Электронное оборудование самолета. Глаза и зубы боевой авиации: на что способна российская бортовая электроника. Системы, обеспечивающие управление самолетом

Авионика (от авиация и электроника, оно же БРЭО - бортовое радиоэлектронное оборудование) - совокупность всех электронных систем, разработанных для использования в авиации в качестве бортовой электроники. На базовом уровне это системы коммуникации, навигации, отображения и управления различными устройствами - от сложных (например, радара) до простейших (например, поискового прожектора полицейского вертолёта). В отечественной системе гражданского воздушного флота принято деление на специалистов АиРЭО (Авиационное и радиоэлектронное оборудование) и на специалистов по самолёту и двигателю (СиД).

Термин «авионика» появился на Западе в начале 1970. К этому моменту электронная техника достигла такого уровня развития, когда стало возможно применять электронные устройства в бортовых авиационных системах, и за счет этого существенно улучшать качественные показатели применения авиации. Тогда же появились и первые бортовые электронные вычислители (компьютеры), а также принципиально новые автоматизированные и автоматические системы управления и контроля.

Первоначально основным заказчиком и потребителем авиационной электроники были военные. Логика развития военной авиации быстро привела к ситуации, когда военные ЛА не могут не только выполнять боевые задачи без использования электронных технических средств, но даже и просто летать на требуемых режимах полёта. Сейчас стоимость систем авионики составляет большую часть общей стоимости летательного аппарата. К примеру, для истребителей F-15E и F-14 стоимость авионики составляет около 20 % от общей стоимости самолёта. В настоящее время электронные системы широко применяются и в гражданской авиации, например, системы управления полетом и пилотажно-навигационные комплексы.

Системы, обеспечивающие управление самолётом[править | править вики-текст]

Системы связи

Системы навигации

Системы индикации

Системы управления полетом (FCS)

Системы предупреждения столкновений (TCAS)

Системы метеонаблюдения

Системы управления самолётом

Системы регистрации параметров полета (средства объективного контроля, или бортовые самописцы)

7.Структура и состав авионики

8.Новые технологии в авионике и авиастроении

9. Физические свойства объектов с ограниченным количеством атомов и молекул. Интегральные технологии.

До последнего времени технология основывалась на удалении лишнего материала из заготовки подобно тому, как скульптор удаляет куски мрамора, создавая задуманный образ. На смену такому процессу пришла молекулярно-инженерная технология, которая позволит строить приборы атом за атомом по аналогии с тем, как дом складывают по кирпичику. Уже сейчас молекулярно-инженерная технология находит применение, например, в производстве приборов на основе молекулярных пленок, молекулярно-лучевой эпитаксии, ионно-зондовой и электронно-стимулированной управляемой имплантации. Для того чтобы молекулярно-инженерная микротехнология стала реальностью, следует развивать соответствующие методы.

Использование в технологическом производстве лучевых методов (электронно-лучевых, ионно-лучевых, рентгеновских) совместно с вакуумной технологией позволяет получать приборы с размерами элементов до 10–25 нм. Переход в этот диапазон требует решения фундаментальных вопросов, связанных с новыми физическими принципами работы приборов и ограничениями, свойственными планарным процессам.

Вследствие большой напряженности электрического поля, возникающего в приборах с такими малыми размерами, механизмы переноса дырок и электронов принципиально изменяются Скорость электронов становится очень большой. Время между двумя столкновениями сильно уменьшается. Появляется возможность открытия новых физических явлений и построения приборов на их основе. Естественно, что эволюция технологических методов будет способствовать широкому проникновению научных принципов в разработку интегральных схем и поиску физических эффектов для их построения.

С развитием новых технологических процессов размеры рукотворных структур становятся соизмеримыми с бактериями, вирусами, макромолекулами.

В результате взаимодействия ускоренных пучков ионов с веществом можно направленно изменять их физико-химические и электронно-физические свойства, что позволяет получать приборы с заданными характеристиками.

Сфокусированные ионные потоки – это уникальный инструмент для прецизионной обработки всех известных материалов. Такой метод позволяет создавать принципиально новые конструкции приборов. Разрабатываются различные ионно-лучевые установки. Рентгеновские установки позволяют реализовать тиражирование изображений с субмикронными размерами элементов, недоступных световой оптике. Современная технология осаждения тонких пленок позволяет с точностью до 10 нм (это только на два порядка больше диаметра атома) выдерживать размер микроэлектронного прибора в измерении, перпендикулярном плоскости подложки. Формирование с такой же точностью рисунка на плоскости значительно сложнее. Оно обычно осуществляется с помощью процесса литографии на основе технологии печати.

С развитием микроэлектроники происходит усложнение схем и уменьшение размеров рисунка. Реализуется возможность получения линий шириной 0,5 мкм с допусками 0,1 мкм. Для выполнения этих требований необходима разработка систем формирования (синтезирования) рисунка с очень высокой разрешающей способностью. Рисунок синтезируется экспонированием (светом, рентгеновским излучением, электронным или ионным пучком с последующим проявлением скрытого изображения) соответствующих участков тонкого слоя резистивного материма, нанесенного на пластину, например, кремния.

Одновременно идет поиск новых применений субмикронной литографии. Обнаружено, что можно регистрировать световой поток не с помощью фотодиода или другого подобного прибора, а с помощью проводников, чередование которых идет с шагом, кратным длине волны света, а свет падает вдоль этой решетки. Прибор работает как антенна, в элементах которой наводится электрический ток. Размеры элементов такого приемника таковы, что они не могут быть изготовлены традиционным способом фотолитографии. На помощь приходит микролитография – электронная, ионная и рентгеновская.

Ожидается, что в ближайшее время промышленность освоит интегральные схемы с миниатюрными размерами отдельных деталей 0,2–0,3 мкм (200– 300 нм). Число таких элементов в схеме – полупроводниковой пластине площадью несколько квадратных миллиметров – достигнет десятков миллионов, т. е. увеличится по крайней мере в 1000 раз. Возможности интегральных схем при этом возрастут не в 1000 раз, а гораздо больше. Предполагается, что в ближайшие годы число элементов на кристалле достигнет 7 млрд, правда, такой прогноз называют осторожным.

Сейчас основной материал полупроводниковых приборов – кремний. Переход к наноэлектронике заставляет обратиться и к другим материалам: арсениду галлия, фосфиду индия, кадмий – ртуть – теллуру и др.

Концепция ИМА на базе стандартных комплектующих

Под интегрированной модульной авионикой понимается концепция построения бортового комплекса, базирующаяся на открытой сетевой архитектуре и единой вычислительной платформе. Понятие «интегрированная» используется как объединение общих ресурсов - источников питания, процессора, памяти, коммуникационных шин, источников ввода-вывода для решения единой задачи - управления. Функции систем комплекса в этом случае выполняют программные приложения, разделяющие общие вычислительные и информационные ресурсы. Понятие функции является ключевым понятием ИМА. Под функцией воздушного судна понимаются функциональные возможности, которые могут быть обеспечены аппаратными и программными средствами, имеющимися на ВС, например: самолетовождение, связь, индикация и т.д.

Переход к ИМА позволил перейти от идеи «система - одна функция» к мультифункциональной структуре - «много функций в одном вычислительном ядре». Технически проще решить такую проблему, если разделить аппаратные и программные платформы, т.е. сделать их независимыми от вычислительного ядра. Практически интеграция функций, которые ранее воспринимались как интеграция систем, сводится в новом поколении КБО к созданию БД функций и сигналов, а также коммуникатора функций на уровне ПО.

Потребность снизить стоимость авиационных комплектующих за счет расширения числа производителей и эксплуатационную эффективность за счет более мелкого, чем блок, сменяемого в эксплуатации элемента объективно привела в новом поколении КБО к модульности АО и ПО.

К основным унифицированным комплектующим следует отнести: базовую несущую конструкцию крейта, процессорный модуль общего назначения, модуль сетевого коммутатора, модуль концентратора сигналов, модуль оптического/электрического конвертора, модуль электропитания, индикаторы с графическими процессорами и индикационные панели. В качестве аппаратных компонентов, входящих в состав комплектующих вычислительного ядра, определены: базовая несущая конструкция сменного модуля, мезонины - графического контроллера, массовой памяти и ввода/вывода. >>>

Открытая архитектура комплекса предполагает подключение различных по своему назначению устройств, например, датчиков информации через стандартные концентраторы к вычислительному ядру системы, осуществляющему реализацию функционального программного обеспечения. Распределение ресурсов функционального программного обеспечения осуществляется под управлением операционной системы реального времени.

Мультифункциональность и модульность создают возможность реализации интегрируемой и модифицируемой структуры КБО с существенно меньшими затратами.

Открытая архитектура и высокая степень унификации позволяют использовать при построении бортового комплекса конкретного летательного аппарата комплектующие различных производителей, что снижает стоимость и риски разработки. >>>

Современная архитектура КБО на базе ИМА связывает в единый комплекс различные системы самолета. Это сложнейшая информационно-вычислительная система.

Структура комплекса бортового оборудования реализуется с использованием минимальной номенклатуры унифицированных взаимозаменяемых открытых стандартных изделий (модулей, систем) с высокой производительностью и энергетической эффективностью.

Реализуемая архитектура создается на базе масштабируемой ИМА с целью увеличения производительности, надежности передачи информации, устойчивости к помехам и снижения весовых характеристик линий связи и устройств ввода-вывода. В ИМА-платформе применяются перспективные интерфейсы и протоколы связи между функциями, датчиками и исполнительными элементами, обеспечивающие эффективное построение динамических структур с сетевой организацией.

В качестве программного обеспечения используются независимые от аппаратных средств продукты.

Содержание статьи

АВИАЦИОННЫЕ БОРТОВЫЕ ПРИБОРЫ , приборное оборудование, помогающее летчику вести самолет. В зависимости от назначения авиационные бортовые приборы делятся на пилотажно-навигационные, приборы контроля работы авиадвигателей и сигнализационные устройства. Навигационные системы и автоматы освобождают пилота от необходимости непрерывно следить за показаниями приборов. В группу пилотажно-навигационных приборов входят указатели скорости, высотомеры, вариометры, авиагоризонты, компасы и указатели положений самолета. К приборам, контролирующим работу авиадвигателей, относятся тахометры, манометры, термометры, топливомеры и т.п.

В современных бортовых приборах все больше информации выносится на общий индикатор. Комбинированный (многофункциональный) индикатор дает возможность пилоту одним взглядом охватывать все объединенные в нем индикаторы. Успехи электроники и компьютерной техники позволили достичь большей интеграции в конструкции приборной доски кабины экипажа и в авиационной электронике. Полностью интегрированные цифровые системы управления полетом и ЭЛТ-индикаторы дают пилоту лучшее представление о пространственном положении и местоположении самолета, чем это было возможно ранее.

Новый тип комбинированной индикации – проекционный – дает пилоту возможность проецировать показания приборов на лобовое стекло самолета, тем самым совмещая их с панорамой внешнего вида. Такая система индикации применяется не только на военных, но и на некоторых гражданских самолетах.

ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ

Совокупность пилотажно-навигационных приборов дает характеристику состояния самолета и необходимых воздействий на управляющие органы. К таким приборам относятся указатели высоты, горизонтального положения, воздушной скорости, вертикальной скорости и высотомер. Для большей простоты пользования приборы сгруппированы Т-образно. Ниже мы кратко остановимся на каждом из основных приборов.

Указатель пространственного положения.

Указатель пространственного положения представляет собой гироскопический прибор, который дает пилоту картину внешнего мира в качестве опорной системы координат. На указателе пространственного положения имеется линия искусственного горизонта. Символ самолета меняет положение относительно этой линии в зависимости от того, как сам самолет меняет положение относительно реального горизонта. В командном авиагоризонте обычный указатель пространственного положения объединен с командно-пилотажным прибором. Командный авиагоризонт показывает пространственное положение самолета, углы тангажа и крена, путевую скорость, отклонение скорости (истинной от «опорной» воздушной, которая задается вручную или вычисляется компьютером управления полетом) и представляет некоторую навигационную информацию. В современных самолетах командный авиагоризонт является частью системы пилотажно-навигационных приборов, которая состоит из двух пар цветных электронно-лучевых трубок – по две ЭЛТ для каждого пилота. Одна ЭЛТ представляет собой командный авиагоризонт, а другая – плановый навигационный прибор (см. ниже ). На экраны ЭЛТ выводится информация о пространственном положении и местоположении самолета во всех фазах полета.

Плановый навигационный прибор.

Плановый навигационный прибор (ПНП) показывает курс, отклонение от заданного курса, пеленг радионавигационной станции и расстояние до этой станции. ПНП представляет собой комбинированный индикатор, в котором объединены функции четырех индикаторов – курсоуказателя, радиомагнитного индикатора, индикаторов пеленга и дальности. Электронный ПНП с встроенным индикатором карты дает цветное изображение карты с индикацией истинного местоположения самолета относительно аэропортов и наземных радионавигационных средств. Индикация направления полета, вычисления поворота и желательного пути полета предоставляют возможность судить о соотношении между истинным местоположением самолета и желаемым. Это позволяет пилоту быстро и точно корректировать путь полета. Пилот может также выводить на карту данные о преобладающих погодных условиях.

Указатель воздушной скорости.

При движении самолета в атмосфере встречный поток воздуха создает скоростной напор в трубке Пито, закрепленной на фюзеляже или на крыле. Воздушная скорость измеряется путем сравнения скоростного (динамического) напора со статическим давлением. Под действием разности динамического и статического давлений прогибается упругая мембрана, с которой связана стрелка, показывающая по шкале воздушную скорость в километрах в час. Указатель воздушной скорости показывает также эволютивную скорость, число Маха и максимальную эксплуатационную скорость. На центральной панели расположен резервный пневмоуказатель воздушной скорости.

Вариометр.

Вариометр необходим для поддержания постоянной скорости подъема или снижения. Как и высотомер, вариометр представляет собой, в сущности, барометр. Он указывает скорость изменения высоты, измеряя статическое давление. Имеются также электронные вариометры. Вертикальная скорость указывается в метрах в минуту.

Высотомер.

Высотомер определяет высоту над уровнем моря по зависимости атмосферного давления от высоты. Это, в сущности, барометр, проградуированный не в единицах давления, а в метрах. Данные высотомера могут представляться разными способами – с помощью стрелок, комбинаций счетчиков, барабанов и стрелок, посредством электронных приборов, получающих сигналы датчиков давления воздуха. См. также БАРОМЕТР .

НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И АВТОМАТЫ

На самолетах устанавливаются различные навигационные автоматы и системы, помогающие пилоту вести самолет по заданному маршруту и выполнять предпосадочное маневрирование. Некоторые такие системы полностью автономны; другие требуют радиосвязи с наземными средствами навигации.

Электронные навигационные системы.

Существует ряд различных электронных систем воздушной навигации. Всенаправленные радиомаяки – это наземные радиопередатчики с радиусом действия до 150 км. Они обычно определяют воздушные трассы, обеспечивают наведение при заходе на посадку и служат ориентирами при заходе на посадку по приборам. Направление на всенаправленный радиомаяк определяет автоматический бортовой радиопеленгатор, выходная информация которого отображается стрелкой указателя пеленга.

Основным международным средством радионавигации являются всенаправленные азимутальные радиомаяки УКВ-диапазона VOR; их радиус действия достигает 250 км. Такие радиомаяки используются для определения воздушной трассы и для предпосадочного маневрирования. Информация VOR отображается на ПНП и на индикаторах с вращающейся стрелкой.

Дальномерное оборудование (DME) определяет дальность прямой видимости в пределах около 370 км от наземного радиомаяка. Информация представляется в цифровой форме.

Для совместной работы с маяками VOR вместо ответчика DME обычно устанавливают наземное оборудование системы TACAN. Составная система VORTAC обеспечивает возможность определения азимута с помощью всенаправленного маяка VOR и дальности с помощью дальномерного канала TACAN.

Система посадки по приборам – это система радиомаяков, обеспечивающая точное наведение самолета при окончательном заходе на посадочную полосу. Курсовые посадочные радиомаяки (радиус действия около 2 км) выводят самолет на среднюю линию посадочной полосы; глиссадные радиомаяки дают радиолуч, направленный под углом около 3° к посадочной полосе. Посадочный курс и угол глиссады представляются на командном авиагоризонте и ПНП. Индексы, расположенные сбоку и внизу на командном авиагоризонте, показывают отклонения от угла глиссады и средней линии посадочной полосы. Система управления полетом представляет информацию системы посадки по приборам посредством перекрестья на командном авиагоризонте.

«Омега» и «Лоран» – радионавигационные системы, которые, используя сеть наземных радиомаяков, обеспечивают глобальную рабочую зону. Обе системы допускают полеты по любому маршруту, выбранному пилотом. «Лоран» применяется также при заходе на посадку без использования средств точного захода. Командный авиагоризонт, ПНП и другие приборы показывают местоположение самолета, маршрут и путевую скорость, а также курс, расстояние и расчетное время прибытия для выбранных путевых точек.

Инерциальные системы.

Система обработки и индикации пилотажных данных (FMS).

Система FMS обеспечивает непрерывное представление траектории полета. Она вычисляет воздушные скорости, высоту, точки подъема и снижения, соответствующие наиболее экономному потреблению топлива. При этом система использует планы полета, хранящиеся в ее памяти, но позволяет также пилоту изменять их и вводить новые посредством компьютерного дисплея (FMC/CDU). Система FMS вырабатывает и выводит на дисплей летные, навигационные и режимные данные; она выдает также команды для автопилота и командного пилотажного прибора. В дополнение ко всему она обеспечивает непрерывную автоматическую навигацию с момента взлета до момента приземления. Данные системы FMS представляются на ПНП, командном авиагоризонте и компьютерном дисплее FMC/CDU.

ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ

Индикаторы работы авиадвигателей сгруппированы в центре приборной доски. С их помощью пилот контролирует работу двигателей, а также (в режиме ручного управления полетом) изменяет их рабочие параметры.

Для контроля и управления гидравлической, электрической, топливной системами и системой поддержания нормальных рабочих условий необходимы многочисленные индикаторы и органы управления. Индикаторы и органы управления, размещаемые либо на панели бортинженера, либо на навесной панели, часто располагают на мнемосхеме, соответствующей расположению исполнительных органов. Индикаторы мнемосхем показывают положение шасси, закрылков и предкрылков. Может указываться также положение элеронов, стабилизаторов и интерцепторов.

СИГНАЛИЗАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

В случае нарушений в работе двигателей или систем, неправильного задания конфигурации или рабочего режима самолета вырабатываются предупредительные, уведомительные или рекомендательные сообщения для экипажа. Для этого предусмотрены визуальные, звуковые и тактильные средства сигнализации. Современные бортовые системы позволяют уменьшить число раздражающих тревожных сигналов. Приоритетность последних определяется по степени неотложности. На электронных дисплеях высвечиваются текстовые сообщения в порядке и с выделением, соответствующими степени их важности. Предупредительные сообщения требуют немедленных корректирующих действий. Уведомительные – требуют лишь немедленного ознакомления, а корректирующих действий – в последующем. Рекомендательные сообщения содержат информацию, важную для экипажа. Предупредительные и уведомительные сообщения делаются обычно и в визуальной, и в звуковой форме.

Системы предупредительной сигнализации предупреждают экипаж о нарушении нормальных условий эксплуатации самолета. Например, система предупреждения об угрозе срыва предупреждает экипаж о такой угрозе вибрацией обеих штурвальных колонок. Система предупреждения опасного сближения с землей дает речевые предупредительные сообщения. Система предупреждения о сдвиге ветра дает световой сигнал и речевое сообщение, когда на маршруте самолета встречается изменение скорости или направления ветра, способное вызвать резкое уменьшение воздушной скорости. Кроме того, на командном авиагоризонте высвечивается шкала тангажа, что позволяет пилоту быстрее определить оптимальный угол подъема для восстановления траектории.

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ

«Режим S» – предполагаемый канал обмена данными для службы управления воздушным движением – позволяет авиадиспетчерам передавать пилотам сообщения, выводимые на лобовое стекло самолета. Сигнализационная система предупреждения воздушных столкновений (TCAS) – это бортовая система, выдающая экипажу информацию о необходимых маневрах. Система TCAS информирует экипаж о других самолетах, появляющихся поблизости. Затем она выдает сообщение предупредительного приоритета с указанием маневров, необходимых для того, чтобы избежать столкновения.

Глобальная система местоопределения (GPS) – военная спутниковая система навигации, рабочая зона которой охватывает весь земной шар, – теперь доступна и гражданским пользователям. К концу тысячелетия системы «Лоран», «Омега», VOR/DME и VORTAC практически полностью вытеснены спутниковыми системами.

Монитор состояния (статуса) полета (FSM) – усовершенствованная комбинация существующих систем уведомления и предупреждения –помогает экипажу в нештатных летных ситуациях и при отказах систем. Монитор FSM собирает данные всех бортовых систем и выдает экипажу текстовые предписания для выполнения в аварийных ситуациях. Кроме того, он контролирует и оценивает эффективность принятых мер коррекции.

Авионикой принято обозначать целый комплекс электронного оборудования, которое установлено на борту самолетов. Частенько параллельно со словом «авионика» употребляется сокращение БРЭО, что расшифровывается как бортовое радиоэлектронное оборудование. Базисными элементами электронного оборудования являются совокупности навигации, управления и коммуникации.

Что касается оборудования управления, то это очень много совокупностей, начиная от поисковых прожекторов и заканчивая современными радарами.

В отечественной авиации принято разделять экспертов по самолёту и силовым установкам. Соответственно, одни занимаются авиационными совокупностями, а другие – радиоэлектронным оборудованием.

SSJ-100 авионика

ВВС РФ имеет четкое деление оборудования на БРЭО и авиационное оборудование. БРЭО создано для излучения либо приема радиоволн. Что касается авиационного оборудования, то это устройства, механизмы, агрегаты, каковые в собственной работе применяют электрический ток, но наряду с этим радиоволны отсутствуют.

Кроме этого армейские летательные аппараты смогут быть оснащены электронным оружием, но они являются отдельной частью оборудования.

В отечественном авиастроении понятие «авионика» фактически не употребляется, потому, что принятым считается обозначение БРЭО – бортовое радиоэлектронное оборудование – и АО – авиационное оборудование.

История развития авионики

Само понятие «авионика» начало употребляться в западных государствах с 1970 года. Как раз сейчас электроника достигла большого технического уровня, что разрешило применять электронные совокупности на бортах летательных аппаратов. В эти годы были созданы первые бортовые компьютеры для самолетов.

Также, начали применять много автоматических управления и систем контроля.

Изначально электронное оборудование и авионику для автоматизации начали заказывать армейские для исполнения повышения точности военных и большого круга задач исполнения боевых миссий. В итоге военные машины стали так зависимы от бортового электронного оборудования, что полеты выполнялись в зависимости от выбранных режимов электронного управления. За счет усовершенствования самолетов БРЭО кроме этого не отставало в развитии.

На сегодняшнее время оборудование занимает большую часть материальных затрат на изготовление самолетов. Так, к примеру, при изготовлении самолетов типа F-14 20% неспециализированной стоимости всего самолета отведено на авионику. Подобные системы активно используются и в гражданской авиации, что разрешает автоматизировать и упростить процессы управления машиной.

Современный состав авионики самолетов

Оборудование для управления летательным аппаратом:

• Совокупность навигации.
• Совокупность индикации.
• Совокупность связи.
• Совокупность, осуществляющая управление полетом, типа FCS.
• Совокупность, несущая ответственность за предупреждение столкновения в воздухе, типа TCAS.
• Неспециализированная совокупность управления.
• Оборудование метеонаблюдения.
• Оборудование регистрации всех параметров полета. Это средства контроля и бортовые самописцы.

Оборудование управления оружием:

• Сонары.
• Электронно-оптическое оборудование.
• Радары.
• Совокупности для фиксации и поиска цели.
• Аппаратура для управления оружием.

Интерфейсы в авионике

Кандидат технических наук Г. АНЦЕВ, А. КИСЕЛЕВ, доктор технических наук В. САРЫЧЕВ (ОАО "Радар ММС").

О гражданской авионике, призванной коренным образом изменить работу пассажирского авиатранспорта, рассказывалось в статье "Авионика. Регулировщик воздушного движения" (см. "Наука и жизнь" № 2, 2004 г.). Военная авионика, конечно, богаче по своим возможностям, и теперь речь о ней. Боевые характеристики военной авиационной техники определяются, прежде всего, уровнем систем авионики. Бортовые компьютеризированные устройства не только берут на себя многие рутинные процедуры пилотирования, они способны эффективно парировать внезапно возникающие угрозы. Поэтому крайне важное значение приобретает мониторинг, то есть поиск и обнаружение "объектов" на земле и в воздушном пространстве и оценка их с точки зрения успешного выполнения поставленной задачи.

Обнаружение целей при облучении их радаром самолета-разведчика (а) и "подсвечивающим" радаром (б).

Член-корреспондент АН СССР С. М. Рытов (1908-1996), один из основоположников радиофизики.

Филигранно подобранные форма и размеры самолета F-117, а также особое покрытие поверхности мешают радарам обнаружить его и спереди и сбоку.

Работая в нескольких диапазонах волн, радар в состоянии обнаружить объекты не только на поверхности, но и на определенной глубине.

Согласно теореме Котельникова, если время между отсчетами τ меньше полупериода Т/2 колебаний (а), то форму сигнала можно восстановить; если же это время больше полупериода (б), то сигнал восстановить не удается.

Антенная решетка состоит из отдельных модулей.

При отклонении луча апертура решетки А" уменьшается пропорционально косинусу угла отклонения, и соответственно падает разрешающая способность радара.

Активная фазированная антенная решетка в головной части крылатой ракеты.

При достаточно большом интервале синтезирования виртуальная апертура может составить десятки метров, благодаря чему разрешающая способность антенной решетки

НЕВИДИМОЕ СТАНОВИТСЯ ЗРИМЫМ

Одной из главных функций военной авиации была и остается разведка. Во время Второй мировой войны пилоты могли рассчитывать лишь на собственные глаза да на фотокамеры, установленные на самолете. Ныне разведку ведут, используя мониторинговые радиоэлектронные системы. Эти системы перспективны и в хозяйственных областях.

Средства авионики регистрируют как собственное излучение наблюдаемого объекта от работающих на нем радиосредств или источников тепла, так и электромагнитные волны, которые отражаются от него при облучении радаром, расположенным непосредственно на самолете-разведчике. Сейчас все чаще, и не только в военной области, прибегают к радиолокационной разведке "с подсвечиванием". Объекты на земле или в воздушном пространстве облучают внешними источниками, а отраженный сигнал регистрируется антенной самолета-разведчика, работающей на прием.

Но самое главное состоит даже не в том, чтобы обнаружить объект, а в том, чтобы идентифицировать его, то есть ответить на вопрос: "Что же мы, собственно, наблюдаем?" Это одна из самых сложных задач, стоящих перед системами авионики. Чтобы решить ее, нельзя обойтись без самых современных средств вычислительной техники. Разработчики авионики используют и достижения радиофизики - области науки, основателем которой во всем мире по праву считается член-корреспондент АН СССР Сергей Михайлович Рытов. Распознать объект удается благодаря тому, что механизмы рассеяния и поглощения посылаемых в его сторону радиоволн тесно связаны с физическими и геометрическими характеристиками объекта. Дополнительную информацию можно получить по характеру его собственного излучения.

Например, металлические предметы практически целиком отражают падающие на них волны. Степень же поглощения волны веществом зависит от его диэлектрической и магнитной проницаемости.

В мониторинговой авионике стремятся использовать чрезвычайно широкий частотный спектр электромагнитных волн - с длинами от долей миллиметра до сотен метров. Это связано с тем, что изображение на дисплее зависит от длины волны, на которой работает радиолокатор: насколько сильно отражает или поглощает объект падающее на него электромагнитное излучение определяется, прежде всего, длиной волны, а также размерами самого объекта и различными неоднородностями физических и геометрических характеристик. Например, самолеты, выполненные по технологии "стелс", имеют такой филигранно подобранный набор геометрических форм и электрофизических свойств поверхности, что для определенного, "освоенного" противником диапазона волн отраженный сигнал попросту отсутствует. В более длинноволновой или более высокочастотной области эти "невидимки" обнаруживаются.

Сегодня, как правило, радиолокатор формирует и обрабатывает сигналы в нескольких частотных диапазонах. Если эти диапазоны значительно разнесены друг от друга, то на соответствующих изображениях мы обнаружим разные детали объекта. То же самое, кстати, будет, если сравнить картины звездного неба, полученные с помощью оптического телескопа и радиотелескопа.

В начале эры радиолокации разработчики делали ставку на волны УВЧ- и СВЧ-диапазонов, то есть пытались "разглядеть" возможно более мелкие предметы: объект отражал волну, если его размеры были больше длины волны или сопоставимы с ней. Однако впоследствии оказалось, что не так просто обнаружить, например, колонны военной техники, если они движутся по дороге, обсаженной деревьями: листва как покрывало отражала сантиметровые волны, пряча под собой корпуса танков и бронетранспортеров. А ракетную шахту можно было замаскировать обычным стогом сена.

Теперь радиолокаторы все чаще "осваивают" низкочастотный диапазон, волны которого проникают даже сквозь почву и позволяют обнаружить закопанные и укрытые объекты. Примером может служить четырехчастотный радиолокационный комплекс "Имарк", за создание которого его авторы - сотрудники Московского научно-исследовательского института приборостроения - получили в 2000 году Государственную премию РФ. Этот радиолокатор формирует и обрабатывает сигналы на длинах волн 3,9; 23; 68 и 254 см. Так вот, на самой длинной волне - 2,54 м - комплекс "видит" скопления грунтовых вод, различные геологические структуры, в том числе и алмазные трубки. Сигналы этих частот проникают и под лед, а при работе на волне 3,9 см от радара в чистом поле не укроется даже заяц.

Если же облучать объект последовательно или сразу волнами нескольких диапазонов, то можно, с одной стороны, выявить его структуру, а с другой - "устранить" препятствия, мешающие наблюдению: растительность, земной и водный покров, туман и облака.

Несколько лет назад на нефтепроводе в Республике Коми произошла авария, но стояла зима, и разлившуюся нефть тут же засыпало снегом. Дожидаться весны - нефть пропитает почву и погубит все живое. На поиск места аварии вылетел самолет с многочастотным радаром и точно обнаружил скрытые границы пятна.

Ныне в авионике стали использовать прежде экзотические сверхширокополосные сигналы, занимающие полосу частот в несколько гигагерц, - в результате можно сформировать еще более детальную картину. Кроме того, сверхширокополосные сигналы крайне трудно обнаружить, поэтому, используя их, можно скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт ее передачи.

"ГЛАЗА" САМОЛЕТА

Если нам нужно взглянуть в сторону, мы либо поворачиваем голову, либо переводим взгляд. Примерно таким же образом можно осуществлять радиолокацию. Правда, когда речь заходит о радаре, мы, как правило, представляем себе вращающееся или качающееся сооружение, которое состоит из излучателя и отражателя (зеркальной антенны).

Однако еще в 1937 году американские исследователи Г. Фрис и К. Фельдман выдвинули идею так называемой управляемой антенной решетки. Принцип действия этого устройства основан на положении, сформулированном в 1933 году российским ученым В. А. Котельниковым в виде теоремы, получившей его имя. Он доказал, что практически любой сигнал можно восстановить, имея ряд его мгновенных значений, взятых через равные промежутки времени (эквидистантных отсчетов). Причем интервал между отсчетами должен быть меньше полупериода высшей гармоники сигнала.

Антенная решетка представляет собой размещенную в плоскости совокупность отстоящих на одинаковом расстоянии друг от друга небольших излучателей (модулей). Иначе говоря, их можно, согласно теории Котельникова, принять за отсчетчики, если расстояния между ними не превышают половины излучаемой или принимаемой антенной решеткой длины волны. С помощью фазовращателей можно так подобрать фазу излучения каждого модуля, что решетка в целом станет излучать острый луч, причем такой же, как излучала бы зеркальная антенна, размер которой равен всей антенной решетке - от первого модуля до последнего. По этому лучу никак нельзя заметить, что антенна "дырявая", то есть что в ней есть просветы между модулями.

Более того, согласованно меняя фазы модулей, можно заставить луч отклоняться, и при механически неподвижной решетке будет происходить сканирование пространства - совсем как мы, не поворачивая головы, глазами просматриваем страницу книги.

Такой решеткой можно формировать и несколько лучей, причем каждый со своей динамикой. В результате получается многолучевая антенная решетка - такими сегодня оснащаются современные истребители.

Хотя принцип работы антенной решетки не выглядит сложным, на практике радиоинженерам пришлось преодолеть огромные трудности. Так, потребовались малогабаритные, не вносящие потерь и потребляющие малую мощность фазовращатели. До появления быстродей ствующих компьютеров не менее трудно было управлять изменением фазы. Лишь на основе достижений микроэлектроники удалось построить коммутаторы, справляющиеся с этой задачей.

Дальнейшие успехи микроэлектроники предоставили в распоряжение конструкторов малогабаритные твердотельные (то есть построенные по принципу интегральных схем) передатчики и приемники, которые прямо напрашивались на роль антенных модулей. Так появились активные фазированные антенные решетки (АФАР) с модулями, усиливающими излучаемый и принимаемый сигналы (на фото справа). В целом передатчик радара, как наиболее энергетически емкое устройство авионики, оказался "размазанным" по антенной решетке и стал одним из самых надежных элементов: при поломках нескольких твердотельных модулей существенного снижения характеристик не происходит (прежде у радаров с пассивной решеткой, если передатчик выходил из строя, самолет становился "слепым").

Первый в мире радиолокатор с АФАР для истребителей построен в нашей стране в корпорации "Фазотрон - НИИР" под руководством профессора А. И. Канащенкова, причем в достаточно сложное для оборонной промышленности время.

ОСТРОТА ЗРЕНИЯ РАДАРА

Способность видеть предметы зависит не только от длины отражаемой ими электромагнитной волны. Иначе мы могли бы разглядеть любые микроорганизмы в световых лучах, длина волны которых меньше микрометра. Нам же для этого требуется микроскоп, поскольку разрешающая способность человеческого глаза ограничена.

Четкость изображения, получаемого с помощью антенной решетки (а в принципе и любой антенны), зависит от ее размеров и определяется параметром, называемым раскрывом антенны или апертурой. Угловая разрешающая способность (рад -1) приблизительно равна отношению длины излучаемой и (или) принимаемой волны к апертуре антенны. Следовательно, чем крупнее антенна и чем меньше длина волны, тем более четким получается изображение.

Чтобы увеличить апертуру антенной решетки и таким образом повысить остроту зрения радара, в первую очередь приходит мысль разнести модули по фюзеляжу самолета. Появились авиационные радары с вдольфюзеляжной антенной. Затем "в ход пошли" крылья, причем управлять фазами сигналов отдельных модулей стало сложнее: антенная решетка представляет собой плоскость, а форма самолета очень сложная. Приходилось учитывать смещение каждого модуля от плоскости и соответственно подбирать для него фазу.

И все же, как ни крути, размеры, скажем, истребителя в длину и в ширину не превышают десятка метров. Значит, достигнут предел?

Выход был найден в реализации идеи синтезированной апертуры, высказанной в 1959 году А. П. Реутовым, ныне - член-корреспондент РАН, и профессором Г. С. Кондратенковым. В обычной антенной решетке сигналы отдельных модулей суммируются (с учетом фаз) по правилам сложения векторов. Но в принципе нет разницы, снимаются ли сигналы со всех модулей одновременно или последовательно во времени с одного из них, при условии, правда, что этот модуль движется. От начала до окончания интервала синтезирования самолет может пролететь сотни метров - и такой же будет виртуальная апертура антенны. Следовательно, и разрешающая способность радара окажется высокой.

Для сравнения ниже приведены данные о разрешающей способности различных радиоэлектронных и оптических систем, а также человеческого глаза (в рад -1):

Панорамные авиационные радары - 10-50.

Авиационные радары с вдольфюзеляжной антенной - 200-300.

Человеческий глаз - 5x10 3 .

Радары с синтезированной апертурой - 10 3 -10 5 .

Оптические системы - 10 4 -10 6 .

Самое главное - точно знать положение модулей решетки в каждый момент времени. Но это и труднее всего реализовать, поскольку нужно учитывать даже вибрации корпуса самолета.

В результате радиолокационное изображение Земли не выглядит отдельными точками и пятнами на экране локатора, а приобретает характер фотографии. Такое направление в авиационной радиолокации стали называть радиовидением. Упомянутый выше радиолокационный комплекс "Имарк" осуществляет синтезирование апертуры во всех четырех частотных диапазонах.

К слову, метод синтезирования апертуры весьма перспективен для наблюдения из космоса: траектория искусственных спутников Земли очень стабильна, а длина виртуальной апертуры может достигать десятков и сотен километров.

Но, как следует из вышесказанного, с помощью решеток с синтезированной апертурой можно получить образы только неподвижных предметов: движущиеся объекты окажутся смещенными. Например, на синтезированном радиолокационном изображении движущиеся автомобили будут находиться не на шоссе, а где-то в стороне от него. Понятно, что, если для наведения огневых средств на движущиеся объекты используется синтезированное радиолокационное изображение, этот фактор необходимо специально учитывать.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МОНИТОРИНГОВОЙ АВИОНИКИ

В условиях боевых действий:

обнаружение различных военных целей (в том числе и укрытых);

предотвращение военных и террористических акций;

обнаружение складов оружия, минных полей, военных лагерей, новых троп и дорог.

В условиях чрезвычайных ситуаций:

оценка последствий паводков, прибрежных штормов, сезонных дождей и таяния снегов;

определение границ ареалов, пораженных болезнями, нашествием насекомых и грызунов, кислотными дождями, пожарами, засухами, наводнениями;

обнаружение коронных разрядов на ЛЭП, аварий на подземных нефте-, газо- и водопроводах и канализационных сетях;

поиск мелких объектов в районах катастроф: катеров, шлюпок, обломков и т.д.;

оценка морского волнения, силы и направления ветра при выполнении аварийно-спасательных работ на море;

оценка загрязнения акваторий нефтяной пленкой толщиной от нескольких микрометров;

обнаружение в Арктике терпящих бедствие людей, укрывшихся под толщей снега или под торосами;

обнаружение утечек нефти из трубопроводов.

Для научных целей:

проведение гидрологических и гляциологических наблюдений, оценка влажности почв, снежного покрова, состояния айсбергов, ледников, вечной мерзлоты;

картография морских льдов и оценка эволюции льдин;

дистанционная археология (обнаружение районов поселений древних культур и ведущих туда бывших транспортных путей);

контроль за популяциями вымирающих видов флоры и фауны;

проведение топографических и литологических измерений;

оценка динамики земной коры;

оценка активности вулканов и последствий вулканической деятельности, включая течения лавы и грязевых потоков;

оценка сейсмической активности и прогнозирование зон разломов;

картография суши и морской поверхности.

Для хозяйственных целей:

оценка характеристик окружающей среды (от регионального масштаба до глобального);

точное картографирование дорог;

определение наличия наземных и подземных биомасс;

обнаружение нелегальных дорог в горных и лесных районах и заповедниках, выявление незаконных промыслов;

описание лесных, сельскохозяйственных и рыболовных экосистем;

классификация и оценка состояния почв, болот, озер;

прогнозирование урожаев;

оценка состояния экосистем полярных районов;

определение состояния лесных экосистем;

обнаружение легальных и нелегальных лесных вырубок;

обнаружение предвестников землетрясений;

определение зон подтопления в районах водохранилищ;

определение зон засоления при обмелении водоемов и эксплуатации мелиоративных сооружений;

оценка экологического состояния открытых разработок полезных ископаемых;

обнаружение объектов и сооружений, скрытых густой растительностью или заглубленных в грунт;

оценка геоэкологических процессов, связанных с распространением загрязненных почвенных вод;

выявление скрытого процесса подпочвенного подтопления хозяйственных земель.