dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

Так как Япония не смогла получить F-22 Raptor на приемлемых условиях, то японцы задумали собственный истребитель пятого поколения, тоже, понятно, “Стелс”. Действующее название проекта – Shinshin (“Шин-шин”). В блоге на Aviation Week публикуют фото модели этого японского истребителя (связь модели с реальным самолётом не ясна ни капельки):

На самом деле, это совсем другой самолёт, а вовсе не копия F-22.

Как-то в блоге уже появлялась заметка про адаптивное будущее летательных аппаратов, касающееся и беспилотных систем. У перспективных военных беспилотников, которые заменят современные истребители и бомбардировщики, есть и другие особенности.

Например, в гипотетической схватке, где с одной стороны выступает человек, управляющий истребителем, а с другой – вооружённый беспилотник, у беспилотника есть целый ряд преимуществ.

Скажем, из-за того, что на борту беспилотника не нужно размещать средства обеспечения деятельности пилота (а это очень не маленький и по объёму, и по весу набор аппаратуры и механизмов – как минимум полтора кубических метра объёма и полтонны веса), при сравнимых размерах беспилотник можно лучше вооружить и сделать более тяговооружённым. (Электроника сейчас становится всё более компактной, так что гипотетический супермощный компьютер, обеспечивающий “думание” для беспилотника и, вроде бы, не нужный на борту истребителя, вовсе не займет много места.)

(Boeing Photo)

Летающий робот гораздо менее восприимчив к перегрузкам, а значит получает преимущество по маневрированию, так как может выполнять маневры с большей перегрузкой. При этом маневренные возможности беспилотника могут быть сопоставимы с такими же возможностями ракеты воздух-воздух (вот уж кто сумеет хорошо выполнить противоракетный маневр – так это беспилотник). То есть у истребителя, сколь бы хитрый и расторопный пилот им не управлял, будут проблемы со “средствами поражения”: рядовая ракета просто не сумеет “достать” маневрирующий беспилотник, а для поражения роботов потребуются специальные ракеты.

Казалось бы, беспилотный истребитель не сумеет применить какую-нибудь хитрость, по причине тупости компьютерных мозгов – это очень распространённый аргумент в пользу живого пилота на борту. Действительно, способность импровизировать в нестандартной ситуации навсегда останется привилегией человека. Но хитрость в том, что воздушный бой строго определяется физическими законами. Имея подробную модель и мощный вычислитель, можно просчитать допускаемые законами физики “позиции”, начиная с любого момента времени и на вполне определённую “глубину” вперёд.

Имея информацию о характеристиках летательного аппарата противника, о его положении в пространстве и о векторе скорости, не так сложно предсказать, что он может сделать в следующий момент. Грубо говоря, ведение боя становится подобным шахматной партии. А в шахматах тупой, но очень быстрый компьютер уже умеет преодолевать все хитрости и “неожиданные” ходы человека.

Вопрос: как же бороться с беспилотниками? Ответ: такими же беспилотниками, при условии, что генеральную линию их действий задаёт человек (из пункта управления), имеющий подробную информацию о текущем состоянии “схватки”.

Вчера французские ВВС потеряли первый Rafale. Истребитель разбился во время тренировочного полёта, пилот, вероятно, погиб.

Вот АРМС-ТАСС пишет:

ВВС Индии намерены модернизировать имеющийся парк многоцелевых истребителей Мираж-2000H (индийское обозначение “Ваджра”) до стандарта пятого поколения, сообщают индийские СМИ.

Дальше рассказывают, что планируется оснастить “Мираж” новым электронным оборудованием и навесить более современное вооружение (типа ракет “Питон-5”). А вот модернизировать планер и двигатели – не планируется.

Что тут можно сказать?

Во-первых, если понимать “пятое поколение” в сложившейся терминологии, то модернизировать до него никакой истребитель прошлого поколения не выйдет – самолёт нужно проектировать заново. Почему? Потому, что для пятого поколения нужен крейсерский сверхзвук+сверхманевренность (а это двигатель) и малая радиолокационная заметность, “Стелс” (а это новый планер, особенно если говорить о “Мираже 2000”).

(Mirage 2000-5 Mk2)

Во-вторых, модернизацией радиоэлектронного оборудования вполне можно достичь всех остальных характеристик “пятого поколения”. (Модернизация радиоэлектронного оборудования уже очень хорошо зарекомендовала себя на практике.) Например, одна только замена старой бортовой РЛС на современный радар с АФАР даёт удивительный рост возможностей истребителя. При этом, если ещё дополнить истребитель самыми современными ракетами, то и сверхманевренность оказывается не нужна. А если истребитель предназначен для ПВО собственной территории, а не для преодоления чужой ПВО, то и “Стелс” больше не является ключевым моментом.

Если продолжить рассуждения, то вот что получается: составить неплохую конкуренцию пятому поколению можно, оснастив истребители четвертого поколения самой современной радиоэлектроникой и вооружив их ракетами нового поколения. Особенно хороший результат выйдет, если в качестве платформы для модернизации использовать хорошо доведённые за три десятка лет образцы, типа Су-30. А от пятого поколения тогда можно отказаться. Но не просто так, а с прицелом на будущее, то есть с прицелом на беспилотники.

Всё равно “шестое поколение” будет беспилотным, а для разработки и проектирования ударных беспилотников нужно время и ресурсы. Эти ресурсы можно получить, перепрыгнув через пятое поколение истребителей. При этом особой пользы от каких-то специфических достижений пятого поколения при создании ударных беспилотников будущего ожидать не приходится. Потому что эти летающие роботы без живого пилота внутри – изделия иного порядка, они ближе к ракетам.

Пара фото на тему покидания самолёта:

(Defence Industry Daily)

(Martin Baker)

Известно, что военные самолёты, в особенности сверхзвуковые реактивные, расходуют много топлива. Поэтому постоянно ведущие множество операций ВВС США оказываются одним из ощутимых на государственном уровне потребителей продуктов переработки нефти – ведь современное реактивное топливо по большей части делают из нефти.

То есть если удачно лишить Штаты нефтяных вливаний, то может так оказаться (в теории, понятно), что тем Штатам будет не на чем отвоёвывать трубопровод обратно – оставшаяся без топлива авиация не сможет обеспечить переброску войск.

Понятно, что проблемой с зависимостью от внешних поставок нефти в Штатах давно озаботились. Сперва на словах, потом на деле, а теперь вот – опять на деле – испытывают синтетические топлива для реактивной авиации.

Топливо для сверхзвукового реактивного самолёта – это далеко не то же самое, что рапсовое масло, которое перегоняют в “биотопливо” для автомобильных дизелей (хотя самолётное топливо из рапсового масла возможно). Так что за горючим веществом кроется какая-то сложная химия, обеспечивающая нужные параметры горения. Одна из хитростей, кстати, в том, что нужно топливо, подходящее для двигателей, которые уже находятся в эксплуатации, ведь переоснащение всего воздушного флота на оптимизированный для “альтернативного топлива” двигатель – задача слишком дорогостоящая.

На днях, как пишет пресс-служба ВВС США, успешно провели наземные испытания реактивного двигателя F101 на смеси “альтернативных” синтетических топлив. F101 (двигатель с форсажной камерой) используется на стратегическом бомбардировщике B-1B Lancer, а это большой и жадный до “горючки” сверхзвуковой самолёт:

Теперь остаётся провести лётные испытания на новом топливе. Ранее “нефтенезависимое” топливо сертифицировали для B-52 Stratofortress.

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.

Что бы это значило? Фото:

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.

Известно, что вертолёты характеризуются (помимо прочего) используемой системой “стабилизации вращения” [или, если говорить более формально, системы компенсации реактивного (вращающего) момента от несущего винта]. Физические “законы сохранения” гарантируют, что если реактивный момент несущего винта никак не компенсировать, то корпус вертолёта во время полёта будет вращаться в направлении, обратном направлению вращения несущего винта.

Для компенсации “вредного момента” используют разные методы, определяющие схему вертолёта. Например, оснащают вертолёт дополнительным хвостовым (рулевым) винтом, – такая схема применяется на подавляющем большинстве современных вертолётов. Другой вариант: использование нескольких несущих винтов (традиционно используют два), компенсирующих вращающие моменты друг друга. Скажем, “изюминка” российских вертолётов Ка – два несущих винта, расположенных по соосной схеме.

Есть и относительно новая схема стабилизации вращения – NOTAR (от англ. No Tail Rotor), которая, несмотря на то что увековечена в фильмах о Джеймсе Бонде, в широких кругах известна мало.

Между тем, принцип действия NOTAR не сложен: часть потока воздуха от несущего винта через специальные воздухозаборники поступает в компрессор, расположенный ниже винта. Этот компрессор приводится в движение “основным двигателем” вертолёта и гонит поток воздуха через хвостовую балку к стабилизаторам и килям (см. иллюстрацию). В конце хвостовой балки находится специальная боковая щель и сопло. Вырывающийся через щель воздух создаёт реактивную тягу, компенсирующую вращающий момент. Сопло используется для управления “реактивным потоком”, что обеспечивает “руление” вертолётом.

Считается, что NOTAR надёжнее, безопаснее и тише. NOTAR применяется сейчас серийно только на вертолётах компании MD Helicopters.

АРМС-ТАСС пишет:

В ноябре будут объявлены результаты первого этапа повторно проводимого конкурса Минобороны РФ на создание двигателя пятого поколения для российского перспективного авиационного комплекса фронтовой авиации (ПАК ФА), также известного как истребитель 5-го поколения. Об этом на 10-м Международном аэрокосмическом салоне Дубай 2007 корр. АРМС-ТАСС сообщил генеральный директор Московского машиностроительного производственного предприятия (ММПП) “Салют” Юрий Елисеев.