Введение
Различные методы наведения ракеты
Наведение ракеты относится к множеству методов управления ракетой или управляемой бомбой к заданной цели. Точность попадания ракеты является критически важным фактором ее эффективности. Системы наведения повышают точность ракеты, увеличивая вероятность наведения (Pg). Эти технологии наведения обычно можно разделить на несколько категорий, основными из которых являются активное, пассивное и запрограммированное наведение. Ракеты и управляемые бомбы обычно используют схожие типы систем наведения, при этом разница заключается в том, что ракеты оснащены бортовым двигателем, а управляемые бомбы используют скорость и высоту самолета-носителя для движения.
История
Концепция беспилотного управления возникла как минимум во время Первой мировой войны, с идеей дистанционного наведения авиабомбы на цель, как, например, в системах, разработанных Арчибальдом Лоу для первых аппаратов с дистанционным управлением (отца радионаведения). Во время Второй мировой войны впервые были разработаны управляемые ракеты в рамках немецкой программы оружия V. Проект "Голубь" представлял собой попытку американского бихевиориста Б. Ф. Скиннера создать бомбу, управляемую голубями. Первой американской баллистической ракетой с высокоточной инерциальной системой наведения стала ракета малой дальности PGM 11 Redstone.
Категории систем наведения
Системы наведения подразделяются на различные категории в зависимости от того, для поражения каких целей они предназначены – неподвижных или движущихся. Оружие можно разделить на две основные категории: системы наведения типа "Go onto target" (GOT) и "Go onto location in space" (GOLIS).
Команда на линию видимости
Система CLOS использует только угловые координаты между ракетой и целью для обеспечения перехвата. Ракета удерживается на линии визирования (LOS) между пусковой установкой и целью, и любое отклонение от этой линии немедленно корректируется. Поскольку данную систему наведения применяют во многих типах ракет, их обычно подразделяют на четыре группы: особый тип командного наведения, при котором ракете постоянно задается положение на линии визирования (LOS) между отслеживающим устройством и воздушной целью, известен как наведение по линии визирования (CLOS) или трехточечное наведение. Иными словами, ракета управляется таким образом, чтобы максимально точно оставаться на LOS к цели после захвата, а сигналы наведения от наземного оператора передаются ракете. В частности, если учесть и добавить ускорение луча к номинальному ускорению, рассчитанному по уравнениям следования за лучом, то получится наведение CLOS. Таким образом, команда ускорения для следования за лучом модифицируется путем добавления дополнительного члена. Учитывая движение луча, можно значительно улучшить характеристики следования за лучом, описанные выше. Наведение CLOS в основном используется в системах ближней противовоздушной обороны и противотанковых комплексах.
Ручная команда на линию видимости
Отслеживание цели и отслеживание и управление ракетой выполняются вручную. Оператор наблюдает за полетом ракеты и использует систему сигнализации, чтобы направить ракету обратно на прямую линию между оператором и целью ("линия видимости"). Это обычно эффективно только для более медленных целей, где не требуется значительный "упреждение". MCLOS является подтипом систем командного наведения. Эта система работала в случае с планирующими бомбами или ракетами против кораблей, а также с сверхзвуковой ракетой "Вассерфаль" против медленно движущихся бомбардировщиков B-17 Flying Fortress, но с увеличением скорости MCLOS быстро становилась неэффективной для большинства задач.
Полуручная команда на линию видимости
Отслеживание цели автоматическое, а наведение и управление ракетой – ручное.
Полуавтоматическая команда на линию видимости
Отслеживание цели осуществляется вручную, но наведение и управление ракетой – автоматические. Система схожа с MCLOS, однако некоторые автоматические системы позиционируют ракету в линии визирования, в то время как оператор лишь сопровождает цель. SACLOS имеет преимущество в том, что ракета может быть запущена из положения, невидимого для оператора, а также, как правило, значительно проще в эксплуатации. Это наиболее распространенный тип наведения при поражении наземных целей, таких как танки и бункеры.
Автоматическая команда на линию видимости
Отслеживание цели, управление и наведение ракет выполняются в автоматическом режиме.
Команда вне поля зрения
Эта система наведения была одной из первых, применённых на практике, и до сих пор находится в эксплуатации, главным образом в зенитных ракетах. В этой системе трекер цели и трекер ракеты могут быть ориентированы в различных направлениях. Система наведения обеспечивает перехват цели ракетой, определяя их местоположение в пространстве. Это означает, что она не полагается на угловые координаты, как в системах CLOS. Для этого необходима дополнительная координата – расстояние. Чтобы это стало возможным, должны быть активны оба трекера: цели и ракеты. Они всегда работают в автоматическом режиме, а радар используется в качестве единственного датчика в этих системах. Стандарт SM-2MR инерциально управляется на среднем участке траектории, но получает поддержку от системы COLOS посредством радиолокационной связи, обеспечиваемой радаром AN/SPY 1, установленным на пусковой платформе.
Направление по движению при прямой видимости
В ракете используется "луч" – как правило, радио-, радиолокационный или лазерный – который направляется на цель, а детекторы в хвостовой части ракеты удерживают её в центре этого луча. Системы наведения по лучу часто являются SACLOS, но не обязательно; в других системах луч является частью автоматизированной системы радиолокационного сопровождения. Ярким примером является более поздние версии ракеты RIM-8 Talos, использовавшиеся во Вьетнаме: радиолокационный луч использовался для вывода ракеты на высокую дугообразную траекторию, а затем для постепенного снижения в вертикальной плоскости до цели, при этом более точное радиолокационное самонаведение SARH применялось в последний момент для точного поражения. Это давало пилоту противника минимальное возможное предупреждение о том, что его самолет подсвечен радаром наведения ракеты, а не поисковым радаром. Это важное отличие, поскольку характер сигнала различен и служит сигналом для принятия контрмер. Наведение по лучу (LOSBR) имеет принципиальный недостаток – снижение точности с увеличением дальности из-за рассеивания луча. Лазерные системы наведения по лучу более точны в этом отношении, но все они имеют малую дальность, и даже лазерный луч может быть ослаблен неблагоприятными погодными условиями. С другой стороны, SARH становится точнее по мере уменьшения расстояния до цели, поэтому эти две системы дополняют друг друга. Это основано на том факте, что два объекта находятся на курсе столкновения, когда направление их прямой видимости не меняется. Принцип пропорционального счисления (PN) определяет, что вектор скорости ракеты должен вращаться со скоростью, пропорциональной скорости изменения направления линии визирования (скорости линии визирования или LOS rate) и в том же направлении.
Активный поиск
Активный режим самонаведения использует радарную систему на ракете для формирования сигнала наведения. Как правило, электроника в ракете удерживает радар, направленный непосредственно на цель, и ракета затем использует этот "угол" относительно своей продольной оси для управления полетом. Разрешающая способность радара зависит от размера антенны, поэтому в небольших ракетах такие системы эффективны только для поражения крупных целей, например, кораблей или больших бомбардировщиков. Активные радарные системы по-прежнему широко используются в противокорабельных ракетах, а также в ракетах класса "выстрелил и забыл" для поражения воздушных целей, таких как AIM-120 AMRAAM и Р-77.
Полуактивный наводчик
Полуактивные системы самонаведения сочетают в себе пассивный радиолокационный приемник на ракете с отдельным радиолокационным осветителем цели. Поскольку ракета обычно запускается после обнаружения цели мощной радиолокационной станцией, логично использовать ту же станцию для сопровождения цели, что позволяет избежать проблем с разрешением или мощностью и уменьшить вес ракеты. Полуактивное радиолокационное наведение (SARH) является наиболее распространенным "всепогодным" решением для систем противовоздушной обороны, как наземного, так и воздушного базирования. Его недостатком для систем воздушного запуска является необходимость постоянного движения самолета-носителя в направлении цели для поддержания радиолокационной и командной связи. Это может приблизить самолет к зоне поражения малорадиусных ракет с инфракрасным наведением. Это важный фактор, учитывая, что современные инфракрасные ракеты способны поражать цели "в лоб", что было невозможно на заре развития управляемых ракет. Для кораблей и мобильных или стационарных наземных комплексов это не имеет значения, поскольку скорость (и часто размер) пусковой платформы не позволяет ей "уйти" от цели или увеличить дистанцию, чтобы сорвать атаку противника. SALH аналогичен SARH, но использует лазерный луч в качестве целеуказания. Еще одно отличие заключается в том, что большинство лазерно-управляемого оружия оснащены лазерными целеуказателями, установленными на турелях, что повышает маневренность самолета-носителя после запуска. Степень маневрирования самолета-наводчика зависит от поля зрения турели и способности системы поддерживать захват цели во время маневра. Поскольку большинство авиационных боеприпасов с лазерным наведением применяются против наземных целей, целеуказание для ракеты не обязательно должно осуществляться самолетом-носителем; целеуказание может обеспечиваться другим самолетом или совершенно независимым источником (часто наземными войсками, оснащенными соответствующим лазерным целеуказателем).
Пассивный навод
Инфракрасное самонаведение – это пассивная система, которая наводится на тепло, излучаемое целью. Обычно используется в зенитных системах для отслеживания тепла реактивных двигателей, но также с некоторым успехом применялась и против наземной техники. Этот способ наведения иногда также называют "самонаведением на тепло". В 2019 году армия США объявила о разработке аналогичной технологии.
Системы GOLIS
Каким бы ни был механизм, используемый в системе наведения на заданную точку в пространстве, он должен содержать предварительно заданную информацию о цели. Главной характеристикой этих систем является отсутствие трекатора цели. Вычислитель системы наведения и трекер ракеты расположены на ракете. Отсутствие отслеживания цели в GOLIS неизбежно подразумевает навигационное управление.
Инерционное направление
Инерциальное наведение использует чувствительные измерительные приборы для вычисления местоположения ракеты на основе ускорения, возникающего после её старта из известной точки. Ранние механические системы были недостаточно точными и требовали внешней корректировки для поражения целей даже размером с город. Современные системы используют твердотельные кольцевые лазерные гироскопы, обеспечивающие точность до метров на дальностях до 10 000 км и не требующие дополнительных входных данных. Разработка гироскопов достигла апогея в системе AIRS, установленной на ракете MX, позволяющей достичь точности менее 100 м на межконтинентальных расстояниях. Многие гражданские самолеты используют инерциальное наведение с кольцевым лазерным гироскопом, который менее точен, чем механические системы, применяемые в межконтинентальных баллистических ракетах, но предоставляет недорогой способ достаточно точного определения местоположения (когда такие авиалайнеры, как Boeing 707 и 747, проектировались, GPS не был широко доступным коммерческим средством отслеживания, каким он является сегодня). В настоящее время управляемое оружие может использовать комбинацию инерциальной навигационной системы (INS), GPS и радиолокационной картографии местности для достижения чрезвычайно высокой точности, как, например, в современных крылатых ракетах. Для тонкой настройки точности инерциальной системы наведения после запуска используется звездная ориентация. Поскольку точность ракеты зависит от того, насколько точно система наведения знает её текущее положение в любой момент полёта, звезды, являясь фиксированной точкой отсчета для вычисления этого положения, представляют собой потенциально очень эффективный способ повышения точности. В ракетной системе Trident это было реализовано с помощью одной камеры, настроенной на обнаружение единственной звезды в ожидаемом положении (предполагается, что ракеты с советских подводных лодок отслеживали две звезды для достижения этой цели). Если звезда оказывалась не в точном месте, это указывало на неточность инерциальной системы, и вносилась корректировка.
Направление на Землю
TERCOM, что расшифровывается как "соответствие рельефу местности", использует карты высот полосы земли от точки запуска до цели и сравнивает их с данными радиолокационного высотомера на борту. Более совершенные системы TERCOM позволяют ракете лететь по сложному маршруту, используя полную трехмерную карту местности, а не по прямой к цели. TERCOM является типичной системой наведения крылатых ракет, но постепенно вытесняется системами GPS и DSMAC – цифровым коррелятором областей сопоставления изображений, который использует камеру для съемки местности, оцифровывает полученное изображение и сравнивает его с хранящимися в бортовом компьютере эталонными сценами для наведения ракеты на цель. По имеющимся сведениям, DSMAC обладает низкой устойчивостью к помехам: разрушение заметных зданий, отмеченных на внутренней карте системы (например, в результате удара другой крылатой ракеты), может привести к сбою в навигации.