Dziś lotnictwo jest nie do pomyślenia bez radarów. Powietrzna stacja radiolokacyjna (BRLS) jest jednym z najważniejszych elementów wyposażenia radioelektronicznego współczesnego samolotu. Według ekspertów, w najbliższej przyszłości stacje radarowe pozostaną głównymi środkami wykrywania, śledzenia celów i kierowania na nie broni kierowanej.
Postaramy się odpowiedzieć na najczęstsze pytania dotyczące działania radarów na pokładzie oraz opowiedzieć, jak powstały pierwsze radary i jak obiecujące stacje radarowe potrafią zaskoczyć.
1. Kiedy na pokładzie pojawiły się pierwsze radary?
Pomysł zastosowania radaru w samolotach pojawił się kilka lat po pojawieniu się pierwszych radarów naziemnych. W naszym kraju prototypem pierwszej stacji radarowej stała się stacja naziemna „Redut”.
Jednym z głównych problemów było umieszczenie sprzętu w samolocie - zestaw stacji wraz z zasilaczami i kablami ważył około 500 kg. Zainstalowanie takiego sprzętu na ówczesnym jednomiejscowym myśliwcu było nierealne, dlatego postanowiono umieścić stację na dwumiejscowym Pe-2.
Pierwsza krajowa lotnicza stacja radiolokacyjna o nazwie „Gneiss-2” została oddana do użytku w 1942 roku. W ciągu dwóch lat wyprodukowano ponad 230 stacji Gneiss-2. W zwycięskim 1945 Fazotron-NIIR, obecnie część KRET, rozpoczął seryjną produkcję radaru lotniczego Gneiss-5s. Zasięg wykrywania celu osiągnął 7 km.
Za granicą pierwszy radar lotniczy „AI Mark I” – brytyjski – został oddany do użytku nieco wcześniej, w 1939 roku. Ze względu na dużą wagę został zainstalowany na ciężkich myśliwcach przechwytujących Bristol Beaufighter. W 1940 roku do służby wszedł nowy model AI Mark IV. Zapewniał wykrywanie celu na odległość do 5,5 km.
2. Z czego składa się powietrzna stacja radarowa?
Strukturalnie radar składa się z kilku wymiennych jednostek umieszczonych w nosie samolotu: nadajnika, systemu antenowego, odbiornika, procesora danych, programowalnego procesora sygnału, konsol i elementów sterujących oraz wyświetlaczy.
Obecnie prawie wszystkie radary lotnicze posiadają system antenowy składający się z płaskiej anteny szczelinowej, anteny Cassegraina, pasywnej lub aktywnej anteny fazowej.
Nowoczesne radary lotnicze działają w różnych częstotliwościach i umożliwiają wykrywanie celów powietrznych o obszarze EPR (Effective Scattering Area) o powierzchni jednego metra kwadratowego w odległości setek kilometrów, a także zapewniają śledzenie kilkudziesięciu celów w przejściu.
Oprócz wykrywania celów, dziś stacje radarowe zapewniają korekcję radiową, przydzielanie lotów i wyznaczanie celów do użycia naprowadzanej broni powietrznej, wykonują mapowanie powierzchni ziemi z rozdzielczością do jednego metra, a także rozwiązują zadania pomocnicze: śledzenie terenu, mierząc własną prędkość, wysokość, kąt dryfu i inne…
3. Jak działa radar lotniczy?
Dziś współczesne myśliwce używają radarów impulsowych Dopplera. Sama nazwa opisuje zasadę działania takiej stacji radarowej.
Stacja radarowa nie działa w sposób ciągły, ale z okresowymi szarpnięciami - impulsami. W dzisiejszych lokalizatorach transmisja impulsu trwa zaledwie kilka milionowych części sekundy, a przerwy między impulsami to kilka setnych lub tysięcznych sekundy.
Po napotkaniu jakiejkolwiek przeszkody na drodze ich propagacji, fale radiowe rozpraszają się we wszystkich kierunkach i odbijają się od niej z powrotem do stacji radarowej. W tym samym czasie nadajnik radarowy zostaje automatycznie wyłączony, a odbiornik radiowy zaczyna działać.
Jednym z głównych problemów z radarami impulsowymi jest pozbycie się sygnału odbitego od nieruchomych obiektów. Na przykład w przypadku radarów powietrznych problemem jest to, że odbicia od powierzchni ziemi przesłaniają wszystkie obiekty znajdujące się pod samolotem. Zakłócenie to jest eliminowane za pomocą efektu Dopplera, zgodnie z którym częstotliwość fali odbitej od zbliżającego się obiektu wzrasta, a od obiektu wychodzącego maleje.
4. Co oznaczają pasma X, K, Ka i Ku w charakterystyce radaru?
Obecnie zakres długości fal, w których działają radary lotnicze, jest niezwykle szeroki. W charakterystyce radaru zasięg stacji jest oznaczony literami łacińskimi, na przykład X, K, Ka lub Ku.
Na przykład radar Irbis z pasywnym układem anten fazowanych zainstalowanym na myśliwcu Su-35 działa w paśmie X. Jednocześnie zasięg wykrywania celów powietrznych Irbis sięga 400 km.
Pasmo X jest szeroko stosowane w zastosowaniach radarowych. Rozciąga się od 8 do 12 GHz widma elektromagnetycznego, czyli ma długości fal od 3,75 do 2,5 cm. Dlaczego tak się nazywa? Istnieje wersja, która podczas II wojny światowej została sklasyfikowana i dlatego otrzymała nazwę X-band.
Wszystkie nazwy zakresów z łacińską literą K w nazwie mają mniej tajemnicze pochodzenie - od niemieckiego słowa kurz ("krótki"). Zakres ten odpowiada długościom fal od 1,67 do 1,13 cm W połączeniu z angielskimi słowami powyżej i poniżej pasma Ka i Ku otrzymały swoje nazwy odpowiednio „powyżej” i „poniżej” pasma K.
Radary pracujące w paśmie Ka są zdolne do wykonywania pomiarów na krótkich dystansach i w ultrawysokiej rozdzielczości. Takie radary są często wykorzystywane do kontroli ruchu lotniczego na lotniskach, gdzie odległość do samolotu określana jest za pomocą bardzo krótkich impulsów – kilkunanosekundowych.
Pasmo Ka jest często używane w radarach śmigłowców. Jak wiadomo, do umieszczenia na helikopterze antena radaru lotniczego musi być mała. Biorąc pod uwagę ten fakt, a także potrzebę akceptowalnej rozdzielczości, stosuje się zakres długości fal milimetrowych. Na przykład śmigłowiec bojowy Ka-52 Alligator wyposażony jest w system radarowy Arbalet pracujący w ośmiomilimetrowym paśmie Ka. Ten radar opracowany przez KRET daje Alligatorowi ogromne możliwości.
Tak więc każdy zasięg ma swoje zalety, a w zależności od warunków i zadań lokalizacyjnych radar pracuje w różnych zakresach częstotliwości. Na przykład uzyskanie wysokiej rozdzielczości w sektorze obserwacji do przodu realizuje pasmo Ka, a zwiększenie zasięgu radaru pokładowego umożliwia wykorzystanie pasma X.
5. Co to jest PAR?
Oczywiście, aby odbierać i nadawać sygnały, każdy radar potrzebuje anteny. Aby zmieścić go w samolocie, wymyślono specjalne płaskie systemy antenowe, a odbiornik i nadajnik znajdują się za anteną. Aby zobaczyć różne cele za pomocą radaru, antena musi być przesunięta. Ponieważ antena radaru jest dość masywna, porusza się powoli. Jednocześnie równoczesny atak kilku celów staje się problematyczny, ponieważ radar z konwencjonalną anteną utrzymuje w „polu widzenia” tylko jeden cel.
Nowoczesna elektronika umożliwiła rezygnację z takiego mechanicznego skanowania w radarze lotniczym. Jest ułożony w następujący sposób: płaska (prostokątna lub okrągła) antena jest podzielona na komórki. Każda taka komórka zawiera specjalne urządzenie - przesuwnik fazowy, który może zmienić fazę fali elektromagnetycznej wchodzącej do komórki o zadany kąt. Przetworzone sygnały z komórek przesyłane są do odbiornika. W ten sposób można opisać działanie anteny typu Phased Array (PAA).
Aby być bardziej precyzyjnym, podobny układ antenowy z wieloma elementami przesuwnika fazowego, ale z jednym odbiornikiem i jednym nadajnikiem, nazywany jest pasywnym HEADLIGHT. Nawiasem mówiąc, pierwszym na świecie myśliwcem wyposażonym w pasywny radar z układem fazowanym jest nasz rosyjski MiG-31. Został wyposażony w stację radiolokacyjną „Zasłoń” opracowaną przez Instytut Badawczy Inżynierii Instrumentów. Tichomirow.
6. Do czego służy AFAR?
Aktywna antena z układem fazowym (AFAR) to kolejny etap rozwoju technologii pasywnej. W takiej antenie każda komórka szyku zawiera własny nadajnik-odbiornik. Ich liczba może przekroczyć tysiąc. Oznacza to, że jeśli tradycyjny lokalizator jest oddzielną anteną, odbiornikiem, nadajnikiem, to w AFAR odbiornik z nadajnikiem i antena są „rozproszone” na moduły, z których każdy zawiera szczelinę antenową, przesuwnik fazowy, nadajnik i odbiornik.
Wcześniej, gdyby np. nadajnik był niesprawny, samolot stałby się „oślepiony”. Jeśli w AFAR jedna lub dwie komórki, a nawet kilkanaście, zostaną dotknięte, reszta nadal działa. To jest kluczowa zaleta AFAR. Dzięki tysiącom odbiorników i nadajników zwiększa się niezawodność i czułość anteny, a także możliwa jest praca na kilku częstotliwościach jednocześnie.
Ale najważniejsze jest to, że struktura AFAR pozwala radarowi rozwiązywać równolegle kilka problemów. Na przykład, nie tylko do obsługi dziesiątek celów, ale równolegle z badaniem kosmosu jest bardzo skuteczna w obronie przed zakłóceniami, ingerowaniu w radary wroga i mapowaniu powierzchni, uzyskując mapy o wysokiej rozdzielczości.
Nawiasem mówiąc, w przedsiębiorstwie KRET, w korporacji Fazotron-NIIR, powstała pierwsza w Rosji powietrzna stacja radiolokacyjna z AFAR.
7. Jaka stacja radarowa będzie na myśliwcu PAK FA piątej generacji?
Wśród obiecujących rozwiązań KRET są konformalne AFAR, które mogą zmieścić się w kadłubie samolotu, a także tak zwana „inteligentna” skóra płatowca. W myśliwcach nowej generacji, w tym PAK FA, stanie się niejako pojedynczym lokalizatorem nadawczo-odbiorczym, dostarczającym pilotowi pełnej informacji o tym, co dzieje się wokół samolotu.
System radarowy PAK FA składa się z obiecującego AFAR na pasmo X w przedniej komorze, dwóch radarów skierowanych na boki i AFAR na pasmo L wzdłuż klap.
Dziś KRET pracuje również nad opracowaniem radaru radiofotonowego dla PAK FA. Koncern zamierza do 2018 roku stworzyć pełnowymiarowy model stacji radarowej przyszłości.
Technologie fotoniczne umożliwią rozszerzenie możliwości radaru - zmniejszenie masy o ponad połowę i zwiększenie rozdzielczości dziesięciokrotnie. Takie radary z układami anten radiooptyczno-fazowych są w stanie wykonać rodzaj „obrazu rentgenowskiego” samolotów znajdujących się w odległości ponad 500 kilometrów i dać im szczegółowy, trójwymiarowy obraz. Technologia ta pozwala zajrzeć do wnętrza obiektu, dowiedzieć się, jaki sprzęt nosi, ile osób w nim się znajduje, a nawet zobaczyć ich twarze.
