ИКОНА
инфракрасное обнаружение, наведение, аннигиляция
Содержание:
Тема антидроновой защиты бронетехники на поле боя продолжает оставаться актуальной и спустя два года после начала СВО. К удивлению простого обывателя, наиболее востребованным на фронте средством защиты бронетехники и полевых орудий стали так называемые мангалы – каркасы различных навесов, обтянутые металлической сеткой. Причём эти суррогаты напрочь обнуляют возможное применение в качестве средств ПВО ранее штатно устанавливаемые на танки и САУ крупнокалиберные зенитные пулемёты, которые сами по себе являются замечательными системами вооружения. Эти самоделки народного творчества в исполнении мастерских КРАС могут дополняться вполне себе технологичными изделиями в виде носимых обнаружителей присутствия дронов и продвинутыми переносными станциями РЭБ. Фактически мы наблюдаем игнор активному (или, кому больше нравится, огневому) противодействию серьёзной воздушной угрозе, которая в значительной степени заставила пересмотреть тактику применения бронетехники на поле боя. Надо заметить, что лучшая в мире на настоящий момент система войсковой ПВО российской армии, которая успешно справляется с современным арсеналом баллистических и крылатых ракет, пилотируемой и беспилотной авиацией и даже залпами снарядов РСЗО западных армий, не в состоянии эффективно парировать угрозу копеечных дронов как для прикрываемых боевых порядков наших войск, так и самой себе. В данной статье автор попытается предложить свой взгляд на решение озвученной проблемы, не умаляя значения уже появившихся антидроновых электронных ружей и дробовиков у пехоты.
ИНФРАКРАСНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ МОДУЛЬ ОБНАРУЖЕНИЯ
По словам Великого комбинатора, в наше время трудно переоценить значение «плодотворной идеи». Она заключается в создании съёмного (переносного) автоматического автономного модуля для защиты конкретного образца бронетехники от воздушной угрозы, приближающейся к нему с дозвуковой скоростью. Дальность обнаружения не превышает 1,5 километра, а уверенное поражение обеспечивается на расстоянии до 500 метров от подзащитного образца бронетехники.
Как всегда, наиболее трудная и ответственная задача заключается в своевременном обнаружении воздушной угрозы, от достоверности и точности которого во многом в дальнейшем процессе зависят алгоритмы сопровождения, оценки угроз и выбора приоритетов уничтожения. Поэтому более подробно остановлюсь на идее создания инфракрасного лазерного модуля обнаружения (ИКЛМО). Здесь необходимо аргументированно доказать выбор диапазона излучения и способ излучения для получения необходимой информации о цели. В качестве инструмента для решения задачи обнаружения предлагается пара из углекислотного лазера непрерывного излучения (СО2-лазер) и приёмного фотодиода или матрицы, работающих в инфракрасном диапазоне, если быть более точным – в средней инфракрасной области (λ = 2,5 – 50 мкм; 120 – 6 ТГц). Проходя через земную атмосферу, инфракрасное излучение ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Азот и кислород воздуха не поглощают инфракрасное излучение и ослабляют его лишь в результате рассеяния, которое, однако, для инфракрасного излучения значительно меньше, чем для видимого света. Пары воды, углекислый газ, озон и др. примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают инфракрасное излучение. Особенно сильно поглощают инфракрасное излучение пары воды, полосы поглощения которых расположены почти во всей инфракрасной области спектра, а в средней инфракрасной области — углекислый газ. В приземных слоях атмосферы в средней инфракрасной области имеется лишь небольшое число «окон», прозрачных для инфракрасного излучения. Наличие в атмосфере взвешенных частиц — дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) — приводит к дополнительному ослаблению инфракрасного излучения в результате рассеяния его на этих частицах, причём величина рассеяния зависит от соотношения размеров частиц и длины волны. При малых размерах частиц (воздушная дымка) инфракрасное излучение рассеивается меньше, чем видимое излучение, а при больших размерах капель (густой туман) инфракрасное излучение рассеивается так же сильно, как и видимое. Углекислотные лазеры излучают в среднем инфракрасном диапазоне, с длиной волны от 9,4 до 10,6 мкм, причём в указанном диапазоне возможна перестройка фиксированных частот что будет способствовать электромагнитной совместимости работающих на одном участке местности нескольких ИКЛМО. На начало XXI века — это один из самых мощных лазеров с непрерывным излучением до 80 кВт в непрерывном режиме и до сотен МВт в импульсном режиме с модуляцией добротности. Имеет КПД, достигающим 15—20 %.
Хорошо известны преимущества лазерного излучения такие как когерентность, монохроматичность и коллимированность.
Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу. На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на большие расстояния при малом ослаблении их интенсивности. Так если начальный диаметр пучка равен одному сантиметру, то на расстоянии в 100 метров диаметр пятна будет всего 10 сантиметров, на расстоянии 1 километра диаметр пятна не превысит 1 метра, ну и соответственно на расстоянии в 1,5 километра вся мощность излучения будет распределена в диаметре пятна около 1,5 метров. Такой фокусировки (или узкой ширины диаграммы направленности) одиночного излучателя как у лазера, невозможно добиться ни при использовании систем линз и зеркал в видимом диапазоне, ни при построении фазированной антенной решётки в миллиметровом или коротком сантиметровом диапазоне в размерах допустимых для размещения на бронетехнике. С другой стороны, если в лазерное инфракрасное пятно диаметром 1,5 метра на расстоянии 1,5 километра нечаянно попадает дозвуковой ПТУРС, летящий практически горизонтально, или 120-мм мина, падающая почти вертикально, или дистанционно управляемый квадрокоптер сопоставимых размеров – мы гарантированно получаем достаточно мощный отражённый эхо-сигнал, который после приёма и обработки можно считать первичным обнаружением указанных объектов. Для обнаружения с удовлетворительной вероятностью столь разнонаправленных угроз практически невозможно создать зеркальную антенну с приемлемыми параметрами ширины диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях, не размазав энергетический потенциал излучаемого сигнала по довольно широкой области окружающего пространства, получая взамен ещё более ослабленный эхо-сигнал. Попытка создания АФАР или ПФАР сама по себе представляет большую техническую сложность, может потребовать достаточно сложной модуляции излучаемого сигнала, а самое главное – превысить допустимые габариты и стоимость изделия в сравнении с ценой подзащитного объекта. На этом фоне предложение автора выглядит, как всё гениальное, простым и изящным! Сочетание сотни лазерных указок с принципом работы зеркального шара на дискотеке…
Представьте себе полусферу с радиусом 30 сантиметров (d = 60 см) со скоростью вращения 15 оборотов в секунду. Это половинка шара с фотографии в начале статьи, а скорость вращения и диаметр сопоставимы со скоростью вращения колеса Лады «Гранта» (185/55R15) на скорости 100 км/час. Полусферу делим тремя полосами через 120 градусов от оси вращения сверху к краям наибольшего диаметра снизу. На каждой полосе с интервалом 3 градуса размещаем инфракрасный лазер непрерывного излучения с диаметром выходного отверстия 1 сантиметр. Справа и слева от излучателя по горизонтали располагаем два фотоприёмника, ориентированные строго в направлении излучения, с шириной пространственного сегмента для восприятия отражённого эхо-сигнала в 7 градусов. На каждой полосе размещено по 29 лазерных излучателя, что создаёт частокол лучей в угломестной плоскости от 0 до 87 градусов. 87 лучей на скорости вращения 15 об/сек практически исключают возможность незамеченного проникновения к месту установки конструкции даже на слепых скоростях. Высокая вероятность обнаружения обеспечивается большим энергетическим потенциалом лазерного пучка; приёмом отражённого сигнала сразу шестью приёмными устройствами (два расположены непосредственно у излучателя и ещё по два у соседних с ним на одной полосе сверху и снизу); практически невозможностью создания преднамеренных помех как в режиме самоприкрытия носителем, так и сторонним источником.
Теперь коротко про обработку принимаемых отражённых сигналов от цели. Непрерывное излучение инфракрасного лазерного облучателя при попадании на цель приобретает фактически импульсную модуляцию из-за очень короткого времени контакта при отражении от цели, а также доплеровскую составляющую в несущей частоте. При первичной обработке принимаемого сигнала сразу же отсеиваются непрерывные сигналы от пассивных помех и возможных помехопостановщиков непрерывного излучения по критерию длительности импульса и отсутствию доплеровской частоты в импульсном сигнале. В каждой отдельной паре приёмников одного излучателя сигнал пройдёт на сумматор только в случае отсутствия фазового сдвига (что является гарантией его происхождения только с направления или от своего излучателя, или от одного из соседних сверху или снизу). Совпадение сигналов от приёмников трёх соседних излучателей можно будет признать первичным обнаружением воздушной цели, движущейся в направлении охраняемого объекта с привязкой её к определённому углу места и азимуту. Далее должна последовать оценка угроз и определение приоритетов уничтожения обнаруженных целей. Здесь решающую роль будут играть дальность до цели и скорость её сближения с объектом. При непрерывном излучении простейшего немодулированного сигнала дальность до цели мы сможем приблизительно оценить по длительности отражённого от неё импульсного эхо-сигнала. Создавая подобную локационную систему, мы изначально понимаем, что самые короткие импульсы будут отражаться от целей на максимальной дальности от источника излучения, но в то же время длительность импульса будет возрастать и по мере увеличения угла места цели. Дело в том, что длина описываемой окружности лучём под углом места в 45 градусов на дальности в 1,5 километра будет гораздо короче длины окружности от луча под углом места ноль градусов на той же дальности. При одинаковой скорости вращения лазерное пятно будет дольше контактировать с целью под углом в 45 градусов чем с целью под углом ноль градусов на одинаковой дальности. Опытным или расчётным способом определённые значения длительности импульса для каждого угла места позволят спецвычислителю ИКЛМО дополнить имеющиеся координаты цели азимут и угол места ещё и расчётной (она же наклонная) дальностью. В добавление к имеющимся координатам цели ещё и скорости сближения её с объектом позволят алгоритму оценки угроз выбрать приоритетную цель для взятия на сопровождение инфракрасным лазерным модулем наведения (ИКЛМН).
ИНФРАКРАСНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ МОДУЛЬ НАВЕДЕНИЯ
В создании инфракрасного лазерного модуля наведения для системы поражения на базе стрелкового вооружения не было бы никакой интриги. Та самая изначальная «плодотворная идея» предусматривала только упоминание диапазона работы с перечислением преимуществ сделанного выбора. Суть заключалась в том, чтобы обосновать выбор диапазона в районе 50 микрометров (6 ТГц), в пределах которого есть очередное «окно прозрачности» приземного слоя атмосферы для инфракрасного излучения. Учитывая обозначенную в начале статьи дальность поражения в 0,5 километра, дальность взятия на сопровождение выбранной цели и наведения на неё средства огневого поражения вполне допустимо с дистанции в 1 километр. На столь незначительном расстоянии естественно можно было пренебречь влиянием затухания как на излучение, так и на приём эхо-сигнала, компенсировав его увеличением излучаемой мощности ИКЛМН в импульсном режиме. А теперь о преимуществах. Получив целеуказание от ИКЛМО и выполнив доворот в направлении цели модулю наведения в инфракрасном диапазоне не обязательно немедленно переходить в активный режим излучения, есть вероятность обнаружения и захвата цели на сопровождение в пассивном режиме, работая только приёмными устройствами. Приближающийся ПТУРС имеет излучение факела реактивного двигателя, падающая мина может сохранять некую сигнатуру ИК-излучения, полученную в результате нагрева от пороховых газов выстрела, и даже электродвигатели или ДВС дронов не лишены инфракрасного излучения как демаскирующего признака их присутствия в пространстве поиска. Таким образом, во-первых, может быть реализован принцип пассивного сопровождения цели. А во-вторых, при нахождении на участке местности сразу нескольких единиц бронетехники с модулями ПВО ИКОНА обнаружение цели одним из них и активным подсветом её с помощью своего ИКЛМН даст возможность остальным тоже обнаружить её своими средствами в пассивном режиме по предварительному оповещению в сетецентричных каналах связи. В конце концов, почему мы допускаем использование роя дронов по отдельному образцу вооружения и должны отказаться от альтернативы наоборот – стаей на дрон?
И всё, казалось бы, складывается в нашу пользу, вот только критерий «стоимость – эффективность» голосует против: сложность генерации лазерного излучения в указанном диапазоне 50 мкм (0,05 мм); необходимость дополнительного охлаждения приёмных устройств на этой волне; наличие более дешёвой доступной и освоенной альтернативы. Альтернатива освоена в промышленном исполнении и зарекомендовала себя с лучшей стороны в виде радаров миллиметрового диапазона таких как станционный железнодорожный радар ИДС-76 или РЛС СКВПП-76 контроля ВПП аэропорта (76 ГГц FOD-радар). Изделия работают в диапазоне 76 ГГц (λ = 4 мм), как написано в первоисточнике, обладают диапазоном обнаружения соответственно от 1,5 м до 500 м и от 50 м до 1000 м, диаметр антенны, включая радиопрозрачный колпак – 60 см, ширина луча радара 0,42 градуса, потребляемая мощность 20 и 500 Ватт. А второе изделие способно обнаруживать мусор на взлётно-посадочной полосе, который эквивалентен эталонному образцу FOD – металлическому цилиндру длиной 3,1 см и диаметром 3,8 см на расстоянии 1000 м. А это размеры значительно меньше габаритов ручной гранаты Ф-1.
Другими словами, подводя итог выше сказанным рассуждениям и полезной информации к размышлениям создать модуль наведения в миллиметровом диапазоне для ИКОНА — не вопрос.
Чем и как будем сбивать?
Являясь капитальным материалистом, автор, тем не менее, остаётся приверженцем гипотезы цикличности развития всего и вся с элементами дарвинизма в виде естественного отбора и поступательного движения на новый уровень в результате перехода количества в качество. Наконец-то я выговорил это! Может быть «сподвижники» оценят…
На рисунке представлены три образца систем ПВО очень актуальных на момент появления и востребованных на протяжении десятилетий после. Четвёрка «Максимов» вполне могла озадачить пикирующие бомбардировщики «Юнкерс-87» предвоенных модификаций, четвёрка КПВ успешно противостояла «Мустангам» Р-51 во всех послевоенных конфликтах, ну а противостоять легендарной «Шилке» мог разве что А-10 «Тандерболт-2», принятый на вооружение на 12 лет позже и уже поданный на списание к 2029 году, чего не скажешь про нашу «Шайтан-арбу».
Так вот, может быть уже заканчивается цикл развития зенитных средств с постепенным увеличением калибров от 7,62 к 14,5 и далее от 23 к 30 миллиметрам? При всём уважении к совершенству и мощи «Тунгусок» и «Панцирей» гарантированно обнаружить и поразить или маленький беспилотник, или падающую мину, или подлетающий ПРУРС они не смогут; с вероятностью 50 на 50 произойдёт прямо противоположное событие. А пропорционально увеличению калибров росла и наклонная дальность поражения. Пришла пора сделать качественный скачок на новый уровень – отражать современную воздушную угрозу на минимальной дальности (до 500 метров) и минимальным же из доступных калибров (5,45 миллиметров) при значительном росте вероятности поражения цели (у ЗУ-23-2 вероятность поражения 0,023; у ЗСУ-23-4 вероятность поражения 0,39 по цели типа МиГ-17). При создании автоматического автономного модуля для защиты бронетехники сразу же отказываемся от существующих образцов стрелкового вооружения в калибрах 12,7-мм и 14,5-мм. Во-первых, для обеспечения приемлемой скорострельности будет необходимо использование по минимуму четырёх пулемётов, а это превратит модуль в громоздкое, неповоротливое и энергоёмкое сооружение; к примеру, тело пулемёта КОРД весит 25,5 килограмм, тогда как РПК74 всего 5. А при установке на модуль ручному пулемёту не понадобятся ни приклад, ни сошки, ни рукоятка, ни накладки, ни шомпол. Во-вторых, для борьбы с вышеперечисленными угрозами энергия пуль крупнокалиберных патронов на порядок избыточна.
«Пуля патрона 5,45 БПП обеспечивает пробитие 5-мм стальной бронеплиты на дальности до 550 м, а 10-мм бронеплиты и грудной секции бронежилета типа 6Б23 – на дальности до 100 м.»
Да, обыкновенная пуля патрона 5,45 ПС легче пули БПП (3,4 грамма против 4,1), но и рассматриваемые воздушные цели не облицованы крупповской бронёй. К тому же, зенитная ракета В-601 зенитного ракетного комплекса С-125 «Печёра» имела готовые поражающие элементы массой 4,7-4,8 грамма, а американская ракета ЗРК «Усовершенствованный Хок» довольствуется массой ГПЭ всего в 2 грамма. Добавлю, мягко скажем обтекаемость форм ГПЭ сильно уступает пулевым, что приводит к резкому уменьшению энергии с увеличением расстояния от точки взрыва боевой части ракеты. Наверное, выходя из вышеизложенного, к стрельбе из штатных крупнокалиберных пулемётов по столь малоразмерным целям применимо выражение «из пушки по воробьям», поэтому более эффективна пассивная защита в виде «мангалов».
На следующем этапе отбора мы вынуждены отказаться и от стрелкового вооружения, использующего так называемый промежуточный патрон 7,62×39-мм.
По графикам и таблице на рисунке очевидно, что пуля промежуточного патрона, выпущенная из лучшего образца вооружения, значительно уступает на дистанции 500 метров даже пуле патрона 5,45×39-мм из РПК74, не говоря уже о сопернице из патрона 7,62×54R. Здесь надо заметить, что значения параметров для патрона 7,62×54R будут ещё выше если использовать автоматическое оружие с большей длиной ствола чем у СВД, а это пулемёты из таблицы. Там же приведены отрывочные сведения по новейшей разработке патрона калибра 6,02-мм, который в перспективе должен полностью вытеснить из оборота промежуточный патрон 7,62×39-мм образца 1943 года, а пулемёт нового калибра будет оптимален для автономного автоматического модуля ПВО следующего поколения.
Предрасположенность автора к выбору калибра 5,45-мм для автономного автоматического модуля ПВО ИКОНА продиктована наибольшей доступностью патрона 5,45×39-мм в мотострелковых подразделениях и его меньшим весом, энергоёмкостью и габаритами для размещения на БТР, БМП или САУ «Гвоздика». Возможно для танков, САУ калибров 152-мм и другой тяжёлой техники и вооружения будет предпочтителен вариант с пулемётами винтовочного калибра (наличие штатного вооружения такого калибра на борту – танки и БМПТ).
Критики могут заметить, что при использовании РПК74 в целях ПВО у него самый низкий темп стрельбы. Но давайте не будем отклоняться от продекларированного назначения модуля – индивидуальная защита образца бронетехники. Повышение скорострельности необходимо средствам ПВО в задачи которых входит не только самоприкрытие но и защита прикрываемых объектов. При атаке на последние возникает необходимость ведения огня в заранее рассчитанную точку упреждения на траектории полёта атакующего объекта. И даже при точном наведении существует вероятность, что цель может проскочить между выпущенными друг за другом пулями одной очереди. Предположим, что траектория полёта барражирующего боеприпаса «Ланцет» (скорость 110 км/час; длина корпуса 1,5 м) перпендикулярна траектории полёта десяти пуль, выпущенных очередью из РПК74 (за секунду). Пули попадают в расчётную точку встречи с интервалом в 0,1 секунды. За это время «Ланцет» на скорости 30 м/сек преодолевает расстояние в 3 метра, равное двум размерам корпуса. То есть, вероятность попадания (встречи) равна 0,5. Если же мы используем два пулемёта, разнесённые друг от друга на те же 60 сантиметров, вероятность попадания резко возрастает. Совсем другое дело будет если траектории полёта пули и боеприпаса находятся на встречных курсах. Во-первых, при точном взаимном наведении теоретически все десять пуль попадут в переднюю проекцию корпуса боеприпаса, хоть она и в разы меньше боковой. Энергии даже малокалиберных пуль, усиленных встречным движением боеприпаса, будет достаточно для вывода его из строя, или детонации, или отклонения от цели. Во-вторых, применение четырёх стволов, взаимно разнесённых друг от друга по квадрату на 60 сантиметров даже при существующем темпе стрельбы и естественном рассеивании не оставляют шансов безнаказанного проникновения боеприпаса к объекту самообороны.
Возвращаясь от теории к практике создания модуля реально допустить ограничение длины очередей по обстреливаемой цели всего девятью выстрелами на ствол, что при ёмкости стандартного магазина РПК74 в 45 патронов позволит поразить до 5 целей. Симбиоз электроспуска и простоты ручной смены стандартных магазинов сведут к минимуму время перезарядки всего модуля в отличии от ленточного питания более тяжёлых пулемётов. В случае промаха, если обстрелянная цель не исчезла из зоны обнаружения ИКЛМО и алгоритмы выбора приоритета подтвердят актуальность (не произошло изменения курса на объект и уменьшилась дальность) – в автоматическом режиме с минимальным временем на обработку обновлённой информации возможен повторный захват или коррекция модулем наведения с повторным обстрелом без участия человека.
Таково в общих чертах видение автором необходимой индивидуальной ПВО бронетехники на поле боя в современных реалиях. Вопросы стабилизации платформы и энергообеспечения от бортовой сети носителя или индивидуального автономного источника станут актуальны, если появится опытный образец. И даже вопросы цены и времени должны отойти на второй план если на карту ставятся жизни экипажа бронетехники и десанта.
