1. Os principais estágios de desenvolvimento do AWACS
O principal problema que surge no projeto do AWACS é que (para obter grandes alcances de detecção de alvos) o radar deve necessariamente ter uma grande área de antena e, como regra, não há nenhum lugar para colocá-lo a bordo. O primeiro AWACS de sucesso foi desenvolvido há mais de 60 anos e ainda não sai de cena. Foi criado com base em um transportador de convés e recebeu o nome de E2 Hawkeye.
Cogumelo
A ideia principal de todos os AWACS na época era colocar uma antena giratória em um "cogumelo" localizado acima da fuselagem.
O radar determina as coordenadas do alvo medindo o alcance do alvo e dois ângulos: horizontalmente e verticalmente (azimute e elevação). É muito fácil obter alta precisão de medição de alcance - é o suficiente para determinar com precisão o tempo de retorno do sinal de eco refletido do alvo. A contribuição do erro de medição do ângulo é geralmente muito maior do que a contribuição do erro de faixa. A quantidade de erro angular é determinada pela largura do feixe do radar e geralmente é cerca de 0,1 largura do feixe. Para antenas planas, a largura pode ser determinada pela fórmula α = λ / D (1), onde:
α é a largura do feixe, expressa em radianos;
λ é o comprimento de onda do radar;
D é o comprimento da antena ao longo da coordenada correspondente (horizontal ou verticalmente).
No comprimento de onda selecionado, a fim de estreitar o feixe tanto quanto possível, o tamanho da antena deve ser maximizado com base nas capacidades da aeronave. Mas um aumento no tamanho da antena leva a um aumento na seção média do "cogumelo" e piora a aerodinâmica.
Desvantagens da panqueca
Os desenvolvedores do Hokai decidiram abandonar o uso de antenas planas e mudaram para uma antena de televisão do tipo “canal de ondas”. Essa antena consiste em uma barra longitudinal, através da qual vários tubos vibradores são instalados. Como resultado, a antena está localizada apenas no plano horizontal. E a tampa “cogumelo” vira antes uma “panqueca” horizontal, o que quase não prejudica a aerodinâmica. A direção da radiação das ondas de rádio permanece horizontal e coincide com a direção do boom. O diâmetro da "panqueca" é de 5 m.
Claro, essa antena também tem sérias desvantagens. Com um comprimento de onda selecionado de 70 cm, a largura do feixe de azimute ainda é aceitável - 7 °. E o ângulo de elevação é de 21 °, o que não permite medir a altura dos alvos. Se, ao mirar caças-bombardeiros (IS), o desconhecimento da altitude é insignificante, devido à capacidade do radar de bordo (radar) de medir a própria altura do alvo, então esses dados não são suficientes para o lançamento de mísseis. Não é possível estreitar o feixe diminuindo o comprimento de onda, uma vez que o "canal de onda" em comprimentos de onda curtos funciona pior.
A vantagem do alcance de 70 cm é que aumenta significativamente a visibilidade de aeronaves furtivas. O alcance de detecção de um IS convencional é estimado em 250-300 km. A pequena massa de Hokai e seu baixo custo levaram ao fato de que sua produção não foi interrompida.
AWACS
A necessidade de aumentar o alcance de detecção e melhorar a precisão do rastreamento levou ao desenvolvimento de um novo AWACS AWACS baseado no passageiro Boeing-707. Uma antena plana vertical medindo 7, 5x1, 5 m foi colocada no "cogumelo" e o comprimento de onda foi reduzido para 10 cm. Como resultado, a largura do feixe diminuiu para 1 ° * 5 °. A precisão e a imunidade ao ruído do radar aumentaram dramaticamente. O alcance de detecção de IS aumentou para 350 km.
Análogo do AWACS na URSS
Na URSS, o primeiro AWACS foi desenvolvido com base no Tu-126. Mas as características de seu radar eram medíocres. Então eles começaram a desenvolver um análogo do AWACS. Nenhuma transportadora de passageiros pesada foi encontrada. E eles decidiram usar a aeronave de transporte Il-76, que não era muito adequada para AWACS.
Largura excessiva da fuselagem, grande massa (190 toneladas) e motores antieconômicos causaram consumo excessivo de combustível. O dobro do AWACS. O estabilizador, elevado ao topo da quilha e localizado atrás do "cogumelo", quando a antena girava para o setor da cauda, fazia com que o feixe do radar fosse refletido para o solo. E a interferência causada por reflexos traseiros do solo interferiu muito na detecção de alvos no setor da cauda.
Nenhuma atualização de radar pode eliminar as desvantagens desta operadora. Mesmo a substituição dos motores por outros mais econômicos não trouxe o consumo de combustível ao nível do AWACS. O alcance e a precisão da detecção foram quase tão bons quanto os do AWACS. Mas o AWACS também será descontinuado nos próximos anos. A diferença de mídia também afeta o trabalho dos operadores. O IL-76 não é um avião de passageiros, o nível de conforto nele não é alto. E o cansaço da tripulação ao final do turno é significativamente maior do que no Boeing-707.
Era AFAR
O advento do radar com arranjos de antenas em fase ativa (AFAR) melhorou significativamente o desempenho do radar. AWACS apareceu sem o "cogumelo". Por exemplo, FALKON baseado no Boeing-767. Mas também aqui o uso da mídia pré-fabricada não deu bons resultados. A presença de uma asa no meio da fuselagem levou ao fato de que o lado AFAR teve que ser dividido ao meio. AFAR, instalado na frente da asa, irradiava para frente e para os lados. E AFAR atrás da asa - lateralmente. Mas não foi possível obter um AFAR de uma grande área.
Nosso A-100 ficou com um "cogumelo". Em vez de uma antena rotativa, um AFAR foi instalado dentro do "cogumelo". Foi necessário substituir a transportadora, mas isso não aconteceu. O alcance de detecção foi aumentado (supostamente) para 600 km. Mas as falhas da operadora não desapareceram. O parque A-50 está em um estado deplorável. Dos aviões restantes, 9 voam (e mesmo assim raramente). Aparentemente, não há dinheiro suficiente para voos regulares. A falta de voos regulares de AWACS leva ao fato de que o inimigo está confiante de que seus lançadores de mísseis de baixa altitude do tipo Tomahawk passarão facilmente por nossa fronteira sem serem notados.
Ao contrário dos Estados Unidos, não há radares de balão na Federação Russa para proteger as fronteiras marítimas. E os morros do litoral, onde seria possível instalar um radar de vigilância, também não estão por toda parte. Em terra, a situação é ainda pior. Tomahawks, usando as dobras do terreno, podem passar pela estação de radar a uma distância de apenas alguns quilômetros. Acredita-se que os mísseis de cruzeiro (CR) voem sobre a terra a uma altitude de 50 m. No entanto, os mapas digitais modernos da área tornaram-se tão detalhados que podem até exibir objetos altos individuais. Então, o perfil de voo em altitude pode ser traçado em altitudes visivelmente mais baixas. Sobre o mar, os KRs voam a alturas de cerca de 5 m. Consequentemente, a declaração do Ministério da Defesa sobre a criação de um campo de radar contínuo na Federação Russa não se aplica ao KR.
Uma ideia inovadora
A conclusão sugere-se - é necessário desenvolver uma transportadora especializada que permita colocar uma grande área AFAR, cujo conceito o autor propõe.
Em sua opinião, a massa de tal AWACS será significativamente menor do que a massa do AWACS. E o alcance de detecção ꟷ é muito maior. O custo por hora de operação será moderado. Isso possibilita a realização de voos regulares (mas, é claro, não dentro do horário). Ao mesmo tempo, é importante que o inimigo não saiba quando, onde e ao longo da trajetória o vôo ocorrerá.
2. Justificativa do conceito de um UAV AWACS promissor
O conceito mundial anterior de "aeronave AWACS - posto de comando aéreo" está irremediavelmente desatualizado. O AWACS é capaz de transmitir todas as informações de uma linha de alta velocidade a um posto de comando terrestre a uma distância de 400-500 km. Se necessário, você pode usar um repetidor de UAV, o que aumentará o alcance de comunicação em até 1300 km. A presença de uma grande tripulação a bordo do antigo AWACS torna necessário alocar oficiais de segurança da informação de serviço para sua proteção. Portanto, o custo de uma hora de operação torna-se proibitivo.
Além disso, apenas UAV AWACS é considerado. Também abandonaremos a exigência de garantir o mesmo intervalo de detecção em todas as direções. Na maioria dos casos, o AWACS patrulha em uma zona segura e monitora o que está acontecendo na zona do inimigo ou em uma determinada área de seu próprio território. Portanto, exigiremos que o AWACS tenha pelo menos um setor com largura de 120 °, onde um intervalo de detecção aumentado seja fornecido. E nos demais setores, apenas a autodefesa é fornecida.
O único lugar no avião onde um grande APAR pode ser colocado é na lateral da fuselagem. Mas no meio da fuselagem geralmente há uma asa. Mesmo usando o esquema, o plano superior (como no IL-76), a asa não permitirá a visualização do hemisfério superior. A saída da situação será elevar a pista do AWACS a uma altura tal que quase todos os alvos ficarão abaixo dela. E nada impede sua detecção.
A detecção de alvos em grande altitude será um pouco mais fácil se você usar uma asa em forma de V. Sem perda de qualidade da asa, o ângulo de subida pode ser de até 4 °. Então, o ângulo máximo de detecção do alvo no qual o feixe do radar ainda não foi refletido da asa será 2ꟷ3 °. Vamos supor que o AWACS esteja localizado a uma altitude de 16 km. Então, se o alvo voar na altitude máxima para IS de 20 km, ele estará na zona de detecção do AWACS até voar a uma distância de menos de 80 km. Se for necessário acompanhar este alvo a distâncias mais próximas, o AWACS pode inclinar ao longo de um rolamento por mais 5 ° e continuar rastreando até um alcance de 30 km.
Para reduzir o peso do AFAR, ele deve ser executado com a tecnologia de revestimento emissor, no qual as fendas emissoras são cortadas no revestimento e vedadas com fibra de vidro. Os módulos do transceptor (TPM) do AFAR são fixados na pele e o excesso de calor do TPM é despejado diretamente na pele. Como resultado, a massa do APAR diminui significativamente.
3. O design e as tarefas do UAV
Vale lembrar que o autor não é especialista em construção de aeronaves. Mostrado na Fig. 1, o diagrama (bem como as dimensões) reflete mais os requisitos para a colocação de antenas de radar. Este não é um projeto para um UAV real.
Presume-se que o peso de decolagem do UAV será de 40 toneladas. A envergadura é de 35ꟷ40 m. A altitude de vôo é de 16ꟷ18 km. A uma velocidade de cerca de 600 km / h. O motor deve ser econômico. Modelado no projeto Global Hawk, o motor de um avião de passageiros deve ser usado. Por exemplo, PD-14. E modifique-o para voos de alta altitude. Peso do combustível 22 toneladas. Tempo de vôo não inferior a 20 horas. Comprimento de decolagem / corrida 1000 m.
A posição da asa alta não permitirá o uso de um trem de pouso convencional de três pilares. Teremos que usar um chassi de bicicleta como o U-2. Claro, bater na pista com a asa no final da corrida, como no U-2, não funcionará aqui. E é difícil usar as rodas de suporte estendidas para o lado. Devido ao facto da superfície lateral ter sido ocupada pelo AFAR.
Propõe-se fazer os últimos 7 m de dobramento da asa, como em aeronaves de navio. Mas eles não devem subir, mas descer em um ângulo de 40ꟷ45 °. Para não tocar na pista. As rodas de suporte são instaladas nas pontas das asas. Que, em caso de rajadas de vento repentinas, correm para a pista. O comprimento longo da asa proporcionará uma carga baixa na roda. No final da corrida, o UAV pousa em um deles.
A seguir, consideraremos as possibilidades de colocar um lado AFAR. O melhor desempenho do radar é obtido quando a antena possui a maior área possível e o formato da antena está próximo a um círculo ou quadrado. Infelizmente, em um UAV real, a forma sempre será significativamente diferente da ideal - a altura é muito menor que o comprimento.
A escolha da forma e do tamanho da fuselagem só pode ser realizada por engenheiros de aeronaves experientes. Bem, por enquanto, vamos considerar duas variantes teoricamente possíveis da forma APAR, tendo a mesma área. A primeira opção (16x2,4 m) será considerada a mais realista. E o segundo (10, 5x3, 7 m) - requer estudo adicional.
Consideremos a primeira opção, em que o comprimento da fuselagem será de 22 m. A característica do projeto é a presença de uma entrada de ar alongada passando sob a asa. Isso possibilitou aumentar a altura da superfície lateral da fuselagem. AFAR é representado por uma linha traço-ponto.
Os AFAR operam na faixa de comprimento de onda de 20 a 22 cm, o que permitirá usar um AFAR para solucionar os problemas de radar, identificação de estado e comunicação anti-jamming com o posto de comando. Outra vantagem dessa faixa (em comparação com a faixa de 10 cm para o A-50) é que o intensificador de imagem de alvos furtivos, a partir de comprimentos de onda de 15ꟷ20 cm, aumenta com o aumento do comprimento de onda.
No nariz (sob a carenagem) há um AFAR elíptico com um tamanho de 1,65 × 2 m. Devido ao fato de que a antena do nariz não fornece a precisão de medição de azimute necessária, dois AFARs puramente receptores estão localizados adicionalmente nas bordas de ataque da asa. A distância da fuselagem à antena asa é de 1,2 m. A asa AFAR é uma linha de 96 módulos receptores com um comprimento total de 10,6 m.
Faixa de trabalho dos ângulos nasais AFAR ± 30 ° * ± 45 °. O uso de APARs montados em asas aumentará ligeiramente o intervalo de detecção (em 15%). Mas o erro de medição do azimute diminuirá radicalmente (por um fator de 5-6).
Na seção da cauda, apenas a antena da linha de comunicação está localizada. Portanto, no campo de visão do hemisfério traseiro, existe uma zona “morta” com uma largura de ± 30 °.
Para economizar o peso da aeronave, o complexo de comunicações usa o mesmo AFAR do canal principal. Com a ajuda deles, é fornecida uma transmissão de informações em alta velocidade (até 300 Mbit / s) e imune a ruídos para um ponto de comunicação terrestre ou de navio. Para receber informações nos pontos de comunicação, são instalados transceptores na faixa de 20 a 22 cm, não havendo requisitos especiais para as antenas desses transceptores. O inimigo não pode criar interferência de tal potência, o que poderia suprimir o sinal do radar AWACS. E é possível transferir informações de um ponto de comunicação para o AWACS em baixas velocidades.
3.1. Design de radar
O lado AFAR deve estar localizado 25 cm abaixo da borda inferior da asa. Em seguida, ele pode digitalizar o hemisfério inferior em toda a faixa de azimute de ± 60 ° disponível para ele. No hemisfério superior, em ângulos de elevação de mais de 2 - 3 °, a asa começa a interferir. Portanto, AFAR é dividido em duas metades. A frente está localizada sob a asa e não pode escanear para cima. A metade posterior pode escanear para cima em uma faixa de azimute de ± 20 °, onde seu feixe não toca a asa ou o estabilizador. A varredura de elevação desta metade será de + 30 ° a -50 °.
Lateral AFAR contém 2880 PPM (144 * 20). Potência de pulso PPM 40W. O consumo de energia deste AFAR é de 80 kW. A largura do feixe é 0,8 ° * 5,2 °, que é até um pouco mais estreita do que a do AWACS. Portanto, a precisão do rastreamento do alvo será maior do que AWACS. Ganhos especialmente grandes são esperados na detecção de alvos e na faixa de rastreamento. Primeiro, a área da antena AWACS é de 10 metros quadrados. m. E a área AFAR é 38 sq. m. Em segundo lugar, a antena AWACS faz a varredura de 360 ° de maneira uniforme. E o AFAR lateral é apenas 120 ° e mesmo assim de forma desigual: nas direções onde há suspeita da presença de um alvo, mais energia é enviada e a incerteza é eliminada (ou seja, aumenta o alcance de detecção nessas direções).
A antena nasal contém 184 PPMs de potência pulsada de 80 W e refrigeração líquida. Largura do feixe 7,5 * 6 °, ângulos de varredura ± 60 ° no azimute e ± 45 ° na elevação.
O consumo máximo de energia do radar é 180 kW. O peso total do radar é de 2ꟷ2,5 toneladas. O custo principal do modelo serial do radar será, aparentemente, de 12ꟷ15 milhões de dólares.
4. Tarefas e funcionamento do AWACS
Quando usado em um teatro marítimo, um VANT deve fornecer suporte de informação para o KUG a uma distância de até 2,5 mil km do aeródromo doméstico. Mesmo nessas distâncias, ele é capaz de ficar em serviço por no mínimo 12 horas. Na área de serviço, o VANT deve estar protegido pelo sistema de defesa aérea KUG, ou seja, deve ser retirado a uma distância de no. mais de 150-200 km. Se houver perigo de ataque, o UAV deve retornar sob a proteção do KUG a uma distância não superior a 50 km. Nesta situação, o radar UAV e o radar KUG devem distribuir entre si as zonas de detecção para o ataque a alvos aéreos. No hemisfério inferior, ele detecta um UAV e alvos mais altos - um radar do sistema de defesa aérea.
Vamos levar em consideração que com uma altitude de vôo de 16 km, o raio de detecção de navios inimigos será de 520 km. Ou seja, o alcance alcançado do centro de controle garantirá o lançamento do sistema de mísseis antinavio Onyx em todo o seu alcance de vôo.
Ao escoltar porta-aviões e UDCs que não possuem convés AWACS, o UAV pode participar das ações da asa aérea. Além da detecção tradicional de alvos aéreos e marítimos, o UAV é capaz, usando o potencial de energia extremamente alto do AFAR lateral, de detectar alvos de contraste de rádio inimigos, bem como a trajetória de projéteis de canhão de grande calibre. Além disso, o UAV pode detectar veículos blindados em movimento.
5. As características de desempenho do radar
Características Lateral AFAR
Faixa de detecção na direção do eixo da antena lateral:
- caça tipo F-16 com intensificador de imagem 2 sq. m a uma altitude de 10 km - 900 km;
- RCC com intensificador de imagem 0, 1 sq. m - 360 km;
- míssil teleguiado tipo AMRAAM com superfície reflexiva efetiva (EOC) 0,03 sq. m - 250 km;
- projétil de artilharia de calibre 76 mm com intensificador de imagem de 0, 001 sq. m - EOP 90 km;
- um barco de mísseis com um tubo intensificador de imagem 50 sq. m - 400 km;
- destruidor com intensificador de imagem 1000 sq. m - 500 km;
- um tanque se movendo a uma velocidade de 3 m / se um intensificador de imagem de 5 sq. m - 250 km.
Nos limites da zona de varredura de azimute iguais a ± 60 °, a faixa de detecção diminui em 20%.
O erro de uma única medição de ângulos é dado para uma faixa igual a 80% da faixa de detecção do alvo correspondente:
- em azimute - 0, 1 °, - em elevação - 0, 7 °.
No processo de rastreamento do alvo, o erro angular diminui em 2–3 vezes (dependendo das manobras do alvo). Quando a faixa alvo é reduzida para 50% da faixa de detecção, o erro de uma única medição é reduzido pela metade.
A desvantagem de AFAR medindo 16x2,4 m é justamente a baixa precisão da medição do ângulo de elevação. Por exemplo, o erro na medição da altitude do F-16 IS rastreado a uma distância de 600 km será de 2 km.
Se fosse possível implementar a segunda versão do AFAR lateral medindo 10, 5x3, 7 m, então o alcance de detecção do IS aumentaria para 1000 km, e o erro na medição da altitude a uma distância de 600 km diminuiria para 1,3 km. O comprimento da fuselagem seria reduzido para 17 m.
Características do AFAR nasal
Faixa de detecção na direção do eixo da antena nasal:
- lutador com intensificador de imagem 2 sq. m - 370 km;
- RCC com intensificador de imagem 0, 1 sq. m - 160 km;
- um míssil teleguiado do tipo AMRAAM com um intensificador de imagem de 0,03 sq. m - 110 km;
- um barco-míssil com tubo intensificador de imagem 50 m2 - 300 km;
- destruidor com intensificador de imagem 1000 sq. m - 430 km;
- um tanque se movendo a uma velocidade de 3 m / se um intensificador de imagem de 5 sq. m - 250 km.
Erro de medição de ângulo único:
- azimute: 0, 1 °;
- ângulo de elevação: 0,8 °.
No processo de rastreamento do alvo, o erro de medição é reduzido em 2–3 vezes.
O preço de custo do lado AFAR depende do tamanho do lote. Vamos nos concentrar no preço de US $ 5 milhões. Então, o custo total da estação de radar será de US $ 14 milhões. Isso é muito mais barato do que os análogos disponíveis no mercado mundial.
6. As táticas de usar AWACS em um teatro terrestre
As tarefas dos braços combinados AWACS em terra são iluminar a situação aérea a grande profundidade sobre o território dos estados vizinhos e registrar os movimentos de grandes formações de tropas na zona de fronteira até 300 km de profundidade. Em circunstâncias especiais, tarefas puramente locais também podem ser propostas. Por exemplo, escoltar o carro de um terrorista perigoso. Para que o relógio continue continuamente durante todo o período de ameaça, é importante ser capaz de reduzir o custo de uma hora de relógio tanto quanto possível.
O UAV deve patrulhar as fronteiras em distâncias que garantam sua segurança. Se o inimigo tiver um sistema de defesa aérea de longo alcance ou campos de pouso IS na zona de fronteira, essa distância deve ser de pelo menos 150 km.
Para evitar a possibilidade de derrota em tempo de guerra, é necessário garantir a proteção do UAV com seus próprios meios de defesa aérea. A maneira mais barata é usar um par de sistemas de mísseis de defesa aérea, que são capazes de cobrir uma zona de espera com um comprimento de 150-200 km. Na ausência de sistemas próprios de defesa aérea, a distância da fronteira pode ser aumentada para 200 km. Isso, ao mesmo tempo que garante um longo alcance de detecção de mísseis de ataque (e caças inimigos), tornará possível realizar uma manobra de retirada profundamente em seu próprio território com a ascensão de oficiais do IS em serviço do campo de aviação mais próximo.
Em tempos de paz, você não precisará usar essa proteção. E o UAV pode navegar diretamente ao longo da fronteira. Ao mesmo tempo, ele pode detectar veículos em movimento por conta própria, mas sem reconhecer seu tipo. A este respeito, a melhor eficiência é alcançada combinando o reconhecimento de alvos especificados por meio de reconhecimento óptico operando no território do inimigo (ou de um satélite) e rastreando os alvos detectados usando um UAV.
Por exemplo, se um batedor detecta um veículo terrorista, o operador do AWACS será capaz de colocá-lo em rastreamento automático e rastrear o movimento deste veículo mesmo em estradas nas proximidades de outros veículos, bem como chamar um UAV de ataque para destruí-los.
7. Conclusões
A aeronave Il-76, que é o porta-aviões do novo complexo A-100 AWACS, não mudou fundamentalmente. E não será possível reduzir radicalmente o custo de uma hora de seu funcionamento. Portanto, você não pode contar com seu uso regular. Apesar das características aprimoradas do radar.
O AWACS UAV proposto fornece um intervalo de detecção 1,5 vezes maior do que o A-100. Pesa quatro vezes menos. E consome cinco vezes menos combustível.
O longo alcance de detecção permite que você controle o espaço aéreo inimigo de distâncias seguras (200 km) e não use a segurança da informação de segurança.
O aumento da altitude de vôo torna possível detectar alvos terrestres e de superfície a distâncias de até 500 km.
A longa duração do voo possibilita o uso de UAVs para escoltar KUGs, apoiar operações anfíbias e ações AUG a uma distância de até 2500 km do campo de aviação.
A integração das funções de radar, identificação de estado e comunicação em um AFAR permitiu reduzir ainda mais o peso e o custo do equipamento.
O custo moderado dos dispositivos garantirá a alta competitividade do UAV.
