Инфракрасное самонаведение — это пассивная система наведения оружия , которая использует инфракрасное (ИК) световое излучение от цели для ее бесперебойного отслеживания и сопровождения. [1] Ракеты, использующие инфракрасное наведение, часто называют «тепловыми самонаводящимися», поскольку инфракрасное излучение сильно излучается горячими телами. Многие объекты, такие как люди, двигатели транспортных средств и самолеты, генерируют и излучают тепло и поэтому особенно заметны в инфракрасном диапазоне длин волн света по сравнению с объектами на заднем плане.
Инфракрасные искатели являются пассивными устройствами, которые, в отличие от радаров , не дают никаких указаний на то, что они отслеживают цель. Это делает их подходящими для скрытых атак во время визуальных встреч или на больших расстояниях, когда они используются с передовой инфракрасной или аналогичной системой наведения. Тепловые искатели чрезвычайно эффективны: 90% всех потерь в воздушных боях Соединенных Штатов между 1984 и 2009 годами были вызваны ракетами с инфракрасным наведением. [2] Однако они подвержены ряду простых мер противодействия, в первую очередь сбрасыванию ловушек позади цели для обеспечения ложных источников тепла. Это работает только в том случае, если пилот знает о ракете и вовремя применяет меры противодействия. Сложность современных искателей сделала эти меры противодействия все более неэффективными.
Первые ИК-устройства были опробованы во время Второй мировой войны . Во время войны немецкие инженеры работали над ракетами с тепловым наведением и бесконтактными взрывателями , но не успели завершить разработку до окончания войны. По-настоящему практичные конструкции не стали возможны до появления конического сканирования и миниатюрных вакуумных трубок во время войны. Зенитные ИК-системы начали серьезно развиваться в конце 1940-х годов, но электроника и вся область ракетной техники были настолько новыми, что требовали значительной разработки, прежде чем первые образцы поступили на вооружение в середине 1950-х годов. Ранние образцы имели существенные ограничения и достигли очень низких показателей успеха в бою в 1960-х годах. Новое поколение, разработанное в 1970-х и 1980-х годах, достигло больших успехов и значительно повысило свою летальность. Последние образцы с 1990-х годов и далее обладают способностью атаковать цели вне поля зрения (FOV) позади них и даже обнаруживать транспортные средства на земле.
ИК-ГСН также являются основой для многих видов полуавтоматического оружия с командным управлением по линии визирования (SACLOS). При таком использовании ГСН устанавливается на обучаемой платформе на пусковой установке, и оператор вручную направляет ее в общем направлении цели, часто используя небольшой телескоп. ГСН отслеживает не цель, а ракету, часто с помощью сигнальных ракет для обеспечения чистого сигнала. Те же сигналы наведения генерируются и отправляются ракете по тонким проводам или радиосигналам, направляя ракету в центр телескопа оператора. Системы SACLOS такого рода использовались как для противотанковых ракет , так и для ракет класса «земля-воздух» , а также для других целей.
Пакет инфракрасных датчиков на наконечнике или головке ракеты с тепловым наведением называется головкой самонаведения . Сокращенный код НАТО для запуска ракеты класса «воздух-воздух » с инфракрасным наведением — Fox Two . [3]
Способность некоторых веществ испускать электроны при воздействии инфракрасного света была открыта известным индийским эрудитом Джагадишем Чандрой Бозе в 1901 году, который наблюдал этот эффект в галените , известном сегодня как сульфид свинца PbS. В то время он не находил широкого применения, и он допустил истечение срока действия своего патента 1904 года. [4] В 1917 году Теодор Кейс в рамках своей работы над тем, что впоследствии стало звуковой системой Movietone , обнаружил, что смесь таллия и серы была гораздо более чувствительной, но была крайне нестабильна электрически и оказалась малопригодной в качестве практического детектора. [5] Тем не менее, некоторое время она использовалась ВМС США в качестве защищенной системы связи. [6]
В 1930 году введение фотоумножителя Ag–O–Cs ( серебро – кислород – цезий ) обеспечило первое практическое решение для обнаружения ИК, объединив его со слоем галенита в качестве фотокатода . Усиливая сигнал, испускаемый галенитом, фотоумножитель производил полезный выходной сигнал, который можно было использовать для обнаружения горячих объектов на больших расстояниях. [5] Это вызвало разработки в ряде стран, в частности в Великобритании и Германии, где он рассматривался как потенциальное решение проблемы обнаружения ночных бомбардировщиков .
В Великобритании исследования шли медленно, и даже основная исследовательская группа в Cavendish Labs выразила желание работать над другими проектами, особенно после того, как стало ясно, что радар будет лучшим решением. Тем не менее, Фредерик Линдеманн , любимец Уинстона Черчилля в Комитете Тизарда , оставался преданным IR и становился все более обструкционистом в работе Комитета, который в противном случае настаивал на разработке радара. В конце концов они распустили Комитет и реформировали его, исключив Линдеманна из списка [7] и заполнив его место известным радиоэкспертом Эдвардом Виктором Эпплтоном [8] .
В Германии исследования радаров не получили такой же поддержки, как в Великобритании, и конкурировали с разработками ИК-технологий на протяжении 1930-х годов. Исследования ИК-технологий в основном возглавлял Эдгар Куцшер в Берлинском университете [9], работавший совместно с AEG . [5] К 1940 году они успешно разработали одно решение: Spanner Anlage (примерно «система подглядывающего»), состоящая из детектора фотоумножителя, размещенного перед пилотом, и большого прожектора, оснащенного фильтром для ограничения выходного сигнала ИК-диапазоном. Это давало достаточно света, чтобы видеть цель на близком расстоянии, и Spanner Anlage был установлен на небольшом количестве ночных истребителей Messerschmitt Bf 110 и Dornier Do 17. Они оказались в значительной степени бесполезными на практике, и пилоты жаловались, что цель часто становилась видна только на расстоянии 200 метров (660 футов), на котором они бы ее увидели в любом случае. [10] Было построено всего 15 экземпляров, которые были сняты с вооружения в связи с усовершенствованием немецких бортовых радиолокационных систем в 1942 году. [11]
Компания AEG работала с теми же системами для использования на танках и выпустила ряд моделей во время войны, а ограниченное производство FG 1250 началось в 1943 году. [5] Эта работа завершилась созданием оптического прицела Zielgerät 1229 Vampir , который использовался со штурмовой винтовкой StG 44 для ночного видения. [12]
Все упомянутые ранее устройства были детекторами, а не искателями. Они либо выдают сигнал, указывающий общее направление цели, либо, в случае более поздних устройств, изображение. Наведение было полностью ручным, оператор смотрел на изображение. Во время войны в Германии было предпринято несколько попыток создать настоящую автоматическую систему искателя, как для использования в зенитных целях, так и против кораблей. Эти устройства все еще находились в разработке, когда война закончилась; хотя некоторые из них были готовы к использованию, не было никаких работ по их интеграции с планером ракеты, и оставалось еще много усилий, прежде чем реальное оружие будет готово к использованию. Тем не менее, в летнем отчете 1944 года Министерству авиации Германии говорилось, что эти устройства были гораздо лучше разработаны, чем конкурирующие системы, основанные на радиолокационных или акустических методах. [13]
Осознавая преимущества пассивного ИК-наведения, исследовательская программа началась с ряда теоретических исследований, рассматривающих излучения от целей. Это привело к практическому открытию, что подавляющее большинство ИК-излучения от поршневого самолета составляло от 3 до 4,5 микрометров. Выхлоп также был сильным излучателем, но быстро охлаждался на воздухе, так что не представлял ложной цели сопровождения. [14] Также были проведены исследования атмосферного затухания, которые показали, что воздух, как правило, более прозрачен для ИК, чем для видимого света, хотя присутствие водяного пара и углекислого газа приводило к нескольким резким падениям транзитивности. [15] Наконец, они также рассмотрели вопрос фоновых источников ИК, включая отражения от облаков и подобные эффекты, заключив, что это было проблемой из-за того, как оно очень сильно менялось по небу. [16] Это исследование показало, что ИК-ГСН может навестись на трехмоторный бомбардировщик на расстоянии 5 километров (3,1 мили) с точностью около 1⁄10 градуса , [17] что делает ИК-ГСН весьма востребованным устройством.
Команда Куцшера разработала систему совместно с компанией Eletroacustic Company из Киля, известной как Гамбург , которая готовилась к установке в планирующую бомбу Blohm & Voss BV 143 для создания автоматизированной противокорабельной ракеты «выстрелил и забыл». Более продвинутая версия позволяла бомбардиру направлять головку самонаведения вне оси, чтобы захватить цель по бокам, не летя прямо на нее. Однако это представляло собой проблему, заключающуюся в том, что когда бомба была впервые сброшена, она двигалась слишком медленно, чтобы аэродинамические поверхности могли легко ее контролировать, и цель иногда выскальзывала из поля зрения головки самонаведения. Для решения этой проблемы разрабатывалась стабилизированная платформа . Компания также разработала работающий ИК- взрыватель с близкого расстояния , разместив дополнительные детекторы, направленные радиально наружу от центральной линии ракеты. который срабатывал, когда сила сигнала начинала уменьшаться, что и происходило, когда ракета проходила мимо цели. Была работа по использованию одного датчика для обеих задач вместо двух отдельных. [18]
Другие компании также подхватили работу Eletroacustic и разработали свои 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, когда изображение исчезало (AEG) или появлялось снова (Kepka). Система Kepka Madrid имела мгновенное поле зрения (IFOV) около 1,8 градуса и сканировала полную 20-градусную схему. В сочетании с движением всей головки самонаведения внутри ракеты она могла отслеживать под углами до 100 градусов. Rheinmetall-Borsig и другая команда в AEG создали различные вариации системы вращающегося диска. [19]
В послевоенную эпоху, когда немецкие разработки стали более известными, различные исследовательские проекты начали разрабатывать искатели на основе датчика PbS. Они были объединены с методами, разработанными во время войны, чтобы улучшить точность в противном случае изначально неточных радиолокационных систем, особенно системы конического сканирования . Одна из таких систем, разработанная ВВС США (USAAF), известная как «Sun Tracker», разрабатывалась как возможная система наведения для межконтинентальной баллистической ракеты . Испытания этой системы привели к крушению Boeing B-29 в Лейк-Мид в 1948 году . [20]
Проект USAAF MX-798 был заказан Hughes Aircraft в 1946 году для инфракрасной следящей ракеты. В конструкции использовалась простая визирная головка самонаведения и активная система управления креном во время полета. В следующем году ее заменили на MX-904, что потребовало сверхзвуковой версии. На этом этапе концепция заключалась в оборонительном оружии, выстреливаемом назад из длинной трубы в задней части бомбардировщика . В апреле 1949 года проект ракеты Firebird был отменен, а MX-904 была перенаправлена на истребительное оружие, стреляющее вперед. [21] Первые испытательные стрельбы начались в 1949 году, когда ей было присвоено обозначение AAM-A-2 (ракета класса «воздух-воздух», ВВС, модель 2) и название Falcon. Версии с ИК- и полуактивной радиолокационной головкой самонаведения (SARH) поступили на вооружение в 1956 году и стали известны как AIM-4 Falcon после 1962 года. Falcon была сложной системой, предлагающей ограниченные характеристики, особенно из-за отсутствия неконтактного взрывателя, и смогла добиться только 9%-ного коэффициента поражения в 54 запусках во время операции «Раскаты грома» во время войны во Вьетнаме . [22] Однако этот относительно низкий показатель успеха следует оценивать в контексте того, что все эти поражения представляли собой прямые попадания, чего нельзя сказать о каждом сбитии другими американскими ракетами класса «воздух-воздух».
В том же году, что и MX-798, 1946, Уильям Б. Маклин начал исследования аналогичной концепции на военно-морской испытательной станции артиллерийского вооружения, сегодня известной как военно-морская станция авиационного вооружения Чайна-Лейк . Он провел три года, просто рассматривая различные конструкции, что привело к значительно менее сложной конструкции, чем Falcon. Когда у его команды появился проект, который, по их мнению, был бы работоспособным, они начали пытаться приспособить его к недавно представленной 5-дюймовой ракете Zuni . Они представили его в 1951 году, и в следующем году он стал официальным проектом. Уолли Ширра вспоминает, как посетил лабораторию и наблюдал, как головка самонаведения следовала за его сигаретой. [23] Ракета получила название Sidewinder в честь местной змеи; название имело второе значение, поскольку sidewinder — это гадюка , охотящаяся по теплу и движущаяся волнообразно, как и ракета. [24] Sidewinder поступила на вооружение в 1957 году и широко использовалась во время войны во Вьетнаме. Он оказался лучшим оружием, чем Falcon: модели B показали 14%-ный коэффициент поражения, в то время как модели D с гораздо большей дальностью полета показали 19%. Его эффективность и более низкая стоимость побудили ВВС также принять его на вооружение. [22] [25]
Первой тепловой головкой самонаведения, построенной за пределами США, была британская de Havilland Firestreak . Разработка началась как OR.1056 Red Hawk , но она была сочтена слишком продвинутой, и в 1951 году была выпущена измененная концепция как OR.1117 и получила кодовое название Blue Jay . Разработанная как оружие против бомбардировщиков, Blue Jay была больше, намного тяжелее и летала быстрее своих американских аналогов, но имела примерно такую же дальность полета. У нее была более продвинутая головка самонаведения, использующая PbTe и охлаждаемая до −180 °C (−292,0 °F) безводным аммиаком для улучшения ее характеристик. Одной из отличительных особенностей был ее граненый носовой конус, который был выбран после того, как было обнаружено, что на более обычном полусферическом куполе будет образовываться лед. Первый испытательный запуск состоялся в 1955 году, и она поступила на вооружение Королевских ВВС в августе 1958 года. [26]
Французский проект R.510 начался позже Firestreak и поступил на экспериментальную службу в 1957 году, но был быстро заменен версией с радиолокационным наведением, R.511. Ни один из них не был очень эффективным и имел небольшую дальность действия порядка 3 км. Оба были заменены первым эффективным французским проектом, R.530 , в 1962 году. [27]
Советы представили свою первую ракету с инфракрасным самонаведением « Вымпел К-13» в 1961 году после обратной разработки Sidewinder, застрявшего в крыле китайского МиГ-17 в 1958 году во время Второго кризиса в Тайваньском проливе . K-13 широко экспортировалась и сталкивалась со своим кузеном над Вьетнамом на протяжении всей войны. Она оказалась даже менее надежной, чем AIM-9B, на которой она была основана, с системой наведения и взрывателем, постоянно выходившими из строя. [22]
Когда Вьетнам показал ужасную эффективность существующих конструкций ракет, ряд усилий был направлен на их решение. В США незначительные усовершенствования Sidewinder были проведены как можно скорее, но в более широком смысле пилотов обучали правильным методам ведения огня, чтобы они не стреляли сразу после того, как слышали сигнал ракеты, а вместо этого перемещались в позицию, где ракета могла бы продолжать отслеживать цель даже после запуска. Эта проблема также привела к попыткам создать новые ракеты, которые поражали бы свои цели, даже если бы были запущены из этих неидеальных позиций. В Великобритании это привело к проекту SRAAM , который в конечном итоге стал жертвой постоянно меняющихся требований. [28] Две американские программы, AIM-82 и AIM-95 Agile , постигла схожая судьба. [29]
Новые конструкции головок самонаведения начали появляться в 1970-х годах и привели к появлению серии более совершенных ракет. Началась крупная модернизация Sidewinder, которая снабдила ее головкой самонаведения, достаточно чувствительной для отслеживания под любым углом, что впервые дало ракете возможность всестороннего обзора . Это было объединено с новой схемой сканирования, которая помогла отклонить сбивающие с толку источники (например, отражение солнца от облаков) и улучшить наведение на цель. Небольшое количество полученных моделей L было срочно отправлено в Великобританию непосредственно перед их участием в Фолклендской войне , где они достигли 82%-ного коэффициента поражения, а промахи в основном были связаны с тем, что самолет-цель выходил за пределы досягаемости. [23] Аргентинские самолеты, оснащенные Sidewinder B и R.550 Magic , могли стрелять только с задней стороны, чего британские пилоты просто избегали, всегда летя прямо на них. L была настолько эффективна, что самолеты поспешили добавить меры противодействия сигнальным ракетам, что привело к еще одной незначительной модернизации модели M для лучшего отклонения сигнальных ракет. [ необходима цитата ] Модели L и M оставались основой западных военно-воздушных сил вплоть до конца эпохи холодной войны .
Еще больший шаг сделали Советы с их Р-73 , которая заменила К-13 и другие с радикально улучшенной конструкцией. Эта ракета представила возможность запуска по целям, полностью находящимся вне поля зрения искателя; после запуска ракета ориентировалась в направлении, указанном пусковой установкой, а затем пыталась захватить цель. В сочетании с нашлемным прицелом ракета могла быть направлена и нацелена без необходимости предварительного наведения самолета-носителя на цель. Это, как оказалось, давало значительные преимущества в бою и вызвало большую обеспокоенность у западных сил. [30]
Решением проблемы R-73 изначально должна была стать ASRAAM , общеевропейская разработка, которая сочетала в себе характеристики R-73 с головкой самонаведения с визуализацией. В широкомасштабном соглашении США согласились принять ASRAAM для своей новой ракеты малой дальности, в то время как европейцы приняли бы AMRAAM в качестве своего оружия средней дальности. Однако ASRAAM вскоре столкнулась с непреодолимыми задержками, поскольку каждая из стран-участниц решила, что важнее другой показатель эффективности. В конечном итоге США вышли из программы и вместо этого адаптировали новые головки самонаведения, разработанные для ASRAAM, на еще одной версии Sidewinder, AIM-9X. [ необходима цитата ] Это настолько продлевает срок ее службы, что она будет находиться на вооружении почти столетие, когда нынешние самолеты снимут с вооружения. ASRAAM в конечном итоге поставила ракету, которая была принята на вооружение рядом европейских сил, и многие из тех же технологий появились в китайской PL-10 и израильской Python-5 . [ необходима цитата ]
Основываясь на тех же общих принципах, что и оригинальный Sidewinder, в 1955 году Convair начала исследования по созданию небольшой переносной ракеты ( ПЗРК ), которая впоследствии получила название FIM-43 Redeye . Испытания предварительных проектов начались в 1961 году, но они оказались неэффективными, и последовал ряд крупных усовершенствований. Только в 1968 году версия Block III была запущена в производство. [31]
Советы начали разработку двух почти идентичных видов оружия в 1964 году, Стрела-1 и Стрела-2. Их разработка шла гораздо более гладко, поскольку 9К32 Стрела-2 поступила на вооружение в 1968 году после меньшего количества лет разработки, чем Redeye. [32] Первоначально конкурирующая конструкция, 9К31 Стрела-1 была значительно увеличена в размерах для применения на транспортных средствах и поступила на вооружение примерно в то же время. Великобритания начала разработку своего Blowpipe в 1975 году, но разместила головку самонаведения на пусковой установке вместо самой ракеты. Головка самонаведения обнаруживала как цель, так и ракету и отправляла корректировки ракете по радиоканалу. Это раннее оружие оказалось неэффективным, Blowpipe терпела неудачу почти в каждом боевом применении, [33] в то время как Redeye показала себя несколько лучше. Strela-2 показала себя лучше и одержала ряд побед на Ближнем Востоке и во Вьетнаме. [34]
Основная программа модернизации Redeye началась в 1967 году, как Redeye II. Испытания начались только в 1975 году, а первые поставки теперь переименованного FIM-92 Stinger начались в 1978 году. Улучшенная розеточная головка самонаведения была добавлена к модели B в 1983 году, и последовало несколько дополнительных модернизаций. Отправленные на советско-афганскую войну , они заявили о 79%-ном показателе успеха против советских вертолетов, [35] хотя это оспаривается. [36] Советы также улучшили свои собственные версии, представив 9K34 Стрела-3 в 1974 году и значительно улучшенную двухчастотную 9K38 Игла в 1983 году и Игла-С в 2004 году. [30]
Три основных материала, используемых в инфракрасном датчике, — это сульфид свинца (II) (PbS), антимонид индия (InSb) и теллурид кадмия-ртути (HgCdTe). В старых датчиках обычно используется PbS, в новых — InSb или HgCdTe. Все они работают лучше при охлаждении, поскольку оба они более чувствительны и способны обнаруживать более холодные объекты.
Ранние инфракрасные искатели были наиболее эффективны при обнаружении инфракрасного излучения с более короткими длинами волн, такими как 4,2-микрометровые выбросы углекислого газа реактивного двигателя . Это сделало их полезными в первую очередь в сценариях преследования с хвостом, где выхлоп был виден, а приближение ракеты также переносило его к самолету. В бою они оказались крайне неэффективными, поскольку пилоты пытались сделать выстрелы, как только искатель увидел цель, запуская под углами, где двигатели цели быстро скрывались или вылетали из поля зрения ракеты. Такие искатели, которые наиболее чувствительны к диапазону от 3 до 5 микрометров, теперь называются одноцветными искателями. Это привело к появлению новых искателей, чувствительных как к выхлопу, 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 несколько детекторов и называются двухцветными системами.
Всеракурсные искатели также, как правило, требуют охлаждения, чтобы обеспечить им высокую степень чувствительности, необходимую для захвата низкоуровневых сигналов, поступающих спереди и с боков самолета. Фоновое тепло изнутри датчика или аэродинамически нагретое окно датчика может пересилить слабый сигнал, поступающий в датчик от цели. ( ПЗС в камерах имеют схожие проблемы; они имеют гораздо больше «шума» при более высоких температурах.) Современные всеракурсные ракеты, такие как AIM-9M Sidewinder и Stinger, используют сжатый газ, такой как аргон, для охлаждения своих датчиков, чтобы захватывать цель на больших расстояниях и во всех ракурсах. (Некоторые, такие как AIM-9J и ранняя модель R-60, использовали термоэлектрический охладитель Пельтье ).
Детектор в ранних искателях был едва направленным, принимая свет из очень широкого поля зрения (FOV), возможно, 100 градусов в поперечнике или больше. Цель, расположенная в любом месте в пределах этого FOV, производит тот же выходной сигнал. Поскольку цель искателя — привести цель в радиус поражения своей боеголовки, детектор должен быть оснащен некоторой системой для сужения FOV до меньшего угла. Обычно это достигается путем размещения детектора в фокусной точке телескопа какого -либо вида.
Это приводит к проблеме противоречивых требований к производительности. По мере уменьшения FOV искатель становится более точным, и это также помогает устранить фоновые источники, что помогает улучшить отслеживание. Однако слишком большое ограничение позволяет цели выйти из FOV и быть потерянной для искателя. Чтобы быть эффективным для наведения на летальный радиус, углы отслеживания, возможно, в один градус являются идеальными, но для того, чтобы иметь возможность непрерывно отслеживать цель безопасно, желательны FOV порядка 10 градусов или более. [ необходима цитата ]
Эта ситуация приводит к использованию ряда конструкций, которые используют относительно широкое поле зрения для обеспечения легкого отслеживания, а затем обрабатывают полученный сигнал каким-либо образом, чтобы получить дополнительную точность для наведения. Как правило, вся сборка искателя устанавливается на карданной системе, которая позволяет ей отслеживать цель через широкие углы, а угол между искателем и ракетным самолетом используется для внесения поправок наведения.
Это приводит к появлению понятий мгновенного поля зрения (IFOV), которое представляет собой угол, который видит детектор, и общего поля зрения, также известного как угол наклона или возможность отклонения от линии прицеливания , которое включает в себя движение всей сборки искателя. Поскольку сборка не может двигаться мгновенно, цель, быстро движущаяся поперек линии полета ракеты, может быть потеряна из IFOV, что приводит к понятию скорости слежения , обычно выражаемой в градусах в секунду.
Некоторые из самых ранних немецких искателей использовали решение линейного сканирования, где вертикальные и горизонтальные щели перемещались вперед и назад перед детектором, или, в случае Мадрида , две металлические лопасти 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. [19] Однако эти искатели также имеют главный недостаток, заключающийся в том, что их FOV определяется физическим размером щели (или непрозрачной планки). Если он установлен слишком маленьким, изображение от цели слишком мало, чтобы создать полезный сигнал, в то время как установка его слишком большим делает его неточным. По этой причине линейные сканеры имеют присущие им ограничения точности. Кроме того, двойное возвратно-поступательное движение является сложным и механически ненадежным, и, как правило, приходится использовать два отдельных детектора.
Большинство ранних искателей использовали так называемые спин-сканирующие , прерывающие или сетчатые искатели. Они состояли из прозрачной пластины с последовательностью непрозрачных сегментов, нарисованных на них, которая помещалась перед ИК-детектором. Пластина вращалась с фиксированной скоростью, что приводило к тому, что изображение цели периодически прерывалось или прерывалось . [37]
Система Hamburg , разработанная во время войны, является самой простой и легкой для понимания. Ее вертолет был окрашен в черный цвет с одной стороны, а другая половина оставалась прозрачной. [38]
Для этого описания мы рассматриваем диск, вращающийся по часовой стрелке, если смотреть со стороны датчика; мы будем называть точку вращения, когда линия между темной и светлой половинами горизонтальна, а прозрачная сторона находится сверху, позицией 12 часов. Фотоэлемент расположен позади диска в позиции 12 часов. [38]
Цель расположена прямо над ракетой. Датчик начинает видеть цель, когда диск находится на 9 часах, поскольку прозрачная часть вертолета, выровненная вертикально на цели на 12 часах, становится видимой. Датчик продолжает видеть цель, пока вертолет не достигнет 3 часов. [38]
Генератор сигналов вырабатывает сигнал переменного тока с той же частотой, что и скорость вращения диска. Он рассчитан таким образом, чтобы сигнал достигал максимально возможной положительной точки напряжения в положении 12 часов. Таким образом, в течение периода, когда цель видна датчику, сигнал переменного тока находится в периоде положительного напряжения, изменяясь от нуля до максимума и обратно до нуля. [38]
Когда цель исчезает, датчик активирует переключатель, который инвертирует выходной сигнал переменного тока. Например, когда диск достигает положения 3 часа и цель исчезает, переключатель активируется. Это тот же самый момент, когда исходная форма волны переменного тока начинает отрицательную часть напряжения своей формы волны, поэтому переключатель инвертирует ее обратно в положительную. Когда диск достигает положения 9 часов, ячейка снова переключается, больше не инвертируя сигнал, который теперь снова входит в свою положительную фазу. Результирующий выходной сигнал этой ячейки представляет собой серию полусинусоидальных волн, всегда положительных. Затем этот сигнал сглаживается для получения выходного постоянного тока, который отправляется в систему управления и дает команду ракете на взлет. [38]
Вторая ячейка, расположенная в положении 3 часа, завершает систему. В этом случае переключение происходит не в положениях 9 и 3 часа, а в положениях 12 и 6 часов. Рассматривая ту же цель, в этом случае форма волны только что достигла своей максимальной положительной точки в положении 12 часов, когда она переключается в отрицательное положение. После этого процесса вокруг вращения возникает серия обрезанных положительных и отрицательных синусоидальных волн. Когда это проходит через ту же систему сглаживания, выход равен нулю. Это означает, что ракете не нужно корректировать влево или вправо. Если бы цель двигалась вправо, например, сигнал был бы все более положительным от более гладкого, указывая на увеличивающиеся коррекции вправо. На практике второй фотоэлемент не требуется, вместо этого оба сигнала можно извлечь из одного фотоэлемента с использованием электрических задержек или второго опорного сигнала, сдвинутого по фазе на 90 градусов относительно первого. [38]
Эта система вырабатывает сигнал, чувствительный к углу вокруг циферблата, пеленгу , но не к углу между целью и центральной линией ракеты, угловому отклонению (или угловой ошибке ). Это не требовалось для противокорабельных ракет, где цель движется очень медленно относительно ракеты, и ракета быстро выравнивается с целью. Это не подходило для использования в режиме «воздух-воздух», где скорости были больше и требовалось более плавное движение управления. В этом случае система была изменена лишь незначительно, поэтому модулирующий диск был смоделирован в кардиоиде, которая гасила сигнал на большее или меньшее время в зависимости от того, насколько далеко он находился от центральной линии. Другие системы использовали второй сканирующий диск с радиальными щелями для обеспечения того же результата, но со второй выходной цепи. [39]
AEG разработала гораздо более продвинутую систему во время войны, и это легло в основу большинства послевоенных экспериментов. В этом случае диск был испещрен серией непрозрачных областей, часто в серии радиальных полос, образующих узор ломтика пиццы. Как и в Hamburg , генерировался сигнал переменного тока, который соответствовал частоте вращения диска. Однако в этом случае сигнал не включается и выключается с углом, а постоянно запускается очень быстро. Это создает серию импульсов, которые сглаживаются для создания второго сигнала переменного тока на той же частоте, 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 из одного сигнала. Большое улучшение было сделано в рамках программы Sidewinder, подавая выходной сигнал на гарнитуру пилота, где он создает своего рода рычащий звук, известный как тон ракеты , который указывает, что цель видна искателю. [40]
В ранних системах этот сигнал подавался непосредственно на поверхности управления, вызывая быстрые резкие движения, чтобы вернуть ракету в положение выравнивания, система управления, известная как «бах-бах». Банг-бах управление крайне неэффективно с аэродинамической точки зрения, особенно когда цель приближается к центральной линии, а органы управления постоянно щелкают вперед и назад без какого-либо реального эффекта. Это приводит к желанию либо сгладить эти выходные сигналы, либо измерить угол отклонения и также передать его в органы управления. Этого можно добиться с помощью того же диска и некоторой работы над физическим расположением оптики. Поскольку физическое расстояние между радиальными стержнями больше во внешнем положении диска, изображение цели на фотоэлементе также больше и, таким образом, имеет больший выходной сигнал. Расположив оптику так, чтобы сигнал все больше обрезался ближе к центру диска, результирующий выходной сигнал изменяется по амплитуде в зависимости от угла отклонения. Однако он также будет изменяться по амплитуде по мере приближения ракеты к цели, поэтому это не полная система сама по себе, и часто желательна некоторая форма автоматического управления усилением . [40]
Системы спин-сканирования могут устранить сигнал от протяженных источников, таких как солнечный свет, отражающийся от облаков или горячего песка пустыни. Для этого сетка модифицируется, делая одну половину пластины покрытой не полосами, а 50%-ным цветом пропускания. Выходной сигнал такой системы представляет собой синусоидальную волну для половины вращения и постоянный сигнал для другой половины. Фиксированный выходной сигнал меняется в зависимости от общей освещенности неба. Расширенная цель, которая охватывает несколько сегментов, например облако, также вызовет фиксированный сигнал, и любой сигнал, который приближается к фиксированному сигналу, отфильтровывается. [40] [37]
Значительная проблема с системой спин-сканирования заключается в том, что сигнал, когда цель находится вблизи центра, падает до нуля. Это происходит потому, что даже его небольшое изображение охватывает несколько сегментов, поскольку они сужаются в центре, производя сигнал, достаточно похожий на расширенный источник, который отфильтровывается. Это делает такие искатели чрезвычайно чувствительными к вспышкам, которые удаляются от самолета и, таким образом, производят постоянно увеличивающийся сигнал, в то время как самолет дает мало или вообще не дает. Кроме того, по мере приближения ракеты к цели, меньших изменений относительного угла достаточно, чтобы вывести ее из этой центральной нулевой зоны и снова начать вызывать управляющие входы. С контроллером bang-bang такие конструкции, как правило, начинают слишком остро реагировать в последние моменты сближения, вызывая большие расстояния промаха и требуя больших боеголовок. [37]
Большим усовершенствованием базовой концепции спин-сканирования является конический сканер или кон-скан . В этой конструкции фиксированная сетка помещается перед детектором, и оба располагаются в точке фокусировки небольшого рефлекторного телескопа Кассегрена . Вторичное зеркало телескопа направлено немного в сторону от оси и вращается. Это заставляет изображение цели вращаться вокруг сетки , вместо того чтобы вращаться сама сетка. [41]
Рассмотрим пример системы, в которой зеркало искателя 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 центрированная цель создает переменный сигнал, когда она проходит над отметками на сетке. В этот же момент система спин-сканирования будет производить постоянный выходной сигнал в своем центральном нуле. Вспышки все еще будут видны искателю кон-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]
Извлечение 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 отклонения несколько сложнее. В системе спин-сканирования угол кодируется длительностью времени между импульсами, увеличивая или уменьшая силу выходного сигнала. Этого не происходит в системе кон-сканирования, где изображение все время примерно центрировано на сетке. Вместо этого угол определяется тем, как импульсы изменяются в течение одного цикла сканирования. [42]
Рассмотрим цель, расположенную на 10 градусов левее центральной линии. Когда зеркало направлено влево, цель кажется близкой к центру зеркала, и, таким образом, проецирует изображение на 5 градусов левее центральной линии сетки. Когда оно поворачивается так, чтобы указывать прямо вверх, относительный угол цели равен нулю, поэтому изображение появляется на 5 градусов ниже центральной линии, а когда оно направлено вправо, на 15 градусов левее. [42]
Поскольку отклонение угла сетки вызывает изменение длины выходного импульса, результатом отправки этого сигнала в смеситель является частотно-модулированный (ЧМ), поднимающийся и опускающийся в течение цикла вращения. Затем эта информация извлекается в системе управления для наведения. Одним из основных преимуществ системы con-scan является то, что сигнал ЧМ пропорционален отклонению угла, что обеспечивает простое решение для плавного перемещения поверхностей управления, что приводит к гораздо более эффективной аэродинамике. Это также значительно повышает точность; ракета со спин-сканированием, приближающаяся к цели, будет подвергаться постоянным сигналам по мере того, как цель движется в направлении от центральной линии и обратно, заставляя средства управления bang-bang направлять ракету в резких коррекциях, тогда как сигнал ЧМ con-scan устраняет этот эффект и улучшает круговую вероятную ошибку (CEP) до всего лишь одного метра. [41]
Большинство систем con-scan пытаются удерживать изображение цели как можно ближе к краю сетки, так как это вызывает наибольшее изменение выходного сигнала при движении цели. Однако это также часто приводит к тому, что цель полностью уходит от сетки, когда зеркало направлено в сторону от цели. Чтобы решить эту проблему, центр сетки окрашен 50%-ным рисунком пропускания, поэтому, когда изображение пересекает его, выход становится фиксированным. 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, потому что это происходит прямо напротив точки, когда изображение полностью падает с искателя, и сигнал исчезает. Исследуя сигнал, когда известно, что он пересекает эту точку, создается AM-сигнал, идентичный искателю спин-сканирования. Таким образом, за счет дополнительной электроники и таймеров система con-scan 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 с перекрестной решеткой имитирует действие сетки в системе con-scan посредством физического расположения самих детекторов. Классические фотоэлементы обычно круглые, но усовершенствования в методах строительства и особенно в твердотельном производстве позволяют изготавливать их любой формы. В системе с перекрестной решеткой (обычно) четыре прямоугольных детектора расположены в форме креста (+). Сканирование выполняется идентично con-scan, что заставляет изображение цели сканировать каждый из детекторов по очереди. [43]
Для цели, центрированной в поле зрения, изображение обходит детекторы и пересекает их в одной и той же относительной точке. Это приводит к тому, что сигнал от каждого из них становится идентичным импульсом 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 изменению задержки между повторным появлением сигнала, большей для изображений, находящихся дальше от центральной линии, и меньшей, когда они находятся ближе. Схемы, подключенные к зеркалам, производят этот оценочный сигнал в качестве контроля, как в случае консканирования. Сравнение сигнала детектора с контрольным сигналом дает требуемые поправки. [43]
Преимущество этой конструкции в том, что она позволяет значительно улучшить отклонение бликов. Поскольку детекторы тонкие по всей длине, 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, пересекающий детекторы. С этого момента любые сигналы, поступающие за пределами коротких периодов, определенных управляющим сигналом, могут быть отклонены. Поскольку блики имеют тенденцию останавливаться в воздухе почти сразу после выпуска, они быстро исчезают из ворот сканера. [43] Единственный способ обмануть такую систему — это постоянно выпускать блики, чтобы некоторые из них всегда находились близко к самолету, или использовать буксируемую блику.
Розеточный искатель , также известный как псевдовизуализатор , использует большую часть механической компоновки системы con-scan, но добавляет еще одно зеркало или призму для создания более сложного рисунка, вытягивая розетку . [44] По сравнению с фиксированным углом con-scan, розеточный рисунок заставляет изображение сканироваться под большими углами. Датчики на приводных валах подаются на смеситель, который выдает образец FM-сигнала. Смешивание этого сигнала с сигналом от искателя удаляет движение, производя выходной сигнал, идентичный сигналу от con-scan. Главным преимуществом является то, что розеточный искатель сканирует более широкую часть неба, что значительно затрудняет выход цели из поля зрения. [43]
Недостатком сканирования розетки является то, что оно производит очень сложный вывод. Объекты в поле зрения искателя производят совершенно отдельные сигналы, когда он сканирует небо; система может видеть цель, вспышки, солнце и землю в разное время. Чтобы обработать эту информацию и извлечь цель, отдельные сигналы отправляются в память компьютера . За период полного сканирования это создает 2D-изображение, которое дает ему название псевдовизуализатор. [43] Хотя это делает систему более сложной, полученное изображение дает гораздо больше информации. Вспышки можно распознать и отклонить по их малому размеру, облака по их большему размеру и т. д. [44]
Современные ракеты с тепловым наведением используют инфракрасное изображение (IIR), где ИК/УФ-датчик представляет собой решетку фокальной плоскости , которая способна создавать изображение в инфракрасном диапазоне, во многом подобно прибору с зарядовой связью (ПЗС) в цифровой камере. Это требует гораздо большей обработки сигнала, но может быть гораздо более точным и его сложнее обмануть с помощью ложных целей. Помимо того, что новые искатели более устойчивы к бликам, они также менее склонны быть обманутыми и наведенными на солнце, что является еще одним распространенным трюком для избегания ракет с тепловым наведением. Используя передовые методы обработки изображений, можно использовать форму цели для определения ее наиболее уязвимой части, на которую затем направляется ракета. [45] Все западные ракеты класса «воздух-воздух» малой дальности, такие как AIM-9X Sidewinder и ASRAAM, используют инфракрасные искатели изображения, а также китайские PL-10 SRAAM, тайваньские TC-1 , израильские Python-5 и российские R-74M/M2 .
Существует два основных способа поражения ИК-наводчиков: использование ловушек или ИК-глушилок.
Ранние искатели не отображали цель, и все, что находилось в пределах их поля зрения, создавало выходной сигнал. Ракета, выпущенная целью, вызывает появление второго сигнала в пределах поля зрения, создавая второй угловой выходной сигнал и вероятность того, что искатель вместо этого начнет целиться в ракету. Против ранних искателей со спиновым сканированием это было чрезвычайно эффективно, поскольку сигнал от цели был минимизирован на середине траектории, поэтому даже слабый сигнал от ракеты можно было увидеть и отследить. Конечно, если это произойдет, ракета теперь исчезнет из поля зрения, и самолет снова станет видимым. Однако, если самолет выйдет из поля зрения в это время, что происходит быстро, ракета больше не сможет повторно захватить цель.
Одним из решений проблемы вспышек является использование двухчастотной головки самонаведения. Ранние головки самонаведения использовали один детектор, который был чувствителен к очень горячим частям самолета и к выхлопу реактивной струи, что делало их пригодными для сценариев преследования с хвостом. Чтобы позволить ракете отслеживаться под любым углом, были добавлены новые детекторы, которые были намного более чувствительны и на других частотах. Это предоставило способ различать вспышки; две головки самонаведения видели разные местоположения самолета-цели — сам самолет в отличие от его выхлопа — но вспышка появлялась в одной и той же точке на обеих частотах. Затем их можно было устранить.
Более сложные системы использовались с цифровой обработкой, особенно перекрестные решетки и розеточные искатели. Они имели такие чрезвычайно узкие мгновенные поля зрения (IFOV), что их можно было обрабатывать для получения изображения, таким же образом, 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 формирования изображений, которые формируют изображение напрямую вместо сканирования и имеют дополнительную возможность исключения мелких целей путем непосредственного измерения их углового размера.
Ранние системы самонаведения определяли угол до цели по времени приема сигнала. Это делает их восприимчивыми к глушению путем подачи ложных сигналов, которые настолько сильны, что видны даже тогда, когда сетка самонаведения закрывает датчик. Ранние глушилки, такие как AN /ALQ-144, использовали нагретый блок карбида кремния в качестве источника ИК-излучения и окружали его вращающимся набором линз, которые посылали изображение в виде серии пятен, проносящихся по небу. Современные версии чаще используют инфракрасный лазер, освещающий быстро вращающееся зеркало. Когда луч попадает на самонаведение, он вызывает вспышку света, появляющуюся вне последовательности, нарушая временную схему, используемую для расчета угла. В случае успеха ИК-глушители заставляют ракету летать хаотично. [47]
ИК-глушилки гораздо менее успешны против современных головок самонаведения, поскольку они не полагаются на синхронизацию для своих измерений. В этих случаях глушитель может быть вредным, так как он обеспечивает дополнительный сигнал в том же месте, что и цель. Некоторые современные системы теперь размещают свои глушители на буксируемых блоках противодействия, полагаясь на самонаведение ракеты на сильный сигнал, но современные системы обработки изображений могут сделать это неэффективным и могут потребовать, чтобы блок выглядел как можно больше как оригинальный самолет, что еще больше усложняет конструкцию. [47]
Более современная лазерная технология устраняет сканирование и вместо этого использует какую-то другую форму обнаружения для идентификации ракеты и наведения лазера непосредственно на нее. Это постоянно ослепляет искатель и полезно даже против современных искателей изображений. Эти направленные инфракрасные контрмеры ( DIRCM ) очень эффективны, они также очень дороги и, как правило, подходят только для самолетов, которые не маневрируют, таких как грузовые самолеты и вертолеты. Их реализация еще больше усложняется размещением фильтров перед формирователем изображения для удаления любых нечастотных сигналов, требуя, чтобы лазер настраивался на частоту искателя или проходил через диапазон. Некоторые работы даже были направлены на системы с достаточной мощностью, чтобы оптически повредить носовой конус или фильтры внутри ракеты, но это остается за пределами текущих возможностей. [47]
Большинство ракет с инфракрасным наведением имеют головки самонаведения, установленные на карданном подвесе . Это позволяет направлять датчик на цель, когда ракета не наведена. Это важно по двум основным причинам. Одна из них заключается в том, что до и во время запуска ракета не всегда может быть наведена на цель. Вместо этого пилот или оператор направляет головку самонаведения на цель с помощью радара , нашлемного прицела, оптического прицела или, возможно, путем направления носа самолета или ракетной пусковой установки прямо на цель. Как только головка самонаведения видит и распознает цель, она сообщает об этом оператору, который затем обычно «отцепляет» головку самонаведения (которой разрешено следовать за целью). После этого головка самонаведения остается зафиксированной на цели, даже если самолет или пусковая платформа движется. Когда оружие запускается, оно не может контролировать направление, в котором оно указывает, пока не сработает двигатель и не достигнет достаточно высокой скорости, чтобы его плавники могли контролировать направление его движения. До тех пор головка самонаведения на карданном подвесе должна иметь возможность отслеживать цель самостоятельно.
Наконец, даже находясь под положительным контролем и на пути к перехвату цели, она, вероятно, не будет направлена прямо на нее; если только цель не движется прямо к пусковой платформе или от нее, кратчайший путь для перехвата цели не будет путем, выбранным при наведении прямо на нее, поскольку она движется вбок относительно поля зрения ракеты. Первоначальные ракеты с тепловым наведением просто направлялись на цель и преследовали ее; это было неэффективно. Более новые ракеты умнее и используют карданную головку самонаведения в сочетании с тем, что известно как пропорциональное наведение, чтобы избежать колебаний и пролететь по эффективной траектории перехвата.
13 выпущенных ракет Blowpipe без попаданий