Введение
Система наведения оружия, использующая инфракрасное излучение цели для её отслеживания. Инфракрасное самонаведение – это пассивная система наведения оружия, которая использует инфракрасное (ИК) световое излучение от цели для отслеживания и непрерывного следования за ней. Ракеты, использующие инфракрасный поиск, часто называют «теплоискателями», поскольку инфракрасное излучение интенсивно испускается горячими телами. Многие объекты, такие как люди, двигатели транспортных средств и самолёты, генерируют и излучают тепло, и поэтому они особенно заметны в инфракрасном диапазоне длин волн света по сравнению с объектами на фоне. Инфракрасные самонаводящиеся головки – это пассивные устройства, которые, в отличие от радаров, не выдают признаков того, что они отслеживают цель. Это делает их подходящими для внезапных атак во время визуального контакта или на больших дистанциях, когда они используются с системой переднего обзора в инфракрасном диапазоне или аналогичной системой целеуказания. Теплоискатели чрезвычайно эффективны: 90% всех потерь ВВС США в воздушных боях в период с 1984 по 2009 год были вызваны ракетами с инфракрасным самонаведением. Однако они уязвимы для ряда простых контрмер, в частности, сброса ложных тепловых ловушек за целью, чтобы создать обманчивые источники тепла. Это работает только в том случае, если пилот обнаружил ракету и вовремя применил контрмеры. Совершенствование современных самонаводящихся головок делает эти контрмеры всё менее эффективными. Первые ИК-устройства были испытаны во время Второй мировой войны. В ходе войны немецкие инженеры работали над ракетами с тепловым наведением и взрывателями, но не успели завершить разработку до окончания войны. Действительно практичные конструкции стали возможны только с внедрением конического сканирования и миниатюрных вакуумных ламп во время войны. Разработка противовоздушных ИК-систем началась всерьёз в конце 1940-х годов, но электроника и вся область ракетостроения были настолько новыми, что требовали значительной доработки, прежде чем первые образцы поступили на вооружение в середине 1950-х годов. Первые образцы имели существенные ограничения и демонстрировали очень низкую эффективность в боевых условиях в 1960-х годах. Новое поколение, разработанное в 1970-х и 1980-х годах, добилось значительного прогресса и существенно повысило их боевую эффективность. Последние образцы, начиная с 1990-х годов, способны атаковать цели вне своего поля зрения (FOV), позади себя, и даже обнаруживать наземные транспортные средства. ИК-самонаводящиеся головки также являются основой для многих систем полуавтоматического наведения на линию визирования (SACLOS). В этом случае самонаводящаяся головка устанавливается на поворотную платформу на пусковой установке, а оператор удерживает её в общем направлении цели вручную, часто используя небольшой телескоп. Самонаводящаяся головка не отслеживает цель самостоятельно, а ракету, которой могут помогать ложные тепловые ловушки для обеспечения чёткого сигнала. Те же сигналы наведения генерируются и передаются ракете по тонким проводам или радиосигналам, направляя ракету в центр телескопа оператора. Системы SACLOS такого типа использовались как для противотанковых ракет, так и для ракет класса «земля-воздух», а также для других задач. Инфракрасный сенсорный блок на носовой части теплоискателя известен как самонаводящаяся головка. Код НАТО для запуска ракеты класса «воздух-воздух» с инфракрасным наведением – «Fox Two».
Infrared homing is a passive weapon guidance system which uses the infrared (IR) light emission from a target to track and follow it seamlessly. Missiles which use infrared seeking are often referred to as "heat seekers" since infrared is radiated strongly by hot bodies. Many objects such as people, vehicle engines and aircraft generate and emit heat and so are especially visible in the infrared wavelengths of light compared to objects in the background. Infrared seekers are passive devices, which, unlike radar, provide no indication that they are tracking a target. That makes them suitable for sneak attacks during visual encounters or over longer ranges when they are used with a forward looking infrared or similar cuing system. Heat seekers are extremely effective: 90% of all United States air combat losses between 1984 and 2009 were caused by infrared homing missiles. They are, however, subject to a number of simple countermeasures, most notably by dropping flares behind the target to provide false heat sources. That works only if the pilot is aware of the missile and deploys the countermeasures on time. The sophistication of modern seekers has rendered these countermeasures increasingly ineffective. The first IR devices were experimented with during World War II. During the war, German engineers were working on heat seeking missiles and proximity fuses but did not have time to complete development before the war ended. Truly practical designs did not become possible until the introduction of conical scanning and miniaturized vacuum tubes during the war. Anti aircraft IR systems began in earnest in the late 1940s, but the electronics and the entire field of rocketry were so new that they required considerable development before the first examples entered service in the mid 1950s. The early examples had significant limitations and achieved very low success rates in combat during the 1960s. A new generation developed in the 1970s and the 1980s made great strides and significantly improved their lethality. The latest examples from the 1990s and on have the ability to attack targets out of their field of view (FOV) behind them and even to pick out vehicles on the ground. IR seekers are also the basis for many semi automatic command to line of sight (SACLOS) weapons. In this use, the seeker is mounted on a trainable platform on the launcher and the operator keeps it pointed in the general direction of the target manually, often using a small telescope. The seeker does not track the target, but the missile, often aided by flares to provide a clean signal. The same guidance signals are generated and sent to the missile via thin wires or radio signals, guiding the missile into the center of the operator's telescope. SACLOS systems of this sort have been used both for anti tank missiles and surface to air missiles, as well as other roles. The infrared sensor package on the tip or head of a heat seeking missile is known as the seeker head. The NATO brevity code for an air to air infrared guided missile launch is Fox Two.
Ранние исследования
Способность некоторых веществ испускать электроны при воздействии инфракрасного света была открыта известным индийским ученым-эрудитом Джагадишем Чандрой Босом в 1901 году, который наблюдал этот эффект в галене, известной сегодня как сульфид свинца, PbS. В то время практического применения этому не находили, и он позволил своему патенту 1904 года истечь. В 1917 году Теодор Кейс, в ходе работы над звуковой системой Movietone, обнаружил, что смесь таллия и серы обладает гораздо большей чувствительностью, но была крайне электрически нестабильной и оказалась непрактичной в качестве детектора. Тем не менее, некоторое время она использовалась ВМС США в качестве защищенной системы связи. В 1930 году появление фотоумножителя Ag–O–Cs (серебро–кислород–цезий) предоставило первое практическое решение для детектирования ИК-излучения, объединив его со слоем галены в качестве фотокатода. Усиливая сигнал, испускаемый галеной, фотоумножитель создавал полезный выходной сигнал, который можно было использовать для обнаружения горячих объектов на больших расстояниях. Это стимулировало разработки в ряде стран, особенно в Великобритании и Германии, где это рассматривалось как потенциальное решение проблемы обнаружения ночных бомбардировщиков. В Великобритании исследования продвигались медленно, и даже основная исследовательская группа в лаборатории Кавендиша выразила желание работать над другими проектами, особенно после того, как стало ясно, что радар будет более эффективным решением. Тем не менее, Фредерик Линдеманн, любимец Уинстона Черчилля в комитете Тизарда, оставался приверженцем ИК-технологий и все более активно препятствовал работе комитета, который в остальном настаивал на разработке радаров. В конечном итоге комитет был распущен и сформирован заново, Линдеманна исключили из его состава, а его место занял известный эксперт в области радиосвязи Эдвард Виктор Апплтон. В Германии исследования в области радиолокации не получили такой же поддержки, как в Великобритании, и конкурировали с разработками в области ИК на протяжении 1930-х годов. Исследования в области ИК-технологий в основном велись Эдгаром Кутшером в Берлинском университете в сотрудничестве с AEG. К 1940 году они успешно разработали одно решение: Spanner Anlage (примерно «система подглядывания»), состоящую из фотоумножителя-детектора, установленного перед пилотом, и мощного прожектора, оснащенного фильтром для ограничения излучения в ИК-диапазоне. Это обеспечивало достаточно света для обнаружения цели на коротких дистанциях, и Spanner Anlage был установлен на небольшое количество ночных истребителей Messerschmitt Bf 110 и Dornier Do 17. На практике эти системы оказались малоэффективными, и пилоты жаловались, что цель часто становилась видимой только в тот момент, когда они и так бы ее заметили. Было построено всего 15 таких систем, и они были сняты с вооружения по мере совершенствования немецких радиолокационных систем к 1942 году. AEG также работала над применением этих систем на танках и развернула несколько моделей в ходе войны, с ограниченным производством FG 1250, начатым в 1943 году. Эта работа завершилась созданием оптического прицела Zielgerät 1229 Vampir, который использовался с штурмовой винтовкой StG 44 для ночного боя.
Немецкие соискатели
Все упомянутые устройства были детекторами, а не самонаводящимися головками. Они либо генерировали сигнал, указывающий общее направление на цель, либо, в случае более поздних устройств, – изображение. Наведение осуществлялось полностью вручную оператором, наблюдавшим за изображением. В Германии в ходе войны предпринимались усилия по созданию настоящей автоматической системы самонаведения как для противовоздушной, так и для противокорабельной обороны. Эти устройства все еще находились в стадии разработки к моменту окончания войны; хотя некоторые из них были готовы к применению, работы по их интеграции с ракетным корпусом не проводились, и до создания полноценного оружия оставалось еще много работы. Тем не менее, в отчете, представленном в Министерство авиации Германии летом 1944 года, указывалось, что эти устройства были значительно более продвинутыми, чем конкурирующие системы, основанные на радиолокации или акустических методах. Осознавая преимущества пассивного инфракрасного наведения, исследовательская программа началась с ряда теоретических исследований, посвященных излучению целей. Это привело к практическому открытию, что подавляющая часть инфракрасного излучения от самолета с поршневым двигателем приходится на диапазон от 3 до 4,5 микрометров. Выхлопные газы также были сильным источником излучения, но быстро охлаждались в воздухе, поэтому не создавали ложной цели. Также были проведены исследования по атмосферному поглощению, которые показали, что воздух в целом более прозрачен для инфракрасного излучения, чем для видимого света, хотя присутствие водяного пара и углекислого газа вызывало несколько резких падений проницаемости. Наконец, они также рассмотрели вопрос об источниках фонового инфракрасного излучения, включая отражения от облаков и подобные эффекты, и пришли к выводу, что это представляет собой проблему из-за сильных изменений излучения по всему небу. Эти исследования показали, что инфракрасная самонаводящаяся головка может наводиться на трехмоторный бомбардировщик с точностью около 1/10 градуса, что делало ее очень ценным устройством. Команда Кутцшера разработала систему совместно с Кильской электроакустической компанией, известную как «Гамбург», которую готовили к установке на планерующую бомбу Blohm & Voss BV 143 для создания автоматической ракеты класса «выстрелил и забыл» для поражения кораблей. Более продвинутая версия позволяла бомбардиру отклонять линию визирования самонаводящейся головки, чтобы захватить цель сбоку, не летя прямо на нее. Однако это создавало проблему: при первом сбросе бомба двигалась слишком медленно, чтобы аэродинамические рули могли эффективно управлять ею, и цель иногда выходила из поля зрения самонаводящейся головки. Для решения этой проблемы разрабатывалась стабилизированная платформа. Компания также разработала рабочий инфракрасный взрыватель, разместив дополнительные детекторы, направленные радиально наружу от продольной оси ракеты, который срабатывал при уменьшении силы сигнала, что происходило при прохождении ракетой цели. Велась работа по использованию одного датчика для обеих задач вместо двух отдельных. Другие компании также переняли разработки Eletroacustic и создали собственные методы сканирования. AEG и Kepka из Вены использовали системы с двумя подвижными пластинами, которые непрерывно сканировали по горизонтали или вертикали и определяли местоположение цели по времени исчезновения (AEG) или повторного появления (Kepka) изображения. Система Kepka Madrid имела мгновенное поле зрения (IFOV) около 1,8 градуса и сканировала область в 20 градусов. В сочетании с движением всей самонаводящейся головки внутри ракеты, она могла отслеживать цели под углами до 100 градусов. Rheinmetall Borsig и другая команда AEG разработали различные варианты системы с вращающимся диском.
Послевоенные проекты
В послевоенную эпоху, по мере того как немецкие разработки становились все более известными, различные исследовательские проекты начали разрабатывать самонаводящиеся головки на основе сенсора PbS. Они были объединены с технологиями, разработанными во время войны, для повышения точности изначально неточных радиолокационных систем, особенно систем конического сканирования. Одна из таких систем, разработанная ВВС США, известная как "Sun Tracker" ("Следопыт солнца"), разрабатывалась как возможная система наведения для межконтинентальной баллистической ракеты. Испытания этой системы привели к крушению Boeing B-29 у озера Мид в 1948 году. Проект USAAF MX 798 был передан компании Hughes Aircraft в 1946 году для разработки инфракрасной ракеты с самонаведением. В конструкции использовался простой ретикулярный искатель и активная система управления креном в полете. В следующем году его заменил MX 904, требовавший сверхзвуковой версии. На этом этапе концепция заключалась в создании оборонительного оружия, запускаемого назад из длинной трубы в хвостовой части бомбардировщика. В апреле 1949 года проект ракеты Firebird был отменен, а MX 904 был переориентирован на создание оружия для перехвата истребителей. Первые испытательные пуски начались в 1949 году, когда ракете было присвоено обозначение AAM A-2 (ракета "воздух-воздух", ВВС, модель 2) и название Falcon ("Сокол"). Версии с инфракрасным и полуактивным радиолокационным самонаведением (SARH) поступили на вооружение в 1956 году и после 1962 года стали известны как AIM-4 Falcon. Falcon была сложной системой с ограниченными характеристиками, особенно из-за отсутствия взрывателя ближнего действия, и смогла обеспечить лишь 9% поражений в 54 пусках во время операции Rolling Thunder во время войны во Вьетнаме. Однако этот относительно низкий процент успешности следует рассматривать в контексте того, что все эти поражения представляли собой прямые попадания, что не всегда было характерно для поражений другими американскими ракетами класса "воздух-воздух". В том же году, что и MX 798, в 1946 году Уильям Б. Маклин начал изучение аналогичной концепции на испытательной станции военно-морского вооружения, ныне известной как военно-морская станция авиационного вооружения China Lake. Он три года посвятил изучению различных конструкций, что привело к значительно менее сложной конструкции, чем Falcon. Когда его команда разработала проект, который, по их мнению, был работоспособен, они начали пытаться установить его на недавно представленную 5-дюймовую ракету Zuni. Они представили его в 1951 году, и в следующем году он стал официальным проектом. Уолли Ширра вспоминает, как посетил лабораторию и наблюдал, как самонаводящаяся головка следит за его сигаретой. Ракета получила название Sidewinder ("Гремучник") в честь местной змеи; название имело второе значение, поскольку гремучник – это ямконосая змея, охотящаяся по тепловому следу и движущаяся по волнистой траектории, напоминающей траекторию ракеты. Sidewinder поступила на вооружение в 1957 году и широко использовалась во время войны во Вьетнаме. Она оказалась более эффективным оружием, чем Falcon: модели B имели 14% вероятности поражения, а модели D с гораздо большей дальностью – 19%. Ее характеристики и более низкая стоимость привели к тому, что ВВС также приняли ее на вооружение. Первым теплоискателем, созданным за пределами США, стала британская De Havilland Firestreak. Разработка началась как OR.1056 Red Hawk ("Красный ястреб"), но она была признана слишком сложной, и в 1951 году была выпущена модифицированная концепция под кодовым названием OR.1117 Blue Jay ("Голубая сойка"). Разработанная как оружие против бомбардировщиков, Blue Jay была больше, намного тяжелее и летела быстрее, чем ее американские аналоги, но имела примерно такую же дальность. Она имела более совершенную самонаводящуюся головку, использующую PbTe и охлаждаемую до −180 °C (−292.0 °F) безводным аммиаком для повышения ее эффективности. Одной из отличительных особенностей был ее фасетированный носовой конус, который был выбран после того, как было обнаружено, что лед будет скапливаться на более традиционном полусферическом обтекателе. Первый испытательный пуск состоялся в 1955 году, а в августе 1958 года она поступила на вооружение Королевских ВВС. Французский проект R.510 начался позже, чем Firestreak, и был принят на экспериментальное вооружение в 1957 году, но вскоре был заменен версией с радиолокационным самонаведением R.511. Ни одна из них не была очень эффективной и имела небольшую дальность, около 3 км. Обе были заменены первым эффективным французским проектом R.530 в 1962 году. Советский Союз представил свою первую ракету с инфракрасным самонаведением, "Вимпель" К-13, в 1961 году, после обратной разработки Sidewinder, застрявшей в крыле китайского МиГ-17 во время Второго Тайваньского кризиса в 1958 году. К-13 широко экспортировалась и использовалась против своего "двоюродного брата" во Вьетнаме на протяжении всей войны. Она оказалась еще менее надежной, чем AIM-9B, на основе которой она была создана, из-за постоянных сбоев в системе наведения и взрывателя. Две американские программы, AIM-82 и AIM-95 Agile, постигла аналогичная участь. Новые конструкции самонаводящихся головок начали появляться в 1970-х годах и привели к созданию ряда более совершенных ракет. Был начат крупный модернизационный проект Sidewinder, который обеспечил ей самонаводящуюся головку, достаточно чувствительную для отслеживания целей с любого угла, впервые предоставив ракете возможность всеракурсного захвата цели. Это было сочетано с новой схемой сканирования, которая помогала отсеивать ложные цели (например, солнечные блики от облаков) и улучшать наведение на цель. Небольшое количество получившихся ракет модели L было в спешке отправлено в Великобританию непосредственно перед началом Фолклендской войны, где они достигли 82% вероятности поражения, а промахи обычно были связаны с тем, что цель выходила за пределы досягаемости. Аргентинские самолеты, оснащенные Sidewinder B и R.550 Magic, могли вести огонь только с задней полусферы, чего британские пилоты просто избегали, всегда направляя свои самолеты прямо на них. Модель L была настолько эффективной, что самолеты поспешили добавить ложные тепловые цели, что привело к незначительной модернизации модели M для лучшего отсеивания ложных целей. Модели L и M стали основой западных военно-воздушных сил до конца эпохи холодной войны. Еще более значительный шаг был сделан советскими войсками с их ракетой Р-73, которая заменила К-13 и другие ракеты значительно улучшенной конструкцией. Эта ракета представила возможность поражать цели, полностью находящиеся вне поля зрения самонаводящейся головки; после запуска ракета ориентировалась в направлении, указанном пусковой установкой, а затем пыталась захватить цель. В сочетании со шлемом, ракета могла быть наведена и захвачена без необходимости сначала направлять самолет запуска на цель. Это оказалось значительным преимуществом в бою и вызвало серьезную обеспокоенность у западных сил. Решением проблемы Р-73 изначально должна была стать ASRAAM, общеевропейская разработка, сочетающая в себе характеристики Р-73 с изображающей самонаводящейся головкой. В рамках широкого соглашения США согласились принять ASRAAM для своей новой ракеты малой дальности, а европейцы – AMRAAM в качестве оружия средней дальности. Однако ASRAAM вскоре столкнулась с непреодолимыми задержками, поскольку каждая из стран-участниц считала более важным другой показатель производительности. В конечном итоге США вышли из программы и вместо этого адаптировали новые самонаводящиеся головки, разработанные для ASRAAM, для еще одной версии Sidewinder, AIM-9X. Это настолько продлило срок ее службы, что она будет на вооружении почти столетие к тому времени, когда современные самолеты будут сняты с вооружения. ASRAAM, в конечном итоге, создала ракету, которая была принята на вооружение рядом европейских стран, и многие из тех же технологий появились в китайской PL-10 и израильской Python 5.
MANPAD
Основываясь на тех же общих принципах, что и оригинальный Sidewinder, в 1955 году компания Convair начала исследования портативного зенитного ракетного комплекса (ПЗРК), который впоследствии стал FIM 43 Redeye. Испытания начались в 1961 году, но предварительный проект показал низкую эффективность, после чего последовала серия крупных модернизаций. Лишь в 1968 году версия Block III была запущена в серийное производство. В 1964 году Советский Союз начал разработку двух практически идентичных комплексов: «Стрела-1» и «Стрела-2». Разработка этих комплексов проходила более гладко, поскольку 9К32 «Стрела-2» поступила на вооружение в 1968 году, потребовав меньше времени на разработку, чем Redeye. Изначально конкурирующая разработка 9К31 «Стрела-1» была значительно увеличена в размерах для установки на технику и поступила на вооружение примерно в то же время. Великобритания начала разработку своего комплекса Blowpipe в 1975 году, но разместила головку самонаведения на пусковой установке, а не на самой ракете. Головка самонаведения отслеживала как цель, так и ракету, передавая корректирующие данные ракете по радиоканалу. Эти первые комплексы оказались неэффективными: Blowpipe практически не смог продемонстрировать успех в боевых условиях, в то время как Redeye показал себя несколько лучше. «Стрела-2» оказалась более успешной и одержала ряд побед на Ближнем Востоке и во Вьетнаме. Крупная программа модернизации Redeye началась в 1967 году под названием Redeye II. Испытания начались только в 1975 году, а первые поставки переименованного FIM 92 Stinger – в 1978 году. В 1983 году в модель B была добавлена улучшенная головка самонаведения «розетка», после чего последовало несколько дополнительных модернизаций. Применение комплексов в ходе советско-афганской войны показало 79% эффективность против советских вертолетов, хотя эти данные оспариваются. Советский Союз также совершенствовал свои комплексы, представив 9К34 «Стрела-3» в 1974 году, а также значительно улучшенный двухчастотный 9К38 «Игла» в 1983 году и «Игла-С» в 2004 году.
Типы искателей
Три основных материала, используемых в инфракрасном датчике, – это сульфид свинца(II) (PbS), антимонид индия (InSb) и теллурид ртути-кадмия (HgCdTe). В более старых датчиках обычно использовался PbS, в новых – InSb или HgCdTe. Все они показывают лучшие результаты при охлаждении, поскольку становятся более чувствительными и способны обнаруживать более холодные объекты. Первые инфракрасные самонаводящиеся головки самонаведения были наиболее эффективны в обнаружении инфракрасного излучения с более короткой длиной волны, например, излучения углекислого газа с длиной волны 4,2 микрометра из реактивного двигателя. Это делало их полезными главным образом в сценариях преследования по хвосту, когда выхлоп был виден, а траектория ракеты вела её к самолёту. В боевых условиях они оказались крайне неэффективными, поскольку пилоты пытались произвести пуск сразу после захвата цели самонаводящейся головкой, осуществляя пуск под углами, при которых двигатели цели быстро скрывались или выходили из поля зрения ракеты. Такие самонаводящиеся головки, наиболее чувствительные к диапазону 3–5 микрометров, теперь называются одноцветными. Это привело к разработке новых самонаводящихся головок, чувствительных как к выхлопным газам, так и к более длинному диапазону длин волн 8–13 микрометров, который меньше поглощается атмосферой и, следовательно, позволяет обнаруживать более слабые источники, такие как сам фюзеляж. Такие конструкции известны как ракеты, способные атаковать «со всех сторон». Современные самонаводящиеся головки объединяют несколько детекторов и называются двухцветными системами. Самоводящиеся головки, способные атаковать «со всех сторон», также обычно требуют охлаждения для обеспечения высокой чувствительности, необходимой для захвата слабых сигналов, поступающих с передней и боковых сторон самолета. Тепловое излучение от внутренних компонентов датчика или аэродинамически нагретого окна датчика может заглушить слабый сигнал, поступающий от цели. (В камерах с ПЗС-матрицами наблюдаются аналогичные проблемы: при более высоких температурах у них значительно больше «шума»). Современные ракеты, способные атаковать «со всех сторон», такие как AIM 9M Sidewinder и Stinger, используют сжатый газ, например аргон, для охлаждения своих датчиков, чтобы обеспечить захват цели на больших расстояниях и под любыми углами. (Некоторые, такие как AIM 9J и ранние модели Р-60, использовали термоэлектрический охладитель Пельтье).
Модели сканирования и модуляции
Детектор в ранних системах наведения едва ли был направленным, принимая излучение с очень широкого поля зрения (FOV), возможно, 100 градусов или более. Цель, находящаяся в любой точке этого FOV, создаёт одинаковый выходной сигнал. Поскольку задача системы наведения – подвести цель к радиусу поражения боевой части, детектор должен быть оснащён системой для сужения FOV до более узкого угла. Обычно этого достигают, размещая детектор в фокальной точке какого-либо телескопа. Это приводит к проблеме противоречивых требований к характеристикам. По мере уменьшения FOV система наведения становится точнее, что также помогает исключить фоновые помехи и улучшить сопровождение цели. Однако, чрезмерное ограничение FOV может привести к тому, что цель выйдет из поля зрения и будет потеряна. Для эффективного наведения на радиус поражения оптимальным является угол сопровождения в один градус, но для непрерывного и безопасного сопровождения цели желательны FOV порядка 10 градусов или более. Эта ситуация обуславливает использование различных конструкций, применяющих относительно широкое FOV для облегчения сопровождения, а затем обрабатывающих полученный сигнал для повышения точности наведения. Как правило, вся сборка системы наведения монтируется на карданной системе, позволяющей ей отслеживать цель на широких углах, а угол между системой наведения и летательным аппаратом используется для внесения корректировок в наведение. Это порождает понятия мгновенного поля зрения (IFOV), которое представляет собой угол, воспринимаемый детектором, и общего поля зрения, также известного как угол захвата или возможность работы вне оси, которое включает в себя перемещение всей сборки системы наведения. Поскольку сборка не может перемещаться мгновенно, быстро движущаяся цель на линии полёта ракеты может быть потеряна из IFOV, что приводит к понятию скорости сопровождения, обычно выражаемой в градусах в секунду.
Линейный сканирование
Некоторые из первых немецких искателей использовали решение с линейным сканированием, при котором вертикальные и горизонтальные щели перемещались вперед и назад перед детектором, а в случае Мадрида – два металлических экрана наклонялись, чтобы блокировать ту или иную часть сигнала. Сопоставляя время приема вспышки с положением сканера в этот момент, можно было определить угловое отклонение по вертикали и горизонтали. Однако у этих искателей также был существенный недостаток: их поле зрения (FOV) определялось физическим размером щели (или непрозрачной планки). Если этот размер был слишком мал, изображение цели оказывалось слишком маленьким для создания полезного сигнала, а если слишком большим – точность снижалась. По этой причине линейные сканеры имели принципиальные ограничения по точности. Кроме того, двойное возвратно-поступательное движение было сложным и механически ненадежным, и обычно требовалось использование двух отдельных детекторов.
Спин-сканирование
Большинство ранних систем наведения использовали так называемые сканеры с вращением, чопперы или искатели с ретикулярной разметкой. Они состояли из прозрачной пластины с последовательностью непрозрачных сегментов, нанесенных на неё, которая размещалась перед ИК-детектором. Пластина вращается с постоянной скоростью, что приводит к периодическому прерыванию изображения цели.
Гамбургская система
Гамбургская система, разработанная во время войны, является самой простой и легко понятной системой. Её диск был окрашен в черный цвет с одной стороны, а другая оставлена прозрачной. Для данного описания мы будем рассматривать вращение диска по часовой стрелке, если смотреть с датчика; точкой вращения, когда линия между темной и светлой половинами горизонтальна, а прозрачная сторона находится сверху, будем считать положение «12 часов». Фотоэлемент расположен за диском в положении «12 часов». Цель находится непосредственно над ракетой. Датчик начинает видеть цель, когда диск находится в положении «9 часов», поскольку прозрачная часть диска выравнивается вертикально, и цель в положении «12 часов» становится видимой. Датчик продолжает видеть цель до тех пор, пока диск не достигнет положения «3 часа». Генератор сигнала формирует синусоидальную форму волны переменного тока с частотой, равной скорости вращения диска. Он синхронизирован таким образом, чтобы волна достигала максимального положительного напряжения в положении «12 часов». Таким образом, в течение периода, когда цель видна датчику, форма волны переменного тока находится в положительной полуволне, изменяясь от нуля до максимума и обратно к нулю. Когда цель исчезает, датчик активирует переключатель, который инвертирует выходной сигнал переменного тока. Например, когда диск достигает положения «3 часа» и цель исчезает, переключатель срабатывает. Это происходит одновременно с началом отрицательной полуволны исходной формы волны переменного тока, поэтому переключатель инвертирует её обратно в положительную. Когда диск достигает положения «9 часов», ячейка переключается снова, больше не инвертируя сигнал, который теперь снова входит в положительную фазу. В результате выходной сигнал этой ячейки представляет собой серию полусинусоид, всегда положительных. Этот сигнал затем сглаживается для получения постоянного напряжения, которое отправляется в систему управления и дает команду ракете подняться. Вторая ячейка, расположенная в положении «3 часа», завершает систему. В этом случае переключение происходит не в положениях «9» и «3 часов», а в положениях «12» и «6 часов». При той же цели волновая форма только что достигает своего максимального положительного значения в положении «12 часов», когда она переключается на отрицательную. После этого, по мере вращения, формируется серия усеченных положительных и отрицательных синусоид. После прохождения через ту же систему сглаживания выходной сигнал равен нулю. Это означает, что ракете не требуется корректировка влево или вправо. Если бы цель сместилась вправо, например, сигнал от сглаживателя был бы все более положительным, указывая на необходимость увеличения коррекции вправо. На практике второй фотоэлемент не требуется; вместо этого оба сигнала можно получить из одного фотоэлемента с помощью электрических задержек или второго опорного сигнала, сдвинутого по фазе на 90 градусов относительно первого. Эта система генерирует сигнал, чувствительный к углу на «циферблате», то есть к азимуту, но не к углу между целью и продольной осью ракеты, то есть к углу отклонения (или угловой ошибке). Это не требовалось для противокорабельных ракет, где цель движется очень медленно относительно ракеты, и ракета быстро выравнивается с ней. Она также не подходила для воздушного боя, где скорости выше и требуется более плавное управление. В этом случае система была незначительно изменена: модулирующий диск был выполнен в форме кардиоиды, которая отключала сигнал на большее или меньшее время в зависимости от расстояния от продольной оси. Другие системы использовали второй сканирующий диск с радиальными щелями для достижения того же результата, но с использованием второй выходной цепи.
Позднейшие концепции
AEG разработала гораздо более продвинутую систему во время войны, и она стала основой для большинства послевоенных экспериментов. В этом случае диск был покрыт серией непрозрачных областей, часто в виде радиальных полос, образующих узор, напоминающий кусок пиццы. Как и в системе, разработанной в Гамбурге, генерировался переменный сигнал, соответствующий частоте вращения диска. Однако в данном случае сигнал не включается и не выключается в зависимости от угла, а постоянно генерируется с очень высокой частотой. Это создает серию импульсов, которые сглаживаются для получения второго переменного сигнала с той же частотой, что и тестовый сигнал, но фаза которого контролируется фактическим положением цели относительно диска. Сравнивая фазы двух сигналов, можно определить как вертикальную, так и горизонтальную поправку по одному сигналу. Значительное улучшение было достигнуто в рамках программы Sidewinder: выходной сигнал подавался в наушники пилота, где создавался своеобразный рычащий звук, известный как "тон ракеты", который указывал на то, что цель находится в зоне видимости головки самонаведения. В ранних системах этот сигнал подавался непосредственно на рули управления, вызывая быстрые колебательные движения для возврата ракеты на правильный курс – система управления, известная как "bang-bang". Управление типа "bang-bang" крайне неэффективно с аэродинамической точки зрения, особенно при приближении цели к центральной линии, когда рули управления постоянно переключаются вперед и назад без ощутимого эффекта. Это привело к стремлению либо сгладить эти выходные сигналы, либо измерять отклонение от цели и использовать его для управления. Этого можно достичь, используя тот же диск и внеся изменения в физическую компоновку оптики. Поскольку физическое расстояние между радиальными полосами больше на внешней части диска, изображение цели на фотоэлементе также больше, и, следовательно, имеет больший выходной сигнал. Располагая оптику таким образом, чтобы сигнал все больше блокировался по мере приближения к центру диска, результирующий выходной сигнал изменяется по амплитуде в зависимости от угла отклонения. Однако амплитуда сигнала также будет изменяться по мере приближения ракеты к цели, поэтому это не является полноценной системой и часто требуется автоматическая регулировка усиления. Системы сканирования вращением могут устранить сигнал от протяженных источников, таких как солнечный свет, отраженный от облаков, или от горячего песка пустыни. Для этого сетка модифицируется путем покрытия одной половины пластины не полосами, а материалом с 50% светопропусканием. Выходной сигнал такой системы представляет собой синусоиду в течение половины оборота и постоянный сигнал в течение другой половины. Постоянный выходной сигнал изменяется в зависимости от общей освещенности неба. Протяженная цель, занимающая несколько сегментов, например, облако, также вызовет постоянный сигнал, и любой сигнал, приближающийся к постоянному, будет отфильтрован. Существенной проблемой системы сканирования вращением является то, что сигнал, когда цель находится близко к центру, падает до нуля. Это происходит потому, что даже ее небольшое изображение покрывает несколько сегментов, которые сужаются к центру, создавая сигнал, достаточно похожий на сигнал от протяженного источника, который отфильтровывается. Это делает такие головки самонаведения чрезвычайно чувствительными к ложным целям (например, тепловым ловушкам), которые удаляются от самолета и, следовательно, создают все более сильный сигнал, в то время как самолет практически не излучает. Кроме того, по мере приближения ракеты к цели даже небольшие изменения относительного угла достаточно, чтобы вывести ее из этой центральной нулевой зоны и снова начать подавать управляющие сигналы. С контроллером типа "bang-bang" такие конструкции, как правило, начинают чрезмерно реагировать в последние моменты подхода, вызывая большие промахи и требуя использования мощных боевых частей.
Коническое сканирование
Большим улучшением базовой концепции спинового сканирования является конический сканер или con scan. В этой схеме фиксированная ретикула помещается перед детектором, и оба располагаются в точке фокусировки небольшого рефлекторного телескопа Кассегрена. Вторичное зеркало телескопа слегка отклонено от оси и вращается. Это приводит к вращению изображения цели вокруг ретикулы, а не вращению самой ретикулы. Рассмотрим пример системы, в которой зеркало самонаводящейся головки наклонено на 5 градусов, и ракета отслеживает цель, которая в данный момент находится в центре перед ракетой. По мере вращения зеркала изображение цели отражается в противоположном направлении, поэтому в данном случае изображение движется по окружности на расстоянии 5 градусов от центральной линии ретикулы. Это означает, что даже централизованная цель создает изменяющийся сигнал при прохождении над метками на ретикуле. В тот же момент система спинового сканирования выдавала бы постоянный сигнал в своей центральной нулевой точке. Ложные цели (фальш-цели) все еще будут видны коническим сканером и вызывать помехи, но они больше не будут подавлять целевой сигнал, как это происходит в случае спинового сканирования, когда фальш-цель покидает нулевую точку. Определение азимута цели происходит так же, как и в системе спинового сканирования, путем сравнения выходного сигнала с опорным сигналом, генерируемым двигателями, вращающими зеркало. Однако определение угла отклонения несколько сложнее. В системе спинового сканирования длительность между импульсами кодирует угол, увеличивая или уменьшая силу выходного сигнала. Этого не происходит в конической системе сканирования, где изображение в целом остается центрированным на ретикуле. Вместо этого угол определяется тем, как импульсы изменяются в течение одного цикла сканирования. Рассмотрим цель, расположенную на 10 градусов левее центральной линии. Когда зеркало направлено влево, цель кажется близкой к центру зеркала, и, следовательно, проецирует изображение на 5 градусов левее центральной линии ретикулы. Когда зеркало поворачивается вверх, относительный угол цели равен нулю, поэтому изображение появляется на 5 градусов ниже центральной линии, а когда зеркало направлено вправо – на 15 градусов левее. Поскольку угол отклонения на ретикуле вызывает изменение длительности выходного импульса, результат передачи этого сигнала на смеситель представляет собой частотную модуляцию (FM), повышающуюся и понижающуюся в течение цикла вращения. Эта информация затем извлекается в систему управления для наведения. Одним из основных преимуществ конической системы сканирования является то, что FM-сигнал пропорционален углу отклонения, что обеспечивает простое решение для плавного перемещения органов управления, что приводит к гораздо более эффективной аэродинамике. Это также значительно повышает точность: ракета со спиновым сканированием, приближающаяся к цели, будет подвергаться непрерывным сигналам при движении цели внутрь и наружу от центральной линии, что приведет к резким корректирующим маневрам, в то время как FM-сигнал конического сканирования устраняет этот эффект и улучшает вероятностную круговую ошибку (CEP) до одного метра. Большинство конических систем сканирования стремятся удерживать изображение цели как можно ближе к краю ретикулы, поскольку это вызывает наибольшее изменение выходного сигнала при движении цели. Однако это также часто приводит к тому, что цель полностью выходит за пределы ретикулы, когда зеркало направлено в сторону от цели. Для решения этой проблемы центр ретикулы окрашен в 50%-ную градацию серого, поэтому, когда изображение пересекает его, выход становится фиксированным. Но поскольку зеркало движется, этот период кратковременен, и нормальное прерывистое сканирование возобновляется, когда зеркало снова начинает направляться к цели. Самонаводящаяся головка может определить, когда изображение находится в этой области, поскольку это происходит прямо напротив точки, когда изображение полностью исчезает из поля зрения самонаводящейся головки, и сигнал пропадает. Анализируя сигнал, когда известно, что он пересекает эту точку, генерируется AM-сигнал, идентичный сигналу самонаводящейся головки со спиновым сканированием. Таким образом, за счет дополнительной электроники и таймеров коническая система сканирования может поддерживать отслеживание даже при отклонении цели от оси, что является еще одним важным преимуществом по сравнению с ограниченным полем зрения систем спинового сканирования.
Поисковики с перекрестным массивом
Поисковик с перекрестным массивом имитирует действие ретикула в системе консканирования за счет физического расположения самих детекторов. Классические фотоэлементы обычно имеют круглую форму, но усовершенствования в технологиях изготовления, особенно в твердотельной электронике, позволяют создавать их любой формы. В системе с перекрестным массивом (как правило) четыре прямоугольных детектора расположены в форме креста (+). Сканирование выполняется аналогично консканированию, что приводит к тому, что изображение цели последовательно сканирует каждый из детекторов. Для цели, находящейся в центре поля зрения, изображение вращается вокруг детекторов и пересекает их в одной и той же относительной точке. Это приводит к тому, что сигнал от каждого детектора представляет собой идентичные импульсы в определенный момент времени. Однако, если цель не находится в центре, траектория изображения будет смещена, как и прежде. В этом случае расстояние между разнесенными детекторами вызывает изменение задержки между повторным появлением сигнала: она больше для изображений, расположенных дальше от центральной линии, и меньше – для изображений, расположенных ближе. Схемы, подключенные к зеркалам, генерируют этот оценочный сигнал в качестве управляющего, как и в случае консканирования. Сравнение сигнала детектора с управляющим сигналом обеспечивает необходимые коррекции. Преимущество этой конструкции заключается в значительном улучшении подавления ложных сигналов (вспышек). Поскольку детекторы тонкие в поперечном направлении, они фактически имеют чрезвычайно узкое поле зрения, независимо от конфигурации зеркал телескопа. При запуске координаты цели кодируются в память поисковика, и поисковик определяет, когда он ожидает увидеть этот сигнал, пересекающий детекторы. С этого момента любые сигналы, поступающие вне коротких интервалов, определяемых управляющим сигналом, отбрасываются. Поскольку вспышки обычно прекращают движение в воздухе почти сразу после выпуска, они быстро исчезают из зоны обзора сканера. Единственный способ обмануть такую систему – постоянно выпускать ложные цели, чтобы они всегда находились рядом с самолетом, или использовать буксируемую ложную цель.
Розетовые поисковики
Розетоискатель, также известный как псевдоимажер, использует большую часть механической компоновки системы консканирования, но добавляет дополнительное зеркало или призму для создания более сложного рисунка, формирующего розетку. По сравнению с фиксированным углом консканирования, розеточный рисунок обеспечивает сканирование изображения под большими углами. Датчики на ведущих валах передаются на смеситель, который генерирует выборочный FM-сигнал. Смешивание этого сигнала с сигналом от искателя устраняет влияние движения, формируя выходной сигнал, идентичный сигналу от консканирования. Основное преимущество заключается в том, что розетоискатель сканирует более широкую область неба, что значительно затрудняет выход цели за пределы поля зрения. Недостатком розеточного сканирования является получение очень сложного выходного сигнала. Объекты в поле зрения искателя генерируют отдельные сигналы при сканировании неба; система может обнаруживать цель, вспышки, солнце и землю в разное время. Для обработки этой информации и выделения цели отдельные сигналы поступают в компьютерную память. В течение полного цикла сканирования формируется двухмерное изображение, что и обусловило название "псевдоимажер". Хотя это усложняет систему, полученное изображение предоставляет гораздо больше информации. Вспышки можно идентифицировать и отфильтровать по их небольшому размеру, облака – по большему и т.д.
Системы визуализации
Современные самонаводящиеся ракеты используют инфракрасную визуализацию (IIR), в которой ИК/УФ-сенсор представляет собой матрицу фокусирующей плоскости, способную создавать изображение в инфракрасном диапазоне, подобно ПЗС-матрице в цифровой камере. Это требует значительно большей обработки сигнала, но может быть гораздо точнее и сложнее обмануть ложными целями. Помимо повышенной устойчивости к тепловым ловушкам, новые головки самонаведения также менее подвержены захвату на солнце – еще одному распространенному способу уклонения от ракет с инфракрасным наведением. Благодаря использованию передовых методов обработки изображений можно определить наиболее уязвимую часть цели, на которую затем и направляется ракета. Все западные ракеты класса "воздух-воздух" малой дальности, такие как AIM 9X Sidewinder и ASRAAM, используют инфракрасные головки самонаведения, а также китайский PL-10 SRAAM, тайваньский TC-1, израильский Python 5 и российские Р-74М/М2.
Контрмеры
Есть два основных способа противодействия ИК-головкам самонаведения: использование ложных тепловых целей или ИК-помех.
Флагеры
Ранние самонаводящиеся головки не выделяли цель, и любое изображение в их поле зрения (FOV) создавало сигнал. Вспышка, выпущенная целью, вызывала появление второго сигнала в пределах FOV, формируя второй угловой выход и увеличивая вероятность того, что головка самонаведения начнет захватывать вспышку вместо цели. Против ранних самонаводящихся головок с круговым сканированием это было крайне эффективно, поскольку сигнал от цели ослаблялся на среднем участке траектории, поэтому даже слабый сигнал от вспышки мог быть обнаружен и отслежен. Разумеется, если это происходило, вспышка исчезала из поля зрения, и самолет снова становился видимым. Однако, если самолет покидал поле зрения в это время – что происходило быстро – ракета больше не могла повторно захватить цель. Одним из решений проблемы с вспышками стало использование двухчастотной самонаводящей головки. Ранние головки использовали один детектор, чувствительный к самым горячим частям самолета и реактивной струе, что делало их подходящими для сценариев погони сзади. Чтобы ракета могла отслеживать цель с любого угла, были добавлены новые детекторы, гораздо более чувствительные в других частотных диапазонах. Это позволило различать вспышки: два искателя определяли разные местоположения самолета – сам самолет и его реактивную струю, – в то время как вспышка отображалась в одной и той же точке на обеих частотах. Таким образом, их можно было исключить. Более сложные системы использовали цифровую обработку, особенно головки с перекрестной и розеткообразной матрицами. Они имели чрезвычайно узкое мгновенное поле зрения (IFOV), которое можно было обработать для создания изображения, подобно настольному сканеру. Запоминая положение цели от скана к скану, можно было исключить объекты, движущиеся с высокой скоростью относительно цели. Этот процесс известен как кинематическая фильтрация. Тот же процесс используется в системах формирования изображений, которые формируют изображение напрямую, а не сканируют, и обладают дополнительной возможностью исключать небольшие цели, непосредственно измеряя их угловой размер.
Запорщики
Ранние системы наведения определяли угол к цели по времени приёма сигнала. Это делает их уязвимыми для помех, создаваемых путём излучения ложных сигналов, настолько мощных, что они обнаруживаются даже при наведении визира на датчик. Ранние системы постановки помех, такие как AN/ALQ 144, использовали нагретый блок карбида кремния в качестве инфракрасного источника и окружали его вращающимся набором линз, которые проецировали изображение в виде серии движущихся по небу пятен. В современных версиях чаще применяется инфракрасный лазер, направленный на быстро вращающееся зеркало. Когда луч попадает на искатель, он вызывает вспышку света, появляющуюся вне последовательности, что нарушает временную схему, используемую для вычисления угла. При успешном применении инфракрасные помехи приводят к тому, что ракета летит беспорядочно. Инфракрасные помехи гораздо менее эффективны против современных изображающих искателей, поскольку они не используют временные характеристики для измерений. В этих случаях система постановки помех может оказаться контрпродуктивной, поскольку она обеспечивает дополнительный сигнал в той же области, что и цель. Некоторые современные системы размещают свои средства постановки помех на буксируемых контейнерах защиты, рассчитывая на то, что ракета наведётся на сильный сигнал, однако современные системы обработки изображений могут сделать это неэффективным и потребовать, чтобы контейнер максимально походил на самолёт, что ещё больше усложняет конструкцию. Более современная лазерная технология отказалась от сканирования и вместо этого использует другие методы обнаружения для идентификации ракеты и точного наведения лазера на неё. Это непрерывно ослепляет искатель и эффективно даже против современных изображающих искателей. Эти направленные инфракрасные средства противодействия (DIRCM) очень эффективны, но также очень дороги и, как правило, подходят только для не маневрирующих летательных аппаратов, таких как грузовые самолёты и вертолёты. Их внедрение усложняется необходимостью установки фильтров перед сенсором для устранения сигналов с отклоняющейся частотой, что требует от лазера настройки на частоту искателя или сканирования диапазона частот. Ведутся работы по созданию систем, обладающих достаточной мощностью для оптического повреждения головной части или фильтров ракеты, но это пока выходит за рамки современных возможностей.
Отслеживание
Большинство инфракрасных управляемых ракет имеют свои головки самонаведения, установленные на поворотном устройстве (гимнале). Это позволяет датчику быть нацеленным на цель, даже когда ракета не нацелена на нее. Это важно по двум основным причинам. Во-первых, до и во время запуска ракета не всегда может быть направлена на цель. Вместо этого пилот или оператор наводит головку самонаведения на цель с помощью радара, прицела, установленного на шлеме, оптического прицела или, возможно, направляя нос самолета или пусковой установки непосредственно на цель. Как только головка самонаведения обнаруживает и распознает цель, она сообщает об этом оператору, который затем обычно "разблокирует" головку самонаведения (разрешая ей самостоятельно следить за целью). После этого головка самонаведения остается захваченной на цели, даже если самолет или пусковая платформа перемещается. При запуске оружия оно может не иметь возможности контролировать направление, пока двигатель не запустится и ракета не достигнет достаточной скорости, чтобы рули могли управлять ее траекторией. До этого момента головка самонаведения на поворотном устройстве должна быть способна самостоятельно отслеживать цель. Наконец, даже находясь под управлением и на пути к перехвату цели, ракета, скорее всего, не будет направлена прямо на нее; если цель не движется непосредственно к пусковой платформе или от нее, кратчайший путь перехвата не будет совпадать с направлением прямо на цель, поскольку она движется поперек линии визирования ракеты. Первые тепловые ракеты просто наводились на цель и преследовали ее, что было неэффективно. Современные ракеты более совершенны и используют головку самонаведения на поворотном устройстве в сочетании с так называемым пропорциональным наведением, чтобы избежать колебаний и двигаться по оптимальной траектории перехвата.