9 октября, 2009

Радиолокаторы системы А-35 (А-35М)

Задачи, связанные с обеспечением работы по цели, возложены на отдельный радиолокатор канала цели – РКЦ-35, а рабочие функции по противоракете – на отдельный радиолокатор канала противоракеты – РКИ-35, включая передачу команд управления и подрыва боевой части на борт противоракеты. В состав стрельбового комплекса (СК) вошли один радиолокатор канала цели и два радиолокатора канала ПР. Второй из РКИ обеспечивал наведение дополнительной противоракеты на ту же цель.

В состав системы А-35 входили три спаренных СК ПРО «Енисей» и один спаренный СК «Тобол», которые по первоначальному замыслу должны были работать в режиме многопозиционной работы с измерением трех (четырех) дальностей для обеспечения высокой точности измерения координат целей и противоракет, испытанного в системе «А». В дальнейшем был осуществлен переход на «одностанционный» вариант работы, в котором координаты целей и противоракет определялись по результатам обычных для радиолокаторов измерений дальности и двух углов.

Улучшение точности измерения угловых координат целей и противоракет, необходимое для обеспечения поражения, было достигнуто в результате доработок аппаратуры и алгоритмически в двух вариантах.

В первом варианте угловые координаты уточнялись с использованием угловых поправок, определенных по результатам многократных проводок искусственных спутников Земли типа ДСП-1 (ДСП-1Ю) и «Тайфун».

Геометрические размеры и весовые характеристики радиолокатора канала цели и сегодня впечатляют. Диаметр зеркала антенны Кассегрена достигал 18 м, а вес некоторых деталей сооружения – сотен тонн
Фото: Михаил ХОДАРЕНОК

Второй – предусматривал оцифровку сигналов ошибки с выходов угловых дискриминаторов и суммирование их с данными угловых датчиков положения антенны. Наведение противоракет на цели осуществлялось по измеренным дальностям и скорректированным угловым координатам.

Для проведения полного объема испытаний, а в последующем и учебных боевых стрельб личного состава системы А-35, на полигоне был развернут опытный образец стрельбового комплекса «Алдан».

РКЦ системы А-35 (в двух модификациях для СК «Енисей» и «Тобол») представлял собой радиолокатор с двумя комбинированными каналами, построенными по аналогии с радиолокаторами точного наведения системы «А», но в котором один из каналов предназначался для работы по головной части, а второй – по корпусу баллистической ракеты.

Для этого в полноповоротную приемо-передающую параболическую антенну типа Кассегрена диаметром 18м были введены два независимо управляемых контррефлектора. Антенна формировала поочередно два ортогонально поляризованных луча. Формирование в антенне двух лучей осуществлялось двумя контррефлекторами, рассчитанными на работу с ортогональными поляризациями излучения (приема). Каждый контррефлектор имел механизмы поворота относительно двух ортогональных осей с электроприводами. Приводы контррефлекторов позволяли осуществлять отклонение лучей антенны и их спиральное перемещение в коническом секторе с углом раствора три градуса относительно центрального положения луча.

Размещение в раскрыве параболического рефлектора сложного механического узла из двух контррефлекторов диаметрами 2,3 м и 2,9 м с приводами и системой подвески, содержащей шесть шестиметровых штанг, создавало значительное затенение раскрыва. Для уменьшения затенения была разработана конструкция пластинчатого контррефлектора из стеклопластика с поляризационными пластинами из алюминиевой фольги и штанг из стеклопластика прямоугольного сечения. Эти меры позволили уменьшить затенение и повысить коэффициент усиления антенны.

Антенные устройства РКЦ-35 и РКИ-35 имели радиопрозрачные укрытия (антенные обтекатели) жесткой конструкции. Образец этого укрытия прошел экспериментальную проверку на избыточное давление до 0,05 кг/кв. см.

При вводе в эксплуатацию системы А-35 выявился существенный недостаток трехслойного материала, из которого были изготовлены укрытия. Этот материал набирал дождевую и талую снеговую воду, что существенно снижало радиопрозрачность укрытия и, тем самым, потенциал радиолокатора. На всех объектах системы были проведены работы по «выливанию воды» из укрытий и их ремонту. Была разработана методика оценки потерь в укрытии по величине шумовой температуры антенны.

Передающее устройство создавало СВЧ импульсы двух длительностей, один из которых использовался для обнаружения цели, другой – для точного ее сопровождения. Излучение СВЧ энергии в осуществлялось четырехканальным облучателем антенны, каждый из каналов которого запитывался от выходного усилителя передающего устройства мощностью 30 МВт. В результате суммирования в эфире общая импульсная мощность излучения радиолокатора составляла 120 МВт. Средняя мощность составляла около 72 кВт. В передающем устройстве использовался мощный СВЧ усилитель магнетронного типа.

Для передачи столь высокого уровня мощности волноводный тракт наполнялся сухим воздухом под избыточным давлением 6 атм. Толщина стенок волноводов достигла 12 мм. Наиболее сложной оказалась проблема излучения высокого уровня мощности из облучателя.

Радиолокатор канала изделия (ракеты). Позиция отдельного противоракетного центра системы ПРО А-35М (д. Васильчиново, Нарофоминский район Московской области).
Фото: Михаил ХОДАРЕНОК

Была разработана двухступенчатая герметизация облучателя: кварцевыми окнами диаметрами 210 мм в 4-х рупорах и общим полусферическим колпаком диаметром 600 мм над общим раскрывом облучателя, изготовленным из разработанного в НИИРП композиционного материала «поласта», который имеет малые потери на СВЧ и хорошую теплостойкость. Стыковка антенны с передатчиком была возможна только на полигоне, поэтому доводка облучателя была выполнена на полигонном стрельбовом комплексе «Алдан».

Приемное устройство – общее для двух поляризационных каналов. Сигналы, поступающие по четырем волноводным трактам от четырехрупорного облучателя антенны, преобразовывались в приемном устройстве с помощью СВЧ-мостов в два разностных и один суммарный сигнал, которые после двойных преобразований усиливались и поступали на дальномерное и угломерные устройства. Во входных усилителях использовались малошумящие лампы бегущей волны. Выравнивание коэффициентов усиления производилось по контрольному сигналу. Выделение сигналов ошибки осуществлялось амплитудно-фазовым детектором.

Радиолокатор РКЦ-35 имел два независимых измерителя координат – два дальномера и четыре дискриминатора измерения угловых координат (по два для каждого луча). Управление следящими силовыми приводами осуществлялось по сигналам ошибки угловых каналов.

Структуру построения РКЦ системы А-35 можно определить, таким образом, как двухлучевой двухканальный моноимпульсный радиолокатор, обеспечивающий независимое сопровождение и измерение координат парной цели, состоящей из головной части и корпуса БР.

Аппаратура радиолокатора охвачена автономным функциональным контролем, для чего были созданы встроенные измерители в передающем и приемном устройствах. Функциональный контроль осуществлялся с помощью имитационного сигнала, раздельно управляемого по амплитуде, угловому положению, дальности и параметрам флуктуации.

РКЦ-35 стрельбовых комплексов «Енисей» и «Тобол» отличались друг от друга вычислительными средствами. Если первый имел небольшое вычислительное устройство Т-40У, то в состав второго была введена использовавшаяся на ГКВЦ системы А-35 универсальная ЭВМ 5Э926 (главный конструктор B. C. Бурцев). При принятой структуре построения РЛС это не привело к расширению ее возможностей.

В радиолокаторах после первоначального захвата целей и противоракет вручную дальнейшее их сопровождение осуществлялось в автоматическом режиме. Автосопровождение, как и на радиолокаторе точного наведения экспериментальной системы ПРО «А», контролировалось аппаратно.

РКИ-35 был построен на тех же принципах, что и РКЦ-35. Основные отличия состояли в том, что он работал по ответному сигналу. Аппаратура РКИ-35 была построена по одноканальной схеме, а антенна работала на круговой поляризации.

Антенна РКИ-35 была комбинированной, состоящей из двух зеркал. Одно – диаметром около 7 м – формировало узкий луч для сопровождения противоракеты при ее наведении на цель, другое – диаметром около 1,5 м со спиральным облучателем – формировало широкий луч вывода противоракеты после старта на траекторию наведения. Антенна вывода со своими поворотными осями и приводами располагалась на общем опорно-поворотном устройстве с антенной наведения. Переключение узкого и широкого лучей производилось в волноводном тракте.

Управление работой радиолокационных средств системы А-35 велось с главного командно-вычислительного центра (ГКВЦ). Вычислительные средства ГКВЦ были построены на двух быстродействующих ЭВМ 5Э926. Обмен информацией, командами и сигналами с ГКВЦ осуществлялся по магистральной кольцевой кабельной линии системы последовательной передачи данных (СПД) по адресам, отдельным для каждого из объектов. Кадр передачи информации каждого из объектов аналогичен кадру системы «А».

Параллельно с созданием радиолокаторов для системы А-35 на базе аппаратуры РКЦ-35 была разработана и развернута на полигоне экспериментальная установка РЭ-4. От РКЦ-35 РЭ-4 отличалась построением задающего генератора, приемного устройства и видеотракта. Эти отличия были связаны с применением впервые в отечественной практике сложного радиолокационного сигнала с расширенным спектром (сигнал с линейной частотной модуляцией – ЛЧМ) в полосе 10 МГц и фильтровой обработкой принятых сигналов.

С технологической точки зрения аппаратура РЛС ПРО экспериментальных РЛС первого поколения (РЭ, РЭ-2, РТН, РЭ-3, РКЦ-35, РКИ-35, РЭ-4) построена в основном на схемах с использованием электронных ламп. Применение транзисторов и печатных плат ограничивалось цифровыми схемами.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ ПРО ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

Демонстрационные испытания по успешному перехвату баллистических ракет и создание первого поколения ПРО привели к бурному развитию в стране и за рубежом работ по оснащению баллистических ракет средствами преодоления ПРО, а затем – к созданию кассетных баллистических ракет.

Ширина диаграммы направленности радиолокатора канала цели составляла всего 32 сек. Это позволяло уверенно захватывать и сопровождать цель (типа БР) на дальности в несколько тысяч километров
Фото: Михаил ХОДАРЕНОК

Теперь баллистические ракеты не являлась той парной целью, с которой должна была бороться система ПРО первого поколения, когда от радиолокаторов наведения требовалась исключительно высокая точность и достаточная для решения задачи поражения дальность действия. Баллистическая ракета, оснащенная средствами преодоления ПРО, обострила проблему информационного обеспечения системы ПРО и, как следствие, возможность поражение боевого блока. Увеличение количества боевых блоков, выводимых кассетной баллистической ракетой, снижение и без того малой отражающей поверхности боевого блока, установка на БР многочисленных ловушек и подавление радиолокационных средств активными помехами потребовали разработки и внедрения новых технологий и качественно нового построения, прежде всего, стрельбовых РЛС ПРО.

Как и на начальном этапе, необходима была адекватная научно-техническая база для создания радиолокационных средств системы ПРО второго поколения. С этой целью были развернуты широкие научные исследования и поиски необходимых решений в различных направлениях науки и техники, прежде всего, исследования по проблеме создания и использования фазированных антенных решеток (с 1960-61 гг.), многолучевых антенн линзового типа. Расширены работы по формированию и обработке сложных ЛЧМ сигналов с широкополосными спектрами (опробованные на экспериментальной установке РЭ-4) и оценке возможностей фазокодовой манипуляции (ФКМ), а также разработке средств борьбы с активными помехами. Особое внимание с учетом имеющегося опыта было уделено использованию в составе радиолокаторов высокопроизводительных ЭВМ и цифровой техники.

Решение этих сложных проблем сопровождалось жесточайшей борьбой различных школ и направлений с включением в нее, как принято говорить теперь, «административного ресурса».

Опытный образец РЛС «Истра» (РКЦ-35ТА) по структуре своего построения представлял собой радиолокатор ПРО второго поколения. Радиолокатор первоначально разрабатывался и изготовлялся как составная часть многоканального стрельбового комплекса (МКСК) «Аргунь», предназначенного для работы в составе второй очереди системы А-35. В дальнейшем статус комплекса был изменен и радиолокатор проходил испытания уже как экспериментальный. Технологически аппаратура РЛС «Истра» была построена полностью на транзисторах за исключением мощных СВЧ вакуумных приборов, используемых в передающем устройстве.

В РЛС «Истра» впервые в стране использована фазированная приемо-передающая антенная решетка отражательного типа с поворотом в двух осях: на ± 270 градусов по азимуту и на 90 градусов по углу места. Антенна Е-10 РЛС «Истра» обеспечивала электронное переключение луча из одного положения в другое в пространственном секторе 60 градусов с быстродействием 150 мкс. ФАР обеспечивала излучение и прием сигналов двух круговых поляризаций левого и правого направлений вращения. Она содержала 8650 рупорных излучателей, соединенных с pin-диодными отражательными фазовращателями на крестообразных коаксиальных волноводах. Управление и контроль фазовращателей осуществлялись по строчно-столбцевой схеме. Выделяемая на pin-диодах тепловая мощность, обусловленная СВЧ потерями и токами управления, снималась вентиляторами, установленными в отсеках ФАР. В целом антенное устройство, имея диаметр 18 м и высоту 25 м, представляло собой внушительное сооружение общим весом 1230 т (из них 560 т на угломестной оси).

ФАР возбуждалась 4-х рупорным облучателем и контррефлектором. К облучателю от передающего и приемного устройств был проложен 8-ми канальный волноводный тракт для передачи и приема радиоволн двух ортогональных поляризаций.

Антенна имела комбинированное укрытие (обтекатель). На жестком куполе располагалась оболочка из прорезиненной ткани под небольшим избыточным давлением, предназначенная для сброса осадков и предохранения жесткого купола от попадания воды. Подкупольное пространство вентилировалось наружным воздухом, подогретым до комнатной температуры.

Передающее устройство состояло из двух каналов, которые были заимствованы из РКЦ-35 системы А-35, имело 8 выходных усилителей и позволяло излучать парные монохроматические импульсы и парные импульсы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) одной и другой поляризации соответственно. При прежнем уровне импульсной мощности передающего устройства порядка 120 МВт средняя мощность была увеличена до уровня 144 кВт.

Для усиления СВЧ сигналов в приемном устройстве были впервые в отечественной практике в радиолокаторах такого класса применены квантовые парамагнитные усилители, охлаждаемые до температуры жидкого гелия в замкнутом контуре регенерации. Свертка ЛЧМ сигналов производилась на дисперсионных линиях задержки. Приемное устройство состояло из 23-х линеек, включавших раздельные поляризационные линейки измерений дальности и моноимпульсного измерения угловых координат, квадратурные линейки измерения разности фаз поляризационных составляющих сигнала, а также линейки поляризационного и адаптивного подавления активных помех.

На небольшом удалении от РЛС была установлена уникальная вышка высотой 120 м, защищенная железобетонным стаканом от ветровых колебаний. В верхней ее части размещалась измерительная антенна, соединенная через волноводный тракт со зданием РЛС. Благодаря такому техническому решению достигалась высокая точность формирования имитационного сигнала, излучаемого в направлении антенны РЛС «Истра», позволявшего обеспечить допусковый контроль характеристик всего радиолокатора, ранее не применявшийся в радиолокационной технике. Дополнительно к этому, впервые в отечественной практике в РЛС «Истра» был реализован автоматический непрерывный контроль работоспособности радиолокатора в процессе работы, осуществляемый при управлении с ЭВМ 5Э926, который позволял изменять конфигурацию аппаратуры радиолокатора при отказах отдельных элементов.

Радиолокатор канала изделия (ракеты) по своим размерам был сравним с радиолокатором канала цели
Фото: Михаил ХОДАРЕНОК

По структуре своего построения РЛС «Истра» представляла собой, таким образом, многоканальную моноимульсную радиолокационную станцию с ФАР и временным разделением каналов. РЛС «Истра» обеспечивала возможность измерения в реальном времени не только координат, но и полных поляризационных матриц рассеяния многих баллистических целей. С этой точки зрения экспериментальная РЛС «Истра» являлась единственной станцией, созданной в нашей стране, которая обладала этим важным не только для ПРО, но и других приложений свойством.

Обмен информацией между ЭВМ, вошедшей теперь в основной состав аппаратуры РЛС, и другими устройствами производился по двум линиям. Первая представляла собой одностороннюю линию передачи оцифрованной информации с выхода приемного устройства на ЭВМ. Вторая – шину (магистраль) двустороннего обмена, построенную на принципе временного разделения и адресации по абонентам. По этой шине передавались в направлении ЭВМ-устройства команды, а в направлении устройства-ЭВМ сигналы состояния устройств и выполнения команд. В станции, помимо этих, имелась линия, построенная по «звездной» схеме, для управления включением, выключением и переводом в централизованное управление всех устройств радиолокатора, включая ЭВМ, с использованием потенциальных сигналов.

Работа РЛС во всех режимах, начиная с обнаружения и дальнейшего сопровождения целей, осуществлялась в автоматическом режиме, исключавшем участие операторов, в соответствии с алгоритмом, программно реализованным на двух последовательно включенных ЭВМ 5Э92. Каждая из этих ЭВМ состояла из 2-х процессоров. Основной процессор ЭВМ имел производительность 500 тыс. оп/с и ОЗУ объемом 32 тысячи 48 разрядных слов, второй – управляющий процессор обеспечивал передачу и прием данных от внешних абонентов. Его производительность составляла 100 тыс. оп/с. В состав ЭВМ входили ПЗУ, состоящие из нескольких барабанов и магнитных лент. Программирование осуществлялось в машинных кодах. Операционной системой реального времени ЭВМ 5Э926 не комплектовалась.

На первой ЭВМ 5Э926 производилось решение задач обнаружения, идентификации и формирования единичных замеров по дальности и угловым координатам, на второй – траекторная обработка, планирование и управление работой РЛС.

Алгоритм работы радиолокатора, обеспечивавший выполнение всех задач, был построен по многотемповому принципу. Основные задачи (обнаружение, сопровождение и измерение поляризационных характеристик сигнала) выполнялись в темпе, соответствующем частоте излучения радиолокатора, другие задачи – с меньшей частотой. Управление работой РЛС осуществлялось алгоритмом планирования работы с малым временем реакции на изменение внешних условий. В дальнейшем первоначальный алгоритм организации работы РЛС для выполнения задач в составе МКСК «Аргунь» неоднократно перерабатывался в соответствии с изменением назначения радиолокатора.

Применение в РЛС «Истра» ФАР и достаточно сложного алгоритмически программного обеспечения было первым опытом в этой области радиолокации, оказавшим большое влияние в последующем на разработки радиолокаторов ПРО и ПВО. Успех использования быстродействующей ЭВМ в составе радиолокатора с ФАР открыл огромные возможности по дальнейшему совершенствованию его структуры. Теперь уже трудно представить себе современные РЛС комплексов обороны без быстродействующих ЭВМ и программ управления их функционированием.

Исключительная особенность построения РЛС «Истра», состоящая в возможности измерения полной поляризационной матрицы рассеяния объектов, использовалась и в особых случаях, как, например, для определения параметров ориентации в пространстве космического аппарата «Союз-7 – Космос-1687» на последних витках полета и точного прогноза времени и места его падения.

Разработанные для передающих устройств РКЦ-35 и РЛС «Истра» комплекса «Аргунь» мощные электровакуумные СВЧ приборы были использованы не только по прямому назначению, но и в научных целях. В частности, они были применены для создания в институтах АН СССР ускорителей элементарных частиц.

Ко второму поколению радиолокаторов относилась и РЛС «Истра-2», работы по которой были прекращены в связи переносом усилий на создание другого радиолокатора («Дон-2»), введенного в дальнейшем в состав системы ПРО А-135.

В РЛС «Истра-2» предполагалось применить проходную ФАР с сектором сканирования в ± 45° в двух плоскостях с оптической запиткой от 4-х волноводных облучателей, размещенную на поворотной по азимуту платформе, на которой также располагались выходные каскады передающего устройства и входные каскады приемного устройства. Принципиальной особенностью построения РЛС «Истра-2» являлся переход от полноповоротной антенны к поворотности только по азимуту, означавший коренное изменение взглядов на построение следящих систем радиолокационных станций сопровождения.

В РЛС сопровождения ПВО и ПРО первого поколения следящие системы по угловым координатам должны были постоянно поддерживать равносигнальное положение в направлении на движущуюся цель с формированием сигналов ошибки путем конического развертывания луча или по результатам суммарно-разностной обработки принятых сигналов, которые отрабатывались силовыми следящими системами антенны. Управление поворотом антенны (ФАР) по двум углам в экспериментальной РЛС «Истра» комплекса «Аргунь» было построено аналогичным образом. При этом центром сектора электронного сканирования (СЭС) отслеживалась одна цель. Для обеспечения сопровождения других целей в РЛС использовалась возможность быстрого (практического мгновенного) отклонения луча антенны из одного положения в другое в сочетании с возможностью формирования независимых петель автосопровождения в быстродействующей ЭВМ по угловым координатам и дальности несколько целей, находящихся в пределах СЭС.

Характеристики радиолокатора канала изделия (ракеты) обеспечивали уверенное наведение противоракеты типа А-350Ж на цель и поражение последней на высоте 350 км и примерно такой же дальности.
Фото: Михаил ХОДАРЕНОК

В результате проведенных экспериментальных работ при натурных пусках отечественных баллистических ракет, оснащенных комплексами средств преодоления ПРО, а также разделяющихся боевых блоков кассетных БР на РЛС «Истра» была подтверждена возможность моноимпульсного сопровождения многих целей и возможность его осуществления без поворота антенны по двум углам.

Отказ от поворота ФАР по одной из осей (или по обеим осям) был чрезвычайно важен для стрельбовой РЛС ПРО, т.к. позволял уменьшить угловые ошибки измерения, связанные с неизбежными деформациями, которые возникали при движении антенны, а также улучшал ее энергетические характеристики за счет исключения вращающихся сочленений и сокращения длины СВЧ трактов.

Внедрение новых технологий привело, таким образом, к коренному изменению не только представлений по построению следящих систем по углам и дальности, но и положило начало качественно новому этапу развития радиолокации – возникновения многоканальных стрельбовых радиолокаторов. Это означало, что с появлением широкоугольных ФАР и быстродействующих ЭВМ в составе радиолокаторов закончилась эпоха доминирования полноповоротных антенн в следящих РЛС. И теперь полноповоротные следящие антенны применяются только в тех случаях, когда это целесообразно и обусловлено решаемыми РЛС задачами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Уникальный комплекс исследовательских и экспериментальных работ, которые были проведены в период разработки и испытаний системы «А», завершившийся поражениями головных частей баллистических ракет типа Р-5 и Р-12 в натурных условиях, а также фундаментальные исследования в целом по проблематике ПРО, осуществленные позднее, заложили прочную научно-техническую базу для успешного создания и постановки в последующем на вооружение систем ПРО первого и второго поколений (системы А-35 и А-135).

Разработка и внедрение последних достижений науки и техники – фазированных антенных решеток, сложных (ЛЧМ и ФКМ) сигналов, высокопроизводительных ЭВМ, управляющих программ реального времени положили начало принципиально новому этапу развития радиолокационной техники вообще и высокоинформативных стрельбовых РЛС ПРО в частности.

Значимость проведенных работ не ограничивалась только проблемой ПРО. Они способствовали возникновению большого числа новых идей, материалов, технологий и в целом развитию различных отраслей отечественной науки.

Противоракетная оборона, начинавшая свой путь, в частности, с невозможности радиолокационного обнаружения на необходимых дальностях и определения координат боевого блока с точностями достаточными для ее поражения, и, следовательно, проблематичности ее создания, за истекшие 40 лет, непрерывно совершенствуясь вслед за совершенствованием БР, превратилась в эффективное средство борьбы с современными баллистическими ракетами. Успехи в создании ПРО нельзя было не признать, и это привело сначала к пониманию необходимости ограничения работ по их развертыванию, а затем к подписанию международного Договора по ПРО 1972 г.

Продолжение следует.