CC BY
1443
УДК 623.4
ОБЗОР ПАССИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ГСН ДЛЯ ПОРАЖЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ТАКТИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ
А.А. Шилин
Рассмотрены параметры зарубежных пассивных оптических ГСН и проведен анализ их конструктивных особенностей. На базе проведенных расчетов недостающих данных выполнен аналитический обзор ГСН и сделаны выводы о тенденциях их проектирования и модернизации.
Ключевые слова: головка самонаведения, оптический координатор, пассивное самонаведение
Головка самонаведения (ГСН) - это автоматическое устройство наведения на цель, которое устанавливается на средство поражения (ракету, бомбу и др.) для обеспечения сближения с целью на расстояние, меньшее радиуса поражения боевой части средства поражения. ГСН является составляющей частью системы самонаведения управляемой ракеты.
Система самонаведения представляет собой совокупность устройств, которые определяют относительное положение ракеты и цели, и вводят необходимые поправки в траекторию полета снаряда. Некоторые элементы системы могут находиться вне борта ракеты - на месте старта или в районе цели. Обычно система самонаведения включает в себя чувствительные элементы (датчики), электронно-вычислительную аппаратуру, управляющие и стабилизирующие устройства.
Электронно-вычислительная аппаратура системы самонаведения-определяет положение ракеты относительно цели по снимаемым со специальных датчиков ГСН сигналам, которые дают представление о таких величинах, как угловое отклонение цели от продольной оси ГСН (углы рассогласования), дальность до цели, скорость изменения дальности, угловая скорость поворота линии ракета-цель. Сигналы, принимаемые в виде напряжений или токов с выходов ГСН, используются для формирования команд управления соответствующими рулями. Новому значению сигнала будут соответствовать другие углы отклонения рулей. Таким образом, осуществляется непрерывное корректирование полета ракеты.
Оптические головки самонаведения управляемых ракет для поражения наземных тактических целей различаются по конструкции, принципу самонаведения, системам управления и применению различных типов и видов оптических датчиков.
Самонаведение разделяется на три главных типа: активное, полуак-тивное и пассивное. Возможны различные видоизменения и комбинации этих трех типов в зависимости от намечаемого применения. В данной статье рассмотрены ГСН пассивного типа.
202
Под системой с пассивным самонаведением понимают такую, в которой приемник, установленный на ракете, использует энергию, излучаемую самой целью. Отличием от активного и полуактивного типов самонаведения является то, что излучение, из которого вырабатывается управляющая информация, генерируется самой целью, поэтому дополнительных источников излучения не требуется.
Оптические ГСН с пассивным самонаведением
Для проведения обзора ГСН с пассивным наведением из источников открытой печати была собрана информация о конструктивных особенностях ракеты, условиях её пуска захвата цели. В случае нехватки данных оценка параметров ГСН выполнена исходя из минимальных требований по обнаружению цели (критерий Джонсона) и возможности размещенияопти-ческой системы (ОС) в калибре ракеты. Согласно критерию Джонсона для распознавания и захвата цели с вероятностью 50 % необходимо, чтобы критический размер цели перекрывался не менее чем пятью пикселями приемника излучения [1]. Этот критерий задает ограничение на минимальное значение фокусного расстояния оптической системы. С другой стороны, исходя из требований по минимальным углам прокачки координатора ГСН и калибра ракеты, можно определить максимально возможный размер входного зрачка ОС и через соотношение относительного отверстия ОС ограничить максимальное значение фокусного расстояния. Диапазон значений относительного отверстия в свою очередь выбирается из соответствия типу ОС и приемника излучения, установленных на ракете.
Рассмотрим оценку параметров ГСН на примере управляемой ракеты (УР) «Javelin». Противотанковый ракетный комплекс (ПТРК) «Javelin» предназначен для поражения бронетехники на дальности до 2500 м. Оператор осуществляет захват цели до пуска ракеты с помощью тепловизион-ной головки самонаведения (ТпГСН), работающей в диапазоне длин волн
8 ... 12 мкм, далее наведение на цель осуществляется автоматически. В управляемой ракете (УР) «Javelin» используется пассивнаяТпГСН с матричным приемником излучения (МПИ) формата 64х64 элемента на основе соединения кадмий-ртуть-теллур (КРТ) производства фирмы «Raytheon», что обеспечивает всесуточность работы комплекса. Учитывая также, что поле зрения ГСН составляет 1°[2, 3, 4], а размер пикселя МПИ 61мкм, фокусное расстояние оптической системы составит 224 мм. Поскольку в состав ГСН входит зеркально-линзовая ОС, это позволяет реализовать большое фокусное расстояние при малых продольных размерах системы.
Исходя из требования к прокачке ОС ~ ±20°, обусловленного углом запуска 18° и калибра ракеты 127 мм, можно предположить, что размер входного зрачка зеркально-линзовой оптической системы будет ~70 мм. Относительное отверстие ОС составит 1/3.2, а эффективное относительное отверстие для аналогичной системы без экранирования 1/3.5, что является допустимым для охлаждаемых приемников излучения.
Расчетные данные для подобной системы показывают, что мгновенное поле зрения пикселя равно 0,27 мрад. Таким образом, на максимальной дистанции для комплекса 2500 м цель с критическим размером 3,5 м будет перекрываться пятью пикселями по высоте. Данное количество пикселей является приемлемым, поскольку цель обнаруживается в широком поле зрения прицела комплекса (4,8х6,3°), который имеет большее разрешение, чем ТпГСН, затем распознается в узком (2х3°) и выводится в режим автосопровождения с помощью поля зрения ТпГСН (рис. 1).
Рис. 1. Сопровождение цели в различных каналах комплекса:
1 - широкое поле зрения прицела; 2 - узкое поле зрения прицела;
3 - поле зрения ТпГСН
Работы по модернизации УР «Javelin» были направлены на снижение стоимости ГСН, обеспечение возможности управления ракетой на траектории, улучшение характеристик ОС и повышение характеристик МПИ, в том числе на увеличение количества пикселей до 128х128. В феврале 2013 г. стало известно, что модернизированная УР, получившая название «JavelinBlock 1», обеспечила захват и поражение двух целей на дистанции 4750 м (следует отметить оговорку испытателей о том, что пуски были проведены при благоприятных метеорологических условиях) [5].Такая система представляется возможной, если учесть что фокусное расстояние и поле зрения объектива ГСН останется практически неизменным. Тогда при установке фотоприемника формата 128х128 элементов с размером пикселя 30 мкм цель с критическим размером 3,5 м, расположенная на дальности 4750 м,будет перекрываться пятью пикселями по высоте.
Проведение оценки недостающих данных для ГСН с линзовой ОС можно рассмотреть на примере УР «UMTAS»/ «OMTAS», созданных в рамках инициированной ВС Турции программы по разработке вооружения для ударного вертолета «Т-129».УР ^MTAS» разработана для наземных ПТРК и поэтому ее дальность поражения составляет 4000 м, в то время как авиационный вариант УР «UMTAS» имеет дальность поражения 8000 м. УР «UMTAS» оснащена радиолинией связи с воздушным носите-
204
лем, по которой изображение с ТпГСН передается оператору на пульт управления, т.е. при необходимости оператор может самостоятельно перенацеливать ракету в полете. Ракеты имеют один калибр 160 мм, и в них установлена единая тепловизионная ГСН фирмы «АвеЬап» («Аселсан», Турция) (рис. 2).
Рис. 2. ТпГСН УР «иИГАЗ»
Как видно из рис. 2, ГСН на базе неохлаждаемой микроболометри-ческой матрицы включает в себя линзовую оптическую систему, закрепленную в карданном подвесе для стабилизации и обеспечения углов прокачки объектива.
Учитывая то, что приемник излучения является неохлаждаемой матрицей, для которой необходимо обеспечить наибольшее соотношение сигнал/шум,значение относительного отверстия будет -1. Принимая это во внимание, а также калибр ракеты и наличие углов прокачки ±10°, можно определить фокусное расстояние ОС -120 ... 140 мм. Далее, исходя из того, что для обнаружения цели с критическим размером 3,5 м на расстоянии 4000 м понадобится использование не менее 5 пикселей по высоте изображения цели, построение такой системы возможно при использовании приемника формата 480x480 элементов с размером пикселя 25 мкм, обеспечивающим угол поля зрения ±2.5° при фокусном расстоянии 140 мм.
В таблице приведены основные параметры зарубежных ракет с пассивными оптическими ГСН. Выделенные жирным курсивом значения были получены расчетным путем в соответствии с приведенными примерами.
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 7 Основные параметры ракет с пассивными ГСН
Наименование Дальность действия, м Способ захвата цели Калибр, мм Угол поля зрения, град Рабочий диапазон длин волн, мкм Приемник излучения (размер пикселя)
«Javelin» («Javelin Block 1») 2500 (4750) Оператором до пуска 127 1 х 1 8 - 12 64х64 (61 мкм), 12Sх12S (30мкм)
«Spike-MR» 2500 Оператором до пуска 110 1.5 х 2 1 - 3 )/ 0 ) ё 1 * I О
«Spike-LR» 4000 Оператором до пуска/на траектории
«Spike-ER» 8000 170 240хN (25мкм)/ 550х400 (15мкм)
«ММР» 4000 Оператором до пуска/на траектории 140 2.5 х 2.5 8 - п Неохлаж-даемый 320хN (25мкм)
«Strix» 5000/ 7000 Автономно на траектории 120 1.S х 1.S 3 - 5 12SхN (60мкм)
«Pars 3» 7000 Оператором до пуска/на траектории 160 0.9 х 0.9 3 - 5 320х^10мкм)
«OMTAS» 4000 Оператором до пуска/на траектории 160 2.5 х 2.5 8 - 12 Неохлаж-даемый 4S0хN (25мкм)
«UMTAS» 8000 8 - 12
AGM-65A «Maverick» 27000 Оператором до пуска/на траектории 305 5 х 5 ~ 1 640\N (15мкм)
AGM-65B «Maverick» 2.5 х 2.5
AGM-65D «Maverick» 1.5 х 1.5 8 - 12 200хN (50мкм)
Исходя из приведенной выше информации, можно выявить несколько общих тенденций развития систем с пассивным самонаведением.
Первое - за исключением мины «БМх», нет сведений о том, что существуют опытно-конструкторские работы или серийное производство
полностью автономных систем пассивного самонаведения. Это на данный момент означает обязательное присутствие оператора в контуре наведения на цель.
Второе - вследствие необходимости захвата цели оператором приведенные в таблице комплексы можно разделить на две группы: с захватом цели до пуска и захватом цели на траектории, где управление осуществляется посредством линии связи между оператором и ракетой. Из-за габаритных ограничений, накладываемых на оптическую систему диаметром ракеты, на малых и ближних дистанциях используется захват цели перед пуском ракеты, тогда как для поражения объектов на дальних расстояниях УР управляется с помощью радиовысокочастотной или волоконнооптической линии связи.
Третье - чем большую дальность захвата цели необходимо обеспечить, тем больший диаметр ракеты необходимо использовать, т.к. для обеспечения более высокого разрешения изображения нужна светосильная (а значит большая по размерам) оптика, позволяющая получить это изображение. Здесь возможны два варианта исполнения ГСН - на базе охлаждаемых и неохлаждаемых приемников излучения. Первые позволяют уменьшить поперечные габариты оптической системы, т.к. обладают более высокой температурной чувствительностью, но требуют установки криогенной системы, увеличивающей массу и усложняющей конструкцию. Вторые же нуждаются в светосильной оптике для обеспечения большего отношения сигнал/шум, и, как следствие, большем калибре, а взамен дают возможность упростить и облегчить ГСН ракеты, не вводя дополнительные элементы в конструкцию.
Стоит также отметить и высокую стоимость пассивныхТпГСН, поскольку все дорогостоящие элементы - приемник излучения, качественная оптика, аппаратура обработки изображения - являются расходуемыми, т.к. находятся на борту ракеты. Пассивные телевизионные ГСН обеспечивают более высокое разрешение изображения и имеют меньшую стоимость, однако ограничены использованием только в светлое время суток.
Ввиду перечисленных тенденций развития можно выделить два основных направления, по которым будет вестись модернизация и конструирование современных систем ГСН.
Первое - это улучшение существующих характеристик приемников излучения и снижение их стоимости в связи с прогрессом техники и технологии изготовления, в том числе, разработка новых типов датчиков, способных выполнять многоцелевые задачи (например,двухспектральные матрицы).
Второе - с возрастающим сегодня количеством использования беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в военных конфликтах можно
также предположить, что в дальнейшем модернизация УР будет проходить и в направлении уменьшения калибра ракеты, а, следовательно, уменьшения и массогабаритных параметров ГСН для возможности размещения на беспилотных летательных аппаратах. В этом случае мощный приемопередатчик линии связи с оператором можно установить на БПЛА, а на борту ракеты - менее сильный для связи ракета-БПЛА, что позволит уменьшить массу и размеры ракеты.
Эти тенденции уже прослеживаются в продукции зарубежных компаний. Упор на присутствие оператора в контуре управления ракетой стал неотъемлемой частью рекламы выпускаемых и перспективных комплексов и означает полный контроль над выбором поражаемой цели и сокращение сопутствующих разрушений, а использование БПЛА позволяет минимизировать потери среди личного состава при выполнении боевых заданий.
Список литературы
I. Ллойд Дж. Системы тепловидения / Ллойд Дж. М.: Мир, 1978.
416 с.
2 Jane's Missiles and Rockets, 1999, №5.
3 Jane's Infantry Weapons, 2009-2010.
4 Проспектфирмы Raytheon «Javelin Antitank Weapon System» (http://www.raytheon.com).
5 Сайт компании Локхид Мартинhttp://www.lockheedmartin.com/us/ news/press-releases/2013/february/mfc-020613 - javeli n-demon strates-exten ded-range.
6 Проспект фирмы Rafael Co. «Spike Family» (http: // www.rafael.co.il).
7 Патент США US6952010.
8 Forecast International / DMS, Ordnance &Munitions Forecast, Strix Guided Anti Armor Projectile, October 1997.
9 Jane's Ammunition Handbook, 1999-2000.
10. Сайт http://airwar.ru/
II. Дмитриев В. Управляемая ракета «Мейверик» с тепловизионной головкой самонаведения / В. Дмитриев // Зарубежное военное обозрение, 1983. № 3.
12. Сайт http://www.army-technology.com.
13. Шеннон Р. Проектирование оптических систем / Р. Шеннон. М.: Мир, 1983. 431с.
14. Хадсон Р. Инфракрасные системы / Р. Хадсон. М.: Мир, 1972.
535 с.
15. Тарасов В.В. Инфракрасные системы «смотрящего» типа / В.В.
Тарасов, Ю.Г. Якушенков. М. Логос, 2004. 444с.
Шилин Аркадий Александрович, асп., fenomen000@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PASSIVE OPTICAL SEEKERS FOR GROUND BASED TARGETS SURVEY.
A.A. Shilin
Characteristics of foreign passive optical seekers and survey of constructional traits are presented in the article. Based on given calculation for unknown data the survey of passive seekers main tendencies and modernization plans is given.
Key words: optical seeker, homing missile, passive self-guidance
Shilin Arkadiy Aleksandrovich, postgraduate, fenomen000@mail.ru, Russia, Tula city, Tula State University
