dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

Пять избранных записок за неделю:

• NOTAR – реактивная стабилизация вертолёта;
• Адаптивные системы самолётов будущего;
• Японская стая роботов-трансформеров;
• Вернер фон Браун думал над “космическими челноками”;
• Что такое РЛС с АФАР.

Про АФАР (это Активная Фазированная Антенная Решётка) сейчас в популярной прессе пишут то и дело, в основном применительно к истребителю пятого поколения. Правда, даже минимальные технологические аспекты обычно остаются за кадром. Что за АФАР? Зачем? Как она работает? В общем, эта заметка поможет окинуть взглядом – конечно, в очень упрощённом виде – некоторые базовые принципы, стоящие за особенностями АФАР.

Начать придётся издалека. Известно, что радар (за некоторыми исключениями) сперва излучает зондирующий импульс – современные радары обычно импульсные – в окружающее пространство, а потом “слушает”, не последует ли отражений. Если отражённый импульс удалось принять, то по его характеристикам, имея “в уме” параметры соответствующего излучённого импульса, можно вычислить некоторую информацию о цели. Ну, по крайней мере, дальность и скорость (а хотелось бы ещё координаты, тип и тому подобные штуки).

Чтобы принимать/излучать сигналы, радару нужна антенна. Для эффективного использования энергии нужно, чтобы эта антенна обладала узкой “направленностью”. Грубо говоря, требуется, чтобы “был луч” (и по приёму, и по излучению импульсов). Создавать лучи научились разными способами. Самый банальный – использовать отражающую “тарелку-гиперболоид”: примеры подобных зеркальных антенн можно наблюдать в системах спутникового телевидения.

Правда, такую тарелку в самолёт запихивать сложно, да и управляться с ней неудобно. Поэтому придумали специальные антенные системы, которые действуют подобно тарелке, но при этом они плоские, а приёмник и передатчик находятся за антенной. Основной элемент таких антенн – очень сложная система волноводов, приводящих к приёмнику сигналы от разных “фрагментов” наружной части антенны таким образом, что “суммарный” результат получается аналогичным “отражающей” системе. Здесь “кривизна” отражающей тарелки оказывается преобразована в различное время прохождения сигналом различных волноводов системы. (Подробный разбор того, как и почему такая антенна работает, мы пока оставим за рамками нашей заметки.)

Итак, предположим, что в радаре есть один приёмник, один передатчик (генератор импульсов) и хитрая плоская антенна, подобная “отражающей тарелке”, формирующая луч. Оказывается, для того чтобы увидеть разные цели таким радаром, антенну придётся двигать, обычно в двух плоскостях. Тут уместна аналогия с фонариком в тёмной комнате: осветить стену целиком луч не может, и чтобы стену осмотреть, нужно “просканировать” её светлым пятном от луча. То есть для осмотра нашим радаром сколь-нибудь широкого сектора на практически важной дистанции потребуется механическое сканирование. Тяжёлой “тарелкой” придётся вертеть с помощью гидравлики. В большинстве современных истребителей как раз используются подобные радары с механическим сканированием.

Но механическое сканирование очень неудобно, прежде всего потому, что антенна движется медленно. Двигать ей быстро нельзя: сама антенна обычно очень массивная, если даже и удастся затолкать на борт истребителя мощную гидравлику, то при большой частоте сканирования самолёт просто начнёт рыскать и определённо развалится под воздействием механических напряжений. Поэтому обзор больших секторов происходит медленно. А, например, для атаки цели истребителем радар приходится переключать в специальный режим, в котором луч держит в “поле зрения” одну, выбранную пилотом, цель. С одновременной атакой нескольких целей возникают очень большие проблемы (и это не единственные проблемы радаров с механическим сканированием).

Так вот, от механического сканирования возможно отказаться, перейдя на электронное. Физика, стоящая за этой возможностью, не простая. А основной принцип – управление фазами сигналов. Оказывается, сформировать нужный луч можно, изменяя фазы сигналов, принятых (или излучённых) разными частями антенны. Правда, при этом антенну сперва нужно разделить на части.

Логичный вариант: плоская (прямоугольная или круглая) антенна разделена на ячейки, образующие регулярную решётку. В каждой такой ячейке находится специальный прибор – фазовращатель, который может на заданный угол изменять фазу “упавшей” в ячейку электромагнитной волны. “Обработанные” сигналы из ячеек поступают по волноводам на приёмник – понятно, что сигнал на входе приёмника образуется “суммированием” сигналов из ячеек решётки. Так получается ФАР – фазированная антенная решётка. (Для излучения сигналов антенна работает аналогично.)

Если в ФАР согласованно отрегулировать изменения фаз в разных ячейках, то можно, например, получить максимум усиления антенны в одном заданном направлении, аналогично зеркальной антенне с тарелкой. Так происходит, в общем, потому, что сигналы, принимаемые разными ячейками решётки (неподвижной!) с заданного направления, из-за изменения их фаз складываются с “максимальной энергией” (то же самое при излучении). Важно заметить, что в реальности ситуация сложнее, но подробный её разбор мы сейчас проводить не будем.

Ещё важнее заметить, что антенна всё равно принимает сигналы со всех направлений (даже изнутри самолёта), “по направлениям” различается только степень чувствительности.

Управление фазовращателями, конечно, должно быть электронным и центральным. В этом случае, согласованно регулируя настройки фазовращателей, можно обеспечить электронное управление перемещением луча. Правда, угловой диапазон этих перемещений будет ощутимо ограничен. Но так как при “перебросе” луча не используется механическое перемещение антенны, то в рамках доступных углов сканирование будет почти мгновенным (понятно, конечно, что в реальных системах небольшая инерционность всё равно присутствует). ФАР также позволяет формировать сразу несколько лучей. Для расширения углов обзора ФАР может использовать механическое сканирование в дополнение к электронному.

Антенная решётка, подобная только что описанной системе, со множеством элементов-фазовращателей, с одним приёмником и одним передатчиком, называется пассивной ФАР. Первый в мире истребитель, оснащённый РЛС с пассивной ФАР – МиГ-31 (система “Заслон”):

Активная ФАР (АФАР, ради которой и затеяна вся большая заметка) – это следующий шаг в развитии пассивной. В активной антенне каждая ячейка решётки содержит свой приёмо-передатчик (возможны и “половинчатые” варианты, например только приёмник), имеющий центральное управление характеристиками. Ключевые преимущества полноценной АФАР такие: гораздо выше надёжность (много независимых передатчиков и приёмников), появляется возможность работать на нескольких частотах сразу (приёмо-передатчики независимы), выше чувствительность (потому что сигнал “детектируется” сразу приёмником в базовом элементе).

(Рисунок РЛС с АФАР Raytheon AN/APG-63(V)3 – из рекламки Raytheon)

АФАР гораздо сложнее пассивной ФАР и просто требует других технологий для своего создания.

Современные радары с АФАР очень “вычислительные”, основная часть обработки сигналов производится в цифровой форме, мощным компьютером. Компьютер же занимается вычислением “параметров передачи” сигналов. Самое интересное тут то, что, имея большое количество отдельных приёмников в АФАР, можно вычислять одновременно сигналы от многих конкретных целей на основе компьютерного анализа изменений фаз излучения заданной частоты во времени на множестве приёмников (то есть можно не вращать фазы в приёмниках, а только записывать их значения). Да и вообще, используя такую систему приёма-передачи сигнала, можно очень многое вычислить из характеристик принятого излучения (об этом как-нибудь в другой раз подробности).

Поэтому радары с АФАР не только с лёгкостью обеспечивают полноценную работу одновременно по множеству целей (10-20-30, можно ещё больше, с одновременным же сопровождением и атакой), но и попутно могут проводить картографирование поверхности под самолётом (с обнаружением наземных целей), очень эффективно отстраиваться от помех и тут же ставить помехи радарам противника.

Основной технологической проблемой в создании АФАР является микроэлектронная начинка активного элемента. Есть несколько разных технологий, позволяющих добиться нужных характеристик. Но самые перспективные – это появившиеся недавно компактные интегрированные твердотельные СВЧ-элементы, так сказать, приёмник и передатчик в одном миниатюрном полупроводниковом изделии.

Кстати, радары с АФАР используются не только и не столько на истребителях. Напротив, АФАР давно применяют в комплексах ПВО, а кроме того – на прочей наземной технике, на кораблях и даже на таких экзотических устройствах, о которых популярная пресса почему-то не пишет, как, например, загоризонтные радиолокаторы. Очень эффективны и полезны АФАР, установленные на спутниках.

Читайте, также, продолжение темы:

Преимущества АФАР для современных самолётов;
АФАР и бортовые РЛС малозаметных самолётов;
РЛС с синтезированной апертурой антенны.

Солдатам будущего нужны экзоскелеты – они помогают нести тяжёлую броню и мощное оружие (а тяжелая пехота страшна; например, для танков).

Оказывается, недавно Raytheon приобрела у компании Sarcos её робото-технологический бизнес. Raytheon входит в число ключевых поставщиков военных технологий вооружённым силам США.

Как связано такое приобретение с экзоскелетами? Вот как: Sarcos уже демонстрировали опытный образец действующего экзоскелета. Видео с этой демонстрацией – по ссылке под картинкой:

(видео)

Пока что появлению подобного снаряжения на поле боя мешает отсутствие одной (только одной) ключевой технологии: нет компактных, мощных и надёжных источников энергии, которые можно было бы прицепить к такому “костюмчику”. Исследования, правда, движутся.

(Via)

Работая в Штатах (а возможно и ранее, в Германии) ракетный инженер Вернер фон Браун думал и над многоразовыми космическими аппаратами, более пятидесяти лет назад. На иллюстрации ниже (это 1950-е годы) – внутреннее устройство “шатла”, оборудованного индивидуальными спасательными капсулами для каждого члена экипажа:

А на этой иллюстрации – устройство самой капсулы:

(Источник – блог Paleo-Future.)

Что бы это значило? Фото:

Правильных многогранников – пять: тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр, икосаэдр. Это известно с античности. Если центры граней правильного многогранника принять за вершины нового многогранника, то получится правильный многогранник, дуальный (двойственный) исходному. Октаэдру двойственен куб. Икосаэрду – додекаэдр. Несложно догадаться, что тетраэдр дуален сам себе. Так что, в одном из смыслов, получаем три типа правильных многогранников. Понятно, правда, что никакого философского смысла в этом нет, а только геометрический.

На “Премии Рунета” есть сервис “народное голосование”. В нём за номинированные сайты голосуют пользователи Интернета, выбирая лучший сайт. Довольно странно читать, что РОЦИТ – титульный организатор “Премии Рунета” – в ответ на жалобы пользователей, которые не смогли проголосовать (их голоса не были приняты сервисом), раскрывает просто пещерную отсталость своей системы учёта голосов. РОЦИТ пишет:

“Нам, в оргкомитет Премии Рунета 2007, периодически поступают письма с жалобами на систему ограничений голосования – не дает голосовать тем, кто последний раз голосовал более суток назад или не голосовал вовсе, выдавая ошибку “Извините, но голосовать можно только раз в 24 часа”.

Причинами данной проблемы могут быть:

1. До того как вы подключились к интернету данный IP использовал другой человек, который принимал участие в голосовании;

2. Ваш компьютер находится в сети имеющий один внешний IP, т.е. из вне все компьютеры сети видны как один.

Мы понимаем, что идентификация пользователя по IP-адресу и Cookie не является 100% гарантом его уникальности, но иного лучшего способа в настоящее время нет.”

То есть люди, голосующие из корпоративной или “домовой” сети, где размещение сотни компьютеров за парой “внешних” (маршрутизируемых) IP – обычное дело, фактически лишены возможности голосовать. Или, например, пользователи коммутируемого доступа, в котором один небольшой пул IP-адресов динамически раздаётся на множество абонентов, – также не смогут нормально голосовать.

С другой стороны, сеть, имеющая большой блок IP-адресов (тысячи), может довольно просто накрутить результаты голосования (в том случае, если с одного IP-адреса можно опять голосовать через сутки). Вообще, при современной ситуации с “внешними” IP-адресами, система строгой авторизации по IP выглядит, по меньшей мере, странно. Нужно либо разрешить голосовать без строгой привязки к IP, либо, если нужно обеспечить точность повыше, использовать более прогрессивную систему авторизации. Самая простая из которых – регистрация с уникальным адресом e-mail, при условии проверки валидности адреса.

Эффективные роботы будущего будут действовать в группе. При этом, понятно, накопленный опыт создания сложных систем приведёт к тому, что эти группы роботов не будут иметь жётско назначенных лидеров: распределённая одноранговая система с “выборами” центров управления – гораздо надёжнее.

Тем временем, такие системы окончательно перешли из области фантастического кинематографа и литературы в мир реальный. Учёные из Японии развивают вполне практическую реализацию “роя роботов”. Базовый робот-элемент группы довольно незатейлив, но может самостоятельно передвигаться и, что главное, способен жёстко (механически) соединяться с другими подобными элементами:

Получающаяся конструкция действует как единое целое, используя для своей работы довольно сложные алгоритмы, которые пока что реализует внешний компьютер (надолго ли?). Из большого количества базовых роботов могут собираться весьма сложные “механизмы”, забирающиеся по стенам, перешагивающие через препятствия и проползающие под препятствиями:

Группа, собравшаяся в одну конфигурацию, оперативно пересобирается в другую, более подходящую для решения очередной задачи:

Думаю, понятно, что бороться с подобной штукой, пытаясь “прострелить центральный компьютер” – не получится. Отцепив выведенные из строя элементы, роботизированный рой продолжит движение, возможно, изменив конфигурацию.

На сайте разработчиков есть довольно много видеоматериалов (внимание! большой трафик!), которые отлично демонстрируют, что к чему.

Летательные аппараты (ЛА) будущего, в том числе военные беспилотники, будут адаптивными. Не только в смысле алгоритмической начинки. Адаптивными будут аэродинамические элементы. Точнее, весь аппарат будет менять форму, в зависимости от режима полёта. И речь тут вовсе не о простом “механическом” изменении угла стреловидности крыла или о выпуске каких-нибудь щитков (как в существующих сейчас схемах). Нет.

В перспективных системах будет плавно, в разных масштабах, меняться множество составляющих формы ЛА, от профиля крыла до длины аппарата. Работы в этом направлении ведутся уже давно. Началось всё с разработки крыльев с адаптивным профилем. Например, NASA облетало экспериментальный F-111 с таким крылом ещё в начале 80-х годов прошлого века:

(Фото: NASA)

Эффективный полёт в атмосфере требует разной аэродинамики от аппарата в зависимости от скорости полёта, в зависимости от режима полёта. При относительно нешироком диапазоне скоростей полёта можно отыскать какую-то одну форму, которая будет приемлемой “в среднем” на нужных режимах полёта. Да и то уже при пересечении границы скорости звука потребовались весьма серьёзные научно-технические ухищрения, чтобы найти подходящую “статическую” схему, пригодную для хорошего дозвукового полёта и для удовлетворительного сверхзвукового. Хороший пример: современные сверхзвуковые истребители. Показательно, что в случае с этими истребителями определяющую роль в расширении допустимых “режимов эксплуатации” всё равно играет механизация крыла и прочие, – по сути, “адаптивные” – механизмы, изменяющие аэродинамические характеристики в процессе полёта:

(F/A-18 Super Hornet; Фото: US Navy Photo)

Если же требуется расширить диапазон скоростей до гиперзвуковых, то ограничиться “статичной формой” с механизацией не получится. Да и на рядовых скоростях действительно адаптивные системы окажутся лучше.

Одна из хитростей тут в том, что, например, гиперзвуковой аппарат с воздушно-реактивным двигателем должен иметь аэродинамическую схему, где все элементы плотно интегрированы с двигателем (тому есть множество причин). С другой стороны, гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель не сможет работать при небольших скоростях полёта. Если, конечно, воздухозаборник этого двигателя не подвергнется “трансформации”, а сам двигатель одновременно не получит работающий компрессор.

Понятно, что плотно интегрированный с таким двигателем планер должен будет и сам существенно измениться – адаптироваться к новому режиму полёта. Никаким примитивным “выпуском закрылков” и перемещением консолей крыла необходимой адаптации не добиться.

Поэтому перспективные аппараты будут использовать эластичную внешнюю обшивку, а “силовые каркасы” внутри этой обшивки будут приспособлены для плавного изменения собственной геометрии (изменения будут сложными и в широком диапазоне, но развитие компьютерной техники и математики позволяет конструкцию посчитать уже сейчас).

Первые шаги (минимальные, но зато – практические) в этом направлении уже сделаны. Например, сейчас предлагают адаптивные профили для крыльев. На видео (ссылка под картинкой ниже) можно наблюдать работу такого крыла. Это 2003-й год, вполне реальная разработка FlexSys Inc (развитие её, вроде бы, планируют использовать на истребителях; возможно на F-16).

(FlexSys Inc)

Итак, перспективный аппарат сможет не просто “сложить крыло”, переломив консоли по разрезам в двух местах. Напротив, в рамках плавного и гладкого (можно так сказать?) изменения собственной формы, летательный аппарат сможет перепрофилировать воздухозаборники, “вытянуть” сопло двигателя, выставить в набегающий поток турбину компрессора и продолжить полёт уже на дозвуковой скорости, “сбросив 6-7 Махов”. Правда, придётся подождать лет тридцать.

Как известно, “Википедию” использовали для рассаживания по компьютерам доверчивых читателей энциклопедии троянских программ (через публикацию ссылки на поддельные “антивирусы” в подходящих статьях).

Теперь “Википедии” нашлось новое применение: как пишут в блоге Security Fix, хакеры использовали механизм приёма пожертвований “Викимедиа” (головной организации, выпускающей “Википедию”) для автоматической проверки валидности украденных реквизитов банковских карт.

То есть, на счета “Викимедиа” с использованием украденных реквизитов делалось тестовое “пожертвование” с минимальной суммой (пишут, что буквально “один цент”, правда, не ясно, как бы такая малая сумма обрабатывалась). Если пожертвование успешно проходило, то, вероятно, реквизиты признавались действующими и пускались в настоящее дело.

Обнаружили подозрительную активность по большому числу анонимных “миниплатежей”. Теперь, для борьбы с новым применением “Википедии”, сумму минимального допустимого пожертвования увеличат.

Между прочим, штатовские ударные беспилотники MQ-9 Reaper, которые приспособили для нанесения ударов с воздуха в Афганистане, управляются с военной базы в Неваде (США). То есть, беспилотники базируются и обслуживаются на аэродромах в Афганистане, там же, в Афганистане, они осуществляют боевые вылеты и уничтожают цели. А вот операторы, “воюющие” этими аппаратами, сидят со своими джойстиками, компьютерными мышами и мониторами в Неваде, за тысячи километров.

(US Air Force Photo)

При этом, уже несколько месяцев боевого использования беспилотников MQ-9 Reaper в Афганистане показали, что они вполне могут заменить пилотируемые живыми летчиками штурмовики A-10 и истребители F-15 при выполнении наиболее распространённых заданий (это патрулирование, воздушная разведка, поддержка операций наземных сил).