double arrow

Радиолокация: зарождение и развитие


 

Термин «локация» означает определение местоположения объекта. Активная локация основана на излучении локатором зондирующего сигнала и приеме сигнала, отраженного от объекта. Пассивная локация основана на приеме сигналов, излучаемых самим объектом.

В зависимости от вида используемых сигналов различают:

– радиолокацию;

– оптическую локацию;

– тепловую локацию;

– звуковую локацию;

– гидролокацию.

В зависимости от расстояний возможны «ближняя локация», «загоризонтная локация раннего предупреждения» и т. д. Хронологически первыми применяемыми на практике локаторами были появившиеся в годы первой мировой войны приборы для обнаружению самолетов по звуку их двигателей. В Советской России звукоулавливатель самолетов (ЗУС) в виде четырех больших раструбов – рупоров (рис. 1) использовался в составе разработанных в 1930 г. приборов управления артиллерийским зенитным огнем (ПУАЗО). В состав ПУАЗО также входил полутораметровый электрический прожектор. Средства ПУАЗО располагались на поворотной платформе (рис. 1). Дальность обнаружения самолетов – от 7 км у первых моделей до 15 км у более поздних моделей.




Рис. 1 – Звукоулавливатель самолетов

 

Ультразвуковой гидролокатор появился в 1916 г. во Франции. С 1933 г. начали применять гидролокационные системы для поиска подводных лодок по шумам, создаваемым их винтами.

Действующие радиолокационные системы появились в 30-х годах двадцатого столетия, причем вопрос о приоритете остается открытым, поскольку сразу в нескольких странах: Германии, Великобритании, США и СССР, – одновременно велись глубоко засекреченные разработки в области радиолокации. Предпосылками для этих работ послужили следующие исторические факты.

Явление отражения радиоволн впервые наблюдал еще Генрих Герц в 1888 г. А.С. Попов в 1897 г. во время опытов по радиосвязи между кораб­лями «Европа» и «Африка» на Балтийском море зарегистрировал влияние на уровень принимаемого сигнала, оказываемое кораблем, пересекающим радиотрассу. Это явление впоследствии было использовано в радиолокационных системах, работающих «на просвет» и применяемых, например, для охраны входа в гавань.

  

                Генрих Герц                               А. С. Попов

 

Первый патент на радиолокатор в 1904 г получил немецкий изобретатель Кристиан Хюльсмайер. Устройство для обнаружения корабля по отраженным от него радиоволнам получило название «Телемобилоскоп».

 

 

        К. Хюльсмайер                         Рис. 2 – Патент Хюльсмайера

 

При всем своем несовершенстве устройство, описанное в патентной заявке (рис. 2), содержало в себе основные элементы современного локатора: радиопередатчик, две вращающиеся антенны направленного действия, радиоприемник, воспринимавший отраженные объектами волны, световой или звуковой индикатор. Устройство прошло испытания, но до практического использования дело не дошло ввиду малой дальности обнаружения целей. Действующий макет (рис. 3) имел дальность действия 3 км, поскольку в качестве приемника-индикатора использовался когерер.



 

Рис. 3 – Макет «Телемобилоскопа» К. Хюльсмайера

Попытка продолжить исследования Хюльсмайера была предпринята в России в 1914 г., но с началом 1-й мировой войны работы были свернуты, поскольку проводивший их инженер был немцем.

В 1922 г американские военные инженеры проводили опыты по радиосвязи через реку Потомак. Во время испытаний по реке прошел корабль, и связь прервалась (как у А. С. Попова), что натолкнуло на мысль о применении радиоволн для обнаружения движущихся объектов путем интерференции незатухающих колебаний. На этом принципе основаны современные средства радиолокации на просвет. В 1924 г. англичане по отраженному непрерывному сигналу измерили высоту ионосферы, через год американцы то же сделали на импульсном сигнале.

В 1930 г. советские ученые Леонид Мандельштам и Николай Папалекси разработали теорию измерения расстояний с помощью интерференции волн.

Первые практические результаты в радиолокации получены в 1934 г. в СССР, Германии, Великобритании и США.

В СССР разработкой радиотехнических средств оборонного назначения руководили М.А. Бонч-Бруевич и А.И. Берг. В январе 1934 г. инженеры Центральной радиолаборатории Ю.К. Коровин, С.Н. Савин и В.А. Тропилло впервые в СССР экспериментально доказали практическую возможность радиообнаружения самолета с помощью отраженной от него электромагнитной волны. Первые успехи дали толчок к резкому ускорению исследований. Если в январе 1934 г. дальность обнаружения составляла всего 700 метров, то лету того же года она возросла до 5 км, а к началу 1935 г. – до 15 км.



 

 

М.А. Бонч-Бруевич                  А.И. Берг                   П.К. Ощепков

 

Для разработки радиолокационных систем была создана рабочая группа во главе с П.К. Ощепковым. После первых удачных экспериментов к работам по радиообнаружению самолетов была привлечена группа инженеров под руководством Б.К. Шембеля. 10 и 11 июля 1934 г. прошли испытания системы «Рапид», в состав которой входили: генератор сигналов с длиной волны 4,7 м мощностью до 200 Вт, радиоприемник, приемная и передающая антенны в виде одиночных полуволновых вибраторов. Самолет обнаруживался в зоне радиусом до 3 км при высотах до 1 км по появлению в телефоне приемника биений, обусловленных интерференцией прямой и отраженной волн. В рамках проекта системы радиообнаружения самолетов «Электровизор» были разработаны опытные образцы нескольких радиопеленгаторов и радиоискателей с антеннами разных типов (рис. 4).

 

Рис. 4 – Двухантенный радиоискатель «Буря». СССР, 1935 г.

В 1937 г., несмотря на большие успехи в исследованиях, П.К. Ощепков, как человек, близкий к маршалу Тухачевскому, был арестован по ложному обвинению в контрреволюционной деятельности. Работа над созданием отечественной РЛС была приостановлена. Бывшие сотрудники группы Ощепкова смогли вернуться к работе только после коллективного обращения группы военачальников к И.В. Сталину.

В 1938 г. в на основе идей П.К. Ощепкова была разработана опытная установка «Ревень», послужившая прототипом для первой отечественной серийной РЛС РУС-1 (радиоулавливатель самолетов). Принята на вооружение в 1940 г. Первое боевое применение во время финской военной кампании 1939 – 1940 гг. Принцип действия РУС-1 (рис. 5) был основан на создании радиозавесы, при пересечении которой фиксируются биения, вызванные интерференцией прямой и отраженной волн.

Рис. 5 – Первая отечественная серийная РЛС РУС-1

 

В июле 1940 г. было начато серийное производство первой отечественной импульсной радиолокационной станции дальнего обнаружения самолетов РУС-2, в 1941 г. усовершенствованная станция получила название «Редут». Разработкой РУС-2 руководил Ю.Б. Кобзарев, в группу разработчиков входили А.А. Малеев, П.А. Погорелко, Н.Я. Чернецов.

 

 

                            Б.К. Шембель                     Ю.Б. Кобзарев

 

Технические характеристики РЛС РУС-2 (рис. 6): раздельные передающая и приёмная антенны, установленные на крышах кабин-аппаратных, синхронно вращающихся с сидящим внутри оператором со скоростью 1 оборот/мин; высота подъема антенны 12м; рабочая частота 75 МГц; мощность излучения в импульсе 70 – 120 кВт; антенны – директорные («волновой канал»); максимальная дальность обнаружения 150 км.

Усовершенствованная РЛС «Редут» (рис. 7) имела одну вращающуюся приёмо-передающую антенну на крыше неподвижной кабины. Максимальная дальность обнаружения 200 км.

 

       Рис. 6 – РЛС РУС-2                            Рис. 7 – РЛС «Редут»

                                                                      с вращающейся антенной

 

Несмотря на техническое несовершенство, РЛС «Редут» хорошо себя зарекомендовали в боевых условиях. В 1941 г. при обороне Москвы зенитная батарея, целеуказание которой давала РЛС, расходовала менее 100 снарядов для того, чтобы уничтожить или просто отогнать один вражеский самолет, в то время как при обычном заградительном огне зениток по секторам в темное время суток в среднем тратилось более 2700 снарядов.

Применение РЛС «Редут» сорвало все попытки внезапного нападения немецкой авиации на Кронштадт с целью уничтожения скопившихся там кораблей Балтийского флота, защищавших Ленинград с моря. Наиболее массированные налеты, в которых принимало участие до 400 немецких самолетов, происходили 21, 22 и 23 сентября 1941 года. Каждый раз операторы «Редута» своевременно выдавали предупреждение о предстоящем налете вражеской авиации, что позволяло приводить в полную боеготовность расчеты у орудий и зенитных пулеметов на берегу и всех кораблях флота. Натолкнувшись на непроходимую стену сплошного заградительного огня, самолеты противника несли потери, разворачивались, сбрасывая бомбы куда попало. В результате при налетах на Кронштадт противник потерял за три дня 35 самолетов, в то время как существенного ущерба флоту нанесено не было. Сохранение огневой мощи кораблей флота имело важное значение для судьбы Ленинграда.

Опыт боевого применения РЛС «Редут» в годы Великой Отечественной Войны показал, что в радиолокации важны не только технические характеристики РЛС, но и высокие воинский дух, дисциплина и ответственность операторов. Сказанное находило свое подтверждение многократно во всех локальных войнах, в том числе в марте 1999 года в Сербии. Тогда честное выполнение воинского долга и хорошая подготовка позволили одному расчету устаревшего зенитно-ракетного комплекса ЗРК С-125, произведенного в СССР еще в 70-х годах, сбить самолет F-117, разрекламированный как самолет-невидимка. Если бы расчеты всех югославских ЗРК действовали так же, а не разбежались …

Германия в 30-х годах прошлого столетия имела самую развитую в мире радиотехническую промышленность. Это позволило, начав исследования в области радиолокации одновременно с другими странами в 1934 г., раньше всех наладить серийное производство РЛС и поставить их на вооружение.

Под руководством Ханса Хольмана (Hans Erich Hollmann) были разработаны и уже в 1937 г. поставлены на вооружение РЛС «Freya» и «Seetakt». В качестве антенных устройств впервые были использованы синфазные решетки вибраторных антенн. Хольман впервые в истории применил в РЛС магнетроны, что позволило повысить мощность и частоту излучения, увеличить дальность действия РЛС. Перед началом второй мировой войны Хольман эмигрировал в США и во многом способствовал развитию американских РЛС.

     Рис. 8 – РЛС «Freya»                        Рис. 9 – РЛС «Seetakt» (руины)

 

Параметры РЛС смотрятся неплохо даже по сегодняшним меркам. Например, параметры «Seetakt»: частота 368 - 390 МГц; длительность импульса 3 мкс, период повторения 2000 мкс.

В 1942 г. в Германии впервые в мировой истории были построены и поставлены на вооружение РЛС с зеркальными параболическими антеннами, как стационарными, так и возимыми.

 

Рис. 10 – РЛС «Wurzburg-Riese» (Германия). Диаметр зеркала 7,5 м

Также впервые в истории в 1942 г. в Германии была построена РЛС с фазированной антенной решеткой (ФАР) с электрическим сканированием диаграммы направленности (ДН). Благодаря циклопическим для того времени размерам 30м на 18м РЛС получила название «Mammut» («Мамонт»). Частота 187 – 220 МГц. Мощность передатчика в импульсе 200 кВт. Дальность обнаружения до 300 км. Ширина ДН 3,5 градуса. Электрическое сканирование ДН в вертикальной плоскости от 5 до 15 градусов, в горизонтальной плоскости ± 50 градусов.

Рис. 11 – РЛС «Mammut» (Германия, 1942 г.)

 

В Великобритании разработкой РЛС руководил Роберт Ватсон-Ватт.

В 1939 г. было начато и в 1940 г. завершено строительство построена сети РЛС «Chain Home» с вибраторными антеннами на мачтах высотой 110 метров Мощность передатчика в импульсе 350 кВт. Частота 20 – 30 МГц. Длительность импульса 20 мкс, период повторения 40 мс. Опыт практической эксплуатации РЛС выявил необходимость развертывания дополнительной сети РЛС «Chain Home Low» для обнаружения самолетов противника на малых высотах.

  Роберт Ватсон-Ватт                 Рис. 12 – Сеть РЛС «Chain Home»

 

Рис. 13 – РЛС Chain Home: зона радиолокационного обнаружения самолетов

на больших (белая линия) и малых (черная линия) высотах.

  

    Рис. 14 – Антенны «Chain Home»      Рис. 15 – Оператор «Chain Home»

 

В США разработкой РЛС руководили Б. Тревор, П. Картер и Р. Пейдж. Начиная с 1936 г. в США строятся несколько макетных образцов РЛС, среди которых корабельная РЛС под названием «RADAR» – аббревиатура слов «Radio Detection And Ranging». Это короткое и звучное название настолько всем понравилось, что спустя несколько лет так стали называть все американские РЛС. В конце 30-х годов освоено серийное производство ряда РЛС с синфазными вибраторными антенными решетками, в том числе SCR-268, SCR-270 (мобильная версия) и SCR-271 (стационарная версия).

 

Рис. 16 – РЛС SCR-268 (США)

 

     Рис. 17 – РЛС SCR-270 (США)      Рис. 17 – РЛС SCR-271 (США)

 

В 1941 г. новейшими, весьма совершенными (для того времени) РЛС SCR-271 были оснащены базы военно-морского флота США, в том числе крупнейшая база Pearl Harbor на Гавайях, где была сосредоточена большая часть Тихоокеанского флота США – 93 корабля. Утром 7 декабря 1941 года к этой базе приблизилась армада из 6 японских авианосцев в сопровождении двух линкоров, трех крейсеров и девяти миноносцев. С авианосцев поднялось в воздух 360 боевых самолетов. На расстоянии 220 км операторы американской РЛС обнаружили групповую цель и, как положено, доложили в информационный центр. Дежурный офицер проигнорировал это сообщение. Причин тому было несколько: в процессе наладки новой РЛС случались ложные тревоги; в этот день ожидали прилета большой партии новых американских самолетов и т. д. Главные причины – низкая дисциплина и недооценка возможностей радиолокации. В результате Pearl Harbor «профукали». Тревога была объявлена уже после того, как упали первые бомбы. За два авианалета японцы потопили 4 линкора, 1 тяжелый крейсер, 2 нефтеналивных судна, сильно повредили еще два линкора, три крейсера, три эсминца, вспомогательные корабли, а также уничтожили около 300 самолетов и более 4 тысяч американских военнослужащих. После третьего авианалета не осталось бы уцелевших кораблей и самолетов армии США, но японский адмирал дал «отбой», за что по возвращении в Японию был приговорен к смертной казни. Но и двух авианалетов оказалось достаточно, чтобы нанести американцам огромный урон.

Вот, что означает внезапность нападения, предотвратить которую и предназначена радиолокация! Если бы американцы поверили показаниям своей РЛС, у японцев не было бы никаких шансов разгромить американскую базу. Скорее всего, наоборот, была бы уничтожена японская эскадра.

В 1943 г. во время налета английской авиации на Гамбург для дезорганизации радиолокационных систем ПВО Германии была впервые использована постановка пассивных помех, создаваемых сброшенными с самолетов дипольными отражателями – легкими полосками алюминиевой фольги, длительное время находящимися в воздухе. Такие полоски одновременно были сброшены не только на Гамбург, но и на другие города Германии. На экранах РЛС системы ПВО Германии вместо отметок от 790 реальных самолетов, летевших на Гамбург, появились тысячи отметок целей, как будто тысячи бомбардировщиков летят с нескольких направлений на различные города. Система ПВО Германии была полностью дезорганизована. Начиная с 1944 года, вместе с дипольными отражателями стали применяться и специальные передатчики помех радиолокационным станциям, которые устанавливались на бортах бомбардировщиков и на самолетах сопровождения. Совершенствование средств радиоэлектронного подавления радиолокационных систем противника и в наше время является одним их главных направлений развития радиоэлектронной борьбы.

В конце второй мировой войны в Германии и Великобритании были созданы первые образцы самолетных РЛС, впоследствии ставших непременным компонентом военной и гражданской авиации.

Послевоенное развитие радиолокационной техники и зенитно-ракетных комплексов ПВО уже к 1960-му году позволили снять ограничения по высоте, на которой можно сбивать самолеты и ракеты противника. В ответ на это появились низколетящие средства воздушного нападения, прежде всего, крылатые ракеты. Для борьбы с низколетящими целями, имеющими высокие угловые скорости относительно РЛС ПВО, стали непригодны РЛС с вращающимися зеркальными параболическими антеннами. На смену механическому сканированию диаграммы направленности антенн пришло электронное сканирование с высоким быстродействием. В радиолокацию пришли фазированные антенные решетки (ФАР), коренным образом изменившие привычные представления о радиолокации. В качестве примера приведем основные параметры отечественной мобильной РЛС «Противник - ГЕ»: обзор по дальности от 10 км до 400 км, по высоте от 50 м до 120 км (это ближний космос); сопровождение до 150 целей. Еще более фантастические функциональные возможности имеют ФАР стационарных РЛС «Дон», «Воронеж» и др.

 

 

Рис. 18 – РЛС «Противник - ГЕ»            Рис. 19 – РЛС «Воронеж»

 

Еще одним способом противодействия работе радиолокационных систем является использование так называемой Стелс-технологии, теоретические основы которой разработал российский ученый П.Я. Уфимцев. Смысл этой технологии сводится к двум факторам: профиль обшивки объекта подбирается таким образом, чтобы свести к минимуму отражения в ту же сторону, откуда приходит зондирующий сигнал; поверхность обшивки покрывается материалами, поглощающими радиоволны без отражений. В СССР такие технологии начали применять раньше, чем в США.

 

Рис. 20 – Самолет F-117 (США), построенный по Стелс-технологии

 

Среди способов обнаружения объектов, построенных с использованием Стелс-технологии, основными являются:

– применение сетей ПВО, когда одна станция используется для «подсветки» воздушного пространства, а несколько разнесенных РЛС работают на прием отраженных от целей сигналов;

– переход с сантиметрового на дециметровый или даже метровый диапазон, что дает не зеркальное, а диффузное (рассеянное) отражение.

 

Рис. 21 – Способы обнаружения Стелс-объектов

 

В заключение этого краткого обзора необходимо отметить, что задача создания радиолокационных систем дала толчок к развитию многих смежных отраслей техники:

– антенн, линий передачи, генераторов и приемников СВЧ;

– импульсной техники, автоматики, следящих систем;

– высокопроизводительных ЭВМ для обработки сигналов РЛС.

 

 

Список литературы

1. Радиотехника: от истоков до наших дней: Учебное пособие/В.И.Каганов. – М.: Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2015. – 352 с. http://znanium.com/bookread2.php?book=507404.

2. Быховский, М.А. Развитие телекоммуникаций. На пути к информационному обществу: Развитие радиолокационных систем: Учебное пособие для вузов. – М: Горячая линия-Телеком, 2015. – 402 с.

3. Шембель Б.К. У истоков радиолокации в СССР. – М.: Советское радио, 1977. – 82 с.

4. Барышников Н.И. Отечественная радиолокация на защите Ленинграда // Управленческое консультирование. Научно-практический журнал Северо-западной Академии государственной службы. – 2005, №1. – С. 9 – 13. http://cyberleninka.ru/article/n/-otechestvennaya-radiolokatsiya-na-zaschite-leningrada-1941-1945-gg.

5. Проверенный в боях – «Редут» на страже неба. История создания и успешного применения Советской радиолокации / Под ред. С. Иванова. – The Russian Engineering. – 2006. http://russianengineering.narod.ru/tank/russradar.htm.







Сейчас читают про: