Системы наведения ракет: принцип управления по лучу

Введение

Система наведения ракет

Beam riding, также известная как Line Of Sight Beam Riding (LOSBR), beam guidance или radar beam riding, – это метод наведения ракеты на цель посредством радио- или лазерного луча. Название отражает принцип, при котором ракета летит вдоль направляющего луча, нацеленного на цель. Это одна из самых простых систем наведения, широко использовавшаяся в ранних ракетных комплексах, однако она имеет ряд недостатков при наведении на большие расстояния и в настоящее время обычно применяется в системах ближнего радиуса действия.

Основная концепция

Подвижность на луче основана на сигнале, направленном на цель. Сигнал не обязательно должен быть мощным, поскольку он не используется для сопровождения цели. Основное назначение такой системы – уничтожение самолетов или танков. Сначала нацеливающая станция (возможно, установленная на транспортном средстве) в районе пуска направляет узкий радиолокационный или лазерный луч на вражеский самолет или танк. Затем ракета запускается, и через некоторое время после старта "захватывается" этим лучом, когда попадает в него. С этого момента ракета стремится оставаться внутри луча, а нацеливающая станция продолжает удерживать луч, направленный на цель. Ракета, управляемая бортовым компьютером, "следует" по лучу к цели.

Радарная лодка

Радиолучевое сопровождение – один из простейших методов наведения ракет с использованием радиолокатора. По этой причине оно широко применялось для ракет класса "земля-воздух" в послевоенный период. Ранним примером является британская Brakemine, впервые испытанная в 1944 году, как и первая коммерчески доступная ракета SAM – Oerlikon Contraves RSA. Ранние радиолокационные станции обычно использовали луч шириной в несколько градусов, что облегчало обнаружение цели при ее движении. К сожалению, это делало луч слишком широким для точного поражения цели, где требуются измерения с точностью до 1/10 градуса. Для выполнения обеих функций в одном радиолокаторе используется дополнительная форма кодирования. В системах времен Второй мировой войны это было либо переключение лепестков, либо, чаще во второй половине войны, коническое сканирование. Коническое сканирование работает путем разделения единого луча радиолокатора на два и сравнения мощности отраженного сигнала в обоих лучах для определения, какой из них сильнее. Затем радиолокатор поворачивается в сторону более сильного сигнала, чтобы вернуть цель в центр луча. Антенна вращается таким образом, чтобы это сравнение осуществлялось по всей окружности цели, обеспечивая ее сопровождение по углу места и азимуту. Системы, выполнявшие это автоматически, назывались системами "захвата" или "автосопровождения". Системы радиолучевого сопровождения легко адаптируются для работы с такими системами. Размещая приемные антенны на задней части ракеты, бортовая электроника может сравнивать мощность сигнала с разных точек на корпусе ракеты и использовать это для создания управляющего сигнала, возвращающего ракету в центр луча. При использовании конического сканирования сравнение может использовать несколько пар антенн, обычно две пары, для удержания ракеты в центре по обеим осям. Преимущество этой системы заключается в переносе функции сопровождения на наземный радиолокатор; пока радиолокатор точно нацелен на цель, ракета будет удерживаться на той же линии, используя простую электронику. Основной недостаток системы радиолучевого сопровождения заключается в том, что луч расширяется по мере удаления от излучателя (см. закон обратных квадратов). Следовательно, по мере приближения ракеты к цели точность снижается. Это не является проблемой на коротких дистанциях, но поскольку многие ранние ракеты класса "земля-воздух" были разработаны для больших дальностей, это представляло серьезную проблему. Например, ранние версии ракеты RIM-2 Terrier, принятые на вооружение в 1950-х годах, использовали радиолучевое сопровождение, но более поздние модификации применяли полуактивное радиолокационное наведение для повышения эффективности против высокоманевренных и низколетящих целей. В отличие от радиолучевого сопровождения, полуактивное наведение становится точнее по мере приближения ракеты к цели. Другая проблема заключается в том, что траектория полета ракеты представляет собой, по сути, прямую линию к цели. Это полезно для ракет, обладающих значительным преимуществом в скорости над целью, или при коротком времени полета, но для дальних перехватов высокоманевренных целей ракете необходимо "выводить" цель, чтобы прибыть с достаточной энергией для выполнения финальных маневров. Возможным решением этой проблемы было использование двух радиолокаторов, один для сопровождения цели, а другой для наведения ракеты, но это увеличивало стоимость реализации. Более распространенным решением для ракет большой дальности было управление ракетой полностью независимо от радиолокатора с помощью радиокомандного наведения, как в случае с Nike Hercules. К 1960 году чистое радиолучевое сопровождение стало редкостью.

Beam riding is one of the simplest methods of missile guidance using a radar. It was widely used for surface to air missiles in the post World War II era for this reason. An early example was the British Brakemine, first tested in 1944, as was the first commercially available SAM, the Oerlikon Contraves RSA. Early tracking radars generally use a beam a few degrees wide, which makes it easy to find the target as it moves about. Unfortunately, this makes the beam too wide to accurately attack the target, where measurements on the order of 1/10 of a degree are required. To perform both operations in a single radar, some additional form of encoding is used. For WWII era systems this was either lobe switching, or more commonly by the second half of the war, conical scanning. Conical scanning works by splitting the single radar beam in two, and comparing the return strength in the two beams to determine which is stronger. The radar is then rotated towards the stronger signal to re center the target. The antenna is spun so that this comparison is being carried out all around the target, allowing it to track in both altitude and azimuth. Systems that performed this automatically were known as "lock on" or "lock follow". Beam riding systems can be easily adapted to work with such a system. By placing receiver antennas on the rear of the missile, the onboard electronics can compare the strength of the signal from different points on the missile body and use this to create a control signal to steer it back into the center of the beam. When used with conical scanning, the comparison can use several sets of paired antennas, typically two pairs, to keep itself centered in both axes. This system has the advantage of offloading the tracking to the ground radar; as long as the radar can keep itself accurately pointed at the target, the missile will keep itself along the same line using very simple electronics. The inherent disadvantage of the radar beam riding system is that the beam spreads as it travels outward from the broadcaster (see inverse square law). As the missile flies towards the target, it, therefore, becomes increasingly inaccurate. This is not a problem at short ranges, but as many early surface to air missiles were designed to work at long ranges, this was a major issue. For example, earlier versions of the RIM 2 Terrier missile introduced in the 1950s were beam riders, but later variants employed semi active radar homing to improve their effectiveness against high performance and low flying targets. In contrast to beam riding, semi active guidance becomes more accurate as the missile approaches the target. Another issue is the guidance path of the missile is essentially a straight line to the target. This is useful for missiles with a great speed advantage over their target, or where flight times are short, but for long range engagements against high performance targets the missile will need to "lead" the target in order to arrive with enough energy to do terminal manoeuvres. A possible solution for this problem was to use two radars, one for tracking the target and another for guiding the missile, but this drove up implementation costs. A more common solution for long range missiles was to guide the missile entirely independently of the radar, using command guidance, as was the case for the Nike Hercules. Pure radar beam riding was rare by 1960.

Поездка на лазерном луче

Системы наведения, основанные на сопровождению луча, вновь стали более распространёнными в 1980-х и 90-х годах с появлением недорогих и высокопортативных лазерных целеуказателей. Благодаря использованию более коротких длин волн, лазерный луч может быть спроецирован с гораздо более узким угловым разрешением, чем радиолокационный луч, при этом не требуя значительного увеличения апертуры проектора по сравнению с другими оптическими устройствами, используемыми в типичных системах наведения высокоточного оружия. Это позволяет пространственно кодировать дополнительную информацию в луче с помощью цифровых или электрооптических средств, что даёт ряд преимуществ. Ракеты с небольшими оптическими приемниками в хвостовой части могут следовать за лазерным лучом с той же легкостью, что и за более ранними радиолокационными лучами, но будут более точными благодаря более высокому пространственному разрешению кодирования луча в районе цели. Кроме того, поскольку луч обычно проецируется непосредственно на приемник ракеты, требуется интенсивность на порядок меньше, чем в полуактивных системах, где цель должна быть "подсвечена", а ракета должна обнаруживать рассеянное отражение лазера от цели. Более низкие требования к интенсивности лазерных систем сопровождения луча по сравнению с полуактивными лазерными системами самонаведения могут значительно затруднить их обнаружение лазерными системами предупреждения цели. Можно использовать сигналы очень малой мощности. В современных условиях лазерное сопровождение луча обычно ограничивается ракетами малой дальности, как зенитными, так и противотанковыми. Примеры включают ADATS, Starstreak, RBS 70, российские 9К121 «Вихрь» и 9М119 «Свирь», украинские Skif и Stuhna-P.