dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

Если используемая для наблюдения за противником среда – общая, то ждите помех, потому что плох тот противник, который не помешает за собой наблюдать. (В соответствии с проведённым в ЖЖ опросом, первая заметка про помехопостановку.)

Помехи бывают самые разные. Например, из очень древних сказаний известно, что ещё до появления огнестрельного оружия противника пытались ослеплять блеском щитов. Впрочем, это, скорее всего, просто сказка (с намёком, понятное дело). А вот известные с давних времён дымовые завесы – однозначная быль, на практике служившая для создания эффективных помех визуальному обнаружению.

(На фото выше – постановка дымзавесы эсминцем, 1944-й год. Заметьте, что янки на корабле грамотно подготовились к отражению воздушной атаки, заняв все посты.)

Кстати, дымзавесы в той или иной форме применяются и сейчас, работая вовсе не только против “визуального обнаружения”. Но всё ж, самое бурно развитое направление – это постановка помех в радиоэфире, с помощью электромагнитного излучения. Почему? Потому что ключевые средства наблюдения/наведения сейчас радиолокационные, а эфир – заведомо общий, по законам природы.

Постановкой помех работе радиолокаторов занимаются специальные, очень хитрые, хорошо компьютеризированные устройства – помехопостановщики. Дело в том, что простой и широкий “шум в эфире” – это не слишком эффективное средство: во-первых, может мешать своим; во-вторых, может фильтроваться противником; в-третьих, по источнику такой помехи можно наводить ракету (что втройне неприятно); в-четвёртых, требуется много энергии; и т.д. Поэтому современные помехопостановщики действуют по сложным алгоритмам.

Например, помехопостановщик принимает зондирующие сигналы от радара противника и эти сигналы тщательно анализирует, разбирая на составляющие. Часто, по характеристикам принятого импульса (а лучше – нескольких импульсов), можно вычислить класс и назначение радара, действующий режим работы радара, а во многих случаях, когда под рукой есть подходящая база данных, можно определить тип и модель того изделия, на котором этот радар установлен. Определив максимум параметров радара противника, помехопостановщик принимается за сами помехи, подбирая их под тип атакуемого устройства.

Зондирующие импульсы современных радаров имеют непростое кодирование и сложную модуляцию. Сами радары, оснащённые быстрыми компьютерами, работают по сложным алгоритмам. Все эти сложности сделаны и для того, чтобы бороться с помехами. Со своей стороны, постановщики помех изобретают ещё более сложные алгоритмы, позволяющие ещё более быстрым компьютерам раскрывать сигнальные хитрости радаров и генерировать эффективные помехи. В сугубо теоретической области развитием этого противоборства управляет такая математическая дисциплина, как теория игр.

В сугубо практической области без оборудования помехопостановки не обходятся даже военно-транспортные самолёты, а подлететь, проявляя радарную активность, на разумное расстояние к, скажем, сколь-нибудь большой группе кораблей потенциального противника и не получить при этом облако, а вернее – тучу помех, не выйдет даже в мирное время. На фото: антенны станции РЭБ (радиоэлектронной борьбы) военного корабля:

(Фото: Raytheon)

Например, помеха радару системы наведения может быть поставлена таким способом: принятый и записанный помехопостановщиком зондирующий импульс локатора противника излучается обратно, в направлении этого локатора, спустя некоторое время. Импульс может возвращаться без изменений, но лучше, если его немного “подредактировали”. В теории, в зависисмости от момента времени и режима работы атакуемого радара, такая помеха может быть воспринята радаром как дополнительная цель или как единственная цель, вместо “действительной”.

Интересно, что при этом радар противника может совсем неверно вычислить координаты цели-помехи и они не будут совпадать с положением в пространстве помехопостановщика. Впрочем, ошибочные координаты как раз могут быть использованы для отстройки от помех (так сказать, “второй ход в игре”) – но это уже история за рамками нашей заметки.

Помехопостановщик может выдавать “ложные цели”, прятать настоящие цели (например, нарушая работу процедур определения дальности и азимута цели у радара противника), и, скажем, срывать сопровождение цели радиолокационной системой наведения (для этого, на основе анализа сигнала радара, генерируется сложная помеха, характеристики которой коррелируют с работой системы наведения противника). На практике, понятно, ситуация ещё сложнее, и уже много лет выигрывает тот, кто хитрее работает с помехами (не только ставит их, кстати).

Помехопостановщик может представлять собой отдельную, достаточно большую систему, расположенную на собственном шасси (если это сухопутный комплекс). Довольно мощные системы помехопостановки подвешиваются к истребителям в специальных контейнерах – такая система может работать вместе с локатором системы управления вооружением истребителя:

Для ведения радиоэлектронной борьбы готовятся и специализированные самолёты. Например, на базе истребителей: на фото ниже – EA-18 Growler ВМФ США, самолёт РЭБ, созданный на базе истребителя F/A-18 Super Hornet.

(Фото: Boeing Media)

Продолжение – в следующий раз.

Известно, что в американской системе GPS, для гражданского канала, ранее вводился обязательный “уводящий сигнал”, сильно затруднявший точное и быстрое определение координат. Делалось это для того, чтобы, например, враги США не могли использовать GPS для наведения высокоточного оружия или для точной глобальной синхронизации действий. Позже помеху убрали, но, понятно, при необходимости могут вернуть её обратно без предупреждения. (Военные приёмники GPS, используя дополнительную информацию, могут корректировать координаты и работать точно, даже при наличии помехи для других.) То есть, действительно, лучше использовать ГЛОНАСС, когда его развернут.

GPS (и системам спутниковой навигации вообще) можно ставить разные помехи, особенно эффективные в отношении гражданской версии – там и приёмники попроще, и кодирование сигнала менее стойкое. Это известно. И, конечно, известны методы защиты от примитивных наземных помех (типа “генератора-пищалки”). Мы сейчас о более интересном случае.

Потому что самая интересная помеха GPS – это активная помеха с орбиты. Действительно, если сторона, ставящая помехи, располагает подходящими спутниками в околоземном пространстве и хорошо знает сигнальные особенности “атакуемой системы”, то кто же помешает этой стороне запрограммировать пару-тройку своих спутников так, что они станут имитировать работу штатных спутников GPS? При этом помеху можно проецировать на разные регионы Земли независимо от других регионов. И приёмники GPS будут тихо сходить с ума.

Собственно, отчасти и по этой причине, никто, применительно к военным операциям, не отменяет старых и проверенных способов навигации – что бы там не писали журналисты широкой прессы.

(И, конечно, важен паритет в возможностях.)

Что-то довольно часто смешивают квантовый компьютер и квантовую криптографию – самым причудливым образом, особенно в этом преуспевают журналисты. Видимо, причина вот в чём: криптография в сознании обывателя теперь прочно привязана к компьютерам вообще (что, в общем, соответствует окружающей действительности), в этой канве и делаются “логические” привязки – неверные.

Между тем, квантовый компьютер – это гипотетическое устройство, которое может позволить выполнять некоторые “вычислительные” операции, используя, скажем так, “квантовые свойства материи”. Но, во-первых, в строгом смысле, квантовый компьютер ничего не вычисляет – вычисления на нём можно проводить лишь приведя некоторую задачу к физической модели, реализуемой в данном квантовом компьютере. (Сразу оговорюсь: только что приведённое описание ситуации – очень грубое.) А, во-вторых, практических квантовых компьютеров пока не создано. Например, про упражнения коммерческих компаний по созданию квантовых компьютеров я как-то писал в одной из колонок на “ИнфоБуме”.

Квантовая криптография – это метод создания канала связи, скрытное прослушивание которого “невозможно” (более строго: такое прослушивание будет обнаружено с очень высокой вероятностью). Квантовая криптография тоже использует “квантовые свойства материи”, но, вообще говоря, ничего не шифрует. А практическая польза квантовой криптографии состоит в том, что с её использованием можно организовать очень защищённый (законами квантовой механики) обмен ключами. После того как ключи, с помощью “квантовой криптографии”, распределены между сторонами, шифрование производится вполне традиционным образом. Реальные системы квантовой криптографии уже созданы.

Теоретически, квантовый компьютер может дать инструмент для быстрой факторизации больших чисел [факторизация – это нахождение разложения числа (целого, понятно) на простые множители]. Для этого придуман особый алгоритм Шора. На сложности задачи факторизации основаны распространённые сегодня криптосистемы с открытым ключом (например, RSA). Таким образом, – теоретически, опять же, – появление квантового компьютера достаточной “разрядности” ставит под угрозу практическую стойкость этих криптосистем. Впрочем, оценка этой угрозы очень туманна: может так статься, что раньше, чем появится квантовый компьютер, придумают очередной аналитический метод факторизации, быстро работающий на традиционных компьютерах (исследования этого направления в математике не затихают).

Квантовая криптография абсолютна надёжна тоже только в теории, потому что на стойкость практической системы сильно влияют возможные ошибки в практической реализации протокола и электронных схем. Зашифрованная с помощью распределённых по “квантовому каналу” ключей информация вполне может быть расшифрована криптоаналитиком, вооружённым традиционным компьютером – квантовый компьютер тут совсем не является необходимым.

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”.

Всё-таки довольно забавно начинает звучать текст, если автор называет псевдослучайные числа – случайными. Вот в “Компьютерре” статья, где как раз речь о псевдослучайных числах, но автор предпочитает уверенно называть их “случайные”. В статье пишут, например:

”
Скажем, генератор случайных чисел, встроенный в ОС Windows, автоматически используется во всех приложениях системы, связанных с защитой информации. И при этом конкретные алгоритмы генерации, используемые в Microsoft для данной цели, никогда открыто не публиковались[…]

…аналитики нашли уязвимость, позволяющую организовать атаку, эффективно отыскивающую предыдущие состояния генератора, а значит, и вычислять будущие числа на выходе.”

Вот такие случайные числа, генерируемые, тем не менее, “алгоритмом” и, тем не менее, вычисляемые на будущее аналитиками. По-моему, кошмар.

Как обстоит дело в реальности: в большинстве компьютерных приложений, о которых идёт речь, используются последовательности псевдослучайных чисел. Псевдослучайными они называются потому, что каждый следующий член последовательности вычисляется некоторым заранее известным способом. При этом хороший алгоритм генерации устроен таким образом, что последовательность (точнее, некоторый её фрагмент) обладает важными статистическими свойствами последовательностей случайных чисел. Вообще говоря, некоторый “участок” хорошей псевдослучайной последовательности может быть не отличим от действительно случайной.

Но при этом псевдослучайные числа очевидно не являются случайными, так как они зависят друг от друга, а впечатление случайности (ложное) возникает лишь от того, что аналитику не “виден” механизм генерации. Тем не менее, криптоанализ псевдослучайных последовательностей может принести полезные результаты, а в самих алгоритмах генерации известны уязвимости.

Таким образом, если криптосистема существенным образом использует тот или иной алгоритм генерации псевдослучайных чисел, то стойкость этой криптосистемы оказывается завязана на стойкость “псевдослучайного” алгоритма. Например, сам шифр может быть очень стойким, но если для генерации ключей шифра использован нестойкий алгоритм, то стойкость самого шифра, понятно, уже не имеет значения.

Эта особенность, конечно, давно известна, поэтому для получения более стойких “случайных” последовательностей используются другие методы. На практике они привязаны к некоторым физическим процессам, происходящим в окружающем мире. Например, в качестве источника для получения последовательности чисел используется тепловой шум в электронных устройствах. Этот тепловой шум, несомненно, более близок к случайному процессу. Тем не менее, только близок, а в строгом смысле этот процесс тоже не является случайным.

Дело в том, что зная в подробностях физическое состояние “шумящего” устройства на момент начала генерации последовательности, аналитик, построив математическую модель устройства генерации (физические законы, определяющие тепловой шум, хорошо известны, и всё сводится к мощности вычислителя), может либо определить все члены последовательности в точности, либо сильно сузить область перебора. При этом, если в устройстве генератора допущена ошибка, задача аналитика резко упрощается (почему это так, мы в другой раз обсудим). По этой причине источники “случайности”, подобные только что описанному, называют детерминированными, то есть, по большому счёту, генерируемые ими числа тоже являются псевдослучайными.

С генерацией же действительно случайных чисел, совершенно непредсказуемых (по современным представлениям), имеются большие проблемы. Однако и такие генераторы сейчас существуют, они основаны на квантовых физических процессах. Например, генератор действительно случайных чисел может быть построен на основе регистрации радиоактивного распада – этот процесс совершенно непредсказуем.

Ссылка по теме: моя колонка про случайные числа на “Информационном буме”.

В блоге на Aviation Week пишут, что шведские разработчики, в лице Saab Microwave Systems, готовы предложить на рынок РЛС для обнаружения малозаметных целей (тех, которые “Стелс”). Речь там идёт о “разнесённой радиолокации”, при этом идею почему-то представляют как новую, хотя именно идея-то вовсе не нова, да и практические реализации имеются. В общем, как раз повод для очередной заметки о радарных хитростях.

Суть шведского предложения: система использует разнесённые в пространстве передатчики и приёмники, действующие согласованно. Один из ключевых аспектов современных технологий “Стелс” вот в чём: форма малозаметного для радаров объекта выбирается таким образом, что падающие на него радиоволны в основном отражаются не в сторону источника, а куда-нибудь в другую сторону. То есть если воздушный радар облучает летящий истребитель “Стелс” “со стороны носа” (с передней полусферы), то обратно к радару от истребителя возвращается минимум излучённой энергии. При этом энергия, пришедшая от радара, конструкцией истребителя полность не поглощается (с поглощением достаточно длинных волн – в сантиметры, – вообще возникают существенные трудности), а отражается в другом направлении, например вниз, к земле. Кроме того, в определенных направлениях возникают “тени”, то есть, самолёт как бы загораживает луч передатчика. Эту тень также можно использовать для обнаружения цели.

(U.S. Air Force Photo)

Теперь представим, что мы облучаем истребитель “Стелс” “со стороны носа”, но при этом принимаем отражённый сигнал вовсе не там, где передатчик, а другим приёмником, расположенным на земле, как раз в том месте, куда от “Стелса” отражаются радиоволны, излучаемые нашим радаром. Понятно, что если в поле излучения передатчика никакого “Стелса” нет, то импульсы будут “улетать” далеко, в направлении ионосферы, и к нашему наземному приёмнику могут и вовсе не вернуться. Но вот если “невидимый” истребитель попал в поле действия системы, то приёмник тут же начнёт получать отражённый сигнал.

Теперь предположим, что таких приёмников у нас много, они работают вместе с несколькими передатчиками, всё хозяйство объединено в вычислительную сеть, а сигналы передатчиков кодируются так, что приёмник может определить, импульс какого передатчика он принимает (это всё давно известно как реализовать). Так как система в целом знает местоположение передатчиков и приёмников и знает, когда какой импульс излучался, то по распределению во времени и пространстве отражённых сигналов можно вычислить координаты “невидимой” цели.

Да, точность такой системы, вообще говоря, будет хуже, чем в “традиционном случае”, но всё равно можно добиться практически важной точности определения координат цели (до десятков метров).

(Lockheed Martin)

Вот, собственно, если верить исходному сообщению, такая система и предлагается Saab. Важная хитрость в том, что цена для такой РЛС названа очень небольшая – всего лишь полторы сотни миллионов долларов. На первый взгляд – много, но надо учитывать, что столько же стоит один F-22 Raptor, а каждый бомбардировщик “Стелс” B-2 Spirit обошёлся более чем в миллиард долларов.

Да, а идея радиолокации с разнесёнными в пространстве приёмником и передатчиком, мягко говоря, не нова. Из актуальных и реализованных сейчас в разных системах практических применений можно назвать вот какие:

Например, бортовые РЛС истребителей могут подсвечивать цель для, например, наведения ракеты. В этом случае облучает цель передатчик РЛС истребителя (он более мощный), а приёмник РЛС головки наведения ракеты принимает отражённые от цели сигналы и наводится по ним. Выгоды: ракету можно запускать с большей дальности; ракета некоторое время работает в пассивном режиме, не раскрывая, так сказать, своё присутствие.

Другой вариант: в группе согласованно действующих истребителей цель подсвечивает один, а наводится (атакует) по отражённым сигналам – другой. В этом случае атакующий истребитель также, можно сказать, до последнего момента не раскрывает своих намерений.

Ну и понятно, что можно подсвечивать цель с земли. И, наверное, очевидно, что во всех только что описанных случаях действующие в группе летательные аппараты должны обмениваться информацией между собой.

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.

Не так давно мы взглянули подробнее на АФАР (активную фазированную антенную решётку). В той заметке упоминается, что ФАР вообще (АФАР – в частности) может иметь разную форму, а чтобы получить нужную диаграмму направленности (то есть чувствительность антенны по разным направлениям) вовсе не обязательно “изгибать” саму антенну, достаточно уметь управлять фазами сигналов. Если говорить точнее и о приёме сигнала, то достаточно получать “синхронную” информацию о фазе сигнала на некотором наборе элементов антенны – это позволит позже, при обработке сигнала, как бы придать антенне нужную форму, сформировав подходящую диаграмму. Антенна при этом не обязательно должна быть плоской, или, скажем, параболической.

В этой особенности есть немало пользы. Одна из них вот в чём: для получения хорошей точности работы РЛС по некоторым параметрам (например, по угловым разрешениям) просто необходима “большая антенна”. Точнее, большая апертура антенны, то есть, грубо говоря, если используется круглая ФАР, то она должна иметь большой диаметр. Между тем, уместить огромный диск антенны на небольшой самолёт (например, истребитель) малореально. Особенно если вспомнить, что эта антенна должна смотреть вперёд.

Оказывается, использование АФАР (и, в принципе, ФАР, – правда, тут будет больше технологических сложностей) позволяет побороть эту трудность. Например, элементы АФАР можно расположить вдоль передней кромки крыла. Размах крыла современного истребителя обычно составляет 10-15 метров, что создаёт большой простор для апертуры антенны.

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.

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.