29 мая, 2007

Страж советского неба

РЛС П-70 работала в метровом диапазоне волн. Радары метрового диапазона до сих пор составляют основу дежурного поля страны. Разработка РЛС П-70 приходится на годы расцвета отечественной радиолокации. Ее создатели трудились в обстановке огромной заинтересованности и благоприятствования со стороны как заказчика, так и ведомственного руководства (министерства).

Главным конструктором РЛС П-70 был Овсянников Василий Иванович (к тому времени лауреат Государственной и Ленинской премий СССР). Ленинскую премию Овсянников В.И. получил как главный конструктор прекрасной РЛС П-14 (шифр "Лена", испытания РЛС прошли в 1959 г.), модификации которой и до сих пор являются одним из основных дежурных средств радиолокационного поля РТВ ВВС РФ.

Известно, что в войсках станцию П-14 очень любили. Служить на нее офицеров посылали в качестве поощрения. РЛС П-14 представляла собой стационарную станцию (хотя и заказчиком ее являлось ГРАУ МО СССР, по идеологии которого выполнена вся по-настоящему мобильная радиолокационная техника СССР и России).

Дело в том, что в середине 1950-х гг. на правительственном уровне было принято решение разрабатывать дежурные РЛС (которые уже по своему предназначению закреплялись за определенными позициями) в стационарных помещениях (а не тратить на них дорогостоящую технику мобильных транспортных средств).

Для радиолокации метрового диапазона волн это решение было весьма перспективным, так как открывало дорогу к созданию большеразмерных антенн. Оно также позволяло не экономить место на габаритах и числе аппаратных шкафов. В частности, развивать передатчик и первичное питание.

Да и расположение всей аппаратуры в стационарном помещении - домике с печкой и койкой - было весьма привлекательным. Причем не только для холодных северных и восточных районов, но и для южных, где помещение предохраняло от зноя.

Благодаря стационарному построению, энергетический потенциал (произведение эффективной площади антенны на мощность передатчика) РЛС П-14 вырос по сравнению с РЛС П-12, предшествующей разработки (1955 г.), с 12 (м2 • кВт) до 500 (м2 • кВт).

Наиболее полно преимущества стационарного построения были реализованы в РЛС П-70, которая располагалась в двухэтажном здании. На крыше здания по рельсовой дороге вращалась на резиновых катках огромная зеркальная антенна размером 48 на 25 м. Двухканальное передающее устройство имело суммарную среднюю мощность 20 кВт. Энергетический потенциал РЛС П-70 был равен 17 тыс. (м2 • кВт).

Холодная война и еще незабытая Отечественная требовали создания надежного радиолокационного поля. Это поле должно было функционировать в условиях преднамеренных помех - активных и пассивных.

Решение подобной задачи наталкивалось на принципиальные трудности, обусловленные противоречивыми требованиями к параметрам зондирующих импульсов РЛС. Для достижения больших дальностей обнаружения и защиты от активных помех необходимо было повышать среднюю энергию излучения. Этого можно было добиться только за счет увеличения длительности зондирующих импульсов, так как освоенные к тому времени пиковые мощности уже были близки к предельно возможным.

А для достижения высокой разрешающей способности по дальности и защиты от пассивных помех, наоборот, требовалось уменьшение длительности зондирующих сигналов.

Компромиссные значения длительности сигналов уже не удовлетворяли все возрастающим требованиям к радиолокаторам. Указанное противоречие, казавшееся неразрешимым, сковывало развитие радиолокации.

Во второй половине 1950-х гг. приходит принципиальное разрешение возникшей проблемы - излучать длинные, но так называемые сложные сигналы с внутриимпульсной модуляцией - фазовой или частотной (со значительным расширением спектра сигнала). А в согласованном фильтре приемника производить сжатие сигналов.

Сложные зондирующие сигналы позволяли одновременно достичь высокого энергетического потенциала и защищенности от активных помех (за счет большой длительности зондирующего сигнала) и высокой разрешающей способности по дальности и защищенности от пассивных помех (за счет сжатия сигнала в согласованном фильтре).

Сложный зондирующий сигнал раскрепощал радиолокацию. Он позволял практически неограниченно увеличивать энергетический потенциал и при этом иметь сколь угодно высокую (в пределах технических возможностей) разрешающую способность по дальности. Это была революция, вызвавшая настоящий радиолокационный бум во всем мире.

Принцип сжатия сложных сигналов был предложен еще в 1940-х гг. прошлого столетия, однако оставался неизвестным до второй половины 1950-х гг. Первая открытая зарубежная работа по этой тематике относится к 1958 г.

В СССР это направление получило самостоятельное развитие, начиная с 1956 г., в блестящей школе профессора Я.Д. Ширмана в Артиллерийской радиотехнической академии им. Л.А. Говорова (г. Харьков). Эта тематика была засекречена и публикации авторов о первых работах этой школы относятся к 1970 г.

РЛС П-70 была одним из первых в мире промышленных образцов радиолокатора со сжатием сигналов (точнее, нам неизвестна какая-либо в мире РЛС со сжатием сигналов, поступившая в серийное производство ранее 1968 г. - времени окончания государственных испытаний РЛС П-70).

На крыше здания по рельсовой дороге вращалась на резиновых катках огромная зеркальная антенна П-70 размером 48 на 25 м.
Фото: Фотоархив "ВКО"

ОКР РЛС П-70 начиналась в 1960 г., когда идеи, связанные со сложными сигналами только начали осваиваться разработчиками. Вопрос создания промышленного образца к тому времени еще не созрел.

Поэтому в техническом проекте РЛС П-70 в качестве основного варианта рассматривалась РЛС с простыми сигналами. А разрешение противоречия между требованиями значительной дальности и высокой разрешающей способности по дальности предлагалось преодолеть за счет 2-х канального построения РЛС: коротко-импульсного и длинно-импульсного каналов, работающих одновременно на одну антенну с двумя поляризациями.

Такое построение, подтверждавшееся полноразмерным действующим макетом на полигоне предприятия, обеспечивало решение задачи, но имело серьезный недостаток: в комбинированных помехах низкоэнергетический канал с короткими импульсами поражался активной помехой, а высокоэнергетический канал с длинными импульсами - пассивной помехой.

То есть при одновременном воздействии активной и пассивной помех эффективная защита РЛС от помех не обеспечивалась, да и дальности обнаружения каналов были разными.

Одновременно на этапе технического проекта был создан действующий макет радиолокационной станции со сложными сигналами - линейно-частотно-модулированными (ЛЧМ) импульсами, подтверждавший принципиальную возможность и целесообразность создания РЛС на новых принципах.

По результатам технического проекта было принято решение об изменении направления и сроков разработки. Однако создание промышленного образца РЛС с укорочением сигналов требовало решения значительного числа сложных научно-технических вопросов, относящихся к приемо-передающим устройствам РЛС.

Первым вопросом было создание мощного передающего устройства сложных зондирующих сигналов. Передающие устройства РЛ станций выполнялись в то время в виде мощных автогенераторов, а для передатчика сложного сигнала требовался усилитель мощности, т.к. сложный сигнал мог быть сформирован только на малом уровне мощности.

С учетом требуемой высокой мощности передатчик РЛС П-70 выливался в 4-х каскадную цепочку из ламповых усилителей. Каждый каскад имел три перестраиваемых плунжерами по частоте контура. Общая длина выходного каскада при выдвинутых плунжерах перестройки составляла около 6 метров, а передвижение плунжеров осуществлялось гидроприводами.

Каскады стояли вертикально и занимали по высоте два этажа здания РЛС. Каждый каскад имел свой тиратронный модулятор на накопительных линиях. На каждой частотной точке требовалось согласование усилительных каскадов между собой и с модуляторами.

По входу усилитель запитывался от разработанного АРТА им. Л.А. Говорова мощного возбудителя с фазовой автоподстройкой частоты к маломощному сложному сигналу. Сложный сигнал представлял собой отклик согласованного фильтра приемника на короткий импульс.

При этом схема РЛС оказывалась построенной по принципу "ключ - замок" (предложенному, по-видимому, Я.Д. Ширманом). Благодаря этому достигалось идеальное согласование зондирующего сигнала передатчика (и, соответственно, принимаемых эхо-сигналов) с согласованным фильтром приемника.

Другая особенность построения П-70 заключалась в том, что отклик согласованного фильтра преобразовывался к высокой частоте (на которой функционировал мощный возбудитель) местным гетеродином с кварцевой стабилизацией частоты.

Этим обеспечивалась так называемая истинная когерентность РЛС и устранялся в принципе ряд факторов, ограничивающих коэффициент подавления СДЦ - случайные набеги фаз местного и когерентного гетеродинов, имевшие место при построении передатчика на принципе автогенератора.

В целом передатчик представлял собой огромное и непривычно сложное устройство, в то время как автогенератор был однокаскадным устройством и выглядел по сравнению с ним очень выигрышно. Создание столь сложного устройства было оправдано только многообещающим результатом и требовало большой решительности от разработчиков.

Оценить значимость шага, который был сделан при разработке РЛС П-70 по сравнению с ранее разработанной РЛС П-14 можно из приведенного рисунка, на котором изображены зоны обнаружения этих РЛС.

Дальность в максимуме диаграммы направленности антенны в РЛС П-70 составила 2300 км, а у П14 - 700 км, верхняя граница обнаружения выросла с 45 (у РЛС П-14) до 160 км.

При этом благодаря сжатию разрешающая способность по дальности РЛС П-70 улучшилась по сравнению по сравнению с РЛС П-14 в 10 раз.

Сжатие сигнала в приемнике РЛС П-70 составило 50 раз, во столько же раз увеличилась пиковая мощность полезных сигналов на выходе согласованного фильтра.

Чтобы достичь такого эффекта в РЛС с простыми сигналами, нужно было бы развить пиковую мощность передатчика до 65-130 МВт. Прошло около 40 лет с момента окончания разработки, а выполнение подобных требований проблематично и на сегодняшний день.

Рисунок отражает практически всю историю развития радиолокации метрового диапазона волн в Нижнем Новгороде и преследует цель наглядно отобразить это сугубо отечественное направление, не имеющее зарубежных аналогов. Это тем более уместно накануне 60-летнего юбилея Нижегородского НИИ радиотехники - создателя этих радаров.

Другая проблема была в создании приемника сложных сигналов и, в первую очередь, согласованного фильтра. Известные к тому времени способы создания согласованного фильтра не подходили для выбранных параметров зондирующего сигнала РЛС П-70.

Решение было найдено неожиданно. В одном из зарубежных журналов исследовалось явление дисперсии (зависимости скорости распространения от частоты) ультразвука в предельном акустическом волноводе, который представлял собой металлическую полоску размерами около 30х2х0,1 см.

Эта полоска и явилась прообразом созданного совместными усилиями ученых ННИИРТ, ЛИАП (Ленинградский институт авиационного приборостроения) и АРТА простейшего по конструкции надежного согласованного фильтра ЛЧМ сигнала.

Тем не менее, задача разработки промышленного образца этого устройства оказалась далеко не тривиальной и потребовала проведения больших исследований, главным образом по обеспечению идентичности фильтров, входивших в состав аппаратуры РЛС.

Третий вопрос, который предстояло решить - отыскание структуры построения приемника, обеспечивающей стабилизацию ложных тревог в условиях, когда высокий динамический диапазон входных сигналов приемника РЛС значительно превосходил ограниченный динамический диапазон согласованного фильтра и выходного устройства РЛС - индикатора кругового обзора.

Кроме того, по входу приемника на реальных позициях всегда воздействовали импульсные помехи большой интенсивности.

Оба эти вопроса значительно обострялись при решении задачи приема сложных сигналов. Особенность задачи заключалась в том, что сжатый сигнал имеет боковые лепестки, располагающиеся слева и справа от главного максимума на временном интервале порядка длительности несжатого сигнала. При достаточно большом уровне эхо-сигнала боковые лепестки засвечивали ИКО, и приводили к потере, достигнутой благодаря сжатию, разрешающей способности по дальности. Кроме того, согласованный фильтр имел низкий динамический диапазон, обусловленный многократным переотражением ультразвука в звукопроводе. Это приводило к тому, что достаточно сильный сигнал вызывал на выходе фильтра целый шлейф паразитных сигналов, превосходящих собственный шум приемника и тянувшихся за сжатым сигналом на значительном временном интервале.

Другая особенность заключалась в том, что отклик согласованного фильтра на короткоимпульсные помехи имел протяженность несжатого сигнала. Поэтому согласованный фильтр превращал короткоимпульсные помехи в длинноимпульсные, которые засвечивали значительную часть площади ИКО и создавали неприемлемую картину.

Преодолеть указанные нежелательные явления можно было только за счет сжатия входного динамического диапазона сигналов.

Был и ряд других факторов, не зависящих от сжатия и приводивших к нарушению стабилизации ложных тревог, в первую очередь - это нестационарный характер шумовых и пассивных помех.

Простым, заманчивым, универсальным решением задачи стабилизации ложных тревог было глубокое ограничение (на уровне собственного шума) сигналов на входе согласованного фильтра.

Однако, на первый взгляд, ограничение казалось неприемлемым при сложных сигналах: как показывали исследования при воздействии по входу ограничителя 2-х и более перекрытых по времени сложных ЛЧМ импульсов на выходе согласованного фильтра возникают продукты нелинейного взаимодействия в виде рассыпанных по временной оси ложных сигналов.

Вместе с тем оказалось, что при ограничении сильных сигналов возникает еще один нелинейный эффект (обязанный взаимодействию сильного сигнала и шума) - "шумовой провал" в районе сильных укороченных сигналов, в котором, в основном, "прячутся" ложные сигналы. "Шумовой провал" приводил и к нежелательным эффектам: достаточно слабый сигнал, перекрытый по входу ограничителя с сильным, также попадал в "шумовой провал" и не наблюдался. Тем не менее, указанные недостатки схемы были терпимыми, и с ними пришлось примириться.

В конечном итоге задача стабилизации ложных тревог была успешно решена - на экране ИКО РЛС П-70 наблюдался равномерный шумовой фон, не нарушаемый ни активными, ни пассивными, ни импульсными помехами. Подобное техническое решение было использовано и в последующих разработках, в частности, в РЛС 55Ж6 ("Небо").

Заметим также, что глубокое ограничение, как средство защиты приемника простых сигналов от короткоимпульсных помех, было известно ранее. Приемник с ограничителем строился по схеме ШОУ: широкая полоса пропускания - ограничитель - узкая (оптимальная) полоса пропускания.

Исследования показали, что в отличие от приемника простых сигналов, надежная защита от импульсных помех приемника сложных сигналов, содержащего ограничитель, будет обеспечена при его построении по схеме УОШ, обратной схеме ШОУ, что было также реализовано в РЛС П-70.

Специфика РЛС П-70, обусловленная антенной больших размеров и мощными передатчиками, требовала и других нововведений. На ранее разработанных РЛС П-12 и П-14 для подавления преднамеренных пассивных помех от дипольных отражателей антенну останавливали в азимуте помехи и вручную осуществляли операцию "компенсации ветра". Это вызывало перерыв в боевой работе.

Для РЛС П-70 остановка столь большой антенны была неприемлема. В процессе разработки была решена на уровне изобретения задача измерения скорости перемещения облака отражателей и полуавтоматической "компенсации ветра" без остановки антенны.

Был решен и другой вопрос, который возник еще в конце 1950-х гг. на РЛС П-14 в связи с ее большим энергетическим потенциалом. На приморских позициях зачастую наблюдалось явление сверхдальнего распространения радиоволн так, что местные предметы были видны на больших площадях, на дальностях до (250- 300) км в сторону моря за границу государства.

Заметим, что впоследствии, уже на головном серийном образце РЛС П-70, установленном вблизи побережья Каспийского моря (г. Северо-Восточный Банк, Азербайджан), местные предметы наблюдались на расстоянии до 1200 км в южном направлении - далеко за границу государства. На обычных позициях, в среднеширотных районах страны, эхо-сигналы от местных предметов располагались на дальностях 40-50 км от точки стояния РЛС.

Поэтому весьма вероятным было проникновение самолетов противника в сторону охраняемой территории на фоне местных предметов. Если бы при этом была поставлена дипольная пассивная помеха, то с помощью существовавших известных систем СДЦ одновременное подавление пассивных помех от местных предметов и облака дипольных отражателей не обеспечивалось, да и постановка подобного вопроса в литературе в то время отсутствовала.

При разработке РЛС П-70 было предложено на уровне изобретения и реализовано устройство, решающее эту задачу по схеме: череспериодное вычитание эхо-сигналов местных предметов - "компенсация ветра" - череспериодное вычитание эхо-сигналов дипольных отражателей.

Для реализации схемы было разработано оригинальное устройство череспериодного вычитания сигналов на потенциалоскопах на низкой поднесущей частоте. Причем достаточно качественные характеристики схемы были получены только благодаря замечательному свойству ЛЧМ импульсов - форме их спектра, близкой к прямоугольной.

Во всех радарах метрового диапазона волн до РЛС П-70 антенны запросчиков систем государственного опознавания выполнялись в виде автономных изделий, расположенных на позиции отдельно от РЛС. Возникала необходимость синхронизации вращения пространственно разделенных антенн. Кроме того, в некоторых секторах антенна запросчика затенялась оборудованием основной РЛС.

В РЛС П-70 вопрос был дополнительно осложнен тем, что для перекрытия ее огромной зоны обнаружения антенна запросчика должна была иметь значительные размеры и выливалась в целое сооружение с апертурой 16 на 16 метров. Поэтому антенна запросчика была вписана в основную антенну. А отмеченные выше сложности отпали сами по себе. В облике РЛС П-70 зеркало антенны запросчика можно наблюдать в виде более плотного заполнения сетки в средней части основного зеркала.

Отметим еще ряд особенностей РЛС П-70.

Зеркальная антенна РЛС П-70 имела две поляризации - горизонтальную и вертикальную. В каждой поляризации антенна могла работать в одном из двух режимов: верхнего луча и нижнего луча.

В РЛС было два одинаковых приемо-передающих канала, каждый из которых мог быть подключен к облучателям вертикальной или горизонтальной поляризации.

Каналы работали на независимых частотных точках. При одновременной работе обоих каналов эхо-сигналы приемных каналов складывались после детекторов. Передатчики имели две частоты повторения: верхнюю - для работы по самолетам и крылатым ракетам (Fв - 140 Гц) и нижнюю - для работы по космическим объектам (Fн - 70 Гц).

Средняя излучаемая мощность каждого канала равнялась 10 кВт. Длительность импульса 50 мкс, девиация частоты около 1 МГГц, длительность сжатого сигнала около 1 мкс.

В РЛС П-70 был встроен пеленгационный канал.

Станция имела многофункциональный имитатор, позволявший без выхода в эфир настраивать аппаратуру обработки и производить тренаж боевого расчета.

Потребляемая мощность станции составляла 700 кВт зимой и 450 кВт летом.

Вращение антенны осуществлялось от гидропривода.

Аппаратура РЛС размещалась в двухэтажном здании. Первый этаж и часть второго занимал передатчик и элементы системы электропитания. На втором этаже размещались два одинаковых комплекта приемников и аппаратуры обработки.

В центре второго этажа располагался центральный пульт управления (ЦПУ) в составе двух индикаторов кругового обзора, двух индикаторов секторного обзора в прямоугольных координатах азимут-дальность, индикатора доплеровской частоты пассивной помехи, двух контрольных индикаторов типа "А", а также горизонтальной панели с органами управления. Все это оборудование было конструктивно объединено в единый дугообразный комплекс, позволявший с каждого рабочего места наблюдать всю обстановку ЦПУ.

Кроме того, на втором этаже размещались учебный класс, лаборатория и радиомастерская, комнаты ЗИП и отдыха обслуживающего персонала, а также кабинет начальника станции. Станция имела выносное индикаторное устройство, которое могло располагаться на расстоянии до двух км от РЛС.

Значительная часть аппаратуры была выполнена на новой (по тем временам) элементной базе - миниатюрных пальчиковых лампах, использование которых позволило разработать набор типовых функциональных модулей.

В серийном производстве было выпущено 11 РЛС П-70. Они дислоцировались на северо-западе страны (Котлас, полуостров Рыбачий, Эстония, Литва), на юге (Керчь, Северо-Восточный Банк, Азербайджан), на востоке (Монголия, остров Русский) и на северо-востоке - Анадырь.

Опытный образец РЛС в Капустином Яре также регулярно подключался к боевой работе для наблюдения за приземлением спутников. Станции работали надежно. По отзывам служивших на них офицеров, они являлись лучшими локаторами РТВ ПВО СССР.