплексами РПД и
запланированных, например для поражения
некоторого числа однотипных целей.
Пользуясь формулами теории надежности в приложении к эко-
номике, можно оценить составляющие выражения [4.43].
Стоимость проектной разработки комплекса РПД может быть
оценена с помощью формулы
>4-451
1 гоп
где КР1 — стоимость разработки комплекса РПД, первый опыт-
ный комплект которого (прототип) имеет надеж-
ность Ppi;
Р*п — проектируемая величина надежности первого опытного
комплекта РПД;
Tpi > 0 — коэффициент.
По аналогии с [4.45] затраты на опытное производство
/1 _р* \топ
Kon = K:n^J , [4.46]
где К*п — стоимость опытного производства одного комплекта
средств РПД с надежностью Р*п;
Роп — требуемая надежность опытного комплекта до его ис-
пытаний;
Ъп > 0 — коэффициент.
Затраты на серийное производство одного комплекта средств
РПД
/ 1 _р* \ТИ
ки=к;^) , [4.47]
149
где К*—стоимость производства первого серийного комплекта
средств РПД с надежностью Р*;
Р*—надежность комплекта средств РПД после опытной
отработки, равная надежности первого серийного об-
разца;
Ри — требуемая надежность серийного комплекта;
Ти > 0 — коэффициент.
В процессе опытной отработки надежность комплекта средств
РПД повышается и при экспоненциальном законе ее изменения
(ш \
-PiNpnfl - 2niM> I4-48!
i=l /
где П| — число испытаний i-ro средства РПД;
m — число средств РПД, входящих в один комплект;
P#—коэффициенты пропорциональности.
При серийном производстве стоимость каждого последующего
комплекта средств РПД будет меньше стоимости предыдущего, и
в зависимости от объема производства значение средней стоимости
комплекта
где а = 0,18—0,25 — статистический коэффициент, характеризую-
щий серийное производство аппаратуры для оснащения ракетных
комплексов.
Расходы ца эксплуатацию, ремонтные и регламентные работы
определяются также по аналогии с выражением [4.45]:
/1 _р* Vai
К91 = . [4.50]
где K^j — затраты на эксплуатацию одного комплекта, необходи-
мые для сохранения уровня надежности Р*р
Р01 — требуемый уровень эксплуатационной надежности ком-
плекта средств РПД;
Тэ1 > 0— коэффициент;
P*i— изменение надежности на этапе эксплуатации.
Формула для нахождения величины P*j аналогична [4.48]:
(т \
—?зМ„—2niM* i4,51i
i—1 /
где Ыи — число комплектов средств РПД, израсходованных на
контрольные пуски ракет;
Рз, ?4i — коэффициенты пропорциональности.
150
Варьируя параметрами, входящими в выражения (4.45—4.51],
можно найти такое их сочетание, при котором уравнения [4.44] и
[4.43] имеют минимум. При решении указанной задачи могут быть
найдены и другие важнейшие характеристики, такие, как опти-
мальная эксплуатационная надежность комплекта РПД, оптималь-
ный объем испытаний при опытной отработке, а также оптималь-
ное распределение затрат по этапам создания комплексов средств
преодоления ПРО.
ГЛABA 5
ПАССИВНЫЕ ПОМЕХИ
В связи с непрерывным усовершенствованием систем обнаруже-
ния и перехвата воздушного и космического противника за ру-
бежом ведутся работы по созданию средств, облегчающих прорыв
баллистических ракет через систему противоракетной обороны.
С этой целью разрабатывались различные средства радиопроти-
водействия, предназначенные для оснащения ими БР «Мийит-
мрн», «Поларис», «Посейдон», «Трайдент». Значительные ассигно-
вания израсходованы на создание ложных целей для маскировки
головной части, дезориентирования и полного насыщения пропуск-
ной способности системы обнаружения и сопровождения ПРО.
5.1. Методы распознавания баллистических целей
Как сообщалось, система ПРО «Сейфгард» предусматривает
при работе три последовательных этапа: обнаружение налета МБР;
сопровождение и распознавание головной части; перехват ГЧ ан-
тиракетами «Спартан», «Спринт» и «Хайбекс».
Основная роль на всех трех этапах борьбы с головными ча-
стями принадлежит средствам радиолокационного обеспечения
ПРО. Станции дальнего обнаружения баллистических целей на
дальностях 3—5 тыс. км не обладают, по мнению американских
специалистов, достаточными разрешающими способностями и точ-
ностью, необходимыми для селекции целей и наведения на цель
антиракет. Для точного сопровождения используются РЛС МСР,
имеющие высокую разрешающую способность по дальности, ско-
рости и угловым координатам.
Основой эффективной системы ПРО, по мнению зарубежных
военных специалистов, является решение задачи селекции ГЧ на
втором этапе. В атмосфере ГЧ распознаются сравнительно просто.
Основная задача сопровождения и селекции целей на внеатмо-
сферном участке полета — прежде всего оценить степень опасности
средств нападения для защищаемого объекта по отклонению точки
падения. Оценка делается в результате определения траектории
движения баллистических целей и вычисления наиболее вероят-
ных точек их падения. Зависимость ошибок прогнозирования точ-
152
ки падения ГЧ МБР от времени наблюдения в качестве иллюстра-
ции приведена на рис. 5.1.
При вхождении баллистических целей в плотные слои атмо-
сферы скорость их торможения зависит от баллистического коэф-
Рис. 5.1. Зависимость ошибок прогнозирования
точки падения от времени наблюдения:
1 — минимальный радиус поражения ГЧ на внеатмосфер-
ном участке (проекции на ось ординат); 2 — время на
распознавание ГЧ
тормозиться раньше тяжелых ГЧ. В результате появляется воз-
можность селекции целей по торможению. На рис. 5.2 представ-
лены кривые зависимости скорости спуска цели в атмосфере от
баллистического коэффициента (3. Для диполей баллистический
коэффициент значительно меньше 0,5 кгс • сек2 • м~3, а для ГЧ он
равен 25—250 кгс • сек2 • м~3. Вследствие этого дипольные отража-
тели теряют скорость примерно через 15 сек после входа в атмо-
сферу. Если на высоте 90—92 км скорость диполей составляет
примерно 7,2 км/сек, то на высоте 55 км она снижается почти до
153
Рис. 5.2. Зависимость изменения баллисти-
ческого коэффициента объектов, входящих
в атмосферу, от высоты и скорости полета.
Области применения:
1 — дипольные отражатели; 2 — легкие ложные
цели; 3 — компоненты корпуса МБР; 4 — головные
части
нуля. Части последней ступени МБР (как, например, элементы си-
стемы наведения, обломки корпуса) имеют баллистический коэф-
фициент до 17,5—25 кгс • сек2 • м~3, и скорость их падения сущест-
венно замедляется только с высоты 45—50 км. Ко времени про-
никновения обломков ракеты на рубеж 40—42 км головная часть
МБР будет находиться от точки падения на расстоянии, соответст-
вующем 25 сек полета. В течение этого времени ГЧ должна быть
отселектирована РЛС МСР
и перехвачена антиракетой
«Спринт».
На рис. 5.2 пунктиром
выделена кривая, характе-
ризующая спуск ложной це-
ли, имитирующей ГЧ по-
средством специального раз-
гонного двигателя.
С другой стороны, голов-
ные части, использующие
высокотемпературные тепло-
защитные материалы, могут
быть отселектированы на
больших высотах, прежде
чем произойдет значитель-
ное замедление их скорости.
Дело в том, что количество
энергии, выделяемой по-
верхностью объекта и иони-
зированным газом в удар-
ном слое, существенно зави-
сит от массы тела и ско-
рости входа в атмосферу.
В этой связи становится возможной селекция целей по интен-
сивности плазмообразований, т. е. по различию высот скачка ЭПР
с носика цели и протяженности плазменного следа за целью.
Возможные (по мнению американских специалистов) методы
селекции целей в атмосфере представлены в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Методы селекции целей
Метод признак
измеряемый селективный
По баллистическому коэффициенту По интенсивности плазмообразований (эф- фективной площади рас- сеяния) Торможение цели ЭПР ударного слоя ЭПР плазменного следа Высота скачка ЭПР Масса, сечение Миделя Сечение Миделя Масса Масса
154
РЛС селекции целей на участке входа в атмосферу обеспечи-
вают информацией огневые комплексы ПРО примерно за 0,4—
1 мин до падения головной части на объект. Понятно, что в боевой
ситуации такого времени может оказаться недостаточно. Более
того, метод одной лишь атмосферной селекции целей сдвигает ру-
беж перехвата ГЧ ниже 10—40 км, что не всегда удовлетворяет
требованиям защиты объекта от ядерных взрывов в атмосфере.
Поэтому разработчики ПРО США вынуждены были ввести еще
два режима распознавания ГЧ на внеатмосферном участке траек-
тории ее полета.
Первый из них — так называемый «принцип активной селек-
ции», предусматривает высотный селектирующий ядерный взрыв
с помощью антиракеты «Спартан». После подрыва боеголовки
антиракеты внутри группы баллистических целей часть из них,
являющихся ложными (типа надувных баллонов), будет либо раз-
рушена рентгеновским излучением, либо отброшена. В результате
часть целей может быть отселектирована РЛС ПРО по изменению
скорости полета.
Второй режим — селекция целей по структуре отраженных сиг-
налов (мощности отраженных сигналов, поляризации, спектру оги-
бающей).
Различия в структуре отраженных сигналов обусловлены:
— различием форм, геометрических размеров и материалов го-
ловных частей и ложных целей (поляризация, флюктуации ЭПР);
Таблица 5.2
Методы распознавания головных частей
Участок полета Метод (параметр) распознавания Измеряемый параметр Селективный признак
Внеатмосферный Внеатмосферный Внеатмосферный Спуск в атмосфере Спуск в атмосфере Расчет траекто- рий целей в режи- ме сопровождения Активная селек- ция (высотный ядерный взрыв) Анализ структу- ры отраженного сигнала Баллистический параметр (атмо- сферная фильтра- ция) Интенсивность плазмообразова- ний Дальность, ско- рость Дальность, ско- рость ЭПР, поляри- зационные харак- теристики, спектр огибающей отра- женного сигнала Торможение, скорость ЭПР ударного слоя и плазменно- го следа Степень опасно- сти для объекта по отклонению точки падения Приращение ско- рости (оценка массы) Форма, геоме- трические размеры цели, направление и период «кувыр- кания» объектов Отношение мас- сы к площади Ми- деля Масса цели
155
— различием в направлениях и скоростях движения по траек-
ториям головных частей и ложных целей (допплеровский сдвиг ча-
стоты) ;
— различием в направлениях и скоростях вращения относи-
тельно центра тяжести головных частей и ложных целей (спектр
огибающей отраженного сигнала).
Для решения задачи распознавания и перехвата ГЧ проводит-
ся каталогизация баллистических объектов по перечисленным при-
знакам.
Табл. 5.2 иллюстрирует наиболее целесообразные, по мнению
американских специалистов, методы распознавания головных ча-
стей ракет.
5.2. Классификация помеховых средств
Помеховые средства преодоления системы ПРО классифици-
руют по следующим основным признакам (рис. 5.3):
— по типу — активные и пассивные;
— по целевому назначению — маскирующие и дезинформирую-
щие;
— по частотному диапазону применения — радиолокационные,
инфракрасные, оптические.
К средствам активных радиопомех, предназначенных для по-
давления РЛС ПРО, относят:
— станции шумовых (маскирующих) помех (заградительные,
прицельные по частоте);
— станции имитационных (дезинформирующих) помех (много-
кратные имитационные помехи, имитационные помехи для искаже-
ния сигнальных характеристик целей и т. п.);
— предварительные ядерные взрывы в атмосфере.
Создание пассивных помех основано на использовании явления
вторичного излучения электромагнитных волн от различных от-
ражающих поверхностей. Практически вторичным отражателем мо-
жет быть любое тело с электрическими параметрами, отличными
от параметров среды, в которой распространяются радиоволны.
Пассивные радиопомехи могут создаваться только тем радио-
электронным средствам, которые работают по принципу приема
отраженных сигналов. Такими средствами, как известно, являются
радиолокационные станции. Возможность создания пассивных ра-
диопомех основана на том, что радиолокационные сигналы после
отражения от искусственно созданных отражающих объектов и от
целей образуют на экранах станций одинаковые по внешнему виду
отметки. Ложные отметки, создаваемые различными искусствен-
ными отражающими объектами, затрудняют наблюдение на экра-
нах радиолокаторов отметок от действительных целей или нару-
шают работу автоматических систем управления, получающих
информацию от радиолокаторов. Искусственные отражатели элек-
тромагнитных волн могут создавать на экране индикатора радио-
локационной станции картину, похожую на действительную, в виде
156
Рис. 5.3, К классификации радиолокационных помеховых средств преодоления ПРО
157
отметок, подобных отметкам от группы целей. При большом коли-
честве искусственных отражателей отметки от них сливаются на
экране радиолокатора и наблюдать отдельные отметки от целей
становится невозможно.
К пассивным помеховым средствам, предназначенным для ма-
скировки ГЧ и дезинформации системы ПРО относят;
— ложные цели;
— действительные цели, покрытые радиопоглощающими покры-
тиями.
Наиболее простым способом создания помех является маски-
ровка полета ГЧ и дезориентация системы ПРО множеством пас-
сивных ложных целей *. Ложные цели по тактическому примене-
нию могут подразделяться на следующие:
— одиночные, изготовленные из однородного материала;
— групповые;
— объемно-распределенные.
В комплекс одиночных ЛЦ могут входить обычные уголковые
отражатели, специальные отражатели (например, на базе линзы
Люнеберга), легкие ложные цели в виде надувных шаров или бал-
лонов из металлизированного пластика, имитирующие внешнюю
геометрию ГЧ, тяжелые ложные цели (ложные боеголовки МБР,
ЛЦ с разгонным двигателем, различного вида антенны и т. п.).
Несколько одиночных целей могут создать групповую цель.
Для предотвращения разлета отражателей (одиночных целей) от
основного объекта одиночные цели в группе могут соединяться
тросами. Присоединение к ГЧ и ЛЦ отражателей выравнивает их
сигнальные характеристики, увеличивая одновременно и их сред-
нюю ЭПР.
Совокупность множества отражающих элементов, относительно
близко расположенных друг к другу и занимающих сравнительно
большую область пространства, образуют так называемую объем-
но-распределенную цель. Типичным представителем объемно-рас-
пределенной цели является облако дипольных отражателей. Ис-
пользованию диполей при прорыве ПРО американские специали-
сты отводят одно из первых мест.
Требования, предъявляемые к перечисленным помеховым сред-
ствам, с точки зрения эффективного противодействия РЛС ПРО
можно объединить в следующие группы:
— радиолокационные,
— баллистические,
— организационно-тактические,
— эксплуатационные.
Остановимся подробнее на первых трех требованиях.
Для выполнения радиолокационных требований, определяемых
методами селекции по сигнальным характеристикам, необходимо,
* Так как в системе ПРО могут использоваться локационные устройства
инфракрасного, ультрафиолетового и оптического диапазонов, то ложные цели
соответственно должны обеспечивать маскировку ГЧ и в этих диапазонах частот.
158
чтобы ложные цели имели максимально возможное сходство с го-
ловными частями (по ЭПР). Это может быть достигнуто путем
выбора соответствующей конфигурации ложных целей и увеличе-
ния поверхности ионизированной оболочки, образующейся вокруг
них при входе в атмосферу.
Баллистические требования заключаются в обеспечении по-
добия ЛЦ и ГЧ по рассеиванию точек падения и по баллистиче-
скому коэффициенту. Однако, как будет показано ниже, обеспече-
ние лишь равенства отношения массы к площади поперечного се-
чения ложной цели недостаточно.
Существует, кроме того, возможность селекции ЛЦ по интен-
сивности плазмообразований. В этом смысле идеальной ложной
целью является такой объект, масса и геометрические размеры
которого такие же, как и у ГЧ.
Организационно-тактические требования определяют выбор ва-
рианта размещения помеховых средств относительно траектории
головной части. Целью этих требований является снижение эффек-
тивности распознавания ГЧ по траекторным признакам (напри-
мер, по точке прицеливания МБР) и по результатам высотного под-
рыва антиракеты «Спартан». В основе организационно-тактических
требований, определенных иностранными специалистами, лежа г:
1. Размещение помеховых средств. Ложные цели могут быть
размещены как в головной части, так и установлены на последней
ступени ракеты в специальных контейнерах. Если ложные цели
размещены в головной части, то должно быть предусмотрено
устройство для корректировки смещенного после сбрасывания лож-
ных целей положения центра тяжести головной части. В случае
установки ложных целей на последней ступени ракеты необходимо
после их сбрасывания и отделения головной части отбросить по-
следнюю ступень, чтобы траектория полета последней ступени не
служила ориентиром для определения траектории полета головной
части. Некоторые иностранные специалисты считают, что целесо-
образно последнюю ступень (после отделения от нее головной ча-
сти) разрушать, причем таким образом, чтобы создать несколько
десятков достаточно тяжелых ложных целей. Станции радиопо-
мех могут размещаться в головных частях ракет и на ложных
целях.
2. Определение момента отделения (выброса) ЛЦ и станций
радиопомех. По данным зарубежной печати, наиболее целесооб-
разно отделять помеховые средства в конце активного участка
траектории последней ступени МБР (рис. 5.4). Сообщалось,
например, об испытаниях в США комплекса ложных целей, вы-
пускаемых баллистической ракетой «Титан». Головная часть, снаб-
женная макетом ядерного заряда, пролетела 8000 км и упала в
южной части Атлантического океана. После отделения отработав-
ших ступеней с головной части было выброшено шесть ложных
целей. Ложные цели имели надувную структуру и создавали на
экранах радиолокатора отметки, маскирующие ГЧ, чем затрудняли
ее распознавание по сигнальным признакам.
159
Кроме того, существуют варианты отделения ЛЦ и дипольных
отражателей в окрестности апогея траектории МБР и перед вхо-
дом объектов в атмосферу.
3. Пространственное расположение ложных целей и станций ра-
диопомех характеризуется направленным отделением ЛЦ и стан-
ций помех в космическом пространстве. Оно создается вследствие
отделения головной части и ложной цели от корпуса ракеты-носи-
теля на расстояние, исключающее поражение двух целей одной
антиракетой «Спартан».
Рис. 5.4. Траектория полета МБР «Минитмен»:
/ — отделение первой ступени; 2 — отделение второй сту-
пени; 5 — отсечка двигателя третьей ступени; 4 — вы-
брос в космическое пространство помеховых средств
(ложных целей); 5 — увод корпуса; 6 — подрыв корпуса;
7 — ГЧ и ЛЦ в облаке диполей перед входом в атмо-
сферу
4. Местоположение корпуса последней ступени ракеты-носи-
теля (его увод или подрыв для образования дополнительных ЛЦ).
В заключение следует отметить, что одним из средств активно-
го радиопротиводействия является ядерный взрыв в атмосфере,
в результате которого возникают области повышенных электрон-
ных концентраций, вызывающих экранировку радиосигналов. Если
взрыв произведен на сравнительно небольшой высоте, то огнен-
ный шар быстро охлаждается воздухом и экранировка радиосиг-
налов сохраняется всего несколько минут. С увеличением высоты
взрыва охлаждение протекает медленнее, и, хотя столкновение
электронов с частицами воздуха происходит реже, соответствую-
щая ионизация имеет место, и эффект экранизации сохраняется
значительно дольше.
160
5.3. Комплексы помеховых средств и их испытания
Под комплексом РПД понимается набор средств активного и
пассивного типов, в том числе и ГЧ, взятых в определенном соот-
ношении, необходимом для решения задачи преодоления ПРО с
требуемой эффективностью. Понятие «комплект средств РПД»
определяет конкретное количество ЛЦ и станций радиопомех, раз-
мещаемых на ракете.
Первые сведения о комплексировании средств прорыва ПРО в
США относятся к 1963 г. Так, для БР «Поларис-Al, А2» был разра-
ботан и испытан комплект активных помеховых средств, в состав
которого входили станции радиопомех РХ-1 (на магнетроне) и
РХ-2 (на барратроне). Станции РХ-3, РХ-4 предполагалось ввести
в комплект средств радиопротиводействия «Поларис/Посейдон».
Кроме того, сообщалось:
— ракеты «Поларис-АЗ» оснащены средствами преодоления
ПРО, содержащими наряду со станциями радиопомех пассивные
ложные цели и узкодиапазонное радиопоглощающее покрытие ГЧ;
— ракеты «Титан-2» также оснащались средствами преодоле-
ния системы ПРО;
— ракеты «Минитмен-2» с головной частью Мк.ПА имели на-
бор помеховых средств, ГЧ имела РПП с аблирующим покрытием.
В 1966 г. в США начались работы по созданию комплексов
средств прорыва ПРО МБР «Минитмен-2, 3».
Предполагалось внедрить в промышленное производство ком-
плект помеховых средств Мк.1 для защиты головных частей МБР
«Минитмен-2, 3».
Элементы комплекта Мк.1 размещаются в специальном контей-
нере, устанавливаемом на МБР. Контейнер от корпуса последней
ступени отделяется с помощью РДТТ с тремя скошенными сопла-
ми. При включении РДТТ контейнер раскручивается и отсоеди-
няется от узла крепления. Осевая составляющая тяги РДТТ обе-
спечивает отделение контейнера от ракеты, после чего включается
другой РДТТ, выводящий контейнер на требуемую траекторию.
Оба РДТТ относятся к типу разгонных двигателей VIP.
Вращение контейнера обеспечивает не только его стабилиза-
цию, но и последующий разброс помеховых средств, находящихся в
контейнере, и, в частности, дипольных отражателей с заданной ско-
ростью рассеивания.
В 1963 г. по программе «Абрее» на Западном испытательном
полигоне начались запуски МБР «Атлас-F». Для размещения ком-
плекта испытываемых помеховых средств на ракетах использовал-
ся специальный контейнер (рис. 5.5). Позднее МБР «Атлас-F» на
испытаниях помеховых средств оснащалась экспериментальной го-
ловной частью RMP-B (рис. 4.12), представляющей собой цилиндр
диаметром 2,13 м и длиной 2,03 м из алюминиевого сплава, один
из торцов которого закрыт коническим теплозащитным обтекате-
лем из стеклопластика. В корпусе этой ГЧ размещались макеты
161
боеголовок, контейнеры ЛЦ, станций радиопомех и направляющие
трубы для «выстреливания» боеголовок и отделяемых помеховых
средств.
Рис. 5.5. Межконтинентальная баллистическая ракета
«Атлас-F», оснащенная средствами РПД:
а — установка контейнера со средствами РПД; б — старт
(стрелкой отмечено место крепления контейнера к корпусу)
В указанные комплексы РПД, по данным зарубежной печати,
входят следующие образцы одиночных, групповых и объемно-рас-
пределенных целей:
1. Легкие ложные цели:
— баллоны из тефлоновой пленки, наполняемые изопентаном
на внеатмосферном участке траектории после отделения от МБР;
— сетчатые ЛЦ ЕХО — DECOY (сгорают при входе в атмо-
сферу).
162
2. Тяжелые ложные цели:
— металлическая ЛЦ ENDO — DECOY;
— ложная цель HAPDEC с глубоким проникновением в атмо-
сферу (предназначена для оснащения МБР, наносящих удар по
точечным подземным целям);
— ложная цель MANDEC, имитирующая маневр ГЧ при входе
в атмосферу;
— ложная цель Мк.6, имитирующая плазмообразование вокруг
ГЧ;
— ложные цели STEMS, имитирующие боеголовки МИРВ на
атмосферном участке полета;
— ложные цели OPADEC для имитации излучения ГЧ в ИК- и
оптическом диапазонах;
— дипольная логопериодическая пассивная антенная решетка
на проводящем конусе, работающая в метровом и сантиметровом
диапазонах.
3. Дипольные отражатели в виде металлических лент, фольги,
металлизированного стекловолокна и т. п.
Для сбрасывания дипольных отражателей перед входом в плот-
ные слои атмосферы сконструированы автоматы Мк.2, в которых
используются небольшие ракеты для выстреливания диполей в
плоскости, перпендикулярной траектории ГЧ.
4. Групповые цели — ЛЦ, ГЧ с привязными диполями (в виде
прядей на гибком тросе), уголковыми отражателями и надувными
баллонами.
Для испытаний перечисленных пассивных средств преодоления
ПРО наряду с боевыми МБР применялись также и баллистические
ракеты «Афина», «Аджена-Н».
5.4. Образование ложных целей на траектории
На внеатмосферном участке полета ложные цели располагают-
ся вдоль траектории головной части. При этом расстояния (ди-
станция) между целями в зоне ПРО выбираются из условия непо-
ражения двух соседних целей взрывом ядерной боеголовки анти-
ракеты.
Для получения необходимой траектории входа в плотные слои
атмосферы при заданном расположении целей в пространстве по-
меховые средства выбрасываются с расчетными скоростями и на-
правлениями в момент (или после) прекращения работы двига-
тельной установки последней ступени МБР.
Ошибки в скоростях и направлении выброса понижают эффек-
тивность решения задачи преодоления системы ПРО. Поэтому не-
обходима оптимизация параметров выброса целей по двум основ-
ным признакам: минимизации отклонения точек падения ложных
целей и головной части, во-первых, и получения требуемой дистан-
ции между целями в зоне ПРО, во-вторых.
Достаточно общий подход решения этой задачи заключается в
преобразовании данных об относительном положении ЛЦ и ГЧ в
163
зоне ПРО в составляющие скорости выброса для момента отделе-
ния целей от борта МБР. Результаты экспериментальных пусков
ракет со средствами преодоления ПРО показали, что требуемые
скорости выброса можно определять по линеаризованным уравне-
ниям их относительного движения. Диапазон скоростей выброса
ложных целей, допускающий линеаризацию, составляет 0—150 м/сек.
Рассмотрим задачу выброса ложной цели в плоскости траекто-
рии МБР при следующих предположениях:
— цель отделяется от ракеты со скоростью не более 150 м/сек;
— вектор скорости выброса цели ориентирован относительно
вектора скорости ракеты (или местной горизонтали) произвольным
образом;
— силы отдачи, воздействующие на корпус МБР при выбросе
ЛЦ, траекторию головной части не искажают;
— гравитационное поле Земли симметрично;
— цели не подвержены действию сил лобового сопротивления;
— масса ЛЦ ничтожно мала по сравнению с массой головной
части.
На рис. 5.6 изображены системы декартовых координат, исполь-
зуемые в задаче:
— XjYi — система неподвижных геоцентрических координат;
— X2Y2 — система подвижных геоцентрических координат, вра-
щающаяся с угловой скоростью dcp/dt, равной угловой скорости
движения ракеты (головной части) по траектории;
— X3Y3 — система координат с началом, лежащим в центре
масс ГЧ, и осью Х3, направленной вдоль местной горизонтали.
Ложная цель выбрасывается в момент отсечки двигателя со
скоростью VB под углом а относительно вектора скорости МБР Vo.
Движение ложной цели рассматривается в системе координат X3Y3.
Уравнения движения ложной цели относительно невращающей-
ся инерциальной системы координат X1Y1 записываются в следую-
щей форме:
jgL + iX1_°, (5.1)
^ + iy,=0, [5.2]
где = (х? + у^)1/з — радиус-вектор выброшенной ЛЦ;
fM— произведение универсальной гравитационной постоянной на
массу Земли.
Для дальнейшего анализа удобно применить к выражениям
[5.1, 5.2] ортогональные преобразования:
— поворот осей на угол ф
( x1 = x2cos<p + y2sinq>,
I • I |5.о]
( У1 = — Х2 Sin Ф + у2 cos у,
164
Рис. 5.6. К определению скоростей и направлений выброса целей
165
— параллельный перенос осей
I х2 = х3,
I У2 = Уз + г.
где г — текущий радиус-вектор начала координат X3Y3.
Используя замену переменной t на ср, имеем
d d dtp
dt d<p dt ’
[5.4]
[5.5]
d2x
“dt2
d2x
dtp2
dtp X2 . dx d2y
dt / ' dtp dt2 *
[5.6]
где
d<p roVo cos 0O p-
d2? 2roVgCOS20o / dr \2
-air =--------ji-----(чт/ • [5.8]
Отсюда можно получить уравнения движения цели в системе
координат X3Y3:
d2x3 __/1 _ г4 \ ___ 2 dt / dx3 \
dtf2 • \ pf ’ cos2 ©0 / 3 г dy \У»+ d<p J +
+ 2 4гг = °. (М)
д2уз л fM г4 \ 2 dr / Дуз А
d?2 V Рз ' I0V0 cos2 ©о / Уз r а? \ 3 а? /
-2W + /l==a [5ло]
В выражении [5.10]
ГдУр cos2 0О ) t \ dtP J 1 J
d2r dr
где значения и -^-определяются видом траектории МБР и мо-
гут быть рассчитаны по общеизвестным формулам.
Поскольку скорость отделения ЛЦ и относительное расстояние
между ней и головной частью малы по сравнению с величиной век-
тора скорости и радиус-вектором ГЧ на траектории, т. е.х|-<<;(у8-|-
+ г)2 и у3<Сг, то с учетом р3«»г выражения [5.9, 5.10 и 5.11]упро-
щаются:
-------------------К ~-7Г-(Уа+ -Г1) +2-^3- = °, [5.12]
d<? \ T()Vj] cos2 @0 / 3-г dcp V3 d<p / 1 dcp 1 J
___LJL/у i
a?2 \ ioVocos20O ) Уз r d<P k d<p )
-2t + a=0’ l513l
166
где
. _ d2r _ Л _ fMr
“d'p2 Ц r§VoCos20o
[5.14]
Начальными условиями для дифференциальных уравнений
[5.12 и 5.13], описывающих движение ЛЦ относительно ГЧ, будут:
х3(0)=у8 (0) =0,
^(O) = -^rocos(0 + aB), [5.15]
-^(O) = -^rosin(0 + aB).
Для грубой оценки скоростей и направлений выброса ЛЦ мож-
но положить
fMr | 2 dr ।
rXcos2 0о ~ ’ d?
В этом случае выражения [5.12 и 5.13] с учетом [5.14] существенно
упрощаются:
4гг + 2^1 = 0, [5.16]
dcp2 1 dcp ’ L J
+ = [5.17]
dcp2 dcp dcp2 ’ L *
где г зависит от текущей координаты ср.
Система линейных уравнений [5.16 и 5.17] после преобразований
сводится к линейному дифференциальному уравнению третьего по-
d2r
рядка с правой частью, равной —Общее решение этого уравне-
ния может быть получено методом вариации произвольных посто-
янных. Необходимо лишь ввести в [5.17] аппроксимацию измене-
d2r
ния графика величины в зависимости от угловой дальности ср.
Необходимые значения VB и ав определяются, как указывалось
выше, противоречивыми условиями:
— условием непоражения двух целей одновременно взрывом
боеголовки антиракеты на дальнем рубеже «активной селекции»;.
— условием минимизации отклонения точек падения ЛЦ от
точки прицеливания ГЧ (рис. 5.6 — оси Х3, Y3 в точке падения ГЧ,
рис. 1.10 — семейство траекторий одинаковых дальностей).
Минимизация вероятности перехвата ГЧ, учитывающая оба
условия, определяет оптимальные скорости и направления выброса
ложных целей. Необходимо отметить характер относительных тра-
екторий ложных целей и головной части. Если ложные цели
выбрасываются под углами ав~90°, то, двигаясь по относительным
траекториям, они отстают от ГЧ прямо пропорционально скорости
167
выброса ЛЦ. Выброс под углами ав~270° выводит ложные цели на
эллиптические траектории с опережением ГЧ. На рис. 5.7 показано
изменение относительного расстояния между целями при различ-
ных скоростях выброса (для ав~ 270°).
Рис. 5.7. Изменение относительного расстояния
между целями в системе координат Хз, Уз от вре-
мени полета
Определение вероятности попадания целей в заданный объект
проиллюстрируем на следующем примере. Пусть известно положе-
* Полоса Л *
Рис. 5.8. К определению вероятности попадания
в прямоугольник
ние эллипса рассеивания относительно объекта прямоугольной
формы. Размеры объекта заданы относительно центра рассеивания
цели координатами x3i, Х32 (рис, 5.8) и zb z2. Для вычисления hckq-
168
мой вероятности найдем вероятность попадания цели в полосу А.
Плотность распределения случайной величины, подчиняющейся
нормальному закону, имеет вид
'«"ТЬ-М-Т]. 1^81
где а = Е(х) —математическое ожидание величины отклонения ЛЦ
от центра рассеяния ГЧ.
При а=0 вероятность попадания в полосу А
рл=-Иф0гЬф(Ш [5-191
Z-- У _-Х-’
где Ф(у)= 2 dy —интеграл вероятности. [5.20]
Вычислив аналогичным образом вероятность рв попадания в
полосу В и используя теорему умножения вероятностей для неза-
висимых событий, определим требуемую вероятность попадания
15511
Для объектов, имеющих поверхность сложной конфигурации,
возможна ее аппроксимация различными прямоугольниками.
В этом случае вероятность попадания целей в заданный объект на-
ходится как сумма вероятностей попадания в отдельные элементы.
5.5. Демаскирующее влияние корпуса ракеты
При прорыве через систему ПРО серьезное значение, по мне-
нию американцев, приобретает местоположение корпуса последней
ступени МБР. Дело в том, что после отделения головной части и
средств преодоления (ЛЦ, дипольных отражателей) корпус послед-
ней ступени продолжает полет почти по той же траектории, что и
ГЧ, вплоть до вхождения в плотные слои атмосферы. Этим соз-
даются благоприятные условия для дальнего обнаружения слож-
ной цели и ее сопровождения радиолокаторами ПРО (поскольку
средняя ЭПР у корпуса ракеты примерно на порядок больше, чем
у ГЧ). Кроме того, полет корпуса последней ступени вслед за ГЧ
и ложными целями не исключает догона отделившихся ГЧ и ЛЦ,
а следовательно, и их соударения. Последнее может привести к
разрушению ГЧ и. ЛЦ, изменению параметров их эллиптической
траектории, вращению ложных целей с отличными от ГЧ угловы-
ми скоростями и, как-следствие, к распознаванию головной части
системой ПРО.
В этой связи американские специалисты предлагают:
— изготовлять последнюю ступень МБР из неметаллических
материалов с целью снижения эффективной площади рассеяния (в
169
настоящее время, например, корпус последней ступени МБР «Ми-
нитмен-3» изготовляется из стеклопластика повышенной прочно-
сти) ;
торил
ПРО
уводить корпус ракеты с траектории ГЧ, с тем чтобы траек-
полета последней ступени МБР не служила для системы
ориентиром для определения
траектории полета головной
части;
— разрушать корпус по-
следней ступени, создавая
несколько достаточно тяже-
лых ложных целей.
Остановимся подробнее
на рассмотрении двух по-
следних пунктов.
Увод корпуса ракеты с
траектории ГЧ и ЛЦ мо-
жет осуществляться за счет
создания тормозных
действующих вдоль
дольной оси ракеты с пово-
ротом или без поворота кор-
пуса вокруг центра масс.
Корпус последней ступени
тормозится:
— пороховыми ракетны-
ми двигателями (рис. 5.9а),
размещаемыми либо на хво-
стовом, либо на перед-
нем отсеке последней сту-
пени;
— газами наддува топ-
ливных баков (эта схема
применима только для жид-
костных БР «Титан-2») по-
средством использования специальных сопл на днище переднего
топливного бака (рис. 5.96).
Увод корпуса МБР с траектории полета ГЧ, т. е. включение
тормозных ПРД, целесообразно производить почти одновременно
с отделением ГЧ и ложных целей (пока корпус стабилизирован на
траектории).
В случае создания тормозной силы F(t) без поворота корпуса
вокруг центра масс (рис. 5.10 а) уравнение относительного движе-
ния корпуса и ГЧ в линейном приближении имеет вид
Рис. 5.9.
Средства увода (торможения) кор-
пуса МБР с траектории:
а — с помощью тормозных ПРД; б — с помощью
тормозных сопл, работающих на газах наддува
бака; / — головная часть; 2 — ПРД; 3 — сопло;
4 — топливный бак,- 5 — заглушка
сил,
про-
> = -~[F(t)-P(t)],
[5.22]
где х—относительное расстояние между корпусом и ГЧ вдоль
ее траектории; . •
170
mk — масса корпуса последней ступени;
Р(t) — тяга последействия двигательной установки.
Решение уравнения [5.22] для относительной скорости и относи-
тельного пути в период работы тормозных ПРД имеет вид
VX=^(JF-JP)> I5'23!
dt'
[5.24]
. гч Корпус
K(t)
Рис. 5.10. Схема создания тормозных
сил без поворота корпуса вокруг цен-
тра масс (а), действующих при тор-
можении в момент отделения ГЧ, и
эпюры тяг (б): Р (t) — тяга после-
действия основного двигателя; F (t) —
тяга последействия тормозных ПРД
где JF = J F (t) dt — импульс силы торможения корпуса в направ-
лении продольной оси; . •
JP = J Р (t) dt — импульс последействия тяги двигательной
установки;
. т—полное время работы ПРД..
171
Линейная оценка относительного расстояния между корпусом и
ГЧ для любого момента времени определится как
х = xt + vt (t — т), [5.25]
где t — текущее время полета головной части.
Примерная зависимость изменения тяги последействия основ-
ного двигателя и тормозных ПРД от времени показана на
рис. 5.10 6. Средняя требуемая тяга Fcp одного тормозного ПРД в
направлении оси сопла определяется выражением
Fcp«—, [5.26]
пт cos 7 ’ 1 J
где п — число тормозных ПРД;
у — угол наклона оси сопла ПРД к оси ракеты;
J* — требуемый импульс силы торможения корпуса, опреде-
ляемый условиями боевого применения конкретной ра-
кеты.
Тяга реактивного насадка, использующего газы наддува бака
(рис. 5.9 6), определяется из уравнений газовой динамики
1 . . . 2k
EH(t) = 2(-r^-r)II-1SHpa(l + — к~\ [5.27]
где И1о = Рн-^у----начальная масса газов наддува топливного
бака;
т0 == ри — начальный секундный расход массы газа че-
рез насадок;
к — показатель адиабаты;
SH — площадь выходного сечения насадка;
рн — давление наддува в топливном баке в мо-
мент начала истечения;
Vo — объем топливного бака, занятый газами над-
дува;
R— удельная газовая постоянная;
То — температура газа в момент начала истечения
по шкале Кельвина.
Выражение [5.27] определено при следующих допущениях:
— расширение газов наддува в баке происходит адиабатиче-
ски;
— процесс истечения газов квазистационарен.
Для торможения (увода) последней ступени МБР «Минитмен»
применяются РДТТ SR-11-HP-1 длиной 14,6 см и диаметром
13,2 см, а для реверсирования тяги последней ступени (в том чис-
172
ле при отделении ЛЦ)—РДТТ SR-9-HP-1 (длина 18,8 см, диа-
метр 4 см).
Идея разрушения корпуса МБР состоит в его разделении пиро-
техническим способохМ на несколько сегментов, эффективная пло-
Рис. 5.11. Подрыв корпуса последней ступени МБР:
а — схема разделения корпуса; б — расположение элементов
корпуса вдоль траектории ГЧ:
1 — головная часть; 2 — обечайки корпуса; 3 — собственно кор-
пус; 4 —- поперечный силовой элемент; 5 — герметизированная
полость с взрывчатым веществом; 6 — продольные силовые эле-
менты; 7 — траектория полета головной части; 8 — направления
разлета осколков (обечаек) корпуса МБР
щадь рассеяния каждого из которых близка к ЭПР головной ча-
сти. Для создания сегментов применяют специально профилирован-
ные продольные и поперечные силовые элементы корпуса, герме-
тизированные полости которых снаряжаются зарядами кумулятив-
ного действия с термостойким ВВ (рис. 5.11 а). Тип ВВ и направ-
173
ление кумулятивного действия определяются требуемым взаимным
расположением сегментов корпуса и ГЧ на траектории.
После разделения ГЧ и корпуса МБР с некоторой задержкой
(из условия безопасности ГЧ) специальным устройством подрыва-
ются кумулятивные заряды. В результате образуется требуемый
порядок ложных целей — сегментов корпуса и ГЧ вдоль траектории
(рис. 5.116), сохраняющийся на всем внеатмосферном участке их
полета. По утверждению зарубежных специалистов, техника под-
рыва и рассеивания обломков третьей ступени МБР позволяет об-
разовывать облако ложных целей-сегментов корпуса, деталей и
блоков системы управления, двигательной установки и т. п. в виде
прямоугольного параллелепипеда, вытянутого вдоль расчетной
траектории, размерами 50X50X170 км. ЭПР осколков корпуса со-
ставляет несколько квадратных чиетров, глубина их проникновения
в атмосферу до момента эффективной селекции радиолокатором
МСР около 45 км.
5.6. Определение ЭПР групповой цели
Групповую цель (по аналогии с целью сложной конфигурации)
можно рассматривать как совокупность некоторого числа отра-
жающих элементов, соединенных связями гибкого или жесткого
типа. Примером групповой цели могут служить уголковые или на-
дувные отражатели, прикрепленные тросом к ГЧ, а также привяз-
ные диполи, которые в виде прядей выпускаются из головной ча-
сти и, не отрываясь от нее, следуют до малых высот (обычные ди-
поли отстают при входе в атмосферу).
Вследствие перемещения элементов групповой цели относи-
тельно друг друга и их случайной, непрерывно меняющейся ориен-
тации относительно направления на РЛС фаза и амплитуда отра-
женного сигнала и соответственно ЭПР цели постоянно флюктуи-
руют. Рассмотрим эти явления на примере групповой цели, состоя-
щей из двух точечных изотропных излучателей, соединенных жест-
кой связью (рис. 5.12).
Флюктуации фазового фронта создают на выходе приемника
РЛС случайные изменения сигнала (ошибки измерения) углового
положения цели.
Сравним картины фазовых фронтов рассматриваемой групповой
цели и одиночного изотропного излучателя, который без наруше-
ния общности рассуждений может быть расположен между рассеи-
вающими элементами данной цели. Если поверхности рав-
ных фаз одноточечного излучателя представляют собой концентри-
ческие сферы с центром в точке излучения, то для двухточечной
пели поверхности равных фаз будут отличаться от сферических.
Искривление фазового фронта характеризуется углом 8 между
нормалями к поверхностям равных фаз рассматриваемых излуча-
телей при различных углах облучения цели 0. Электромагнитные
колебания энергии, отраженной от простых целей В и А, будут со-
Ц4
ответственно отставать и опережать по фазе колебания от одното-
чечного источника С на угол
<x = -y--Zsin0. [5.28]
Если амплитуды излучаемых колебаний для целей А и В будут
Е и кЕ, где к<1, то результирующий вектор электрического поля
будет равен сумме Е + кЕ, откуда
8= arc tg а 4^-. [5.29]
Рис. 5.12. К определению ЭПР групповой цели, состоя-
щей из двух изотропных излучателей
Наличие гибких связей между элементами групповой цели
(с длинами /2, ...» In, изменяющимися по случайным законам),
равно как и использование в качестве элементов групповой цели
тел различной формы, значительно увеличивает степень неопре-
деленности выражений. По этой причине задача вычисле-
ния значений 8 для различных 0, к, I с последующим построением
фазового фронта точного аналитического решения не имеет. В луч-
шем случае среднестатистические характеристики положения фазо-
вого фронта сигнала, отраженного от конкретной групповой цели,
могут быть полученышутем математического моделирования с ис-
пользованием метода Монте-Карло.
Суммарная амплитуда сигнала, отраженного от групповой цели,
определяется относительными фазами и амплитудами сигналов,
отраженных от элементов, входящих в состав групповой цели. При
этом в случае наличия гибкой связи элементов амплитуды отдель-
ных сигналов, имеющих разные фазы в точке приема, либо скла-
дываются, т. е. происходит увеличение амплитуды суммарного от-
раженного сигнала, либо частично или полностью подавляются.
175
Если длина связи в групповой цели превышает длину волны
РЛС, то, как было показано, фазы сигналов от цели в точке их
приема меняются с изменением ориентации цели относительно ра-
диолокатора. Это в свою очередь вызывает дополнительные флюк-
туации отраженного сигнала и ЭПР цели.
Рассмотрим механизм отражения от групповой цели, показан-
ной на рис. 5.12. Суммарный сигнал, отраженный от цели, на вхо-
де приемника РЛС определяется соотношениями:
Цвх = UmA C0S (wt ~ ?а) + UmB C0S (Wt - <Рв)’ I5-30!
где ишД, UmB — амплитуды отраженного сигнала от отражате-
лей А и В соответственно;
<рА, <рв—запаздывания фаз отраженного сигнала.
4itRA 4icRB
'(’а = X I" ^ОА' ?В = х ^0В>
где <р0А, <ров — сдвиг фазы при отражении.
Поскольку ЭПР точечных изотропных излучателей равны, т. е.
аА = ав - 3 UmA = ишВ = Um) ТО
ОТ7 Та—?В / , Та + Тв \ ГСТО11
uBX = 2Um cos---g----cos (wt---------j , [5.31 ]
' <Pa —
где 2U cos—к---------суммарная амплитуда отраженного сигнала,
ти 2
Так как для рассматриваемой групповой цели <р0А = q>JB То»
то суммарная амплитуда отраженного сигнала и его мощность со-
ответственно равны
UBxS = 2Umcos(-^-cos0), [5.32]
Рвх = 4Р cos2 (cos 0 ), [5.33]
где Р — мощность отраженного сигнала от одного элемента (А
или В).
ЭПР цели, связанная с отраженной мощностью линейной зави-
симостью, определится выражением
а2=4а cos2 COS 0 , [5.34]
где о—ЭПР одного из элементов групповой цели.
Зависимость [5.34] позволяет оценить диапазон флюктуаций
ЭПР простейшей групповой цели в зависимости от ее ориентации
относительно РЛС,
Поскольку амплитуды отраженных сигналов и ЭПР групповых
целей в течение полета по баллистическим траекториям подвер-
жены флюктуациям, то по аналогии с телами сложной конфигура-
176
ций их характеристики естественно описывать законами распреде-
ления и функциями автокорреляции.
В качестве иллюстрации рассмотрим групповую цель, один из
отражателей которой имеет стабильную «блестящую» точку с ам-
плитудой, превышающей сигнал от других элементов групповой
цели. Примером такой групповой цели может служить ЛЦ с бук-
сируемым на тросе уголковым отражателем. Суммарный сигнал
от такой цели
N—1
А = Ао cos wt + V ак cos (o)t — <рк), [5.35]
K=1
где Ao — амплитуда «блестящей» точки;
Ак — амплитуда сигнала от к-го отражателя;
<рк — фазовый сдвиг сигнала от к-го отражателя;
N — 1 — число отражателей в составе групповой цели.
При кувыркании собственно ложной цели относительно направ-
ления на РЛС амплитуды и фазы (Аь Аг,..., Ак и фь фг,...» фк)
отраженных сигналов, за исключением «блестящей» точки, будут
меняться по случайному закону. Учитывая, что плотность совмест-
ного распределения переменных А и ф суммарного сигнала от
групповой цели имеет вид
f(A' <|,) = ^Гир
А2 4- Ао — 2А Ао cos у
2D1
[5.36]
(где Пд— дисперсия амплитуды) определим плотность распреде-
ления одномерной случайной величины А.
Интеграл от выражения [5.36] по всем возможным значениям
фазы 0<ф<2тс представляет собой обобщенный закон Релея:
е I л \ А / А 4- Ао \ / а Ао \ г к о 71
f (А) ~ Tf е Р k 2Df / 1о ("БГ) ’ f5,37J
где 10—функция Бесселя нулевого порядка от мнимого аргу-
мента.
В случае кувыркания всей групповой цели (т. е. при-отсутствии
стабильной «блестящей» точки) Ао=О и Ь [“ТлМ — 1- Зависи-
\ da /
мость [5.37] трансформируется в простой закон Релея
7 / л \ А / А2 \
f А ~ Dl Р( 2D1/
[5.37а]
Кривые распределения [5.37, 5.37а] для различных значений отно-
шения Ao/Da приведены на рис. 5.13. При больших значениях ам-
плитуды сигнала «блестящей» точки обобщенный закон Релея при-
ближается к нормальному закону.
7-754
177
В случае Ао=0 суммарный сигнал групповой цели определяется
вторым членом выражения [5.35] с математическим ожиданием
ос
и дисперсией
те
т-
Рис. 5.13. Распределение плотности вероятности
амплитуды сигнала, отраженного от групповой
цели
Плотность вероятности мощности отражения в соответствии с
[5.37] равна
f (Р) = ехр 1о , [5.38]
где Р0 = “2--мощность сигнала, отраженного от «блестящей»
точки.
Средняя мощность отраженного сигнала
E(P)=D* +Р0. [5.39]
Р
Введем обозначение m = —f-, тогда дисперсия амплитуды отра-
da
женного сигнала
Da = -FZ^-‘ [5.40]
А 1 4- ш 1 J
178
Учитывая, что ЭПР цели пропорциональна мощности отраженного
сигнала, запишем функцию плотности вероятности ЭПР групповой
цели в соответствии с выражениями [5.38—5.40]
f (g)== 1 tm exp Г— tn — (1 + m) 4-] Io Г2 /tn (1 + m) 4-], [5.41 ]
G [_ G J L Г GJ
где a — суммарная ЭПР групповой цели;
з = Е (a) — среднее значение ЭПР.
Рис. 5.14. Распределение плотности
вероятности амплитуды сигнала, от-
раженного от групповой цели
Для случая Ао=0 мощность сигнала, отраженного от «блестящей»
точки, Ро=О и
15-42)
G Г \ G /
Физический смысл параметра m в выражении [5.41] — отношение
ЭПР «блестящей» точки к среднему значению ЭПР всех отража-
телей групповой цели. В функции относительной ЭПР цели о/a вы-
ражения [5.41 и 5.42] примут вид:
f (4-1 == (1 4- щ) ехр[— m — (1 + т) 4-1X
\ G / L G J
X lofs 1/т (т + 1) 4-1, [5.41а]
L r G J
f (4-1 = exp (-4-1. [5.42а]
\ G / \ G /
Зависимость f(4-) для различных т показана на рис. 5.14. Веро-
ятность появления тех или иных значений ЭПР сложной цели
может быть оценена с помощью формул [5.41а и 5.42а].
Наконец, рассмотрим закон распределения фазы сигнала от
групповой цели. Усредняя выражение для плотности совместного
распределения [5.36] по всем возможным значениям 0 -=—< °°>
da
получим
f (?) = exp cosexp (-^1), [5.43]
где Ф(х) — функция Лапласа.
7* 179
Распределение [5.43] показано на рис. 5.15. При Ао=0 все фазы
составляющих отраженного сигнала равновероятны. По мере уве-
личения Ао фаза суммарного сигнала начинает определяться фа-
зой сигнала, отраженного от «блестящей» точки.
Статистическая связь между значениями флюктуирующей ам-
плитуды сигнала от групповой цели, разделенными временным ин-
тервалом т, характеризуется функцией автокорреляции
.т
R (т) = lira Цг f A (t) A (t + т) dt, [5.44]
Т-оо 1 (У
где Т — время наблюдения цели.
Рис. 5.15. Распределение плотности вероятности
фазы групповой цели
Средняя плотность отраженной мощности (спектральная плот-
ность) определяется выражением
G (f) = 4 J R (т) cos 2rcfcck, [5.45]
о
где f = — частота.
В силу чрезвычайной громоздкости и большой трудоемкости
аналитического определения статистических характеристик сигна-
лов, отраженных от групповых целей, обладающих случайными
параметрами, в инженерной практике обычно используют разнооб-
разные методы математического моделирования и полигонных
испытаний,
180
5.7. ЭПР объемно-распределенных целей
Дипольные отражатели, используемые в качестве помеховых
средств, представляют собой очень тонкие металлизированные по-
лоски или волокна, укладывающиеся в компактные пачки, содер-
жащие от десятков тысяч до нескольких миллионов штук отдель-
ных диполей. Рассеянные в пространстве диполи образуют облако,
представляющее собой для радиолокаторов системы ПРО объемно-
распределенную цель. Пространственное сложение полей, отра-
женных от отдельных диполей, некогерентно. Однако если диполи
имеют одинаковую длину, то средняя ЭПР облака
N
а = 2 at = [5.46]
i=l
где —средняя ЭПР одного диполя;
N — число диполей, находящихся в луче РЛС,
В пространстве диполи распределяются случайным образом и
ориентируются по отношению к фронту падающей волны РЛС так-
же случайно.
Нетрудно показать, что эффективная площадь рассеяния полу-
волнового диполя, произвольно ориентированного в пространстве,
определяется соотношением
а1 = 0,86k2 cos4 <р,
где <р — угол между осью диполя и электрическим вектором па-
дающей волны.
При совпадении поляризаций диполя и падающей волны ЭПР
полуволнового диполя будет максимальной
:. ’1тах=о>8бх2.
Среднее значение ЭПР диполя сп можно определить, задавшись
законом распределения случайной величины ср. Для равновероят-
ной ориентации диполей и совмещенных точек излучения и приема
Таким образом, средняя ЭПР пачки диполей
a=0,17k2N.
Из-за слипания и поломки диполей часть из них не будет эф-
фективно работать, что приводит к уменьшению ЭПР пачки. Эти
потери можно учесть поправочным коэффициентом т)<1, тогда
a = O,17X2T)N. [5.47]
Электромагнитные волны затухают при прохождении через об-
лако из-за рассеяния энергии диполями. Величина затухания зави-
181
сит от концентрации п, т. е. от количества эффективно действую-
щих диполей в единице объема. Полагая, что элементарный объ-
ем облака площадью 1 м2 и толщиной dx рассеивает энергию про-
порционально ЭПР, получим
dP = —Paodx [5.48]
и, учитывая, что ао=пО,17Х2, запишем [5.48] в виде
^- + Рп0,17Х2 = 0. [5.49]
Интегрируя уравнение [5.49], получим
Р = Р0е-"0>17Х\ [5.50]
где Ро — мощность падающей на облако диполей волны.
Из выражения [5.50] получаем коэффициент ослабления (раз-
мерность которого дб/м) :
р = 0,73Х2п. [5.51]
Из формулы [5.47] следует, что ЭПР пачки диполей в большой
степени зависит от частоты. Диполи являются резонансными отра-
жателями и обеспечивают эффективное отражение для частот, от-
личающихся не более чем на ±(10—15)% от резонансной. За пре-
делами этих допусков ЭПР диполей значительно снижается, но мо-
жет вновь возрасти на частотах, кратных резонансной частоте ди-
поля. Для создания помех в широком диапазоне частот необходи-
мо сбрасывать отражатели различной длины.
Для маскировки целей диполями от импульсных РЛС необхо-
димо также учитывать независимую обработку целей в каждом
импульсном объеме*. Для эффективной маскировки цели при ра-
боте импульсных РЛС необходимо, чтобы ЭПР совокупности дипо-
лей, находящихся в одном импульсном объеме, превышала в опре-
деленное число раз ЭПР цели. Аналогичная задача решается при
обнаружении сигнала на фоне шумовых активных помех.
5.8. Уголковые отражатели
Уголковый отражатель представляет собой жесткую конструк-
цию, состоящую из двух или трех взаимно перпендикулярных про-
водящих граней, электрически соединенных между собой. Основное
преимущество уголкового отражателя состоит в том, что значи-
тельная часть электромагнитной энергии, падающей на него в пре-
делах внутреннего угла, отражается в направлении, противополож-
ном направлению облучения. Это свойство позволяет использовать
небольшие уголковые отражатели для имитации больших целей
* Под импульсным объемом РЛС понимается область пространства, ограни-
ченная шириной луча по уровню половинной мощности и разрешающей способ-
ностью по дальности.
182
со значительными ЭПР. В зависимости от формы граней разли-
чают треугольные, прямоугольные и круглые уголковые отражате-
ли (рис. 5.16). Величина ЭПР уголкового отражателя зависит от
направления падения облучающей волны, задаваемого величиной
Рис. 5.16. Уголковые отражатели:
а — треугольный; б — прямоугольный; в — круглый
углов а, р, у между падающим лучом и гранями уголка. ЭПР угол-
ка может быть охарактеризована величиной ЭПР эквивалентной
плоской пластины площадью S, плоскость которой перпендикуляр-
Рис. 5.17. Зависимость о/омакс трехгранных угол-
ковых отражателей от направления падения
волны:
/ — треугольные грани; 2 •— квадратные грани
на направлению падающих лучей. Зависимость относительной ве-
личины площади сечения а/амакс от направления падения волны,
нормальной к одной из граней, при <х=р приведена на рис. 5.17.
Максимальные значения ЭПР трехгранных уголковых отражателей
определяются следующими формулами:
— для отражателей с треугольными гранями
4 тса4
ТТ’
183
— для отражателей с квадратными гранями
__ 1 9 -ГСЗ4 .
— для отражателей с гранями в виде прямоугольных секторов
круга
16 тса4
где а — длина ребра отражателя, 1 — длина волны облучающего
уголок сигнала.
Уголковый отражатель характеризуется шириной диаграммы
направленности и величиной ЭПР. Наибольшей ЭПР из указанных
типов обладают отражатели с прямоугольными гранями, но при
этом они имеют более узкую диаграмму направленности и менее
прочную конструкцию.
Существуют различные конструктивные способы компенсации
снижения ЭПР уголковых отражателей на краях рабочей зоны.
Необходимость расширения зоны углов отражения вызывается тем,
что ориентация уголковых отражателей в направлении на источ-
ник облучения сопряжена со значительными трудностями.
Достаточно хорошо изученной является так называемая окта-
эдрная группа. Она может быть составлена из трех взаимно пер-
пендикулярных плоских проводящих листов, образующих восемь
трехтранных уголковых отражателей. В зависимости от положения
такой группы по отношению к направлению облучения получаются
различные диаграммы отражения. Диаграммы отражения таких
конструкций имеют многочисленные максимумы и минимумы, вы-
званные интерференцией.’ Изрезанность диаграммы отражения мо-
жет быть уменьшена за счет вращения конструкции, например, в
азимутальной плоскости.
К уголковым отражателям предъявляются весьма жесткие тре-
бования по точности сопряжения граней. Отклонение от нормали
приводит к значительному снижению ЭПР ввиду нарушения син-
фазности поля в раскрыве отражателя.
Для уголковых отражателей с большими размерами граней от-
клонение угла от расчетного по мнению иностранных специалистов
не должно превышать 0,5—1°.
Недостатком трехгранного уголкового отражателя считают и
то, что поляризация отраженной волны противоположна поляри-
зации падающей вследствие нечетного числа отражений от граней
уголка. Для устранения этого недостатка принимают различные
•меры, которые сводятся к тому, чтобы придать уголковому отра^
жателю свойство так называемой несимметричной цели. Один из
возможных способов заключается в том, что перед одной из гра-
ней отражателя на незначительном расстоянии от нее помещают
диэлектрическую пластину. Сдвиг фаз между колебаниями, отра-
женными от внутренней и внешней пластин, лежит в пределах
0—180°. В результате сложения в, пространстве отраженных коле-
184
баний возникает эллиптически поляризованная волна, которая мо-
жет быть разложена на две волны с круговой поляризацией раз-
ного направления с различными амплитудами.
Для получения равномерной диаграммы отражения в широком
диапазоне углов падения считают перспективными отражатели на
базе линзы Люнеберга. Действие линзы основано на том факте,
что частично металлизированный шар или цилиндр заполняется
диэлектриком с коэффициентом преломления, изменяющимся по
закону
П = П0'|/Г1 — -у ,
где г — радиальная координата; R —радиус шара или цилиндра.
Благодаря этому линза фокусирует падающий на нее парал-
лельный пучок лучей в точку на металлизированной поверхности
Рис. 5.18. Всенапрацленные отражатели с металлическими
кольцами
сферы и отражает этот пучок в обратном направлении, параллель- ,
ном падающим лучам.
При металлизации одной полусферы линза отражает падаю-
щую на нее энергию равномерно в пределах пространственного
угла в 140°, ЭПР линзы Люнеберга вычисляется по формуле
7C3d4
4Х2 ’
где d — диаметр линзы.
На базе линзы Люнеберга разработано большое количество са-
мых разнообразных линзовых отражателей. Так, всенаправленный
по азимуту отражатель можно получить, окружив сферу Люнебер-
185
га отражающим металлическим кольцом (рис. 5.18). Варьируя
шириной и положением кольца на сфере, можно формировать тре-
буемую диаграмму направленности. Максимальное значение ЭПР
такого отражателя определяется выражением
a»-±L(zr2-2rL)2,
где г — радиус сферы; L — ширина кольца.
Следует добавить, что по мнению американцев некоторый инте-
рес представляет разновидность уголкового отражателя — двойной
Рис. 5.19. Биконический отражатель:
а — общий вид; б — диаграмма вторичного излучения
конус (биконический отражатель), показанный на рис. 5.19. Он имеет
равномерную круговую диаграмму вторичного излучения в гори-
зонтальной плоскости. ЭПР такого отражателя при плоскости по-
ляризации поля, параллельной продольной оси, такая же, как и у
цилиндра с радиусом гСр=0,5(Гмакс+гМин) и высотой h, т. е.
2яг2рИ2
° I2 *
Американские специалисты считают, что изготовление таких
отражателей с необходимой точностью очень сложно, поэтому они
пока не находят широкого применения.
5.9. Дипольные отражатели
Задача эффективного использования диполей для схем радио-
противодействия различного назначения занимает одно из главных
мест в разработках зарубежных специалистов. Воздействие ди-
польных отражателей на РЛС сопровождения и распознавания це-
лей проявляется:
— созданием шумового фона, маскирующего сигнал, отражен-
ный от истинной цели, что почти аналогично эффекту воздействия
станций шумовых радиопомех;
185
— поглощением электромагнитной энергии — так называемый
метод экранирования электромагнитного излучения в свободном
пространстве (в некотором смысле прообраз резонансных диполь-
ных решеток, используемых в качестве радиопоглощающих мате-
риалов).
Метод экранирования электромагнитного излучения характери-
зуется тем, что в свободное пространство вносятся многочислен-
ные, настроенные приблизительно на частоту облучающей РЛС ди-
поли. Для оптимизации рассеивающих свойств диполей их длина
должна равняться половине рабочей длины волны той радиолока-
ционной станции, против которой их предполагают применять. По-
скольку рабочая длина волны РЛС не всегда точно известна зара-
нее, в пачку помещают отражатели, несколько отличающиеся по
длине.
В стратегических войсках США для создания пассивных радио-
помех предполагается применять дипольные отражатели из стекло-
волокна с алюминиевым покрытием, обладающие значительными
преимуществами перед диполями из алюминиевой фольги. Так,
диаметр дипольных отражателей из металлизированного стеклово-
локна (около 0,025 мм) значительно меньше, чем дипольных отра-
жателей из алюминиевой фольги, что позволяет разместить в пач-
ке примерно в два раза больше дипольных отражателей из стекло-
волокна, чем отражателей из фольги. Кроме того, отражатели из
стекловолокна менее подвержены спутыванию после их разде-
ления.
В качестве диполей могут быть использованы и куски проволо-
ки, активная нагрузка которых подбирается (материалом отража-
теля с соответствующим удельным сопротивлением).
Коэффициент ослабления р электромагнитной энергии в облаке
диполей с концентрацией п диполей/м3 при условии, что элемен-
тарный объем облака с площадью 1 м2 и толщиной dx рассеивает
энергию пропорционально его ЭПР, определяется выражением
[5.51]. В этом случае ослабление отраженной энергии при локации
цели, скрытой в облаке дипольных отражателей, составит
₽ = р-х, [5.52]
где х — расстояние от края облака до маскируемой цели, м;
Р — коэффициент ослабления, дб/м.
Например, полагая, что облако диполей является экранирую-
щим (дальность действия РЛС уменьшается в 5—10 раз), из
основного уравнения радиолокации получим величину поглощения
электромагнитной энергии равную 30—40 дб. Значения коэффи-
циента ослабления, определяемые выражением [5.51], для п =
= 0,06—0,08 м~3 составляют 30—40 дб/км (для Х=80 см). Концен-
трации дипольных отражателей, соответствующие поглощению
электромагнитной энергии в 30—40 дб, в диапазоне длин волн
187
10—20 см составляют единицы штук диполей в 1 м3 свободного
пространства. При учете поломки и слипания диполей при их раз-
бросе в космическом пространстве, работы РЛС на нескольких
частотах и других причин поглощение электромагнитной энергии
оказывается недостаточным для
маскировки ГЧ с заданной эффек-
тивностью. Воздействие диполей на
РЛС обычно оценивается по ЭПР
диполей, находящихся в одном им-
Рис. 5.20. К обнаружению облака дипольных отражателей радиолокатором ПАР:
а —схема обнаружения; б —диаграмма ЭПР диполя длиной 40 см; в — диаграмма ЭПР
головной части
которого определяются разрешающей способностью локатора по
углам и дальности.
У^Д2а^, [5.53]
где Д—удаление импульсного объема от РЛС;
а, р — ширина луча станции в азимутальной и угломестной пло-
скостях;
ти — длительность импульса;
с — скорость распространения электромагнитных волн в сво-
бодном пространстве.
При равномерном распределении дипольных отражателей в об-
лаке средняя ЭПР диполей, находящихся в импульсном объеме,
ан = nVajT], [5.54]
где ai = 0,17 X2 — средняя ЭПР одного диполя.
Головная часть МБР не будет обнаружена в облаке диполей,
если отношение q мощности полезного сигнала к помеховому на
входе приемника РЛС
q = ZCL = _ (о ч- 30) дб, [5.55]
где агч —средняя ЭПР маскируемой ГЧ,
188
Важной характеристикой являются также размеры облака рас-
сеянных с требуемой плотностью дипольных отражателей, посколь-
ку эти размеры и определяют информационный ущерб, наносимый
радиолокаторам ПРО (рис. 5.20, 5.21). По мнению американских
специалистов [73], в настоящее в<ремя технически возможно создать
облако, вытянутое вдоль траектории ГЧ, с размерами:
— средний диаметр 30—370 км;
— длина 160—900 км.
Например, для подавления РЛС ПАР такое облако может со-
держать одну или несколько ГЧ, станции активных радиопомех,
ложные цели, около 50 обломков корпуса последней ступени МБР
й около 100 млн. дипольных отражателей.
135сек 20сек 25сек Селекция диполей
Перехват Пуск Разрешение целей
распознанной RP по допплеровской
головной „Спринт* частоте, начало
части сопровождения ГЧ
Рис. 5.21. Схема перехвата головной части МБР антиракетой «Спринт»
Эффект маскировки ГЧ путем с^эдд^Щя, помехового дипольного
фона иллюстрируется на примере РЛС* ПАР (рис. 5.20) < Полагая,
что ширина луча РЛС а=р=1,2°, ти. сж=1 мксек, размеры облака
составляют 370 и 900 км (диполи распределены равномерно), а
ai—0,1 м2 (при длине диполя 40 -см), то в соответствии G вы-
ражениями (5.53 и 5.54] получим, что в импульсном объеме РЛС на
расстоянии 1300 км, соответствующем минимальной дальности под-
рыва АР «Спартан», будет содержаться 80 дипольных отражателей
с ЭПР ои=0,8 'м2 (т]=0,1). Для средней ЭПРГЧсносика (рис. 5.20)
с РПП <?гч =0,001 м2 отношение сигнал/помеха q = —30 дб, что
делает невозможным распознавание ГЧ станцией ПАР в указан-
ных условиях*.
Следует заметить, что, поскольку средйяя ЭПР обломков кор-
пуса МБР составляет несколько квадратных метров, возможна их
селекция на внеатмосферном участке траектории.
* Дальнейшее сжатие импульса РЛС ПАР ти=250 мксек до тИс ж = 0,01 мксек,
как нетрудно показать, также не решает задачи распознавания головной части.
189
• • В такой ситуации система ПРО будет вынуждена запустить Не-
сколько перехватчиков типа «Спартак» для поражения всего
облака (и то не со 100%-й вероятностью).
Некоторые данные о диполях и системе выброса, входящих в
комплекс РПД, по иностранным сведениям, приведены в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Некоторые данные о диполях и системе выброса
Материал диполя Диаметр, диполя, мм Длина диполя, м Количе- ство диполей в облаке, шт. Общий вес дипо- лей, кг Вес аппа- ратуры сброса и упаковки, кг Суммар- ный вес, кг
Алюминизированное Около 0,35—0,4 100 МЛН. 123 36 До 160
стекловолокно Медная проволока 0,025 0,0254 st0,5 100 МЛН. 200 36 До 240
Особую трудность при разработке систем РПД, предполагаю-
щих использование дипольных облаков большой протяженности,
представляет задача рассеяния диполей в космическом простран-
стве из пачки.
К настоящему времени в США готово к использованию значи-
тельное количество устройств, в которых дипольные отражатели
могут выбрасываться одним из трех способов: пневматическим,
электромеханическим и пиротехническим.
С точки зрения противодействия системе ПРО представляют
некоторый интерес устройства AN/ALE-29A и AN/ALE-25.
Устройство AN/ALE-29A. состоит из двух механизмов выбрасы-
вания, каждый из них имеет 30 пусковых труб, снаряжаемых ци-
линдрическими контейнерами с дипольными отражателями, кото-
рые выбрасываются с помощью пиропатронов. Пиропатроны под-
жигаются по командам бортового программного устройства.
Устройство AN/ALE-25 представляет собой направляющие ство-
лы, предназначенные для пуска ракет ADR-8A. После запуска ра-
кет в требуемом направлении из них с заданной временной за-
держкой пиротехническим способом выбрасываются пачки с ди-
полями, которые, рассеиваясь, образуют облако требуемых раз-
меров.
Диполи из пачек цилиндрической формы могут развертываться
за счет инерционных сил, возникающих при закручивании пачки
вдоль ее продольной оси. При этом диполи в пачке могут скреп-
ляться озокеритом, камфарой, нафталином или любым другим ве-
ществом, сублимирующим в космическом пространстве. После ис-
парения связки дипольные отражатели под действием сил инерции
рассеиваются в окружающем пространстве.
190
5.10. Пассивные антенные решетки
Пассивные антенные решетки по сравнению с ложными целями
на базе уголковых отражателей и линз Люнеберга имеют ряд пре-
имуществ [28]:
— более широкую диаграмму вторичного излучения;
— отражают падающую электромагнитную волну в направле-
ниях, не совпадающих с направлением на РЛС;
— позволяют выбирать вид поляризации отраженного сигнала;
— дают возможность модулировать отраженный сигнал по
любому закону;
— позволяют существенно увеличить ЭПР за счет использова-
ния встроенных в соединительные линии усилителей сигналов РЛС
и т. п.
Пассивный отражатель Ван-Атта состоит из нескольких гори-
зонтальных и вертикальных рядов дипольных вибраторов, распо-
ложенных в одной плоскости на расстоянии Х/4 от металлической
пластины, которая является отражающим экраном (рефлектором).
Пары диполей в такой решетке расположены зеркально относи-
тельно центра экрана. Равенство электрических длин линий, соеди-
няющих попарно все сопряженные элементы (излучатели), обеспе-
чивает совпадение фронтов падающей и отраженной радиоволн и
отражение электромагнитной энергии в направлении на РЛС.
ЭПР пассивной плоской антенной решетки
G2X2
а~ 4х ’
где G = — коэффициент направленного действия (КНД)
пассивной решетки;
S9 — эффективная площадь раскрыва решетки.
Для решетки из п полуволновых вибраторов с площадью рас-
крыва S, = пА2/4 (расстояние между вибраторами Х/2, удаление от
экрана Х/4) ЭПР
’ = (-у cose)]4» I5-56!
где 0 — угол облучения, отсчитываемый от нормали к поверхно-
сти антенны.
Как видно из [5.56], ЭПР решетки Ван-Атта зависит от угла па-
дения волны 0 и квадрата рабочей длины волны РЛС. Эти два
фактора определяют основные недостатки отражателей Ван-Атта:
узкодиапазонность и поляризационную избирательность.
В качестве иллюстрации рассмотрим диаграммы отражения ан-
тенной решетки из 16 диполей и плоской пластины (рис. 5.22), сня-
тые экспериментально на частоте 2850 Мгц. Диаграммы показы-
вают, что при 0 = 0 ЭПР решетки и пластины, имеющей с ней оди-
наковые размеры, равны. При угле падения ±55° ЭПР решетки
191
снижается на 10 дб (ЭПР уголковых отражателей снижается на
8—10 дб уже при 0= ±20°).
В качестве основных переизлучающих элементов за рубежом
нередко используют диэлектрические стержни в виде тонких
вытянутых конусов (рис. 5.23 а). У основания конуса создается
объемный резонатор за счет покрытия диэлектрика слоем меди.
Рис. 5.22. Диаграммы отражения ан-
тенной решетки (поляризация верти-
кальная):
1 — экспериментальные данные; 2 — рас-
четная кривая; 3 —график ЭПР эквива-
лентной плоской пластины
Диэлектрин
Проводящий слой.
Рис. 5.23. Диэлектрический стержне-
вой отражатель:
а — конфигурация; б — зависимость коэф-
фициента усиления отражателя от его
длины
Размеры конусообразных диэлектрических стержней выбираются
в зависимости от длины волны РЛС и диэлектрической постоянной
материала:
( ^=0,238X^8-1;
I г2 = 0.282Х J/e^T
[5.57]
Поскольку ЭПР диэлектрического стержня прямо пропорцио-
нальна квадрату коэффициента направленного действия антен-
ны G, зависящего от длины стержня /, то
4 тс
[5.58]
Задаваясь X, е, а, можно определить параметры антенны. Так, для
отражателя из полистирола (s = 2,55) в 3-см диапазоне длин волн
получим: Г2=10,5 мм и Г1 = 8,9 мм. Для имитации ГЧ с носика
(ЭПР 0,1 м2) получаем по формуле [5.58] G — 15,7 дб, чему соответ-
ствует отношение (рис. 5.23 6) //Х = 3,5, откуда /=10,5 см.
192
Измерения вторичного излучения диэлектрических стержневых
антенн указанного типа (рис. 5.24) показывают, что эффективная
ширина полосы частот этих отражателей составляет примерно
±15% (что соответствует уменьшению средней ЭПР в два раза).
Ширина основного лепестка стержневого отражателя путем умень-
шения коэффициента усиления может
быть доведена до 90°. Соединение не-
скольких таких отражателей в антен-
ную решетку позволяет создать лож-
ную цель с большой ЭПР и широкой
диаграммой вторичного излучения.
Простейшим приближением к ука-
занной антенной решетке, состоящей
из диэлектрических стержней, являют-
ся ложные цели в виде конических
стержневых отражателей, проводящая
поверхность которых прерывается ря-
дом диэлектрических колец (рис. 5.25).
Такая ложная цель может иметь
Рис. 5.24. Диаграмма вторич-
ного излучения (Х==3 см):
1 — диэлектрический стержень; 2 —
эквивалентный диск (диаметр
63,5 мм)
затупленный носик, покрытый про-
водящим материалом (радиус зату-
пления 2,54 см). Общая длина ЛЦ
127 см, максимальный диаметр —
24,2 см. На боковой поверхности ЛЦ
имеется до 9 кольцевых поясков, покрытых проводящим материа-
лом. Ширина этих кольцевых участков на боковой поверхности и
расстояние между ними (непроводящая поверхность) вдоль обра-
Рис. 5.25. Ложная цель на основе стержневого отража-
теля с проводящими кольцами:
/ — носик ЛЦ; 2 — проводящий слой; 3 — диэлектрик; 4 — коль-
цевой пояс, прилегающий к торцу ЛЦ
зующей конуса одинаковы и равны 6,35 см. Кольцевой пояс не-
проводящей поверхности, прилегающей к торцу ЛЦ, имеет ши-
рину 2,54 см.
При работе в условиях невысоких температур и малых меха-
нических напряжений основа ЛЦ изготовляется из пластика (на-
пример, полиэтилена) путем механической обработки или формов-
ки; в качестве проводящего материала используется металлизиро-
ванная краска или специальный лак.
193
При работе в условиях высоких температур проводящие по-
верхности изготовляют из графита, а непроводящие — из керами-
ки (различные силикаты, стеатит и т. п.) путем формовки с по-
следующим обжигом, чем достигается высокая механическая проч-
40 30 20 10 О 10 20 30 40
Ракурс, град
5м2 а
if г
I г
Ракурс, град
д
Рис. 5.26. Диаграмма вторичного отражения ложной
цели в виде диэлектрического стержня (рис. 5.25) на
частоте 1000 Мгц:
а — вертикальная поляризация; б «• горизонтальная поляризация
Ракурс, град
Ы Я,.« —° 5 “
вертикальная поляризация; б - горизонтальная поляризация
ность ложной цели. Диаграммы вторичного излучения ЛЦ на
частотах 1000 Мгц, 5000 Мгц и более показаны на рис. 5.26
и 5.27 соответственно. Из рис. 5.26 можно найти, что в диапа-
зоне углов облучения ±45° ЭПР цели достигает 0,5—1,0 м2.
194
195
Диаграмма вторичного излучения на^ частотах_5000 Мгц и более
имеет более изрезанный
на 0,1 м2.
На рис. 5.28 показана
указанного
никно'вения
•нического носика (радиус затупления 1,53 см, угол полураствора
конуса 12°) и усеченного конуса (диаметр основания со стороны
торца ЛЦ 35,5 см, угол полураствора 22°). _
Для обеспечения
атмосферного спуска
&
характер. Средняя ЭПР примерно рав-
выше типа,
в атмосферу.
более сложная конструкция ложной цели
предназначенная для глубокого про-
бна состоит из жестко соединенных ко-
2
для глубо-
Рис.
кого проникновения в атмосферу:
1 — проводящий конический носик; 2 <—
балласт для обеспечения статической
устойчивости; 3 — проводящие кольца; 4 —
кольца из диэлектрика; 5 — конический
экран для обеспечения жесткости кон-
струкции
4
5.28. Ложная цель
статической устойчивости ЛЦ на участке
внутренняя полость конического носика за-
полнена тяжелым сплавом, со-
стоящим из 90% вольфрама, 6%
никеля, 4% меди. Усеченный ко-
нус собран из проводящих и не-
проводящих колец. Конический
носик и проводящие кольца вы-
полнены из графита, непроводя-
щие кольца — из керамического
материала. Жесткость конструк-
ции ЛЦ обеспечивается кониче-
ским экраном.
Ширина проводящих колец
. в данной ЛЦ имеет некоторый
разброс с целью увеличения диа-
пазона рабочих частот отража-
теля. Диаграммы вторичного из-
лучения цели на частоте 5000 Мгц
показаны на рис. 5.29. Средняя
ЭПР ложной цели составляет
примерно 0,1 м2.
С точки зрения диапазонно-
сти работы внимание разработчиков средств РПД за рубежом
привлекают антенны логопериодического типа. Особый класс
логопериодических частотно-независимых антенн образуют кониче-
ские спиральные антенны. Однако они сложны в производстве.
Трудность заключается в первую очередь в том, что расстояния
между проводниками ближе к вершине конуса становятся очень
малыми, в особенности при малых углах намотки спирали. Это
особенно заметно при выполнении сверхширокополосных моделей
антенн для радиопротиводействия, так как даже небольшие от-
клонения от принятых допусков ведут к резкому ухудшению
электрических характеристик антенны. В результате присущие
коническим логоспиральным антеннам весьма низкий КСВН и
высокий к. п. д. зачастую не могут быть использованы пол-
ностью.
Для использования в системах связи, радиоразведки и радио-
противодействия в зарубежной печати называют нижеследующие
параметры конических спиральных антенн.
19S
Рис. 5.29. Диаграмма вторичного излучения ложной цели (рис. 5.28) в полярной
системе координат.
а = вертикальная поляризация; б - горизонтальная поляризация
197
Параметры конических спиральных антенн
Верхняя рабочая частота.......................... 12,4 Ггц
Нижняя рабочая частота...................... . . ЮО Мгц
Ширина луча по уровню половинной мощности . . . 65—85°
Максимальное отклонение от заданной ширины луча по
половинной мощности в рабочем диапазоне .... ±5°
Ширина диаграммы направленности на уровне 10 дб 120—150°
Максимальный уровень заднего излучения........... —25 дб
Максимальный уровень боковых лепестков.............. —20 дб
Коэффициент направленности.......................6,5—8,5 дб
Пиковое значение коэффициента эллиптичности на оси
излучения в рабочем диапазоне частот............. 1,0 Дб
Коэффициент эллиптичности........................ 2,0 дб
КСВН........................................... . 2
Стабильность коэффициента усиления...............В пределах
±1.0 дб
На рис. 5.30 показаны три конические логоспиральные антен-
ны AS-1085 (слева — малогабаритная антенна с диаметром осно-
Рис. 5.30. Образцы логоспиральных конических
антенн
вания 45,7 мм, углом нарезки спирали 85°; справа — такая же ан-
тенна, но с углом нарезки спирали 82,5°; более крупная антенна
в центре является экспериментальной).
198
Технические характеристики антенны AS-1085
Диапазон рабочих частот.......................... 2000—10000 Мгц
Ширина луча по половинной мощности............... 73±3°
Максимальный уровень обратного излучения........., —25 дб
Максимальный уровень боковых лепестков...........। —20 дб
Коэффициент эллиптичности.......................... Менее 1,5 дб
КСВН.................................................. 2
Стабильность коэффициента усиления............... В пределах
±0,5 дб
Диаметр вершины конуса............................... 4,3 мм
Диаметр основания конуса......................... 45,7 мм
Количество спиралей ................................... 2
Диаграммы направленности антенны AS-1085 (на трех различ-
ных частотах) показаны, на рис. 5.31. Из их сравнения следует,
что основной лепесток в диапазоне длин волн 3,5—11,5 см суще-
ственных изменений не претерпевает.
Более перспективным направлением, по мнению специалистов
США, является создание ложных целей в виде автономных ди-
польных логопериодических антенных решеток. Такая решетка на
проводящем конусе сконструирована и испытана. Испытания по-
казали целесообразность применения антенных решеток в систе-
мах ракет и космических аппаратов, если условия работы тре-
буют частотной независимости в диапазоне метровых — санти-
метровых волн»
199
Геометрические параметры дипольной логопериодической ре-
шетки, схема которой показана на рис. 5.32, связаны соотноше-
ниями
Ln-H __ г е cgi
. Ln ~ Rn » I5’59!
где Ln—длина n-го дипольного элемента;
Rn— расстояние элемента до вершины конуса.
Размеры решетки определяются половинным углом при ее
вершине а. -
Рис» 5.32. Схема простой дипольной логопериодической антен-
ной решетки на проводящем конусе
Теоретически наличие проводящего конуса не должно нару-
шать соотношения логопериодичности. При относительно’ малых
углах (3 резонансные характеристики каждого диполя будут изме-
няться в том же соотношении [5.59], и, таким образом, сохра-
нится общая частотная независимость решетки. При больших р
излучающие свойства каждого дипольного элемента будут изме-
няться и, по-видимому, ухудшаться в той же пропорции, так что
в результате сохранится частотно-независимый режим при не-
сколько ухудшенных характеристиках излучения. Предельный ва-
риант такой структуры будет соответствовать случаю а = {3. Для
уменьшения поляризационной избирательности может использо-
ваться сложная решетка, дипольные элементы которой ортого-
нальны друг другу. Экспериментальный образец антенной решет-
ки с контейнером (оболочкой) представлен на рис. 5.33. Диполь-
ные элементы выполнены из алюминиевых стержней толщиной
3,2 мм и длиной от 53,3 до 129,5 см. Каждый дипольный элемент
складывается таким образом, что после того, как будет одета обо-
лочка контейнера, все восемь элементов каждой половины решет-
ки укладываются в продольный канал длиной 76,2. см с попереч-
200
ним сечением 3,8X3,8 см. Оболочки каналов помещаются запод-
лицо к конической поверхности. Таким образом, всё элементы ре-
шетки убираются в четыре отдельных канала и могут быть раз-
вернуты независимо друг от друга. Вследствие того что стальные
изогнутые секции стремятся «развернуться», для перевода всей
структуры из сложенного положения в развернутое достаточно
Рис. 5.33. Крестообразная пассивная логопериодическая дипольная
антенная решетка:
а—вид в развернутом состоянии; б — контейнер для антенной решетки
«открыть» оболочку каждого канала. Механизм отпирания обыч-
но помещается у вершины конуса. Для одновременного отпира-
ния механизмов всех четырех каналов используется пиротехниче-
ский заряд.
Некоторые параметры опытного образца антенной
логопериодической решетки
Диапазон частот..........;।. 125—400 Мгц
Угол при вершине решетки .... . . ... . . . - - 66°
Угол при вершине конуса . ............. 10°
Высота конуса .......................... . 81,2 см
Диаметр основания конуса 22,9 см
Диаметр вершины конуса . . ............. 11,4 см .
Вес . . . . ............................... 12,2 кг
Объем в сложенном виде..................... 13,4 дм3
Свободный объем внутри конуса । 3,5 дм3
Объем развернутой антенны . ........ . . . 494 дм3
Взаимовлияние ортогональных простых решеток .... — (25-4-30) дб .
Легкие ложные цели, имитирующие головную часть МБР на
внеатмосферном участке полета, выполняются, как правило, в ви-
де баллонов (пустотелых или с сотовым заполнением) из металли-
зированной майларовой пленки толщиной 1,27 мкм. Сотовая
структура используется, с одной стороны, для придания сложным
целям геометрической формы головной части, с другой — для
уменьшения вероятности разрыва оболочки при ее наполнении от
газового аккумулятора давления.
Контейнеры с ЛЦ с борта МБР (или ГЧ) выбрасываются в
специальных многотрубных направляющих устройствах. В каче?
201
стве движителя используется либо энергия газового аккумулято-
ра давления, либо пороховые двигатели малой тяги.
Многотрубные пусковые направляющие подразделяются на два
типа:
— устройства одновременного запуска контейнеров;
— устройства последовательного запуска большого числа пар
контейнеров.
Одно из направляющих устройств первого типа содержит
шесть радиально расположенных односекционных труб, в кото-
рых находятся контейнеры с ЛЦ, удерживаемые поршневыми
стопорными замками. По команде от программного механизма
поджигается пиротехнический аккумулятор давления, стопорные
замки раскрываются и контейнер с ЛЦ давлением газов выбрасы-
вается в космическое пространство. Различие в скоростях выбро-
са контейнеров достигается варьированием их веса и давления
срабатывания стопорных замков.
Устройство последовательного запуска представляет собой
набор сквозных труб, с обоих концов которых одновременно с
одинаковой скоростью выбрасываются два контейнера с ЛЦ. Ин-
тервалы времени между выбросами регулируются, число пар од-
новременно отделяемых контейнеров определяется тактической си-
туацией. Пусковые устройства в отсеки средств РПД монтируются
на заводе-изготовителе. Отсеки со средствами преодоления уста-
навливаются на ракету непосредственно на стартовых позициях.
Основные характеристики некоторых ПРД, используемых в
США для выброса контейнеров ложных целей с борта МБР, пред-
ставлены в табл. 5.4.
Таблица 5.4
Основные характеристики пороховых, реактивных двигателей для отделения
. . . ложных, целей
Обозначение ПРД Индекс Тяга, кгс Полный импульс, кгс/сек Длина, см Макси- мальный диаметр, см Масса, кг
Мк. 20 0.9-KS-1400’ 635 545 34 14 5,99
Мк. 30 0.5-KS-250 113 58 26 5 1,27
Мк. 31 0.025-KS-7500 Более 340 —- 20 8 3,17
Мк. 31А-1 0.03-KS-5000 230-250 — 20 7,6 1.7
5.11. Селекция головной части по интенсивности
плазмообразований
Помимо селекции по баллистическому коэффициенту, голов-
ную часть во время полета в атмосфере можно распознать и по
другим характерным признакам. В частности, может быть исполь-
202
зован эффект ионизации. Дело в том, что на участке атмосферно-
го спуска любая баллистическая цель окружена плазменной обо-
лочкой — ионизированным газом, содержащим некоторое количе-
ство электронов и положительных ионов.
В результате сжатия воздуха в процессе торможения цели воз-
никает головная ударная волна (рис. 5.34), фронт которой харак-
теризуется резким возрастанием температуры и давления. В удар-
ном слое воздух сильно нагревается, в результате происходит
9=0
Отход „
ударной
болныбв
ближний след
Дальний след
Хвостовой скачок
уплотнения
Пограничный
слой
Область течения
около тела
След
Рис. 5.34. Схема аэродинамических потоков
в атмосферу
около ГЧ при входе
Сжатый слой
Радиус
затупления
Веер Волн разрежения
<й пограничные
слой
Горло следа
Вязкое ядро
следа
тепловая (ударная) ионизация. Молекулы воздуха начинают из-
лучать энергию в видимой части спектра. Интенсивность иониза-
ции зависит от концентрации газов, скорости движения тела, его
конфигурации, угла входа в плотные слои атмосферы.
Основными характеристиками плазмы являются: частота со-
ударений v свободных электронов с другими частицами и плаз-
менная частота объема газа
где Ne — концентрация электронов в 1 см3, зависящая от высоты
полета и скорости цели (рис. 5.35);
те— масса электрона;
8q — диэлектрическая проницаемость свободного простран-
ства.
На практике вместо выражения [5.60] обычно используют бо-
лее простую формулу fp = 8984N,/> гц.
203
Затухание СВЧ-энергии зависит от соотношения величин плаз-
менной частоты и частоты облучающей РЛС fr. При v<fr<fp
плазма ведет себя как проводник, в результате чего ЭПР полно-
стью определяется взаимодействием электромагнитных волн с об-
разовавшейся плазменной оболочкой. При облучении цели
под малыми ракурсами ее ЭПР характеризуется в основном от-
ражением от плазмообразований в ударном слое (зависит от по^;
перечного сечения ударного слоя)* Более эффективна локация
Рис. 5.35. Концентрация электро-
нов для различных высот в за-
висимости от числа Маха
лись:
цели под ракурсами, близкими к
90°, поскольку ее ЭПР в этом
случае определяется протяженным
плазменным столбом (следом). ЭПР
тела в атмосфере резко уве-
личивается на высотах, где выпол-
няется условие fr~fp. Такое рез-
кое усиление отражения радиоволн
для каждой баллистической цели
наступает на вполне определенной
высоте. Для целей с большой мас-
сой равенство плазменной и лока-
ционной частот наступает на боль-
ших высотах, чем для целей с мень-
шей массой *.
При проверке метода «селекции
по массе» измерялись и исследова-
— коэффициенты матрицы ра-
диолокационного рассеяния различ-
ных тел, окруженных плазменной
оболочкой;
— ЭПР плазменного следа за телом, входящим в атмосферу
с гиперзвуковой скоростью;
— изменения ЭПР при наличии процессов абляции носовых
конусов;
— турбулентности в следе за объектом и в пограничных
слоях;
— затухание радиоволн в плазме и т. п.
Измерения ЭПР окруженных плазмой моделей под различны-
ми ракурсами проводились в мощной ударной аэродинамической
трубе, оснащенной специальной безэховой секцией (диаметр 1,2 м,
длина 3 м; коэффициент отражения менее —20 дб в диапазоне ча-
стот 1,0—10 Ггц). В качестве измерителя использовался специ-
альный импульсный радиолокатор (несущая частота 9,2 Ггц,
мощность в импульсе 1 вт, частота повторения 2 Мгц, длитель-
ность 1 нсек по уровню —3 дб или 2,2 нсек по уровню —50 дб,
ширина-диаграммы направленности 10°, чувствительность прием-
* В отличие от селекции по баллистическому коэффициенту этот вид селек-
ции назван зарубежными специалистами «селекцией по массе». - -
204
^ика 106 дб-вт при отношении сигнал/шум 10, динамический диа-
пазон 45 дб).
Эффективная маскировка головной части МБР во время вхож-
дения в плотные слои атмосферы может быть достигнута приме-
нением ложных боеголовок, обладающих такой же формой и мас-
сой, как и головная часть, с той же скоростью входа в плотные
слои атмосферы и, следовательно, одной высотой начала интен-
сивного плазмообразования. Основной недостаток этого метода
заключается в том, что из-за большого веса ложной цели приме-
нение ее либо невозможно, либо в лучшем случае можно приме-
нять ограниченное число ложных целей.
Уменьшение ионизированной оболочки и плазменного следа
достигается подбором геометрической формы объекта, а также
специальных абляционных материалов. Так, для головных частей,
имеющих форму удлиненного конуса с закругленным основанием
(рис. 4.42), характерно создание менее интенсивной плазменной
оболочки. Закругленная часть основания конуса способствует по-
давлению сильно ионизированной турбулентной части плазменно-
го следа. Примером головной части такого типа может служить
ГЧ, использовавшаяся при запуске трехступенчатой ракеты
«Скаут» (длина ГЧ 3,9 м, масса 262 кг, оболочка корпуса выпол-
нена из бериллия, вершина конуса — из графита).
5.12. Отражение радиоволн от плазменного следа
Плазменный след образуется в спутной струе тела, входящего
с гиперзвуковой скоростью в земную атмосферу. На больших вы-
сотах спутная струя носит ламинарный характер, по мере сниже-
ния высоты она становится турбулентной. Областью перехода от
ламинарного режима к турбулентному обычно пренебрегают. При
появлении плазменного следа эффективная отражающая поверх-
ность тела резко повышается от значения, соответствующего ЭПР
объекта, до значения, соответствующего ЭПР спутной струи.
Как указывалось в предыдущем разделе, при fp>fr ионизиро-
ванный объем газа считается сверхкритическим и отражение ра-
диоволн определяется в основном поверхностью данного объема.
При fp<fP рреда является докритической и происходит объемное
рассеяние энергии. Теоретические методы анализа отражения и
рассеяния энергии сверхкритическим и докритическим ламинар-
ным, переходным или турбулентным следом пока еще находятся
в стадии разработки.
Для плазменного следа характерны сравнительно низкие тем-
пературы и большая протяженность. Некоторые участки следа
можно исключить из рассмотрения. Например, в невязкой части
следа за тонкими конусами (с углом при вершине менее 25°) тем-
пература слишком низка для образования электронов в достаточ-
но большой концентрации, чтобы это имело практическое значе-
ние. Параметры ламинарного вязкого ядра незначительно отлича-
ются от параметров невязкого следа. Таким образом, необходимо
205
описать только невязкий след за сравнительно сильно затуплет^
ными объектами и турбулентный след как за затупленным, так и
за острыми телами.
Рассмотрим ламинарные невязкие и сверхкритические турбу-
лентные следы.
При совмещенной приемно-передающей антенне радиолокато-
ра, находящегося на расстоянии R до длинного ламинарного иони-
зированного столба газа, первая зона Френеля Fj имеет длину
^ = (2^)*'’.
Эта зона определяет рассеяние падающей энергии. Если 1 /4Хг^>2у
(2у — поперечный размер столба), то соответствующая ЭПРплаз-
менной среды
в
Я
1 /NeV.
’kN*/
Ne<N*e,
[5.61]
где Ne — «линейная концентрация» электронов, равная Ne=
= Nelty2 * И
Если Ne> N‘, то
s 1 / Ne V/.
Из соотношения [5.61] или [5.62] получаем a = kf;~I (k — коэф-
фициент пропорциональности).
Для сверхкритического переходного или турбулентного следа
со среднеквадратическим изменением неровности поверхности,
равным ’Д ее среднего значения, также применимо соотношение
a = kf~1. На выражения [5.61 и 5.62] накладывается ограничение
f с
8K,RB ’
где с — скорость света;
Ki — отношение величины неровности поверхности следа к
радиусу миделева сечения тела RB.
Линии постоянных значений электронной концентрации в не-
вязком следе показаны на рис. 5.36, концентрации электронов в
ближнем и дальнем следе в зависимости от скорости набегающе-
го потока и расстояния вдоль оси следа (от начала дальнего сле-
да) приведены на рис. 5.37.
Распределение электронов в ламинарном или сверхкритиче-
ском турбулентном следе можно считать близким к прямоуголь-
ному, поэтому ЭПР при направлении падающего излучения по
нормали будет определяться соотношениями [5.61] и [5.62]. На
* try2 — площадь поперечного сечения ионизированного столба газа.
206
энергию отраженного сигнала влияют радиальные градиенты кон-
центрации электронов. Если Ne быстро изменяется на расстоянии,
сравнимом с длиной волны, то соотношения [5.61] и [5.62] приме-
нимы по-прежнему, но если градиенты Ne малы, что, вероятно,
имеет место в дальнем следе, когда происходит диффузия, то
энергия отраженного излучения мала.
Рис. 5.36. Линии постоянной (равновесной) концентрации
электронов в невязком дальнем следе
Для турбулентного следа с умеренной шероховатостью поверх-
ности важную роль играют обе составляющие энергии излучения,
направленного по нормали к оси плазменного следа. При углах
Рис. 5.37. Равновесная концентрация электронов
на оси дальнего ламинарного следа
облучения цели, близких к 90°, рассеянная энергия не зависит от
частоты, при малых углах она изменяется, как a=kf*. Таким
образом, отражение и рассеяние телом электромагнитной
энергии для ламинарных невязких следов, а также плавных или
207
шероховатых границ сверхкритических турбулентных следов не
очень сильно зависят от частоты облучающей РЛС.
Для исследования докритических турбулентных следов необ-
ходимо аналитическое описание турбулентных, или пульсацион-
ных, свойств следа. Точное описание этих свойств функционально
Рис. 5.38. Экспериментальные зависимости
радиолокационного сечения от высоты для
разных частот
зависит от многих перемен-
ных и в настоящее время
не известно. Поэтому часто
пользуются статистическим
описанием явления с по-
мощью корреляционной
функции, представляющей
собой среднюю величину
произведения мгновенных
значений функций измене-
ния концентрации (или ди-
электрической проницаемо-
сти) среды в разные момен-
ты времени (или в различ-
ных точках).
При достаточно боль-
шом значении fr наблю-
дается следующая зависи-
мость ЭПР от частоты и относительной плотности окружаю-
щей среды
Да = кРг(—Г,
г\ Ро /
[5.64]
где До — приращение ЭПР на единицу длины следа *;
р0 — плотность среды на уровне моря;
к — коэффициент пропорциональности.
Справедливость этой формулы подтверждается экспери-
ментальными данными в диапазоне изменения частот в 20 раз,
начиная с 420 Мгц,' и в диапазоне изменения плотностей
10-3< (рте/ро)< Ю~2 при Утег?6,1 км/сек. На рис. 5.38 приве-
дены экспериментальные (усредненные по 40 точкам) значения о
для частот 420 Мгц и 2,8 Ггц, которые достаточно хорошо согла-
суются между собой.
Для других условий при использовании теории локально изо-
тропной турбулентности Колмогорова американскими специали-
стами получена несколько иная зависимость Аа от частоты
Да = кГ/’. [5.65]
Рис. 5.39 иллюстрирует изменение максимальной ЭПР докри-
тического турбулентного следа (с точностью до постоянного ко-
* Под единицей длины следа понимают элементарный объем плазменного
столба, имеющего поперечный размер у на внешней границе вязкого слоя:
AV=iry2Ax^ ~ - - . :
208
эффициента) от угла и скорости входа затупленного тела в атмо-
сферу для различных траекторий (разной дальности полета) при
следующих исходных данных: m/S»500 кгс-сек2/м3, RN=0,3 м.
Полет ракет в атмосфере сопровождается интенсивным обра-
зованием плазмы как при запуске ракет, так и при входе в атмо-
сферу на конечном участке траектории. На начальном участке
траектории
основными источниками плазмы являются выхлоп-
ные газы ракетного двигателя.
В обоих случаях в характере
радиолокационных отражений
электромагнитных волн от ра-
кетной плазмы есть много об-
щего. Обычно вторичное излу-
чение радиоволн при запуске
ракет имеет бимодальный
спектр допплеровских частот,
зависящий от угла, под кото-
рым наблюдается ракета. Один
из сигналов принятого спектра
отражен от самой ракеты;
он имеет относительно глад-
кую поверхность и переме-
щается со скоростью, соответ-
ствующей скорости ракеты.
Этот сигнал занимает узкий
Рис. 5.39. Зависимость максимальной
ЭПР докритического турбулентного
следа от угла входа затупленного
тела в атмосферу
участок спектра.
Второй сигнал, который
может возникнуть, называют
допплеровским эхо-сигналом
выхлопа (или эхо-сигналом плазменных турбулентных следов).
Он смещен по частоте Допплера относительно эхо-сигнала от кор-
пуса ракеты и перекрывает значительный участок спектра. Эхо-
сигнал, по-видимому, отражается от большого числа рассеиваю-
щих частиц, движущихся со скоростями, отличающимися от ско-
рости ракеты примерно на 3 км/сек. Разность этих скоростей опре-
деляет спектр допплеровских частот. Предполагается, что при по-
лете на начальном участке траектории отраженный допплеров-
ский сигнал является результатом рассеяния плоской электромаг-
нитной волны частично коррелированными ионизированными тур-
булентностями выхлопа ракеты.
Качественная картина допплеровского спектра отражений
представлена на рис. 5.40.
По мере возрастания скорости ракеты допплеровские частоты
отраженных сигналов все больше смещаются в сторону более низ-
ких частот (относительно несущей).
Наблюдения показали, что влияние ионизаций струи истекаю-
щих газов становится более заметным при понижении несущей
частоты радиолокатора. Отраженный сигнал на коротких
8—754’
209
волйах (3—30 Мгц) в большой степени определяется сОставляющи
ми, отраженными от следа. Структура отраженного сигнала г
этом диапазоне существенно отличается от структуры радиолока
ционных сигналов на более высоких частотах (300—3000 Мгц)
Дальнейшие наблюдения показали, что даже на коротких волнах
сигнал, отраженный от газовой струи на малых высотах, значи-
-1--------1-
0 А
Нормированная частота
Допплера
Нормированная частота
Допплера
б
Рис. 5.40. Экспериментальный (а) и теоретиче-
ский (б) спектры отраженных сигналов:
I — от плазменного следа; 2 — от ракеты
тельно слабее, чем при отражении на больших высотах (^>100 км),
на которых размеры струи имеют порядок километров и где не-
разреженный турбулентный поток ионизированного газа запол-
няет большой объем.
Выражения для рассеяния радиоволн на турбулентной нераз-
реженной плазме, полученные В. И. Татарским, позволяют опреде-
лить ЭПР следа на частоте РЛС, превышающей плазменную ча-
стоту среды
а = 2л2к<УФ(2к),
где к = 2it/Xr;
V — рассеивающий объем;
Ф (2к) — спектральная функция флюктуаций диэлектрической про-
ницаемости среды.
210
В тех случаях, когда турбулентность может быть описана
изотропной экспоненциальной корреляционной функцией R(S) =
= 82ехр — (где / — масштаб неоднородностей плазменной кон-
центрации), формула эффективной площади рассеяния принимает
вид
о2 = 2k-4 V82 /3 (1 + 4 к2/2)"2, [5.66]
где В2 = —дисперсия флюктуаций диэлектрической про-
k n: 7
ницаемости среды;
82Ne —дисперсия флюктуаций концентрации элек-
тронов в плазме.
Турбулизация следа за ракетой вызывает флюктуации скорости
частиц в следе, что приводит к соответствующему перераспреде-
лению энергии отраженного сигнала по спектру допплеровских
частот.
Расчет функции спектра допплеровских частот нетрудно сде-
лать, пользуясь выражением [5.66], если распределению элемен-
тарных объемов в следе поставить в соответствие распределение
относительных скоростей перемещения частиц.
Отметим, что приведенные формулы эффективной площади
рассеяния получены методом малых возмущений, который основан
на допущении об относительной малости рассеянной доли электро-
магнитной энергии.
5.13. Имитация баллистического подобия
Одним из методов уменьшения рассеивания ГЧ, обеспечения ее
оптимальных перегрузок при спуске в атмосфере, выравнивания
характеристик торможения ГЧ и ложных целей является использо-
вание переменного баллистического параметра, позволяющего
управлять траекторией спуска.
Эксперименты за рубежом показали, что при отношении бал-
листических коэффициентов ГЧ и ложной цели как 20:1 и больше
различие в траекториях их полета является достаточным, чтобы
можно было выделить ГЧ среди ложных целей на высотах 60—
80 км; при меньшем отношении головную часть можно выделить
лишь на меньшей высоте.
С целью выравнивания характеристик торможения американ-
ская ГЧ указанного типа имеет «зонтообразную» хвостовую часть,
которая может быть раскрыта на больших высотах. После про-
хождения рубежа распознавания (высота 60 км) «зонтообразная»
хвостовая часть складывается, уменьшается миделево сечение го-
ловной части, а следовательно, и лобовое сопротивление атмосфе-
ры. Перехват головной части средствами ПРО затрудняется.
8*
.211
Предполагается, что изменение баллистического параметра поз
волит ввести в заблуждение систему ПРО, прогнозирующую траек
тории ГЧ.
Считается, что возможен и другой способ маскировки ГЧ. Нг
высотах полета 60—70 км с ГЧ сбрасывается специальный ста
билизатор, в результате чего выполняется своеобразный противо
ракетный маневр ГЧ (рис. 5.41).
Рис. 5.41. Управление траекторией полета ГЧ с по-
мощью отделяемого стабилизатора:
/ — траектория входа в атмосферу; 2 — отделяемый стабилиза-
тор,- 3 —точка отделения стабилизатора; 4 — траектория, про-
гнозируемая системой ПРО; 5 — действительная траектория ГЧ
Для указанных случаев при условии пренебрежения силами
гравитации и эффекта уноса массы m при малых углах входа в
атмосферу уравнения движения ГЧ имеют вид
m “Ут = mg + схS sin 0, [5.67]
m-&==cx-^Scos0, [5.68]
(IL А Z r л
где сх — коэффициент лобового сопротивления;
S — миделево сечение;
Н, L — соответственно высота и дальность спуска в атмосфере;
0 — угол наклона траектории;
р — плотность воздуха.
Решение системы [5.67—5.68] получено при следующих допу-
щениях:
— нормированный баллистический параметр аппроксимирован
выражением *
-TV- = 7£t-[1 -к(1-Н)ГРЛ [5.69]
* Индексы «0» соответствуют точке 3 рис. 5.41, «01» — значениям на уровне
моря.
212
где n, р, I—характеризуют скорость изменения соответственно мас-
сы, коэффициента лобового сопротивления и сечения Миделя;
O’Ck^l — параметр, определяемый отношением масс, вначале и
конце спуска;
Н = -р-— приведенная высота;
— атмосфера изотермична, откуда закон изменения плотности
от высоты имеет вид
P = Poi ехр(— ?Н),
где у = 1,396-1О-4Но, pOi = 0,125 кгссек2/м4;
— существует безразмерный параметр уноса массы
z = -^[i-k(i-H)].
При указанных допущениях закон изменения скорости спуска
имеет вид
V = {- ( Т z)N_1 [Г (N) - rz (N)l exp ZV9-} I5-70!
где N=p4-/—n 4-1 — показатель, характеризующий скорость изме-
нения баллистического параметра в течение
\ полета в атмосфере;
[х =.m (poiSoHo)-1—параметр относительной плотности;
T(N) —гамма-функция;
TZ(N) — неполная гамма-функция;
V — приведенная скорость полета.
Величина торможения объекта и высота максимального тормо-
жения определяются выражениями:
[57,1
с-г ___ 1 | сх0 (1 к (1 Нмакс)] [5 721
НМакс-— Ш + ’
Точность решения трансцендентного уравнения [5.72] методом
итераций после первого приближения составляет ±150 м.
Используя зависимости [5.70—5.72], за рубежом было прове-
дено сравнение скорости спуска и торможения ГЧ различной гео-
метрической формы, не обладающих подъемной силой. Начальные
условия расчета: ст|- =0,25-108 кгсмзек , Но=61 км, 0вх=15°.
Параметры исследовавшихся типов ГЧ приведены в табл. 5.5.
213
Таблица 5.5
Сравнительные параметры головных частей
Тип ГЧ So/Sq 1 сх0/сх01 1п0 । т01 cx0S° / сх01 S01 р 1 п N к
.А“ 0,5 0,5 4,76 —3 —3 1 —6 0.2
,Б“ 2 2 0,33 3 3 1 . 6 0,2
,в« 4 6 0,046 13,2 17 1 30,2 0,1
,Г“ 1 1 1 0 0 0 1 0
Графики изменения приведенной
(рис. 5.42) иллюстрируют значительное
скорости и торможения
отличие высот максималь-
Рис. 5.42. Зависимости:
а — скорости от высоты; б —тормо-
жения от высоты
ного торможения и скоростей спуска в атмосфере для головных
частей типов «Б» и «В» (примерно в два раза) по сравнению с ГЧ,
имеющей постоянный баллистический параметр (типа «Г»),
Расчеты воздействия уноса массы на скорость и торможение
конусообразных тел со сферическим затуплением показывают, что
уменьшение массы тела даже на 40% весьма слабо (до 5—10%)
<7 dV ,
влияет на их относительные характеристики V, .(основной вклад
вносит величина поперечного сечения тела),
214
При имитации баллистического коэффициента головной части
МБР в плотных слоях атмосферы включают реактивный разгон-
ный двигатель. Реактивный двигатель компенсирует торможе-
ние, так что ЛЦ сможет двигаться с той же скоростью, что и го-
ловная часть. Потребная тяга реактивного двигателя ложной
цели с малым баллистическим коэффициентом может быть опре-
делена из второго закона Ньютона. В первом приближении на
цели с большим баллистическим коэффициентом (головные части)
воздействуют сила лобового сопротивления и сила земного при-
тяжения (подъемной силой на переходном участке атмосферы
можно пренебречь). На цель с низким баллистическим коэффици-
ентом (ложную цель), кроме того, действует сила тяги реактив-
ного двигателя. Угол входа ложной цели в атмосферу ©2 в общем
случае может отличаться от угла входа головной части ©ь Сила
тяги реактивного двигателя Т, необходимая для компенсации из-
быточного торможения ложной цели (по сравнению с ГЧ), опре-
деляется из условия движения ложной цели со скоростью V го-
ловной части
m 1 хгзГ 1 sin©! 1
T^rTpv L?2 ₽1SineJm>
где p — плотность атмосферы;
Pi — баллистический коэффициент головной части;
Р2 — баллистический коэффициент ложной цели;
m —масса ложной цели.
Практически 0i~©2, но масса и баллистический коэффициент
р2 ложной цели, разгоняемой реактивным двигателем, изменяют-
ся во времени по мере расхода топлива. Иначе говоря, масса
ложной цели
m = m0 — mAt,
где т0 — начальная масса ЛЦ;
mflt—количество топлива, израсходованное за время спуска t.
С учетом последнего потребная тяга двигателя ЛЦ.
Т— 2 PV2Q2(t) р, ](то тд0»
где
m0 —mAt
Scx
Пренебрегая в уравнениях сил [5.67] слагаемым, являющимся
произведением ускорения силы тяжести на синус угла входа тела
в атмосферу (01 или ©а), получаем выражение для скорости го-
ловной части (или ложной цели)
V = Voexp{ — yexp.J—уН]},
215
где
On I SIM j г т т 1
у = 2рпp=poiexp[-TH];
Vo — скорость входа тела в плотные слои атмосферы;
Н — высота полета тела;
у = 1,396 • 10-4 м-1;
Poi ~ плотность воздуха на уровне моря.
Приведенные выше уравнения могут быть использованы для
оценки потребной тяги в различных случаях, в том числе, когда
ложная цель с низким баллистическим коэффициентом приме-
няется для имитации головной части с высоким баллистическим
коэффициентом. Анализ уравнений показывает, что тяга двигате-
ля при снижении цели должна увеличиваться на порядок прибли-
зительно через каждые 15—25 км высоты. Максимальная тяга
должна развиваться на последних секундах работы двигателя.
Таким образом, путем разгона легкой ложной цели в атмосфере
возможна имитация головной части МБР. Для этой ложной цели
могут быть определены требуемый запас тдцлива и тяга реактив-
ного двигателя, обеспечивающие ЛЦ ту же Скорость, как и у го-
ловной части. Для ложной цели массой 0,227 кг (без учета топ-
лива), площадью Миделя 0,09 м2, при коэффициенте лобового со-
противления, равном единице, скорости входа в атмосферу *
7230 м/сек под углом 22,5° требуемое количество топлива для ре-
активного двигателя указано в табл. 5.6.
Таблица 5.6
Потребное количество топлива для разгона ЛЦ
Высота, км Количество топлива ПРД, кг Баллистический коэффициент ложной цели кгс«сек2 ₽а’ м3
92 0.003 1,01
61 0.147 1,65 6,68
46 1,25
31 13.9 62,1
Легкие ложные цели в сочетании с реактивным разгоняющим
двигателем на атмосферном участке летят по траекториям, почти
параллельным траектории ГЧ. Эти цели при распознавании и
сопровождении их средствами радиолокационного обеспечения
* Высота входа в атмосферу условно принята равной 120 км. Сведения
взяты из зарубежной печати.
216
ПРО будут обладать точно таким же баллистическим коэффици-
ентом, как и ГЧ, вследствие чего отличить истинную цель от лож-
ной по их скоростям и ускорениям невозможно. Если дистанции
между целями выбраны таким образом, чтобы одна противоракета
не уничтожила сразу несколько целей, то вероятность поражения
головной части, окруженной большим числом ЛЦ, значительно
снижается.
ГЛАВА 6
ПРОТИВОРАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ
Уменьшение радиолокационной видимости боевых частей ракет
является одним из ключевых моментов, облегчающих, по мнению
военных специалистов США, прорыв баллистических ракет через
систему ПРО, поскольку основным звеном этой системы являются
различного типа РЛС обнаружения и сопровождения. С этой
целью в США ведутся крупные работы по созданию различных
средств противодействия системам ПРО, включающие создание
пассивных средств противорадиолокационной маскировки, одно
из основных мест среди которых занимают радиопоглощающие
покрытия.
6.1. Классификация радиопоглощающих материалов
Отметим основные задачи, которые должны решать средства
противорадиолокационной маскировки: во-первых, непосредствен-
ное уменьшение ЭПР, которое приводит к сокращению дальности
обнаружения пропорционально корню четвертой степени от ЭПР
цели; во-вторых, облегчение требований к энергетическим потен-
циалам передатчиков помех, которые могут быть уменьшены про-
порционально величине снижения ЭПР, и, наконец, в-третьих, раз-
работка малогабаритных ложных целей.
В настоящее время наибольшее распространение получили три
способа снижения ЭПР.
1 . Выбор формы головной части баллистической ракеты.
2 . Управление рассеянием радиоволн.
3 . Применение радиопоглощающих материалов.
Как показали исследования, резкое падение рассеяния радио-
волн характерно для тел, обладающих малыми размерами, малы-
ми радиусами кривизны и не имеющих резких изломов поверх-
ностей. Было установлено, что чем лучше аэродинамическая фор-
ма головной части, тем меньшей ЭПР она обладает. В США про-
водятся широкие исследования по созданию боевых головок, име-
ющих малоотражающие формы. В основе этих работ лежит
известный принцип придания объекту такой формы, под влиянием
218
которой максимум отраженной электромагнитной энергии сме-
щается в сторону от направления на радиолокатор.
Существенного уменьшения ЭПР головной части можно достичь
путем управления параметрами вторичного (рассеянного) поля,
когда свойства цели, как переизлучающего источника, изменяются
так, чтобы в нужном направлении получить минимум переизлуча-
емой энергии.
Остановимся подробнее на третьем способе уменьшения ЭПР
цели за счет применения различных радиспоглощающих мате-
риалов.
Применяя так называемые интерференционные покрытия,
немецкие специалисты в 1944 г. добились уменьшения отражения
электромагнитной энергии в диапазоне длин волн 112—195 см
почти в 400 раз, снизив тем самым дальность радиолокационного
обнаружения объектов с таким покрытием примерно в четыре
раза. Всего тогда было разработано около 16 различных типов
поглощающих материалов, однако в силу целого ряда недостатков
это не обеспечило достаточно эффективной защиты.
Принцип работы радиопоглощающих материалов заключается
в том, что падающая электромагнитная энергия преобразуется в
другие виды энергии в самом материале. При этом имеют место
явления поглощения, рассеивания и интерференции электромаг-
нитных волн. Из-за поглощения происходит ослабление поля пада-
ющей волны, обусловленное переходом электромагнитной энергии
в тепло вследствие диэлектрических и магнитных потерь.
Процесс рассеивания происходит в результате преобразования
распространяющегося в материале потока электромагнитной энер-
гии определенного направления в потоки различных направлений.
Явление интерференции радиоволн характеризует отражатель-
ную способность радиопоглощающего материала в направлений
наибольшего вторичного излучения от его поверхности.
По конструктивному применению радиопоглощающие матери-
алы обычно разделяют на два типа:
— радиопоглощающие материалы, которые наносятся на
поверхность защищаемого объекта;
— радиопоглощающие конструкционные материалы, исполь-
зуемые для сооружения военных или промышленных объектов.
К перечисленным материалам предъявляют следующие требо-
вания:
— минимальное отражение радиоволн от защищаемой поверх-
ности;
— максимальное поглощение электромагнитных волн;
— широкий частотный диапазон поглощаемой энергии;
— высокие прочностные характеристики;
— минимальные габариты и вес;
— способность работать в широком интервале механических и
температурных режимов;
— стойкость к агрессивным средам;
— надежность и долговечность.
219
По принципу работы радиопоглощающие материалы могут
быть интерференционными и поглощающими.
В интерференционных покрытиях материал и структура покры-
тия выбираются таким образом, чтобы падающая и отраженная
волны взаимно компенсировали друг друга, т. е. вторичное радио-
излучение гасится вследствие интерференции радиоволн, отража-
ющихся от наружной поверхности покрытия и маскируемой поверх-
ности объекта.
Материал поглощающих покрытий выбирается из условия наи-
более полного поглощения в нем падающей электромагнитной
энергии и отсутствия отражения от границы раздела сред. Почти
вся энергия электромагнитной волны, падающей на маскирующее
покрытие, постепенно затухает и превращается в тепло за счет
наведения рассеянных токов, магнитногистерезисных или высоко-
частотных диэлектрических потерь.
И наконец, в зависимости от электрических и магнитных
свойств радиопоглощающие материалы можно разделить на
диэлектрические и магнито диэлектрические.
В связи с совершенствованием аэродинамических форм голов-
ных частей оказалось возможным применить покрытие лишь на
тех ее частях, которые дают максимум отражения.
Маскирующее действие радиопоглощающих материалов эффек-
тивно лишь в случаях, если линейные размеры плоских поверхно-
стей защищаемых объектов или же радиусы кривизны их поверх-
ностей значительно превышают длину волны в материале покры-
тия, т. е. при
/"s’ > ю,
Л
где S — площадь поперечного сечения объекта.
Если длина волны X превышает максимальный размер объ-
екта, то наблюдается так называемое релеевское рассеяние, кото-
рое характеризуется тем, что рассеяние объекта с конечной
проводимостью примерно такое же, как и объекта с бесконечной
проводимостью. Вследствие этого покрытие с конечной проводимо-
стью ведет себя как идеальный проводник, и падающая электромаг-
нитная энергия не может поглощаться им.
6.2. Покрытия поглощающего типа
Поглощающий материал соответствует своему назначению в
том случае, если в нем отсутствует отражение электромагнитной
волны от внешней поверхности, а энергия, проникающая внутрь
материала, полностью им поглощается. Выполнение этих условий
достигается соответствующим подбором электрических свойств
материала, в первую очередь комплексной диэлектрической про-
ницаемости и комплексной магнитной проницаемости.
Отражение электромагнитной волны от бесконечной идеально
проводящей поверхности, покрытой поглощающим веществом
220
[рис. 6.1], характеризуется комплексной диэлектрической проницае-
мостью
e'==e'4-je^ [6.1]
и комплексной магнитной проницаемостью
И' = К + К>
[6.2]
где е' = е0-8 — диэлектрическая проницаемость покрытия;
= — магнитная проницаемость покрытия (в свободном
пространстве е'=ео и р' = ро);
Рдад
Pomp
Интерферен-
ционное
покрытие
Объект
Рис. 6.1. К пояснению принципа действия покрытий?
а — поглощающего; б — интерференционного
£
е = —-----относительная диэлектрическая проницаемость по-
г е0
крытия;
— мнимая часть диэлектрической проницаемости, обус-
ловленная диэлектрическими потерями и электрической
=
е0
проводимостью покрытия.
Аналогичным образом обозначается и относительная магнит-
ная проницаемость покрытия.
221
Рассмотрим комплексный коэффициент отражения плоской
волны от плоской границы раздела двух сред:
Е6-3]
где волновое сопротивление свободного пространства
z0 = ]А- = 12(Н = 377 ом; [6.4]
волновое сопротивление поглощающего покрытия
[6.5]
Подставляя [6.4] и [6.5] в выражение [6.3], будем иметь
[6.6]
1 + у е/р.
Учитывая, что
]/‘ep. = n + jk, [6.7]
где п — коэффициент преломления среды;
к — коэффициент затухания,
выражение [6.6] можно записать в виде
Из выражения [6.8] видно, что коэффициент отражения от гра-
ницы раздела двух сред (у = 0) равен нулю при p = n+jk, или с
учетом формулы [6.2] условия полного поглощения имеют вид:
= п, [6.9]
цк = к. [6.10]
Условиям [6.9] и [6.10] удовлетворяют покрытия, в состав кото-
рых входят вещества с достаточно большими потерями (например,
ферромагнетики). Структуру таких покрытий образуют частицы
ферромагнетика, сцементированные изоляционным материалом из
немагнитного диэлектрика. Однослойные покрытия этого типа до-
статочно эффективны в диапазоне метровых и дециметровых волн.
Эффективность действия покрытия повышается, если его коэффи-
циент поглощения постепенно увеличивается от наружной поверх-
ности покрытия к защищаемой.
Для поглощения волн сантиметрового диапазона используют
многослойные покрытия с переменными от слоя к слою параметра-
ми, у которых проницаемость s возрастает от наружной поверхно-
сти вглубь покрытия. Каждый слой таких покрытий изготовляется
из пенополистирола или каучука, а поглотителем служит графит
или сажа. Концентрация поглотителя от слоя к слою меняется.
222
Для согласования покрытия с внешним (свободным) простран-
ством относительная диэлектрическая проницаемость должна рав-
няться единице, т. е. е'=е0, а мнимая составляющая (тангенс
угла потерь) — близка к нулю. Резкое изменение параметров е
и р, от слоя к слою недопустимо, поскольку это приводит к увели-
чению коэффициента отражения от границы раздела двух сред.
Рис. 6.2. Влияние угла при вершине шипов на-
ружной поверхности покрытия на число отраже-
ний внутри ячеек
Для уменьшения остаточного отражения широкое распростра-
нение получили покрытия, наружная поверхность которых пред-
ставляет собой рельефную геометрическую неоднородность, состоя-
щую из периодически повторяющихся неровностей в виде пирамид
или конусов. Чтобы увеличить число отражений между конусами
и, следовательно, снизить отражение от поверхности покрытия,
угол при вершине конуса выгодно делать небольшим (рис. 6.2).
6.3. Интерференционные покрытия
Если в поглощающих покрытиях большая часть падающей на
них энергии превращается в тепло, прежде чем электромагнитные
волны достигнут отражающей поверхности защищаемого объекта,
то в интерференционных (узкодиапазонных) покрытиях отсутствие
отражения от маскирующего объекта происходит благодаря интер-
ференции двух радиоволн: отразившейся от поверхности объекта
223
и поверхности покрытия. Падающая волна многократно отражает-
ся от границы раздела двух сред «покрытие — объект» и частично
поглощается в веществе покрытия. Естественно, что при этом рас-
стояние между отражающими поверхностями (толщина покрытия)
должно быть таким, чтобы обеспечивалось сложение отраженных
радиоволн в противофазе.
Отсутствие отражения от интерференционного покрытия дости-
гается при условии
п
ЕОТр = 2Е, = 0, [6.11]
1=1
где Ei — составляющая отраженной волны от границы раздела «сво-
бодное пространство — покрытие».
Суммарное отраженное поле в направлении источника падаю-
щей волны равно нулю, если выполняются условия:
Р = 1П(4|, [6.12]
d = (2i + 1) i = l,2, [6.13]
где р — коэффициент затухания волны за одно прохождение по-
глощающего покрытия в прямом и обратном направле-
ниях;
|г| — модуль коэффициента отражения покрытия;
d — общая толщина покрытия;
—длина волны в веществе покрытия с параметрами е и р.
А _____________________ А \.
Хо— резонансная длина волны.
Интерференционные покрытия менее габаритны, чем поглощаю-
щие. Однако, как следует из их принципа действия, они и менее
диапазонны, что зачастую затрудняет их применение. По-видимо-
му, наиболее перспективными являются комбинированные много-
слойные покрытия.
Для того чтобы интерференционное покрытие обладало погло-
щающими свойствами, в его состав вводят ферромагнетики с при-
месями сажи или порошка графита в качестве поглотителя.
Интерференционные защитные покрытия изготовляют из раз-
личных пластмасс или каучука. Достоинством интерференционных
покрытий является их значительная механическая прочность, гиб-
кость, сравнительно малая толщина и небольшой вес. Для корот-
ких волн при больших диэлектрических и магнитных потерях в ве-
ществе покрытия могут быть весьма тонкими.
Эффективность действия интерференционных покрытий зависит
от угла падения электромагнитной энергии на их поверхность. Ми-
нимальное отражение достигается при нормальном падении радио-
224
волн, при других углах падения коэффициент отражения резко
возрастает.
Простейшая схема РПП интерференционного типа представляет
собой резонансный поглотитель, состоящий из гомогенного слоя
диэлектрика, наложенного на защищаемый металл. Толщина слоя
диэлектрика, его диэлектрическая постоянная и тангенс угла ди-
электрических потерь могут быть выбраны такими, что коэффи-
циент отражения на некоторой, наиболее вероятной волне будет
равен нулю. При этом наибольшее отклонение частоты падающей
волны от резонансной частоты поглощаемого излучения не должно
превышать (без значительного понижения эффективности погло-
щения энергии) ±5%.
6.4. Многослойные интерференционные покрытия
Поглощающая способность многослойных покрытий и их диапа-
зонность существенно зависят от количества слоев, толщины слоев
и электрических параметров используемых материалов.
Рис. 6.3. Изменение коэффициента отражения г
для двухслойной поглощающей структуры интер-
ференционного типа
Рассмотрим поглощающую способность многослойных структур,
состоящих из чередующихся диэлектрических слоев (без потерь)
и тонких поглощающих пленок.
Для двухслойной структуры зависимость коэффициента отра-
жения от частоты при почти перпендикулярном падении волны
225
показана на рис. 6.3. Коэффициент отражения г обращается в нуль
при входной проводимости второго слоя ys= 1 для
Xo = 4/V-db [6.14]
где Ао — максимальная длина волны при г = 0;
ej—диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
dj —толщина диэлектрика.
Рис. 6.4. Изменение коэффициента отражения г для трех-
слойной поглощающей структуры интерференционного типа
(параметры РПП приведены в табл. 6.1)
Входная проводимость второго слоя
ys = zoa2d2, [6.15]
где а2 — электропроводность полупроводящего слоя;
d2 — его толщина.
Иначе говоря, при Х = Хо показанная на рис. 6.3 структура мо-
жет применяться как поглощающее покрытие. Однако применение
ее вследствие очень узкой частотной характеристики весьма огра-
ничено (только для РЛС, работающих на одной частоте).
Изменение коэффициента отражения для трехслойной структу-
ры приведено на рис. 6.4. Введение дополнительного диэлектри-
ческого слоя (d3, £3) позволяет получить нужное согласование на
226
двух частотах, расширяя тем самым полосу поглощения радио-
волн. В этом случае входная проводимость второго слоя
На основе результатов расчета (табл. 6.1) можно сделать вы-
вод о том, что структуры с малыми значениями диэлектрической
проницаемости дают «лучшие кривые» коэффициента отражения
(рис. 6.4), требуя в то же время и наибольшей толщины, прибли-
зительно равной Хмакс/4 (где Хмакс— наибольшее значение длины
волны в заданном диапазоне работы средств РПД).
Таблица 6.1
Характеристики трехслойных поглощающих структур
№ кривой на рис. 6.4 61 6з Нз/Х0 d/X0 ys
1 2,04 2 0,14 0,141 0,281 1,83
2 6,94 3 0,076 0,116 0,192 2,52
3 12,8 4 0,0423 0,1 0,1423 3,11
4 1,0 2,14 0,176 0,113 0,28 1,68
5 3,0 3 0,0961 0,0961 0,192 2,00
6 11,25 5 0,0497 0,0742 0,124 2,5
7 1,08 3,5 0,1205 0,0668 0,1873 1,56
8 2,22 5 0,084 0,0558 0,1398 1,67
9 3,06 6 0,0714 0,051 0,1224 1,71
Расчет коэффициента отражения для пятислойной структуры
уже достаточно трудоемок. Относительно простое решение полу-
чается в случае равенства оптических и геометрических толщин
всех диэлектрических слоев. При этих условиях возможно согла-
сование входной проводимости структуры с волновой проводимо-
стью пространства для длин волн: Х = Хо, Х = Хо/2, Х=Хо/3. Особен-
ностью этой структуры является При отражении энергии
около 2% (или 14,1% по полю) отношение верхней предельной
длины волны к нижней должно быть равным 4: 1, а общая тол-
щина структуры при этом составит Хмакс/4. Зависимость коэффи-
циента отражения от длины волны для пятислойной структуры
приведена на рис. 6.5а и в табл. 6.2.
Таблица 6.2
Характеристики пятислойной поглощающей структуры
Si — 63 — е5 ys ys di/X0 d/X0
1,76 1,634 0,683 0,0943 0,283
227
Рис. 6.5. Изменение коэффициента отражения для поглощающих структур
интерференционного типа:
а — пятислойного (параметры РПП приведены в табл. 6.2); б — семислойного (пара-
метры РПП приведены в табл. 6.3)
228
Для семислойных структур (требуемое согласование при длинах
волн X == -^-, где к=1, 2, 3, 4) при одинаковых величинах е и d ди-
электрических слоев отражение электромагнитной энергии во всем
диапазоне волн практически меньше 1% по мощности. Отношение
верхней критической волны к нижней составляет 5,6 (2% по мощ-
ности) при общей толщине структуры немногим более Хмакс/4
(рис. 6.56, табл. 6.3).
Таблица 6.3
Характеристики семислойной поглощающей структуры
£1 yS ys 4 di/Ло d/A0
1,43 1,534 0,622 0,374 0,0823 0,335
Экспериментальные значения коэффициента отражения для се-
мислойной структуры показаны на рис. 6.6 (диэлектрические
слои — пенопласт с добавкой алюминиевой пудры, поглощающие
Рис. 6.6. Коэффициенты отражения семислойного РПП по экс-
периментальным данным (электрическое поле параллельно
плоскости падения, угол падения 15° и 45°)
слои — 0,02 мм твердая пленка, покрытая коллоидным графитовым
раствором).
В заключение следует сказать, что интенсивность отражения
электромагнитной энергии многослойными поглощающими струк-
турами зависит также от угла падения волны, ее поляризации и
максимально допустимой рабочей температуры материала. Ти-
пичная зависимость отраженной мощности от угла падения и по-
ляризации электромагнитной волны показана на рис. 6.7.
229
Величину поглощаемой энергии, зависящей от максимально до-
пустимой рабочей температуры РПП, обычно характеризуют мак-
симальной плотностью поглощаемой энергии, которая составляет:
— для обычных радиопоглощающих поверхностей без воздуш-
ного охлаждения 0,155—0,465 вт/см2;
— для специальных РПП — до 1,55 вт/см2;
— для особо теплостойких РПП на основе пенокерамики — до
7,55 вт/см2
Рис. 6.7. Зависимость отраженной мощности от угла
падения излучения для широкодиапазонного радпопо-
глощающего материала
Охлаждение РПП со стороны маскируемого объекта увеличи-
вает количество поглощаемой энергии.
Покрытия, с обратной стороны которых обеспечена циркуляция
воздуха, могут работать при температурах от -^60 до 4-650°С.
6.5. Резонансные РПП интерференционного типа
(с дипольными решетками)
Наиболее перспективными с точки зрения весовых и габарит-
ных характеристик являются резонансные покрытия интерферен-
ционного типа. Напомним, что прототипом простейшего интерфе-
ренционного покрытия является двухслойная структура, состоя-
щая из диэлектрика и резистивной пленки (рис. 6.3) с входным
сопротивлением нормально отражающей поверхности 377 ом. Экви-
валентная схема двухслойной структуры (одноконтурного погло-
тителя) приведена на рис. 6.8а. В схеме постоянное сопротив-
ление пленки R включено параллельно входу однородной линии
длиной — Входное сопротивление z короткозамкнутой линии
z0
с волновым сопротивлением равно
V s
I6-16!
230
С одной стороны, диапазон
работы такого РПП может
быть расширен за счет введе-
ния, например, дополнительно-
го диэлектрического слоя пе-
ред двухслойной структурой
и обеспечения согласования
на двух частотах. При этом
общая толщина покрытия
(~ХМакс/4) определится наи-
большим значением длины вол-
ны в заданном рабочем диапа-
зоне. Дальнейшее расширение
диапазона поглощаемых ча-
стот ведет к увеличению тол-
щины РПП и соответственно
к увеличению его веса.
С другой стороны, для рас-
ширения частотного диапазо-
на указанной выше схемы РПП
однородную резистивную
пленку можно заменить ре-
шеткой из одинаковых дипо-
лей, ориентированных парал-
лельно вектору электрического
поля. Эквивалентная схема в
этом случае изменяется: по-
стоянное сопротивление R
(рис. 6.8а) нужно заменить по-
следовательным контуром R,
L, С (рис. .6.86), сопротивле-
ние потерь которого опреде-
лится омическим сопротивле-
нием дипольных элементов и
постоянной решетки; замк-
нутая линия заменена парал-
лельным резонансным конту-
ром R', Lz, С'.
Входная проводимость ли-
нии
! = I6-17!
где
Л. =; А.
«О X
Проводимость параллель-
ного резонансного контура и
а Отношение к0/к $
Рис. 6.8. Зависимость коэффициента отражения резонансного РПП от частоты:
одноконтурная схема; б — двухконтурная схема (А « 3 см, а7Ао = 0,35, Ъг/А0 = 0,035, Z/Ao=O,68, d/A0 = 0,05,
п
а
231
коэффициент отражения такой двухконтурной схемы соответствен-
но равны:
[6.18]
Оптимальное согласование двухконтурного поглотителя при R =
= R'=z0 и при компенсации мнимых составляющих импеданса
обоих контуров
16-20]
имеет своим условием
Равенство [6.20] выполняется при оптимальных размерах диполь-
ной решетки (даже в случае отсутствия потерь в Х/4-отрезке линии
и при демпфирующем сопротивлении R' = 0).
Исследования зависимости входной проводимости г от относи-
тельной длины I диполей позволяют заключить, что:
— вещественная часть входной проводимости Re(yo) увеличи-
вается с уменьшением постоянной решетки а';
— увеличение ширины d дипольных полосок обратно пропор-
ционально их омическому сопротивлению;
— резонансная длина I диполей обратно пропорциональна
уменьшению постоянной а';
— изменение постоянной решетки Ь' уменьшает взаимодействие
диполей между собой;
— увеличение диэлектрической постоянной слоя диэлектрика
сокращает резонансную длину диполей пропорционально £ *•
Характерный ход кривых Re(y0) и Im(yo) показан на рис. 6.9.
Расстояние решетки от металлического корпуса тела опреде-
ляется соотношением [6.13] при р=1.
* Т. е. введение диэлектрика в схему приводит к увеличению емкости резо-
нансного контура.
232
Для практического использования такого РПП чрезвычайно
важно, чтобы его эффективность не очень сильно зависела от дли-
ны дипольных элементов и постоянной решетки а'. Эксперименты
показывают, что при изменении / на ±10% и а' примерно на
±15% отраженная энергия увеличивается менее чем на 10%.
0,2 0<t 0,6 0,8 1J)
Относительная длина диполя 1/Л0
Рис. 6.9. Входная проводимость бес-
конечной простой дипольной решетки
(9=44,4°, Хо=3,2 см, 8= 1,08, R=40 ом)
При отклонении направления падения электромагнитной волны
от нормали к поверхности РПП на угол <р, что эквивалентно па-
раллельному включению полного поверхностного сопротивления ди-
польной решетки zs с зависящим от ® индуктивным сопротивле-
нием zl, входное сопротивление поглотителя
z(<p) =
ZS — jzL tg P
ZS + iZL fg ? ’
[6.21]
где
~ 1/.....» ₽«-£-Ve -sin24>.
У £ — Sin2 <f> Ло
233
При вертикальной поляризации плоской электромагнитной волны
в целях эффективного поглощения диполи должны быть ориенти-
рованы параллельно электрическому полю. В этом случае коэф-
фициент отражения по полю
Угол падения, град
[6.22]
Рис. 6.10. Коэффициент отражения простой
решетки в функции угла падения электро-
магнитной волны (поляризация вертикаль-
ная, плотность распределения диполей опти-
мальная):
а —диполи имеют резонансную длину; б —длина
диполей отлична от резонансной (^/Лоопт =0,66);
диэлектрик с е==1,08; =3,2 см; параметры про-
стой решетки; а'Моопт =0,435, Ъ'/Ло «=0,935
Коэффициент отражения РПП по мощности в указанных усло-
виях * определяется выражениями [6.21 и 6.22]:
* z и zs имеют вещественные значения, если резонансная длина диполей
Z^Xo/2.
234
2 * l^£ ~ sin2 У (j_______1 1 — Гр у __ £ — sin2 ср
~2~ У~Г \ cos ср 1 4- г0/ cos2 ср
t 2 £ ~sin2 ? (1______L_1 ~rpy + g —sin2?
2 У~~ё~ \ cos 1 + го/ cos2 <Р
[6.23]
Значения коэффициента отражения в функции угла падения
волны показаны на рис. 6.10. Как видно из рис. 6.10а,’при хорошо
согласованном покрытии (zs~zo) с резонансной длиной диполей
/«Хо/2 отражение энергии менее 2% по мощности может быть по-
Рис. 6.11. Изменение коэффициента отражения
простой дипольной решетки в зависимости от
угла падения электромагнитной волны:
/— £«=1,08, поляризация горизонтальная; 2 — е =2,56,
поляризация горизонтальная; 3 — е =1,08, поляризация
вертикальная; -/ — £=2,56, поляризация вертикальная
лучено в диапазоне углов падения от 0 до 40°. Использование в
решетке расстроенных диполей в настоящее время не позволяет
определить коэффициент отражения.
Для исключения дифракции на дипольной решетке при гори-
зонтальной поляризации облучающей волны * постоянные ди-
польной решетки должны удовлетворять следующим требованиям:
1 4- sin <р ’ 14- sin ср ’
IT f f
т. е. при <р=-у а <-у, b <-у-.
Как видно из схемы размещения дипольных элементов на
рис. 6.11, Ь'>Хо/2. В связи с этим зазоры решетки взаимно сме-
щены на Ь'/2 (дифракция в этом случае изменяется при почти по-
стоянном входном сопротивлении покрытия). Для горизонтально
поляризованных волн по мере возрастания ср наблюдается быстрое
* Т. е. вторичное излучение определяется только законами геометрической
оптики.
235
увеличение отражения. При этом в сторону источника первичного
излучения отражения энергии может и не быть.
Для согласованного РПП связь между коэффициентом отраже-
ния и углом поляризации ф выражается следующим образом:
г (ф) ==sin2<]>. [6.24]
Изменение коэффициента отражения для простой решетки в зави-
симости от угла поляризации показано на рис. 6.12.
Для того чтобы эффектив-
ное поглощение электромаг-
нитной энергии не зависело от
случайной ориентации маски-
руемого объекта в пространст-
ве, к имеющейся в схеме РПП
простой дипольной решетке до-
бавляют вторую решетку, по-
вернутую на 90°. Как видно из
рис. 6.12, включение дополни-
тельных дипольных элементов,
развернутых на 90°, не оказы-
вает на согласованность по-
крытия заметного влияния при
угле ф=0. Иначе говоря, коэф-
фициент отражения РПП двух-
контурного типа (рис. 6.86) с
крестообразной дипольной ре-
шеткой практически не зави-
сит от угла поляризации облу-
чающего сигнала. Изменение
коэффициента отражения эле-
§ иг ч-ir ЫГ ыг
Угол поляризации
Рис. 6.12. Зависимости коэффициента
отражения от угла поляризации для
РПП с вещественным входным со-
противлением:
1 — zg > зд 2 — zg «Zo, простая дипольная
решетка; 1/Хв = 0,66, а’/Х0 « 0,42; 3 — zg<z0,
/До = 0,72, a'/Xe = 0,213; 4—zg * z0, кресто-
образная дипольная решетка
ментов простых решеток для и различных постоянных а', Ь'
простой дипольной решетки представлено на рис. 6.13.
Для дальнейшего увеличения частотного диапазона резонанс-
ного РПП интерференционного типа можно ввести дополнительную
дипольную решетку на расстоянии Х/8 от металлической поверхно-
сти. Эквивалентная схема такого (трехконтурного) поглотителя со-
держит два последовательных резонансных контура Li, Ci, Ri и
L2, С2, R2 (рис. 6.14).
Сопротивления потерь и резонансная частота обоих контуров
для согласованного покрытия (в'=1) определяются выражениями:
Ri = l,63zo; R2=0,795 z0;
1 <о0 ф 1 _2<о0
7q=c;-L62’ут~с2~ 1.2 •
Изменение коэффициента отражения в зависимости от длины вол-
ны приведено на этом же рисунке. Между двумя точками согласо-
вания = 1 и -у- = 2^ отражение незначительно увеличивается
(до 16% по полю). Как следует из рис. 6.14, замена дипольных
235
Рис. 6.13. Зависимости изменения коэффициента отражения простой дипольной решетки от ее параметров (поляризация
вертикальная, угол падения волны 10°):
а — от длины диполей; б — от констант а' и Ь' простой дипольной решетки. Пунктиром показаны зависимости г одноконтурного погло-
а ьпнаназФш) шнап'ппсЬфса}]
237
решеток однородными резистивными пленками сужает диапазон-
ность РПП.
Зависимость между резонансной длиной диполей и постоянными
простых решеток данной схемы РПП без учета взаимовлияния
диполей друг на друга определяется линейными соотношениями:
Рис. 6.14. Зависимость коэффициента отражения многослой-
ных и дипольных резонансных РПП от длины волны (трех-
контурная схема, £=1)
[6.25]
[6.26]
Рассмотренное радиопоглощающее покрытие широкого приме-
нения не находит вследствие нетехнологичности его производства.
6.6. Разработка радиопоглощающих материалов
Высокие скорости полета ракет обусловили необходимость соз-
дания противорадиолокационных материалов, способных при отно-
сительно малом весе выдерживать высокие аэродинамические и
температурные нагрузки, которые имеют место при движении го-
ловных частей в плотных слоях атмосферы. Радиопоглощающие
материалы, разработанные за рубежом для этих целей и для ма-
скировки наземных объектов, представляют собой металлические
и керамические материалы, а также пластические массы различ-
ных типов.
Среди широкодиапазонных радиопоглощающих материалов
большое распространение получили керамические ферритовые ма-
238
териалы. Покрытия из таких материалов обычно имеют небольшую
толщину и отличаются устойчивостью к резкому изменению усло-
вий окружающей среды. При этом тонкий слой однородного ферри-
тового материала (много меньше длины волны), покрывающий ме-
таллическую поверхность, сохраняет свои положительные свойства.
Например, при толщине ферритового слоя d = 0,83 см в диапазоне
частот 30—300 Мгц коэффициент отражения по полю составляет
меньше 10%.
Если ферритовый слой находится на небольшом расстоянии от
металлической поверхности, то возможно смещение полосы пропу-
скания РПП в сторону высоких частот. Так, при толщине ферри-
тового слоя 0,7 см, ширине воздушного слоя 1,8 см диапазон рабо-
чих частот для г< 10% составляет 40—800 Мгц.
Рабочий диапазон частот в сторону коротких волн может быть
расширен за счет разделения ферритового слоя на два слоя (трех-
слойное РПП), отличающихся друг от друга толщиной: тонкий
ферритовый слой отделен от толстого, лежащего на металлической
поверхности, воздушной подушкой. Для такого РПП при г< 10%
диапазон рабочих частот составлял 20—900 Мгц (толщина первого
ферритового слоя 0,2 см, воздушного слоя 4 см, второго феррито-
вого слоя 0,54 см).
Диапазоны рабочих частот различных никель-цинковых ферри-
тов, нанесенных непосредственно на металлическую поверхность,
приведены в табл. 6.4. Как следует из таблицы, диапазон рабочих
частот ферритовых РПП существенно зависит от технологии про-
изводства при одном и том же химическом составе (например,
NZ-01 и NZ-03, Р-01 и Р-02).
Таблица 6.4
Рабочие частоты и состав некоторых однослойных ферритовых РПП
Материал Состав Температура спекания, °C Диапазон частот при г < 10% Мгц
С-01 (феррамик Е) NiO — 20%. ZnO — 30%, Fe2O3 —50% — 235—750
М-01 (сиферрит 2000Т7) NiZn — основание — 64—320
NZ-01 NiO — 15%, ZnO - 35%, Fe2O3 —50% 1250 30—225
NZ-02 Цинка больше, чем в NZ-01 1250 2,8—60
NZ-03 Такой же, как в NZ-01 1300 20—260
NZ-O4 Такой же, как в NZ-02 1300 40—115
Р-01 NiO — 16%, ZnO — 34%. Fe2O3 —50% 1280 58—380
Р-02 Такой же, как в Р-01 1270 50—400
V-01 (феррокарит File-7) NiZn — основание — 285—680
239
Известен также состав, представляющий собой смесь ферро-
магнитных материалов, размолотых и подвергнутых циклическому
нагреву до полного устранения остаточного магнетизма. Материал
состоит из смеси окиси магния и окиси трехвалентного железа.
В качестве жидкого носителя могут использоваться эпоксид-
ные смолы, эффективно работающие при нанесении их тонким го-
могенным слоем толщиной не более 0,25 мм. На эти смолы не ока-
зывают отрицательного воздействия свет, влага и изменение тем-
пературы окружающей среды.
Керамические ферритовые радиопоглощающие материалы, из-
готовленные фирмой «Кондактрон», предназначаются для защиты
головных частей ракет в диапазоне от метровых до сантиметровых
волн. Покрытия из материалов этого типа имеют толщину 0,63—
1,27 см и способны ослабить отраженное излучение в 20—1000 раз.
Одно из таких покрытий толщиной 5 мм (вес квадратного
метра покрытия 4,9 кг), по данным фирмы, ослабляет отражен-
ную электромагнитную энергию в диапазоне частот от 40 до
3000 Мгц до 100 раз в средней части диапазона и до 16 раз
по краям.
Основные трудности при разработке керамических ферритовых
радиопоглощающих материалов, по мнению американских специа-
листов, состоят в следующем. Поскольку ферриты хрупкие мате-
риалы, то возникает необходимость защиты керамических феррито-
вых плиток от внешнего воздействия.
Ферритовые плитки приклеиваются непосредственно к метал-
лическим или пластмассовым силовым конструкциям. Поскольку
прочность такого соединения в значительной степени зависит от
клея и формы поверхности ГЧ, то при определенных условиях кон-
струкция может разрушиться (повышение температуры окружаю-
щей среды, вибрация).
Другой трудностью, возникающей при склеивании, является
различие коэффициентов линейного термического расширения фер-
ритовых плиток и подложки; это имеет особое значение, поскольку
величиной термического расширения определяется стойкость фер-
ритовых плиток к растрескиванию при циклическом изменении тем-
пературы.
Для устранения указанных трудностей специалисты фирмы
разработали модульную конструкцию радиопоглощающего покры-
тия. В качестве проводящей подложки была предложена фольга
из меди, алюминия или серебра. Ферритовые плитки прикрепля-
ются специальным клеем или эпоксидной смолой. Подобные мо-
дули выполняются в виде трехслойной конструкции. Одной из об-
шивок является стеклоткань, другой — проводящий лист или про-
водящая сетка.
Фирма «Эмерсон» (США) изготовила широкодиапазонный ра-
диопоглощающий материал Eccosorb-RM, который представляет
собой эластичную кремнийорганическую пену, способную работать
продолжительное время при температурах до +260° С. Коэффи-
циент отражения материала не превышает 2% по мощности. Изме-
240
нение плоскости поляризации падающего излучения или его угла
падения незначительно сказывается на поглощении энергии.
Эта же фирма разработала поглощающий материал Eccofoam-Q,
получаемый в результате вспенивания кремнезема. Материал
может применяться при температурах до 1650° С (поглощающими
свойствами он обладает лишь до 650° С). Материал Eccofoam-Q
может изготовляться с различными значениями диэлектрической
проницаемости (от 1,1 до 5,0), имеет малый тангенс угла потерь,
плотность изменяется в пределах 160—800 кг/м3. В основной мате-
риал для получения по-
крытия с большими поте-
рями могут быть вкрап-
лены металлические или
угольные частицы. Элек-
трические и механические
свойства Eccofoam-Q по-
зволяют применять его
для различных целей.
Английской фирмой
«Плесси» выпущена серия
широкодиапазонных ра-
диопоглощающих мате-
риалов АГ. Наиболее лег-
ким и твердым из них яв-
ляется покрытие АГ-20.
Оно состоит из спрессо-
ванных зерен пенополи-
стирола, окруженных проч-
ной угольной пленкой.
На поверхность покрытия
нистой краски для защиты
Длина волны^см
Рис. 6.15. Зависимость коэффициента отра-
жения от длины волны для материалов по-
глощающего типа
наносится слой гидрофобной крем-
от атмосферных осадков. Коэффициент
отражения от покрытия в широком диапазоне длин волн не пре-
вышает 1% по мощности (рис. 6.15).
Наряду с разработкой широкодиапазонных поглощающих по-
крытий зарубежные специалисты большое внимание уделяют так-
же созданию диапазонных покрытий интерференционного типа.
Примером таких РПП могут служить покрытия MX и MS. Осно-
вой материала покрытия является каучук в смеси с карбонильным
железом. Покрытие наносится на медный лист или гибкую магнит-
ную ткань. Это дает возможность изгибать покрытие по форме-
маскируемого объекта. Некоторые характеристики защитных ин-
терференционных покрытий приведены в табл. 6.5.
Как видно из таблицы, рабочий диапазон покрытий MS шире,
чем у РПП MX, благодаря большему содержанию магнитного ма-
териала. На рис. 6.16 показаны зависимости мощности отражен-
ной электромагнитной энергии РПП MX и MS от длины волны и
угла облучения.
Фирма «Эльтро» (ФРГ) изготовляет радиопоглощающее покры-
тие интерференционного типа из пластмассы. РПП состоит из
9-754
241
Таблица 6.5
Некоторые характеристики узкодиапазонных покрытий
Материал Толщина« мм Диапазон длин волн, см Вес, кг/м3 Основа (медь)
МХ-1 2 3,0—3,4 7 Лист
МХ-3 2 — 9 Ткань
MS-1 4 — 17 Лист
MS-3 4 9,1—10,5 17 Ткань
нескольких слоев различных пластмасс, нанесенных на проводя-
щую подложку методом напыления, окраски или наклеивания. По-
Рис. 6.16. Изменение мощности отраженной электромагнитной
энергии от радиопоглощающих покрытий различного типа
в зависимости от длины волны и угла облучения
крытие имеет фазосдвигающий нижний слой, служащий для вза-
имного гашения падающих и отраженных радиоволн. На этот слой ,
наносятся поглощающий и рассеивающий слои.
242
Рис. 6.17. РПП, содержащее рассеивающие
сферические элементы
Для защиты космических летательных аппаратов от радиолока-
ционного обнаружения в США предложено покрытие из радиопо-
глощающего материала, наносимое на поверхности, примыкающие
к отверстиям (люкам, щиткам и т. п.) в корпусе летательного ап-
парата; сами отверстия предлагается закрывать заглушками из
этого же материала. В качестве материала покрытия рекомендует-
ся тефлон с порошком углерода (наполнитель).
Известно также покрытие интерференционного типа, конструк-
ция которого состоит из множества дифракционных элементов, на-
ходящихся в противофазе.
Дифракционными элемента-
ми являются штифты с по-
лусферической головкой
(рис. 6.17), установленные
на отражающем основании.
Применение элементов с по-
лусферической головкой де-
лает коэффициент отраже-
ния почти независимым от
вида поляризации облучаю-
щей волны.
За рубежом ведутся так-
же работы по преобразова-
нию электромагнитной энер-
гии в химическую с помо-
щью специальных материа-
лов. В качестве покрытия
ракет, уменьшающих их ЭПР, предполагается использовать осо-
бые химические вещества, так называемую «противорадиолока-
ционную краску».
К перспективным направлениям разработки РПП за рубежом
относят работы и по созданию конструкционных радиопоглощаю-
щих материалов. Судя по сообщениям, из этого материала может
быть создана обшивка ракеты, которая сможет поглощать электро-
магнитные волны в диапазоне сантиметровых и миллиметровых
волн (толщина материала 6 мм). *
В заключение следует отметить, что в США считается перспек-
тивной разработка радиопоглощающих комбинированных теплоза-
щитно-радиопоглощающих покрытий для головных частей МБР с
достаточно хорошими абляционными и радиопоглощающими свой-
ствами.
9*
ГЛАВА 7
АКТИВНЫЕ РАДИОПОМЕХИ
7.1. Разработка станций радиопомех
Разработка различных типов активных помех для защиты ра-
кет и спутников в США началась в 1961 г., когда был скон-
струирован бортовой передатчик мощностью 1—2 квт, рабо-
тающий в диапазоне частот 200—400 Мгц. Он размещался в ци-
линдрическом контейнере длиной 33 см и диаметром 11,4 см и был
рассчитан на воздействие больших ударных перегрузок и высоких
температур (до 260°С).
Вслед за этим началось оснащение существовавших в тот пе-
риод и вновь разрабатываемых ракет передатчиками радиопомех.
Так, сведения о планах комплектации ракет «Поларис» двумя си-
стемами активных средств РПД (РХ-1 и РХ-2) относятся к 1962 г.
Одна из систем содержала передатчик помех с электронной пере-
стройкой частоты, другая — передатчик помех на барратроне.
В дальнейшем эти передатчики прошли летные испытания при пу-
сках ракет «Поларис-А1, 2» с целью определения эффективности
их функционирования на нисходящей ветви траектории.
В 1964 г. появилось сообщение об установке на ракетах «Пола-
рис-А2» и «Поларис-АЗ» ложных целей и устройств активных ра-
диопомех. Сведения об установке аппаратуры активных помех
совместно с ЛЦ и дипольными отражателями на МБР «Минит-
мен» (ГЧ Мк.И и Мк.12) относятся к 1968 г.
• Американские специалисты считают, что устройства для созда-
ния активных помех радиолокаторам относятся к числу эффектив-
ных средств, облегчающих прорыв баллистических ракет через си-
стему ПРО. Помеховые устройства должны иметь большую плот-
ность излучаемой мощности на единицу массы (вт/Мгц • кгс), по-
этому предпочтение отдается прицельным по частоте помехам по
сравнению с заградительными.
По мнению иностранных специалистов, устройства для созда-
ния активных помех следует размещать в специальных контейне-
рах, оснащенных РДТТ. Головная часть баллистической ракеты мо-
жет содержать до 10—100 таких контейнеров. Каждое из помехо-
244
вых устройств с помощью небольшого приемника определяет ча-
стоты (или диапазон частот), на которых работают радиолокаторы
противника. После того как рабочие частоты определены, включа-
ются и настраиваются имитаторы сигналов РЛС, отраженных от
головных частей ракет. Контейнеры, оснащенные РДТТ и имита-
торами, должны находиться в полете в течение нескольких минут
для обеспечения прорыва ГЧ МБР через систему ПРО.
В ограниченных весах и габаритах трудно обеспечить боль-
шую мощность излучения помехи. Для снижения мощности помехи
предполагается уменьшить радиолокационное сечение головных ча-
стей и применять направленные антенны помеховых устройств.
Правда, последнее мероприятие требует оснащения контейнера си-
стемой ориентации или электрического сканирования для наведе-
ния луча станции помех на РЛС.
В оконечных каскадах станций помех обычно используются
* лампы бегущей волны, лампы обратной волны, усилители со скре-
щенными полями и настраиваемые магнетроны и амплитроны, ра-
ботающие в форсированном режиме. Благодаря этому помеховые
устройства на снарядах и ракетах обладают значительным преиму-
ществом перед подобными устройствами, применяемыми на самоле-
тах. Блоки электронных помех на самолетах должны работать в
течение ряда часов, в то время как на ракетах продолжитель-
ность их работы составляет несколько минут. Это позволяет соз-
дать режим работы оконечных каскадов станций помех, в котором
может нарушаться тепловое равновесие, т. е. лампы могут быть
перегружены. с
Весьма заманчивой за рубежом считают конструкцию помехо-
вого устройства, выполненную на твердых схемах. Проект такой
системы исследует в настоящее время фирма «Лорал электронике».
Основной трудностью здесь является разработка передатчика и
источника питания. Некоторые элементы блока электронных помех
уже выполнены на твердых схемах, и в ближайшее время, воз-
можно, будут созданы твердотельные источники радиопомех.
Целесообразность применения электронных помех на среднем
и конечном участках полета МБР у Иностранных специалистов не
вызывает сомнений, тем более что при входе в атмосферу облег-
чается распознавание ГЧ среди ложных целей. Активные помехи
на этом этапе могут затруднить процесс селекции и препятство-
вать определению координат ГЧ, необходимых для наведения анти-
ракет.
Однако возможности применения станций помех на конечном
участке траектории ограничиваются наличием плазменной оболоч-
ки вокруг входящего в атмосферу тела, ослабляющей энергию по-
мех. Ослабление вызывают и продукты сгорания абляционного за-
щитного покрытия, обтекающие антейну. Выбор соответствующего
абляционного материала может ослабить влияние вредного эффек-
та, а коническая форма входящего в атмосферу тела обеспечит
наличие более тонкого ионизированного слоя и снизит радиолока-
ционное сечение носового конуса, , .
245
Большое влияние ионизированной оболочки выяснилось при за-
пусках космического аппарата «Меркурий», когда сигналы УКВ
пропадали полностью, а сигналы радиомаяка, работающего в диа-
пазоне С, значительно ослаблялись при входе аппарата в атмо-
сферу. Для преодоления экранирующего действия плазмы фирма
«Филко-Форд» разработала небольшие парашютируемые передат-
чики помех, отделяемые от ГЧ при ее входе в атмосферу. Эти пе-
редатчики прошли испытания на ракетах «Аджена».
В связи с достижениями в области радиолокации (многоча-
стотные РЛС, перестройка несущей частоты от импульса к им-
пульсу в широких пределах, сверхширокополосные сигналы и т. п.)
среди некоторых зарубежных специалистов наблюдается тенденция
к сосредоточению усилий на методах создания широкополосных шу-
мовых помех. Для постановки помех многочастотным РЛС предпо-
лагается также использовать устройства, работающие на несколь-
ких дискретных частотах одновременно по принципу разделения
каналов по частоте или по времени в соответствии с данными, по-
ступающими от приемной аппаратуры.
При создании прицельных по частоте помех прежде всего не-
обходимо решить задачу выбора радиолокатора, который необхо-
димо подавить. Одно из решений этой задачи предусматривает из-
мерений характеристик сигналов РЛС: частоты, периода повторе-
ния импульсов, скорости сканирования, ширины спектра, величины
мощности и т. д. Чем больше данных имеется о радиолокаторе,
тем легче определить его назначение и выделить среди дру-
гих РЛС.
В 1967 г. фирма «Рейтеон» получила контракт на разработку
серии специальных микроминиатюрных шумовых передатчиков ак-
тивных помех на твердых схемах. Эти устройства, работающие в L,
S, С и X диапазонах волн, скомпонованы в блоки, отделяемые
от ракеты на внеатмосферном участке траектории. Причем каждый
передатчик работает на собственной частоте, в результате чего весь
блок перекрывает, по мнению специалистов фирмы, достаточно ши-
рокий диапазон частот. Последнее обеспечит создание помех РЛС,
которые излучают сигналы на нескольких разнесенных частотах и
меняют частоту от импульса к импульсу. Разработкой микроми-
ниатюрных передатчиков шумовых помех занимается также фирма
RCA.
В рамках программы «Абрее», кроме вышеуказанных парашю-
тируемых передатчиков помех, создаются и бортовые станции по-
мех для маскировки баллистических ракет. Эти станции устанавли-
ваются на ГЧ и используются при ее полете в плотных слоях
атмосферы.
По сообщениям зарубежных специалистов, работы по програм-
ме «Абрее» должны решить следующие технические задачи:
— создание широкополосных устройств разведки сигналов
РЛС;
— создание легких передатчиков помех, устойчивых к пора-
жающим факторам ядерного взрыва;
246
— разработка новых принципов конструирования бортовых ан-
тенн, способных функционировать в плотных слоях атмосферы.
Перечень основных работ, проводимых в США, по созданию ак-
тивных помех для маскировки ГЧ МБР приведен в табл. 7.1.
Таблица 7.1
Перечень основных работ по созданию активных средств РПД
Средства активного радиопротиводействия Фирмы-исполнители Примечание
Передатчики ответно- шумовых помех, разме- щаемые в специальных контейнерах (находятся впереди маскируемых ГЧ) Передатчик радиопо- мех для маскировки вне- атмосферного участка траектории МБР (AMAS) Парашютируемые пе- редатчики радиопомех, отделяемые от ГЧ при ее входе в плотные слои атмосферы Передатчики активных радиопом.ех для БРСД, осуществляющие радио- маскировку среднего и конечного участков тра- «Сперри Рэнд» Летные испытания про- водились во время пу- сков ракет «Афина» по программе «Абрее»
«Авко», «Филко-Форд» «Филко-Форд» Аппаратура активных радиопомех, устанавли- ваемая на головной ча- сти (работа завершена в 1968 г.) Летные испытания проводились во время пусков ракет «Аджена» по программе «Абрее»
«Локхид Электронике», «Спейс Электронике», «Рейтеон» Работы и испытания завершены, передатчики помех входят в комплек- ты РПД ракет «Пола- рис»
ектории Микроминиатюрные передатчики шумовых помех (в том числе и использующие твердые схемы) в диапазонах волн L, S, С, X Противорадиолокаци- онный снаряд типа MARV, предназначенный для разрушения РЛС «Рейтеон», «Моторола», «Авко», «Уоткинс Джон- сон» «ТРВ Системе», «Рейтеон» Применяются в каче- стве «активных» диполей Возможно будет ис- пользоваться как для уничтожения РЛС, так и для создания активных ПЛ ТТ ГГV
Облегченные помехо- вые устройства, устойчи- вые к поражающим фак- торам ядерного взрыва Передатчик помех на ГЧ «Филко-Форд», «Рейтеон» «Дженерал электрик» pd диоиимсл. Разработана конструк- ция передатчика радио- помех ГЧ Мк.500 БР «Трай- дент-2»
В создании первых американских ракетных станций помех ши-
роко использовался опыт проектирования бортовых самолетных
станций, в первую, очередь станций, размещаемых в подвесных
контейнерах, с автономной системой электропитания и собственны-
ми антеннами. Известно также о намерении использовать самолет-
247
ные бортовые системы РПД AN/ALQ-58 и AN/ALQ-63 для маски-
ровки ракет.
По аналогии с противорадиолокационными ракетами «воздух —
поверхность» типа SRAM, SCAD, «Шрайк», предназначенными для
активного уничтожения РЛС, планируется также создание мало-
габаритного снаряда MARV, который должен сбрасываться балли-
стической ракетой при входе в атмосферу и самонаводиться по
сигналам РЛС.
7.2. Принципы построения станций радиопомех
Рассмотрим основные виды активных радиопомех. В иностран-
ной литературе существует деление радиопомех на маскирующие
и дезинформирующие.
Маскирующие помехи предназначаются для увеличения шумо-
вого фона на выходе приемника, что, в свою очередь, приводит к
сокращению дальности действия РЛС. Дезинформирующие помехи
или искажают сигналы, отражаемые от защищаемой цели, или в
качестве источника одного (нескольких) ложного сигнала создают
ложную информацию о числе и координатах радиолокационных це-
лей. В последнем случае дезинформирующие помехи называют
иногда имитационными. Как маскирующие, так и дезинформирую-
щие помехи применяются для увеличения ошибок измерения коор-
динат целей.
Наряду с интенсивностью (мощностью) радиопомех важней-
шей их характеристикой является спектр излучения. В зависимости
от ширины спектра различают прицельные (узкополосные) и за-
градительные (широкополосные) радиопомехи. Ширина спектра
прицельных помех близка к ширине спектра сигналов подавляемых
РЛС. Заградительные помехи значительно шире по спектру, пере-
крывая в отдельных случаях диапазон частотной перестройки не-
скольких РЛС.
Помехи могут быть непрерывными и импульсными, причем по-
следние разделяются на синхронные и хаотические. Синхронная
помеха представляет собой серию радиоимпульсов, следующих с
частотой повторения РЛС. Частный случай синхронной помехи—
ответная помеха, излучаемая «в ответ» на принятый сигнал РЛС.
Хаотическая помеха создается как случайная последовательность
радиоимпульсов, не синхронизированная с периодом следования
импульсов РЛС. Дезинформирующие помехи, имитирующие лож-
ное перемещение целей (называемые иногда многократными ими-
тационными помехами), относят к ответным помехам.
Помимо перечисленных видов, выделяют группу помех систе-
мам автоматического сопровождения целей по углам, дальности и
скорости.
Помехи угломерным системам создаются одним или нескольки-
ми разнесенными в пространстве источниками. Помехи из одной
точки способны эффективно противодействовать угломерным систе-
мам с последовательным сравнением сигналов (с коническим или
248
линейным сканированием пространства). Для противодействия мо-
ноимпульсным системам сопровождения по направлению принци-
пиально необходимо наличие разнесенных в пространстве источни-
ков излучения помех (когерентных или некогерентных).
Срыв автоматического сопровождения цели по дальности и ско-
рости достигается применением так называемой уводящей помехи,
представляющей собой однократную имитационную помеху с изме-
няющейся задержкой и монотонным смещением по допплеровской
частоте относительно сигнала, отраженного от цели. За счет энер-
гетического превосходства помехи над сигналом автомат сопро-
вождения постепенно переходит с сопровождения цели на сопро-
вождение помехового сигнала. Уводящая помеха формируется пу-
тем временной или частотной модуляции принятого сигнала.
В некоторых случаях воздействие активных помех основано на
эффекте' «грубой силы», когда под действием мощного помехового
сигнала приемник РЛС переводится в нелинейный режим и даже
запирается на время действия помехи.
Шумовые помехи с требуемым высокочастотным спектром обра-
зуются двумя способами:
— усилением колебаний источников шумов;
— шумовой модуляцией колебаний высокой частоты по ампли-
туде, частоте и фазе.
При создании дезинформирующих радиопомех для формирова-
ния отметок на ложных дальностях до цели применяется времен-
ная модуляция (модуляция задержкой).
В соответствии с принятой за рубежом классификацией и рас-
смотренными видами помех можно выделить следующие основные
типы станций помех:
— станции помех прямого усиления шумов;
— станции модулированных помех (модулированных шумами
по амплитуде, фазе и частоте)—ответных или непрерывных, на-
страиваемые на частоту принятого сигнала;
— станции ответных имитационных помех, вырабатывающие
сигналы с ложными координатами по углам, скорости и дальности:
в последнем случае требуются системы запоминания частоты сиг-
нала, например, на базе линий задержки.
Станции помех прямого усиления наиболее просты и чаще
всего предназначаются для создания непрерывных заградительных
помех. Помехи, создаваемые станцией этого типа, наиболее близки
по своей структуре и свойствам к собственным шумам приемника
РЛС. В передатчиках помех, работающих на низких радиолока-
ционных частотах, сигнал шума может генерироваться на низкой
частоте, затем преобразовываться на частоту РЛС и усиливаться
с помощью мощных ламп обычного типа (триодов). В качестве
источника шумов могут использоваться подогревные диоды, тира-
троны, фотоумножители и некоторые другие приборы с широким
спектром Лумов. На более высоких частотах используются мощные
генераторы (типа магнетронов и ламп обратной волны) и усили-
тели на лампах бегущей ролны.
249
За рубежом перспективным электровакуумным прибором для
генерации помех первого типа явился барратрон — генератор «бе-
лых» (широкополосных) шумов большой мощности (сотни ватт).
Разработка барратрона (1959 г.) явилась результатом поисков
специальных генераторов, приспособленных для целей РПД. Гене-
раторные каскады, разрабатываемые для радиолокационных стан-
ций, обычно бывают негодны для постановки заградительных по-
мех, поскольку они по своей конструкции и назначению имеют вы-
сокую стабильность частоты и малую диапазонность. Поэтому для
станций заградительных помех оказалось целесообразнее разраба-
Рис, 7.1. Структурная схема станции маскирующих помех
тывать специальные генераторы с высоким уровнем собственных
шумов и малой стабильностью частоты. Таким образом, вместо
расширения диапазона частот магнетронных генераторов путем мо-
дуляции напряжения питания, вызывающей выбег частоты, был
создан специальный магнетрон с высоким уровнем собственных шу-
мов в широкой полосе частот, что привело к значительному упро-
щению передатчика заградительных помех.
По утверждению американских специалистов, эффективная
мощность шумов барратрона на порядок превосходит мощность
магнетрона с теми же габаритно-весовыми характеристиками. Лам-
па .изготовляется в двух вариантах: с фиксированной настройкой
и с плавной перестройкой по частоте. С 1959 г. изготовлено 18 ти-
пов барратронов, перекрывающих в совокупности спектр частот от
дециметрового диапазона до коротковолнового участка сантиме-
трового диапазона. Барратроны обеспечивают достаточно высокую
плотность мощности заградительных помех в самолетных передат-
чиках.
Структурные схемы станций модулированных маскирующих и
дезинформирующих помех представлены на рис. 7.1 и 7.2.
Основными элементами станции модулированных маскирующих
(шумовых) помех являются: антенны (приемная и передающая),
приемник, анализирующее устройство и передатчик с модулято-
250
рами и системой настройки. Приемник станции служит для уси-
ления сигналов РЛС с последующим измерением их параметров в
анализирующем устройстве. В результате анализа принятых сигна-
лов принимается решение на выбор РЛС в качестве объекта по-
давления. По измеренной частоте сигнала настраивается передат-
чик помех. С помощью модуляторов (амплитудных, частотных, фа-
зовых) формируется спектр высокочастотных колебаний помехи.
В станции заградительных помех система настройки передатчика
значительно упрощается и может вообще отсутствовать.
_______________________________________________________________________________________________________J
Рис. 7.2. Структурная схема станции дезинформирующих помех
Станция дезинформирующих помех (рис. 7.2) строится в общем
случае по принципу многокаскадного усиления, компенсирующего
потери сигнала в устройствах фильтрации и задержки. Парал-
лельно включается анализирующее устройство, вырабатывающее
сигналы управления для выбора соответствующего сигнала РЛС
с выхода фильтрующей системы. Для создания серии отметок на
ложных дальностях применяется система задержки, управляемая
от модулятора задержки. Имитация сигналов РЛС по величине
ЭПР и допплеровской частоте обеспечивается модуляторами ам-
плитуды и частоты. В простейших схемах станции дезинформирую-
щих помех система фильтрации отсутствует.
В станциях дезинформирующих помех могут использоваться
также системы запоминания частоты. Так, сообщалось о создании
задерживающих ретрансляторов на основе твердых схем с усили-
телями на туннельных диодах. Усилители, охваченные задержан-
ной обратной связью, способны «захватывать» принятый сигнал,
т. е. генерировать помеху на частоте, близкой к частоте принятого
сигнала, в течение достаточно длительного времени.
Задерживающие ретрансляторы характерны тем, что время за-
поминания (или «захватывания») принятого сигнала значительно
превышает длительность задержки в системе обратной связи.
251
Некоторые другие варианты станций помех иллюстрируются
на примере нескольких помеховых устройств, запатентованных в
США.
Станция ответных радиопомех, построенная по принципу пря-
мого усиления шумов, представлена структурной схемой рис. 7.3,
Станция содержит: шумовой источник, нормально запертый уси-
литель на ЛБВ, антенную систему (включающую собственно антен-
ну, антенный переключатель и ВЧ фильтр), детекторный приемник,
устройство формирования видеоимпульса, управляющее работой
усилителя.
Рис. 7.3. Структурная схема станции ответных помех по дальности
Устройство формирования состоит из импульсного видеоусили-
теля и схемы задержки. Видеоимпульсы формируются в ответ на
принятый импульс РЛС и используются в качестве стробирующих
импульсов, отпирающих ЛБВ, когда широкополосный шум, усилен-
ный ЛБВ, должен излучаться передающей антенной. Время излу-
чения шумового сигнала соответствует длительности импульсов по-
давляемой РЛС. Приемная антенна сигналов облучающей РЛС
подключена к детекторному приемнику через антенный переклю-
чатель и полосовой фильтр. Антенный переключатель в схеме не-
обходим для разделения во времени принятых и передаваемых сиг-
налов. Полосовой ВЧ фильтр служит для передачи на вход прием-
ника радиосигналов только заданного частотного диапазона. Как
показано на схеме, сигнал с выхода детекторного приемника по-
дается на импульсный усилитель и на схему задержки. Схема за-
держки может быть регулируемой для обеспечения переменных за-
держек выходных сигналов по отношению к радиоимпульсам на
входе приемника с целью имитации дополнительного движения
истинной цели.
Стробирующие видеоимпульсы со схемы задержки модулируют
ток электронного пучка ЛБВ. Усиленный высокочастотный шум с
выхода ЛБВ поступает на передающую антенну. Данная станция
радиопомех создает дезинформирующие помехи импульсным РЛС
с простыми сигналами. Принцип построения такой станции помех
достаточно универсален. Так, формирование широких стробирую-
щих импульсов на передачу позволяет создавать маскирующую шу-
252
мовую помеху на произвольном интервале дальностей за постанов-
щиком помех.
Существует ряд способов формирования широкополосной по-
мехи с помощью узкополосного источника шума. Один из вариан-
тов построения станции широкополосных радиопомех (рис. 7.4) ос-
нован на применений ВЧ усилителя (ЛБВ) с обратной связью
в виде линии задержки. Узкополосный шумовой сигнал с выхода
карцинотрона на частоте f0 с полосой Af усиливается на ЛБВ, где
одновременно смещается по частоте на величину Af.
Генератор
напряжения
пилы
частоты Af
ЛБВ
Карцинотрон
Линия
задержки
Рис. 7.4. Структурная схема генератора широкополосной
помехи
Часть выходного сигнала, смещенного по частоте, через линию
задержки подается обратно на вход, где происходит сложение с
входным узкополосным сигналом. Суммарный сигнал вновь сдви-
гается по частоте. Этот процесс рециркуляции и. суммирования по-
вторяется .многократно до тех пор, пока на входе системы не
сформируется спектр помехи необходимой полосы.
В рассмотренной схеме сдвиг частоты Af производится путем
пилообразной модуляции по спирали ЛБВ напряжением часто-
ты Af.
Описанный процесс расширения спектра идет непрерывно, и
после многих повторений в системе устанавливается стационарное
состояние. Например, ширина спектра составляет 200 Мгц на цен-
тральной частоте 9200 Мгц (при Af=10 Мгц и fo=9OOO Мгц).
В другом варианте частота f0 смещается с помощью балансного
генератора. Принцип смещения частоты вытекает из анализа струк-
турной схемы рис. 7.5, состоящей из балансных смесителей, фазо-
вращателей, сумматора и генератора частоты Af.
253
Принцип действия станции перестраиваемых по частоте шумо-
вых помех проще всего пояснить на примере станции с механиче-
ской настройкой передатчика на частоту принимаемого сигнала.
Механическая настройка применялась в первых образцах станций
непрерывных прицельных помех.
Особенностью работы таких станций помех является наличие
режима коммутации на излучение и прием сигнала. Если частота
РЛС изменяется, система начинает поиск, чтобы подавить РЛС на
новой частоте.
Рис. 7.5. Структурная схема балансного генератора для смещения частоты
Структурная схема автоматической станции помех с механиче-
ской настройкой представлена на рис. 7.6.
Станция радиопомех состоит из приемнйка, передатчика и схе-
мы управления.
Приемник супергетеродинного типа состоит из смесителя, УПЧ,
детектора, видеоусилителя и фильтра НЧ цепи задержки. Прием-
ник перестраивается синхронно с передатчиком с помощью гене-
ратора качающейся частоты (перестраиваемого, например, изме-
нением емкости конденсатора колебательного контура).
Контуры гетеродина и передатчика перестраиваются одним и
тем же устройством. При появлении сигнала на выходе приемника
перестройка прекращается и автоматически включается передат-
чик на излучение помехи. В это время приемник закрыт. Для кон-
троля частоты сигнала приемник периодически открывается. При-
емник и передатчик коммутируются с помощью схемы управления,
которая одновременно регулирует величину задержки.
Недостатком рассмотренной системы, как и любой системы с
механической настройкой, является сравнительно медленный по-
254
иск частоты и малое быстродействие схемы настройки передатчика.
С появлением мощных генераторных ламп с электронной пере-
стройкой частоты в широких пределах (магнетронов с обратной
волной, ЛОВ) станции помех усовершенствовались: время настрой-
ки вместо 0,1—0,01 сек стало измеряться десятками и единицами
микросекунд.
Действительно, скорость электронной перестройки частоты ЛОВ
достигает сотен Мгц/мксек. При этом скорость перестройки частоты
в станции радиопомех ограничивается не возможностями лампы,
Рис. 7.6. Структурная схема автоматической станции помех
а быстродействием работы модуляторов и характеристиками
приемно-измерительных устройств (числом каналов приема, чув-
ствительностью и полосой пропускания каждого канала).
Как показали исследования, максимальная скорость перестрой-
ки гетеродина приемника Vf определяется полосой пропускания
AFnp приемника станции радиопомех и ограничивается заданной
степенью снижения его чувствительности.
Так, для колоколообразной характеристики УПЧ приемника [36]
vf«irAFn2p.
Увеличение точности измерения частоты подавляемой РЛС тре-
бует уменьшения полосы пропускания приемника, но при этом ско-
рость перестройки частоты падает, что приводит к снижению бы-
стродействия,
255
В поисковых системах разведки частота измеряется, как пра-
вило, с помощью супергетеродинных приемников, в которых произ-
водится электронная перестройка гетеродинов. В станциях помех
функции гетеродина могут совмещаться с функциями перестраи-
ваемого генератора помех. В многоканальных системах время раз-
ведки и настройки частоты значительно сокращается.
Антенна
Рис. 7.7. Структурная схема ретранслятора
Станции дезинформирующих помех, использующие принцип
приема и переизлучения (ретрансляции) сигналов РЛС с наделе-
нием их помеховой модуляцией, относятся к классу ретранслято-
ров. Рассмотрим один из ретрансляторов с усовершенствованной
системой задержки и размножения ретранслируемых импульсов в
ответ на принятый. Ретранслятор состоит из приемно-передающей
антенны супергетеродинного приемника, преобразователей частоты,
линии задержки и схемы восстановления принятого и преобразо-
ванного в промежуточную частоту сигнала РЛС (рис. 7.7).
Коммутация режима приема и излучения ретранслятора произ-
водится с помощью схемы диодного ключа (работающей по видео-
импульсу принятого сигнала) и синхронизатора.
256
Преобразование частоты необходимо в связи с тем, что в боль-
шинстве случаев для создания помех по дальности применяются
линии задержки, работающие на относительно невысоких частотах
(до 20 Мгц). Схема ВЧ восстановления работает таким образом,
что сигнал промежуточной частоты с выхода линии задержки сме-
шивается с сигналом того же гетеродина, который использовался в
схеме прямого преобразования частоты.
Задержанный ВЧ сигнал с выхода преобразователя частоты до
подачи на ответвитель может быть дополнительно усилен.
Рис. 7.8. Устройство линии задержки с электрической схемой
Задержка и размножение импульсов на промежуточной частоте
осуществляются на пьезоэлектрическом преобразователе, помещен-
ном в жидкость. В жидкости по линии распространения акустиче-
ских колебаний помещено некоторое количество отражателей. Ко-
лебания, распространяющиеся от преобразователя, отражаются от
преобразователей, возвращаются снова к преобразователю, где
восстанавливаются в радиоимпульсы промежуточной частоты. За-
держка импульсов зависит от параметров жидкости и расстояния
между преобразователем и отражателем. Устанавливая отража-
тели на различных расстояниях и используя многократные отра-
жения, можно получить последовательность радиоимпульсов в от-
вет на каждый принятый сигнал.
Передвижение ложных целей имитируется изменением расстоя-
ния распространения акустических колебаний в линии задержки.
Линия задержки состоит из сосуда 1 (рис. 7.8) с жидкостью 3,
в который опускается электромеханический вибратор 2 с отража-
телями (биметаллические пластинки) 4, 5, 6. Через отражатели пе:
риодически пропускается ток. Под воздействием тепла пластинки
257
, । <! ...... и й toll hw in nil'll i'’lii liiiiiitfll i'I in uTlii
изгибаются, что приводит к изменению расстояния от пластинок до
преобразователя. Температура жидкости может регулироваться.
Помеховые сигналы создаются в ответ на приходящие импуль:
сы. Принятый сигнал, несущая которого преобразуется в проме-
жуточную частоту во входном преобразователе, поступает на квар-
цевую пластину вибратора 2. Под воздействием поступающих
импульсов кварцевая пластина начинает колебаться, образуя после-
довательность импульсов, распространяющихся со скоростью зву-
ка. После падения на отражатели импульсы ультразвуковой
частоты возвращаются обратно к кварцевой пластине. Форма им-
пульса выбрана такой, что максимальное усиление в усилителе про-
исходит в конце импульса, чтобы компенсировать участок спада,
полученный в результате ослабленного отражения. Флюктуации
формы импульса, подобные реальным, имитируются модуляцией
электронагревательного элемента. Синхронизатор в схеме рис. 7.8
обеспечивает работу станции при одной приемно-передающей ан-
тенне (на время излучения помехи приемник закрыт).
Упрощенная структурная схема станции ответных радиопо-
мех, создающих ложные отметки по дальности, изображена на
рис. 7.9.
Входные сигналы принимаются антенной и поступают на при-
емник, перестраиваемый в пределах заданного диапазона частот
(100—600 Мгц). Частота сигнала, принятого приемником, преобра-
зуется в промежуточную с помощью перестраиваемого гетеродина
(30—530 Мгц). Сигналы промежуточной частоты 70 Мгц после
УПЧ и линии задержки подаются на усилитель-формирователь им-
пульсов, который отрегулирован так, чтобы амплитуда и форма
помеховых сигналов были близкими к амплитуде и форме сигна-
лов, регистрируемых приемником. Эти импульсы передаются затем
на передатчик, где они восстанавливаются до частоты принятых
сигналов путем смешения с сигналом местного гетеродина, после
чего сформированные помеховые сигналы подаются на антенну для
переизлучения. Цепь подстройки передающей антенны связана с
механизмом перестройки гетеродина. Для принимаемых сигналов
нет необходимости в точной настройке приемной антенны. Доброт-
ность приемной антенны загрубляется резистором, что дает воз- ,
можность осуществлять прием в довольно широком диапазоне.
Для предотвращения обратного воздействия излучаемых сигна-
лов на собственный приемник в схеме предусмотрено бланкирова-
ние приемника на время излучения. Задающие сигналы синхро-
низации бланкирующих цепей формируются в передатчике.
В ответ на каждый принятый сигнал излучается серия импуль-
сов, задержанных во времени. Вследствие повторения серии им-
пульсных сигналов ложные сигналы будут распределены не только
позади, но и впереди истинного отраженного импульса в течение
всего времени, пока радиолокатор работает с фиксированными па-
раметрами. Конечно, если частота повторения меняется, может ока-
заться возможным определять истинный сигнал потому, что он бу-
дет изменять свое положение относительно сигналов помехи. Однако
258
259
iliii III
многие из существующих радиолокаторов работают с фиксиро-
ванной частотой повторения, и в этих случаях система противо-
действия, описываемая здесь, достаточно эффективна. Устройство
задержки может представлять собой систему задерживающих
устройств с различной временной настройкой.
Задерживающее устройство представляет собой ультразвуковую
линию задержки с отводами. На входе линии имеется пьезоэлек-
трический преобразователь. Отводы также имеют пьезопреобразо-
ватели. Часть отводов снабжена выключателями, которые могут
управляться извне в зависимости от необходимой длительности по-
меховой пачки. Они могут располагаться вдоль линии случайно.
Нерегулярное расположение интервалов задержки затрудняет се-
лекцию ложных отметок.
В некоторых случаях может оказаться желательным переда-
вать импульсы, значительно превосходящие по амплитуде отражен-
ные сигналы, с целью их подавления на экране радиолокатора. При
этом возможен более простой вариант передатчика помех. В схеме
такого варианта сигналы, принятые антенной, поступают на вход
приемника и после задержки — на передающее устройство. Линия
задержки регулируема, так что сигналы, принятые антенной, мо-
гут быть повторены через заданный промежуток времени после их
приема. Поскольку блокирующая цепь между передатчиком и при-
емником не предусмотрена, то сигналы передающей антенны посту-
пают на приемную антенну и вновь, через заданное время задерж-
ки, переизлучаются. Таким образом, система создает серию ответ-
ных сигналов, отстоящих друг от друга на время, определяемое ве-
личиной задержки в линии. Если необходимо, приемник на время
излучения может быть закрыт специальным сигналом передат-
чика. f
На экране радиолокатора импульсные помеховые сигналы |
имеют значительную длительность, в результате чего они полно- :
стью подавляют сигналы, отраженные от действительной цели.
7.3. Модуляция помеховых сигналов
Применяются три вида модуляции шумовых помех: амплитуд-
ная, частотная и фазовая. Возможны также комбинации видов
модуляции в разных вариантах. В общем случае модулированный
высокочастотный сигнал передатчика радиопомех записывается сле-
дующим образом:
x(t) = An(t)cos[<o0t + <Pn(t)L [7.1]
где Ап и фп — амплитуда и фаза высокочастотного колебания на
несущей частоте w0.
Для безынерционного амплитудного модулятора связь между
амплитудой и модулирующим напряжением Ua дается соотноше-
нием
Ап == Ао + ДА (UA), [7.2]
260
где ДА (UA) —флюктуации огибающей в функции от модулирую-
щего напряжения Ua;
АО = Е(АП)—математическое ожидание огибающей.
В случае совместной фазо-частотной модуляции фаза
t
<Fn(t) = fW+ f <» (ич) dt + [7.3]
6
где — случайная начальная фаза;
иф, U4 —модулирующие напряжения по фазе и частоте;
f(LLj>),<»(U4)—фаза и частота в функции от модулирующих на-
пряжений.
При работе на линейных участках модуляционных характери-
стик запись х(0 для независимых модуляций упрощается:
х (t) = Ап (t) cos
М + кфиф(9 + кч J U4 (t) dt
О
(7.4)
где кф, кч — коэффициенты пропорциональности.
Выбор оптимальных видов и параметров модулирующих про-
цессов определяется условиями создания наибольшего маскирую-
щего эффекта.
В теории информации мерой маскирующих свойств шума яв-
ляется величина его энтропии, определяющей степень неопределен-
ности или хаотичности, вносимой шумами в каналы передачи ин-
формации. При заданной плотности мощности помехового процесса
наибольшими маскирующими свойствами обладает «белый» шум
{внутренний шум радиотехнических устройств) с нормальной мно-
гомерной функцией распределения вероятностей.
Для получения помеховых процессов с энтропией, максимально
приближающейся к энтропии белого нормального шума, необхо-
димо выполнение, по крайней мере, следующих двух условий:
— ‘ выборки помехового процесса, следующие через интервал,
равный постоянной времени фильтра приемника, должны быть не-
зависимыми;
— энтропия каждой из выборок должна быть максимально
большой. -
Энтропия Н выборочного значения случайной величины х одно-
значно определяется одномерной плотностью распределения ве-
роятностей р(х):
со
Н = — J р (х) In р (х) dx. [7.5]
Можно показать, что при заданной мощност!г Рп амплитудно-
модулированной помехи x(t)=An(t) cos (wot + q/) наибольшая
261
энтропия выборочных значений помехи обеспечивается в случаере-
леевской плотности вероятностей огибающей
А / А2 \
W(An) = ^exp^^,
Н = 4 [In (2кРп) + 1].
Применяемые на практике нормальные модулирующие шумы ‘
вызывают снижение энтропии по мере уменьшения эффективного
коэффициента модуляции. С другой стороны, рост дисперсии мо- _
дулирующих шумов неизбежно приводит к ограничению амплитуды г.-
помехи из-за нелинейности модуляционной характеристики выход-
ных каскадов передатчиков. Существует оптимальное значение
дисперсии модулирующих шумов, обеспечивающее максимальный
эффект маскировки. Для передатчиков с ограниченной мощностью
максимальную энтропию помехи обеспечивают модулирующие
шумы с плотностью распределения вероятности, близкой к равно-
мерной.
При амплитудной модуляции существует принципиальная труд-
ность обеспечения первого условия эффективности маскировки (не-
зависимость выборок) в связи с наличием регулярной составляю-
щей (несущей) процесса мощностью Ро = О,5А^. Отношение мощ-
ности регулярной составляющей Ро к полной мощности помехи Рп
составляет:
— для нормальных слабо ограниченных модулирующих шумов
(с вероятностью превышения уровня ограничения менее 5%) око-
ло 80%;
— для равномерно распределенных модулирующих шумов око-
ло 75%.
Наличие высокого уровня регулярной составляющей представ-
ляет собой один из основных недостатков амплитудно-модулиро-
ванной помехи. Снижение уровня несущей достигается:
— компенсацией несущей путем применения балансных моду-
ляторов;
— сочетанием амплитудной модуляции с угловой (фазовой или
частотной).
При малой глубине амплитудной модуляции спектр помехи
Fn(<*>) = 2z Ро8 (to — о)0) + PmFM (о)0 — <*)),
где FM(o)0—“О — нормированный спектр модулирующих шумов;
Рш — мощность шумовой составляющей помехи;
8 (о) — о)0) —дельта-функция;
Ро — мощность регулярной составляющей (на несу-
щей частоте).
Спектр помехи симметричен относительно несущей частоты. По-
лоса помехи равняется удвоенной ширине спектра модулирующих
шумов. При увеличении глубины модуляции, когда наступают эф-
262
i1 । ,lii । * л11и -f1'1
фекты ограничения и перемодуляции, спектр помехи слегка рас-
ширяется за счет появления комбинационных составляющих. Итак,
спектр амплитудно-модулированных шумов целиком определяется
спектром модулирующих шумов.
Первоначально амплитудно-модулированные помехи формиро-
вались на магнетронах и триодах. Появление широкополосных
электровакуумных приборов типа ЛОВ и ЛБВ позволило созда-
вать помеху с угловой модуляцией, спектр которой значительно
превышает по ширине спектр модулирующих шумов.
Общее выражение корреляционной функции стационарной по-
мехи с угловой модуляцией имеет вид
В (т) = Рп Е [cos Дф (т)] cos [7.6]
где А<р(т) =<pn(t+x)—<pn(t)—разность фаз, отстоящих на интер-
вал т, и характеризующаяся дисперсией af,
Е(х) —математическое ожидание величины х.
Для фазо-модулированной помехи в случае нормальных моду-
лирующих шумов нетрудно получить
В (т) = Рп ехр (-cos wot, [7.7]
’1 = ’2Ф[1-ИфШ [7.8]
где —дисперсия фазы помехи;
Рф(т)—коэффициент автокорреляции модулирующего про-
цесса.
Из формул [7.7] и [7.8] следует, что фазо-модулированная поме-
ха содержит регулярную составляющую на несущей частоте соо
(1 2 \
—2-аФ/> К0Т0Рая монотонно снижается с ро-
стом Оф. При аф>2 ее мощность не превышет 15% от полной мощ-
ности помехи.
Другой крайний случай — фазовая модуляция помехи идеально
ограниченными шумами. При уровне ограничения фо мощность ре-
гулярной составляющей
-g-Pn(l +соз2ф0)
обращается в нуль при ф0 = -^-.
В случае периодической фазовой модуляции синусоидальным
колебанием с индексом модуляции ₽ помеховый сигнал расклады-
вается в ряд по функциям Бесселя m-го порядка Jm(p)
, СО
x(t)=An(t) 2 Jm (?) cos (“ot + m 2t + ф'),
Ш=—*oo
где р — отношение максимальной девиации частоты к частоте мо-
дуляции Й.
263
л Ак '<"i' । 1 11
Мощность m-й спектральной линии помехи равна J2 (р), при- .
чем :
©О
2 ^ (?) = !•
Ш — — ео
Дисперсия разностной фазы Дср(т) частотно-модулированной по- 1
мехи
т
Л =.2 f (т - z) R4 (z) dz, [7.9]
6
где R4(z) — автокорреляционная функция частотной девиации ы.
Для экспоненциальной автокорреляционной функции модули-
рующего процесса R4 (?) = а2 ехр (— FM | т |) из [7.9] следует
а2
°! = 2 [“Р (~ FM | г |) + FM | т| - 1].
гм
Отношение эффективной девиации частоты сч к ширине спектра
модулирующих шумов FM называется эффективным индексом ча-
стотной модуляции рэф. Соответствующая огибающая Рп • Е (cos Дер)
автокорреляционной функции помехи имеет следующее выра-
жение
Рп-ехр { - ?2ф [exp (-FM|r|) + FM|т| - 1].}. [7.10]
Отсюда следует, что регулярная составляющая помехи (на несу-
щей частоте) в случае частотной модуляции отсутствует.
При узкополосной частотной модуляции (т. е. при ₽Эф^>1)
энергетический спектр помехи совпадает по форме с одномерной
плотностью вероятностей модулирующих шумов, а эффективная *
ширина спектра составляет 2ач.
Проследим, как уменьшается ширина спектра при снижении
индекса частотной модуляции. Для этой цели воспользуемся выра-
жением [7.10]. Определим ширину спектра помехи ДЕИ как вели-
чину, обратную времени автокорреляции тк помехи, в следующем
неявном виде:
exp (— FMxK) + FMxK — 1 = 1/р’ф.
. Зависимость AFn/FM от [Зэф представлена на рис. 7.10. При
Рэф<С1 полоса спектра помехи сужается до Рмр2ф. В соответст-
вии с [7.5] величина энтропии частотно-модулир.ованной помехи
мала, так как ее одномерная плотность вероятностей сильно отли-
чается от нормальной. По этой причине для повышения ее эффек-
тивности частотную модуляцию помехи хаотическими шумами ча-
сто применяют в сочетании с амплитудной. В результате каждая
составляющая спектра помехи получает дополнительные боковые
264
полосы. Однако такое сочетание не всегда соответствует широкопо-
лосному «белому» шуму.
Для борьбы с комбинированными частотно- и амплитудно-мо-
Аудированными помехами в состав приемника РЛС могут быть
включены специальные устройства обработки сигналов, в которых
используются специфические свойства таких помех для уменьшен
ния их эффективности. В частности, сообщалось, что в США прово-
дятся работы по применению приемника «Дике» для повышения
Рис. 7.10. Зависимость нормированной полосы
помехи от эффективного индекса частотной моду-
ляции
помехоустойчивости РЛС, в котором используется «широкополос-
ное усиление и процесс насыщения предварительного ограничи-
теля».
Для получения эффективной помехи необходимо, чтобы полоса
ее частотной модуляции FM превышала полосу пропускания прием-
ника AFnp. В противном случае ЧМ-помеха создает на выходе
приемника последовательность импульсов, в промежутках между
ними может просматриваться полезный сигнал.
При воздействии модулированных шумовых помех на узкопо-
лосные приемники (с полосой AFnp), т. е. при выполнении условий
AFn/AFnp^> 1 и AFM/AFnp>l, происходит взаимное наложение
большого числа независимых значений шумового процесса, отстоя-
щих друг от друга на интервале времени, меньшем постоянной вре-
мени фильтра. При этом в силу центральной предельной теоремы
теории вероятностей процесс на выходе фильтра приближается к
нормальному, и тогда воздействие помехи на линейный приемник
по своему характеру не отличается от воздействия белого шума с
эквивалентной спектральной плотностью Nnp.
265
Таким образом, при наличии внешних помех отношение сигч
нал/шум приобретает вид
___ Ес 4
q~Nm+Nnp’ J
где Ес—энергия сигнала на входе приемника;
Ыш — спектральная плотность собственных шумов, приведен- i
ная ко входу приемника; <
Nnp—эквивалентная спектральная плотность мощности шу-
мовой помехи, приведенная ко входу приемника РЛС. -
Эквивалентная, или эффективная, спектральная плотность Nn[
стационарной шумовой помехи определяется из условия равенства I
выходных эффектов от воздействия помехи со спектром PnSn(o)) и
белого шума плотностью мощности
Nnp = 0,5NX, [7.11]
<50
х==4г f Sn(«)|K(>) I2d«, <
— оо Г
р
где N = — приведенная плотность мощности идеальной при- >
цельной помехи с шириной спектра, равной эффек- -'
тивной полосе пропускания приемника AFnp,
оо
ДРпр = AFn = ± J !K(j<o)|2do>;
— оо
|К(]*<*>)| —модуль передаточной функции линейной части прием-,
ника;
Рп — мощность помехи на входе приемника;
X— поправочный коэффициент, или коэффициент потерь
помехи в тракте приемника, учитывающий отличие при-
меняемой помехи от идеальной;
Sn(«>) — нормированный спектр помехи^
оо
4г J Sn(<o)dw = l.
~ оо
Представляет интерес рассчитать величину потерь применительно
к приемникам длинноимпульсных сигналов с широкополосной мо-
дуляцией — линейно-частотной и фазо-кодовой.
Оптимальный фильтр приемника сигналов с линейно-частотной
модуляцией имеет частотную характеристику, близкую к прямо-
угольной. Это следует из того, что спектр импульса с линейной ча-
стотной модуляцией по мере увеличения коэффициента сжатия
/ Дрпр
непрерывно выравнивается в пределах полосы от г0--------до
AFnp
f04—2“, резко спадая на границах полосы. При коэффициенте
266
сжатия kc»=10 в пределах данной полосы заключено 95% всей
энергии сигнала, при ксж=100 — более 98%. Это позволяет приме-
нить прямоугольную аппроксимацию частотной характеристики
фильтра.
Рассмотрим гауссову функцию спектральной плотности помехи
S„(«>)=ri-exp
пр
[7.12]
где Ап— отношение эффективной ширины спектра помехи
AFn к полосе пропускания приемника AFnp;
Л 2
Др = др----расстройка частоты помехи, нормированная к по-
лосе AFnp.
Для данной функции Sn(o>) из [7.11] следует формула поправоч-
ного коэффициента х в функции от Ап и АР
|7ДЗ)
X
где Ф(х) = у'— j ехР ( —т)— интеграл вероятности.
Для каждой фиксированной расстройки Ар существует опти-
мальное значение ширины спектра помехи
д = 1/ 2-др ZZZ
п-°пт у in (2Др + 1) — 1п (2Др — 1)"
При Ар>2 зависимость Ап.опт(Ар) хорошо аппроксимируется
формулой
Ап. опт Г 2w Ар.
Соответствующие значения коэффициента х=Хмакс в функции
от фиксированной расстройки Ар рассчитываются [7.13]. Графики
Хмакс(Ар) легко пересчитываются в графики Хмакс(ар), характе-
ризующие влияние случайной расстройки с дисперсией а* на сни-
жение уровня помех в приемнике. Зависимости Хмакс(аР) приве-
дены на рис. 7.11 и построены для следующих уровней ве-
роятности превышения коэффициента потерь Хмакс: р = 68°/о и 95%
в случае нормального распределения расстроек и р = 100% для
прямоугольной функции распределения расстроек.
В соответствии с выражением оптимального фильтра приемника
сигналов с фазо-кодовой модуляцией и записью кодированного
сигнала оптимальный фильтр приемника можно представить в
виде последовательного соединения фильтра, согласованного с эле-
ментарным импульсом ас (t) cos <oot, и сумматора с п входами от
линии задержки. Для гауссовой формы спектра элементарного
267
импульса коэффициент потерьд с ошибкой порядка
Г
запи-
сывается в виде
Рис. 7.11. Коэффициент потерь помехи в приемнике в функции от среднеквадра-
тической расстройки ар при заданной вероятности превышения соответствую-
щего уровня потерь:
/ — нормальная плотность вероятностей расстройки для Ю 1g X макс (ар ) при вероятности
0,68; 2—нормальная плотность вероятностей расстройки для 10 1g ^макс (бр) при вероятно-
сти 0,95; 3— прямоугольная функция плотности вероятностей, р=1,0 (в скобках помещены
оптимальные значения ширины спектра помехи Лп опт)
Оптимальная шйрина спектра Дп. опт = V— 1 , т. е. мало
отличается от Дп. опт в случае помех приемнику ЛЧМ-сигналов. За-
висимости %макс от. Др и ар для помех приемникам ЛЧМ- и ФКМ-
сигналов практически совпадают.
Фазо-модулированную помеху, создаваемую путем ретрансля-
ции сигнала, удобно представить в виде
х (t) = Ап ас (t) cos [о)01 + 2t + срс (t.) + Афп (t) + Ч>'),
где Асрп-—сдвиг фазовой модуляции помехи, а начало отсчета вре-
мени (t=0) соответствует положению фазового центра антенны
станции помех. < - .
268
Исходя из общей записи оператора оптимальной фильтрации,
отношение помеха/сигнал можно представить как результат усред-
нения выходного эффекта по случайной фазе Дсрп:
2 °°
Т = IfЭс Эс Эс (и ~ Эс (v “ х
— оо
X Е {cos [Асрп (и) — Дсрп (v)]} cos [Й (и — v) +
+ <Рс (и) — <Рс (v) — <Рс (и — t) + <рс (v — t)] du dv. [7.14]
Для приемника сигнала с линейно-частотной модуляцией прямо-
угольного радиоимпульса из [7.14] следует приближенное выра-
жение
f _PnS (2^Q ч- 7t)__ NA
q 2EC 11 Ти P
где
Y =
1 Ти ’
Рп=4-Лп>
Н1<ти,
ТИДРМ»1;
S (2я2 + ft) — нормированный спектр фазо-модулированного
колебания cos (wot + A<pn), смещенный на вели-
чину шо в начало оси частот;
4FM— ширина спектра модулирующих шумов.
Следовательно, эквивалентная спектральная плотность ретранс-
ляционной помехи
Nn=4p"s<2x2+
Для фазо-кодового приемника точная запись Nn сложна и
определяется конкретным кодом сигнала.
Приближенное выражение
Nn»4-pns(2,c2)(1-Tr)
справедливо для больших индексов модуляции помехи при
1
ДРпр •
T„AFM>1, ти
269
7.4. Влияние активных помех на снижение дальности
действия РЛ С
Мощность помех от m внешних источников на входе приемника
РЛС равна
р.,“1^А,Р(₽„ .,)7,L.p
где РП|. — мощность i-ro передатчика помех;
Gni—коэффициент усиления антенны i-й станции помех;
Rni—расстояние между i-м источником помех и РЛС;
F (?i> si)—коэффициент направленного действия приемной ан-
тенны РЛС, нормированный к его максимальному
значению, в функции от угловых координат ft, si
источника относительно оси антенны;
•у.—коэффициент поляризационных потерь помехи, учиты-;
вающий несовпадение поляризации i-й антенны стан-
ции помех и РЛС;
Lni—коэффициент потерь помехи при распространении в
атмосфере и плазме, окружающей источник.
Исходя из введенного выше понятия эквивалентной плотности
мощности помехи Nn и коэффициента потерь %, суммарную плот-
ность мощности внешних источников помех и внутренних шумов
РЛС, приведенную ко входу приемника, можно рассчитать по фор-
муле
m N
N!=N"+144'4;A'Fff" [n5i:
i=l
где Nni — эквивалентная плотность мощности i-ro передатчика ра-
диопомех.
С помощью формул [1.28] и [7.15] можно записать отношение
сигнал/шум по одному импульсу в присутствии помех
__ Ррлс ^РЛС ТиСср Lc (7 161
4 (7]щ + mN0 hm)
m
"Ж;.
i=l x 7
4яЫшК;?
где У)ш = —д— имеет смысл плотности мощности источника
помех, эквивалентного собственным шумам приемника (эквива-
лентный источник размещается на прикрываемой цели);
No — нормирующая величина плотности мощности (среднее ариф-
метическое от плотности m источников);
270
hm — результирующий (средний) коэффициент потерь помехового
сигнала, определяемый условиями распространения СВЧ-
колебаний.
Для упрощенных расчетов в задачах радиопротиводействия при
интенсивных помехах часто применяется приближенная формула
вычисления величины сигнал/шум (при Ru/Rni~l):
РРЛС °РЛС gcp Lc jy
4t:Ru AFni AfnpF(?i- ei)tiLni
Расхождение в точности определения q по формулам [7.16] и
[7.17], как правило, не превышает 3 дб.
Коэффициент*уменьшения дальности действия РЛС nR в усло-
виях помех (табл. 7.2) определяется как отношение дальности R42
Таблица 7.2
Коэффициент снижения дальности действия РЛС (nR, дб)
mhm No, вт/Мгц 1/2 10-1 10~2 ю-з 10~4 Ю~5
72 —10 — 7 — 2
2 -13 — 10 — 5 — 1 — ——
5 —15 -12 — 7 — 2 — —
20 — 18 — 15 —10 — 5 — 1 —
50 —20 -17 —12 — 7 — 2 —
200 —23 —20 —15 —10 — 5 — 1
500 — —22 —17 —12 — 7 -2
5000 — —27 —22 —17 -12 —7
при действии помех к дальности Rm в нормальных условиях, т. е.
в отсутствии внешних источников. В таком случае для получения
п₽ достаточно приравнять друг к другу значения отношений сиг-
нал/шум [7.16] при наличии (Ыо¥= О) и отсутствии (No = O) внешних
помех.
Тогда ।
4 = =--------47tNul- ь- • [7.18]
4rtNm + mN0Ar -%
Ru2
Из [7.18] следует
[7.19]
271
где
2 __ 4я Иц[
к» - mNohmAr •
Пример расчета Пв по формуле [7.19] приведен на рис. 7.12 для .•
R«i
следующих параметров: Nm=10-14 вт/Мгц, -д- =16- 109 (Rm =
=4000 км, Аг= 1000 м2).
Рис. 7.12. Коэффициент снижения дальности действия РЛС в условиях актив-
ных помех (No [вт/Мгц], nR [дб])
Для интенсивных внешних помех, когда 7]lu<CmNohn], из [7.18]
и [7.19] получается nR«nRo.
Уменьшение радиолокационного сечения цели в к, раз при-
водит к дополнительному снижению коэффициента nR в V к3 раз,
результирующий коэффициент при этом составит nR]/"k3 .
Влияние дезинформирующих помех на приемник РЛС можно
оценить следующим образом.
Отношение q мощности сигнала, отраженного от цели, к мощ-
ности сигнала однократной дезинформирующей помехи на выходе
Приемника РЛС отличается от отношения соответствующих мощно-
стей на входе приемника поправочным множителем Ь, учитываю-
щим потери сигнала помехи в приемнике, вызванные искажения-
ми радиосигналов в каналах усиления и задержки станции помех.
Поэтому величина
•---РрлсЯрлс^е----- [7 20]
4 ,4zR^F(P, e)PnGnLnbf 1 J
272
При использовании ретранслятора в качестве источника дез-
информирующих помех величина ЭПР, имитируемая в линейном
)ежиме работы станции радиопомех на ЛБВ, рассчитывается по
)Ормуле (при Ь=1)
А 2
а=тг-£гкрт2р1(^ е)р2^>£)> I7-21!
де Fj и F2—функции нормированных диаграмм направленности
передающей и приемной антенн РЛС по мощ-
ности;
кр — коэффициент передачи ретранслятора (по мощно-
сти) от выхода приемной антенны до входа пере-
дающей.
Для однократных помех применяют следующую распространен-
тую форму записи ЭПР ретранслятора ({3 = s = 0, Ln = Lc)
gBx2
o==-47'T2kp== ApGnY2kp, - [7.22]
где Ap — эффективная площадь приемной антенны ретранслятора.
При создании многократных сигналов помех по дальности и
скорости, m из которых перекрываются во времени, величина ЭПР
каждой из ложных целей уменьшается в среднем в ш раз.
Для получения эффективных уводящих помех необходимо обес-
печить определенное превышение ЭПР ретранслятора над ЭПР
цели.
Считается, чго создание ложных целей с большой ЭПР нару-
шает работу систем сопровождения по дальности и скорости. Для
того чтобы сорвать сопровождение действительной цели по даль-
ности, отметка ложной цели, первоначально совмещенная с от-
меткой от действительной цели, постепенно сдвигается по времени
и уводит строб сопровождения по дальности от отраженного сиг-
нала истинной цели. Затем посылка ложной цели прекращается, а
радиолокационная станция переходит в режим поиска цели на рас-
стоянии, соответствующем последнему положению строба даль-
ности.
Для срыва сопровождения цели по скорости полета обычно по-
степенно изменяют допплеровскую частоту сигнала ложной цели.
При этом строб сопровождения по скорости истинной цели уво-
дится от допплеровской частоты сигналу истинной цели, затем по-
сылка ложной цели прекращается. Хотя сопровождение по даль-
ности или скорости может быть восстановлено (если РЛС работает
не автоматически и не имеет блока восстановления отметки), по-
теря цели нарушает нормальную работу радиолокационной стан-
ции и точность определения дальности и скорости полета цели мо-
жет значительно ухудшиться, что затрудняет наведение средств
юраженйя на постановщик помех.
10—754
273
7.5. Станции радиопомех с фазированными
антенными решетками
По мнению американских специалистов применение фазиро
ванных антенных решеток в авиационно-космической технике для
целей РПД весьма перспективно. Фазирование излучающих
элементов может обеспечить на входе приемника РЛС концентра
цию мощности активных помех в несколько киловатт. Кроме того
ФАР позволяет быстро переключать антенный луч для последова
тельного облучения большого числа РЛС, находящихся в рабочее
секторе решетки. По мнению зарубежных специалистов, перепек
тива применения ФАР на активных элементах в целях РПД обус
ловлена тем, что для бортовых станций помех требуются решетка
с относительно малым количеством элементов и упрощенной кон
струкцией.
К недостаткам станций радиопомех с ФАР (по сравнению се
станциями обычного типа, например на ЛОВ или ЛБВ) обычш
относят более высокую сложность, стоимость и меньший диапазо:
перестройки по частоте. Последнее объясняется отсутствием в на
стоящее время достаточно широкополосных элементов для ФАР
таких, как фазовращатели и система фазовой автоподстройки
Однако этот недостаток не является принципиальным и может бытт
устранен по мере улучшения технологии производства компонен
фазированных антенных решеток.
В станциях помех могут быть использованы переизлучающие г
адаптивные решетки. В переизлучающей решетке Ван-Атта (прин
цип действия пассивного ее варианта описан в гл. 5) осуществляет
ся автоподстройка фазы излучаемых сигналов по принятым сигна
лам, что обеспечивает возможность создания ретрансляционных по
мех. В адаптивных решетках возможно запоминание распределе
ния фаз и создание шумовых помех.
Максимальная мощность в луче ФАР, состоящей из п идентич
ных элементов (мощность каждого элемента Р), имеет место прт
отсутствии ошибок фазирования и равна п2Р. Это означает, в част
ности, что для получения мощности излучения 10 квт от каждой
из 100 элементов ФАР требуется на выходе всего 1 вт.
Фазовые ошибки, вносимые усилителями, смесителями и соеди
нительными линиями, приводят к уменьшению коэффициента на
правленного действия решетки G, расширению диаграммы и возра
станию уровня боковых лепестков. Уменьшение коэффициента на
правленного действия при наличии ошибки фазирования 8<р п<
сравнению с КНД в отсутствии ошибок определяется приближен
ным соотношением G = G0 •
Обычно максимальная фазовая ошибка не превышает ±45°
что приводит к уменьшению коэффициента усиления решетки ш
более чем на 3 дб. Из-за снижения КНД уменьшается и мощ
ность Рп суммарного помехового сигнала по сравнению с макси
мальной мощностью Рпо. Зависимость указанного относительноп
274
снижения мощности от среднеквадратической ошибки фазирования
для 32-элементной адаптивной решетки приведена на рис. 7.13.
Одна из модификаций переизлучающей решетки Ван-Атта пред-
ставляет собой плоскую систему излучателей, симметрично распо-
ложенных относительно центра. Диаметрально противоположные
пары элементов решетки, находящиеся на одинаковом расстоянии
от центра, связаны между собой высокочастотными трактами рав-
ной электрической длины, в которых установлены идентичные ВЧ
усилители. Схема соединения центрального элемента № 1 решетки
Рис. 7.13. Зависимость относительной величины снижения
мощности от среднеквадратической ошибки фазирования
с произвольной парой диаметрально противоположных № п№п + 3
и последних между собой приведена на рис. 7.14. Когда элемент
номер п работает на прием, элемент номер п + 3 — на передачу и
наоборот.
Дл5г наделения переизлучаемых сигналов помеховой модуляцией
к решетке Ван-Атта добавляется специальный приемник (элемент
№ 1), который идентифицирует сигналы РЛС, выбирает объект для
радиопротиводействия и управляет модулятором помех. Недоста-
ток структурной схемы, представленной на рис. 7.14, состоит в том,
что из-за недостаточной развязки в циркуляторах, наличия отра-
жений от излучателей и отражений, обусловленных неточностью
изготовления линий передачи, она не обеспечивает стабильной ра-
боты, если коэффициент усиления каждого ВЧ усилителя* превы-
шает 10 дб.
Переизлучающая решетка Ван-Атта фактически работает как
ретранслятор.
Адаптивные антенные решетки в отличие от переизлучающих
решеток позволяют фазировать сигналы помех любого типа как
ретрансляционные, так и сигналы собственного генератора станции
Ю* 275
помех. Адаптивная решетка представляет собой систему с устрой-
ствами фазовой автоподстройки элементов решетки, позволяющими
регулировать фазы вдоль раскрыва антенны в соответствии с фа-
зами принятых сигналов.
а
Рис. 7.14. Ретранслятор помех с переизлучающей решеткой Ван-Атта:
а — размещение элементов решетки (сопряженные пары: 2—5, 3—6, 4—7, 8—11,
9—12, 10-13, 14—17, 15—18, 16—19, 20—23, 21—24, 22—25, 26—29, 27—30, 28-31);
б — структурная схема передатчика
На рис. 7.15 приведена структурная схема передатчика помех
с адаптивной фазированной антенной решеткой. Сигнал промежу-
точной частоты, усиленный в твердотельных усилителях, затем
умножается до частоты входного сигнала.
Станция помех с адаптивной решеткой имеет два режима ра-
боты: режим приема, при котором происходит настройка фазы в
каждом элементе решетки, и режим, передачи.
276
Рис. 7.15. Структурная схема передатчика помех с адаптивной ФАР
277
В первом из них радиолокационный сигнал принимается каж-
дым элементом решетки, а также всенаправленной антенной, обра-
зующей вместе с приемником канал опорного сигнала. После
фильтрации, обработки и анализа сигналов, принятых всенаправ-
ленной антенной, образуется опорный сигнал для самонастраиваю-
щейся цепи фазирования каждого элемента антенны. Структурная
схема типового элемента решетки показана в правой части
рис. 7.15.
Система подстройки фазы работает следующим образом. На
вход приемно-передающей антенны элемента решетки поступает
входной сигнал, который через замкнутые переключатели П4 и П3
подается на фазовращатель, вносящий дополнительный произволь-
ный сдвиг фазы, и далее через замкнутый переключатель П2 на фа-
зовый детектор.
На другой вход фазового детектора поступает опорный сигнал.
С выхода фазового детектора снимается напряжение, пропорцио-
нальное разности фаз двух входных сигналов. Посредством об-
ратной связи этот сигнал воздействует на фазовращатель, который
в идеальном случае обеспечивает выполнение условия самофази-
ровки. Это значит, что фазовращатель настраивается так, чтобы
его фаза была равна сумме постоянной фазы и фазы принятого
сигнала с обратным знаком. Постоянное слагаемое фазы интереса
не представляет, поскольку для каждого элемента оно будет оди-
наковым. После соответствующего сопряжения фаз во всех элемен-
тах решетки станция помех при помощи переключателей П1 и П2
переводится в режим излучения помех. Шумовая помеха форми-
руется путем модуляции напряжением источника шума генератора,
настраиваемого на частоту входного сигнала.
Ретрансляционные помехи формируются путем задержки высо-
кочастотных сигналов в электрически управляемой линии задерж-
ки и сдвига допплеровской частоты твердотельным частотным
модулятором. Частотная модуляция помеховых сигналов произ-
водится в схеме на pin-диодах. Сигнал помехи поступает через на-
правленный ответвитель (НО) на решетку, содержащую 32 элемен-
та. В фазовращателе каждого элемента решетки сигнал помехи
приобретает соответствующий сдвиг фазы и поступает на усилитель
(40 дб), который через переключатели П3 и Гц подключается к ан-
тенному элементу. В результате пространственного суммирования
сигналов всех элементов формируется узкий помеховый луч в на-
правлении на подавляемый радиолокатор.
Структурная схема комбинированной адаптивной и переизлу-
чающей решетки изображена на рис. 7.16. Она объединяет достоин-
ства, присущие обеим рассмотренным схемам. Адаптивная решетка
позволяет создавать различные виды помех последовательно во
времени, переизлучающая же антенна Ван-Атта создает только
ретрансляционные помехи.
При совмещении решеток учитывается необходимость создания
помех РЛС с горизонтальной, вертикальной и наклонной (от 60°
До 120°) линейной поляризацией. В комбинированной системе
278
Рис. 7.16. Структурная схема комбинированной адаптивной и переизлучающей решетки
279
имеются два изолированных входа: один для приема и передачи
сигналов адаптивной решетки (вход А), другой — для приема и
передачи сигналов с помощью переизлучающей решетки (входВ).
В системе используются два типа антенных элементов.
Первый тип представляет собой пару взаимно перпендикуляр-
ных диполей, размещенных на расстоянии от О,IX до 0,25Х, второй
тип — четырехэлементную спиральную антенну. Антенные элементы
образуют решетку с круговой симметрией, причем диаметрально
противоположные антенные элементы связаны между собой через
входы В каждого элемента так же, как элементы № п и № п + 3
на рис. 7.14. Выход А каждого антенного элемента соединен с фа-
зосдвигающим устройством аналогично схеме адаптивной решетки
(рис. 7.15).
Обнаруженный и отселектированный приемником сигнал по-
ступает к самофазирующейся решетке как опорный. Программи-
рующее и модулирующее устройства наделяют необходимой поме-
ховой модуляцией излучаемые сигналы решеток обоих типов.
7.6. Влияние плазмообразований на работу
бортовых антенн
Ионизированный слой воздуха (так называемая пристеночная
плазма), образующийся вокруг аппарата, входящего в плотные
слои атмосферы с гиперзвуковой скоростью, за счет нагрева возду-
ха ударной волной и ионизации продуктов уноса теплозащитного
покрытия, оказывает существенное влияние на работу бортовых ан-
тенн. В первую очередь ослабляется электромагнитная энергия.
Ослабление сигнала определяется концентрацией свободных элек-
тронов Ne и эффективной частотой соударений vc. Указанные пара-
метры плазмы зависят от многих факторов, в том числе от скоро-
сти полета, плотности атмосферы (высоты), угла падения, геоме-
трии носовой части аппарата, места установки бортовых антенн и
других причин. Помимо затухания при распространении электро-
магнитной энергии через слой плазмы искажается диаграмма на-
правленности и ухудшается коэффициент стоячей волны антенны.
При этом уровень сигнала резко снижается при углах падения
луча, превышающих критический, который определяется коэффи-
циентом преломления на границе раздела воздух — плазма.
Как показали эксперименты, наличие плазмы ведет к рассогла-
сованию приемопередающих антенн станций радиопомех с окру-
жающей средой, что является серьезным препятствием для созда-
ния активных помех на участке атмосферного спуска.
На рис. 7.17 приводятся диаграммы направленности щелевой
антенны, заполненной тефлоном, в свободном пространстве и при
наличии плазмы. Искажение диаграммы направленности увеличи-
вается с ростом отношения максимальной плотности электронов в
плазме NMaKc к ее критическому значению.
Для снижения экранирующего действия ионизированной оболоч-
ки при входе баллистических и космических объектов в плотные
280
слои атмосферы, по мнению американских специалистов, возможен
ряд конструктивных мер, основными из которых являются:
— впрыскивание в ионизированную оболочку различных приса-
док, снижающих степень ионизации (пары цезия, натрия и т. п.);
— применение сильного статического магнитного поля, создаю-
щего «окно» в плазме для электромагнитной энергии;
— СВЧ-нагрев электронов ионизированной оболочки, в резуль-
тате чего электроны присоединяются к находящимся в ней моле-
кулам и атомам кислорода, образуя отрицательные ионы;
Рис. 7.17. Диаграмма направленности щелевой антенны,
заполненной тефлоном
— использование электронного пучка и самой плазмы в каче-
стве передающих антенн станций радиопомех.
Впрыскивание в пристеночную плазму деионизирующих ве-
ществ до настоящего времени не дало обнадеживающих результа-
тов. Последнее объясняется отсутствием веществ, создающих ча-
стицы с энергией, соизмеримой с энергией электронов (что связано
со значительными расходами вещества деионизатора).
Специалисты фирмы «Халликрафтерз» в настоящее время раз-
рабатывают метод снижения затухания радиоволн в плазме путем
создания статического магнитного поля вокруг антенны головной
части МБР. По заявлению специалистов фирмы, наличие статиче-
ского поля напряженностью 500 э уже достаточно для заметного
снижения затухания радиоволн. Образование более сильных маг-
нитных полей с напряженностью свыше 1000 э может быть достиг-
нуто лишь с помощью сверхпроводящих электромагнитов с приме-
нением криогенной техники. На стадии первоначальных экспери-
ментов изучалось прохождение через плазму плоской волны, т. е.
в случае, когда плазменный экран находится в дальней зоне пере-
281
дающей антенны. Если же плазменный экран находится в ближней
зоне, то нужно учитывать воздействие плазмы на поле передающей
антенны, поскольку изменение ближнего поля существенно влияет
на поле излучения.
Способ снижения экранирующего действия плазмы путем СВЧ-
нагрева электронов ионизированной оболочки исследуется специа-
листами Кембриджской научно-исследовательской лаборатории.
Указанный способ демонстрировался во время лабораторных испы-
таний. Было отмечено, что образование отрицательных ионов мо-
жет интенсифицироваться вводом в ионизированную оболочку хи-
мических веществ.
Эксперименты по использованию горячей плазмы в качестве
антенн начались в США в 1963 г. Было установлено, что для устра-
нения плазменного эффекта следует применять селективное возбу-
ждение плазмы электромагнитной энергией. Импедансы возбуж-
дающего элемента и плазмы, естественно, должны быть согласо-
ваны. В этом случае плазменный «столб», будет вести себя как ди-
электрический моновибратор с низкой, но конечной проводимостью
(диапазон от единиц мо/см до единиц мо/км) и приемлемыми ха-
рактеристиками апертуры приемно-передающей антенны. Отноше-
ние излучаемой энергии к энергии возбуждения будет зависеть от
размера плазменного «столба» (наилучшее соотношение в долях
длины волны излучения составляет 0,57), а также от проводимости
плазмы и ее диэлектрических констант. Принципиальной трудно-
стью при исполнении этого способа является трудность подведения
электромагнитного поля к плазменному экрану. Технология насы-
щения плазмы химическими элементами для увеличения ее прово-
димости без повышения температуры была разработана в процессе
проведения экспериментов (например, регулированием химического
состава абляционных покрытий корпуса головной части).
С одной стороны, плазменные антенны чрезвычайно широко-
диапазонны, с другой— характеризуются большими потерями: их
к. п. д. значительно ниже, чем у проектируемых для этих же целей
металлических антенн.
Для оценки прохождения электромагнцтных волн через плазму
чаще всего используют такие характеристики, каю
— проводимость плазмы
e0wp
(О
1-j —
/О) \2’
1 + Ы
[7.23]
— эффективный диэлектрический коэффициент плазмы, опреде-
ляемый при so=l выражением
е — 1 —
₽ 1
Г 1 +i— 1
______О)Г
1 + (—)2
17.24]
282
где е0 = 1 — диэлектрический коэффициент для вакуума;
a)p = 2zfp — круговая плазменная частота;
(ог = 2тс!г — круговая частота радиосигнала;
vc—частота столкновений (соударений) электронов.
Выражения [7.23] и [7.24] являются решением дифференциаль-
ного уравнения, связывающего вектор напряженности магнитного
поля с вектором плотности электрического тока и вектором напря-
женности электрического поля для газообразной среды со свобод-
ными зарядамй. Основные допущения, принятые при решении этого
дифференциального уравнения, таковы:
— плазменная среда состоит из электронов и ионов;
— плотность тока (а следовательно, и проводимость плазмен-
ной среды) определяется концентрацией и движением электронов
(другие заряженные частицы оказывают на нее пренебрежимо ма-
лое влияние вследствие их большой массы);
— средняя частота соударений электронов не зависит от их
скорости.
Состояние плазмы может характеризоваться так называемой
глубиной проникновения электромагнитной волны в плазму или
расстоянием, на котором электромагнитная волна ослабляется на
4,3 дб ________________
AP=/4k"2(lspl“Resp)’ 17-251
где k = 2zX^1 —волновое число.
Поглощение и относительный фазовый сдвиг электромагнитной
волны в неограниченной изотропной плазменной среде могут быть
получены для более общего случая в предположении, что электро-
ны распределены в плазме равномерно *.
Удельный коэффициент потерь на распространение электромаг-
нитной волны в плазменной среде равен (в дб/м)
Lp = -8,68«>rkpK^, [7.26]
где рр— магнитная проницаемость плазмы (ядра или плазмен-
ного следа);
кр—коэффициент поглощения, определяемый выражением
k₽=M- (Re er ~ vIm р₽)+
+ ]/(Re ег - ~ Itn ppJ2 + Re PpJ2 .
* Это положение в общем случае несправедливо, ибо распределение элек-
тронов, например в плазменных следах за ГЧ, неравномерное. Однако оно мо-
жет быть применимо к относительно небольшим объемам плазмообразований,
размеры которых достаточно велики по сравнению с длиной волны. Полное по-
глощение может быть получено как результат суммирования для отдельных
«однородных» плазменных областей.
283
Относительный сдвиг фазы электромагнитной волны в рад/сек
Д<Рр = <вг Пр V [1р, [7.27]
где показатель преломления
nP=4[Reer~ vItn Рр+
+ V (Resr - Im Рр)2 + (^7 Repp)2] •
Если дополнительно предположить, что граница плазмообра-
зующего объема является бесконечной плоскостью, волна падает
под прямым углом, а магнитные проницаемости плазмы и воздуха
одинаковы, то коэффициент отражения
где ев — Диэлектрическая проницаемость воздуха.
Таким образом, в области параметров <or, wp и vc плазмооб-
разования характеризуются следующими состояниями:
•— режимом затухания (или «запирания»), когда vc/o>r мало,
(Ор с
откуда следует Др = —;
— состоянием проводимости, когда Imep^>Reep, откуда еле-
дует Др= У 2^- ;
“Диэлектрическим состоянием, когда —£-<С1, откуда еле-
(О*
дует Др = 2c«>2/vca>2.
Результаты расчета с использованием экспериментальных дан-
ных для равновесных условий распределения Ne и vc в пристеноч-
ной плазме около носика ГЧ приведены на рис. 7.18. Для данных
на рис. 7.18а 0 = 0°, fp = 360 Ггц, а для данных на рис. 7.186 0 = 0°,
ер =—1300(1+0,0356/) при частоте fr = 10 Ггц. Для указанных усло-
вий о)р/о)г =36, vc/«)r =0,16 (vc принята равной 1010 гц, что соот-
ветствует температуре 2000—4000 К) электромагнитная волна зату-
хает в плазме и Др = 0,005 см. Иначе говоря, в окрестности крити-
ческой точки ГЧ плазма экранирует радиосигналы на частоте око-
ло 10 Ггц. Общий характер изменения глубины проникновения
электромагнитных волн в плазму (при заданных значениях ус и <оР)
в функции юг показан на рис. 7.19.
284
Рис. 7.18. Распределение концентрации электронов Ne в плазменном слое (а) и
частоты столкновений vc (б) в зависимости от положения точки на теле
Отношение расстояния отхода ударной волны к радиусу затупления
тела Bq/Rn
Проводник
Глубина проникновения Др
с
- ъ
2(л)^ с ,
Влияние
/ увеличения частоты
столкновений
(j&P>(L)p
о _ Влияние
увеличения концентрации^
электронов
Запирание j Диэлектрин
^с0 ~~ ^р0
Частота соРо
Рис. 7.19. Зависимость глубины проникновения электромагнитной волны
в невязкий сжатый слой от частоты радиоволн, концентрации электронов
и частоты столкновений. Шкалы логарифмические
285
Таким образом, за рубежом делают вывод: для уменьшения
экранирующего влияния плазмы необходимо при заданной частоте
радиосигнала существенно уменьшать концентрацию электронов Ne
и частоту их соударений vc-
Обычно антенны бортовых радиотехнических устройств на ГЧ
могут также работать в режиме приема радиосигналов наземных ?
РЛС. В этом случае обычно оценивают эффективную шумовую t
температуру бортовой приемной антенны. Шумы бортовых прием-
ных антенн ракетных станций радиопомех на этапе спуска в атмо- •
сфере содержат следующие основные компоненты:
— шумы, излучаемые плазмообразованиями вокруг объекта; '
— шумы от внешних источников, проницающие через плазму
на вход бортовой антенны;
— шумы теплового излучения нагретого корпуса объекта, отра-
жаемые от плазмы (т. е. возвращающиеся на вход антенны).
В результате ряда экспериментов было установлено, что:
— при сог —сор результирующая шумовая температура антенны
зависит в основном от теплового излучения собственно слоя
плазмы;
— при сог^>а)р результирующая шумовая температура зави-
сит от теплового излучения нагретого корпуса спускающегося
объекта;
— если о)г<С^р, то шумовую температуру определяют в основ-
ном внешние источники излучения.
По мнению иностранных специалистов наибольший интерес
с точки зрения создания прицельных по частоте помех (и, естест- .
венно, двусторонней связи с космическим летательным аппаратом)
на этапе атмосферного спуска представляют тепловые шумы
плазмы, возникающей вокруг спускающегося объекта.
С этой целью в США был проведен летный эксперимент по из-
мерению шумовой температуры плазмы и коэффициента потерь
в антенне, установленной на ГЧ. В качестве носителя использо-
валась твердотопливная ракета «Трейлблезер-П», обеспечившая
скорость входа ГЧ в плотные слои атмосферы свыше 6 км/сек.
На головной части ракеты были установлены три антенны (типа
открытого волновода, заполненного диэлектриком) сантиметрового
диапазона (6—19 см): в носике баллистического наконечника, у
основания баллистического наконечника и на боковой поверхности
ГЧ. Шумовая температура плазмы и коэффициент отражения,
представленные в табл. 7.3, измерялись радиометром на частоте
2235 Мгц. .
Основные результаты эксперимента:
— на высотах свыше 65 км антенна, расположенная в носике
баллистического наконечника, окружена плазмой, находящейся в
состоянии теплового равновесия (т. е. плазма может быть пред-
ставлена в виде однородного слоя), в результате чего шумовая
температура превышает критическую и коэффициент отражения
электромагнитной волны (по мощности) близок к единице;
286
Таблица 7.3
Экспериментальные значения эффективной шумовой температуры плазмы Тш
и коэффициента гш потерь в антенне
Высо- та, км Место размещения антенны
на боковой поверхности конуса ГЧ (защитное по- крытие — Диэлектрик толщиной 5 мм) у основания баллистического наконечника (защитное покрытие отсутствует) в носике баллистического наконечника (защитное покрытие отсутствует)
тш. К гш тщ. к гш тш- к гш
85 100—1800 , 0,35—0,45 1000—6000 0,7—0,8 5500 0,9
65 1800—2500 0,2-0,5 5500-6500 0,8-0,9 ; 5500 0,9
55 2700 0,05—0’2 5500 0,9 Около 5000 0,9
45 2800 0,1 4000 0,9 Около 4000 0,85
35 3000 0,1 3400 0,8 Около 4000 0,83
30 2000—3200 0,05—0,15 2400—3500 0,5 3700 0,8
26 2000—2400 0,1 2000-2500 0,2 3500 0,69
— на высотах несколько ниже 65 км эта антенна связана с по-
граничным слоем (Тш меньше критической, плазма находится в пе-
реуплотненном состоянии), коэффициент потерь также близок
к единице;
н а высотах около 25 км плазма переходит в разреженное со-
стояние, в результате чего коэффициент потерь в антенне падает
до 0,2—0,3;
— на величину Тш и гш антенн, установленных на боковой по-
верхности ГЧ и у основания баллистического наконечника, сущест-
венное влияние оказывают угол атаки головной части и ее враще-
ние вокруг продольной оси (эти процессы перемещают точку тормо-
жения, в результате чего разница шумовых температур для антенн,
находящихся с подветренной и наветренной сторон, может дости-
гать 2000 К);
— наличие защитного покрытия снижает шумовую температуру
антенны на боковой поверхности ГЧ до 3000 К, а коэффициент по-
терь около 0,2 во всем диапазоне высот.
7.7. Повышение эффективности станций радиопомех
Особенности применения активных помех для защиты ГЧ от
системы ПРО позволяют иностранным специалистам повышение
эффективности станций радиопомех свести к решению следующих
основных вопросов:
— к повышению энергетического потенциала станций помех;
— к расширению рабочего диапазона частот;
— к увеличению радиационной стойкости помеховой аппара-
туры;
— к снижению высоты эффективной работы станции путем ком-
пенсации экранирующего влияния плазмообразований,
287
Естественно, что эти вопросы должны решаться в условиях мак-
симального снижения веса и габаритов аппаратуры помех, разме-
таемой на борту ракет.
По мнению американских специалистов, мощности излучения
помеховых сигналов должны повышаться путем разработки высоко-
эффективных усилителей и генераторов, специально предназначен- <
ных для целей РПД, с к. п. д. в 40—60% и выше. Другой путь— =
это применение антенных систем с высоким КНД, что позволяет до- -
биваться высокой концентрации энергии помехи в направлении .
на подавляемый радиолокатор.
Повышение энергетического потенциала станций помех путем -
непосредственного наращивания мощности передающих устройств
является очень сложной, а для авиационно-космической аппара-
туры РПД часто практически невыполнимой задачей. Поэтому
большое значение имеет рациональный выбор антенной системы,
обеспечивающей концентрацию излучаемой энергии в узком луче. :
Направленное излучение позволяет уменьшить выходную мощность
оконечных устройств передатчика помех или при заданной мощ-
ности отдельных устройств получить существенное увеличение
излучаемой мощности помехи, а также распределить имею-
щуюся мощность помехи для подавления нескольких радиолока-
торов.
Возможно использование двух основных типов направленных
антенных систем—с механическим и электронным сканированием
луча. Последний тип основан на конструировании станций помех с
фазированными антенными решетками. При использовании фази-
рованных антенных решеток можно получить увеличение уровня ч
излучения на порядок и более по сравнению с обычными самолет-
ными станциями помех (уровень мощности современных самолет-
ных магнетронных станций радиопомех, по мнению проектировщи-
ков, близок к предельно достижимому),
Как показано выше, в новых станциях с фазированными антен-
нами применяют каскады, выполненные на маломощных транзисто-
рах. Каждый транзистор способен питать один антенный элемент,
согласованный по фазе со всеми остальными элементами для по-
лучения мощностей излучения порядка десятков киловатт. Приме-
нение фазированной антенной решетки позволит изменять положе-
ние луча в пространстве с высоким быстродействием, благодаря чему
бортовая станция РПД сможет подавлять одновременно несколько
РЛС независимо от ориентации носителя.
В отличие от фазированных решеток антенны с механическим 4
управлением являются одноканальными, так как воздействуют
только на те РЛС, которые в данный момент находятся в пределах (
одного луча. Однако возможность создания в космосе антенн с
большой апертурой является важным преимуществом антенн
обычного типа, так как приводит к снижению веса станций помех.
К снижению веса и габаритов приводит также использование ма-
логабаритных бортовых источников пцтанвд,
2§8
Требование повышения радиационной стойкости аппаратуры
помех связано с необходимостью защиты станций от высотных
взрывов перехватчиков типа «Спартан». При малом радиусе
поражения станций помех эффективность взрывов может быть све-
дена на нет..
За рубежом по-прежнему актуальна задача расширения частот-
ного диапазона станций помех. Решение этой задачи тесно связано
с развитием электровакуумных и твердотельных приборов.
ГЛАВА 8
РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СТАНЦИЙ РАДИОПОМЕХ
8.1. Электровакуумные СВЧ-приборы
К настоящему времени известно большое число разнообразных
ЭВП. Однако для целей РПД пригоден весьма ограниченный
класс приборов, удовлетворяющий основному требованию — быст-
рой электронной перестройке в широком диапазоне частот. Этому
требованию, как правило, не удовлетворяют магнетронные генера-
торы, отражательные клистроны (диапазон электронной перестрой-
ки— доли процента), пролетные клистроны (с механической пере-
стройкой).
Для генерации частот 1—18 Ггц наиболее перспективными в
этом отношении являются лампы обратной волны и митроны (раз-
новидность магнетронных генераторов).
Лампы обратной волны подразделяются на два основных типа:
ЛОВ типа «О» (ЛОВО) и ЛОВ типа «М» (ЛОВМ).
В лампах типа «О» электронный поток фокусируется аксиаль-
ным магнитным полем, причем электроны в процессе взаимодей-
ствия с высокочастотным полем замедляющей системы отдают ему
свою кинетическую энергию. В ЛОВ типа «М» для фокусировки
электронов применяются скрещенные электрическое и магнитное
поля, при этом высокочастотному полю передается потенциальная
энергия электронов.
За рубежом ЛОВО применяют преимущественно в качестве ге-
теродинов и маломощных генераторов, поэтому в устройствах ак-
тивных помех их использование ограничено. В качестве мощных
генераторов (сотни — тысячи ватт) применяют ЛОВМ.
Основные достоинства ЛОВ: широкий диапазон электронной
перестройки (30—40%), высокий к. п. д. (40—60%) и сравнитель-
но небольшие питающие напряжения для генерирования мощностей
50—1000 вт.
По принципу действия ЛОВ близки к магнетрону. Различие
состоит в том, что замедляющая система ЛОВ является незамкну-
той, а катод вынесен из пространства взаимодействия. ЛОВ может
быть как генератором, так и усилителем, в котором электронный
поток взаимодействует с пространственной гармоникой замедляю-
290
щей системы. Для возникновения генерации высокочастотных ко-
лебаний между входом и выходом должна существовать обратная
связь. Последняя обеспечивается тем, что энергия обратной волны
движется в направлении, противоположном направлению движения
потока электронов. При соблюдении определенных амплитудных и
фазовых соотношений в системе возникнут автоколебания, частота
которых будет определяться дисперсионными свойствами и напря-
жением замедляющей системы.
Рис. 8.1. Схематическое устрой-
ство ЛОВМ цилиндрической
конструкции:
1 — катод; 2 — управляющий элек-
трод; 3 — отрицательный электрод;
4 — замедляющая система; 5 — кол-
лектор; 6 — вывод энергии; 7 — ло-
кальный поглотитель; 8 — электрон-
ный поток
Рис. 8.2. Зависимость выходной мощно-
сти и к. п. д. от напряжения замедляю-
щей системы для ЛОВМ, работающей
в 10-см диапазоне
Схематическое устройство ЛОВМ показано на рис. 8.1. Элек-
троны, эмиттированные катодом 1, под действием электрического
поля управляющего электрода 2 и магнитного поля описывают
полупетлю циклоиды и попадают в пространство взаимодействия
между отрицательным электродом 3 и замедляющей системой 4.
Изменение скорости движения электронов в пространстве взаи-
модействия приводит к изменению частоты генерируемых колеба-
ний. Отличительной особенностью ЛОВМ является наличие линей-
ной зависимости между частотой колебаний и напряжением замед-
ляющей системы.
Основными параметрами ЛОВМ являются: рабочий диапазон
частот (коэффициент перекрытия), выходная мощность, коэффи-
циент полезного действия, уровень паразитных колебаний, равно-
мерность частотной характеристики.
Мощность генерируемых колебаний, как правило, возрастает
с увеличением напряжения на замедляющей системе (рис. 8.2).
Неравномерность амплитудной характеристики, являющаяся след-
ствием неодинакового согласования вывода энергии и поглотителя
лампы с замедляющей системой в рабочем диапазоне частот, мо-
жет составлять несколько децибел. Уменьшение к. п. д. на краях
291
частотного диапазона может происходить из-за нарушения прямо-
линейности движения электронного пучка.
Изменение напряжения отрицательного электрода приводит к
значительному изменению выходной мощности и частоты лампы.
Характер этой зависимости показан на рис. 8.3. Как видно из
рисунка, имеется оптимальное значение напряжения отрицатель-
ного электрода, при котором достигается максимальная мощность.
При отклонении от этого оптимума мощность падает, что ограни-
чивает применение перестройки ЛОВМ путем изменения напряже-
Рис. 8.3. Зависимость выходной мощности
и частоты от напряжения на отрицатель-
ном электроде
ния отрицательного элек-
трода в широких преде-
лах.
В мощных ЛОВМ
(средняя выходная мощ-
ность свыше 100 вт) при-
м еняется принудительное
жидкостное охлаждение
для отвода тепла от кор-
пуса лампы.
Положительным свой-
ством ЛОВМ по сравне-
нию с магнетронами и
клистронами является на-
личие электронной пере-
стройки частоты (в диа-
пазоне более 30%). Кро-
ме того, частота и выход-
ная мощность практиче-
ски не зависят от степени
согласования нагрузки.
Коэффициент полезного действия у ЛОВМ примерно в два раза
выше, чем у Л ОБО, и достигает 35—45% во всем диапазоне пере-
стройки и около 60% в отдельных точках.
ЛОВМ склонна к генерации колебаний высших порядков, на-
зываемых паразитными или колебаниями боковых частот. Ампли-
туда паразитных колебаний может составлять от 1 до 30% от ам-
плитуды основной частоты. Паразитные колебания могут быть
подавлены различными конструктивными способами и подбором
рабочих характеристик. Практически это сводится к уменьшению
длины замедляющей системы, увеличению диаметра луча и умень-
шению «высоты» влета электронов в пространство взаимодействия.
Благодаря возможности быстрой перестройки в широкой полосе
частот ЛОВМ находят широкое применение в передатчиках помех.
В частности, в США для систем радиопротиводействия выпущена
серия ЛОВМ, перекрывающих диапазон частот от 1 до 11 Ггц с
выходными мощностями от 125 до 235 вт, диапазоном перестройки
в 25—33% и весом 7,5—12,3 кг. Эти приборы в работающем со-
стоянии способны выдерживать вибрацию с частотой 5—1500 гц
при ускорении 2 g. В нерабочем состоянии они выдерживают при
292
такой же вибрации ускорение 5g и удар 15g. Уровень мощности
паразитной генерации более чем на 15 дб ниже мощности несущей,
относительный температурный уход частоты не превышает 0,3—
0,4% после разогрева в течение 2 мин.
Другие выпускаемые серийные ЛОВМ в диапазоне от 1 до
11 Ггц имеют почти одинаковые питающие напряжения и уровни
мощности, что позволяет унифицировать разработку станций по-
мех на различные частотные поддиапазоны с минимальной затра-
той времени и средств. Основные параметры некоторых ЛОВМ
приведены в табл. 8.1.
Генераторные .ЛОВМ непрерывно совершенствуются. В частно-
сти, исследуются ЛОВМ с инжектированным лучом, работающие
при отрицательном (по отношению к катоду) напряжении на за-
медляющей системе и положительном напряжении на отрицатель-
ном электроде. В результате с одного из генераторов обратной
волны в 10-см диапазоне получена выходная мощность около 500 вт
при к. п. д. 10—20%. При этом мощность, рассеиваемая на замед-
ляющей системе, в 5—10 раз меньше мощности, рассеиваемой
ЛОВМ в обычно принятом режиме.
Лампы обратной волны типа «М» применяются также для уси-
ления СВЧ колебаний и могут работать как в непрерывном, так и
в импульсном режиме.
Основные параметры типовых ЛОВМ, работающих в усилитель-
ном режиме, приведены в табл. 8.2.
Разновидностью усилительных ЛОВМ являются приборы с хо-
лодным катодом, в частности битермитроны, карматроны, карпи-
троны и др.
В последнее время за рубежом большое внимание уделяют во-
просам экранировки ЛОВ. Экранировка почти в 100 раз ослабляет
магнитное поле, которое на расстоянии 5 см от поверхности прибо-
ра (WJ-2006) уменьшается до 2 гаусс. В результате двойной экра-
нировки ЛОВ нормально работает по соседству с ферромагнитны-
ми материалами и другими СВЧ приборами. Это упрощает исполь-
зование ЛОВ в бортовой аппаратуре.
Ведутся также работы по сокращению веса и размеров ЛОВ.
Так как основную часть веса прибора составляет фокусирующий
магнит, то использование нового магнитного материала Almico V-7
снизило вес магнита в 8 раз, а линейные размеры ЛОВ вдвое.
Митроны относят к классу СВЧ приборов М-типа. В отличие от
других генераторных устройств, например ЛОВМ, выходная высо-
кочастотная мощность и некоторые другие электрические характе-
ристики у них связаны с полосой электрической перестройки
частоты. В связи с этим различают два основных типа митро-
нов:
— широкополосные митроны, характеризуемые отношением
максимальной генерируемой частоты к минимальной, равным 2 : 1
или 3:1, при уровне выходной высокочастотной мощности от 50 до
1500 мвт;
•— митроны с полосой электрической перестройки 5—20%
293
Таблица 8.2
Основные параметры ЛОВМ в режиме генерации
Охлаждение Жидкостное То же Естественное То же Жидкостное То же п г»
пи ‘вхоэнд § § § 1 § § § о о о 1 1 1 1 1 1 1
ин ‘dxawBHtf 2$9??С)0с>оосооо, , .
ля ‘зад о- о- г- ю со со со с-. t- ci 2 cj z z z t't-’ I । । I I I 1 -
ял ‘илхээ эинэжвйпвн 0,1—0,7 0,1—0,7 0,1—0,7 0,25 0,1—0,7 0,1—0,7 0,1—0,7 0,1—0,7 0,1—0,7
ял ‘Btfodxxaire ojoHqirQiBnHdio aHHQHCBduen xr xr xr xr xr xr CO co CO CO CO co CO CO 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 СП Ю СП СП о 0000^00000”
ял ‘Btfodixaire OJahKHKiraBduX aHHQJKBdnen О О О r—1 О) О О О О 111»11IIИ 1 1 1 ] 1 1 1 OOOO’-'OOOOO
яп Ччиахэио ИЭЙКИВуЯЭИВЕ HOJ, 300 300 300 115 300 300 300 300 300 300
ял ‘ниэхэиэ ИЭЙКЯВГГЭИВЕ GHHQJKBduBH OOO^OOOOOOO TTTTTTTTTTiiiiiii CO CO CO CD CN CO CO CO CO CO СЧ O} O1 О CM CN CN CN СЧ CN
ЛЯ ‘ВВН -Hire пинии ’Hand -adiiaH члэонйюдо О ООО OOOOOOOIQIQOOOOOCOCOUDIQ 'T (M СЧ r-,T_r_4T_T_(?slT_r-.GN’- CO
% ‘хохэеь HH^odio -adair ионной -ХЛЭ1Г6 яэотгоц союсчг^юоосо^ СОг-<^ГГ^г-.^гоГоГ^10 1 1 1 1 СОСОСОСОСОСОСОСОСЧОЧ
Частрта, Мгц ooooooooooooooooo OIClQOlqlOOlQLOOOLOujt-.lqloo •т-<(МС0’^ГС0’^Г,С£>00’-'т-'С0’^Г10О00г-< J. n i J, J. i J, =1 JU J. J, ,1 <u i ООООЮООООООООО «О 0 0 OCQOOCNCNintQOOLOinOLOmcOQOLQLQ 'СЧСОСЧСО'^ГОООт-’СЧСО’^Г’^Г'ООО
Тип O’-'OJ CO ТГ ю О O’ 2 £} £2 Я £ 2 S С! 2 - ю 5 о г- <х> aoao’aaaoaojjjJijjj
Основные параметры ЛОВМ в режиме усиления
Тип Параметры L-5111 SFD-237 QK-1383
Диапазон усиливаемых частот, Ггц Импульсная мощность, квт Средняя мощность, квт К. п. д., % Усиление, дб Наличие модулирующего электрода 10% в диапазоне (3,9-5,75) 1000 5 35 (максимальный) 13 Отсутствует 5,4—5,9 1000 10 50 13 Имеется 1,25-1,35 100 3 50 13 Имеется
при уровне выходной высокочастотной мощности 3—150 вт и
выше.
Приборы первого типа, обладающие низким уровнем собствен-
ных шумов и высокой скоростью перестройки, применяют в основ-
ном в качестве гетеродинов маломощных сигнал-генераторов с
электронной перестройкой часто-
ты. Их вес не превышает 0,5 кг.
Митроны второго типа исполь-
зуют в системах противорадиоло-
кации в цепочке митрон — ЛБВ
или митрон — ЛОВ, а также са-
мостоятельно. Митроны одной
американской фирмы с уровнем
выходной мощности 10 вт и выше
имеют диапазон перестройки от
единиц процентов до 20 и рабо-
тают на частотах вплоть до
7,8 Ггц. Промышленные образцы
таких митронов в 10-см диапазо-
не обладают выходной мощно-
стью до 100 вт с к. п. д. около 70%
и диапазоном перестройки 15—
18%. Вес приборов 1,6 кг, габа-
риты— 15,5Х7,5Х6?3 см.
Фирма «Дженерал электрик» рекламирует митрон с выходной
мощностью примерно 500 вт в полосе электрической перестройки
частоты 2900—3400 Мгц. На рис.8.4 показаны амплитудные харак-
теристики мигрона, полученные при работе в двух режимах.
Для целей радиопротиводействия перспективным является так-
же создание прямошумовых генераторов на базе митронов. Гене-
рирование СВЧ шума достигается введением в область взаимодей-
ствия пространственного заряда большой плотности. Разработан-
^600
%W0
§
£300
6000
5000^
4000^
в
3000 §
2000^
200
2900 3100 3300
Частота, Мгц
Рис. 8.4. Амплитудные характери-
стики митрона:
1 — напряжение на управляющий электрод
подавалось через делитель от источника
анодного питания (к. п. д. митрона в этом
режиме 71%); 2 — управляющий электрод
и анод имели раздельные источники пита-
ния (к. п. д. митрона 69%)
295
294
ный опытный образец прямошумового генератора имеет электри-
ческую перестройку по частоте в диапазоне 2—4 Ггц с полосой шу- ;
ма ±5% при выходной мощности 0,2 вт. Предполагается, что при-
чиной шумовых колебаний является не белый шум, вносимый элек-
тронным потоком, а взаимодействие различных видов колебаний.
Наибольшее распространение в оконечных каскадах усиления
станций помех для частот 0,5—1 Ггц и выше получили ЛБВ.
Отличительной особенностью ЛБВ является' их широкополос-
ность. Диапазон частот типовых ЛБВ составляет октаву 2 : 1, а в
отдельных случаях еще выше. Так, в частности, сверхширокополос-
ная ЛБВ типа 3003 имеет следующие параметры:
Диапазон частот, Ггц........................ 1,0—12,4
Минимальная выходная мощность в непрерывном ре-
жиме, вт.....................»..................... 1
Минимальное усиление малого сигнала, дб ..... . 30
Уровень шума на выходе, дб........................ —45
Пределы регулировки напряжения спирали, % . . . . 5
Пределы регулировки коэффициента усиления, дб . . 20
Напряжение источника питания, в..................115 (или 230)
±10%
Частота напряжения питания, гц .......... 50—60
Потребляемая мощность, вт ............. 100
Габариты, мм................ 425X133X419
Имеются сведения о выпуске ЛБВ типов 3001, 3002, 3004 на диа-
пазоны: 1—4; 4—12 и 12—18 Ггц соответственно. По параметрам
эти лампы аналогичны ЛБВ типа 3003.
Главной задачей разработки ЛБВ для бортовой аппаратуры
ракет является, по мнению американцев, повышение к. п.д. сцелью
максимального снижения требований к источникам питания.
В большинстве случаев к. п. д. ЛБВ не превышает 15—25%. В свя-
зи с этим изыскиваются способы повышения эффективности ЛБВ.
Например, предлагается вместо постоянного магнитного поля в фо-
кусирующей системе использовать магнитное поле, изменяющееся
определенным образом. К. п. д. такой лампы с учетом цепи подо-
гревателя катода составляет 40%.
Чтобы добиться такого к. п. д., в ЛБВ использована фокуси-
рующая система, которая корректирует дополнительные дефокуси-
рующие силы вблизи выхода лампы. Механическая регулировка
периодической системы магнитов в этой лампе выполнена более
точно, чем в прежних лампах. Использованы и некоторые другие
технологические новшества и достижения.
Сообщается также об аналогичной ЛБВ, но с двухступенчатым
коллектором иск. п. д. 50—55%. Новая ЛБВ заключена в метал-
ло-керамический корпус. Это позволяет использовать магниты
меньших размеров, так как они могут укрепляться близко к спи-
рали. Металло-керамическая лампа имеет меньшие размеры и бо-
лее тонкие стенки, чем лампа в стеклянном баллоне. Ее вес 0,7 кг,
т. е. составляет примерно одну треть веса стеклянной ЛБВ, приме-
няемой на связных спутниках «Реле». Металло-керамическая ЛБВ
работает при выходных мощностях от 5 до 20 вт. Она имеет пдр-
296
ский участок частотной характеристики в диапазоне от 3 до
4,6 Ггц. На частотах 2,5—3,5 Ггц ее к. п. д. превышает 30%* Усиле-
ние лампы при насыщении составляет 40 дб, коэффициент шумов
менее 23 дб, предполагаемый срок службы 6 лет. t
Основные характеристики американских усилительных ЛБВ
WJ-448 и WJ-395 на частотах около 2,3 Ггц, разработанных для
применения в космосе, приведены в табл. 8.3.
Таблица 8.3
Основные характеристики усилительных ЛБВ
Характеристика Тип ЛБВ
WJ-448 WJ-395
Частота 2,3 Ггц 2,3 Ггц
Выходная мощность ..... 50 вт 103 вт
Усиление 30 дб 38 дб
Общий к. п. д. (включая по- догреватель) 43,5% 49%
Характеристики ЛБВ WJ-395
приведены на рис. 8.5—8.7.
2050—2480 Мгц превышает
40% • Высокий к. п. д. при
сравнительно малой полосе
обусловлен конструкцией
ЛБВ и работой при боль-
ших напряжениях на краю
области усиления.
ЛБВ WJ-448 и WJ-395
обладают повышенной проч-
ностью и стойкостью
к ударным перегрузкам
(1000 g).
Для подавления совре-
менных РЛС, имеющих сред-
ства защиты от воздействия
помех, необходима аппара-
тура с повышенными мощно-
стями. С этой целью за ру-
бежом форсируется разра-
ботка мощных ЛБВ итетро-
в диапазоне частот и режимов
Средний к. п. д. ЛБВ в диапазоне
Рис. 8.5. Графики выходной мощности, уси-
ления и к. п. д. в функции частоты (1к =
= 110 мка) при различных напряжениях на
дов, обладающих большим
к. п. д. и позволяющих по-
лучить необходимую мощ-
ность помехи во всей полосе
частот. Специалистами США
спирали
высказывается предположение, что в ближайшие годы к. п. д. им-
пульсных ЛБВ будет увеличен до 50—70% за счет отсечки тока в
297
паузах между импульсами. Выпускаемые американской промыш-
ленностью мощные ЛБВ пакетированной конструкции с выходной
мощностью в непрерывном режиме усиления (в октавной полосе
пропускания) до. 200 вт при воздушном охлаждении позволяют
обеспечить разработку аппаратуры помех в диапазоне 1—18 Ггц.
Ведутся работы по повышению мощности пакетированных ЛБВ
до 1 квт. Сообщалось даже о разработке ЛБВ для станций помех
с выходной мощностью более 10 квт
Выходная мощность* вт >
Рис. 8.6. Графики напряжений на аноде,
спирали и коллекторе в функции выходной
мощности
в непрерывном режиме.
Разработаны импульсные
широкополосные ЛБВ паке-
тированной конструкции,
позволяющие обеспечить
выходную мощность более
1 квт при коэффициенте за-
полнения 0,01—0,02. Эти
ЛБВ перекрывают диапазон
частот 4—18 Ггц, причем
диапазон частот 4—12 Ггц
может быть перекрыт дву-
мя лампами. Охлаждение
происходит за счет естест-
венного теплоотвода. Выпу-
скаемые ЛБВ средней мощ-
ности (примерно 10 вт)
обеспечивают перекрытие
диапазона от L до X и
могут работать как в непре-
рывном, так и. в импульсном
режимах.
Существенное уменьшение веса и габаритов станций активных
помех достигнуто на ЛБВ с встроенными источниками питания. На
борту спутников в США обычно используются низковольтные
источники питания, непосредственно от которых ЛБВ не может ра-
ботать, поэтому необходим конвертер, преобразующий низкое на-
пряжение в высокое. К. п. д. таких конвертеров зависит от уровня
мощности, и лучшее его значение для мощности 1—100 вт состав-
ляет 90%. Для получения максимального общего к. п. д. усилите-
ля (конвертер напряжения плюс ЛБВ) необходимо конвертер раз-
рабатывать применительно к данной ЛБВ. Поэтому некоторые ЛБВ
стали выпускать вместе с выпрямителями на полупроводниках.
Такие усилители (TWTA package), работающие в диапазоне ча-
стот 1,7—7,3 Ггц (7 типов) с выходными мощностями от 2,5 до
50 вт, обладают высокой механической (удар 50 g) и температур-
ной прочностью. В настоящее время общий к. п. д. такого усили-
теля (ЛБВ плюс конвертер) в 3-см диапазоне доведен до 26%,
прогнозируемое время между отказами 50 000 ч.
Работы по повышению к. п. д. бортовых космических ЛБВ про-
должаются. Уже заключено несколько контрактов на разработку
ЛБВ с общим к. п. д. 45% и мощностью 10—20 вт (к. п. д. конвер-
298
зо
О 20 ЬО 60 80 100 120
Выходная мощность, вт
Рис. 8.7. Энергетические характеристики
ЛБВ WJ-395. Входной высокочастотный
сигнал постоянен, а напряжения на аноде,
спирали и коллекторе варьировались
тера-регулятора 85%). Исследуются возможности дальнейшего
увеличения к. п. д. этих ЛБВ.
Что касается дальнейшего увеличения выходной мощности бор-
тового передатчика, то считается целесообразным до мощностей
100—200 вт использовать параллельное включение нескольких ЛБВ.
Это повышает надежность работы передатчика и не требует новых
дорогостоящих и длительных разработок, так как уже существует
сравнительно широкая номенклатура ЛБВ, подходящая для этой
цели.
Основные типы непре-
рывных и импульсных ЛБВ,
рекламируемых и разраба-
тываемых американской ра-
диоэлектронной промышлен-
ностью, сведены в табл. 8.4
и 8.5.
Как следует из таблиц,
на частотах менее 1 Ггц
резко возрастает вес ЛБВ.
Уменьшения веса на ЛБВ
типа МА-2106 удалось до-
стигнуть в результате ис-
пользования высокоперве-
ансного полого луча (мик-
ропервеанс —14) большого
диаметра, близко располо-
женного к спирали. Усиление
такой ЛБВ на единицу
длины 3,1 дб/см, работает
она в октавной полосе в ме-
тровом диапазоне волн (0,2—
0,4 Ггц) с выходной мощно-
стью 10 вт и фокусируется
соленоидом. Ее достоинст-
вом является высокое уси-
ление (28 дб) при сравни-
тельно малых длине (34 см)
и весе (2,5 кг).
Для получения эквивалентных характеристик на частоте
0,3 Ггц у ЛБВ со сплошным лучом и обычным первеансом потре-
бовалась бы лампа длиной 76,3 см вместо 34 см. Благодаря малой
длийе прибора и большой величине отношения ширины ленты (из
которой сделана спираль) к расстоянию между витками обеспечи-
вается отсутствие изрезанности характеристик выходной мощности
и усиления в рабочей полосе. Коэффициент шума ЛБВ не превы-
шает 35 дб во всей рабочей полосе.
Серьезную конкуренцию ЛБВ в метровом и дециметровом диа-
пазонах составляют триоды, в частности мощные французские
триоды ТН302 и ТН328. Триоды обеспечивают усиление 20 дб в
299
Таблица 8.4
ЛБВ средней и большой мощности, работающие в непрерывном режиме
Тип Диапазон частот, Ггц Минимальные Максимальные Тип фокусировки
Р вых’ ВТ КУ. дб Кш- дб изс- кв 1к’ а вес, кг
VTP6332A1 0,35-0,7 250 30 35 1,75 0,7 25 ППМ фирмы < „Вариан* £
VC775 0,6-1 25 27 2,5 0,027 6,5 ППМ Л
VTL6140A1 1—2 20 35 30 1,55 0,1 3 ППМ ।
VTL6240A1 1—2 100 30 35 2,9 0,29 4,2 ППМ |
VTS6050H5 2-4 5 50 — 1,2 0,065 0,5 ППМ
VTS6150A1 2—4 20 35 35 1,8 0,12 1,5 ППМ
551Н 2-4 1000 30 — 8 1,5 10 Соленоид
WJ-448'-2 (для связ- ных спут- ников) 2,2—2,3 15—90 14—22 — 2,6 — 0,9 ППМ 5X5X32 см
VTS6350A1 2.5—3.5 1500 30 40 6,2 1,2 7 Соленоид
VTC6160A1 4—8 20 35 — 2,5 0,01 1,2 ППМ 5X5X47 см, к. п. д. 25%
WJ-436-1 4,4—5 125 45 — 5,3 0,01 2,0 ППМ
VTC6361A1 5,9—6,4 600 33 35 6,2 0,5 4,5 ППМ
WJ-440-1 Г 5,5-9 600 30 — 8,3 — 5 ППМ 7,6X46 см, к. п. д. 25% .
VTH6170A1 6—11 20 35 30 3,2 0,09 1,1 ППМ
VTX6181A1 8,2—12,4 20 54 27 3,6 0,09 1,4 ППМ
VTX6280A1 8,2—12.4 100 50 40 4,95 0,225 2,5 ППМ
VTV6190A1 12,4—18 10 30 30 . 3,9 0,05 2,7 ППМ
МА-2000 0,35—0,7 300^ 26 — 2,1 0,66 — Соленоид, к. п. д. 30%
МА-2003 ' 0,3—0,9 1000 26 — 2 1,5 — Соленоид, к. п. д. 30%
МА-2002 5,9—6,4 8 34 — 2,5 0,04 — ППМ, к. п. д. 16%
МА-4837 6,4—7,8 3 40 1,85 0,022 1 ППМ, 5X52X21 см
300
Таблица 8.5
Импульсные ЛБВ с постоянным периодическим магнитом ППМ
Тип Диапазон частот, Ггц Импульсная мощность, КВТ Средняя мощность, ВТ V дб изс- кв ’к- а Вес, кг
VTP5330A1 0,5—0,6 5 300 30 12,5 2,7 45
VTL5240H1 1,2—1,5 5 150 — — — 9
VTS5151A1 2—4 1 20 36 8 1,8 3,4
1160Н 2,9—3,1 3 7,5 50 — — 1,1
VTC5070A1 4—8 0,3 15 30 8 0,3 3,6
VTX5381A1 8,5—9,6 10 100 37 25 5 6,8
L-522 7—11 1 10 55-60 — — 15
L-3674 0,4—0,45 2,5 170 — — — —
М-4383 0,5—1 1 10 30 — — —
L-5135* 2—4 1 40 — — — 3,2
промежуточных или
* ЛБВ L-5135 (рис. 8.8) рассчитана на применение в
оконечных усилителях бортовых систем РПД.
Рис. 8.8. ЛБВ L-5135
диапазоне 470—960 Мгц и выходную мощность 25—100 вт при по-
требляемой мощности 250—700 вт и анодном напряжении 1500—
2000 в.
301
8.2. Твердотельные усилители и генераторы
В результате бурного развития твердотельные приборы вплот-
ную приблизились по основным параметрам к электровакуумным
приборам. Малые вес и габариты и низкие питающие напряжения,
упрощающие источники питания, делают твердотельные приборы
особенно перспективными в бортовой аппаратуре космических ап-
паратов и ракет. Однако по уровню выходной мощности, полосе
рабочих частот и коэффициенту усиления приборы на твердом теле
пока еще уступают электровакуумным приборам.
Среди всего многообразия твердотельных приборов можно вы-
делить транзисторы, варакторные диоды, туннельные диоды и
СВЧ-приборы на объемном эффекте. Большинство из этих прибо-
ров может работать как в усилительном, так и в генераторном ре-
жимах. Ниже приводится краткая характеристика указанных ти-
пов твердотельных приборов.
Из всех твердотельных приборов, применяемых для генерации
и усиления электромагнитных колебаний, наиболее освоенными яв-
ляются транзисторы. Современные транзисторы позволяют полу-
чить коэффициент усиления по мощности свыше 5 дб на частоте
4 Ггц и могут генерировать на частотах до 6 Ггц. Диапазон выход-
ных мощностей лежит в пределах от 50 вт на 500 Мгц до 75 мвт на
4 Ггц. Зависимость мощности и к. п. д. генерируемых колеба-
ний от частоты, характерная для некоторых экспериментальных и
промышленных транзисторов США, представлена на рис. 8.9. Одно
из существенных достоинств транзисторов: их вы ос кий к. п. д. в
низкочастотной части СВЧ-диапазона; в непрерывном режиме на
частоте 2 Ггц к. п. д. до 25%, а на 500 Мгц он может достигать
60%.
Варакторные диоды (диоды с переменной емкостью) с внешним
возбуждением при помощи транзисторов могут обеспечивать вы-
ходную мощность в СВЧ-диапазоНе намного большую, чем тран-
зисторы. Их можно использовать в качестве генераторов, па-
раметрических усилителей или преобразователей, повышающих
частоту.
Туннельные диоды используются в основном для усиления
СВЧ-колебаний. Считается перспективным использование усилите-
лей на туннельных диодах в качестве элементов фазированных ре-
шеток бортовых РЛС.
СВЧ-приборы на объемном эффекте можно разделить на три
основные группы: лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна и при-
боры с ограниченным накоплением объемного заряда. Потенциаль-
ные возможности применения объемных приборов далеко не исчер-
паны. По всей видимости, они будут применяться в фазированных
антенных решетках в качестве излучающих элементов.
Лавинно-пролетные диоды (ЛПД) относят к широкому классу
генераторных устройств, в которых ударная ионизация исполь-
зуется для возбуждения лавины носителей заряда, дрейфующих
затем в пролетной области и обусловливающих возникновение
302
6
Рис. 8.9. Зависимость мощности (а) и к. п.д. (б) от частоты неко-
торых твердотельных транзисторов
303
отрицательного сопротивления и колебаний. В ЛПД величина ла-
винного тока весьма значительна, поэтому при работе в режиме не-
прерывных колебаний необходимо принимать меры для отвода теп-
ла. В разработанных в США ЛПД мощность 180 вт получена на
частоте 800 Мгц, мощность 100 вт — на частоте 2 Ггц (к. п. д. 20%)
и 700 вт — на частоте 0,5 Ггц (к. п. д. 35%).
Указанные параметры получены на экспериментальных образ-
цах. Серийные же приборы имеют выходную мощность 10—100 мвт
на частотах 8—26 Мгц при к. п. д. 1—5%. Лавинно-пролетные
диоды могут также работать в режиме усиления.
В сентябре 1963 г. было опубликовано сообщение Дж. Б. Ганна
об обнаруженном им эффекте генерации СВЧ-колебаний в объеме
арсенида галлия при превышении напряжением смещения некото-
рого порового значения. Приборы, работающие по этому принципу,
получили имя изобретателя.
Основное значение диодов Ганна — генерация высокочастотной
энергии в диапазоне частот свыше 1 Ггц, хотя в принципе возмож-
но их использование в качестве усилителей. В настоящее время
приборы, работающие на эффекте Ганна, еще значительно от-
стают от транзисторных генераторов по к. п. д. и уровню генери-
руемой мощности. Получению больших уровней мощности от дио-
дов Ганна препятствуют два фактора: трудности, связанные с от-
водом тепла, выделяющегося при работе прибора, и качество арсе-
нида галлия, из которого изготовляются генераторы. За рубежом
развитие приборов, работающих на основе эффекта Ганна, идет
по пути .повышения генерируемой мощности и освоения более низ-
ких частот.
Генератор на эффекте Ганна относится к так называемым «про-
летным» приборам, т. е. приборам, у которых частота генерации
определяется временем пролета электронов через область р-n пере-
хода. Время пролета носителей через р-n переход в обычных тран-
зисторах или туннельных диодах составляет лишь долю периода
генерируемых колебаний. Частота .возникающих колебаний прибли-
зительно обратно пропорциональна длине перехода и ориентиро-
вочно может быть вычислена как 107/L, гц (L в см).
Для диодов толщиной примерно 100 мкм напряжение, при ко-
тором поле достигает критической величины, составляет всего не-
сколько десятков вольт. Если учесть, что к. п. д. преобразования
энергии в этих приборах уже в настоящий момент достигает не-
скольких процентов, то станет понятен интерес к использованию эф-
фекта Ганна для создания простых и эффективных генераторов
СВЧ-диапазона. От генератора Ганна уже получены параметры,
которые являются рекордными для твердотельных СВЧ-генера-
торов.
Повышенный интерес, проявляемый к разработке и усовершен-
ствованию генераторов Ганна, видимо, приведет к тому, что в бли-
жайшем будущем эти генераторы смогут найти еще более широкое
применение не только в качестве заменителей гетеродинов и кли-
стронов, но и как заменители лампы обратной волны или в каче-
304
Таблица 8.6
Основные параметры генераторов Ганна в непрерывном режиме
Страна-изгото- витель Средняя частота (Диа- пазон рабочих частот), Ггп Максимальная выходная мощность, МВТ Коэффициент полезного действия, % Мощность питания по постоянному току, Вт Диапазон механической перестройки частоты, Мгн
Япония 2,5 280 3,6 7,5
Япония 3,7 212 3,0 6,7
США 5,0 120 —
Япония 8,3 215 5,7 3,8
Япония 7,7 340 5,5 6,2
США 9,2 100
Япония 9,5 145 2,5 5,8
США (4-12) 100 5,3 — 10% ОТ несущей
Япония 7 50 1,0 2,3 250
(6-12) 1000
США (9-12,4) 25 — 3,15
стве самостоятельных источников СВЧ-мощности в фазированных
антенных решетках. В табл. 8.6 представлены основные характе-
ристики экспериментальных приборов, использующих эффект Ган-
на, разработанных различными фирмами США и Японии.
Табл. 8.7 содержит основные параметры, полученные к 1968 г.
на генераторах в импульсном режиме.
Таблица 8.7
Основные параметры генераторов Ганна в импульсном режиме
Фирм а-изгото вите л ь Мощность, ВТ Частота, Ггц К. п. д.» % Режим
Центр NASA 1000 1 ОНОЗ*
RCA 420 1,05 — Ганновский
Корнельский универ- 350 8 — ОНОЗ
ситет
RCA 143 2,2 18 Ганновский
RCA 112 1.9 24 —
RCA 56 1,24 15 ——
Корнельский универ- 33 10 — ОНОЗ
ситет
IBM 10 4 6.3 —
♦ Режим ОНОЗ рассматривается ниже.
Как видно из приведенных таблиц, приборы на основе эффекта
Ганна могут работать в широком диапазоне частот. Теоретиче-
ский анализ показывает, что верхняя граница генерируемых частот
определяется 500 Ггц. К настоящему времени получена генерация
на частоте 370 Ггц.
>//11-754
305
Наибольшая выходная мощность 3,5 вт в непрерывном режиме
получена на частоте 1,5 Ггц. Однако при этом к. п. д. не превысил
0,5%.
Некоторый интерес представляет использование диодов Ганна
для получения полупроводникового эквивалента лампового генера-
тора обратной волны. Диоды перестраиваются по частоте при по-
мощи сферы из железо-иттриевого граната (ЖИГ). По мнению
американских специалистов, полупроводниковый эквивалент ЛОВ
может оказаться достаточно компактным, легким, надежным и при-
годным для применения в аппаратуре радиопомех. Параметры по-
лупроводниковых эквивалентов ЛОВ приведены в табл. 8.8.
Таблица 8.8
Параметры полупроводниковых эквивалентов ЛОВ
Фирма-изгото- витель Тип Выходная мощность, ВТ Диапазон перестройки частоты, Ггц Мощность перестройки, ВТ Максимальный разброс мощ- ности в диа- пазоне, дб
„Вариан“ VSX-9070 10 8—12,4 6 х 6
PEL ОХ-ЮО 10 8—12,4 7 6
Помимо меньших габаритов и веса генератор Ганна имеет
меньший уровень шумов и более надежен, чем ЛОВ.
Диоды Ганна могут работать в режиме усиления. Типичная за-
висимость коэффициента усиления от частоты при различных
Рис. 8.10. Зависимость коэффициента усиления
от частоты при различных напряжениях сме-
щения на диоде
нераторов Ганна рассмотрены в ряде
описан следующий эксперимент.
На диод, помещенный в резонатор,
напряжениях смещения
представлена на рис. 8.10.
Отличительной чертой
РЛС с фазированными
решетками является то,
что каждый излучающий
элемент выполнен в виде
небольшого автономного
прибора, генерирующего
и излучающего СВЧ-энер-
гию. Наиболее подходя-
щими источниками энер-
гии для такой системы
могли бы стать генера-
торы на эффекте Ганна,
если бы удалось управ-
лять ими по фазе.
Вопросы фазовой син-
хронизации отдельных ге-
работ. В одной из работ
одновременно подавались
306
импульсное смещение несколько ниже пороговой величины и не-
прерывный синхронизирующий сигнал так, чтобы диод возбуждал-
ся в каждый период синхронизирующего напряжения. При этом
вслед за изменением частоты синхронизирующего сигнала наблю-
дался сдвиг частотного спектра генератора Ганна. Для управления
фазой генератора Ганна мощностью 22 мвт требовался источник
синхронизирующего сигнала мощностью 7 мвт. При объединении
генераторов Ганна в группы основная трудность фазовой синхро-
Рис. 8.11. Структурная схема антенной решетки на генераторах
Ганна
нивации связана с независимым возбуждением генераторов. Струк-
турная схема антенной решетки Х-диапазона с четырьмя синхрони-
зированными по фазе генераторами приведена на рис. 8.11.
В решетке использовались генераторы Ганна, имеющие им-
пульсную мощность примерно 250 мвт каждый. Импульсный режим
каждого генератора обеспечивался формирователем импульсов. Ге-
нераторы сихронизировались по фазе с помощью импульсного сиг-
1 нала, подаваемого от задающего генератора. При частоте повторе-
ния 1000 имп/сек длительность импульсов составляла 0,7 мксек.
На основе анализа диаграмм направленности решетки, получен-
ных в режиме излучения и приема колебаний, специалисты пришли
к выводу, что антенные решетки аналогичного типа могут явиться
основой для создания бортовых РЛС с электронным сканирова-
нием.
В 1966 г. Коплэндом (США) было обнаружено, что при соблю-
дении некоторых условий можно избавиться от зависимости часто-
ты генерируемых колебаний от размеров диодов Ганна.
VJ1* 307
Предложенный им режим (LSA) ограниченного накопления
объемного (пространственного) заряда или сокращенно ОНОЗ
(ОНПЗ) тщательно исследуется. Расчеты подтверждают возмож-
ность получения импульсной мощности >1 квт от диода Ганна,
работающего в режиме ОНОЗ.
Режим ОНОЗ возникает следующим образом. Если на диодах
Ганна достаточно быстро менять напряжение, то объемный заряд
не будет успевать следить за полем и возможно возникновение от- <
рицательного сопротивления. Нужно только, чтобы частота изме-
нения напряжения не превышала частоту, с которой дрейфовая
скорость может следовать за изменением поля. Поскольку послед-
няя должна быть порядка частоты столкновения электронов *
(1012 сек"1), то внешняя отрицательная проводимость должна на-
блюдаться до самого коротковолнового участка СВЧ-диапазона, р
При подключении к диоду в качестве нагрузки резонатора диод *
можно будет заставить генерировать на частотах, при которых его /
проводимость отрицательна.
В противоположность ганновскому режиму колебаний частота;'
в этом случае определяется не длиной диода, а внешней цепью (ре->с* Р
зонатором). Основным преимуществом режима ОНОЗ перед ган-
новским режимом является независимость частоты генерируемых
колебаний от длины диода. Эта особенность режима ОНОЗ позво-
ляет подводить к диодам, работающим даже на очень высоких ча- *
стотах, сравнительно большие напряжения и, следовательно, полу-
чать высокие мощности генерации. С помощью генераторов Ганна, *
работающих в режиме ОНОЗ, теоретически возможно получить
мощности непрерывных колебаний порядка нескольких ватт в диа- <
пазоне частот 30—300 Ггц с к. п. д. 20% и киловатты в им-
пульсном режиме. В табл. 8.7 приведены некоторые параметры
приборов, работающих в режиме ОНОЗ.
8.3. Антенные устройства
К антеннам космических объектов за рубежом предъявляют
ряд требований, которые не играют решающей роли в антеннах
другого назначения. Такие антенны, например, должны работать
при очень высоких- и при очень низких температурах, в вакууме
при большом уровне радиации, иметь малые вес и размеры, вы-
сокую надежность, достаточную электрическую прочность в усло-
виях пониженного давления.
Наряду со многими отрицательными воздействиями окружаю-
щего космического пространства имеется положительный фак-
тор — очень малая плотность атмосферы. Благодаря этому появ-
ляется возможность применения очень больших и легких антенн,
например в виде надувных баллонов, покрытых металлизирован-
ной фольгой.
Антенны, применяемые на космических объектах, весьма разно-
образны,
308
Известными достоинствами обладают логопериодические ча-
стотно-независимые и сверхширокополосные антенны. Наименьшие
габариты и вес имеют конические спиральные антенны, которые
целесообразно использовать в системах радиопротиводействия и
радиоразведки в качестве облучателей для параболических реф-
лекторов, представляющих собой раскрывные или надувные ан-
тенны.
Возможно также применение утопленных укороченных антенн
с вторичным излучением. Такие антенны, встроенные заподлицо на
глубину около 0,5 X в несущую поверхность, удобны для установки
на самолетах, ракетах и спутниках. Можно получить высокий
коэффициент усиления, если встроить несколько укороченных ан-
тенн с вторичным излучением в увеличенный объемный резонатор.
Складные антенны для работы в космосе. Необходимость в
разработке складных антенн возникает в тех случаях, когда тре-
буется использовать антенные апертуры, размеры которых превы-
шают габариты космического объекта. При этом возникает ряд
рудностей конструктивного характера, которые в основном можно
разделить на две части: установка большой антенны в свернутом
виде внутри корпуса объекта и развертывание антенны в космосе
после выхода объекта на орбиту.
Характеристики больших складных антенн чаще всего значи-
тельно лучше характеристик антенн с фиксированной апертурой.
Так, складные антенны обеспечивают больший коэффициент уси-
ления при относительно небольшом увеличении веса. Дополнитель-
ными требованиями к таким антеннам являются:
— малое потребление мощности механизмами развертывания;
— высокий коэффициент «свертываемости», характеризующий-
ся отношением диаметров отражателя антенны соответственно в
развернутом и свернутом состояниях;
— высокий коэффициент р полезного веса антенны, определяемый
отношением общего веса антенной системы к площади апертуры;
— высокая надежность.
В разрабатываемых антеннах отношение диаметров антенны в
развернутом и свернутом состояниях лежит в пределах от 2 до 10,
а среднее значение р составляет около 1,5 кг/м2.
Раскрывающиеся антенны разрабатываются как для связных,
так и для радиолокационных систем. Так, в США разработана
легкая бортовая радиолокационная антенна спутника, раскрываю-
щаяся на орбите в заданный момент времени. Антенна представ-
ляет собой параболический цилиндр с апертурой 7,3X1 м, соеди-
ненный со щелевой антенной решеткой. Отражатель, состоящий из
семи жестких слоистых панелей, соединенных между собой шар-
нирами, во время хранения имеет размеры 0,9X1,2X2,7 м и может
быть выведен наружу через люк размерами 81X106 см.
По мнению американских специалистов, антенны должны отве-
чать следующим требованиям:
— размеры неровностей поверхности не должны превышать
1/16 длины волны, на которую рассчитана антенна;
12—754
309
“ антенна должна сохранять работоспособность при длитель-
ном хранении;
— система развертывания должна быть надежной;
— отношение диаметров антенны в рабочем и сложенном по-
ложениях не менее 10, отношение занимаемых объемов — не ме-
нее 50;
— вес антенны в расчете на единицу рабочей площади не дол-
жен превышать 1,22 кг/м2.
Ими изучены несколько типов развертываемых в космосе ан-
тенн: жесткая лепестковая антенна, телескопическая с отвердеааю-
щей в космосе оболочкой, пленочные антенны (стабилизируемые
вращением и подкрепленные элементами жесткости). Жесткая ле-
пестковая антенна диаметром 9,8 м развертывается с помощью
пружинного устройства и имеет вес на единицу площади равный
1,27 кг/м2.
Пленочная антенна с алюминиевыми элементами жесткости
имеет диаметр рабочей части 3 м и вес на единицу площади
0,5 кг/м2. Отмечается, что, хотя антенны этого типа имеют малый
вес, их система развертывания излишне сложна. Кроме того, в не-
которых случаях образовывались складки на пленке. Другая экс-
периментальная пленочная модель диаметром 1,8 м снабжена
элементами жесткости из плоских майларовых трубок с листовыми
пружинами, обеспечивающими развертывание антенны. Антенна
покрыта майларовой пленкой с алюминиевым покрытием.
Кроме складных параболических антенн в США ведутся рабо-
ты по созданию развертывающихся в космосе антенных решеток.
Например, развертывающаяся в космосе фазированная антенная
решетка синхронного связного ИСЗ предназначена для обеспе-
чения связи одновременно с двумя другими космическими кораб-
лями, летящими по низкой орбите. Исходным требованием при раз-
работке было наличие двух лучей с независимым управлением.
Требуемое значение коэффициента усиления составляло 44 дб на
частоте 2,28 Ггц. Для выполнения функций передачи и приема был
использован общий элемент антенйы, суммарное число элементов
в фазированной решетке составило 1024, размер апертуры
8,7 X 8,7 м. Каждый излучающий элемент соединялся с микровол-
новым модулем на интегральных схемах. Модуль выполнял функ-
ции передачи, приема и управления лучом для обоих каналов. Из
коэффициента усиления (44 дб) должны быть исключены потери в
фазовращателе. Однако в непосредственной близости от каждого
излучающего элемента размещался усилитель с большим коэффи-
циентом усиления, который компенсировал эти потери; при этом
лишь незначительно увеличивался коэффициент шума.
Ограничения по весу и габаритам требуют создания планарной
фазированной антенной решетки с максимальным коэффициентом
использования апертуры. Задачи управления положением спутни-
ка и другие требования, связанные с эксплуатацией спутника, пред-
полагают симметричность фазированной антенной решетки и всего
спутника относительно двух перпендикулярных осей в плоскости
310
решетки, пересекающихся в центре апертуры антенны. Были иссле-
дованы антенны различных типов с целью выбора оптимального
излучающего элемента фазированной антенной решетки. Был так-
же проведен сравнительный анализ спиральной, ребристо-стержне-
вой, рупорной, вибраторной и щелевой турникетной антенн. В ре-
зультате сделан вывод о предпочтительном использовании спи-
ральной антенны в качестве излучающего элемента фазированной
антенной решетки.
Для размещения внутри ракеты «Титан-ЗС» сконструирована
ФАР по принципу сложенной спирали.
Таким образом, можно сделать вывод, что работы по созданию
развертывающихся антенн для космических аппаратов ведутся за
рубежом достаточно интенсивно. Наибольшее внимание уделяется
складным параболическим антеннам. Имеются некоторые успехи
также и в создании раскрывающихся антенных решеток.
8.4. Микроминиатюризация авиационно-космической аппаратуры
Начало активной деятельности в области микроминиатюриза-
ции радиоэлектронной аппаратуры в США относится к 1958 г. В те
годы были разработаны следующие методы микроминиатюриза-
ции: уплотненный монтаж, сварные модули, микромодули, тонко-
пленочные микросхемы, полупроводниковые интегральные схемы
различных типов. Позже были внедрены так называемые гибрид-
ные методы.
Миниатюризация авиационно-космической аппаратуры диктует-
ся в первую очередь требованием сокращения весов и объемов.
Если, например, в 1942 г. электронное оборудование большого са-
молета насчитывало около 2 тыс. компонентов общим весом 30 кг
и объемом 0,04 м3, то в современном самолете дальнего действия
электронные системы содержат 150 тыс. компонентов, общий вес
которых — в случае использования компонентов образца 1942 г.—
составил бы 2500 кг, а объем — 3 м3. Сейчас совершенно опреде-
ленно наметилась тенденция к еще большему усложнению систем
и, следовательно, к увеличению их объемов и веса.
Внедрение полупроводниковых приборов было первым важным
шагом на пути уменьшения объемов аппаратуры. Логическим про-
должением этого развития явилось освоение интегральных схем
{ИС), позволяющих еще более сократить объем и вес. Малые раз-
меры ИС дают возможность широко применять резервирование,
что способствует повышению надежности аппаратуры.
Наиболее широко микроэлектронные схемы могут быть приме-
нены в системах управления баллистическими снарядами, в борто-
вых РЛС, а также в системах радиоразведки и радиопротиводей-
ствия.
Обладая рядом неоспоримых достоинств по сравнению с обыч-
ными схемами, микроэлектронные схемы уступают им в радиаци-
онной стойкости. Однако и этот недостаток устраняется.
12*
311
Микроэлектронные схемы делят на интегральные и гибридные.
Интегральная схема состоит из двух или нескольких нераз-
дельно связанных схемных элементов, размещенных на поверхно- /‘
сти или внутри материала подложки. Подложка может быть пас-
сивной или активной. Пассивная подложка (например, стекло)
служит в схеме лишь конструктивным или теплоотводным элемен-
том. Активная подложка (например, кремниевая) в дополнение к
функциям пассивной подложки участвует в усилении или переклю-
чении напряжения.
Гибридная схема представляет собой комбинацию двух или
трех компонентов:
— ИС на активной подложке;
— ИС на пассивной подложке;
— дискретных компонентов.
Имеется множество разновидностей гибридных схем. Инте-
гральная схема на активной подложке и дискретные компоненты
могут быть смонтированы на пассивной подложке, содержащей ре-
зистивные элементы и внутрисхемные соединения. Другим видом
гибридной схемы является комбинация модулей из дискретных
компонентов и монолитных ИС.
Рассмотрим применение микроэлектронных схем на примерах
выполнения различных СВЧ элементов, узлов, а также разработки
экспериментальной бортовой аппаратуры.
В США рекламируются ферритовые интегральные схемы мик-
роволнового диапазона для твердотельных приемных устройств
РЛС и средств радиопротиводействия. В частности, одна из ин-
тегральных схем на кристалле ЖИГ в состоянии работать как
ограничитель или фильтр и предназначается для применения в ра-
диоприемных устройствах средств радиоразведки и радиопротиво-
действия.
Разрабатываются также микроволновые ферритовые фазовра-
щатели для будущего поколения самолетных РЛС с фазированной
решеткой, а также для приемных и передающих устройств систем
радиопротиводействия. В стадии разработки находится ИС на фер-
ритовой подложке, предназначенная для применения в качестве
элемента фазированной решетки. Предполагается, что следующим
этапом развития будет выращивание полосковых волноводов на
керамической или платиновой подложке для фазовращателей.
Американские специалисты рассчитывают на то, что новый фазо-
вращатель Х-диапазона сможет пропускать мощность порядка де-
сятков ватт с потерями не более 1 дб.
Существуют два различных подхода к интеграции СВЧ элемен-
тов в общей схеме. Один из них — метод создания монолитных
устройств — позволяет получить интегральную схему, все элемен-
ты которой сформированы в полупроводниковом кристалле. Для
нормального функционирования монолитной ИС необходима без-
отказная работа всех ее элементов. Объединение в монолитной ИС
большого количества схемных элементов различного назначения
(соединительных цепей, конденсаторов, резисторов, диодов и т. д.)
312
затруднительно, поскольку все элементы изготовляются из одного
и того же материала (обычно из кремния).
По этим причинам более широкое распространение получил
второй метод — метод гибридных интегральных схем. Согласно
этому методу схемные элементы изготовляют отдельно и без кор-
пусов, затем элементы соединяют на миниатюрной схемной плате
(сформированной путем осаждения металлических соединительных
проводников на керамику, например, окись алюминия, диэлек-
трик). В США опубликованы параметры 2-элементного проходно-
го фазовращателя S-диапазона (табл. 8.9). В таблице также при-
водятся некоторые данные по проектируемому фазовращателю
Х-диапазона.
Таблица 8.9
Параметры фазовращателей на интегральных схемах
Характеристики S-диапазон Х-диапазон
Габариты, мм 0,51X41X13.6* 0.51X14X23**
Размер схемы (в сборке без разъемов), мм 49X35,5 X9,7 —
Высокочастотная мощ- До 0,02 400 (импульсная)
ность, ВТ 10 (непрерывный режим)
Центральная частота, Ггц 2,725 9,5
Полоса пропускания, Мгц Потери, дб ±50 ±500
2,6±0.3 1,7 (расчет) 2,4 (эксперимент)
КСВН 1,25—1,4 1,5 (расчет) 2 (эксперимент)
Среднеквадратичная фа- 1,4 5 (расчет)
зовая ошибка, град. Смещение на диоде: (максимальная — 3,5)
— прямое, мв 5—10 25
— обратное, в 10 25
Число диодов 17 10
* С остеклованной керамической подложкой, диоды и конденсаторы со
стержневыми выводами.
♦♦ На подложке из окиси алюминия.
Модульный принцип разработки облегчает создание новой ап-
паратуры, сокращает время и стоимость ее разработки. Примене-
ние модулей особенно целесообразно при использовании фазиро-
ванных антенных решеток. Модульное конструирование позволяет
модернизировать аппаратуру путем добавления модулей или их
частичной замены по мере технологического и схемного усовершен-
ствования.
313
В этой связи представляет интерес модуль, рис. 8.12, разрабо-
танный по программе MERA (применение молекулярной электро-
ники в радиолокационной технике). Основной целью программы,
начатой в 1964 г., было создание радиолокационной системы на
основе интегральных схем. Модуль собран из шести отдельных под-
ложек с интегральными схемами. Предусилитель ПЧ и модуля-
тор, изготовленные отдельно, смонтированы на одной подложке со
смесителем и импульсным усилителем. Логические схемы и задаю-
щие контуры фазовращателей, выполненные в виде бескорпусных
дискретных компонентов, смонтированы на одной подложке с фа-
Рис. 8.12. ВЧ модуль со снятыми крышками:
/ — смеситель 3-см диапазона, переключатель антенны и ПЧ предусилитель; 2 —четырех-
кратный умножитель в цепи передачи; 3 — импульсный усилитель и модулятор; 4 — четы-
рехкратный умножитель приемной цепи,- 5 — фазовращатели и логические схемы; 6 —
предусилитель 10-см диапазона и ВЧ-переключатель
зосдвигающими устройствами. Все интегральные схемы изготов-
лены на керамических подложках и содержат тонкопленочные пас-
сивные и активные элементы. Габариты модуля 63X25X7 мм,
масса — 14 г.
Структурная схема приемопередающего высокочастотного мо-
дуля программы MERA приведена на рис. 8.13. При передаче на
модуль поступает импульс сигнал-генератора с частотой 2,25 Ггц
и мощностью 2 мвт, который затем усиливается предварительным
усилителем до 20 мвт. Усиленный сигнал через ВЧ-переключатель
подается на фазовращатель передающей цепи (верхний на схеме).
Фазовращатель содержит четыре цифровых фазосдвигающих эле-
мента, управляемых сигналами четырехзарядного счетчика, и
обеспечивает любой фазовый сдвиг от 0 до 90° с шагом 5,62°.
В результате последующего четырехкратного умножения частоты
максимальный фазовый сдвиг составит 360°. Погрешность фазовра-
щателя на несущей частоте не превосходит 10°. С выхода фазовра-
щателя сигнал поступает на пятикаскадный импульсный усилитель
мощности с минимальным усилением 23 дб. Для обеспечения хо-
роших фазовых характеристик усилитель работает в режиме насы-
щения. Выходной сигнал усилителя мощностью более 2 вт посту-
пает к четырехкратному умножителю на двух последовательно
включенных параметрических диодах, где он преобразуется в сиг-
нал с частотой 9 Ггц и мощностью около 1 вт. Схема антенного
переключателя на двух диодах обеспечивает развязку цепей
314
Рис. 8.13. Структурная схема ВЧ модуля
315
передачи и приема более 20 дб при вносимых потерях около 1 дб.
Излучающий элемент модуля представляет собой полуволновый
вибратор.
В процессе приема на вход предварительного усилителя посту-
пает сигнал мощностью 2 мвт и частотой 2,125 Ггц. Усиленный
сигнал через схему ВЧ-переключателя поступает на фазовраща-
тель в цепи приема, который аналогичен фазовращателю передат-
чика. С выхода фазовращателя сигнал поступает на четырехкрат-
ный умножитель частоты, отличающийся от умножителя передаю-
щей цепи тем, что в нем используется один параметрический диод.
Рис. 8.14. Упрощенная структурная схема РЛС «MERA»
С выхода умножителя сигнал с частотой 8,5 Ггц подводится к
смесителю. На этот же смеситель поступает принятый сигнал с ча-
стотой 9 Ггц. С выхода широкополосного балансного смесителя,
выполненного на кремниевых диодах с барьером Шотки, сигнал
промежуточной частоты 500 Мгц поступает на предварительный
усилитель промежуточной частоты, обеспечивающий усиление
20 дб в полосе до 800 Мгц. Общий шум-фактор смесителя и преду-
силителя составляет приблизительно* 10,5 дб. Выходные сигналы
предусилителя ПЧ подаются в блок суммирования сигналов от эле-
ментов решетки.
Примером применения модуля является многофункциональный
радиолокатор 3-см диапазона, разрабатываемый фирмой «Техас
инструменте». На рис. 8.14 приведена упрощенная структурная
схема этой РЛС, которая содержит 604 высокочастотных сменных
модуля, осуществляющих прием и передачу на частоте 9 Ггц.
Активные элементы возбуждаются с помощью распределительного
устройства, делящего энергию сигнал-генератора между модуля-
ми. Последний вырабатывает три вида сигналов: в режиме пере-
316
дачи (2,25 Ггц), приема (2,125 Ггц) и для преобразования часто-
ты с 500 до 60 Мгц в блоке приема и обработки данных.
Требуемая диаграмма направленности формируется путем сло-
жения выходных сигналов модулей в соответствии с заданным
весовым распределением. По видеосигналам блока приема и обра-
ботки данных ЭВМ управляет слежением за наземной обстанов-
кой (измерения высоты, дальности, картографирование). Одновре-
менно ЭВМ управляет и сканированием луча независимо от режима
слежения. Для обеспечения достаточной чувствительности и
хорошего разрешения по дальности излучаемый импульс может на-
Рис. 8.15. Размещение модулей в антенной
решетке
делиться линейной ЧМ со сжатием при приеме. Допускается также
излучение простых немодулированных импульсов.
Размещение отдельных модулей в антенной решетке показано
на рис. 8.15. Расстояние между модулями составляет 0,534 X.
Вся РЛС, включая аналоговые ЭВМ (в которых использованы
микросхемы), весит 68 кг; указывается, что при создании данного
образца разработчики не стремились специально к уменьшению
веса.
На рис. 8.16 приведен макет РЛС с ФАР, состоящей из 280 эле-
ментов (10X28), уровень боковых лепестков которой на передачу
и прием составляет —11 и —21 дб соответственно. На рис. 8.17
показаны диаграммы направленности этой ФАР. Расчеты, произве-
денные по данным предварительных испытаний, указывают на воз-
можность получения диаграммы направленности полноразмерной
ФАР (604 элемента) с уровнем боковых лепестков примерно
—40 дб
317
Рис. 8.16. Макет РЛС с ФАР
Рис. 8.17. Диаграммы направленности ФАР, состоящей
а —режим излучения; б — режим приему
из 280 элементовз
315
По предварительным оценкам, стоимость одного модуля в се-
рийном производстве будет составлять около 100 долларов. В на-
стоящее время модуль усовершенствуется и его излучаемая мощ-
ность повышается до 10 вт.
8.5. Линии задержки в станциях дезинформирующих радиопомех
Сигналы РЛС могут задерживаться по времени на радио- или
видеочастоте. Задержка сигналов на видеочастоте реализуется
достаточно просто. Для станций помех задержка сигналов затруд-
няется тем, что при переходе на видеочастоты не сохраняются фа-
зовые соотношения радиочастотного заполнения зондирующих им-
пульсов РЛС. В зависимости от целевого назначения и связанных
с ним тактико-технических требований линии задержки (ЛЗ) мож-
но условно классифицировать по следующим признакам:
— по времени запоминания (кратковременное до 1—5 мксек и
длительное свыше 10 мксек);
— по рабочей частоте (без преобразования или с преобразова-
нием входного сигнала радиочастоты);
— по полосе пропускания (узкополосные до 1 Мгц и широко-
полосные свыше 1 Мгц);
— по виду задержки (постоянная или переменная);
— по принципу действия.
Любая линия задержки характеризуется;
— временем задержки;
— рабочей частотой;
— шириной полосы пропускания;
— общим затуханием;
— относительным уровнем ложных сигналов;
— входным и выходным электрическим сопротивлением;
— стабильностью параметров, в частности термоустойчивостью.
В радиотехнических устройствах в настоящее время наибольшее
распространение получили ультразвуковые линии задержки. Выбор
звуковых волн обусловлен тем, что скорость их распространения в
жидких и твердых средах в среднем на 4—5 порядков меньше ско-
рости распространения электромагнитных колебаний в вакууме.
Следовательно, примерно одинаковое время задержки обеспечи-
вается электрическим кабелем длиной в 1 км или звукопроводом
длиной в 1 см.
В твердых средах могут распространяться как продольные, так
и поперечные колебания. Последние имеют скорость распростра-
нения на 30—40% меньшую, и их использование в ультразвуковых
линиях задержки на относительно большие времена задержки яв-
ляется более предпочтительным, так как позволяет существенно
уменьшить габариты и вес звукопровода. Прямое и обратное элек-
троакустическое преобразование проще реализуется в случае про-
дольных волн, поэтому в линиях задержки на большие времена
иногда приходится прибегать к преобразованию продольных волн
319
в поперечные у входного конца звукопровода с обратным преобра--
зованием у выходного конца.
Наличие вторичных паразитных сигналов определяется многими
причинами. Величина уровня ложных сигналов определяется отно-<
шением амплитуды максимального из паразитных сигналов на вы-
ходе линии задержки к амплитуде основного сигнала. Одним из
источников появления вторичных сигналов является троекратно
распространяющийся сигнал. Частично основной сигнал отражает-
ся от приемного преобразователя и распространяется назад по ли-
нии, затем вновь отражается от передающего преобразователя по
направлению к приемному преобразователю. Длина пути задерж- ?
ки такого сигнала в три раза больше длины пути основного сиг-
нала. Вторичные сигналы вызываются также переходом из режима
продольных колебаний в режим поперечных колебаний и наоборот,
рассеянием энергии на неоднородностях среды и дисперсионными
явлениями.
В линии задержки, использующей многократные внутренние
отражения, вторичные сигналы могут также появиться у прием-
ного преобразователя в результате излучения по боковым лепест- ?
кам диаграммы излучения преобразователя. Вторичные сигналы
аналогичны по форме входному импульсу и могут поступить в
приемный преобразователь до или после основного сигнала. Кроме
дискретных вторичных сигналов, существует обычно непрерывный ч
фон паразитных сигналов, не связанных с формой входного им-
пульса.
В общем случае ультразвуковая линия задержки состоит из :_
входного и выходного преобразователей и звукопровода. Основ-
ные причины ослабления выходного сигнала по сравнению с вход-
ным следующие: электроакустическое преобразование, затухание в л
звукопроводе, преобразование волн (продольных в поперечные и
наоборот), расхождение луча.
Общие потери в ультразвуковой линии задержки могут быть
приближенно определены по формуле
*4
^Общ Вр
. i=l
где — физическое затухание в материале звукопровода
Bj = aL;
•— потери на расхождение потока t
B2=2oig4-;
— потери при двойном электроакустическом преобразовании
для односторонней нагрузки
В3 = 201g + 20Ig-gi-• -J- - 12;
О бц * о ч
320
— потери преобразования при отражении на границах раздела
в. = 20|’8х|-
Обозначения в формулах:
— длина волны звуковых колебаний, см;
L — длина пути звуковых колебаний, см;
S — эффективная поверхность излучателя, см2;
а—коэффициент затухания в звукопроводе, дб-см-1;
сп — скорость распространения звука в преобразователе
Y-среза кварца, см/сек;
ек — диэлектрическая постоянная кварца, равная 4,58;
PjCj — акустическое сопротивление звукопровода попереч-
ных колебаний, гс • см~2 • сек-1;
Pj и Ро — коэффициенты нагрузки преобразователей с учетом
и без учета переходного слоя соответственно;
7] — коэффициент, учитывающий потери в переходном
слое;
Aj и А2 — амплитуды падающей и отраженной волны соответ-
ственно, см;
еп — пьезоэлектрическая константа (для кварца ец =
= 5,2-104).
Например, для линии задержки на 1 мсек, изготовленной из
магниевого сплава, общие потери в 65 дб распределяются следую-
щим образом: на электроакустическое преобразование 30 дб, зату-
хание в звукопроводе 22 дб, потери преобразования при отражении
на границах раздела 2 дб, на расхождение луча 11 дб.
Основной недостаток ультразвуковых линий задержки состоит
в том, что их рабочие частоты обычно меньше 100 Мгц. Поэтому
для применения ;гаких линий задержки СВЧ-сигналы предвари-
тельно преобразуют в сигналы более низких частот. При этом к
собственным потерям линии задержки добавляются потери, возни-
кающие при прямом и обратном преобразованиях частоты.
Суммарные потери в СВЧ-линиях задержки при потерях на
радиочастотное преобразование в 7—10 дб составляют 60—65 дб
(из них потери непосредственно в линии задержки составляют
,45 дб). Помимо того, что при использовании в СВЧ-системах линий
задержки промежуточной частоты требуется введение активных
схем (гетеродинов и преобразователей), этому методу присущ еще
один серьезный недостаток — узкополосность. Обычно полоса про-
пускания линий задержки промежуточной частоты не превышает
30—40 Мгц.
В последнее время интенсивно ведутся работы по созданию
твердотельных линий задержки, действие которых основано на
применении генерации, детектирования и распространения упругих
волн гиперзвуковой частоты (109—1011 гц). Основное достоинство
этих линий задержки состоит в том, что они задерживают непо-
средственно высокочастотный сигнал, т. е. не требуется двойное
преобразование частоты.
321
Акустические волны таких частот возбуждаются, например, в
монокристаллах сапфира, рубина, рутила, кварца при непосред-
ственном воздействии на них электромагнитного поля. Сравни-
тельно медленное распространение сигнала в монокристаллах поз-
воляет иметь регулируемую задержку, необходимую для работы в
реальном масштабе времени. Фирма «Микровэйвз» разрабатывает
линии задержки для различных частот, однако наиболее активно
ведется разработка устройств L- и S-диапазонов. При комнатной
температуре без применения криогенных устройств одна из линий
задержки этой фирмы обеспечивает задержку на 5 мксек при ча-
стоте 2 Ггц. Потери в линии задержки 45 дб, диаметр 1,27 см, дли-
на 2,54 см и вес 5,7 г. Полагают возможным получение задержек
с помощью подобных линий от 500 нсек до 10 мксек. Линии за-
держки могут иметь фиксированную или периодически повторяю-
щуюся задержку.
Твердотельные устройства с периодически повторяющейся за-
держкой работают по принципу накопления сигнала. Входной им-
пульс поступает через циркулятор в схему задержки, где он пре-
образуется в акустическую волну. Эта волна распространяется
вдоль кристалла и частично отражается в обратном направлении.
В результате многократных отражений на выходе получается се-
рия импульсов, в точности воспроизводящих входной сигнал, но
имеющих меньшую амплитуду. Частота следования импульсов по-
стоянная, интервал между ними определяется размерами кристал-
ла и равен времени прохождения сигнала в обе стороны. Из-за
потерь на распространение амплитуда импульса с каждым прохож-
дением убывает по экспоненциальному закону.
В настоящее время ведется разработка устройств с переменной
задержкой. В них для изменения задержки используется измене^
ние скорости распространения сигнала. Последняя зависит от ве-
личины магнитного поля, создаваемого внутренним постоянным
магнитом и регулируемой катушкой индуктивности.
Известна, кроме того, возможность возбуждения и приема ги-
перзвуковых волн с использованием* кварцевой среды и сульфидно-
кадмиевых преобразователей. Линия задержки, основанная на этом
принципе, обладает небольшими потерями на частотах несколько
более 2 Ггц. При повышении рабочей частоты потери возрастают.
Потери можно снизить с помощью криогенной техники. Фирма
«Белл лабораториз» разработала линию задержки с сульфидно-
кадмиевыми преобразователями с параметром задержки
2,5 мксек/см. Вносимые потери при работе в диапазоне (390—
1150 Мгц) не превышают 10—20 дб. Полоса пропускания таких ли-
ний задержки в среднем составляет 10% от рабочей частоты.
В твердотельных линиях задержки на железо-иттриевом грана-
те можно получить не только постоянную и переменную задержку
высокочастотных сигналов, но и их усиление. Фирма «Сперри
Рэнд» создала линию задержки, работающую в Х-диапазоне.
В установке применен параметрический усилитель на железо-ит-
триевом гранате в виде стержня длиной в.1 см и диаметром 0,3 см.
322 .
Один конец стержня помещен в прямоугольный волноводный резо-
натор Х-диапазона, куда поступают сигналы импульсного генера-
тора частоты 8,7 Ггц. Второй конец стержня помещен в другой
волновод, откуда поступают сигналы магнетронного генератора ча-
стоты 17,4 Ггц (источник накачки). Векторы напряженности маг-
нитного поля на обоих концах стержня перпендикулярны оси
стержня и параллельны друг другу.
Стержень и волноводы помещены в контейнер с жидким гелием.
Подаваемые на вход сигналы преобразуются в так называемые
магнито-упругие колебания, представляющие собой сочетание спи-
новых и звуковых волн. Параметрическое усиление осуществляется
путем подачи.сигналов накачки к противоположному концу стерж-
ня. Длительность задержки зависит от величины приложенного
магнитного поля. Изменение магнитной индукции поля на 20 гаусс
меняет задержку сигнала на 1 мксек. Полученные при эксперимен-
тах длительности задержки находились в пределах от 5 до
15 мксек, а усиление достигало 35 дб относительно уровня мощно-
сти входного сигнала. При этом ширина полосы при максималь-
ном усилении составляла 4—5 Мгц. Предполагается, что в
L-диапазоне такая линия задержки сможет работать без охла-
ждения.
Одним из перспективных устройств, реализующих плавно регу-
лируемую задержку радиосигналов, является лазерно-акустическая
линия задержки, принцип действия которой основан на акустиче-
ском управлении выходным излучением лазера. Электрический
сигнал преобразуется в акустическую волну, распространяющую-
ся в замедляющей сплошной среде; эта водна взаимодействует с
лучом лазера, который проходит сквозь данную среду. Оптический
детектор выделяет огибающую излучения лазера. Величина за-
держки определяется временем распространения акустической вол-
ны от преобразователя до места входа в среду луча лазера и мо-
жет регулироваться перемещением замедляющей среды.
Другой способ плавного изменения времени задержки предпо-
лагает электрооптическое отклонение луча. Полоса пропускания,
достижимая в такой линии задержки, составляет 5 Мгц при цен-
тральной частоте 1 Ггц. В ближайшее время предполагается полу-
чить в лазерно-акустических устройствах полосу пропускания до
40—50 Мгц. Потери в подобных устройствах составляют обычно
80—85 дб в широком диапазоне рабочих частот от 200 до 1000 Мгц
при отношении сигнал/шум 35—40 дб. В системе с однократным
прохождением луча время задержки может достигать 10 мксек.
В системе с многократным отражением акустического импульса
время задержки значительно возрастает.
8.6. Малогабаритные источники питания
Бортовые источники питания должны обладать рядом качеств,
основными из которых являются: автономность, высокая надеж-
ность при отсутствии дублирования, термоустойчивость в широком
333
диапазоне температур, малый удельный вес (вес на единицу мощ-
ности), малый удельный объем.
Особенностью бортовых источников в зарубежных станциях по-
мех является кратковременность работы при одноразовом исполь-
зовании. Время работы ограничено полетным временем, которое
для межконтинентальных баллистических ракет не превышает
30—40 мин.
Для работы сложных радиотехнических устройств, какими яв-
ляются станции активных помех, обычно требуется много различ-
ных номиналов постоянных и переменных напряжений с различ-
ным потреблением тока. В соответствии с этим источники питания
бортовой аппаратуры состоят из первичных и вторичных. Первич-
ные источники питания постоянного тока обычно являются низко-
вольтными (до 30 в). Напряжение первичных источников преобра-
зуется вторичными источниками питания с целью обеспечения не-
обходимых высоковольтных номиналов для питания всех электри-
ческих цепей схемы.
В качестве первичных источников электроэнергии в принципе
могут применяться генераторы: магнитогидродинамические, термо-
электрические и термоэлектронные, солнечные батареи, химиче-
ские и биохимические источники, топливные элементы.
Приведенным выше требованиям в наибольшей степени
отвечают химические источники, превращающие химическую
энергию окислительно-восстановительных процессов в электри-
ческую.
Среди химических .источников тока большое распространение
получили аккумуляторы, краткие характеристики которых приве-
дены в табл. 8.10.
Основные параметры аккумуляторов
Таблица 8.10
Тип аккумулятора ЭДС, в Теоретическая удельная энергия*, вт-ч-кг—1
Кислотный . ........ 2,10 175
Никель-кадмиевый . . . ।. ।. 1,36 220
Никель-железный ...... 1,40 273
Серебряно-цинковый . ..... 1,85 459
* Под теоретической удельной энергией понимается величина энергии,
снимаемой с 1 кг веса активных веществ при коэффициенте их использования,
равном единице, т. е. это предел, к которому следует стремиться при повышении
удельных характеристик.
Как следует из таблицы, наибольшей удельной энергией обла-
дают серебряно-цинковые аккумуляторы. Разрабатываемые и из-
готовленные в США серебряно-ццнкдвцщ аккумуляторы чаще вед-
324
го используются на ракетах и спутниках. Выпускаются аккумуля-
торные батареи емкостью от 0,1 до 300 а-ч при времени разряда
от 3 мин до 1 ч. Такие батареи могут работать при температурах
от —55 до +75° С. К настоящему времени удельная*" энергия на
единицу веса достигает 130 вт-ч-кг-1, а удельная энергия на еди-
ницу объема — 300 вт-ч-дм~3. Столь высокие показатели достиг-
нуты в усовершенствованных батареях, которые собираются из
элементов, представляющих собой так называемые двойные элек-
троды: положительный и отрицательный, прикрепленные к проти-
воположным сторонам токоснимателя. Между элементами находятся
электролит и разделитель. Такая конструкция позволяет значи-
тельно уменьшить вес и размеры батареи. Основные характеристи-
ки усовершенствованных батарей с к. п. д. 65—85% приведены в
табл. 8.11.
Значительное внимание уделяется в США разработке вторич-
ных источников питания различного назначения (конвертеры).
Коэффициент полезного действия конвертеров зависит от уровня
мощности, в лучшем случае значение к. п. д. в диапазоне мощности
10—100 вт составляет 90%. Для получения максимального общего
к. п. д. усилителя (конвертер плюс ЛБВ) необходимо конвертер
разрабатывать применительно к данной ЛБВ. В настоящее время
широкое применение находит пакетирование ЛБВ с конвертером,
работающим от первичного источника питания напряжением 28 в.
В зависимости от типа ЛБВ вес усилителей изменяется от 1,35 до
9 кг, но общий к. п. д. таких усилителей еще низок. Так, например,
к. п. д. усилителя в 3-см диапазоне достигает всего 26%.
Таблица 8.11
Характеристики аккумуляторных батарей с к. п. д. 65—85%
Энергия, вт-ч Удельная энергия на единицу веса, вт-ч-кг*”1 Удельная энергия на еди- ницу объема, вт-ч-дм—3
10-50 22—44 62,5—125
50—200 44—66 125,0—187,5
200—1000 66—110 187,5—250
1000—5000 110-132 250,0-312,5
8.7. Радиационная стойкость элементов радиоаппаратуры
Исследования воздействия радиации, возникающей при ядер-
ном взрыве, на радиоэлектронную аппаратуру проводятся в США
с 1948 г.
Физические картины ядерных взрывов, произведенных в атмо-
сфере и за ее пределами, различны. В разреженном пространстве
ударные волны, вызванные взрывом, слабее. Но в этом случае сво-
325
бодно распространяются осколки деления, нейтроны, гамма-лучи
и рентгеновские лучи. В связи с этим бортовая аппаратура ГЧ мо- :
жет получить большие дозы радиации в результате подрыва ядер- 5
ных средств на внеатмосферном участке. На больших высотах, где •
влиянием атмосферы можно пренебречь, интенсивность излучения '
падает обратно пропорционально квадрату расстояния в соот-
ветствии с обычным законом затухания энергии, распространяю-
щейся от точечного источника. Атмосфера быстро нейтрализует
все заряженные частицы и поглощает мягкие рентгеновские лучи,
а также часть гамма-излучения. Однако при поглощении гамма-
лучей воздухом создается сильный электромагнитный импульс,
представляющий серьезную опасность для радиоаппаратуры. Им- ,
пульс проникающей радиации является основным поражающим <
фактором не только в верхних слоях атмосферы, но и в кос-
мосе.
Влияние основных видов ионизирующих излучений на работо-
способность элементов радиоаппаратуры оценивают следующими ’
характеристиками:
— допустимым нейтронным потоком (нейтр/см2);
~ экспозиционной дозой гамма-излучения (рад), при этом
1014 нейтр/см2 соответствует 1,8-105 рад;
— мощностью экспозиционной дозы гамма-излучения
(рад-сек"1).
При этом в качестве предельных значений потоков радиации
приняты уровни радиации, которым соответствует 5% отказов по-
лупроводниковых приборов или изменение свойств материалов по
любому из параметров на 25%.
Экспозиционная доза ионизирующего излучения условно пред-
ставляет собой энергию, поглощенную в некотором веществе (или
«модельной» среде). Эта энергия определяется по реакции иони-
зации, происходящей в конкретном веществе, по сравнению с
ионизацией, например, углерода или воздуха («модельная» среда)
в условиях электромагнитного равновесия (т. е. в свободном воз-
душном пространстве на расстоянии от других тел, превышающем
длину пробега вторичных электронов).
Справедливости ради следует заметить, что экспозиционная
доза, например, рентгеновского и гамма-излучений в общем слу-
чае не равна поглощенной дозе этих излучений, поскольку энер-
гия, переданная заряженным частицам, и поглощенная энергия
излучения различны. Экспозиционная доза становится равной по-
глощенной дозе по эффекту ионизации только в условиях элек-
тронного равновесия.
Для получения данных о возможности безотказной работы
отдельных элементов радиоэлектронной аппаратуры при воздей-
ствии ядерного излучения определенного типа и с определенной
мощностью в США было проведено большое число эксперимен-
тов. Некоторые результаты экспериментов опубликованы
(табл. 8.12—8.15) и характеризуют стойкость современной элек-
тронной аппаратуры США.
32S
Таблица 8.12
Радиационная стойкость полупроводниковых приборов
Полупроводниковые приборы Мощность экспози- ционной дозы гамма-излучения (по углероду), раД’Сек""1 Поток нейтронов на 1 сма
Низкочастотные триоды 105 10“
Высокочастотные триоды 105 1013
Диоды с р-n переходом 105 10й
Диоды с точечным контактом 105 1.3-1012
Диоды Зенера 107 1014
Диоды Эсаки 107 3-1016—5-Ю16
Т а б л и ца 8.13
Радиационная стойкость конденсаторов
Конденсаторы Мощность ЭКСПОЗИ- ЦИОННОЙ дозы гамма-излучения (по углероду), рад-сек—1 Поток нейтро- нов на 1 см2
Керамические 2-Ю5 10“
Стеклянные 105 10“
Слюдяные 105 1018
Бумажные ” 105 10“
Полистирольные 105 10й
Алюминиевые электролитиче- 105 10“
ские
Танталовые 10б 1018
Полиэтилентерефталатные 10б 10“
Таблица 8.14
Радиационная стойкость резисторов
Резисторы Мощность экспози- ционной дозы гамма-излучения (по углероду), рад*сек“1 Поток нейтро- нов на 1 см2
Углеродистые (объемные) 105 1013—10“
Углеродистые (пленочные) 105 10“— Ю”
Металлопленочные 1,2-106 з. 10“—5-10"
Оксидные 10б 2-1012—2-10“
Проволочные 1,210е 5-Ю17— 10“
Керамические Ю6 1018— 10“
Таблица 8.15
Радиационная стойкость изоляционных материалов
Материалы
Экспозиционная доза
гамма-излучения
(по углероду), рад
Тефлон....................
Майлар....................
Гетинакс.............. .
Полистирол .........
Стекло................ .
Слюда.....................
Эпоксидные лаки...........
Нитролак.............. . .
Полиэтилен............... .
Бумага....................
Метилметакрилат . . . . . .
Стеатит . . . .,..... .
1,2-Ю4
1.4-108
6,9-107
5-Ю9
3-109
1010
5-Ю8 —109
5-Ю8
108
5 • 106-4 107
105
1012
К основным способам повышения радиационной стойкости ра-
диоэлектронной аппаратуры относят:
— ослабление потоков проникающей радиации с помощью за-
щитных экранов;
— применение элементов и функциональных узлов, устойчиво
работающих при воздействии проникающей радиации сравнитель-
но большой мощности (т. е. схем мало критичных к изменениям
электрических параметров элементов, схем с малой чувствитель-
ностью к изменению амплитуды входных сигналов и питающих
напряжений, схем блокировки избыточных токов и напряжений в
момент воздействия импульсной радиации и т. п.).
С помощью защитных мер можно повысить радиационную
стойкость аппаратуры на 2—3 порядка. Это означает, что эффек-
тивный радиус действия ядерного взрыва сильно уменьшается и
нападающая сторона вынуждена увеличивать мощности боеголо-
вок антиракет и их количество.
Корпус ракеты или другого носителя радиоаппаратуры частич-
но ослабляет действие радиации. Слой материала, плотность ко-
торого соответствует плотности воздуха толщиной 30 см на уров-
не моря, поглощает 90% мягких рентгеновских лучей, превращая
их в тепло. Более длинноволновое излучение также поглощается
или отражается. Для защиты от сверхжестких рентгеновских лу-
чей в принципе можно использовать материал с высокой плотно-
стью, например уран. Однако он плохо защищает от излучения с
длиной волны менее 1 нм • 10~9 м.
Экран не всегда' в состоянии защитить полупроводниковые
приборы от воздействия жестких рентгеновских лучей, и особенно
проникающей радиации. Небольшие дозы проникающей радиации
328
могут временно нарушить работу прибора, а более значитель-
ные — привести к полному отказу.
Гамма-радиация вызывает в материале ряд различных эффек-
тов, каждый из которых сопровождается ионизацией поглощаю-
щего вещества. Степень ионизации определяется энергией и ин-
тенсивностью излучения, его суммарной дозой, а также свойства-
ми поглотителя. Первостепенное значение имеет генерация избы-
точных электронно-дырочных пар в полупроводниках, так как эти
пары создают избыточные токи в схемах. Если происходит гене-
рация вблизи р-n переходов, управляющих работой прибора, то
возникает вторичный усиленный фототок, который приводит к
мгновенному насыщению прибора.
Тепловое действие рентгеновского и гамма-излучений можно
не учитывать при конструировании полупроводниковых приборов,
так как если радиация достаточно велика, чтобы разогреть аппа-
ратуру, то она наверняка приведет к разрушению летательного
аппарата, на котором она установлена.
Для уменьшения переходных фототоков в транзисторных схе-
мах, вызванных гамма-излучением, можно использовать токоогра-
ничивающие резисторы, включив их между транзистором и источ-
ником питания.
Избыточные заряды, возникающие под действием радиации,
вызывают переходные процессы и в таких элементах, как диоды
и резисторы. В некоторых цепях, где последовательно включено
несколько резисторов, переходные процессы могут существенно
затягиваться. Для ослабления этих эффектов следует ограничи-
вать величину фототоков. Конденсаторы сравнительно мало под-
вержены действию радиации, так как в них и так уже запасен
достаточно большой заряд.
Нейтронное излучение, так же как и гамма-излучение, может
вызвать ионизацию в поглощающем материале. Однако эта иони-
зация невелика, быстро исчезает и по сравнению с нарушениями,
которые нейтроны создают в полупроводниках, не имеет опасных
последствий.
Нейтронная радиация вызывает в полупроводнике разогрев,
ионизацию и смещение атомов отдачи от их нормальных положе-
ний в кристаллической решетке. Результат — снижение коэффи-
циента усиления транзисторов. Нарушения кристаллической ре-
шетки, созданные нейтронами, приводят не только к снижению
коэффициента усиления транзисторов. Так, например, увеличи-
вается сопротивление диодов в прямом направлении. Особенно силь-
но сказываются дефекты решетки в базовой области транзистора.
Для защиты радиоэлектронной аппаратуры можно использо-
вать транзисторы с более высоким коэффициентом усиления, что-
бы компенсировать возможное ослабление усиления под дейст-
вием радиации. Но этот метод не является универсальным. Более
радикальная мера—повышение стойкости каждого транзистора
или диода. Этого можно добиться с помощью технологических ме-
тодов при изготовлении высокочастотных приборов*
Такими методами являются снижение толщины базы, увеличе-
ние концентрации донорных и акцепторных примесей, применение
легирующих веществ, создающих более высокую проводимость
базы. Другим возможным решением задачи является применение
схем на полевых транзисторах, которые менее чувствительны к
радиационному воздействию, чем биполярные.
Как уже упоминалось, в результате поглощения гамма-излуче-
ния атмосферой на высотах ниже 30. км возникает мощный элек-
тромагнитный импульс, в результате которого на проводящих по-
верхностях, например на обшивке корпуса, создаются большие
разности потенциалов. При этом удлиненная конструкция ракеты
будет вести себя в грубом приближении как приемный диполь.
Вследствие низкого характеристического сопротивления диполя
(78 ом) в нем будут индуцироваться большие токи на его резо-
нансной частоте. Эти токи могут проникать в аппаратуру через
неоднородности в конструкции корпуса, приводя к перегрузке схем
высоковольтными импульсами.
Наиболее эффективным методом защиты электронной аппара-
туры от электромагнитного импульса считается полное электриче-
ское экранирование. Поскольку обшивка ракеты не может
служить надежным экраном, конструктор должен защищать аппа-
ратуру с помощью устройств, применяющихся для борьбы с поме-
хами. Экранируют также наружную проводку и уменьшают раз-
меры смотровых люков обслуживания, насколько это возможно.
Для защиты схем от первичных перегрузок используют токоогра-
ничивающие импедансы.
Основные эффекты, возникающие в электронных компонентах
под действием радиации, сведены в табл. 8.16.
Для оценки радиационной стойкости сложных схем в США
применяются методы математического и физического моделиро-
вания. Программу, построенную в соответствии с математической
моделью радиоэлектронных схем с учетом радиационной стойко-
сти ее отдельных элементов, вводят в ЭВМ, которая должна дать
общую картину поведения системы под действием радиации. Та-
кое моделирование достаточно сложно и вряд ли дает надежные
результаты.
Существует более простой способ приближенной оценки ра-
диационной стойкости компонентов, заключающийся в том, что в
лабораторных условиях в отсутствие радиации измеряются опре-
деленные параметры электронных компонентов, которые затем
подставляют в математические уравнения. Эти уравнения выра-
жают соотношения между параметрами и радиационными воз-
действиями и позволяют предсказать поведение электронных ком-
понентов под действием радиации.
Следует отметить, что стоимость радиационно-стойких компо-
нентов сильно повышается за счет дорогостоящих испытаний, ко-
торые проводятся на уникальном оборудовании (импульсные ре-
акторы, линейные ускорители). Например, цена радиационно-
стойких транзисторов составляет 10—15 долларов за штуку.
330
Таблица 8.16
Основные радиационные эффекты в электронных компонентах
Компоненты и их параметры Изменения параметра Характер изменения Причина изменения
Транзистор
Рабочие токи Возрастают из-за ионизационных то- ков Временное, но мо- жет способство- вать необратимым изменениям Образование элек- тронно-дырочных пар под действием гамма-квантов
Коэффициент уси- Уменьшаются из- Временное и (или) Нарушения кри-
ления за изменения вре- мени жизни не- основных носите- лей необратимое сталлической ре- шетки, создавае- мые нейтронами
Температура Увеличиваются Временное и (или) необратимое Нагрев за счет гамма-квантов, на- сыщение под дей- ствием нейтронов
Утечка Диод Увеличиваются Временное Изменение прово- димости изолирую- щих материалов под действием ио- низации и нейтрон- ных нарушений ре- шетки
Обратные характе- ристики Сдвигаются Временное и (или) необратимое Полностью или ча- стично из-за нару- шений, вызванных нейтронами
Сопротивление на- сыщения в пря- Увеличиваются Временное и (или) необратимое Нейтронные нару- шения
мом направле- нии
Утечка Увеличиваются . Временное и (или) необратимое То же, что в тран- зисторе
Интегральная схема
Характеристики Изменения такие То же, что в ди- То же, что в
транзистора и же, как в дискрет- скретных элемен- транзисторах и ди-
диода ных элементах, но выражены в боль- шей степени тах одах; ионизацион- ные токи в моно- литных ИС выше из-за наличия до- полнительных пе- реходов
Паразитные явле- Отпирание транзи- Временное Переход, изолиру-
ния стора из-за иони- зационных токов ющий от подлож- ки, образует с близ- лежащим транзи- стором р-переклю- чатель
331
Продолжение
Компоненты и их параметры Изменения параметра Характер изменения Причина изменения
.Резистор -
Сопротивление Обычно умень- шается (иногда увеличивается) Обычно временное Проводимость ма- териала изменяет- ся из-за ионизации и нейтронных на- рушений
Паразитные явле- ния Генерация тока Комптона Временное Рассеяние элек- тронов гамма- квантами
Конденсатор
Утечка Увеличивается Обычно временное То же, что в рези- сторах, плюс за- хват электронов в диэлектрике
Паразитные явле- ния Генерация тока Комптона Временное То же, что и в ре- зисторах
Работоспособность Электронная Разрушение Необратимое Выделение газа в жидких диэлектри- ках вследствие нагрева гамма-из- лучением
лампа
Анодный ток Увеличивается Временное Вторичный эф- фект, вызванный генерацией тока Комптона на сет- ках
В заключение следует отметить, что, по мнению специалистов
США, не существует каких-либо принципиальных технических огра-
ничений для строительства перспективных систем ПРО и средств
преодоления ПРО. Существуют лишь экономические ограни-
чения. Анализ зависимости «стоимость — эффективность» ракетно-
ядерных средств нападения и защиты (ПРО) оказывает действен-
ное влияние на принятие правительством США различных реше-
ний о размещении капиталовложений при разработке вариантов
систем стратегического вооружения.
Стоимости и эффективности различных систем вооружения ме-
няются со временем. Учитывая бурное развитие средств стратеги-
ческого вооружения, в технико-экономический анализ можно вклю-
чить и фактор времени, как третье измерение, дополнительно к
стоимости и эффективности. Принимая во внимание растущее
стремление народов всех стран к мирному сосуществованию, а так-
же другие факторы социального и политического порядка, можно
усомниться в возможности и целесообразности создания дорого-
стоящих систем ПРО и средств ракетно-ядерного нападения. Тем
более что по данным длительных и всесторонних исследований
возможностей системы ПРО и средств радиопротиводействия ПРО
зарубежным специалистам до сих пор не ясно, доминирует ли си-
стема ПРО над средствами ее преодоления или нет?
333
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ОБОЗНАЧЕНИЯ ДИАПАЗОНОВ РАДИОЧАСТОТ
В технической литературе США для диапазонов радиочастот применяют
специальные буквенные обозначения.
Обозначения, состоящие из двух или трех букв, например, LF, VHF дают
общую характеристику диапазона применительно к соответствующим ему часто-
там. Обозначения из одной буквы, например, Р или X относят к диапазонам ча-
стот, соответствующим ультракоротким волнам. Поддиапазоны, на которые до-
полнительно подразделяются некоторые диапазоны ультракоротких волн, имеют
дополнительно буквенный индекс, например Ха-
Перечень обозначений с указанием соответствующих им частот и длин волн
приведен в табл. 1—3.
Таблица 1
Принятое обозначение Частота, Мгц Длина волны, м Соответствующее наименование волн, принятое по между- народному соглашению 1947 г.
VLF 0,01—0.03 30000—10 000 Сверхдлинные
LF 0,03—0,3 10000—1000 Длинные
MF 0,3—3 1000—100 Средние
‘ HF 3—30 100—10 Короткие
VHF 30—300 10—1 Метровые * **
UHF 300—3000 1-0,1 Дециметровые ♦
SHF 3000—30000 0,1—0,01 Сантиметровые *
** Более 30000 Короче 0,01 Миллиметровые *
* Ультракороткие волны (УКВ).
** Диапазон SHF и более коротких волн в США именуют также микровол-
новыми.
334
Таблица 2
Диапазоны и поддиапазоны УКВ
Обозначение Частота., Мгц Длина волны, см
Диапазон Р 225-390 133,0—76.9
Диапазон L 390—1550 76,9—19,3
поддиапазоны Lp 390—465 76,9—64,5
Lc 465—510 64.5—58,8
510—725 58.8—41,4
Lv 725—780 41,4—38,4
L'j* 780—900 38,4—33,3
Ls 900—950 33,3—31.6
Lx 950—1150 31,6—26,1
1150—1350 26,1—22,2
Lp 1350—1450 22.2—20.7
Lz 1450—1550 20.7—19.3
Диапазон S 1550—5200 19,3—5.77
поддиапазоны SE 1550—1650 19.3—18,2
SF 1650—1850 18.2-16.2
Sp 1850—2000 16,2—15.0
sc 2000—2400 15,0—12,5
Sq 2400—2600 12,5—11,5
sv 2600—2700 11,5-11,1
Sq 2700—2900 11,1—10,3
Ss 2900—3100 10,3—9,68
sA 3100—3400 9,68—8,83
sw 3400—3700 8.83-8,11
SH 3700—3900 8.11—7.69
sz 3900—4200 7,69—7,14
Sd 4200—5200 7.14—5.77
Диапазон C 3900-6200 7.69—4.84
Диапазон X 5200—10900 5.77—2.75
поддиапазоны XA 5200—5500 5.77—5.45
xQ 5500—5750 5.45—5.22
xv 5750—6200 5.22—4.84
XD 6200—6250 4,84—4.80
XB 6250—6900 4,80—4,35
Xr 6900—7000 4,35—4.29
335
Продолжение
Обозначение Частота, Мгц Длина волны, см
хс 7000—8500 4,29-3,53
XL 8500—9000 3,53—3,33
XS 9000—9600 3,33—3,13
Хх 9600—10000 3,13—3,00
xF 10000—10250 3,00—2,93
. ХК 10250—10900 2,93—2,75
Диапазон К 10900—36000 2,75-0,833
поддиапазоны Кр 10900—12250 2,75-2,45
Ks 12250—13250 2,45—2,26
кЕ 13250—14250 2,26—2,10
14250—15350 2,10—1,95
Кц 15350—17250 1,95-1,74
Кт 17250—20500 1.74—1,46
KQ 20500—24500 1,46—1,22
KR 24500—26500 1,22—1,13
Км 26500—28500 1,13—1,05
KN 28500—30700 1,05—0,977
Kl 30700—33000 0,977—0,909
Ка 33000—36000 0,909—0,833
Диапазон Q 36000—46000 0,833—0,652
поддиапазоны QA 36000—38000 0,833—0,790
Qb 38000—40000 0,790—0,750
Qq 40000—42000 0,750—0,714
Qd 42000—44000 0,714—0,682
Qe 44000—46000 0.682—0,652
Диапазон V 46000—56000 0,652—0,536
поддиапазоны VA 46000—48000 0,652—0,625
vB 48000—50000 0,625—0,600
Vc 50000—52000 0,600—0,577
VD 52000—54000 0,577—0,556
VE 54000—56000 0,556—0,536
336
Таблица 3
Диапазоны частот аппаратуры военного назначения США
(введено в начале 1972 г.)
Обозначение Частота, Ггц Длина волны, см
А 0.1—0,25 300—120
В 0,25-0,5 120—60
С 0.5—1,0 60—30
D 1.0—2,0 30—15
Е 2,0—3.0 15—10
F 3,0-4,0 10—7,5
G 4,0—6.0 7,5—5
Н 6.0—8.0 5—3.75
I 8,0—10,0 3,75—3
J Ю.0—20,0 3—1.5
К 20—40 1,5—0.75
L 40—60 0.75—0,5
М 60-100 0,5-0,3
В скобках указаны параметры модифицированной РЛС; ** Или AN/TPQ-18 (корабельный вариант).
* ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Глава 1. Система дальнего обнаружения баллистических целей . ... 5
1.1. История разработки стратегических систем обороны и напа-
дения .......................................................... —
1.2. Системы обнаружения и раннего предупреждения ....... 10
1.3. Системы сверхдальнего обнаружения ....................... 18
1.4. Краткая характеристика траекторий полета целей ...... 22
1.5. Дальность действия РЛС обнаружения....................... 35
Глава 2. Испытательные полигоны США и их радиолокационное обо-
рудование . ........................................................ 44
2.1. Испытательный полигон Эглин . ............................. —
2.2. Западный испытательный полигон........................... 45
2.3. Полигон Уайт-Сандс ....................................... 49
2.4. Австралийский полигон Вумера . ........................... 50
2.5. Восточный испытательный полигон .......................... —1
2.6. Полигонные РЛС............................................ 53
Глава 3. Некоторые особенности работы РЛС в условиях помех ... 77
З.Г. Пути Совершенствования радиотехнических устройств ..... —
3.2. Методы борьбы с организованными помехами.............. 85
3.3. Эффективная площадь рассеяния............................ 94
3.4. Ошибки обработки радиолокационной информации ...... 111
3.5. Пропускная способность РЛС .............................. 118
Глава 4. Оценка качества помеховых устройств в ракетной технике 122
4.1. Общие показатели качества радиопротиводействия............. —
4.2. Защита ГЧ ложными целями................................ 129
4.3. Маскировка ГЧ активными радиопомехами ................... 132
4.4. Вероятность выполнения боевой задачи .................... 135
4.5. Показатель стоимости.................................... 141
Глава 5. Пассивные помехи ......................................... 152
5.1. Методы распознавания баллистических целей ........ —1
5.2. Классификация помеховых средств .......................... 166
5.3. Комплексы помеховых средств и их испытания ............... 161
5.4.1 Образование ложных целей на траектории................... 163
5.5. Демаскирующее влияние корпуса ракеты . . ................. 169
5.6. Определение ЭПР групповой цели . . . .,.,. . . . . . . 174
5.7. ЭПР объемно-распределенных целей ........................ 181
5.8. Уголковые отражатели . . . . ............. . 182
5.9. Дипольные отражатели ................................. 186
5.10. Пассивные , антенные решетки ......................... . 191
5.11. Селекция головной части по интенсивности плазмообразований 202
5.12. Отражение радиоволн от плазменного следа........, 205
5.13* Имитация баллистического подобия ............. 211
338
Ст$.
6.6.
'азработка
Глава 7. Активные
7.1. Разработка
Глава 6. Противорадиолокационные покрытия . ....................... 218
6.1. Классификация радиопоглощающих материалов...............
6.2. Покрытия поглощающего типа .............................. 220
6.3. Интерференционные покрытия........................... 223
6.4. Многослойные интерференционные покрытия.............. 225
~ РПП интерференционного типа (с дипольными
радиопоглощающих материалов . . ........ 238
радиопомехи .................................. 244
станций радиопомех ............................. —
7.2. Принципы построения станций радиопомех ....................... 248
7.3. Модуляция помеховых сигналов ................................. 260
7.4* . Влияние активных помех на снижение дальности действия РЛС 270
7.5. Станции радиопомех с фазированными антенными решетками 274
7.6. Влияние плазмообразований на работу бортовых антенн . . . 280
7.7. Повышение эффективности станций радиопомех .............. 287
Глава 8. Разработка элементов станций радиопомех........................ 290
8.1. Электровакуумные СВЧ-приборы ................................... —
8.2. Твердотельные усилители и генераторы................. . 302
8.3. Антенные устройства .......................................... 308
8.4. Микроминиатюризация авиационно-космической аппаратуры . . 311
8.5. Линии задержки в станциях дезинформирующих радиопомех 319
8.6. Малогабаритные источники питания ..................... . . 323
8.7. Радиационная стойкость элементов радиоаппаратуры .... 325
Приложения:
1. Обозначения диапазонов радиочастот.............................. 334
2. Некоторые тактико-технические данные полигонных РЛС сопро-
вождения ......................,. . . ...................... 338
Великанов Витольд. Дмитриевич,
Галкин Владимир Иванович,
Захарченко Игорь Иванович,
Копошилко Юрий Иванович,
Малютин Артур Семенович,
Михайлов Леонид Васильевич
Радиотехнические системы в ракетной технике
Редактор В. Л. Стерлигов
Технический редактор Е. К. Коновалова Корректор Л. Д. Сысоева
Г-55626 Сдано в набор 14.8.72 г. Подписано к печати 22.4.74 г.
Формат бумаги бОХЭО1/^ печ. л. 2V/4, усл. печ. л. 21,25, уч.-изд. л. 21,650
Бумага типографская Ха 1 Тираж 10.500
Изд. № 6/4058 Цена 1 р. 38 к. Зак. 754.
Ордена Трудового Красного Знамени
Военное издательство Министерства обороны СССР
103160, Москва, К-160
2-я типография Воениздата
Ленинград, Д-65, Дворцовая пл., 10