Тенденции развития комплекса бортового обо­рудования боевого маневренного самолета.

В современных боевых авиационных комплексах бортовое радиоэлектронное оборудование используется наиболее широко. Функции, выполняемые современными системами комплекса бортового оборудования (КБО), расширились по сравнению с сороковыми годами от простой радиосвязи до управления полетом, вооружением, до радиоэлектронного противодействия (РЭП).

В задачи КБО входят:

- определение точного положения самолета в пространстве;

- получение и обработка информации о воздушной и наземной обстановке;

- эффективное управление самолетом и оружием по директивным командам, исходящих от летчика и внешних систем;

- всестороннее противодействие противнику;

- связь с внешними системами управления и между самолетами группы;

- контроль и регистрация полетной информации;

- предоставление летчику необходимой для принятия решения информации в удобном виде;

- оптимизация задач маневра и ведения воздушного боя;

- выработка сигналов предупреждения об опасной пилотажной обстановке.

Эти задачи общеизвестны и не меняются уже десятки лет. Изменяются лишь требования к качеству их решения, а, следовательно, при переходе от одного поколения самолетов к другому, изменяются принципы построения (архитектура), состав и требования к техниче­ским характеристикам КБО.

К этим требованиям относятся:

- открытость и реконфигурируемость архитектуры;

- модульность конструктивных элементов и программного обеспечения;

- наращивание интеллекта бортовых систем;

- скрытность работы;

- аппаратурная, информационная и функциональная интеграция;

- все направленное информационное поле и увеличение точности работы всех информационных систем и систем прицеливания;

- повышение надежности работы КБО;

- снижение весовых характеристик оборудования.

Наращивание интеллекта КБО связано, в первую очередь, со структурой бортовых систем и мощностью бортовых вычислительных машин. Для самолетов пятого поколения было принято решение о принципиальном изменении архитектуры бортовых систем: вместо рас­пределенной системы КБО с локальными вычислительными устройствами все задачи должны решаться в центральной БЦВС, в так называемом "ядре КБО" (рисунок 1.3.15). Такой подход позволяет организовать единую интег­рированную вычислительную среду, в которой изначально отсутствуют жесткое распределение средств вычислительной техники по информа­ционным каналам КБО и аппаратно-реализо­ванные подсистемы, что в свою очередь существенно повышает отказобезопасность и поме­хозащищенность боевого комплекса в целом. Однако такая организация КБО требует суще­ственного роста интеллекта бортовых систем. Эта задача может быть решена при пере­ходе к бортовым вычислительным машинам с быстродействием порядка 50 млрд. в 1 с и памятью порядка 100 Гбайт, что на несколько порядков превышает мощность БЦВМ на са­молетах четвертого поколения.

Переход на интеграцию бортовых систем оборудования и на новую элементную базу позволит переломить тенденцию увеличения массы КБО (см. рисунок 1.3.12) при существенном расширении точности и быстродействия решения всех задач.

Рис. 1.3.15. Примерные структурные схемы КБО истребителей четвертого (а) и пятого (б) поколений

Таким образом, с одной стороны, имеем увеличение надежности бортового оборудова­ния (рисунок 1.3.16) и уменьшение трудоемкости технического обслуживания, отнесенное к лет­ному часу (рисунок 1.3.17), а с другой, — рост от­носительной стоимости бортового оборудова­ния в общей стоимости самолета (рисунок 1.3. 18). Появление в составе КБО мощной БЦВС, использование современных компьютерных технологий управления самолетом, БРЗО и вооружением, работы в области создания РЛС с фазированной антенной решеткой (ФАР), позволили выйти на новый качественный уровень создания информационных систем. Появились всеракурсные информационные системы, обеспе­чивающей многоканальное применение ракет с головкой самонаведения, ограниченное лишь боекомплектом, и одновременное ведение кон­троля воздушного пространства и картографиро­вание подстилающей поверхности. Такая сис­тема разработана в США для самолета F-22A.

Рис. 1.3.16. Изменение надежности истребителей по годам

Рис. 1.3.17. Изменение удельной трудоемкости технического обслуживания и ремонта истребителей по годам

Рис. 1.3.18. Соотношение стоимостей оборудования ряда истребителей по годам

Очередным шагом в совершенствовании РЛС следует считать "интегрированную на уровне антенных блоков радиоэлектронную сис­тему", разработанную в рамках программы Pave Расе. Она используется на самолете JSF.

Развитие оптикоэлектронных систем прицеливания и поиска цели (ОЭС) началось с самолетов четвертого поколения. В настоя­щее время известны три типа ОЭС:

- встроенные системы обнаружения и изме­рения координат воздушных целей (теплопеленгатор, квантовая оптико-локационная станция);

-системы, размещаемые в контейнере и предназначенные для информационного обес­печения применения оружия "воздух-поверх­ность" (лазерно-телевизионные, тепловизионные контейнеры);

- оптический пеленгатор, предназначенный для обнаружения и измерения координат ракет класса "воздух-воздух" и "воздух-земля".

Лазерно-телевизионные прицельные сис­темы обеспечивают применение всех видов авиационного вооружения с телевизионными головками самонаведения (ГСН) и управления ракетами (УР) с лазерными ГСН, а также применение высокоточного оружия с лазерно-лучевым наведением.

На вооружении самолетов США с 1988г. находится лазерно-тепловизионная система LANTIRN, предназначенная для многоканаль­ного применения оружия "воздух-поверх­ность" с лазерными и тепловизионными ГСН.

Важным элементом КБО является ком­плекс радиоэлектронного противодействия, предназначенный для проведения радиотех­нической разведки создания помех в РЛ- и ИК-диапазонах.

Наибольшие перспективы в этой области связаны с разработкой цифровой системы ра­диоэлектронного противодействия, которая на аппаратном и функциональном уровне интег­рируется со всеми радиоэлектронными система­ми, в том числе и с РЛС. Работы в этом нап­равлении ведутся в США по программе JSF.

Работы по развитию и совершенствованию информационно-управляющего поля (ИУП) кабины летчика являются магистральным направлением повышения эффективности перспективных авиационных боевых комп­лексов.

Определяющей для построения ИУП кабины самолетов пятого поколения является концепция многоэкранной системы индика­ции с использованием широкоугольных дис­плеев с голографическими оптическими эле­ментами, индикаторов цветного изображения с большими размерами экрана и с много­функциональным кнопочным обрамлением.

Данная концепция реализуется на истре­бителе F-22A JSF, а также при создании истре­бителей для стран Западной Европы (самолеты EF-2000, Rafale). Например, размеры каждого из двух основных индикаторов JSF составляют 200 на 250 мм.

Многофункциональные индикаторы до­полняются нашлемным индикатором, кото­рый может использоваться как прицельное ус­тройство при пуске ракет, так и как устройство отображения информации.

Кроме того, в ИУП кабины входит ком­плекс речевой информации и разрабатываемая в настоящее время система распознавания ре­чевых команд.

Точность определения своих координат на самолетах пятого поколения обеспечивается бесплатформенной инерциальной системой навигации (БИНС) на лазерных гироскопах и спутниковой системой, что обеспечивает точ­ность, примерно в 2 раза превышающую точ­ность аналогичных инерциальных платформенных систем.

1.4.4 НЕЗАМЕТНОСТЬ МАНЕВРЕННОГО БОЕВОГО САМОЛЕТА.

Достижение малой заметности боевого маневренного самолета является одной из фундаментальных проблем современной авиа­ции. Значимость решения этой проблемы соизмерима с решением фундаментальной проблемы преодоления звукового барьера и освоения сверхзвуковых скоростей полета. Трудности заключаются в необходимости по­иска оптимальных решений, удовлетворяющих областям конструкции, аэродинамики и физи­ческих свойств излучения и переотражения элементов конструкции в диапазонах частот излучения РЛС, инфракрасном и оптическом.

Требования к незаметности самолета сформулированы только в процессе проекти­рования самолетов пятого поколения. Перво­начально они касались только передней полу­сферы самолета. Однако проведение анализа боевых действий последних локальных; кон­фликтов с участием сил НАТО показало, что современная боевая авиация работает в воз­душном пространстве, где имеется всеракурсной облучение средствами воздушных и назем­ных ПВО. Поэтому в настоящее время к боевой авиации предъявляются требования всеракурсной незаметности.

Работы в этой области ведутся как в на­правлении снижения заметности существую­щих самолетов средствами применения радиопоглощающих покрытий, так и путем создания ЛА специальных форм. Первые работы по соз­данию ЛА специальных форм дали существен­ное ухудшение их аэродинамических характеристик (самолет F-117).

Более углубленные исследования показали, что во многих случаях требования незаметности не противоречат требованиям аэродинамики, предъявляемым к высокоманевренному боевому самолету. Такое направление работы будет основ­ным при проектировании боевых маневренных самолетов в ближайшей перспективе. Работы в этой области в США уже привели к созданию не­скольких новых экспериментальных ЛА.

А) Незаметность боевых маневренных самоле­тов в радиолокационном диапазоне. Основная формула радиолокации, непосредственно свя­занная с характеристиками незаметности цели, после некоторых упрощений может быть представлена в следующем виде:

_(1.3.1.)

где: R _max — дальность обнаружения цели;

P_t — максимальная мощность передачи, Вт;

P_{r min} — минимальный уровень мощности, которая может быть принята РЛС в присутст­вии шума, Вт;

G — усиление радарной антен­ны, характеризующее ее способность сосредотачивать энергию электромагнитного поля в узкой угловой области;

для круглой антенны G 5 (D / λ ) ² ; D — диаметр антенны, м.

Рабочая частота РЛС f и ее длина волны λ в (м) связаны зависимостью

где с — скорость света (с 3 ∙10 ⁸ м/с).

Это скорость распространения в свобод­ном пространстве всех форм энергии электро­магнитного поля, включая радарные волны.

Эффективная отражающая поверхность цели σ определяется как отношение всенаправленного вторичного излучения мощности в точке приема отраженного от цели сигнала к плотности потока мощности, идущей от источ­ника облучения.

Из уравнения (1.3.1) следует, что достиже­ние существенного снижения дальности обна­ружения РЛС требует существенного снижения эффективной поверхности радиоотражения (ЭПР) самолета. Например, снижение ЭПР самолета на 1/2 обеспечивает снижение дальности обна­ружения РЛС всего на 16%.

ЭПР самолета — сложная, непостоянная величина, зависящая от следующего:

- размеров поперечного сечения при соот­ветствующем угле проецирования;

- коэффициента отражения, определяемого как соотношение между падающей энергией излучения и обратного рассеяния (коэффи­циент отражения зависит от свойств материала и длины волны излучения);

- конструкции самолета и угла падения ра­диолокационного излучения;

- пространственной ориентации ЛА относи­тельно РЛС, ее частоты и поляризации.

При контакте радиолокационного излуче­ния с ЛА его демаскирующими факторами яв­ляются:

- острые (резкие) кромки и щели ЛА;

- однородно отражающие поверхности и угло­вые отражатели (трехэлементные образования).

Из всего многообразия элементов ЛА можно выделить основные и второстепенные источники отраженного радиолокационного сигнала.

К основным источникам отраженного радиолокационного сигнала относятся:

- воздухозаборники, двигатели, сопла;

- отсек носового обтекателя;

- антенны бортовой РЛС и других средств БРЭО;

- БРЗО и электрическую проводку;

- кабину экипажа, фонарь кабины;

- вооружение на внешних подвесках, в том числе антенны управляемых ракет.

К вторичным источникам отраженного радиолокационного сигнала относятся:

- фюзеляж;

- крылья;

- оперение.

Для снижения радиолокационной заметности рекомендуются следующие способы и приемы:

1) Выбор оптимальных аэродинамических форм:

- уменьшение геометрических размеров;

- устранение острых кромок и изломов поверхностей;

- применение адаптивного крыла;

- интеграция планера и силовой установки.

2) Применение радиопоглощающих материалов и покрытий на ферритовой основе и углеплас­тиках.

3) Применение клиновидных конструкций.

4)Применение устройств, способных изме­нять характеристики радиолокационного сиг­нала и отражения его на РЛС.

5) Использование активных и пассивных средств РЭБ.

6) Снижение общего уровня излучения радио­оборудования самолета.

7)Использование пассивных средств, позво­ляющих уменьшить радиолокационную заметность в длинноволновом диапазоне.

Необходимые уровни ЭПР. Для скрытного преодоления радиолокационного поля обзорных РЛС требуется уровень заметности самолета (0,01 - 0,001) м² в дециметровом диапазоне длин волн и (0,1 - 0,03) м² в сантиметровом диапазоне. Требуемый из условия срыва атаки управляемых ракет уровень заметности самолета в сантимет­ровом диапазоне в (30 – 500) раз выше требуемого уровня заметности в дециметровом диапазоне. Поэтому реализация характеристик малой за­метности во всем указанном диапазоне длин волн при современном уровне развития техники представляется сложной и нерациональной задачей.

Анализ частоты встреч самолета-истреби­теля с различными средствами ПВО противни­ка показал, что из радиолокационных средств, действующих по истребителю, наиболее "опас­ными" являются средства управления оружием, на них приходится более 90 % столкновений.

Из них 88 % работает в диапазоне длин волн (2,5 - 4,25) см, 8,9 % - в диапазоне (6,1 - 7,5) см и 2,3 % - в диапазоне 0,87 см. Таким образом, для истребителя и ударного самолета основ­ным диапазоном длин волн, требующим про­ведения мероприятий по снижению замет­ности, является диапазон (2,5 - 4,25) см.

Для этого диапазона длин волн, по зару­бежным источникам, применение технологии "Стелс" для различных ЛА позволяет достичь следующего уровня ЭПР.

ЛА F-117 В-2 F-22A JSF

ЭРП,.м^{2 ……………} 0,03 ... 0,1 0, 1 ... 0,01 0,3 0, 3 ... 0,5

Эти данные по величине ЭПР получены на основе результатов математического моделиро­вания и измерений на масштабных моделях. Различные внутренние полости типа воздухоза­борников и огромное число мелких деталей самолета (щели, каналы слива пограничного слоя, различные отверстия и т.п.) представляют для аналитических расчетов большие сложнос­ти и требуют проведения экспериментальных исследований с использованием детально про­работанных и полномасштабных моделей ЛА.

Б) Инфракрасная незаметность самолета.

По­добно радиоволнам, ИК-излучение является также частью электромагнитного спектра с дли­нами волн 0,77 ... 1000 мкм. Оно испускается все­ми телами при температуре выше абсолютного нуля (-273 °С). Сумма и распределение тепло­вого излучения как функции длины волны зави­сит от материала и температуры тела. Для твер­дых веществ (непрерывные излучатели) типа поверхности самолета излучение равномерно распределено по широкому диапазону длин волн; для газов (импульсные излучатели) типа реактивной струи двигателя излучение испуска­ется в очень маленьком диапазоне длин волн. Излучаемую телом энергию М (Вт/м²) можно определить по уравнению Стефана-Больцмана:

(1.3.2.)

где: ε — коэффициент излучения (функ­ция длины волны);

σ = 5,67 ∙ 10^-8 Вт/(м² ∙ К)⁴ — постоянная Стефана—Больцмана;

Т—темпе­ратура, º К.

Коэффициент излучения ε — отношение излучения, испускаемого поверхностью тела к излучению, испускаемому абсолютным источ­ником излучения при той же температуре. По­этому его значение всегда меньше единицы.

Несмотря на то, что ИК-заметность само­лета зависит от температуры сопла и кине­тического нагрева обшивки, влияние пос­ледней на малых скоростях полета незначи­тельное. В двигателе ИК-излучение дают горячие части и реактивная струя (рисунок 1.3.19). К основным величинам, изменяя которые можно существенно повлиять на ИК-замет­ность самолета, относятся температура и коэф­фициент излучения, снижение которого достигается экранированием нагретых элемен­тов другими частями планера.

Ракеты класса "воздух - воздух" с тепловой головкой наведения обычно наиболее чувстви­тельны к середине ИК-спектра (3–5) мкм, что является собственной частотой горячих газов уг­леводородного топлива, истекающих из сопла двигателя. Датчики ИК-излучения, работающие на длине волны (8-12) мкм, обнаруживают тепло­ту на обшивке планера, вызванную солнечным нагревом и трением о воздух. Обе частоты ис­пользуются бортовыми ИК-прицелами.

Рис. 1.3.19. Распределение ИК-излучения сопла и обшивки самолета по длинам волн

Как следует из уравнения (1.3.2), сниже­ние температуры позволяет существенно уменьшить ИК-заметность. Поэтому для сни­жения ИК-излучения на современных самоле­тах особое внимание уделяют снижению тем­пературы и маскировке горячих частей. Это достигается следующими способами:

- использованием двигателей с понижен­ным уровнем ИК-излучения (в том числе бесфорсажных и переменного цикла);

- большим количеством снятой работы с турбины двигателя (для самолетов с турбовальным или турбовинтовым двигателем);

- увеличением степени двухконтурности ТРДД;

- расположением сопла на верхней поверх­ности планера (F-117A, В-2, YF-23);

- применением специальных выходных уст­ройств (плоского или щелевого сопла);

- использованием принудительной системы охлаждения хладагентами и охлаждающими жидкостями;

-загораживанием излучающих поверхностей экранами с низким уровнем температуры;

- подмешиванием холодного воздуха к вых­лопным газам;

- поворотом канала сопла для препятствования прямому визированию излучающих поверх­ностей;

- применением специальных присадок, из­меняющих спектр ИК-излучения;

- применением теплопоглощающих покрытий.

Следует иметь в виду, что все эти меры связаны с ростом массы выходного устройст­ва (ВУ) и потерями тяги двигателя.

При снижении коэффициента излучения поверхности уменьшается лучистая энергия, но одновременно возрастает количество пере­отраженной энергии от более горячих внутренних компонентов. При разработке пок­рытия, снижающего коэффициент ИК-излучения, следует обратить внимание на то, чтобы выбранный материал при этом не способство­вал отраженному радиолокационному сигналу. Использование многослойного материала для снижения радиолокационной и ИК-заметности требует пленки толщиной в несколько ангстрем.

Кроме того, двигатели при работе произ­водят углеродистые отложения (сажу) на поверхности сопла, которые имеют чрез­вычайно высокий коэффициент излучения. Поэтому выхлоп частиц углерода должен быть по возможности уменьшен, в противном случае, сопло будет покрыто толстым графи­товым слоем с большим коэффициентом из­лучения уже после нескольких часов работы двигателя. Кинетический нагрев обшивки планера и нагрев от солнечных лучей также повышают

ИК-заметность самолета, сильно зави­сит от высоты и скорости полета. На крейсер­ском сверхзвуковом полете (М = 1,5 - 1,6) тем­пература обшивки из-за кинетического нагрева повышается примерно на 70° С, но этот нагрев в значительной степени компенсируется тем­пературой окружающей среды (-56 °С) на крей­серской высоте полета. При числе Маха М = 2 аэродинамический нагрев может составлять около 116 °С, а при М = 2,35 — примерно 181 °С, что уже существенно, поскольку это является основным вкладом в ИК-заметность самолета в передней полусфере (рисунок 1.3.20).

В) Оптическая незаметность самолета. В ви­димом диапазоне длин волн по истребителю могут действовать следующие средства:

-бинокулярные оптические визиры ЗРК и ЗСК;

-монокулярные визиры ЗРК;

-оптические прицелы истребителей;

-телевизионные визиры истребителей и ЗРК;

-лазерные дальномеры ЗРК и ЗАК.

Спектральные характеристики визиров и прицелов соответствуют спектральной харак­теристике глаза, но для снятия дымки спект­ральные характеристики визиров незначитель­но сдвигаются в ближнюю ИК-область.

Рабочая частота излучения лазерных дально­меров составляет 1,06 мкм для

генераторов на инертном газе и 10,6 мкм для генераторов на СО₂.

В качестве показателя заметности само­лета в лазерном диапазоне, как и в радиолока­ционном, принята эффективная площадь рас­сеяния, которая в лазерном диапазоне определяется через коэффициент яркости β:

:

Рис. 1.3.20. Распределение излучения элементов самолета в зависимости от ракурса

Применение ЭПР в качестве показателя заметности корректно в том случае, когда пятно све­тового луча накрывает всю проекцию самолета.

В лазерном диапазоне при существующих расходимостях луча диаметр пятна лазерного луча на самолете при работе с максимальных дальнос­тей порядка 8 км составляет примерно 5 м, при этом облученная поверхность составляет по­рядка 30% видимой площади поверхности са­молета, к тому же распределение яркости на поверхности может отличаться в 50 раз.

Поэтому в лазерном диапазоне корректнее применять распределение яркости по поверх­ности самолета. Коэффициент яркости зависит от марки, цвета и системы покрытия, угла между зондирующим лучом и нормалью к по­верхности самолета, а также от длины волны лазерного излучения.

Помимо поверхностей, покрытых камуф­ляжным лакокрасочным покрытием, дополни­тельный вклад в заметность самолета в види­мом спектре волн вносят: радиопрозрачный обтекатель БРЛС, кабина, полости каналов и форсажной камеры.

Для снижения заметности истребителя в оптическом диапазоне можно рекомендовать:

- специальную камуфляжную окраску с ма­лым коэффициентом отражения или маскиро­вочные покрытия;

- искусственный подсвет затеняемых мест ЛА для устранения теней специальными источ­никами света с применением светофильтров;

- специальную конструкцию фонаря кабины и остекления ЛА для устранения бликов;

- введение в химический состав остекления добавок, обеспечивающих уменьшение отра­жения света;

- применение топлива малой дымности, не образующего в полете инверсионного следа.