Современный истребитель - радиоэлектронное оборудование и вооружение (Часть 1. бортовые РЛС)
Давно прошли те времена когда одни лишь лётно-тактические характеристики (ЛТХ) самолёта-истребителя определяли его боевую эффективность в воздушном бою. Уже в годы Второй мировой неотъемлемой частью оборудования истребителя стала бортовая радиостанция и коллиматорный (электронный) стрелковый прицел, появились радиолокационные ответчики "свой-чужой" и гироскопические автоматические стрелковые прицелы с оптическим дальномером. На ночных истребителях появились радиолокационные станции, радиовысотомеры, радионавигационные системы и системы слепой посадки. Дальше как говориться больше: автоматические гироскопические прицелы с радиодальномером, самолетные станции предупреждения об облучении, сменившие радиодальномеры на одноместных истребителях полноценные бортовые РЛС без которых невозможно было применение первых принятых на вооружение управляемых ракет "воздух-воздух", первые теплопеленгаторы, предтечи нынешних оптико-локационных систем (ОЛС) и т.п. и т.д. Сегодня можно с уверенностью сказать что именно параметры бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО), и конечно же работающего с ним в связке ракетного вооружения самолёта-истребителя, определяют степень его боевой эффективности (хотя и ЛТХ должны быть на уровне). Тему наиболее передовых технологий применяемых сегодня при создании радиоэлектронного оборудования и вооружения современного истребителя я и попытаюсь раскрыть.
Начать видимо стоит с бортовых радиолокационных станции (БРЛС). Ведь бортовая РЛС является одним из самых важных элементов радиоэлектронного оборудования современного истребителя. По видимому и в обозримом будущем они останутся основным средством обнаружения, сопровождения целей и наведения на них управляемого оружия. Конструктивно БРЛС состоит из нескольких съёмных блоков, расположенных в носовой части самолёта: передатчика, антенной системы, приёмника, процессора обработки данных, программируемого процессора сигналов, пультов и органов управления и индикации. Сегодня практически у всех бортовых РЛС антенная система представляет собой плоскую щелевую антенную решетку (ЩАР), антенну Кассегрена, пассивную или активную фазированную антенную решетку (ФАР).
Современными сегодня можно считать лишь БРЛС оснащенные антеннами с ФАР, обеспечивающими обзор воздушного пространства с помощью электронного, а не механического управления диаграммой направленности (ДН) антенны по углу места и азимуту. В настоящее время успешно конкурируют в БРЛС современных истребителей технологии пассивных фазированных антенных решёток (ПФАР) и активных антенных решёток (АФАР). Пассивная фазированная антенная решётка (англ. passive electronically scanned array, PESA) имет центральный радиочастотный источник, который через фазовращатели направляет энергию в излучающие элементы, расположенные в передней части антенны. Является предшественником активной ФАР, где каждый из излучающих элементов имеет свой источник. Не смотря на некоторые недостатки, а именно меньшую помехозащищенность) - обусловленную сложностью формирования провалов ("нулей") диаграммы направленности антенны на источник помехи за счёт одного лишь фазового управления ДН, сегодня ПФАР (прежде всего БРЛС "Ибрис" истребителя Су-35С) успешно конкурируют с АФАР, в которых используется амплитудно-фазовое управление ДН. Происходит это по той причине что при заданных массо-габаритных параметрах (весьма ограниченных для самолёта-истребителя) используя ПФАР сегодня можно получить бОльшую излучаемую мощность чем на современных АФАР.
Дело в том что все современные БРЛС с АФАР самолётов-истребителей в своих приёмо-передающих модулях (ППМ) используют усилители мощности выполненные на арсениде галлия (GaAs), и в сантиметровом диапазоне радиоволн (в котором работают БРЛС истребителей) "выходная мощность GaAs МИС (монолитных интегральных схем), по видимому, уже достигла предела (мощность порядка 10-20 Вт), связанного с ограничением максимальной площади кристалла (25-30 мм 2) при которой он (при толщине 50-100 мкм) становится предельно хрупким, и процент выхода годных при монтаже МИС резко падает. Дальнейшее наращивание энергетики связанно напрямую с успехами в отработке новых широкозонных полупроводниковых материалов, нитрида галлия (GaN) в первую очередь" (подробнее смотреть А.А. Коколов, М.В. Черкашин "Построение и характеристики СВЧ монолитных усилителей мощности на основе полупроводниковых материалов GaAs и GaN" 2011 г.) Именно по этому самый совершенный на сегодня образец БРЛС истребителя с ПФАР, БРЛС "Ирбис" самолёта Су-35С, использующая в передатчике цепочку из двух усилителей мощности на лампах бегущей волны, не только способна конкурировать с истребительными БРЛС с АФАР, но видимо превосходит по пиковой излучаемой мощности все серийные истребительные АФАР использующие GaAs технологию.
При этом стоит отметить что программы разработки ППМ для АФАР использующих GaN монолитные интегральные схемы (МИС) выполняются достаточно давно и уже достигли ряда успехов, но пока не в авиации:
"Наиболее широкие перспективы для GaN МИС открывает разработка нового поколения приемопередающих модулей (ППМ) для РЛС с АФАР. Они могут применяться как в мощных выходных каскадах ППМ, так и в приемной цепочке в качестве ограничителей и малошумящих усилителей. Высокая мощность, излучаемая каждым GaN-элементом АФАР, позволяет увеличить дальность обнаружения РЛС. При этом стоимость одного ватта излучаемой мощности может быть меньше, чем у ППМ на основе GaAs МИС. Число разрабатываемых и проходящих испытания РЛС с АФАР на GaN-модулях продолжает расти. Это и корабельная РЛС С-диапазона (компания Cassidian), и корабельная станция ПВО/ПРО AMDR-S (Raytheon), и трехмерная наземная станция обнаружения, идентификации и сопровождения С-диапазона 3DELRR, предназначенная для замены устаревшей TPS-75 (Raytheon по заказу ВВС США). Все указанные станции работают в относительно низкочастотных S- и C-диапазонах. Сообщений об использовании GaN-модулей в АФАР Х-диапазона пока не было." (подробнее И.Викулов "GaN-микросхемы претендуют на замену ЭВП Конкуренция обостряется" 2014 г.). И конечно же стоит отметить что уже есть наземные БРЛС с АФАР использующие GaN технологию, достигшие стадии серийного производства:
James Morra "GaN-Based AESA Radars Near Full Production" Jul 1, 2015
Если же говорить об авиации, то в статье И. Викулова "Монолитные интегральные схемы СВЧ технологическая основа АФАР" есть интересный для нас список:
Как видим ещё 5 лет назад решением задачи разработки истребительной БРЛС с GaN АФАР никто ещё не занимался. Однако в последнее время о готовности создать БРЛС с АФАР использующей микросхемы на основе нитрида галлия заявили представители компании Saab:
Saab Says It Is Ready To Produce GaN Radar Sensor
A fighter radar has emerged out of Saab’s gallium-nitride efforts
Dec 10, 2015
Стоит отметить что GaN микросхемы по заявлениям представителей компании Saab уже применены в бортовом комплексе РЭБ разрабатываемой новейшие модификации лёгкого истребителя JAS-39 Gripen.
Так же в своё время было заявлено что GaN микросхемы будут применены в серийном варианте БРЛС c АФАР Captor-E модернизированного истребителя Eurofighter Typhoon. Однако в 2014 году создатели Captor-E от этих своих планов публично отказались:
"The Euroradar consortium has gone down the route of using Gallium arsenide in its TRMs, rather than the newer Gallium nitride (GaN) semiconductor.
Andrew Cowdery, chairman of the board at the Euroradar consortium, says the company did not feel that the GaN technology was yet mature enough for use in the Captor-E’s TRM.
The TRMs are being dual-sourced from both the U.K. and Germany.
Smith said the first radars could be retrofitted into aircraft and be on the front line within three years."
Во всяком случае - пока.
Вёдется ли разработка GaN МИС для радиолокационного комплекса отечественного истребителя пятого поколения создаваемого в рамках программы ПАК ФА по заявлениям ответственных лиц определить нельзя - молчат.
Однако если судить по темам Стратегической программы исследований технологической платформы "СВЧ технологии" утверждённой в 2012 году и отчету О выполнении проекта реализации технологической платформы
«СВЧ технологии» в 2014 году, то ведётся. Внушают надежды по этому поводу к примеру такие ОКР как:
"Одноцветник-21". Разработка 4-х типов СВЧ GaN МИС высокодинамичных усилителей Х- и С-диапазона частот - разработка завершена.
"Одноцветник-41". Разработка и освоение производства на отечественном предприятии импульсных квазимонолитных интегральных схем усилителей С- и Х- диапазонов с выходной мощностью (10-15) Вт на нитриде галлия - Работа начата в 2014 году 2 этап, и т.п.
***
Но не одним лишь увеличением излучаемой мощности АФАР живут сегодня разработчики БРЛС. Серьезные тактические преимущества сулит так же расширение зоны обзора БРЛС, к которому ведут два пути:
1. Первый путь, дорогой и бескомпромиссный. Установка нескольких АФАР. Путь, от которого по причине дороговизны когда то отказались в ходе разработки истребителя F-22A, впрочем зарезервировав в фюзеляже место место под возможную установку дополнительных АФАР в светлом будущем:
Этим путём пошли отечественные разработчики истребителя пятого поколения:
Не остановившись впрочем только на бортовых АФАР X-диапазона и добавив АФАР L-диапазона в носок крыла.
2. Второй путь, компромиссный и менее затратный - механический доворот ФАР по азимуту и углу места (БРЛС истребителей Су-30МКИ/МКА/МКМ/СМ, Су-35С и БРЛС Captor-E истребителя Eurofighter Typhoon), или вращающаяся наклонная АФАР (БРЛС истребителя Gripen-E).
Как говорится, лучше один раз увидеть:
Обратите внимание как в видеоролике демонстрируется отворот истребителя на ортогональный по отношению к цели курс после запуска ракеты "воздух-воздух". Такой одиночный маневр показан на 0:57 (схемой на 1:03) и парный на 1:32 (схемой на 1:41). Без механического доворота АФАР выполнить такой маневр с сохранением цели в зоне обзора БРЛС нельзя. Сохранение же цели в зоне обзора БРЛС обеспечивает проведение коррекций ракеты "воздух-воздух" на среднем участке её полёта без которых невозможно обеспечить высокую вероятность поражения маневрирующей воздушной цели.
Аналогичного результата попытались добиться разработчики БРЛС Raven ES-05 для истребителя JAS-39E/F Gripen просто за за счёт вращения (одна степень свободы) наклоненного полотна АФАР. По мнению разработчиков тактический результат будет таким же как и в более сложных системах с механическим доворотом полотна ФАР по азимуту и углу места, а именно:
На этом я завершаю небольшой рассказ о передовых технологических подходах которые уже применены при создании, или скоро будут применены в создаваемых бортовых РЛС современных истребителей. Можно было бы затронуть и перспективные темы:
- цифровых антенных решёток (ЦАР) в которых в отличие от АФАР и ПФАР не использующих фазовращатели (смотреть к примеру Добычина Е.М. Малахов Р.Ю. "Цифровые антенные решётки для бортовых радиолокационных систем" 2012 г.);
- планарных приемных и передающих модулей АФАР X-диапазона;
- радиооптических фазированных антенных решёток (РОФАР).
но видимо как нибудь в другой раз.
Спасибо за внимание!
Начать видимо стоит с бортовых радиолокационных станции (БРЛС). Ведь бортовая РЛС является одним из самых важных элементов радиоэлектронного оборудования современного истребителя. По видимому и в обозримом будущем они останутся основным средством обнаружения, сопровождения целей и наведения на них управляемого оружия. Конструктивно БРЛС состоит из нескольких съёмных блоков, расположенных в носовой части самолёта: передатчика, антенной системы, приёмника, процессора обработки данных, программируемого процессора сигналов, пультов и органов управления и индикации. Сегодня практически у всех бортовых РЛС антенная система представляет собой плоскую щелевую антенную решетку (ЩАР), антенну Кассегрена, пассивную или активную фазированную антенную решетку (ФАР).
Современными сегодня можно считать лишь БРЛС оснащенные антеннами с ФАР, обеспечивающими обзор воздушного пространства с помощью электронного, а не механического управления диаграммой направленности (ДН) антенны по углу места и азимуту. В настоящее время успешно конкурируют в БРЛС современных истребителей технологии пассивных фазированных антенных решёток (ПФАР) и активных антенных решёток (АФАР). Пассивная фазированная антенная решётка (англ. passive electronically scanned array, PESA) имет центральный радиочастотный источник, который через фазовращатели направляет энергию в излучающие элементы, расположенные в передней части антенны. Является предшественником активной ФАР, где каждый из излучающих элементов имеет свой источник. Не смотря на некоторые недостатки, а именно меньшую помехозащищенность) - обусловленную сложностью формирования провалов ("нулей") диаграммы направленности антенны на источник помехи за счёт одного лишь фазового управления ДН, сегодня ПФАР (прежде всего БРЛС "Ибрис" истребителя Су-35С) успешно конкурируют с АФАР, в которых используется амплитудно-фазовое управление ДН. Происходит это по той причине что при заданных массо-габаритных параметрах (весьма ограниченных для самолёта-истребителя) используя ПФАР сегодня можно получить бОльшую излучаемую мощность чем на современных АФАР.
Дело в том что все современные БРЛС с АФАР самолётов-истребителей в своих приёмо-передающих модулях (ППМ) используют усилители мощности выполненные на арсениде галлия (GaAs), и в сантиметровом диапазоне радиоволн (в котором работают БРЛС истребителей) "выходная мощность GaAs МИС (монолитных интегральных схем), по видимому, уже достигла предела (мощность порядка 10-20 Вт), связанного с ограничением максимальной площади кристалла (25-30 мм 2) при которой он (при толщине 50-100 мкм) становится предельно хрупким, и процент выхода годных при монтаже МИС резко падает. Дальнейшее наращивание энергетики связанно напрямую с успехами в отработке новых широкозонных полупроводниковых материалов, нитрида галлия (GaN) в первую очередь" (подробнее смотреть А.А. Коколов, М.В. Черкашин "Построение и характеристики СВЧ монолитных усилителей мощности на основе полупроводниковых материалов GaAs и GaN" 2011 г.) Именно по этому самый совершенный на сегодня образец БРЛС истребителя с ПФАР, БРЛС "Ирбис" самолёта Су-35С, использующая в передатчике цепочку из двух усилителей мощности на лампах бегущей волны, не только способна конкурировать с истребительными БРЛС с АФАР, но видимо превосходит по пиковой излучаемой мощности все серийные истребительные АФАР использующие GaAs технологию.
При этом стоит отметить что программы разработки ППМ для АФАР использующих GaN монолитные интегральные схемы (МИС) выполняются достаточно давно и уже достигли ряда успехов, но пока не в авиации:
"Наиболее широкие перспективы для GaN МИС открывает разработка нового поколения приемопередающих модулей (ППМ) для РЛС с АФАР. Они могут применяться как в мощных выходных каскадах ППМ, так и в приемной цепочке в качестве ограничителей и малошумящих усилителей. Высокая мощность, излучаемая каждым GaN-элементом АФАР, позволяет увеличить дальность обнаружения РЛС. При этом стоимость одного ватта излучаемой мощности может быть меньше, чем у ППМ на основе GaAs МИС. Число разрабатываемых и проходящих испытания РЛС с АФАР на GaN-модулях продолжает расти. Это и корабельная РЛС С-диапазона (компания Cassidian), и корабельная станция ПВО/ПРО AMDR-S (Raytheon), и трехмерная наземная станция обнаружения, идентификации и сопровождения С-диапазона 3DELRR, предназначенная для замены устаревшей TPS-75 (Raytheon по заказу ВВС США). Все указанные станции работают в относительно низкочастотных S- и C-диапазонах. Сообщений об использовании GaN-модулей в АФАР Х-диапазона пока не было." (подробнее И.Викулов "GaN-микросхемы претендуют на замену ЭВП Конкуренция обостряется" 2014 г.). И конечно же стоит отметить что уже есть наземные БРЛС с АФАР использующие GaN технологию, достигшие стадии серийного производства:
James Morra "GaN-Based AESA Radars Near Full Production" Jul 1, 2015
Если же говорить об авиации, то в статье И. Викулова "Монолитные интегральные схемы СВЧ технологическая основа АФАР" есть интересный для нас список:
Как видим ещё 5 лет назад решением задачи разработки истребительной БРЛС с GaN АФАР никто ещё не занимался. Однако в последнее время о готовности создать БРЛС с АФАР использующей микросхемы на основе нитрида галлия заявили представители компании Saab:
Saab Says It Is Ready To Produce GaN Radar Sensor
A fighter radar has emerged out of Saab’s gallium-nitride efforts
Dec 10, 2015
Стоит отметить что GaN микросхемы по заявлениям представителей компании Saab уже применены в бортовом комплексе РЭБ разрабатываемой новейшие модификации лёгкого истребителя JAS-39 Gripen.
Так же в своё время было заявлено что GaN микросхемы будут применены в серийном варианте БРЛС c АФАР Captor-E модернизированного истребителя Eurofighter Typhoon. Однако в 2014 году создатели Captor-E от этих своих планов публично отказались:
"The Euroradar consortium has gone down the route of using Gallium arsenide in its TRMs, rather than the newer Gallium nitride (GaN) semiconductor.
Andrew Cowdery, chairman of the board at the Euroradar consortium, says the company did not feel that the GaN technology was yet mature enough for use in the Captor-E’s TRM.
The TRMs are being dual-sourced from both the U.K. and Germany.
Smith said the first radars could be retrofitted into aircraft and be on the front line within three years."
Во всяком случае - пока.
Вёдется ли разработка GaN МИС для радиолокационного комплекса отечественного истребителя пятого поколения создаваемого в рамках программы ПАК ФА по заявлениям ответственных лиц определить нельзя - молчат.
Однако если судить по темам Стратегической программы исследований технологической платформы "СВЧ технологии" утверждённой в 2012 году и отчету О выполнении проекта реализации технологической платформы
«СВЧ технологии» в 2014 году, то ведётся. Внушают надежды по этому поводу к примеру такие ОКР как:
"Одноцветник-21". Разработка 4-х типов СВЧ GaN МИС высокодинамичных усилителей Х- и С-диапазона частот - разработка завершена.
"Одноцветник-41". Разработка и освоение производства на отечественном предприятии импульсных квазимонолитных интегральных схем усилителей С- и Х- диапазонов с выходной мощностью (10-15) Вт на нитриде галлия - Работа начата в 2014 году 2 этап, и т.п.
***
Но не одним лишь увеличением излучаемой мощности АФАР живут сегодня разработчики БРЛС. Серьезные тактические преимущества сулит так же расширение зоны обзора БРЛС, к которому ведут два пути:
1. Первый путь, дорогой и бескомпромиссный. Установка нескольких АФАР. Путь, от которого по причине дороговизны когда то отказались в ходе разработки истребителя F-22A, впрочем зарезервировав в фюзеляже место место под возможную установку дополнительных АФАР в светлом будущем:
Этим путём пошли отечественные разработчики истребителя пятого поколения:
Не остановившись впрочем только на бортовых АФАР X-диапазона и добавив АФАР L-диапазона в носок крыла.
2. Второй путь, компромиссный и менее затратный - механический доворот ФАР по азимуту и углу места (БРЛС истребителей Су-30МКИ/МКА/МКМ/СМ, Су-35С и БРЛС Captor-E истребителя Eurofighter Typhoon), или вращающаяся наклонная АФАР (БРЛС истребителя Gripen-E).
Как говорится, лучше один раз увидеть:
Click to viewОбратите внимание как в видеоролике демонстрируется отворот истребителя на ортогональный по отношению к цели курс после запуска ракеты "воздух-воздух". Такой одиночный маневр показан на 0:57 (схемой на 1:03) и парный на 1:32 (схемой на 1:41). Без механического доворота АФАР выполнить такой маневр с сохранением цели в зоне обзора БРЛС нельзя. Сохранение же цели в зоне обзора БРЛС обеспечивает проведение коррекций ракеты "воздух-воздух" на среднем участке её полёта без которых невозможно обеспечить высокую вероятность поражения маневрирующей воздушной цели.
Аналогичного результата попытались добиться разработчики БРЛС Raven ES-05 для истребителя JAS-39E/F Gripen просто за за счёт вращения (одна степень свободы) наклоненного полотна АФАР. По мнению разработчиков тактический результат будет таким же как и в более сложных системах с механическим доворотом полотна ФАР по азимуту и углу места, а именно:
На этом я завершаю небольшой рассказ о передовых технологических подходах которые уже применены при создании, или скоро будут применены в создаваемых бортовых РЛС современных истребителей. Можно было бы затронуть и перспективные темы:
- цифровых антенных решёток (ЦАР) в которых в отличие от АФАР и ПФАР не использующих фазовращатели (смотреть к примеру Добычина Е.М. Малахов Р.Ю. "Цифровые антенные решётки для бортовых радиолокационных систем" 2012 г.);
- планарных приемных и передающих модулей АФАР X-диапазона;
- радиооптических фазированных антенных решёток (РОФАР).
но видимо как нибудь в другой раз.
Спасибо за внимание!