El concepto de radar de alerta temprana para aviones no tripulados
Fuente: Aeronautica Militare
1. Las principales etapas del desarrollo de AWACS
El principal problema que surge en el diseño de AWACS es que (para obtener grandes rangos de detección de objetivos) el radar debe tener necesariamente un área de antena grande y, por regla general, no hay ningún lugar para colocarlo a bordo. El primer AWACS exitoso se desarrolló hace más de 60 años y no ha abandonado la escena hasta el día de hoy. Fue creado sobre la base del transportador de cubierta y se llamó E2 Hawkeye.
Seta
La idea principal de todos los AWACS en ese momento era colocar una antena giratoria en un "hongo" ubicado sobre el fuselaje.
El radar determina las coordenadas del objetivo midiendo el alcance del objetivo y dos ángulos: horizontal y verticalmente (azimut y elevación). Es bastante fácil obtener una alta precisión de la medición del rango; es suficiente para determinar con precisión el tiempo de retorno de la señal de eco reflejada desde el objetivo. La contribución del error de medición del ángulo suele ser mucho mayor que el error de rango. La cantidad de error angular está determinada por el ancho del haz del radar y suele ser de aproximadamente 0,1 ancho de haz. Para antenas planas, el ancho se puede determinar mediante la fórmula α = λ / D (1), donde:
α es el ancho del haz, expresado en radianes;
λ es la longitud de onda del radar;
D es la longitud de la antena a lo largo de la coordenada correspondiente (horizontal o verticalmente).
A la longitud de onda seleccionada, con el fin de estrechar el haz tanto como sea posible, el tamaño de la antena debe maximizarse en función de las capacidades de la aeronave. Pero un aumento en el tamaño de la antena conduce a un aumento en la sección media del "hongo" y empeora la aerodinámica.
Desventajas del panqueque
Los desarrolladores hawaianos decidieron abandonar el uso de antenas planas y cambiaron a una antena de televisión de tipo "canal de ondas". Dicha antena consta de una barra longitudinal, a través de la cual se instalan varios tubos vibradores. Como resultado, la antena está ubicada solo en el plano horizontal. Y la tapa de "hongo" se convierte más bien en un "panqueque" horizontal, que casi no estropea la aerodinámica. La dirección de la radiación de las ondas de radio permanece horizontal y coincide con la dirección del boom. El diámetro del "panqueque" es de 5 m.
Por supuesto, dicha antena también tiene serias desventajas. Con una longitud de onda seleccionada de 70 cm, el ancho del haz de azimut sigue siendo aceptable: 7 °. Y el ángulo de elevación es de 21 °, lo que no permite medir la altura de los objetivos. Si, al apuntar cazabombarderos (IS), la ignorancia de la altitud es insignificante, debido a la capacidad del radar a bordo (radar) para medir la altura del objetivo en sí, entonces esos datos no son suficientes para lanzar misiles. No es posible estrechar el haz disminuyendo la longitud de onda, ya que el "canal de onda" funciona peor en ondas cortas.
La ventaja del alcance de 70 cm es que aumenta significativamente la visibilidad de los aviones furtivos. El rango de detección de un IS convencional se estima en 250-300 km. La pequeña masa de Hokai y su bajo precio han llevado al hecho de que su producción no se haya interrumpido.
AWACS
El requisito de aumentar el rango de detección y mejorar la precisión de seguimiento llevó al desarrollo de un nuevo AWACS AWACS basado en el pasajero Boeing-707. Se colocó una antena vertical plana de 7,5 x 1,5 m en el "hongo" y la longitud de onda se redujo a 10 cm. Como resultado, el ancho del haz disminuyó a 1 ° * 5 °. La precisión del radar y la inmunidad al ruido han aumentado drásticamente. El rango de detección de IS ha aumentado a 350 km.
Análogo de AWACS en la URSS
En la URSS, el primer AWACS se desarrolló sobre la base del Tu-126. Pero las características de su radar eran mediocres. Luego comenzaron a desarrollar un análogo de AWACS. No se encontró ningún vehículo pesado de pasajeros. Y decidieron utilizar el avión de transporte Il-76, que no era muy adecuado para AWACS.
El ancho excesivo del fuselaje, la gran masa (190 t) y los motores antieconómicos provocaron un consumo excesivo de combustible. Dos veces más que AWACS. El estabilizador, elevado hasta la parte superior de la quilla y situado detrás del "hongo", cuando la antena giraba hacia el sector de cola, provocaba que el rayo del radar se reflejara en el suelo. Y la interferencia causada por los reflejos del suelo interfirió en gran medida con la detección de objetivos en el sector de la cola.
Ninguna actualización de radar puede eliminar las desventajas de este operador. Incluso la sustitución de motores por otros más económicos no llevó el consumo de combustible al nivel de AWACS. El rango de detección y la precisión fueron casi tan buenos como los de AWACS. Pero AWACS también se retirará del servicio en los próximos años. La diferencia de medios también afecta a los operadores. El Il-76 no es un avión de pasajeros, el nivel de comodidad en él es bajo. Y la fatiga de la tripulación al final del turno es significativamente mayor que en el Boeing-707.
Era AFAR
La llegada del radar con conjuntos de antenas en fase activa (AFAR) ha mejorado significativamente el rendimiento del radar. AWACS apareció sin el "hongo". Por ejemplo, FALKON basado en Boeing-767. Pero también en este caso el uso de medios terminados no dio buenos resultados. La presencia de un ala en el medio del fuselaje provocó que el AFAR lateral tuviera que partirse por la mitad. El AFAR, instalado delante del ala, irradiaba hacia adelante y hacia los lados. Y DESPUÉS detrás del ala, hacia atrás. Pero no fue posible obtener un AFAR de un área grande.
Nuestro A-100 se quedó con un "hongo". Se instaló un AFAR dentro del "hongo" en lugar de una antena giratoria. Fue necesario reemplazar el portaaviones, pero esto no sucedió. El rango de detección se ha aumentado (según se informa) a 600 km. Pero las fallas del transportista no desaparecieron. El parque A-50 se encuentra en un estado deplorable. De los aviones restantes, 9 vuelan (e incluso en raras ocasiones). Al parecer, no hay suficiente dinero para vuelos regulares. La falta de vuelos AWACS regulares lleva al hecho de que el enemigo confía en que sus lanzadores de misiles tipo Tomahawk de baja altitud pasarán fácilmente por nuestra frontera sin ser notados.
A diferencia de los Estados Unidos, no hay radares de globo en la Federación de Rusia para proteger las fronteras marítimas. Y las colinas de la costa, donde sería posible instalar un radar de vigilancia, tampoco están en todas partes. En tierra, la situación es aún peor. Los Tomahawks, utilizando los pliegues del terreno, pueden pasar la estación de radar a una distancia de solo unos pocos kilómetros. Se cree que los misiles de crucero (CR) vuelan sobre tierra a una altitud de 50 m. Sin embargo, los mapas digitales modernos de la zona se han vuelto tan detallados que incluso pueden mostrar objetos altos individuales. Entonces, el perfil de vuelo de altitud se puede trazar a altitudes notablemente más bajas. Por encima del mar, los KR vuelan a alturas de aproximadamente 5 m. En consecuencia, la declaración del Ministerio de Defensa sobre la creación de un campo de radar continuo en la Federación de Rusia no se aplica a KR.
Una idea innovadora
La conclusión se sugiere a sí misma: es necesario desarrollar un portador especializado que le permita colocar un área grande AFAR, cuyo concepto propone el autor.
En su opinión, la masa de tal AWACS será significativamente menor que la masa de AWACS. Y el rango de detección ꟷ es mucho mayor. El costo por hora de funcionamiento será moderado. Esto permite realizar vuelos regulares (pero, por supuesto, no según lo programado). Es importante que el enemigo no sepa cuándo, dónde y en qué trayectoria se llevará a cabo el vuelo.
2. Justificación del concepto de un UAV AWACS prometedor
El anterior concepto dominante en el mundo “aeronave AWACS - puesto de mando aéreo” está irremediablemente obsoleto. AWACS es capaz de descargar toda la información en una línea de alta velocidad a un puesto de mando en tierra a una distancia de 400 a 500 km. Si es necesario, puede utilizar un repetidor UAV, que aumentará el rango de comunicación hasta 1300 km. La presencia de una gran tripulación a bordo del antiguo AWACS hace que sea necesario asignar IS en servicio para su protección. Por lo tanto, el costo de una hora de funcionamiento se vuelve prohibitivo.
Además, solo se considera UAV AWACS. También renunciaremos al requisito de garantizar el mismo rango de detección en todas las direcciones. En la mayoría de los casos, AWACS patrulla en una zona segura y monitorea lo que está sucediendo en la zona del enemigo o en un área determinada de su propio territorio. Por lo tanto, requeriremos que el AWACS tenga al menos un sector con un ancho de 120 °, donde se proporcione un rango de detección aumentado. Y en el resto de sectores, solo se brinda autodefensa.
El único lugar del avión donde se puede colocar un APAR grande es el costado del fuselaje. Pero en el medio del fuselaje suele haber un ala. Incluso cuando se utiliza el plano superior (como en el IL-76), el ala no permitirá ver el hemisferio superior. La salida de la situación será elevar la vía AWACS a tal altura que para ella casi todos los objetivos estarán por debajo. Y nada impide su detección.
La detección de objetivos a gran altitud será algo más fácil si usa un ala en forma de V. Sin pérdida de la calidad del ala, el ángulo de ascenso puede ser de hasta 4 °. Entonces, el ángulo máximo de detección del objetivo en el que el rayo del radar aún no se refleja desde el ala será de 2-3 °. Suponga que el AWACS está ubicado a una altitud de 16 km. Entonces, si el objetivo vuela a la altitud máxima para IS de 20 km, entonces estará en la zona de detección de AWACS hasta que alcance una distancia de menos de 80 km. Si es necesario acompañar a este objetivo a distancias más cercanas, entonces el AWACS puede inclinarse a lo largo de un giro otros 5 ° y continuar el seguimiento hasta un alcance de 30 km.
Para reducir la masa del AFAR, se debe realizar mediante la tecnología de piel radiante, en la que las hendiduras emisoras se cortan en la piel y se sellan con fibra de vidrio. Los módulos de recepción y transmisión (TPM) de AFAR se adhieren a la piel y el exceso de calor del TPM se vierte directamente sobre la piel. Como resultado, la masa de APAR disminuye significativamente.
3. El diseño y las tareas del UAV
Cabe recordar que el autor no es un especialista en construcción de aeronaves. Como se muestra en la Fig. 1, el diagrama (así como las dimensiones) refleja más bien los requisitos para la colocación de antenas de radar. Este no es un modelo para un UAV real.
Figura 1.
Se asume que el peso de despegue del UAV será de 40 toneladas, la envergadura es de 35ꟷ40 m, la altitud de vuelo es de 16ꟷ18 km. A una velocidad de unos 600 km / h. El motor debe ser económico. Siguiendo el modelo del diseño de Global Hawk, se debe tomar el motor de un avión de pasajeros. Por ejemplo, PD-14. Y modificarlo para vuelos a gran altitud. Peso del combustible 22 toneladas Tiempo de vuelo no inferior a 20 horas Longitud de despegue / recorrido 1000 m.
La posición alta del ala no permitirá el uso de un tren de aterrizaje convencional de tres pilares. Tendremos que usar un chasis de bicicleta como el U-2. Por supuesto, golpear la pista con el ala al final de la carrera, como en el U-2, no funcionará aquí. Y es difícil utilizar las ruedas de apoyo extendidas hacia los lados. Debido a que la superficie lateral fue ocupada por el AFAR.
Se propone hacer los últimos 7 m del ala plegados, como en un avión de barco. Pero no deben elevarse, sino descender hacia abajo en un ángulo de 40ꟷ45 °. Para no tocar la pista. Las ruedas de apoyo están instaladas en las puntas de las alas. Que, con repentinas ráfagas de viento, se adentran en la pista. La gran longitud del ala proporcionará una carga baja en la rueda. Al final de la carrera, el UAV descansa sobre uno de ellos.
A continuación, consideraremos las posibilidades de colocar un lateral AFAR. El mejor rendimiento del radar se obtiene cuando la antena tiene el área más grande posible y la forma de la antena es cercana a un círculo o cuadrado. Desafortunadamente, en un UAV real, la forma siempre diferirá significativamente de la óptima: la altura es mucho menor que la longitud.
La elección de la forma y el tamaño del fuselaje solo puede ser realizada por ingenieros aeronáuticos experimentados. Bueno, por ahora, consideremos dos versiones teóricamente posibles de la forma APAR, que tienen la misma área. La primera opción (16x2,4 m) se considerará la más realista. Y el segundo (10,5x3,7 m) - requiere estudio adicional.
Considere la primera opción, en la que la longitud del fuselaje es de 22 M. La característica de diseño es la presencia de una entrada de aire alargada que pasa debajo del ala. Esto hizo posible aumentar la altura de la superficie lateral del fuselaje. AFAR se muestra mediante una línea de puntos y guiones.
Los AFAR operan en el rango de longitud de onda de 20-22 cm, lo que permitirá usar un AFAR para resolver los problemas de radar, identificación de estado y comunicación anti-jamming con el puesto de mando. Otra ventaja de este rango (en comparación con el rango de 10 cm para el A-50) es que el intensificador de imagen de los objetivos furtivos, a partir de longitudes de onda de 15 a 20 cm, aumenta al aumentar la longitud de onda.
En el morro (debajo del carenado) hay un AFAR elíptico con un tamaño de 1,65 × 2 m. Debido al hecho de que la antena del morro no proporciona la precisión de medición del azimut requerida, dos AFAR puramente receptores se encuentran además en los bordes de ataque del ala. La distancia del fuselaje a la antena del ala es de 1,2 m El ala AFAR es una línea de 96 módulos receptores con una longitud total de 10,6 m.
Rango de trabajo de los ángulos nasales AFAR ± 30 ° * ± 45 °. El uso de APAR montados en alas aumentará ligeramente el rango de detección (en un 15%). Pero el error de medición del acimut disminuirá radicalmente (entre 5 y 6 veces).
La sección de cola contiene solo la antena de la línea de comunicación. Por lo tanto, en el campo de visión del hemisferio posterior, hay una zona "muerta" con un ancho de ± 30 °.
Para ahorrar el peso de la aeronave, el complejo de comunicaciones utiliza el mismo AFAR como canal principal. Con su ayuda, se proporciona una transmisión de información de alta velocidad (hasta 300 Mbit / s) e inmune al ruido a un punto de comunicación terrestre o de barco. Para recibir información en los puntos de comunicación, se instalan transceptores del rango de 20ꟷ22 cm. No hay requisitos especiales para las antenas de estos transceptores. El enemigo no puede crear interferencias de tal poder, lo que podría suprimir la señal del radar AWACS. Y es posible transmitir información desde un punto de comunicación a AWACS a bajas velocidades.
3.1. Diseño de radar
El AFAR lateral debe ubicarse 25 cm por debajo del borde inferior del ala. Entonces puede escanear el hemisferio inferior en todo el rango de acimut de ± 60 ° disponible para él. En el hemisferio superior, en ángulos de elevación de más de 2-3 °, el ala comienza a interferir. Por tanto, AFAR se divide en dos mitades. El frente está ubicado debajo del ala y no puede escanear hacia arriba. La mitad trasera puede escanear hacia arriba en un rango de acimut de ± 20 °, donde su haz no toca el ala o el estabilizador. El escaneo de elevación de esta mitad será de + 30 ° a -50 °.
Lateral AFAR contiene 2880 PPM (144 * 20). Potencia de pulso PPM 40W. El consumo de energía de este AFAR es de 80 kW. El ancho del haz es de 0,8 ° * 5,2 °, que es incluso un poco más estrecho que el de AWACS. Por lo tanto, la precisión del seguimiento de objetivos será mayor que la de AWACS. Se esperan ganancias especialmente grandes en la detección de objetivos y el rango de seguimiento. Primero, el área de la antena AWACS es de 10 metros cuadrados. m. Y el área de AFAR es de 38 metros cuadrados. m) En segundo lugar, la antena AWACS escanea uniformemente los 360 ° completos. Y el AFAR lateral solo sus 120 ° e incluso entonces de manera desigual: en aquellas direcciones donde hay una sospecha de la presencia de un objetivo, se envía más energía y se elimina la incertidumbre (es decir, aumenta el rango de detección en estas direcciones).
La antena nasal contiene 184 PPM de 80 W de potencia pulsada y refrigerada por líquido. Ancho del haz 7,5 * 6 °, ángulos de exploración ± 60 ° en acimut y ± 45 ° en elevación.
El consumo máximo de energía del radar es de 180 kW. El peso total del radar es de 2 a 2,5 toneladas y el costo principal de un modelo en serie del radar aparentemente ascenderá a entre 12 y 15 millones de dólares.
4. Tareas y funcionamiento de AWACS
Cuando se utiliza en un teatro marítimo, un UAV debe proporcionar soporte de información para el KUG a una distancia de hasta 2ꟷ2,5 mil km del aeródromo local. Incluso a tales distancias, puede estar en servicio durante al menos 12 horas. En el área de servicio, el UAV debe estar protegido por el sistema de defensa aérea KUG, es decir, debe retirarse a una distancia de no más de 150-200 km. Si existe el peligro de un ataque, el UAV debe regresar bajo la protección del KUG a una distancia de no más de 50 km. En esta situación, el radar UAV y el radar Kuga deben distribuir entre sí las zonas de detección de objetivos aéreos atacantes. En el hemisferio inferior, detecta un UAV y objetivos más altos: un radar del sistema de defensa aérea.
Tengamos en cuenta que con una altitud de vuelo de 16 km, el radio de detección de barcos enemigos será de 520 km. Es decir, el alcance alcanzado del centro de control garantizará el lanzamiento del sistema de misiles antibuque Onyx en todo el alcance de vuelo.
Al escoltar portaaviones y UDC que no tienen AWACS de cubierta, el UAV puede participar en las acciones del ala aérea. Además de la detección tradicional de objetivos aéreos y marítimos, el UAV es capaz de detectar objetivos enemigos de contraste de radio, así como las trayectorias de proyectiles de cañón de gran calibre, utilizando el potencial de energía extremadamente alto del AFAR lateral. Además, el UAV puede detectar vehículos blindados en movimiento.
5. Características tácticas y técnicas del radar
Características del AFAR lateral
Rango de detección en la dirección del eje de la antena lateral:
- caza tipo F-16 con intensificador de imagen de 2 metros cuadrados. ma una altitud de 10 km - 900 km;
- RCC con un intensificador de imágenes de 0,1 sq. m - 360 km;
- tipo de misil guiado AMRAAM con una superficie reflectante efectiva (EOC) 0,03 sq. m - 250 km;
- proyectil de artillería de 76 mm de calibre con un intensificador de imagen de 0,001 m90. m - EOP XNUMX km;
- un barco de misiles con un intensificador de imágenes de 50 metros cuadrados. m - 400 km;
- destructor con intensificador de imagen 1000 sq. m - 500 km;
- un tanque que se mueve a una velocidad de 3 m / sy un intensificador de imagen de 5 m250. m - XNUMX km.
En los límites de la zona de barrido de azimut igual a ± 60 °, el rango de detección disminuye en un 20%.
El error de una sola medición de ángulos se da para un rango igual al 80% del rango de detección del objetivo correspondiente:
- en acimut - 0,1 °,
- en elevación - 0,7 °.
Durante el seguimiento del objetivo, el error angular se reduce de 2 a 3 veces (según las maniobras del objetivo). Cuando el rango objetivo se reduce al 50% del rango de detección, el error de una sola medición se reduce a la mitad.
La desventaja del AFAR que mide 16x2,4 m es precisamente la baja precisión de la medición del ángulo de elevación. Por ejemplo, el error en la medición de la altitud del F-16 IS, seguido a una distancia de 600 km, será de 2 km.
Si fuera posible implementar la segunda versión del AFAR lateral de 10,5x3,7 m, entonces el rango de detección de IS aumentaría a 1000 km, y el error de medición de altitud a una distancia de 600 km se reduciría a 1,3 km. La longitud del fuselaje se reduciría a 17 m.
Características del AFAR nasal
Rango de detección en la dirección del eje de la antena nasal:
- luchador con intensificador de imagen 2 sq. m - 370 km;
- RCC con un intensificador de imágenes de 0,1 sq. m - 160 km;
- un misil guiado del tipo AMRAAM con un intensificador de imagen de 0,03 sq. m - 110 km;
- barco de misiles con un tubo intensificador de imagen 50 metros cuadrados - 300 km;
- destructor con intensificador de imagen 1000 sq. m - 430 km;
- un tanque que se mueve a una velocidad de 3 m / sy un intensificador de imagen de 5 m250. m - XNUMX km.
Error de medición de un solo ángulo:
- acimut: 0,1 °;
- ángulo de elevación: 0,8 °.
En el proceso de seguimiento del objetivo, el error de medición se reduce de 2 a 3 veces.
El precio de costo del lado AFAR depende del tamaño del lote. Nos centraremos en el precio de $ 5 millones. Entonces, el costo total de la estación de radar será de $ 14 millones. Eso es mucho más barato que los análogos disponibles en el mercado mundial.
6. Las tácticas de usar AWACS en un teatro terrestre
Las tareas de los AWACS de armas combinadas en tierra son iluminar la situación aérea a grandes profundidades sobre el territorio de los estados vecinos y registrar los movimientos de grandes formaciones de tropas en la zona fronteriza hasta 300 km de profundidad. En circunstancias especiales, también pueden plantearse problemas puramente locales. Por ejemplo, escoltar el automóvil de un terrorista peligroso. Para que el reloj continúe continuamente durante todo el período amenazado, es importante poder reducir el costo de una hora de reloj tanto como sea posible.
El UAV debe patrullar las fronteras a distancias que garanticen su seguridad. Si el enemigo tiene un sistema de defensa aérea de largo alcance o aeródromos IS en la zona fronteriza, esta distancia debe ser de al menos 150 km.
Para evitar la posibilidad de una derrota en tiempo de guerra, es necesario garantizar la protección del UAV con sus propios medios de defensa aérea. La forma más barata es utilizar un par de sistemas de misiles de defensa aérea, que son capaces de cubrir una zona de merodeo de 150-200 km de largo. En ausencia de sus propios sistemas de defensa aérea, la distancia desde la frontera se puede aumentar a 200 km. Esto, al tiempo que garantiza un amplio rango de detección de misiles atacantes (y cazas enemigos), permitirá llevar a cabo una maniobra de retirada en lo profundo de su propio territorio con el ascenso de oficiales de IS en servicio desde el aeródromo más cercano.
En tiempo de paz, no necesitará utilizar dicha protección. Y el UAV puede navegar directamente a lo largo de la frontera. Al mismo tiempo, puede detectar vehículos en movimiento por sí solo, pero sin reconocer su tipo. En este sentido, la mejor eficiencia se logra combinando el reconocimiento de objetivos específicos por medio de reconocimiento óptico que opera en el territorio del enemigo (o desde un satélite) y el seguimiento de los objetivos detectados mediante un UAV.
Por ejemplo, si un explorador detecta un vehículo terrorista, el operador de AWACS podrá ponerlo en seguimiento automático y rastrear el movimiento de este vehículo incluso en carreteras cercanas a otros vehículos, así como llamar a un UAV de ataque para destruirlos.
7. Conclusiones
El avión Il-76, que es el portaaviones del nuevo complejo A-100 AWACS, no ha cambiado fundamentalmente. Y no será posible reducir radicalmente el costo de una hora de su funcionamiento. Por lo tanto, no puede contar con su uso regular. A pesar de las características mejoradas del radar.
El UAV AWACS propuesto proporciona un rango de detección 1,5 veces mayor que el A-100. Pesa cuatro veces menos. Y consume cinco veces menos combustible.
El largo alcance de detección le permite controlar el espacio aéreo del enemigo desde distancias seguras (200 km) y no utilizar la seguridad de la información.
La mayor altitud de vuelo permite detectar objetivos terrestres y de superficie a distancias de hasta 500 km.
La larga duración del vuelo permite utilizar UAV para escoltar a los KUG, apoyar operaciones anfibias y acciones AUG a una distancia de hasta 2500 km del aeródromo.
La integración en un AFAR del radar, la identificación de estados y las funciones de comunicación hizo posible reducir aún más el peso y el costo del equipo.
El costo moderado de los dispositivos garantizará la alta competitividad del UAV.
Desafortunadamente, estas propuestas en el Ministerio de Defensa aún no han despertado interés y todavía se perciben como una fantasía.
En el próximo artículo, consideraremos la versión a bordo del UAV AWACS.
información