Радары на борту. Американские самолётные РЛС с фазированной антенной решёткой

February 16th, 2016

Бортовой радиолокатор - «глаза» и «уши» современного истребителя.

Давайте узнаем популярным языком про устройство и особенности работы авиационной радиолокационной станции.

Из чего состоит бортовая РЛС?

Конструктивно БРЛС состоит из нескольких съемных блоков, расположенных в носовой части самолета: передатчика, антенной системы, приемника, 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, антенну Кассегрена, пассивную или активную фазированную антенную решетку.

Современные БРЛС работают в диапазоне различных частот и позволяют обнаруживать воздушные цели с ЭПР (Эффективная площадь рассеяния) в один квадратный метр на дальности в сотни километров, а также обеспечивают сопровождение на проходе десятки целей.
Кроме обнаружения целей, сегодня БРЛС обеспечивают радиокоррекцию, полетное задание и выдачу целеуказания на применение управляемого бортового оружия, осуществляют картографирование земной поверхности с разрешением до одного метра, а также решают вспомогательные задачи: следование рельефу местности, измерение собственной скорости, высоты, угла сноса и другие.

Как работает бортовой радиолокатор?

На современных истребителях используются импульсно-доплеровские РЛС. В самом названии описан принцип действия такой радиолокационной станции.

Радиолокационная станция работает не непрерывно, а периодическими толчками - импульсами. В сегодняшних локаторах посылка импульса длится всего лишь несколько миллионных долей секунды, а паузы между импульсами - несколько сотых или тысячных долей секунды.

Встретив на пути своего распространения какое-либо препятствие, радиоволны рассеиваются во все стороны и отражаются от него обратно к радиолокационной станции. При этом. передатчик радара автоматически выключается, и начинает работать радиоприемник.

Одной из основных проблем импульсных РЛС является избавление от сигнала, отражающегося от неподвижных объектов. Например, для бортовых РЛС проблема в том, что отражение от земной поверхности затеняет все объекты, лежащие ниже самолета. Эти помехи устраняют, используя эффект Доплера, согласно которому частота волны, отраженной от приближающегося объекта, увеличивается, а от уходящего объекта - уменьшается.

Что такое ФАР?

Очевидно, для того чтобы принимать и излучать сигналы, любому радару нужна антенна. Чтобы уместить ее в самолет, придумали специальные плоские антенные системы, а приемник и передатчик находятся за антенной. Чтобы увидеть разные цели радаром, антенну нужно двигать. Так как антенна радара достаточно массивная, двигается она медленно.
При этом, становится проблематична одновременная атака нескольких целей, ведь радар с обычной антенной держит в «поле зрения» только одну цель.

Современная электроника позволила отказаться от такого механического сканирования в БРЛС. Устроено это следующим образом: плоская (прямоугольная или круглая) антенна разделена на ячейки. В каждой такой ячейке находится специальный прибор - фазовращатель, который может на заданный угол изменять фазу электромагнитной волны, которая попадает в ячейку. Обработанные сигналы из ячеек поступают на приемник. Именно так можно описать работу фазированной антенной решетки (ФАР).

А если точнее, подобная антенная решетка со множеством элементов-фазовращателей, но с одним приемником и одним передатчиком называется пассивной ФАР. Кстати, первый в мире истребитель, оснащенный радиолокатором с пассивной ФАР, - наш российский МиГ-31. На нем была установлена РЛС «Заслон» разработки НИИ приборостроения им. Тихомирова.

Для чего нужна АФАР?

Активная фазированная антенная решетка (АФАР) является следующим этапом в развитии пассивной. В такой антенне каждая ячейка решетки содержит свой приемопередатчик. Их количество может превысить одну тысячу. То есть, если традиционный локатор - это отдельные антенна, приемник, передатчик, то в АФАР приемник с передатчиком и антенна «рассыпаются» на модули, каждый из которых содержит щель антенны, фазовращатель, передатчик и приемник.

Раньше, если, например, вышел из строя передатчик, самолет становился «слепым». Если в АФАР будут поражены одна-две ячейки, даже десяток, остальные продолжают работать. В этом и есть ключевое преимущество АФАР. Благодаря тысячам приемникам и передатчикам повышается надежность и чувствительность антенны, а также появляется возможность работать на нескольких частотах сразу.

Но главное, что структура АФАР позволяет РЛС параллельно решать несколько задач. Например, не только обслуживать десятки целей, но и параллельно с обзором пространства очень эффективно защищаться от помех, ставить помехи радарам противника и картографировать поверхность, получая карты высокого разрешения.
Кстати, первую в России бортовую радиолокационную станцию с АФАР создали на предприятии КРЭТ, в корпорации «Фазотрон-НИИР».

Какая РЛС будет на истребителе пятого поколения ПАК ФА?

Среди перспективных разработок КРЭТ - конформные АФАР, которые смогут вписываться в фюзеляж летательного аппарата, а также так называемая «умная» обшивка планера. В истребителях следующего поколения, в том числе и ПАК ФА, она станет как бы единым приемо-передающим локатором, предоставляющим пилоту полную информацию о происходящем вокруг самолета.

Радиолокационная система ПАК ФА состоит из перспективной АФАР X-диапазона в носовом отсеке, двух радаров бокового обзора, а также АФАР L-диапазона вдоль закрылков.

Сегодня КРЭТ также работает над созданием радиофотонного радара для ПАК ФА. Концерн намерен создать натурный образец радиолокационной станции будущего до 2018 года.

Фотонные технологии позволят расширить возможности радара - снизить массу более чем вдвое, а разрешающую способность увеличить в десятки раз. Такие БРЛС с радиооптическими фазированными антенными решетками способны делать своеобразный «рентгеновский снимок» самолетов.

«К примеру, локатор на основе радиофотоники засек самолет на расстоянии в 500 километров. Чтобы рассмотреть объект, фотонный радар сможет расширить свой частотный диапазон, послать то количество энергии и в том диапазоне, которые нужны. При этом он сможет задействовать еще несколько соседних радаров. В результате оператор будет видеть картинку самолета, словно он находится рядом», — сказал Михеев . Эта технология позволяет заглянуть внутрь объекта, узнать, какую технику он несет, сколько людей в нем находится, и даже разглядеть их лица.

По его словам, используя очень широкий диапазон частот, метровый, сантиметровый или миллиметровый диапазоны волн, радар сможет «проникать» даже внутрь объектов.

«Мы сможем этим сигналом пройти любые, даже метровые свинцовые стены и посмотреть, что в этом объекте находится. Если это самолет, то радар даст как бы его разрез, рентгеновский снимок. Можно будет даже посмотреть, кто в каком кресле сидит», — сказал Михеев.

По его словам, фотонные технологии несут новый технологический скачок, делая реальностью, например, передачу энергии на большие расстояния практически без потерь.

КРЭТ по заказу Фонда перспективных исследований разрабатывает активную фазированную антенную решетку на основе радиофотоники для авиационных радаров. На программу выделено 683,8 млн руб. до 2019 года.

РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС С АФАР ПАК ФА

RADAR SYSTEM WITH AESA PAK FA

04.03.2014

Один из ключевых элементов для перспективного авиационного комплекса дальней авиации (ПАК ДА) — радиолокационная система — уже разрабатывается в России, сообщил в интервью РИА Новости генеральный директор Научно-исследовательского института приборостроения им В.В.Тихомирова Юрий Белый.
Ранее Минпромторг сообщил о заключении контракта с Минобороны о начале финансирования проекта создания ПАК ДА. Планируется, что этот самолет войдет в госпрограмму вооружения 2016-2025 годов.
«Если вы под элементом понимаете радиолокационную систему, то в настоящий момент мы как раз рассматриваем это предложение», — сказал Белый, отвечая на вопрос РИА Новости об участии в проекте разработки ПАК ДА. «Мы выполнили аванпроект, передали фирме Туполева, защитили его, <..> ждем, когда дадут отмашку и окончательные ТЗ», — пояснил директор НИИП.

Сравнение с пассивной решёткой

В обычной пассивной решётке один передатчик мощностью несколько киловатт питает несколько сотен элементов, каждый из которых излучает только десятки ватт мощности. Современный микроволновый транзисторный усилитель может, однако, также произвести десятки ватт, и в радаре с активной фазированной решёткой несколько сотен модулей, каждый мощностью в десятки ватт, создают в целом мощный главный луч радара в несколько киловатт.

В то время как результат идентичен, активные решётки намного более надежны, поскольку отказ одного приёмо-передающего элемента решётки искажает диаграмму направленности антенны, что несколько ухудшает характеристики локатора, но в целом он остаётся работоспособным. Катастрофического отказа лампы передатчика, которая является проблемой обычных радаров, просто не может произойти. Дополнительная выгода - экономия веса без большой лампы высокой мощности, связанной с ней системой охлаждения и большого блока питания высокого напряжения.

Другой особенностью, которая может использоваться только в активных решётках, является способность управлять усилением индивидуальных приёмно-передающих модулей. Если это может быть сделано, диапазон углов, через которые луч может быть отклонен, существенно увеличивается, и таким образом многие из ограничений геометрии решеток, которые имеют обычные фазированные решётки могут быть обойдены. Такие решётки называют решётками суперувеличения. Из изданной литературы неясно, используют ли какая-либо существующая или проектируемая антенная решётка эту технику.

Недостатки

Технология АФАР имеет две ключевые проблемы:

Рассеивание мощности

Первая проблема - рассеивание мощности. Из-за недостатков микроволновых транзисторных усилителей (MMIC), эффективность передатчика модуля - типично меньше чем 45 %. В результате, AФAР выделяет большое количество теплоты, которая должна быть рассеяна, чтобы предохранить чипы передатчика от расплавления и превращения в жидкий арсенид галлия - надежность GaAs MMIC-чипов улучшается при низкой рабочей температуре. Традиционное охлаждение воздухом, используемое в обычных ЭВМ и авионике, плохо подходит при высокой плотности упаковки элементов AФAР, в результате чего современные AФAР охлаждаются жидкостью (американские проекты используют polyalphaolefin (PAO) хладагент, подобный синтетической гидравлической жидкости). Типичная жидкая система охлаждения использует насосы, вводящие хладагент через каналы в антенне, и выводящие затем его к теплообменнику - им может быть как воздушный охладитель (радиатор) так и теплообменник в топливном баке - со второй жидкостью, охлаждающей петлю теплообмена, чтобы увести высокую температуру от топливного бака.

По сравнению с обычным радаром истребителя с воздушным охлаждением, AФAР является более надёжным, однако будет потреблять бо́льшое количество электроэнергии и требовать более интенсивного охлаждения. Но AФAР может обеспечить намного большую передающую мощность, что необходимо для большей дальности обнаружения цели (увеличение передающей мощности однако имеет недостаток - увеличения следа, по которому радиоразведка противника или RWR могут обнаружить радар).

Стоимость

Другая проблема - стоимость массового производства модулей. Для радара истребителя, требующего типично от 1000 до 1800 модулей, стоимость AФAР становится неприемлемой, если модули стоят больше чем сто долларов каждый. Ранние модули стоили приблизительно 2 тыс. долл., что не допускало массового использования AФAР. Однако стоимость таких модулей и MMIC-чипов постоянно уменьшается, поскольку себестоимость их разработки и производства постоянно снижается.

Несмотря на недостатки, активные фазированные решётки превосходят обычные радарные антенны почти во всех отношениях, обеспечивая более высокую следящую способность и надёжность, пусть и при некотором увеличении в сложности и, возможно, стоимости.

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Активная фазированная антенная решётка (АФАР ) - фазированная антенная решётка , в которой направление излучения и (или) форма диаграммы направленности регулируются изменением амплитудно-фазового распределения токов или полей возбуждения на индивидуальных активных излучающих элементах .

Конструкция

Активная фазированная антенная решётка конструктивно состоит из модулей, которые объединяют излучающий элемент (или группу излучающих элементов) и активные устройства (усилительные, генераторные или преобразовательные). Эти устройства могут в простейшем случае усиливать передаваемый или принимаемый излучающим элементом сигнал, а также осуществлять преобразование частоты сигнала, генерировать (формировать) сигнал, преобразовывать сигнал из аналоговой в цифровую форму и (или) из цифровой в аналоговую. Для совместной согласованной работы все модули АФАР должны быть объединены цепью распределения сигнала возбудителя (в режиме приёма - цепью сбора сигнала в приёмное устройство), или работа модулей должна быть синхронизирована от единого источника.

Сравнение с пассивной решёткой

Недостатки

Технология АФАР имеет две ключевые проблемы: рассеивание мощности и стоимость.

Рассеивание мощности

Из-за недостатков микроволновых транзисторных усилителей и монолитных интегральных схем (СВЧ МИС) эффективность передатчика модуля обычно меньше 45%. В результате AФАР выделяет большое количество теплоты, которую необходимо рассеивать, чтобы предохранить чипы передатчика от расплавления - надёжность арсенид-галлиевых СВЧ МИС повышается при низкой рабочей температуре. Традиционное охлаждение воздухом, используемое в обычных ЭВМ и авионике , плохо подходит при высокой плотности компоновки, поэтому современные AФАР охлаждаются жидкостью (американские проекты используют полиальфаолефиновый хладагент, подобный синтетической гидравлической жидкости). Типичная жидкостная система охлаждения использует насосы, вводящие хладагент через каналы в антенне и выводящие затем его к теплообменнику - им может быть как воздушный охладитель (радиатор), так и теплообменник в топливном баке (со вторым контуром, чтобы уменьшить нагрев содержимого топливного бака).

По сравнению с обычным радаром истребителя с воздушным охлаждением, радар с AФАР более надёжен, однако потребляет больше электроэнергии и требует более интенсивного охлаждения. Но AФАР может обеспечить намного большую передаваемую мощность, что необходимо для большей дальности обнаружения цели (увеличение передающей мощности, однако, имеет побочный эффект - увеличение следа, по которому радиоразведка или СПО противника могут обнаружить радар).

Стоимость

Для радара истребителя, требующего обычно от 1000 до 1800 модулей, стоимость AФАР становится неприемлемой, если модули стоят больше чем сто долларов каждый. Ранние модули стоили приблизительно 2 тыс. долларов, что не допускало массового использования AФАР. Однако стоимость таких модулей с развитием технологий постоянно уменьшается, поскольку себестоимость разработки и производства СВЧ МИС постоянно снижается.

Приёмо-передающий модуль

Приёмо-передающий модуль - это основа пространственного канала обработки сигнала в АФАР.

В его состав входит активный элемент - усилитель, который делает это устройство электродинамически невзаимным. Поэтому для обеспечения возможности работы устройства как на приём, так и на передачу в нём разделяют передающий и приёмный каналы. Разделение осуществляется либо коммутатором , либо циркулятором .

Приёмный канал

В состав приёмного канала входят следующие устройства:

Устройство защиты приёмника - обычно либо разрядник , либо другое пороговое устройство, предотвращающее перегрузку приёмного канала.
Малошумящий усилитель - два или более каскадов активного усиления сигнала.
Фазовращатель - устройство фазовой задержки сигнала в канале для задания фазового распределения по всему раскрыву решётки.
Аттенюатор - устройство задания (понижения, ослабления) амплитуды сигнала для задания амплитудного распределения по раскрыву решётки.

Передающий канал

Состав передающего канала схож с составом приёмного канала. Отличие заключается в отсутствии устройства защиты и меньших требованиях к усилителю по шумам. Тем не менее, передающий усилитель должен обладать большей выходной мощностью, чем приёмный.

Производимые БРЛС с АФАР

Н036 Белка (на стадии разработки) (ПАК ФА)
Northrop Grumman SABR (General Dynamics F-16 Fighting Falcon)
EL/M-2052 (F-15 , МиГ-29 , Mirage 2000)
AMSAR (Eurofighter Typhoon , Rafale)

См. также

Напишите отзыв о статье "Активная фазированная антенная решётка"

Примечания

Ссылки

Отрывок, характеризующий Активная фазированная антенная решётка

– Батюшка, я не хотел быть судьей, – сказал князь Андрей желчным и жестким тоном, – но вы вызвали меня, и я сказал и всегда скажу, что княжна Марья ни виновата, а виноваты… виновата эта француженка…
– А присудил!.. присудил!.. – сказал старик тихим голосом и, как показалось князю Андрею, с смущением, но потом вдруг он вскочил и закричал: – Вон, вон! Чтоб духу твоего тут не было!..

Князь Андрей хотел тотчас же уехать, но княжна Марья упросила остаться еще день. В этот день князь Андрей не виделся с отцом, который не выходил и никого не пускал к себе, кроме m lle Bourienne и Тихона, и спрашивал несколько раз о том, уехал ли его сын. На другой день, перед отъездом, князь Андрей пошел на половину сына. Здоровый, по матери кудрявый мальчик сел ему на колени. Князь Андрей начал сказывать ему сказку о Синей Бороде, но, не досказав, задумался. Он думал не об этом хорошеньком мальчике сыне в то время, как он его держал на коленях, а думал о себе. Он с ужасом искал и не находил в себе ни раскаяния в том, что он раздражил отца, ни сожаления о том, что он (в ссоре в первый раз в жизни) уезжает от него. Главнее всего ему было то, что он искал и не находил той прежней нежности к сыну, которую он надеялся возбудить в себе, приласкав мальчика и посадив его к себе на колени.
– Ну, рассказывай же, – говорил сын. Князь Андрей, не отвечая ему, снял его с колон и пошел из комнаты.
Как только князь Андрей оставил свои ежедневные занятия, в особенности как только он вступил в прежние условия жизни, в которых он был еще тогда, когда он был счастлив, тоска жизни охватила его с прежней силой, и он спешил поскорее уйти от этих воспоминаний и найти поскорее какое нибудь дело.
– Ты решительно едешь, Andre? – сказала ему сестра.
– Слава богу, что могу ехать, – сказал князь Андрей, – очень жалею, что ты не можешь.
– Зачем ты это говоришь! – сказала княжна Марья. – Зачем ты это говоришь теперь, когда ты едешь на эту страшную войну и он так стар! M lle Bourienne говорила, что он спрашивал про тебя… – Как только она начала говорить об этом, губы ее задрожали и слезы закапали. Князь Андрей отвернулся от нее и стал ходить по комнате.
– Ах, боже мой! Боже мой! – сказал он. – И как подумаешь, что и кто – какое ничтожество может быть причиной несчастья людей! – сказал он со злобою, испугавшею княжну Марью.
Она поняла, что, говоря про людей, которых он называл ничтожеством, он разумел не только m lle Bourienne, делавшую его несчастие, но и того человека, который погубил его счастие.
– Andre, об одном я прошу, я умоляю тебя, – сказала она, дотрогиваясь до его локтя и сияющими сквозь слезы глазами глядя на него. – Я понимаю тебя (княжна Марья опустила глаза). Не думай, что горе сделали люди. Люди – орудие его. – Она взглянула немного повыше головы князя Андрея тем уверенным, привычным взглядом, с которым смотрят на знакомое место портрета. – Горе послано им, а не людьми. Люди – его орудия, они не виноваты. Ежели тебе кажется, что кто нибудь виноват перед тобой, забудь это и прости. Мы не имеем права наказывать. И ты поймешь счастье прощать.
– Ежели бы я был женщина, я бы это делал, Marie. Это добродетель женщины. Но мужчина не должен и не может забывать и прощать, – сказал он, и, хотя он до этой минуты не думал о Курагине, вся невымещенная злоба вдруг поднялась в его сердце. «Ежели княжна Марья уже уговаривает меня простить, то, значит, давно мне надо было наказать», – подумал он. И, не отвечая более княжне Марье, он стал думать теперь о той радостной, злобной минуте, когда он встретит Курагина, который (он знал) находится в армии.
Княжна Марья умоляла брата подождать еще день, говорила о том, что она знает, как будет несчастлив отец, ежели Андрей уедет, не помирившись с ним; но князь Андрей отвечал, что он, вероятно, скоро приедет опять из армии, что непременно напишет отцу и что теперь чем дольше оставаться, тем больше растравится этот раздор.
– Adieu, Andre! Rappelez vous que les malheurs viennent de Dieu, et que les hommes ne sont jamais coupables, [Прощай, Андрей! Помни, что несчастия происходят от бога и что люди никогда не бывают виноваты.] – были последние слова, которые он слышал от сестры, когда прощался с нею.
«Так это должно быть! – думал князь Андрей, выезжая из аллеи лысогорского дома. – Она, жалкое невинное существо, остается на съедение выжившему из ума старику. Старик чувствует, что виноват, но не может изменить себя. Мальчик мой растет и радуется жизни, в которой он будет таким же, как и все, обманутым или обманывающим. Я еду в армию, зачем? – сам не знаю, и желаю встретить того человека, которого презираю, для того чтобы дать ему случай убить меня и посмеяться надо мной!И прежде были все те же условия жизни, но прежде они все вязались между собой, а теперь все рассыпалось. Одни бессмысленные явления, без всякой связи, одно за другим представлялись князю Андрею.

Князь Андрей приехал в главную квартиру армии в конце июня. Войска первой армии, той, при которой находился государь, были расположены в укрепленном лагере у Дриссы; войска второй армии отступали, стремясь соединиться с первой армией, от которой – как говорили – они были отрезаны большими силами французов. Все были недовольны общим ходом военных дел в русской армии; но об опасности нашествия в русские губернии никто и не думал, никто и не предполагал, чтобы война могла быть перенесена далее западных польских губерний.
Князь Андрей нашел Барклая де Толли, к которому он был назначен, на берегу Дриссы. Так как не было ни одного большого села или местечка в окрестностях лагеря, то все огромное количество генералов и придворных, бывших при армии, располагалось в окружности десяти верст по лучшим домам деревень, по сю и по ту сторону реки. Барклай де Толли стоял в четырех верстах от государя. Он сухо и холодно принял Болконского и сказал своим немецким выговором, что он доложит о нем государю для определения ему назначения, а покамест просит его состоять при его штабе. Анатоля Курагина, которого князь Андрей надеялся найти в армии, не было здесь: он был в Петербурге, и это известие было приятно Болконскому. Интерес центра производящейся огромной войны занял князя Андрея, и он рад был на некоторое время освободиться от раздражения, которое производила в нем мысль о Курагине. В продолжение первых четырех дней, во время которых он не был никуда требуем, князь Андрей объездил весь укрепленный лагерь и с помощью своих знаний и разговоров с сведущими людьми старался составить себе о нем определенное понятие. Но вопрос о том, выгоден или невыгоден этот лагерь, остался нерешенным для князя Андрея. Он уже успел вывести из своего военного опыта то убеждение, что в военном деле ничего не значат самые глубокомысленно обдуманные планы (как он видел это в Аустерлицком походе), что все зависит от того, как отвечают на неожиданные и не могущие быть предвиденными действия неприятеля, что все зависит от того, как и кем ведется все дело. Для того чтобы уяснить себе этот последний вопрос, князь Андрей, пользуясь своим положением и знакомствами, старался вникнуть в характер управления армией, лиц и партий, участвовавших в оном, и вывел для себя следующее понятие о положении дел.