Инфракрасное самонаведение — это пассивная система наведения оружия , которая использует излучение инфракрасного (ИК) света от цели для беспрепятственного отслеживания и слежения за ней. Ракеты, использующие инфракрасное наведение, часто называют «тепловыми ГСН», поскольку горячие тела сильно излучают инфракрасное излучение. Многие объекты, такие как люди, двигатели транспортных средств и самолеты, генерируют и излучают тепло и поэтому особенно заметны в инфракрасных длинах волн света по сравнению с объектами на заднем плане.
Инфракрасные ГСН — это пассивные устройства, которые, в отличие от радара , не дают никаких указаний на то, что они отслеживают цель. Это делает их пригодными для скрытных атак во время визуального столкновения или на больших расстояниях, когда они используются с передовой инфракрасной или аналогичной системой сигнализации. Тепловые ГСН чрезвычайно эффективны: 90% всех потерь США в воздушных боях в период с 1984 по 2009 год были вызваны ракетами с инфракрасным самонаведением. [1] Однако к ним применяется ряд простых контрмер, в первую очередь путем сброса сигнальных ракет позади цели, чтобы создать ложные источники тепла. Это работает только в том случае, если пилот знает о ракете и вовремя принимает меры противодействия. Изобретательность современных искателей сделала эти контрмеры все более неэффективными.
Первые ИК-устройства были опробованы еще до Второй мировой войны . Во время войны немецкие инженеры работали над ракетами с тепловым наведением и неконтактными взрывателями , но не успели завершить разработку до окончания войны. По-настоящему практичные конструкции стали невозможны до тех пор, пока во время войны не были внедрены коническое сканирование и миниатюрные электронные лампы . Всерьез создание зенитных ИК-систем началось в конце 1940-х годов, но электроника и вся область ракетной техники были настолько новыми, что требовали значительного развития, прежде чем первые образцы поступили на вооружение в середине 1950-х годов. Первые образцы имели существенные ограничения и в 1960-е годы имели очень низкую результативность в бою. Новое поколение, разработанное в 1970-х и 1980-х годах, добилось больших успехов и значительно улучшило свою летальность. Последние образцы, выпущенные в 1990-е годы и позднее, имеют возможность атаковать цели вне поля зрения (FOV) позади них и даже обнаруживать транспортные средства на земле.
ИК-ГСН также являются основой многих полуавтоматических систем управления прямой видимостью (SACLOS). В этом случае искатель устанавливается на обучаемую платформу пусковой установки, и оператор удерживает ее в общем направлении цели вручную, часто с помощью небольшого телескопа. ГСН отслеживает не цель, а ракету, чему часто помогают сигнальные ракеты , обеспечивающие чистый сигнал. Те же сигналы наведения генерируются и передаются на ракету по тонким проводам или радиосигналам, направляя ракету в центр зрительной трубы оператора. Системы SACLOS такого типа использовались как для противотанковых ракет , так и для ракет класса «земля-воздух» , а также для других целей.
Пакет инфракрасных датчиков на наконечнике ракеты с тепловым наведением известен как головка самонаведения . Сокращенный код НАТО для запуска ракеты «воздух-воздух» с инфракрасным наведением — Fox Two . [2]
Способность некоторых веществ отдавать электроны при воздействии инфракрасного света была открыта знаменитым индийским ученым Джагадишем Чандрой Босом в 1901 году, который наблюдал этот эффект в галените, известном сегодня как сульфид свинца PbS. В то время заявок было мало, и он допустил истечение срока действия своего патента 1904 года. [3] В 1917 году Теодор Кейс в рамках своей работы над звуковой системой Movietone обнаружил, что смесь таллия и серы гораздо более чувствительна, но очень нестабильна электрически и оказалась малопригодной в качестве практического средства. детектор. [4] Тем не менее, некоторое время он использовался ВМС США в качестве защищенной системы связи. [5]
В 1930 году появление фотоумножителя Ag-O-Cs ( серебро - кислород - цезий ) обеспечило первое практическое решение для обнаружения ИК-излучения, объединив его со слоем галенита в качестве фотокатода . Усиливая сигнал, излучаемый галенитом, фотоумножитель выдавал полезный выходной сигнал, который можно было использовать для обнаружения горячих объектов на больших расстояниях. [4] Это вызвало события 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 Cavendish Labs выразила желание работать над другими проектами, особенно после того, как стало ясно, что радар будет лучшим решением. Тем не менее, Фредерик Линдеманн , фаворит Уинстона Черчилля в Комитете Тизарда , оставался приверженцем международных отношений и стал все более препятствовать работе Комитета, который в противном случае настаивал на разработке радаров. В конце концов они распустили Комитет и реформировали его, исключив Линдеманна из списка [6] и заняв его должность известным радиоэкспертом Эдвардом Виктором Эпплтоном . [7]
В Германии радиолокационные исследования не получили почти такого же уровня поддержки, как в Великобритании, и на протяжении 1930-х годов конкурировали с разработками ИК. IR-исследования возглавлял в первую очередь Эдгар Куцшер из Берлинского университета [8] , работавший совместно с AEG . [4] К 1940 году они успешно разработали одно решение; Spanner Anlage (примерно «система Подглядывающего Тома»), состоящая из детекторного фотоумножителя, расположенного перед пилотом, и большого прожектора, оснащенного фильтром для ограничения выходного сигнала ИК-диапазоном. Это обеспечивало достаточно света, чтобы увидеть цель на близком расстоянии, и Spanner Anlage устанавливался на небольшое количество ночных истребителей Messerschmitt Bf 110 и Dornier Do 17 . На практике они оказались в значительной степени бесполезными, и пилоты жаловались, что цель часто становилась видимой только на расстоянии 200 метров (660 футов), и в этот момент они все равно ее увидели бы. [9] Всего 15 экземпляров были построены и были сняты с производства по мере совершенствования немецких бортовых радиолокационных систем в 1942 году. [10]
Компания AEG работала над теми же системами для использования на танках и во время войны использовала ряд моделей, при этом ограниченное производство FG 1250 началось в 1943 году. Кульминацией этой работы стал оптический прицел Zielgerät 1229 Vampir , который использовался с штурмовая винтовка StG 44 для ночного использования. [11]
Все упомянутые ранее устройства были детекторами, а не искателями. Они либо выдают сигнал, указывающий общее направление цели, либо, в случае более поздних устройств, изображение. Управление осуществлялось полностью вручную оператором, смотрящим на изображение. Во время войны в Германии было предпринято несколько попыток создать настоящую автоматическую систему самонаведения, как для противовоздушной обороны, так и для борьбы с кораблями. Когда война закончилась, эти устройства все еще находились в разработке; хотя некоторые из них были готовы к использованию, никаких работ по их интеграции с планером ракеты не проводилось, и предстояло приложить значительные усилия, прежде чем настоящее оружие будет готово к использованию. Тем не менее, в отчете Министерства авиации Германии за лето 1944 года говорилось, что эти устройства были гораздо лучше развиты, чем конкурирующие системы, основанные на радиолокационных или акустических методах. [12]
Осознавая преимущества пассивного ИК-наведения, исследовательская программа началась с ряда теоретических исследований, посвященных излучению целей. Это привело к практическому открытию того, что подавляющее большинство ИК-излучения самолета с поршневым двигателем составляет от 3 до 4,5 микрометров. Выхлопные газы также были сильным излучателем, но быстро охлаждались на воздухе, поэтому не представляли собой ложную цель сопровождения. [13] Были также проведены исследования ослабления атмосферы, которые показали, что воздух, как правило, более прозрачен для ИК-излучения, чем для видимого света, хотя присутствие водяного пара и углекислого газа привело к нескольким резким падениям переходности. [14] Наконец, они также рассмотрели проблему фоновых источников ИК-излучения, включая отражения от облаков и подобные эффекты, придя к выводу, что это проблема из-за того, что оно очень сильно меняется по небу. [15] Это исследование показало, что ИК-ГСН может наводиться на трехмоторный бомбардировщик на расстоянии 5 километров (3,1 мили) с точностью около 1/10 градуса , [16] что делает ИК-ГСН очень желательным устройством.
Команда Куцшера совместно с Электроакустической компанией Киля, известной как Гамбург , разработала систему, которая готовилась к установке на планирующую бомбу Blohm & Voss BV 143 для создания автоматизированной противокорабельной ракеты по принципу «выстрелил и забыл». Более продвинутая версия позволяла бомбардиру направлять ГСН вне оси, чтобы захватить цель по бокам, не летя прямо на нее. Однако при этом возникла проблема: при первом сбросе бомба двигалась слишком медленно, чтобы аэродинамические поверхности могли легко ею управлять, и цель иногда ускользала из поля зрения ГСН. Для решения этой проблемы разрабатывалась стабилизированная платформа . Компания также разработала работающий ИК- взрыватель , разместив дополнительные детекторы, направленные радиально наружу от центральной линии ракеты. который сработал, когда уровень сигнала начал уменьшаться, что и произошло, когда ракета прошла мимо цели. Была работа над использованием одного датчика для обеих задач вместо двух отдельных. [17]
Другие компании также подхватили работу Eletroacustic и разработали свои собственные методы сканирования. AEG и Kepka из Вены использовали системы с двумя подвижными пластинами, которые постоянно сканировали по горизонтали или вертикали и определяли местоположение цели по времени, когда изображение исчезало (AEG) или появлялось снова (Kepka). Система Kepka Madrid имела мгновенное поле зрения (IFOV) около 1,8 градуса и сканировала полную диаграмму направленности в 20 градусов. В сочетании с перемещением всей ГСН внутри ракеты она могла отслеживать цели под углами до 100 градусов. Rheinmetall-Borsig и еще одна команда AEG разработали различные варианты системы вращающегося диска. [18]
В послевоенное время, по мере того как немецкие разработки стали более известны, начались разнообразные исследовательские проекты по разработке ГСН на базе сенсора PbS. Они были объединены с методами, разработанными во время войны для повышения точности радиолокационных систем, которые в противном случае были бы неточны, особенно системы конического сканирования . Одна из таких систем, разработанная ВВС США (USAAF), известная как «Sun Tracker», разрабатывалась в качестве возможной системы наведения межконтинентальной баллистической ракеты . Испытания этой системы привели к катастрофе Boeing B-29 в Лейк-Мид в 1948 году . [19]
Проект USAAF MX-798 был передан компании Hughes Aircraft в 1946 году за ракету инфракрасного слежения. В конструкции использовалась простая прицельная сетка и активная система контроля крена во время полета. В следующем году он был заменен на MX-904, что потребовало создания сверхзвуковой версии. На этом этапе концепция заключалась в оборонительном оружии, стреляющем назад из длинной трубы в задней части бомбардировщика . В апреле 1949 года проект ракеты Firebird был отменен, а MX-904 был перепрофилирован на истребитель дальнего действия. [20] Первые испытательные стрельбы начались в 1949 году, когда он получил обозначение ААМ-А-2 (ракета «воздух-воздух», ВВС, модель 2) и название «Сокол». Версии ИК-наведения и полуактивного радиолокационного самонаведения (SARH) поступили на вооружение в 1956 году, а после 1962 года стали известны как AIM-4 Falcon . Falcon представлял собой сложную систему с ограниченными характеристиками, особенно из-за отсутствия неконтактного взрывателя и во время операции Rolling Thunder во время войны во Вьетнаме удалось добиться коэффициента уничтожения только 9% в 54 стрельбах . [21] Однако этот относительно низкий уровень успеха следует оценивать в контексте всех этих убийств, представляющих собой прямые попадания, чего нельзя сказать о каждом убийстве, совершенном другими американскими ПВО.
В том же 1946 году, что и MX-798, Уильям Б. Маклин начал исследования аналогичной концепции на военно-морской артиллерийской испытательной станции, сегодня известной как военно-морская станция воздушного вооружения Чайна-Лейк . Он потратил три года, просто рассматривая различные конструкции, в результате чего получился значительно менее сложный проект, чем у «Сокола». Когда у его команды появился проект, который, по их мнению, был работоспособным, они начали пытаться приспособить его к недавно представленной 5-дюймовой ракете Zuni . Они представили его в 1951 году, а в следующем году он стал официальным проектом. Уолли Ширра вспоминает, как посетил лабораторию и наблюдал, как искатель следует за своей сигаретой. [22] Ракета получила название Sidewinder в честь местной змеи; это название имело второе значение, поскольку сайдвиндер - это гадюка , охотится за счет жары и движется волнообразно, мало чем отличаясь от ракеты. [23] Sidewinder поступил на вооружение в 1957 году и широко использовался во время войны во Вьетнаме. Это оружие оказалось лучшим, чем «Сокол»: у моделей B коэффициент поражения составил 14%, а у моделей D с гораздо большей дальностью — 19%. Его характеристики и более низкая стоимость побудили ВВС принять его на вооружение. [21] [24]
Первой тепловой ГСН, построенной за пределами США, стал британский De Havilland Firestreak . Разработка началась как OR.1056 Red Hawk , но его сочли слишком продвинутым, и в 1951 году была выпущена измененная концепция как OR.1117 и получила кодовое название Blue Jay . Созданная как противобомбардировочное оружие, «Блю Джей» была крупнее, намного тяжелее и летала быстрее, чем ее американские аналоги, но имела примерно такую же дальность полета. У него была более совершенная ГСН, в которой использовался PbTe и охлаждался до -180 ° C (-292,0 ° F) безводным аммиаком для улучшения его характеристик. Одной из отличительных особенностей был его граненый носовой обтекатель, который был выбран после того, как было обнаружено, что лед может накапливаться на более традиционном полусферическом куполе. Первые испытательные стрельбы состоялись в 1955 году, а на вооружение Королевских ВВС он поступил в августе 1958 года. [25]
Французский проект R.510 начался позже, чем Firestreak, и поступил на экспериментальную службу в 1957 году, но был быстро заменен версией с радиолокационным самонаведением - R.511. Ни один из них не был очень эффективным и имел малую дальность действия — порядка 3 км. Оба были заменены первой эффективной французской разработкой R.530 в 1962 году .
Советы представили свою первую инфракрасную самонаводящуюся ракету « Вымпел К-13» в 1961 году после обратного проектирования «Сайдвиндера», который застрял в крыле китайского МиГ-17 в 1958 году во время второго кризиса в Тайваньском проливе . К-13 широко экспортировался и на протяжении всей войны сталкивался со своим двоюродным братом во Вьетнаме. Он оказался даже менее надежным, чем AIM-9B, на котором он был основан: система наведения и взрыватель постоянно выходили из строя. [21]
Когда Вьетнам обнаружил ужасные характеристики существующих конструкций ракет, был предпринят ряд усилий по их устранению. В США небольшие модернизации Sidewinder были проведены как можно скорее, но в более широком смысле пилотов обучали правильным методам ведения боя, чтобы они не стреляли, как только услышат сигнал ракеты, а вместо этого переместились в положение, где ракета сможет продолжить отслеживание даже после запуска. Эта проблема также привела к попыткам создать новые ракеты, которые поражали бы свои цели, даже если бы они были запущены с этих далеко не идеальных позиций. В Великобритании это привело к созданию проекта SRAAM , который в конечном итоге стал жертвой постоянно меняющихся требований. [27] Две американские программы, AIM-82 и AIM-95 Agile , постигла схожая судьба. [28]
Новые конструкции ГСН начали появляться в 1970-х годах и привели к созданию серии более совершенных ракет. Началась серьезная модернизация Sidewinder, снабдив ее ГСН, которая была достаточно чувствительной, чтобы отслеживать ее под любым углом, что впервые дало ракете возможность использования всех аспектов . Это было объединено с новой схемой сканирования, которая помогла отклонить сбивающие с толку источники (например, солнце, отражающееся от облаков) и улучшить наведение на цель. Небольшое количество полученных моделей L было срочно отправлено в Великобританию незадолго до их участия в Фолклендской войне , где они достигли коэффициента поражения 82%, а промахи, как правило, происходили из-за того, что самолет-мишень вылетал за пределы досягаемости. [22] Аргентинские самолеты, оснащенные Sidewinder B и R.550 Magic , могли вести огонь только с задней стороны, чего британские пилоты просто избегали, всегда летя прямо на них. Модель L была настолько эффективной, что самолеты поспешили добавить средства противодействия сигнальным ракетам, что привело к еще одной незначительной модернизации модели M, чтобы лучше отклонять сигнальные ракеты. Модели L и M стали основой западных ВВС до конца эпохи холодной войны .
Еще больший шаг был сделан Советами со своей Р-73 , которая заменила К-13 и другие машины значительно улучшенной конструкции. В этой ракете появилась возможность стрельбы по целям, находящимся полностью вне поля зрения ГСН; после выстрела ракета ориентировалась в направлении, указанном пусковой установкой, а затем пыталась зафиксироваться. В сочетании с нашлемным прицелом ракета могла быть направлена и наведена на цель без необходимости предварительного наведения самолета-пускателя на цель. Это дало значительные преимущества в бою и вызвало большую обеспокоенность западных войск. [29]
Решением проблемы Р-73 изначально должен был стать ASRAAM , общеевропейская разработка, сочетающая в себе характеристики Р-73 и ГСН. В рамках широкомасштабного соглашения США согласились принять ASRAAM для своей новой ракеты малой дальности, в то время как европейцы примут AMRAAM в качестве оружия средней дальности. Однако вскоре ASRAAM столкнулся с непреодолимыми задержками, поскольку каждая из стран-членов решила, что разные показатели эффективности более важны. США в конце концов вышли из программы и вместо этого адаптировали новые ГСН, разработанные для ASRAAM, на еще одну версию Sidewinder, AIM-9X. Это настолько продлит срок его службы, что он будет находиться в эксплуатации почти столетие, когда нынешние самолеты выйдут из эксплуатации. ASRAAM в конечном итоге создал ракету, которая была принята на вооружение ряда европейских сил, и многие из тех же технологий использовались в китайском PL-10 и израильском Python-5 .
Основываясь на тех же общих принципах, что и оригинальный Sidewinder, в 1955 году Convair начала исследования небольшой переносной ракеты ( ПЗРК ), которая впоследствии получила название FIM-43 Redeye . Приступив к испытаниям в 1961 году, предварительный проект показал плохие характеристики, после чего последовал ряд крупных модернизаций. Лишь в 1968 году версия Block III была запущена в производство. [30]
В 1964 году Советы начали разработку двух почти идентичных видов оружия: «Стрела-1» и «Стрела-2». Их разработка шла гораздо более гладко: 9К32 «Стрела-2» поступила на вооружение в 1968 году после меньшего количества лет разработки, чем «Красный глаз». [31] Изначально являвшаяся конкурирующей конструкцией, 9К31 «Стрела-1» была значительно увеличена в размерах для применения в транспортных средствах и примерно в то же время поступила на вооружение. Великобритания начала разработку своей Blowpipe в 1975 году, но разместила на пусковой установке ГСН, а не на самой ракете. ГСН почувствовала и цель, и ракету и отправила корректировки ракете по радиосвязи. Это раннее оружие оказалось неэффективным: «Blowpipe» терпел неудачу почти во всех боевых применениях, [32] тогда как «Redeye» показал себя несколько лучше. «Стрела-2» показала лучшие результаты и одержала ряд побед на Ближнем Востоке и во Вьетнаме. [33]
Основная программа модернизации Redeye началась в 1967 году под названием Redeye II. Испытания начались только в 1975 году, а первые поставки теперь переименованного FIM-92 Stinger начались в 1978 году. В 1983 году к модели B была добавлена улучшенная розетка ГСН, после чего последовало несколько дополнительных модернизаций. Отправленные на советско-афганскую войну , они заявили, что успешно справляются с советскими вертолетами в 79% случаев, [34] хотя это спорно. [35] Советы также усовершенствовали свои собственные версии, представив 9К34 «Стрела-3» в 1974 году, а также значительно улучшенные двухчастотные 9К38 «Игла» в 1983 году и «Игла-С» в 2004 году. [36]
В инфракрасном датчике используются три основных материала: сульфид свинца (II) (PbS), антимонид индия (InSb) и теллурид ртути-кадмия (HgCdTe). В старых датчиках обычно используется PbS, в новых — InSb или HgCdTe. Все они работают лучше при охлаждении, поскольку они более чувствительны и способны обнаруживать более холодные объекты.
Ранние инфракрасные искатели были наиболее эффективны в обнаружении инфракрасного излучения с более короткими длинами волн, такого как выбросы углекислого газа реактивного двигателя размером 4,2 микрометра . Это делало их полезными в первую очередь в сценариях преследования хвоста, когда выхлоп был виден и при приближении ракеты он также несся в сторону самолета. В бою они оказались крайне неэффективными, поскольку пилоты пытались произвести выстрелы, как только ГСН увидел цель, запуская ракету под углами, при которых двигатели цели быстро закрывались или вылетали из поля зрения ракеты. Такие искатели, наиболее чувствительные к диапазону от 3 до 5 микрометров, теперь называются одноцветными искателями. Это привело к появлению новых искателей, чувствительных как к выхлопным газам, так и к более длинному диапазону длин волн от 8 до 13 микрометров , который меньше поглощается атмосферой и, таким образом, позволяет обнаруживать более тусклые источники, такие как сам фюзеляж. Такие конструкции известны как «всеракурсные» ракеты. Современные искатели объединяют в себе несколько детекторов и называются двухцветными системами.
Всеракурсным искателям также, как правило, требуется охлаждение, чтобы обеспечить им высокую степень чувствительности, необходимую для захвата сигналов более низкого уровня, исходящих из передней и боковых частей самолета. Фоновое тепло изнутри датчика или окно датчика с аэродинамическим нагревом может пересилить слабый сигнал, поступающий в датчик от цели. (ПЗС-матрицы в камерах имеют аналогичные проблемы; они издают гораздо больше «шума» при более высоких температурах.) Современные всеракурсные ракеты, такие как AIM-9M Sidewinder и Stinger, используют сжатый газ, например аргон, для охлаждения своих датчиков и захвата цели на расстоянии. более длинные диапазоны и все аспекты. (Некоторые, такие как AIM-9J и ранняя модель R-60, использовали термоэлектрический охладитель Пельтье ).
Детектор первых искателей был едва направленным и принимал свет из очень широкого поля зрения (FOV), возможно, 100 градусов в поперечнике или больше. Цель, расположенная где-нибудь в пределах этого поля зрения, производит тот же выходной сигнал. Поскольку цель ГСН — вывести цель в радиус поражения ее боеголовки, детектор должен быть оснащен какой-либо системой сужения поля зрения до меньшего угла. Обычно это достигается путем размещения детектора в фокусе какого-либо телескопа .
Это приводит к проблеме противоречивых требований к производительности. По мере уменьшения поля зрения искатель становится более точным, что также помогает устранить источники фона, что помогает улучшить отслеживание. Однако слишком сильное ограничение позволяет цели выйти из поля зрения и потеряться для искателя. Чтобы быть эффективным для наведения на смертельный радиус, идеальными являются углы слежения, возможно, в один градус, но для возможности непрерывного безопасного отслеживания цели желательны углы обзора порядка 10 градусов или более.
Эта ситуация приводит к использованию ряда конструкций, которые используют относительно широкое поле зрения, чтобы обеспечить легкое отслеживание, а затем каким-либо образом обрабатывают полученный сигнал, чтобы получить дополнительную точность для наведения. Как правило, весь узел ГСН монтируется на карданной системе, которая позволяет ей сопровождать цель под широкими углами, а угол между ГСН и самолетом-ракетой используется для внесения поправок на наведение.
Это порождает концепции мгновенного поля зрения (IFOV), которое представляет собой угол, который видит детектор, и общего поля зрения, также известного как угол лавирования или возможность выхода за пределы прицеливания , которое включает в себя движение всего узла ГСН. Поскольку сборка не может двигаться мгновенно, цель, быстро движущаяся по линии полета ракеты, может быть потеряна из IFOV, что порождает концепцию скорости сопровождения , обычно выражаемой в градусах в секунду.
Некоторые из первых немецких искателей использовали решение линейного сканирования, при котором вертикальные и горизонтальные щели перемещались вперед и назад перед детектором, или, в случае с Мадридом , две металлические лопатки были наклонены, чтобы блокировать большую или меньшую часть сигнала. . Сравнивая время получения вспышки с местоположением сканера в это время, можно определить вертикальный и горизонтальный угол отклонения. [18] Однако у этих искателей также есть главный недостаток: их поле зрения определяется физическим размером щели (или непрозрачной полосы). Если установлено слишком маленькое значение, изображение от цели будет слишком маленьким для создания полезного сигнала, а установка слишком большого значения сделает его неточным. По этой причине линейным сканерам присущи ограничения по точности. Кроме того, двойное возвратно-поступательное движение является сложным и механически ненадежным, и обычно приходится использовать два отдельных детектора.
Большинство первых искателей использовали так называемые искатели со спин-сканированием , чоппером или прицельной сеткой . Они представляли собой прозрачную пластину с нарисованной на ней последовательностью непрозрачных сегментов, которая помещалась перед ИК-детектором. Пластина вращается с фиксированной скоростью, из-за чего изображение цели периодически прерывается или прерывается . [37]
Гамбургская система, разработанная во время войны , является самой простой и легкой для понимания. Его вертолет был окрашен в черный цвет с одной половины, а другая половина осталась прозрачной. [38]
Для этого описания мы рассматриваем диск, вращающийся по часовой стрелке, если смотреть со стороны датчика; мы назовем точку вращения, когда линия между темной и светлой половинками горизонтальна, а прозрачная сторона находится вверху, как положение на 12 часов. Фотоэлемент расположен за диском в положении «12 часов». [38]
Цель расположена прямо над ракетой. Датчик начинает видеть цель, когда диск находится в положении «9 часов», поскольку прозрачная часть измельчителя, ориентированная вертикально на цель в положении «12 часов», становится видимой. Датчик продолжает видеть цель до тех пор, пока вертолет не достигнет отметки 3 часов. [38]
Генератор сигналов создает сигнал переменного тока, частота которого соответствует скорости вращения диска. Это рассчитано таким образом, чтобы форма сигнала достигла максимально возможной точки положительного напряжения в положении 12 часов. Таким образом, в течение периода, когда цель видна датчику, форма волны переменного тока находится в периоде положительного напряжения, изменяясь от нуля до максимума и обратно к нулю. [38]
Когда цель исчезает, датчик активирует переключатель, который инвертирует выходной сигнал переменного тока. Например, когда диск достигает положения «3 часа» и мишень исчезает, переключатель срабатывает. Это тот самый момент, когда исходный сигнал переменного тока начинает отрицательное напряжение своего сигнала, поэтому переключатель инвертирует его обратно в положительное. Когда диск достигает положения «9 часов», ячейка снова переключается, больше не инвертируя сигнал, который теперь снова вступает в положительную фазу. Результирующий выходной сигнал этой ячейки представляет собой серию полусинусоидальных волн, всегда положительных. Затем этот сигнал сглаживается для получения выходного сигнала постоянного тока, который отправляется в систему управления и дает команду ракете развернуться. [38]
Вторая ячейка, расположенная в положении «3 часа», завершает систему. При этом переключение происходит не в положениях «9» и «3 часа», а в положениях «12» и «6 часов». Учитывая ту же цель, в этом случае форма волны только что достигла максимальной положительной точки в 12 часов, когда она переключилась на отрицательную. Следование этому процессу при вращении вызывает серию обрезанных положительных и отрицательных синусоидальных волн. Когда он проходит через ту же систему сглаживания, выходной сигнал равен нулю. Это означает, что ракете не нужно корректировать положение влево или вправо. Например, если бы цель переместилась вправо, сигнал был бы все более положительным по сравнению с более сглаженным, что указывает на усиление коррекции вправо. На практике второй фотоэлемент не требуется, вместо этого оба сигнала могут быть извлечены из одного фотоэлемента с использованием электрических задержек или второго опорного сигнала, сдвинутого по фазе на 90 градусов с первым. [38]
Эта система выдает сигнал, чувствительный к углу циферблата, пеленгу , но не к углу между целью и осевой линией ракеты, отклонению угла (или угловой ошибке ). Этого не требовалось для противокорабельных ракет, где цель движется относительно ракеты очень медленно и ракета быстро выравнивается по цели. Это не подходило для использования в режиме «воздух-воздух», где скорости были выше и требовалось более плавное управление. В этом случае система была изменена лишь незначительно, поэтому модулирующий диск имел кардиоидную форму , которая гасила сигнал на большее или меньшее время в зависимости от того, насколько далеко от центральной линии он находился. В других системах использовался второй сканирующий диск с радиальными щелями, чтобы обеспечить тот же результат, но со второй выходной цепи. [39]
Во время войны компания AEG разработала гораздо более совершенную систему, которая легла в основу большинства послевоенных экспериментов. В этом случае диск был покрыт серией непрозрачных областей, часто в виде ряда радиальных полос, образующих узор ломтиков пиццы. Как и в «Гамбурге» , генерировался сигнал переменного тока, соответствующий частоте вращения диска. Однако в этом случае сигнал не включается и не выключается с углом, а постоянно срабатывает очень быстро. При этом создается серия импульсов, которые сглаживаются для получения второго сигнала переменного тока той же частоты, что и тестовый сигнал, но фаза которого контролируется фактическим положением цели относительно диска. Сравнивая фазу двух сигналов, можно определить как вертикальную, так и горизонтальную коррекцию на основе одного сигнала. Значительное улучшение было сделано в рамках программы Sidewinder: выходной сигнал подается на гарнитуру пилота, где он создает своего рода рычащий звук, известный как сигнал ракеты , который указывает, что цель видна искателю. [40]
В ранних системах этот сигнал подавался непосредственно на поверхности управления, вызывая быстрые движения, чтобы вернуть ракету в выравнивание, - система управления, известная как «взрыв-взрыв». Органы управления «взрыв-взрыв» крайне неэффективны с точки зрения аэродинамики, особенно когда цель приближается к центральной линии, и органы управления постоянно перемещаются вперед и назад без какого-либо реального эффекта. Это приводит к желанию либо сгладить эти выходные данные, либо измерить угол отклонения и также передать его в элементы управления. Это можно сделать с помощью того же диска и некоторой работы над физическим расположением оптики. Поскольку физическое расстояние между радиальными стержнями больше во внешнем положении диска, изображение мишени на фотоэлементе также больше и, следовательно, имеет большую выходную мощность. Благодаря расположению оптики таким образом, что сигнал все больше обрезается ближе к центру диска, результирующий выходной сигнал меняется по амплитуде в зависимости от угла отклонения. Однако ее амплитуда также будет меняться по мере приближения ракеты к цели, поэтому сама по себе это не полная система, и часто желательна некоторая форма автоматической регулировки усиления . [40]
Системы спин-сканирования могут исключить сигнал от удаленных источников, таких как солнечный свет, отражающийся от облаков или горячего песка пустыни. Для этого прицельную марку модифицируют, заставляя половину пластины покрыть не полосками, а цветом пропускания 50%. Выходной сигнал такой системы представляет собой синусоидальную волну для половины вращения и постоянный сигнал для другой половины. Фиксированная мощность зависит от общей освещенности неба. Расширенная цель, охватывающая несколько сегментов, например облако, также будет вызывать фиксированный сигнал, и любой сигнал, приближающийся к фиксированному сигналу, отфильтровывается. [40] [37]
Существенной проблемой системы спин-сканирования является то, что сигнал, когда цель находится вблизи центра, падает до нуля. Это связано с тем, что даже его маленькое изображение охватывает несколько сегментов, поскольку они сужаются в центре, создавая сигнал, настолько похожий на сигнал расширенного источника, что он отфильтровывается. Это делает такие искатели чрезвычайно чувствительными к сигнальным ракетам, которые удаляются от самолета и, таким образом, производят постоянно усиливающийся сигнал, в то время как самолет дает мало или вообще не дает никаких сигналов. Кроме того, когда ракета приближается к цели, меньших изменений относительного угла достаточно, чтобы вывести ее из этой центральной нулевой области и снова начать вызывать управляющие воздействия. При использовании системы управления «взрыв-взрыв» такие конструкции, как правило, начинают слишком остро реагировать в последние моменты захода на посадку, вызывая большие расстояния промаха и требуя больших боеголовок. [37]
Большим усовершенствованием базовой концепции спин-сканирования является конический сканер или кон-скан . При таком расположении перед детектором размещается фиксированная сетка, и обе они располагаются в точке фокусировки небольшого телескопа с рефлектором Кассегрена . Вторичное зеркало телескопа направлено немного вне оси и вращается. Это приводит к тому, что изображение цели вращается вокруг сетки , а не вращается сама сетка. [41]
Рассмотрим пример системы, в которой зеркало ГСН наклонено на 5 градусов, а ракета отслеживает цель, которая в данный момент находится в центре перед ракетой. Когда зеркало вращается, оно заставляет изображение цели отражаться в противоположном направлении, поэтому в этом случае изображение движется по кругу на 5 градусов от центральной линии сетки. Это означает, что даже цель, находящаяся в центре, создает изменяющийся сигнал, проходя через отметки на сетке. В этот же момент система спинового сканирования будет выдавать постоянный выходной сигнал в центре нуля. Вспышки по-прежнему будут видны искателю обратного сканирования и вызывать путаницу, но они больше не будут подавлять сигнал цели, как это происходит в случае спин-сканирования, когда вспышка покидает нулевую точку. [41]
Определение пеленга цели происходит таким же образом, как и в системе спин-сканирования, сравнивая выходной сигнал с опорным сигналом, генерируемым двигателями, вращающими зеркало. Однако извлечение угла несколько сложнее. В системе спинового сканирования именно продолжительность времени между импульсами кодирует угол за счет увеличения или уменьшения мощности выходного сигнала. Этого не происходит в системе con-scan, где изображение всегда примерно центрировано на сетке. Вместо этого угол можно определить по тому, как импульсы изменяются за время одного цикла сканирования. [42]
Рассмотрим цель, расположенную на 10 градусов левее центральной линии. Когда зеркало направлено влево, кажется, что цель находится близко к центру зеркала и, таким образом, проецирует изображение на 5 градусов влево от центральной линии сетки. Когда он повернут и направлен прямо вверх, относительный угол цели равен нулю, поэтому изображение появляется на 5 градусов вниз от центральной линии, а когда оно направлено вправо, на 15 градусов влево. [42]
Поскольку изменение угла прицельной сетки приводит к изменению длины выходного импульса, результат отправки этого сигнала в смеситель является частотно-модулированным (FM), увеличиваясь и уменьшаясь в течение цикла вращения. Эта информация затем извлекается в систему управления для руководства. Одним из основных преимуществ системы con-scan является то, что FM-сигнал пропорционален углу отклонения, что обеспечивает простое решение для плавного перемещения поверхностей управления, что приводит к гораздо более эффективной аэродинамике. Это также значительно повышает точность; ракета с вращающимся сканированием, приближающаяся к цели, будет подвергаться постоянным сигналам по мере того, как цель движется вперед и назад от центральной линии, в результате чего элементы управления «взрыв-взрыв» направляют ракету в диких поправках, тогда как FM-сигнал обратного сканирования устраняет это эффект и увеличивает вероятность круговой ошибки (CEP) до одного метра. [41]
Большинство систем кон-сканирования стараются удерживать изображение цели как можно ближе к краю сетки, поскольку это вызывает наибольшее изменение выходного сигнала при движении цели. Однако это также часто приводит к тому, что цель полностью уходит за пределы сетки, когда зеркало направлено в сторону от цели. Чтобы решить эту проблему, центр сетки окрашен с коэффициентом пропускания 50%, поэтому, когда изображение пересекает его, выходной сигнал фиксируется. Но поскольку зеркало движется, этот период короткий, и обычное прерывистое сканирование начинается, когда зеркало снова начинает указывать на цель. Искатель может определить, когда изображение находится в этой области, поскольку это происходит прямо напротив точки, когда изображение полностью падает с искателя и сигнал исчезает. Путем проверки сигнала, когда известно, что он пересекает эту точку, создается AM-сигнал, идентичный сигналу искателя со спиновым сканированием. Таким образом, за счет стоимости дополнительной электроники и таймеров система кон-сканирования может поддерживать отслеживание, даже когда цель находится вне оси, что является еще одним важным преимуществом по сравнению с ограниченным полем зрения систем спин-сканирования. [42]
Искатель со скрещенной решеткой имитирует действие сетки в системе кон-сканирования посредством физического расположения самих детекторов. Классические фотоэлементы обычно имеют круглую форму, но совершенствование технологий изготовления и особенно изготовления полупроводников позволяет создавать им любую форму. В системе со скрещенными решетками (обычно) четыре прямоугольных детектора расположены в форме креста (+). Сканирование осуществляется идентично кон-сканированию, при котором изображение цели сканируется поочередно через каждый из детекторов. [43]
Для цели, центрированной в поле зрения, изображение вращается вокруг детекторов и пересекает их в одной и той же относительной точке. Это приводит к тому, что сигнал от каждого из них представляет собой идентичные импульсы в определенный момент времени. Однако, если цель не центрирована, путь изображения будет смещен, как и раньше. В этом случае расстояние между разделенными детекторами приводит к тому, что задержка между повторным появлением сигнала меняется: она больше для изображений, находящихся дальше от центральной линии, и короче, когда ближе. Цепи, подключенные к зеркалам, выдают этот расчетный сигнал в качестве управляющего, как и в случае с кон-сканированием. Сравнение сигнала детектора с сигналом управления дает необходимые поправки. [43]
Преимущество этой конструкции заключается в том, что она позволяет значительно улучшить подавление бликов. Поскольку детекторы тонкие по бокам, они фактически имеют чрезвычайно узкое поле зрения, независимо от расположения зеркал телескопа. При запуске местоположение цели кодируется в памяти искателя, и искатель определяет, когда он ожидает увидеть этот сигнал, проходящий через детекторы. С этого момента любые сигналы, поступающие за пределы коротких периодов, определенных управляющим сигналом, могут быть отклонены. Поскольку вспышки имеют свойство останавливаться в воздухе практически сразу после выпуска, они быстро исчезают из ворот сканера. [43] Единственный способ обмануть такую систему — это постоянно выпускать сигнальные ракеты, чтобы некоторые из них всегда находились близко к самолету, или использовать буксируемую сигнальную ракету.
Розеточный искатель , также известный как псевдовизуализатор , использует большую часть механической схемы системы кон-сканирования, но добавляет еще одно зеркало или призму для создания более сложного рисунка, вырисовывающего розетку . [44] По сравнению с фиксированным углом обратного сканирования, розеточный рисунок заставляет изображение сканироваться под большими углами. Датчики на приводных валах подаются на смеситель, который генерирует выборочный FM-сигнал. Смешение этого сигнала с сигналом от искателя устраняет движение, создавая выходной сигнал, идентичный сигналу от обратного сканирования. Основным преимуществом является то, что розетка искателя сканирует более широкую часть неба, что значительно затрудняет выход цели из поля зрения. [43]
Недостатком розеточного сканирования является то, что оно дает очень сложный результат. Объекты в поле зрения искателя производят совершенно отдельные сигналы, когда он сканирует небо; система может видеть цель, сигнальные ракеты, солнце и землю в разное время. Чтобы обработать эту информацию и извлечь цель, отдельные сигналы отправляются в память компьютера . За период полного сканирования создается 2D-изображение, что дает ему название «псевдоизображитель». [43] Хотя это усложняет систему, полученное изображение предлагает гораздо больше информации. Вспышки можно распознать и отклонить по малому размеру, облака по большему размеру и т. д. [44]
Современные ракеты с тепловым наведением используют инфракрасное изображение ( IIR ), где ИК/УФ-датчик представляет собой матрицу в фокальной плоскости , которая способна создавать изображение в инфракрасном диапазоне, во многом подобно ПЗС-матрице в цифровой камере. Это требует гораздо большей обработки сигнала, но может быть гораздо более точным, и его сложнее обмануть с помощью ложных целей. Помимо большей устойчивости к вспышкам, новые искатели также с меньшей вероятностью будут обмануты, привязавшись к солнцу, что является еще одним распространенным трюком, позволяющим избежать ракет с тепловым наведением. Используя передовые методы обработки изображений, можно использовать форму цели, чтобы найти ее наиболее уязвимую часть, к которой затем направляется ракета. [45] Все западные ракеты класса «воздух-воздух» малой дальности, такие как AIM-9X Sidewinder и ASRAAM , используют визуализирующие инфракрасные ГСН, а также китайские PL-10 SRAAM, тайваньские TC-1 , израильские Python-5 и российские R. -74М/М2 .
Есть два основных способа победить ИК-искатели: использовать сигнальные ракеты или ИК-глушители.
Первые искатели не отображали цель, и все, что попадало в их поле зрения, создавало результат. Вспышка , выпущенная целью, вызывает появление второго сигнала в поле зрения, создавая второй выходной угол и вероятность того, что искатель вместо этого начнет целиться в вспышку. Против первых ГСН с вращающимся сканированием это было чрезвычайно эффективно, поскольку сигнал от цели был минимизирован на середине курса, поэтому даже слабый сигнал от ракеты можно было увидеть и отследить. Конечно, если это произойдет, вспышка исчезнет из поля зрения, и самолет снова станет видимым. Однако, если в это время самолет выйдет из поля зрения, что происходит быстро, ракета больше не сможет повторно поразить цель.
Одним из решений проблемы вспышки является использование двухчастотной ГСН. Первые исследователи использовали один детектор, который был чувствителен к очень горячим частям самолета и выхлопным газам, что делало их пригодными для сценариев преследования хвоста. Чтобы позволить ракете отслеживать ее под любым углом, были добавлены новые детекторы, которые были гораздо более чувствительны и на других частотах. Это дало возможность различать вспышки; два искателя видели разные места целевого самолета - сам самолет, а не его выхлоп - но вспышка появилась в одной и той же точке на обеих частотах. Затем их можно было бы устранить.
Использовались более сложные системы с цифровой обработкой, особенно искатели с перекрестной решеткой и розеткой. Они имели настолько узкие мгновенные поля зрения (IFOV), что их можно было обрабатывать для получения изображения так же, как настольный сканер . Запоминая местоположение цели от сканирования к сканированию, можно было исключить объекты, движущиеся с высокой скоростью относительно цели. Это известно как кинематографическая фильтрация . [46] Тот же процесс используется системами визуализации, которые отображают изображение напрямую, а не сканируют, и имеют дополнительную возможность устранять мелкие цели путем непосредственного измерения их углового размера.
Ранние системы самонаведения определяли угол к цели по времени приема сигнала. Это делает их подверженными помехам из-за подачи ложных сигналов, которые настолько сильны, что их можно увидеть, даже когда сетка искателя закрывает датчик. Ранние генераторы помех, такие как AN/ALQ-144 , использовали нагретый блок карбида кремния в качестве источника ИК-излучения и окружали его вращающимся набором линз, которые отправляют изображение в виде серии пятен, проносящихся по небу. В современных версиях чаще используется инфракрасный лазер , освещающий быстро вращающееся зеркало. Когда луч освещает искатель, вспышка света появляется не по порядку, нарушая временную схему, используемую для расчета угла. В случае успеха ИК-глушители заставляют ракету летать в случайном порядке. [47]
ИК-глушилки гораздо менее эффективны против современных устройств поиска изображений, поскольку они не полагаются на время своих измерений. В этих случаях глушитель может оказаться вредным, поскольку он обеспечивает дополнительный сигнал в том же месте, что и цель. Некоторые современные системы теперь размещают свои постановщики помех на буксируемых блоках противодействия, полагаясь на самонаведение ракеты по сильному сигналу, но современные системы обработки изображений могут сделать это неэффективным и могут потребовать, чтобы блок выглядел максимально похожим на оригинальный самолет, что еще больше усложняет задачу. дизайн. [47]
Более современный лазерный метод исключает сканирование и вместо этого использует другую форму обнаружения для идентификации ракеты и наведения лазера непосредственно на нее. Это постоянно ослепляет искателя и полезно даже против современных искателей изображений. Эти средства направленного инфракрасного противодействия ( DIRCM ) очень эффективны, они также очень дороги и обычно подходят только для неманеврирующих самолетов, таких как грузовые самолеты и вертолеты. Их реализация еще больше усложняется тем, что перед имидж-сканером размещаются фильтры для удаления любых нечастотных сигналов, что требует от лазера настраиваться на частоту искателя или перемещаться по диапазону. Некоторая работа была даже проведена над системами, мощность которых достаточна для того, чтобы оптически повредить носовой обтекатель или фильтры внутри ракеты, но это остается за пределами текущих возможностей. [47]
У большинства ракет с инфракрасным наведением ГСН установлены на подвесе . Это позволяет наводить датчик на цель, когда ракета не направлена. Это важно по двум основным причинам. Во-первых, до и во время запуска ракета не всегда может быть наведена на цель. Скорее, пилот или оператор направляет ГСН на цель с помощью радара , нашлемного прицела, оптического прицела или, возможно, направляя нос самолета или ракетную пусковую установку прямо на цель. Как только искатель видит и распознает цель, он сообщает об этом оператору, который затем обычно «высвобождает» искатель (которому разрешается следовать за целью). После этого момента ГСН остается зафиксированным на цели, даже если самолет или стартовая платформа движутся. Когда оружие запускается, оно может быть не в состоянии контролировать направление, в котором оно указывает, пока двигатель не сработает и оно не достигнет достаточно высокой скорости, чтобы его плавники могли контролировать направление движения. До этого момента ГСН с карданным подвесом должна иметь возможность самостоятельно отслеживать цель.
Наконец, даже когда он находится под положительным контролем и находится на пути к перехвату цели, он, вероятно, не будет указывать прямо на нее; если цель не движется прямо к пусковой платформе или от нее, кратчайшим путем перехвата цели не будет путь, пройденный при наведении прямо на нее, поскольку она движется вбок по отношению к обзору ракеты. Оригинальные ракеты с тепловым наведением просто указывали на цель и преследовали ее; это было неэффективно. Новые ракеты умнее и используют подвесную головку самонаведения в сочетании с так называемым пропорциональным наведением , чтобы избежать колебаний и лететь по эффективной траектории перехвата.
13 ракет Blowpipe выпущены без попаданий.