dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

Спрашивали, что же это за “плоские” антенны в авиационных РЛС. Вот пример, на фото:

(Фото: Raytheon)

Это антенна от радара AN/APG-63 (старый радар) на F-15, вид с обратной стороны. Хорошо заметно переплетение волноводов. Проектирование конфигурации и разводки этих волноводов – самая сложная радиофизическая задача, связанная с изготовлением таких антенн.

Развитием “Стелс” является большее приближение к полной невидимости. Сейчас то, что можно очень близко подобраться к технологии создания невидимости для сенсоров, использующих электромагнитные поля, показано только теоретически. Попутно изучается и другой весьма актуальный вопрос – невидимость акустическая. То есть методы прикрытия материальных объектов от обнаружения с помощью различных звуковых колебаний. Важно для подводных лодок, о чём я уже как-то писал.

(Рисунок: Edward L. Cooper)

Так вот, у технологий акустической “невидимости” есть фундаментальные отличия от “невидимости” электромагнитной, одно из самых важных – скорость звука. Дело в том, что даже в воде звук распространяется очень медленно, если сравнивать со скоростью света. Так, скорость звука в воде – около 1500 м/сек (в воздухе – около 330 м/сек), что, понятно, на много порядков меньше скорости света. Почему это так важно? Потому, что позволяет использовать активные методы создания акустической невидимости для крупных подводных объектов.

Хитрость в том, что за время, пока звук распространяется на расстояния порядка десятков метров (миллисекунды), с помощью современной быстрой микроэлектроники можно многое посчитать и вычислить. Вычисления потребуются для того, чтобы на основе данных, полученных сенсорами, сгенерировать данные для акустических излучателей, которые и будут активным образом маскировать наш объект. Другими словами, цель состоит в том, чтобы, приняв отражённые “от ландшафта” зондирующие импульсы противника сенсорами “на одном борту”, быстро вычислить параметры “дополнительного звука”, генерация которого “передатчиками” на другом борту даст акустическую картину, аналогичную “пустому пространству” – будто тут и не плавает никто.

При этом если для акустики подобная вычислительная задача выглядит разрешимой хотя бы в теории, то в случае электромагнитного излучения ничего не выйдет: понятно, что времени на вычисления не хватит так или иначе.

F-22 – первый истребитель пятого поколения, массово поступивший на вооружение (ну, если отбросить неясности вокруг определения пятого поколения).

Так как F-22 – массовый и, возможно, сами Штаты их закупят несколько сотен, то всё чаще слышно о “противостоянии F-22”. Обычно в виде хорошо заученных журналистских штампов: “Этот новый истребитель, по мнению специалистов, даже сможет противостоять F-22…”. Что реально имели в виду журналисты, выдавшие штамп, не понятно, потому что сам штамп – ни о чём.

Что тут нужно сказать? Вот был такой германский реактивный истребитель Второй Мировой – Me 262. Очевидно, что реактивный истребитель, на фоне поршневых, – действительно новое поколение. Сыграл ли Me 262 (серийно выпускавшийся многими сотнями и воевавший в небе над Германией) сколь-нибудь ключевую роль в развитии боевых действий в воздухе? Нет. Так, удивлял пилотов – не более того.

Кто противостоял Me 262? Добротные, можно сказать доведённые до совершенства, поршневые истребители (советские, штатовские, британские) и сами поршневые же бомбардировщики, на которые Me 262 пытались нападать (иногда успешно, надо сказать). При этом тактика применения поршневых истребителей для уничтожения самолётов противника была очень хорошо отработана, а соответствующей тактики для реактивных машин – не было (“поршневая”, как быстро выяснилось, не подходила).

Современная ситуация такова, что истребители не воюют по одиночке. И важна тактика групп истребителей, дающая существенные преимущества, достичь которых хоть бы каким усовершенствованием отдельной машины – просто невозможно (см. “обосновывающую” заметку с пояснениями по теме группы истребителей). Принципиально ли нужен какой-то новый истребитель “для противостояния F-22”? Вовсе нет. (Точно так же для борьбы с Me 262 советской армии не требовались немедленно и принципиально реактивные самолёты.) F-22, хоть и “пятого поколения”, но противостоять ему могут и, скажем, МиГ-21.

Странно? Нет. Просто вопрос в том, в выполнении каких задач будет заключаться “противостояние”, в тактике, в количестве самолётов, в выучке пилотов. Но, конечно, ключевую роль играют бортовое радиоэлектронное оборудование и вооружение. Старые, в смысле “аэродинамики”, истребители должны иметь современные радары и системы связи (а подобные апгрейды вполне доступны), а вооружить их потребуется современными ракетами.

Да, F-22 – малозаметный (в радиолокационном, понятно, смысле) самолёт. Но именно “Стелс” требует, чтобы этот истребитель нёс вооружение во внутреннем контейнере, тем самым существенно ограничивая число (и тип) ракет, которые может использовать F-22. (Понятно, что там есть и возможность внешней подвески, но в таком случае главное преимущество – “Стелс” – исчезает.) То есть F-22 должен атаковать наверняка, так как для “повторных стрельб” просто не хватит ракет. Таким образом, как ни странно, опять же частично нивелируется преимущество малой заметности: нужно подходить к цели ближе и быстрее, а при этом растёт вероятность, что противник таки обнаружит “невидимку”.

В вероятном сценарии “противостояния” одна из сторон, та, которая со старыми истребителями, обороняет собственное воздушное пространство. При этом обнаруживать вражеские “Стелс” пятого поколения и наводить на них группы истребителей помогают различные наземные системы ПВО. В свою очередь, эти группы истребителей, оснащённые современными бортовыми ЭВМ, используют согласованные действия, улучшающие точность целеуказания – тут поможет и разнесённая (бистатическая) радиолокация, и пассивные методы. Главное – чтобы численность истребителей ПВО превосходила численность атакующих сил “пятого поколения”.

Современные сверхскоростные ракеты “воздух-воздух” большой дальности (а такие уже есть) вынудят атакующие силы F-22 оперативно поворачивать “на отступление” сразу же после того, как пуск ракеты будет обнаружен (потому что в “единоборство с ракетой” истребители вступают только в кино; на практике, при бое на дальних дистанциях, куда полезнее просто быстро выйти из “дальности действия”). При этом ракете, вообще-то, не так уж и важно, стартует ли она с суперсовременного истребителя или со столь же быстрого, но старого.

А для того, чтобы ещё больше ухудшить ситуацию F-22, ракеты лучше сразу выпускать большим числом, при этом одновременно используя ракеты с разными головками самонаведения (драпающий истребитель, кстати, очень хорошо “светит” реактивным соплом, даже если это сопло двигателя пятого поколения). Да, ракеты должны быть современными, и они должны быть в достатке. Но ракета – не новый истребитель. (Новый ведь со старыми ракетами вообще – просто бесполезен.)

А если вы думаете, что F-22 будут активно ввязываться в ближний маневренный бой, “скрытно подкрадываясь”, то вы ошибаетесь: наземные радары подскажут находящимся в воздухе истребителям, где крадутся представители “пятого поколения”. Правда, нужна хорошая эшелонированная наземная ПВО и системы связи, это да. Ну а кроме того, ближний бой на F-22 – это, опять же, из кинематографа. Да и “Стелс” в ближнем бою не помогает, а “ракетомест” на борту F-22 маловато, поэтому ещё на аэродроме придётся выбирать между ракетами: брать “для ближнего боя” или нормальные.

Впрочем, для применения F-22, в соответствии с опытом, будет разработана какая-нибудь своя тактика. Наверное, учитывающая и грамотное противостояние “старых истребителей”. Но вот только со штампом про “суперновые” истребители, которые “даже смогут противостоять…” это совсем не связано.

Конечно, всё вышесказанное не означает, что не нужно разрабатывать новые истребители. Речь лишь о том, что “противостояние” – сложная проблема, измерять “по противостоянию” – не верно, а организовать противостояние можно и на базе старых истребителей.

Военные роботы наступают. В смысле, их становится всё больше. Кстати, есть такое распространённое и совершенно не верное мнение, что с роботами на поле боя можно будет “волшебным образом” бороться с помощью мощных электромагнитных импульсов. Дескать, можно легко нагенерировать таких импульсов, что они враз выведут из строя электронные “мозги” всех ползущих из-за реки вражеских роботов. Что тут можно сказать?

Да, микроэлектроника подвержена воздействию электромагнитных полей. Действительно, правильно подобрав поле, можно вывести чип из строя. Хитрость тут в том, что об этих “пагубных эффектах” давно знают. В деталях проблему изучают с 50-х годов прошлого века. И за это время, конечно, научились электронику защищать. Используют специально подготовленные микросхемы, правильно выбранные полупроводники, экранирование, резервирование элементов и другие меры.

Это может показаться несколько неожиданным, но передовые достижения в защите электроники от разнообразных жёстких излучений и иже с ними – они на практике опробованы на космических аппаратах, которые в дальнем космосе испытывают достаточно серьёзные электромагнитные воздействия. Заметьте, аппараты при этом летают и работают десятилетиями. Но, конечно, космос – это одно, а наземная военная техника – несколько другое.

Но и тут возникает довольно интересный момент: оружие, эффективно и с достаточно большого расстояния выводящее из строя сложную электронику электромагнитным импульсом, оно очень востребовано уже сейчас, не нужно дожидаться роботов. Автономные роботы строятся на той же элементной базе, которая уже используется в военной технике, например в зенитно-ракетных комплексах, истребителях, вертолётах, танках и т.п. (Развитие роботов происходит в области прикладной математики, а не элементной базы.) Вот.

Очевидно, что если можно было бы легко вывести из строя “импульсом” электронные “мозги” уже только комплексов ПВО, то эти комплексы, видимо, вообще не появились бы на поле боя. Это логично. Потому что никто же не выпускает танки с картонной бронёй только по той причине, что картон из вторсырья – это очень дешёвый материал. Правильно?

Так что методы защиты электроники есть. Военная элементная база давно сертифицируется по “электромагнитной устойчивости”. Роботы будут защищены и устойчивы, не нужно беспокоиться. Более того, необитаемые роботы могут быть сделаны более стойкими к электромагнитным атакам, так как люди “на борту”, к сожалению, также подвержены воздействию “болезнетворных полей” и не смогут долго работать в “условиях СВЧ-печи”.

Вышесказанное, конечно, не отменяет существования и востребованности электромагнитного “импульсного оружия”. Просто, такие системы не являются панацеей от роботов.

Одной из проблем у эсхатологов, подготовившихся и переживших конец технократической Цивилизации, будет связь. В прошлой записке мы выяснили, что эсхатологи могут успешно воспользоваться низкотехнологичной электросвязью по проводам. В комментариях к той записке читатель sashket справедливо заметил, что ведь можно же использовать радиосвязь. И действительно, на первый взгляд “беспроводной телеграф” кажется более высокотехнологичным средством связи, однако если верно подойти к вопросу, то можно провести удачную “редукцию технологии”.

Эсхатологам следует использовать прежде всего портативные радиостанции (скорее – персональные, умещающиеся в карман), работающие в том или ином “гражданском” диапазоне частот. Впрочем, понятно, что после конца цивилизации вряд ли будет какой-то контроль эфира. Тем не менее, сейчас проще всего приобрести именно те радиостанции, которые настроены в соответствии с действующими правилами, – а потом будет всё равно. Понятно, что внутри любая радиостанция устроена сложнее элементарного проводного телефона. Как же проводить “редукцию технологии”?

Вот как. Эсхатологи должны закупить не самые дорогие, но и не слишком простые и дешёвые радиостанции, выбирая прочное, защищённое, надежное изделие. Радиостанции, предназначенные для использования охотниками (например) или службами охраны, годятся для эксплуатации вне помещения и могут исправно служить годами. Внимание, долгожданная редукция: нужно закупить много радиостанций, выделить из них запасные и грамотно законсервировать их. Грамотно законсервированная радиостанция может храниться много лет. По мере выхода из строя радиостанции заменяются целиком. С учётом нынешней дешевизны подобных электронных устройств, создание “пула замен” не потребует каких-то астрономических сумм в оплату.

Основное внимание при хранении – аккумуляторам: их сохранять сложнее всего. Можно рассмотреть вопрос с покупкой дополнительных аккумуляторов, с тем, чтобы позднее, когда ёмкость аккумуляторов упадёт (в результате хранения или по каким другим причинам), просто дополнительно подключить несколько параллельно. (Про низкотехнологичные аккумуляторы – как-нибудь позже, в другой заметке.)

Вопрос с электричеством мы рассмотрели ранее. Есть много способов его получения в автономном хозяйстве эпохи “после Конца”. А для зарядки аккумулятора радиостанции подойдёт и какой-нибудь механический генератор-трещётка (или с приводом от велотренажёра).

Интересно, что радиосвязь может решить проблему коммуникации между удалёнными друг от друга на значительные расстояния (сотни и тысячи километров) автономными хозяйствами. Правда, тут уже потребуется мощная коротковолновая (или даже средневолновая) радиостанция и человек, имеющий хотя бы базовые знания о том, как с подобным оборудованием управляться. Более того, пока Цивилизация существует, получение разрешения на эксплуатацию подобной радиостанции – дело очень и очень непростое. Так что это уже совсем другая история.

Эсхатологи, намеренные пережить конец технократической Цивилизации с помощью автономного хозяйства, очень незаслуженно забывают о важнейшем элементе – о связи на расстоянии. На первый взгляд может показаться, что в автономном хозяйстве система связи не нужна – на то оно и автономное, что связываться не с кем. Но это не так.

Во-первых, полезна и внутренняя связь для хозяйства (интерком): например, с кукурузного поля можно оповещать тех, кто находится в доме, о вторжении каких-нибудь опасных хищных животных; ну или обед заказать. Во-вторых, связь незаменима для нескольких дружественных хозяйств, существующих неподалёку.

Цивилизация тысячи лет работала над технологиями связи. Среди более-менее современных есть и низкотехнологичные, вполне пригодные для самостоятельного использования неспециалистами. Самая актуальная из них – простой телефон по проводам. Вообще, телефоноподобное переговорное устройство можно сделать даже из двух консервных банок и прочной лески. Но лучших результатов позволит добиться электрическая система. Раньше мы уже разобрались, что у автономного хозяйства есть разные способы получения электричества: например, годятся солнечные батареи и ветер. Так что проблема с источником электричества – это и не проблема вовсе. Нужно только согласовать напряжение и запастись портативными аккумуляторами и зарядным устройством.

Простая телефония возможна по двум проводам. То есть эсхатологам нужно запасти (или позже собрать на обломках цивилизации) подходящий провод большой длины. Пока цивилизация существует, провода доступны и стоят недорого. Понятно, что линии связи придётся наводить по улице и, скорее всего, просто протягивая провода по земле, но в этом нет никаких супертехнологий: нужно лишь правильно выбрать кабель и катушку для него.

Переговорные устройства, работающие по паре проводов, сейчас можно приобрести даже в магазине игрушек, по бросовой цене. Впрочем, игрушка вряд ли подойдёт для серьёзной эксплуатации с проводами большой длины. Поэтому эсхатологам придётся приобрести переговорную часть телефонной системы в том или ином радиомагазине, попутно прихватив мешочек запчастей, популярную книжку-инструкцию и паяльник. В дальнейшем ремонт телефонной системы сведётся к замене вышедших из строя элементов переговорных устройств (которые могут быть столь просты, что заменить детали можно просто “по аналогии” – не забывайте, что проводная телефония была известна задолго до появления микроэлектроники), а также потребуется восстанавливать обрывы проводов, конечно.

Итак, эсхатологи получают в своё распоряжение простую, низкотехнологичную систему для связи на расстоянии в несколько километров. Это очень полезно. Почему готовящие автономные хозяйства упускают связь из спектра своих проектов – не ясно.

Как известно, в основе радиолокации – приём отраженного радиосигнала. Одно из самых распространённых решений работает, принимая сигналы, отражённые целью, то есть тем объектом, который и требуется с помощью РЛС наблюдать.

Но есть и “обратные” решения. Здесь радиолокационная станция обнаруживает цели на основе анализа сигнала, отражённого “подстилающей поверхностью” (это один из вариантов). Например, такой метод годится для обнаружения и сопровождения наземных или низколетящих целей. Хитрость в том, что излучённый передатчиком РЛС сигнал, понятно, отражается не только от неких “целей”, но и от поверхности земли (или воды). При этом картина отражения будет меняться, если в цепочке “передатчик-поверхность-приёмник” на пути сигнала окажется какой-то “материальный объект”. Анализ этих изменений и позволяет обнаруживать цели на “фоне поверхности”.

Интересно, что если “объект наблюдения” выполнен по технологии “Стелс” и, скажем, вообще полностью поглощает падающее излучение передатчика РЛС (или полностью отражает его в других направлениях, не к передатчику), то увидеть такой объект возможно по “тени”, которую он обязательно будет создавать. Ведь не окажись на пути сигнала этого “Стелса”, приёмник получил бы эхо от поверхности.

Правда, для использования такого метода нужно выбрать подходящий ракурс обзора (антенну придётся расположить высоко) и верную длину волны.

(Иллюстрация от NOAA к тексту отношения не имеет.)

Небольшое продолжение темы про троянские микросхемы. Напомню, что речь о “жучках” и “закладках” в микроэлектронных чипах. Новые технологии позволяют незатратно и незаметно встраивать в эти чипы, – например, в микропроцессоры, – довольно гибкие схемы, позволяющие позже реализовать практически произвольный тип атаки. Особую значимость ситуация приобретает в применении к военной электронике.

Проблемы, помимо затронутых в прошлой заметке по теме, тут вот какие: во-первых, сейчас мало кто делает все нужные микросхемы “самостоятельно” – это не только слишком дорого, но и большинство государств просто не имеет нужных технологий и производств. Поэтому часто микросхемы приходится закупать у “сторонних” поставщиков, которых сложно контролировать. (Понятно, что на применение такой техники в системах вооружений есть ограничения. Но не все их могут выполнять.)

Во-вторых, ситуация с микросхемами вовсе не такая, как с программным обеспечением. Опять же – всё завязано на производство. Если исходные коды программ можно тщательно исследовать (для этого есть специальные автоматизированные средства), а потом тиражировать уже проверенный код своими силами, то проверка десятка микросхем не гарантирует, что другие аналогичные чипы не содержат “закладок”. Ведь внести изменения в устройство микросхемы – не так уж и сложно.

Ну а самое интересное тут в том, что отличные возможности для атаки предлагает удачное сочетание программного обеспечения и аппаратурных “закладок”. Например, если для работы на вычислительной машине с “троянским процессором” внутри используется широкоизвестная операционная система с открытым кодом (скажем, Линукс), то предварительная настройка и уверенная последующая активация аппаратной атаки очень сильно упрощается. Дело в том, что проектирующему атаку инженеру будет заранее известно системное программное окружение (не зависящее от прикладной программы, специфичной для конкретной задачи), и именно под это окружение он сможет “заточить” логику функционирования троянского чипа.

Популярная тема – атаки на компьютерное оборудование, использующие уровень аппаратуры. Особенно интересны тут троянские системы: есть хорошая статья Samuel T. King, et al про специальный процессор, позволяющий реализовывать произвольные атаки на той системе, где этот процессор установлен (там рассматривают ПК под управлением Linux, к которому подключаются через ЛВС). Вообще, проблема очень актуальна для систем вооружений.

О чём идёт речь? Допустим, микроэлектронные компоненты для бортовой системы закупаются на более-менее открытом рынке, у обычных поставщиков. Это дешевле, и с разработкой проще. Понятно, что в этом случае поступающая аппаратура может содержать в себе “жучки” и “закладки”, сделанные, так сказать, конкурентами, желающими в том или ином подходящем случае сохранить за собой возможность отключить управляющее оборудование.

Обнаружить подобные “жучки” весьма сложно. Особенно если они сделаны грамотно – а тут важно то, что сразу же дающие сбои комплектующие просто не имеют шанса попасть “на борт”. В принципе, с помощью дорогостоящих процедур можно исследовать внутренности закупленных микросхем. Но, во-первых, исследуемую микросхему, скорее всего, придётся разрушить (потому что неразрушающие методы, если они и есть, обойдутся ещё дороже). Во-вторых, довольно сложно разобраться с логикой работы и назначением тех или иных составляющих сложной интегральной микросхемы, содержащей миллионы базовых элементов (при этом внести нужные изменения на стороне производителя – многим проще).

Как можно использовать “закладки”? Разными способами, выбор тут зависит от конкретной задачи. В теории, устройство может просто отключаться по специальному “радиосигналу”. Правда, приёмник не так просто сделать незаметным. Удобнее логическая схема управления: например, процессор останавливается, наткнувшись на особую (достаточно длинную, а поэтому не встречающуюся в “штатных программах”) цепочку значений байтов памяти. Понятно, что никакое программное обеспечение не может противодействовать атаке на уровне аппаратуры. И также понятно, что ракета (или комплекс ПВО) с “зависшей” системой управления вряд ли будет представлять какую-то опасность.

Остаётся один важный вопрос: как отправить на борт военной системы противника нужную команду? Тут поможет тщательное изучение алгоритмов работы системы (это задача разведки; в принципе, экспортные системы можно просто закупить, напрямую или через подставные фирмы). Изучив алгоритмы, можно вычислить те внешние условия, при наступлении которых атакуемая система сама разместит нужную последовательность в памяти. (Например, в упомянутой в начале заметки статье, ключевая последовательность передаётся в составе сетевого пакета данных: операционная система атакуемой машины так устроена, что должна прочитать пакет для того, чтобы выяснить, нужно ли его обрабатывать. Понятно, что уже во время чтения ключевая последовательность из пакета попадёт в процессор и сделает своё дело, вне зависимости от того, “хочет” этого операционная система или нет.)

В случае с комплексом ПВО можно себе представить специальный помехопостановщик, передающий такие помехи РЛС, обработка которых бортовой вычислительной машиной как раз и приводит к появлению в памяти последней ключевой последовательности, отключающей процессор. Понятно, что отстройка от помех потребует обработки каких-то параметров этих помех ЭВМ.

Схема выглядит хитро, но вполне себе реальна (можно даже показать почему, используя, скажем, тот факт, что во многих системах слежения традиционно применяются широкоизвестные алгоритмы фильтрации и т.п). Вот поэтому для производства действительно защищённой техники требуются собственные микроэлектронные заводы.

BAE Systems обещают помехоустойчивый GPS-приёмник. Причём новинка будет как в виде отдельного устройства, так и в виде обновления для уже используемых навигационных систем.

Как пишут, новый приёмник не подвержен влиянию даже нескольких источников помех одновременно. Судя по всему, речь о простых, “кустарных”, источниках помех, типа узкополосного “генератора-пищалки” на несущей частоте GPS. В принципе, понятно, что военные GPS-навигаторы, обладающие подобной помехозащищённостью, существуют давно. Новинка, наверное, нацелена на рынок общего пользования.

Радиосвязь – необходимая штука, позволяющая, например, координировать действия группы истребителей. Вместе с тем, всякий радиообмен может демаскировать его участников, особенно если речь идёт о малозаметных самолётах: ведь незаметный для радара истребитель выдаст своё положение, передав в эфир радиограмму. Или не выдаст?

Вообще говоря, проблема с демаскирующим эффектом радиосвязи известна очень давно и очень хорошо. Там, где нужно, с ней ведут борьбу разными методами.

Например, для перспективных авиационных систем связи подходит такой метод: по радиоканалу передаются цифровые данные (даже если это речь пилотов, то она оцифровывается), при этом в качестве несущих используются очень высокие частоты, что позволяет организовать достаточно “широкий” цифровой канал.

Приёмопередатчики используют современные антенны, например, АФАР, для того чтобы формировать узкие лучи, направленные в нужную сторону, снижая тем самым уровень заметности.

Радиообмен такие перспективные “бортовые радиостанции” производят довольно хитрым образом: данные передаются короткими импульсами, при этом и приёмник, и передатчик постоянно перескакивают с одного набора частот на другой по сложному алгоритму. Всё это сильно затрудняет и обнаружение факта радиообмена, и, что более важно, вычисление координат источника “радиопередачи”. Ну и помехозащищённость растёт, кончено.

(Кстати, для организации канала связи может использоваться даже бортовая РЛС с АФАР – правда, в этом случае речь скорее будет идти о связи с наземной станцией, зато можно быстро перегонять большие объёмы данных.)