РАДИОЛОКАТОРЫ НАВЕДЕНИЯ СИСТЕМЫ ПРО А
Воздушно-космическая оборона №2, 2010 г.
РАДИОЛОКАТОРЫ НАВЕДЕНИЯ СИСТЕМЫ ПРО «А»
Успешные испытания системы «А» с поражением головных частей баллистических ракет типа Р-5 и Р-12 развеяли миф о БР как абсолютном оружии
На рубеже 1950-х гг. были созданы баллистические ракеты, оснащенные ядерными зарядами. По скорости полета и огромной разрушительной мощи заряда, заключенного в головной (боевой) части ракеты, БР превосходила все другие виды стратегического оружия массового уничтожения. В связи с этим создание средств борьбы против баллистических ракет становилось од-ной из важнейших оборонных задач. В № 1 «ВКО» за 2010 г. читателям было предложено описание системы ПРО «А» в целом. В этом номере предлагается более детальный рассказ о радиолокаторах первой системы ПРО.
Н.Айтхожин, доктор технических наук,
заместитель начальника НТЦ НИИРП
М.Ганцевич, кандидат технических наук,
ведущий научный сотрудник НИИРП
Малые размеры и прочная конструкция головной (боевой) части баллистической ракеты делали ее труднообнаруживаемым объектом для радиолокационных станций ПВО и малоуязвимой для поражения боевым снаряжением ЗУР. Некоторые видные ученые и специалисты считали, что создать средства для противоракетной обороны, как и действующую систему ПРО в целом, в принципе невозможно.
Начальный этап. В научно-техническом плане особенность проблемы ПРО состояла в ее комплексном характере, когда решения частных взаимно связанных научно-технических проблем должны гармонично вписываться в решение проблемы в целом. Именно комплексный характер проблемы ПРО составлял (и составляет поныне) ее основную суть. Поэтому общая концепция начального этапа исследований проблемы ПРО, сформулированная главным конструктором (с 1958 г. - генеральный конструктор) Г. В. Кисунько, предусматривала разработку полигонного комплекса ПРО в качестве экспериментальной базы для создания научного задела в интересах построения системы ПРО.
Для проведения работ по ПРО в феврале 1955 г. в составе КБ-1 было создано специальное конструкторское бюро (СКБ-30, впоследствии - НИИ радиоприборостроения), в котором с момента его образования работают авторы. К работе по проблематике ПРО привлекалась широкая кооперация НИИ, КБ и заводов промышленных министерств, Министерства обороны СССР, а также АН СССР.
В соответствии с этой концепцией была начата разработка эскизного проекта экспериментальной системы «А». В процессе разработки эскизного проекта были проведены уникальные экспериментальные исследования рассеивающих способностей головных частей на моделирующей установке методом электродинамического подобия. Полученные материалы, несмотря на невысокую точность измерения, представляли собой исключительную ценность. Необходимо было подкрепить их экспериментальными данными, полученными в натурных условиях полета баллистических ракет. Эта задача, стоявшая перед разработчиками средств ПРО требовала решения в первую очередь.
Проектирование экспериментальной радиолокационной установки РЭ, фактически первой в стране РЛС ПРО, было завершено в 1955 г. Она должна была размещаться в районе точек падения баллистических ракет при их испытательных пусках.
Беспрецедентные по объему и напряженности работы по созданию технологических объектов системы «А» и инфраструктуры полигона начались в июле 1956 г. Объекты возводились в казахстанской полупустынной степи Бет Пак Дала в районе озера Балхаш. Первым технологическим объектом, подлежащим вводу, была экспериментальная радиолокационная установка РЭ. Эти работы были завершены в короткие сроки. В 1957 г. на полигоне системы «А» были впервые осуществлены обнаружение и сопровождение головных частей отечественных баллистических ракет радиолокационной установкой РЭ и начато изучение характеристик отраженных от них сигналов.
По структуре построения это был однолучевый радиолокатор с полноповоротной двухзеркальной антенной диаметром 15 м. Запитка зеркала осуществлялись рупорным облучателем. Антенна РЭ-10 располагалась внутри сферического обтекателя, вращающегося вместе с антенной по двум осям.
Передающее устройство импульсной мощностью 2 МВт было заимствовано от радиолокатора системы ПВО С-25.
Жесткое укрытие антенны канала противоракеты
Приемное устройство состояло из двух линеек усилителей. Построено по схеме супергетеродина с двойным преобразованием частоты. Основной усилитель имел линейную характеристику усиления и выход на дальномерное устройство, второй - логарифмическую характеристику усиления в пределах широкого динамического диапазона изменения амплитуд принятых сигналов.
Радиолокатор обеспечивал обнаружение головной части баллистической ракеты по целеуказанию на дальности около 400 км и ее автоматическое сопровождение только по дальности. В целях упрощения построения радиолокатор не имел аппаратуры измерения угловых координат, вследствие чего поворот антенны на цель и слежение за целью по угловым координатам осуществлялись в пассивном режиме по внешним данным.
Наведение луча антенны РЭ на цель производилось силовыми приводами, связанными сельсинными машинами с оптическим телескопом КТ-50. Выбор такой схемы наведения радиолокационной установки РЭ на баллистическую ракету являлся вынужденной мерой, обусловленной отсутствием в ее составе вычислительных средств, которые позволяли обеспечить расчет траектории движения и выдачу достаточно точного целеуказания в реальных условиях полета баллистической ракеты.
В 1958 г. радиолокационная установка была модернизирована. Передающее устройство, волноводный тракт с облучателем и входной усилитель приемного устройства были заменены вновь разработанными устройствами, обеспечивающими работу на несущей частоте радиолокаторов точного наведения (РТН) системы «А». Радиолокационная установка РЭ после модернизации стала именоваться РЭ-2.
Жесткое укрытие антенны канала цели
Импульсная мощность передающего устройства была повышена до 10 МВт. Проблема передачи и излучения такого высокого уровня мощности была решена применением в антенне 4-канального волноводного тракта и 4-рупорного облучателя.
Для обеспечения высокой точности измерения отражающих поверхностей головных частей баллистических ракет (после модернизации) было проведено тщательное измерение энергетических параметров радиолокатора, завершенное калибровкой их совокупности (потенциала) по эталонным сферам, которые запускались с помощью метеорологических шаров-зондов. Эталонные сферы, впервые использованные на РЭ-2, оказались чрезвычайно удобным средством как контроля и калибровки энергетических характеристик радиолокатора, так и измерения абсолютных величин отражающих поверхностей целей и широко применялись при испытаниях радиолокаторов ПРО на полигоне. Так, для проведения испытаний радиолокаторов системы ПРО А-35 были разработаны и выведены на орбиту специальные искусственные спутники земли (ИСЗ) серий ДСП-1 и ДСП-1Ю, а также «Тайфун», имевшие сферическую форму.
Помимо плановых проводок баллистических ракет, в том же 1958 г. впервые в отечественной (да и в мировой практике) радиолокатором РЭ-2 были осуществлены многократные проводки по отраженному сигналу третьего советского искусственного спутника Земли. Наведение луча антенны РЭ-2 на ИСЗ в этих работах производилось кинотеодолитом КТ-50. Тем самым была экспериментально подтверждена возможность точного измерения координат не только баллистических, но и высокоскоростных малоразмерных космических объектов.
Радиолокационная установка была укомплектована аналоговой аппаратурой кино- и фоторегистрации, включавшей наряду с авиационными кинокамерами типа АКС-40 специально разработанные безобтюраторные камеры РЭ-803 с непрерывной подачей кинопленки. Запись производилась с экранов осциллографов, имевших синее свечение, совместно с метками времени, поступавшими с частотой 1 Гц и 10 Гц от системы единого времени. Амплитуда отраженного сигнала сопровождаемой цели с выхода логарифмического приемного устройства записывалась на фотографическую бумагу шлейфовыми осциллографами.
На камерах РЭ-803 производилась запись каждого отраженного от цели сигнала с частотой повторения, соответствовавшей частоте излучения сигнала радиолокатора. Анализ записей, осуществленных этой камерой, позволял не только выявлять особенности тонкой структуры отраженных сигналов, но и устранять различные неисправности, возникавшие в радиолокаторе в ходе работы.
Отметим попутно, что записи на аналогичных камерах РЭ-803, установленных на радиолокаторах точного наведения системы «А», были использованы для оценки промаха в пуске № 59 24 ноября 1960 г. Для этого использовались записи сигналов, отраженных от головной части БР и противоракеты (ПР), зафиксированные на последних секундах перед точкой встречи на одних и тех же кадрах.
Статистическая обработка материалов записей на аппаратуре регистрации, произведенных на экспериментальных установках РЭ, РЭ-2, осуществлялась на первой в КБ-1 и одной из первых в стране электронной вычислительной машине «Стрела».
Проведенные на РЭ и РЭ-2 работы по ракетам Р-2 и Р-5 и ИСЗ в 1957-1958 годах, а также полученные экспериментальные материалы по их радиолокационным характеристикам позволили подтвердить возможность обнаружения и высокоточного сопровождения головных частей баллистических ракет, а также ИСЗ на проектных дальностях радиолокаторов точного наведения системы «А» и тем самым заложили прочный фундамент для всех последующих работ по ПРО.
Передатчик канала противоракеты
Радиолокационные средства экспериментальной системы ПРО (система «А»). Эскизное проектирование экспериментальной системы «А» было завершено коллективом СКБ-30 под руководством Г. В. Кисунько в марте 1956 г.
Принципиальная новизна структуры построения системы «А» состояла в том, что в состав ее средств была включена быстродействующая цифровая электронная вычислительная машина (ЭВМ). Это обуславливалось требованием обеспечения высокоточного прогноза движения БР, что можно было сделать только интегрированием достаточно сложных уравнений движения тела в поле тяготения Земли, и реализации не менее сложного алгоритма автоматического выполнения боевого цикла по организации управления средствами, получения и обработки информации и управления ПР при наведении ее на цель в скоротечном процессе перехвата головной части баллистической ракеты, когда скорость сближения цели и перехватчика может достигать величин до 7-10 км/с. Решить такую задачу с использованием традиционных в то время в ПВО аналоговых вычислительных средств было невозможно.
Вторым не менее важным новым решением в структуре системы «А» было использование многопозиционного принципа построения радиолокационных средств измерения координат целей и ПР, основанного на измерении дальностей (метод «трех дальностей»). При этом три радиолокатора точного наведения располагались в вершинах равностороннего треугольника, вписанного в окружность радиуса 85 км с центром в предполагаемой точке падения баллистических ракет. Наиболее вынесенный вперед РТН располагался там же, где и радиолокационная установка РЭ-2.
Большая скорость баллистической ракеты сокращала и без того сжатый баланс времени системы ПРО, что в свою очередь требовало высокого энергетического потенциала РТН для обеспечения требуемой дальности и максимальной точности сопровождения баллистической цели. Необходимый потенциал был достигнут соответствующим выбором частотного диапазона и электровакуумных приборов с предельными уровнями создаваемой СВЧ-мощности, использованием больших диаметров раскрыва антенн и минимизацией потерь на неточность наведения максимумов лучей РТН на цель.
Автоматическое управление работой средств системы при наведении ПР на цель осуществлялось центральной вычислительной станцией (ЦВС) по дуплексным цифровым радиорелейным линиям связи.
Ход работы на командном пункте, оборудованном громкоговорящей связью и другими видами связи, контролировался по центральному индикатору системы (ЦИС). По этой связи передавались команды и принимались доклады о готовности средств к работе.
Создание вычислительных средств для системы «А» в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) АН СССР было завершено в 1958 г. ЦВС размещалась на объекте № 40 полигона системы «А». В состав ЦВС входили ЭВМ М-40 и ЭВМ М-50 (главный конструктор С. А. Лебедев). На ЭВМ М-40 возлагалось управление рабочим циклом по перехвату головной части баллистической ракеты ПР в соответствии с алгоритмом взаимодействия территориально разнесенных средств системы «А» в реальном времени. Производительность ЭВМ М-40 составляла 40 тысяч оп/с над числами с фиксированной запятой и ОЗУ объемом 4096 слов. Скорость выполнения элементарного сложения и умножения - 3 на 105 и 5 на 104 сложений и умножений в секунду соответственно. Объем внешней памяти составлял 150 тысяч слов. Асинхронный дуплексный обмен информацией по пяти направлениям радиорелейных линий связи с суммарной скоростью передачи порядка 1 МГц обеспечивался специальным процессором ввода-вывода, входившим в состав ЭВМ М-40.
Магнетрон передатчика ПР
ЭВМ М-50 предназначалась для обработки записанной цифровой и аналоговой информации. Она представляла модификацию ЭВМ М-40 для работы с числами с плавающей запятой. ЭВМ М-50 имела развитую систему внешней памяти на барабанах и магнитных лентах.
Обе ЭВМ были связаны между собой межмашинным обменом. Кроме того, каждая из ЭВМ была связана с узлом, расположенным на том же объекте, в котором размещалась контрольно-регистрирующая аппаратура (КРА), разработанная СКБ-30. На КРА осуществлялась запись на магнитной ленте в цифровой форме информации обмена между средствами системы «А» и ЭВМ М-40 по радиорелейным линиям связи. Наличие в ЭВМ М-40 специальных прерываний и устройства КРАП, через которые можно было передавать в ЭВМ информацию, воспроизводимую КРА, позволяло многократно восстанавливать ход работы и при необходимости отрабатывать программу в квазиреальном времени.
Особенностью построения радиолокационных средств системы «А» являлось разделение функций, связанных с обеспечением перехвата головной части баллистической цели, между несколькими РЛС, выполняющими их в тесном взаимодействии между собой при управлении от ЭВМ М-40. Передача цифровой информации и команд управления между средствами системы «А» и ЭВМ М-40 осуществлялась радиорелейными линиями связи, имевшими 16 оконечных и промежуточных станций общей протяженностью 1230 км. Эти линии обеспечивали также передачу сигналов единого времени, служебную телефонную связь, а также синхронную работу всех измерительных средств. По каждому стволу радиорелейной линии передавалось 16 независимых каналов информации, каждый из которых был рассчитан на передачу 14-разрядного двоичного кода. Достоверность передачи - выше 10 в минус седьмой.
Основные функции, выполняемые радиолокаторами системы «А», могут быть условно разделены на две: обнаружение баллистических целей на рубежах, достаточных для целеуказания радиолокаторам наведения, и собственно обеспечение перехвата головной части баллистической ракеты. Первая задача выполнялась станцией дальнего обнаружения «Дунай-2» (главный конструктор В. П. Сосульников).
Передатчик канала цели
В состав радиолокационных средств системы «А», обеспечивающих выполнение непосредственно задач перехвата БР, входили:
- радиолокационная станция вывода противоракеты (РСВПР);
- радиолокаторы точного наведения.
В 1958 г. радиолокационные средства системы «А» на полигоне были введены в строй и начаты стыковочные работы с ЭВМ М-40.
РСВПР (главный конструктор С. Я. Рабинович) обеспечивала захват и вывод противоракеты. После подъема на заданную высоту производился захват и автосопровождение ПР каналом противоракеты РТН.
Аппаратура трех РТН (за исключением антенных устройств) предварительно развертывалась на площадях СКБ-30, состыковывалась между собой, и проверялось их совместное функционирование с ЭВМ М-40, находившейся в ИТМ и ВТ, в имитационном режиме с передачей информации и команд управления по радиорелейной линии связи между двумя территориально разнесенными объектами.
По структуре построения РТН являлся уникальным комбинированным двухлучевым двухканальным моноимпульсным радиолокатором. Два луча в пространстве формировались двумя антеннами. Излучение и прием информации на каждом из РТН как по цели, так и по ПР осуществлялись на разнесенных друг от друга несущих частотах и частотах повторения. Работа РТН осуществлялась при непрерывном взаимодействии через радиорелейные линии связи с ЭВМ М-40, расположенной на удалении от 100 км до 250 км от них.
В радиолокаторе точного наведения системы «А» использовались две полноповоротные приемо-передающие антенны РС-10 и РС-11, построенные по схеме Кассегрена. Первая из них, предназначенная для работы по цели, имела параболическое зеркало диаметром 15 м. В фокусе антенны устанавливался 4-рупорный облучатель, конструкция которого позволяла обеспечить хорошую развязку между каналами и низкий уровень коэффициента стоячей волны. В передающем режиме все рупоры облучателя работали синфазно и формировали в пространстве один луч, а при работе на прием формируются четыре смещенных луча, создающих мгновенное равносигнальное направление на цель.
Магнетрон передатчика цели
Двухзеркальная антенна удобна тем, что ее фокус, в котором располагается облучатель, находится вблизи вершины рефлектора, и волноводный тракт, подходящий к облучателю, минимальной длины и не имеет изгибов, что особенно существенно для четырехканального волноводного тракта, необходимого для моноимпульсного измерения угловых координат. Четырехканальный волноводный тракт, заканчивающийся четырехрупорным излучателем как в случае применения зеркальной антенны, так и фазированной антенной решетки, являлся наилучшим компромиссом при однолучевом построении стрельбовой РЛС ПРО. Такой волноводный тракт обеспечивал возможность вращения антенны по двум осям при высоких уровнях скорости вращения, подводимой к антенне мощности и точности измерения угловых координат цели. Антенна обеспечивала излучение и прием СВЧ-сигналов линейной поляризации.
Другая антенна диаметром 4,6 м обеспечивала работу по противоракете. Эта антенна имела одноканальный облучатель, осуществлявший излучение и прием СВЧ-сигналов круговой поляризации.
Двухзеркальная схема Кассегрена с параболическим рефлектором и гиперболическим контррефлектором в настоящее время используется весьма широко в наземных радиолокационных и радиосвязных антеннах. Но в то время (1955-1958 гг.) антенны РЭ-10 и РС-10 были первыми крупногабаритными двухзеркальными антеннами в мире.
Передача высоких уровней СВЧ энергии по волноводным трактам потребовала новых решений. Были созданы согласующие переходные устройства с четвертьволновым трансформатором и двойной системой дроссельных ловушек, что позволило сконструировать и применить ранее не употреблявшийся в волноводной практике волноводный тромбонный фазовращатель, позволивший решить ряд проблем, связанных с требованием высокой точности фазировки многоканального тракта. В качестве делителя мощности применена система щелевых мостов вместо волноводных тройников, позволивших обеспечить надежную разводку между каналами и тем самым резко повысить стабильность фазы на выходе облучателя. В трактах применены вращающиеся сочленения с волной Е01 в круглом волноводе. Для увеличения электрической прочности тракт заполнен сжатым воздухом при давлении 3-3,5 ати. Для герметизации волноводного тракта разработаны специальные герметизирующие диафрагмы из ковара с впаянным кварцем, обеспечивающие необходимую электрическую и механическую прочность.
Благодаря тщательной отработке каждого элемента тракта удалось впервые достичь во всех изготовленных трактах весьма высоких показателей: коэффициент стоячей волны 1,35 в диапазоне 5%, синфазность в том же диапазоне не хуже 30°.
В антеннах РТН (РС-10, РС-11) и в антенне РЭ (РЭ-10) применена азимутально-угломестная система, в которой неподвижная ось не вертикальна, а горизонтальна. Выбор горизонтального расположения неподвижной оси был обусловлен тем, что система «А» проектировалась как экспериментальный макет боевой ячейки ПРО. Проектные материалы по расчету возможных точек встречи головной части и ПР показывали, что в зависимости от траектории полета баллистических ракет, атакующих обороняемый район, они могли оказываться в непосредственной близости от направления на зенит (или в зените) для одного из радиолокаторов на удалении до 25 км (а для канала ПР еще меньше).
При обычном вертикальном расположении азимутальной оси антенны невозможно было обеспечить непрерывное сопровождение таких целей из-за необходимости переброса антенны, для осуществления которого требовалось затратить некоторое время. Кроме того, работа радиолокатора в окрестности зенита даже при отсутствии переброса связана со значительным увеличением скорости вращения антенны по азимуту, причем тем большей, чем больше угол места цели. Недопустимость срывов сопровождения цели и ПР на этих участках траектории их движения, а также чрезмерное увеличение скорости вращения антенны на этапе наведения явились основным требованием, определившим выбор ориентации осей вращения.
Антенна с осями Е1 и Е2 имела более сложное опорно-поворотное устройство повышенной прочности, потому что для балансировки поворотной части необходима установка противовесов по каждой оси, что увеличивало вес и моменты инерции. Потребовалось увеличение мощности силовых следящих приводов, которые обеспечивали достаточно точное наведение луча антенны на цель в пределах 0-180 градусов по каждой из осей со скоростями до 13 град/с и ускорениями до 3 град/с2.
Вес подвижной части антенны РС-10 составлял 92 т, РС-11 - 8 т.
Приводы антенны канала цели представляли собой комбинированные следящие устройства, включающие каждый в свой состав вспомогательную цифровую следящую систему (ВСП) и силовой следящий привод (ССП). Мощность ССП РС-10 по осям Е1 и Е2 составляла 70 и 40 кВт, мощность ССП РС-11 - 2 кВт по каждой из осей.
Угловые положения осей антенн определялись оптико-механическими датчиками, выполняющими преобразование углового положения вала в 14-разрядный цифровой код. Сравнение углового положения антенны с цифровыми данными о положении цели, передаваемыми по радиорелейной линии с ЭВМ М-40, осуществляло устройство ВСП, представляющее собой специализированное цифровое устройство, которое обеспечивало сравнение действительного положения антенны по данным с оптико-механического датчика с заданным и образовывало сигнал управления ССП каналов цели и изделия. Устройство выполнено целиком на безнакальных элементах общим числом примерно 700 транзисторов и около 650 полупроводниковых диодов.
Общий вид передающего устройства
Построенный по такой схеме привод обеспечивал высокоточное наведение максимума диаграммы направленности антенны на цель и тем самым компенсацию угловых ошибок в данных целеуказания, поступающих с ЭВМ М-40 на этапе начала сопровождения, когда траектория цели на ЭВМ построена еще недостаточно точно. Измеренные РТН угловые координаты цели в рабочих алгоритмах работы системы «А» использовались лишь как вспомогательные.
Приводы антенны канала противоракеты не имели дискриминаторов выделения сигналов ошибки и обеспечивали наведение луча антенны на ПР по данным целеуказания, поступающим с ЭВМ М-40.
Для антенн канала цели РС-10 и канала противоракеты РС-11 были впервые в СССР разработаны, изготовлены и установлены на полигоне радиопрозрачные укрытия (антенные обтекатели). Укрытие антенны РС-10 жесткой конструкции «Купол-10» представляло собой усеченный многогранник, вписанный в сферу диаметром 35 метров, собранный из пяти- и шестигранных пирамид, состоящих из более мелких треугольных элементов. Укрытия изготовлены из сотового материала (высота сот 110 мм), поверхность которого оклеена тремя или шестью слоями стеклоткани марки «Т» и полимеризована в печах при температуре около 170°С. Соты были выполнены из бязи и пропитаны специальной смолой. Укрытие обладало высокой прочностью и радиопрозрачностью и было способно выдерживать скоростной напор ветра до 95 м/с.
Укрытие «Купол-11» для антенны РС-11 выполнено в виде усеченного шара диаметром 15,5 метра.
Для антенн РС-10 были также разработаны надувные укрытия. Укрытие надувного типа для антенны РС-10 представляет собой шар диаметром 36 метров, срезанный горизонтальной плоскостью на уровне 8245 мм ниже центра сферы. Материал оболочки - прорезиненный капрон. Оболочка поддерживает свою форму внутренним избыточным давлением 20-80 мм водяного столба. Пневматическая оболочка способна выдержать воздействие ветра до 30 м/с.
Продолжение следует
Воздушно-космическая оборона №3, 2010 г.
РАДИОЛОКАТОРЫ НАВЕДЕНИЯ СИСТЕМЫ ПРО «А»
Окончание. Начало в № 2 за 2010 г.
Н. Айтхожин, доктор технических наук,
заместитель начальника НТЦ НИИРП
М. Ганцевич, кандидат технических наук
ведущий научный сотрудник НИИРП
Антенна канала цели
Для экспериментальной проверки диаграммы направленности и коэффициента усиления антенн канала цели РС-10 и канала противоракеты РС-11, а также для электрической юстировки антенн на каждом из РТН, а позднее и вблизи стартовой позиции были сооружены вышки высотой 80 м на расстоянии около 900 м от расположенных там РЛС. Измерительная антенна, установленная на вышке, была соединена волноводным трактом со зданием РТН. По этому тракту мог подаваться сигнал от измерительного генератора или от генератора имитационного сигнала в режиме функционального контроля радиолокатора.
Аппаратурный автоматизированный функциональный контроль осуществлялся с целью проверки работоспособности в целом аппаратуры радиолокатора. В состав этой аппаратуры входили встроенные специализированные измерители, включающие направленные ответвители на ВУМ с направленностью не хуже 40 дБ.
При проведении электрической юстировки измерялись парциальные диаграммы направленности с выходов всех 4 каналов волноводного тракта при вращении антенны поочередно вокруг каждой из осей 1, 2. Находилось равносигнальное направление, которое совмещалось с геометрической осью антенны путем перемещения контррефлектора.
Передающее устройство канала цели обеспечивало генерацию импульсных сигналов двух длительностей - 3 мкс и 0,5 мкс для функционирования соответственно на предварительной и главной ступенях работы. Импульсная мощность передающего устройства канала цели составляла 30 Мвт, а канала ПР - 1 МВт.
Для генерации СВЧ-энергии был специально разработан предельно-волноводный мощный магнетрон «Канал», который по своим выходным параметрам намного превосходил все зарубежные СВЧ магнетроны этого диапазона частот. Модулятор передающего устройства канала цели представляет собой линейный модулятор с емкостным накопителем энергии в виде трех параллельно работающих искусственных линий формирования. Для переключения схемы с заряда на разряд используется три импульсных мощных водородных тиратрона с током в импульсе 2500 ампер и амплитудой напряжения до 35 кВ. Модулятор передающего устройства канала противоракеты собран по известной схеме с частичным разрядом накопленной энергии, коммутируемой двумя «жесткими» лампами с током в импульсе каждой лампы 90 ампер и напряжением до 32 кВ с использованием импульсного трансформатора.
Мощные ферритовые вентили появились позднее, в 1960-х гг., и для магнетронного передатчика серьезной проблемой было согласование с нагрузкой - волноводным трактом антенны. Экспериментальным путем выяснилось, что результаты измерений на низком уровне мощности не дают полной информации об отражениях в волноводном тракте на высоком уровне мощности (ВУМ). На объекте был разработан рефлектометр, который позволял при работе на ВУМ определять величину и местонахождение неоднородности в волноводном тракте для ее последующего устранения.
Антенна радиолокатора точного наведения
Приемное устройство каналов цели и противоракеты по структуре построения представляли собой высокочувствительный супергетеродин с двойным преобразованием частоты и широким динамическим диапазоном. Входные усилители были построены на специально разработанных малошумящих лампах бегущей волны (ЛБВ). Формирование пеленгационной характеристики производится суммарноразностным волноводным дискриминатором, связывающим ППП с входами усилительных каналов приемного устройства.
Входным усилителем каждого из трех каналов - канала дальности, каналов углового сопровождения 1 и 2 - являлась широкодиапазонная малошумящая ЛБВ «Тростник», обеспечившая получение требуемого коэффициента шума в любой точке рабочего диапазона.
Наличие двух раздельных усилителей для функционирования соответственно на предварительной и главной ступенях работы с разными промежуточными частотами позволяло оптимальным образом решить вопрос о неискаженном усилении принятых сигналов при обеспечении максимальной чувствительности приемного устройства на обеих ступенях работы станции. Входные сигналы после прохождения приемной системы, где производились усиление, преобразование, нормирование по амплитуде, выработка сигнала углового рассогласования, поступали на дальномерное устройство, индикаторы, систему углового подслеживания и контрольно-регистрирующую аппаратуру.
Приемное устройство было охвачено рядом схем автоматического регулирования, в состав которых входил также калибратор дальности, вырабатывающий высокочастотный сигнал, задержанный относительно импульса передатчика на строго постоянное время, по которому проводится юстировка дальномеров каналов цели и противоракеты. Метод формирования калибрационного сигнала по частоте и использование в качестве задерживающего элемента термостатированной кварцевой линии обеспечивал получение высокой точности юстировки.
Впервые был решен вопрос защиты приемных каналов от мощных импульсов передатчика. Простота конструктивного решения примененных разрядников (ППП) позволила разработать высоконадежное, простое в эксплуатации входное устройство.
Приемный канал сигнала ответчика противоракеты в схемном решении аналогичен каналу дальности цели, работающему в режиме «Главная ступень». Конструктивно приемное устройство каналов цели и противоракеты выполнено в виде общей секционированной аппаратурной стойки. Широкое применение в аппаратуре печатного монтажа и полосковых волноводов позволило спроектировать достаточно компактное устройство.
Два дальномерных устройства, построенные на цифровом принципе, обеспечивали раздельное автоматическое сопровождение и измерение дальностей до цели и ПР. Угловые координаты цели определялись моноимпульсным методом. Сигналы, поступающие от облучателя антенны, преобразовывались в приемном устройстве в два разностных и один суммарный сигналы. Поддержание равенства коэффициентов усиления суммарного и двух разностных линеек обеспечивалось импульсной автоматической регулировкой усиления. В разностной линейке сигнал ошибки выделялся амплитудно-фазовым дискриминатором.
Высокие точности измерения текущих координат получены в результате применения нового метода построения цифровых измерителей дальности и углов (ВСП), впервые разработанных в КБ-1 (ныне ГСКБ «Алмаз-Антей» им. академика А. А. Расплетина), в которых цифровые элементы являлись органическими элементами структуры измерителей, а не просто оцифровки измеренных аналоговых величин, как это иногда представляется в литературе.
Цифровые операции, необходимые для решения задач автосопровождения, осуществлялись специализированным цифровым 20-разрядным вычислительным устройством РС-40В с жесткой программой управления операциями. Быстродействие составляло около 50 тыс. операций в сек. Цифровое устройство во время перехода из режима предварительной на главную ступень после включения передающего устройства канала ПР дополнительно решало задачу автоматической союстировки дальномерных устройств каналов цели и ПР, позволяющей свести разностные ошибки измерения дальности до весьма малых величин. Это же устройство обеспечивало контроль всей аппаратуры РТН с помощью имитационной аппаратуры по тест-программам. Конструктивно дальномерное устройство и РС-40В выполнены полностью на безнакальных элементах: полупроводниковых диодах, триодах, ферритах и тиратронах с холодным катодом.
Распределительно-преобразующее устройство
По окончании основного объема испытаний системы «А» были проведены экспериментальные работы с пусками противоракет, направленные на исследование возможности использования измеренных радиолокатором точного наведения угловых координат. Для этого была разработана общая функциональная программа работы системы «А» (ОБП-16), в которой для определения параметров движения цели и наведения ПР использовались дальность и угловые координаты, измеренные одним РТН.
Отметим, что трехканальное построение приемного устройства радиолокационной станции сопровождения целей, широко известное ныне как моноимпульсный метод измерения угловых координат, было, по-видимому, первым в отечественной практике.
Захват на сопровождение целей и противоракет осуществлялся вручную операторами. Попытки разработки и создания аппаратуры, которая позволила бы обеспечить автоматическое обнаружение сигнала цели и переброс стробов сопровождения на цель в заданном интервале неопределенности положения цели по дальности, в то время не вполне увенчались успехом.
После захвата цели дальнейшее ее сопровождение осуществлялось в автоматическом режиме. В процессе проведения испытаний РТН обнаружилось, что при глубоких замираниях сигнала, характерных для флюктуации отраженного сигнала от головной части баллистической цели, строб сопровождения дальномерного устройства успевал отклониться от реального положения цели на величину, большую длительности импульса, и при восстановлении сигнала строб сопровождения оказывался вне пределов сигнала. В результате этого в расчет на ЭВМ М-40 попадали недостоверные данные, приводящие к ошибкам вычисления текущих координат цели и упрежденной точки встречи. Восстановление параметров баллистической траектории к действительным после этого сбоя при узкой полосе фильтра сглаживания занимало значительное время.
Для устранения этого эффекта был использован имевшийся задел по аппаратуре автоматического обнаружения сигнала, который позволил обеспечить контроль наличия сигнала в стробе сопровождения дальномера. Тот же аппаратурный задел был использован для доработки аппаратуры автоматического захвата сигнала головной части при ее выделении из состава групповой двухэлементной цели при входе в атмосферу и переброса строба сопровождения на него. Это был первый успешный опыт создания достаточно эффективной аппаратуры автоматической селекции головных частей из состава парной цели.
С переходом на этап наведения ПР (продолжительностью 12-14 с) возможность вмешательства оператора на ход выполнения рабочего цикла исключалась и он выполнялся в автоматическом режиме при управлении от ЭВМ М-40.
В системе «А» построение траектории цели, расчет упрежденной точки встречи, а также наведение ПР на ГЧ баллистической ракеты осуществлялись ЭВМ М-40 в соответствии с алгоритмом по трем дальностям до цели и ПР, измеренным пространственно разнесенными РТН.
В основе такого решения лежало известное обстоятельство, состоящее в том, что в радиолокаторах слежения технически легче достигнуть более высокой точности измерения дальности по сравнению с угловыми координатами. Ошибка измерения дальности при прочих равных условиях не зависит от дальности, тогда как угловая ошибка, пересчитанная в пространственную ошибку, увеличивается с увеличением дальности.
Шкаф контроля частоты
Принятый в системе «А» метод определения координат целей и ПР требовал не только высокой точности, а исключительно высокой точности измерения дальности для обеспечения поражения головной части осколочным боевым зарядом ПР. Для этого было необходимо принятие специальных дополнительных мер. Прежде всего, это касалось привязки измеренных дальностей ко времени.
Привязка измеренных дальностей (и угловых координат) ко времени осуществлялась синхронизатором РТН. Первой принятой мерой была жесткая привязка частотной сетки синхронизатора к эталонным меткам высокоточной системы единого времени (СЕВ) полигона. Целеуказания по дальности и угловым координатам цели и ПР, команды управления, передаваемые в направлении ЦВС-РТН, измеренные дальности и угловые координаты цели и ПР, сигналы состояния радиолокатора, передаваемые в направлении РТН-ЦВС, занимали вполне определенное место в кадре передачи информации по радиорелейным линиям связи. Кадр информации, передаваемый по радиорелейной линии связи, также жестко был привязан к меткам СЕВ. Такая организация привязки измерений радиолокационных средств системы «А» к абсолютному времени гарантировала исключение временных ошибок, связанных с огромным пространственным разносом РТН на местности.
Далее, для обеспечения требуемых точностей расчета координат баллистических целей и успешного наведения противоракет на цель по результатам измерений с помощью пространственно разнесенных средств системы «А» была осуществлена высокоточная топографическая привязка объектов.
Индикаторное устройство
Для обеспечения сопровождения баллистических ракет, двигающихся со скоростью до 7 км/с, необходима система с высоким быстродействием или иначе - система с широкой динамической частотной полосой. Но широкополосные системы не обеспечивают высокой точности измерения. И это было хорошо известно.
Оригинальное решение технически сложного в реализации высокоточного измерения дальности скоростных баллистических целей было найдено на основе построения дальномера по принципу относительного сопровождения, когда он является составной частью двухконтурной системы авторегулирования. Первый опорный контур авторегулирования реализуется на ЭВМ М-40 в виде сложной системы, включающей пересчет измеренных координат из радиолокационной в декартовую систему координат, интегрирование уравнений движения баллистической ракеты в поле тяготения Земли и обратный пересчет в дальность целеуказания. Этот контур как система авторегулирования обладал большой динамической устойчивостью, связанной с накоплением замеров в процессе интегрирования. Устойчивость этого контура была чрезвычайно важна для работы двухконтурной следящей системы радиолокатора как источника непрерывных данных целеуказания, облегчающих повторный захват цели при неизбежных кратковременных срывах автосопровождения из-за флюктуации эхо-сигналов.
Двухконтурное построение слежения по дальности цели позволило также существенно снизить динамические требования к ней. Дальномерное устройство РТН должно было обеспечивать измерение дальности при отклонениях по положению в пределах ±7,5 км, скорости - в пределах ±150 м/с и ускорения цели - в пределах ±50 м/с2.
Дальномерное устройство
По этим параметрам дальномерное устройство незначительно отличалось от ранее созданных в КБ-1 аналоговых дальномеров для систем ПВО. Внедрение в построение дальномера относительного принципа и цифровых методов измерения, что было осуществлено в отечественной практике впервые, позволили улучшить достигнутые ранее характеристики дальномерных устройств, доведя инструментальную ошибку до величины менее 0,2 м.
Следующим шагом в обеспечении требуемой точности измерения дальности являлось исключение медленных уходов параметров, связанных с двухканальным построением РТН, которые были выявлены в процессе настройки и ввода РТН на объекте. Это были неравные задержки в трактах передающих и приемных устройств каналов цели и ПР.
Штатная схема компенсации ошибок разноканальности, предусматривавших ввод в измеренную дальность юстировочной поправки, определяемой по результатам функционального контроля радиолокатора, их не охватывала.
Синхронизатор
Для устранения ошибок, связанных с этими неучтенными факторами, был использован уголковый отражатель, установленный на удалении порядка 15 км. Выбор места его установки производился с учетом получения достаточно мощного и четкого эхо-сигнала на фоне отражений от местных предметов. Разность измеренных дальностей двумя каналами РТН при работе двух передающих устройств по уголковому отражателю периодически вносилась в память котировочных поправок. В результате принятых мер аппаратурная ошибка измерения дальности (то есть ошибка измерения при больших значениях отношения сигнал/шум) двумя дальномерами в промежутках между проведением юстировочных работ не превосходила 0,75 м.
Измеренные дальности до цели и ПР передавались по радиорелейной линии связи в виде 22 разрядных двоичных чисел при цене младшего разряда в доли метра.
В 1966 г. по инициативе одного из авторов предлагаемого вниманию читателей «ВКО» материала на РТН были проведены экспериментальные работы по наблюдению головных частей баллистических ракет, оборудованных солнечными датчиками ориентации. Данные с датчиков ориентации передавались на наземные пункты приема телеметрической информации с борта головных частей БР. Разработка и установка оптических датчиков на головные части БР были проведены в короткие сроки под руководством И. Ф. Бабича и В. Н. Крыжко.
Устройство управления приводами
В результате совместной обработки радиолокационной и телеметрической информации впервые были измерены диаграммы обратного рассеяния головных частей баллистических ракет в реальных условиях их полета. Полученные материалы имели особую ценность, так как практически эксперимент был проведен с точки зрения электродинамики в идеальных условиях. В дальнейшем они использовались в интересах проектирования РЛС ПРО, а также как эталон при лабораторных и полевых измерениях диаграмм обратного рассеяния различных объектов.
При разработке аппаратуры радиолокатора точного наведения впервые были реализованы новые конструктивные и технологические решения. В основу этих решений было положено применение в массовом количестве новых, более совершенных радиоэлементов, технологий и механизации сборки ячеек и всей аппаратуры при изготовлении ее на заводах, позволивших резко снизить трудоемкость изготовления аппаратуры и сократить сроки ее изготовления. Вместо ранее использовавшихся медных волноводов в РТН были применены алюминиевые волноводы, получаемые в результате горячего прессования через язычковые матрицы, что позволило обеспечить экономию большого количества дорогой меди.
Применение в РТН полупроводниковых приборов и техники дискретного счета потребовало разработки и освоения в производстве новой технологии изготовления печатного монтажа, новых, более надежных и специальных элементов: полупроводниковых приборов, импульсных трансформаторов, высоконадежных разъемов, ферритовых колец для устройств магнитной памяти, высокоточных цифровых магнитных записывающих головок и пр.
Среди вновь освоенных технологических процессов следует отметить фотохимический способ изготовления печатного монтажа, аргонно-дуговую сварку и пайку твердыми припоями алюминия и его сплавов, сварку тантала и молибдена, сварку кварцевых окон с коваровыми диафрагмами, механизированную импульсную сварку вакуумно-плотных швов, намотку тороидальных сердечников диаметром до 500 мм из ленты толщиной 20 микрон, представлявшей тогда серьезную проблему, и др.
Впервые разработаны и применены в СВЧ аппаратуре печатные волноводы, разработаны и изготовлены высокостабильные кварцевые линии задержки, обеспечивающие получение длительного времени задержки, разработаны и освоены в промышленности алюминиевые волноводы, применение которых позволило только при изготовлении трех РТН сэкономить 42 тонны латуни.
Успешные демонстрационные испытания системы «А» с поражением головных частей баллистических ракет типа Р-5 и Р-12 в натурных условиях, с одной стороны, развеяли миф о баллистической ракете как абсолютном оружии и с другой - явились источником большого числа новых идей в различных отраслях науки и техники, а также способствовали совершенствованию как самих БР, так и способов борьбы с ними.
Уникальные экспериментальные данные, полученные в ходе испытаний системы «А», а также при испытаниях средств преодоления ПРО «Верба», «Кактус» и «Крот», работы по исследованию влияния высотных ядерных взрывов на радиотехнические средства и средства связи при проведении операций «К» и другие исследовательские работы легли в основу построения следующих поколений систем ПРО и ее средств.
Многие научные, технические и технологические достижения использовались в различных отраслях отечественной науки и техники. Например, по конструкторской документации антенны канала цели РТН с разрешения Генерального конструктора Г. В. Кисунько и Министерства обороны заводами оборонной промышленности изготовлялись антенны и антенные обтекатели приемных пунктов Центрального телевидения «Орбита».
По завершении работ на системе «А» антенны каналов цели и ПР одной из РТН были переданы Физико-техническому институту АН Туркменской ССР. На основе антенны канала цели был создан крупнейший в стране полноповоротный радиотелескоп РТ-15. В период с 1974 по 1992 г. на этом радиотелескопе были проведены широкие научно-исследовательские работы по изучению радиоизлучений космических объектов. На радиотелескопе РТ-15 НИИРП совместно с ФТИ АН ТССР велись исследования, легшие в основу радиоастрономических методов юстировки и измерения характеристик остронаправленных зеркальных антенн и фазированных антенных решеток (ФАР), а также измерения характеристик ФАР по геостационарным спутникам.
На базе разработанной аппаратуры РТН был создан экспериментальный радиолокатор РЭ-3 (РЭ-2М), развернутый в 1959 г. на полуострове Камчатка для наблюдений отечественных межконтинентальных баллистических ракет. Радиолокационная установка РЭ-3 в отличие от РТН являлась одноканальной (отсутствовал канал ПР) и была укомплектована полупроводниковой ЭВМ МП-40, разработанной силами СКБ-30. По производительности и объему памяти ЭВМ МП-40 соответствовала аналогичным характеристикам ЭВМ М-40, которая использовалась в системе «А», но была построена в отличие от МП-40 на лампах.
Оригинальная архитектура МП-40 и применение полупроводниковых элементов в ее конструкции являлись на то время наивысшим научно-техническим и технологическим достижением отечественной техники в создании ЭВМ высокого быстродействия для систем реального времени.
Принципы, опробованные в составе системы «А», легли в основу построения радиолокационных средств системы А-35, решение о создании которой было принято в 1960 г.
