Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
TSR-2 XR220 в RAF Museum Cosford, 2002. Ферранти разработал первый радар слежения за ландшафтом специально для TSR-2.

Радиолокатор слежения за ландшафтом (TFR) - это военная аэрокосмическая технология, которая позволяет летательному аппарату с очень низкой посадкой автоматически поддерживать относительно постоянную высоту над уровнем земли и, следовательно, затруднять обнаружение вражеским радаром. Иногда это называют полетом с захватом земли или с захватом местности . Термин « полет в режиме ожидания над землей» также может применяться, но чаще используется в отношении низколетящих военных вертолетов , которые обычно не используют радар для отслеживания местности.

Системы TFR работают путем сканирования луча радара по вертикали перед самолетом и сравнения дальности и угла отражений радара с предварительно рассчитанной идеальной кривой маневрирования. Вычисляя расстояние между местностью и идеальным поворотом, система вычисляет маневр, который заставит летательный аппарат покинуть местность на заранее выбранное расстояние, часто порядка 100 метров (330 футов). Использование TRF позволяет самолету автоматически следовать за местностью на очень низких уровнях и высоких скоростях.

РЛС отслеживания местности отличаются от аналогичных по зондированию радиолокаторов избегания местности ; Системы предотвращения столкновения с землей сканируют по горизонтали, создавая изображение, подобное карте, которое затем использует навигатор для прокладки маршрута, избегающего более высоких участков местности. Эти два метода часто комбинируются в одной радиолокационной системе, навигатор использует режим избегания местности, чтобы выбрать идеальный маршрут через особенности местности на более низкой высоте, такие как долины, а затем переключается в режим TFR, который затем пролетает по этому маршруту на минимальной высоте.

Первоначально концепция была разработана в Корнельской авиационной лаборатории в 1950-х годах. Впервые он был построен в 1959 году компанией Ferranti для использования с самолетом TSR-2 , впервые совершившим полет на английской Electric Canberra в 1962 году. [1] [2] Хотя от проекта TSR-2 в конечном итоге отказались, концепция широко применялась в ударных самолетах и интердикторах 1960-х и 70-х годов , включая General Dynamics F-111 , Panavia Tornado и Sukhoi Su-24 «Fencer». Более широкое внедрение самолетов-невидимокТехнологии 1990-х годов привели к сокращению полетов на малых высотах как решение проблемы ухода от зенитного оружия, и эта техника больше не является распространенной. Большинство самолетов этого класса с тех пор списано, хотя Су-24 все еще используется.

Технология [ править ]

Система работает, передавая сигнал радара с карандашным лучом в направлении земли перед самолетом, в то время как радар сканирует вверх и вниз. [3] Отражения от земли дают очень мощные отражения. Время, необходимое сигналу для перемещения к местности и от местности, дает измерение дальности до местности перед летательным аппаратом. [4] По мере того, как радар сканирует вверх и вниз, он измеряет расстояние до местности в виде полной вертикальной полосы до некоторого максимального диапазона, обычно порядка 10 километров (6,2 мили). Угол относительно самолета возвращается датчиком на вертикальном подвесе, который возвращает калиброванное напряжение. [5]

В то же время, когда радар посылает импульсы, функциональный генератор вырабатывает переменное напряжение, представляющее предпочтительную кривую маневрирования. По форме он похож на трамплин для прыжков с трамплина, плоский под самолетом, а затем изгибающийся вверх перед ним. Кривая представляет собой путь, по которому летательный аппарат будет двигаться, если он маневрирует с постоянной перегрузкой , в то время как плоская область под самолетом простирается на небольшое расстояние вперед, чтобы представить расстояние, на которое самолет движется по прямой перед началом этого маневра из-за контроля. отставание. Результирующая составная кривая поворачивается так, чтобы плоская область под самолетом всегда была параллельна его вектору текущей скорости [4].и смещается вниз на желаемое расстояние, выбранное пилотом. [5]

Система выполняет два измерения в тот момент, когда виден возврат. Первый - от вертикального энкодера на радаре, измеряющего фактический угол относительно местности, а второй - от функционального генератора, указывающего желаемый угол в измеренном диапазоне. Разница между этими двумя напряжениями представляет собой угол между изображением радара и предпочтительным местоположением. Если результирующее напряжение положительное, это означает, что местность лежит выше кривой, отрицательное - ниже. [6]

Для управления летательным аппаратом проводится серия этих измерений в течение одного полного вертикального сканирования, и регистрируется максимальное положительное значение или минимальное отрицательное значение. Это напряжение представляет собой изменение угла тангажа, под которым самолет должен лететь, чтобы удерживать себя на желаемой высоте над землей во время маневрирования с выбранным коэффициентом нагрузки. [5] Это может быть подано в автопилот или отображается на пилоте один на дисплее . Этот процесс создает постоянно вычисляемую траекторию, которая поднимается и опускается над землей с постоянной маневренной нагрузкой. [4]

Одна из проблем этого простого алгоритма состоит в том, что расчетная траектория будет удерживать самолет в положительном по тангажу при приближении к вершине холма. Это приводит к тому, что самолет пролетает над пиком, продолжая набирать высоту, и ему требуется некоторое время, прежде чем он снова начнет спускаться в долину. Этот эффект был известен как «раздувание». Чтобы решить эту проблему, в реальных единицах был применен дополнительный термин, который заставлял самолет набирать высоту быстрее при больших смещениях. Это привело к тому, что самолет достиг желаемой высоты раньше, чем обычно, и, таким образом, выровнялся до достижения пика. [6]

Поскольку радар видит объекты только в пределах прямой видимости, он не может видеть холмы за другими холмами. Чтобы самолет не нырнул в долину только для того, чтобы потребовать резкого подъема, предел отрицательной скорости вращения обычно был низким, порядка половины скорости вращения. У систем также были проблемы над водой, где луч радара имел тенденцию рассеиваться вперед и возвращал самолету слабый сигнал, кроме как в открытом море . В таких условиях система не сможет вернуться к постоянному разрешению с помощью радиовысотомера . [6]

Избегание рельефа обычно работает относительным образом, абсолютная высота объектов не важна. В некоторых случаях желательно предоставить абсолютное число, чтобы указать количество клиренса или его отсутствие. Затем высоту вершины любой конкретной детали относительно самолета можно рассчитать по формуле h = H - R sin φ , где H - высота над землей, измеренная радиовысотомером, φ - угол, а R - дальность, измеренная с помощью радар, где h - итоговая высота объекта над текущей траекторией полета. [7] Расстояние между самолетом и землей составляет H - h .

История [ править ]

Начальная работа в Корнелле [ править ]

История концепции TFR восходит к исследованиям, проведенным в Корнельской авиационной лаборатории для подразделения авиационных систем ВВС США . [6] Это привело к разработке системы, известной как «Autoflite». [8]

Ранние радары воздушного перехвата использовали системы конического сканирования с шириной луча порядка четырех градусов. Когда луч падает на землю, часть сигнала рассеивается обратно в сторону летательного аппарата, позволяя ему измерить расстояние до земли перед ним. При взгляде вниз под углом ближняя и дальняя стороны кругового луча радара были растянуты в форме эллипса на земле. Возврат от этого шаблона произвел "пятно", которое также было распределено на экране радара и недостаточно точно для избегания местности. [9] Однако он был достаточно точным, чтобы отображать землю под самолетом в виде карты с низким разрешением, что привело к разработке радара H2S во время войны .[10]

Для обеспечения точности, необходимой для отслеживания местности, системы TFR должны основываться на концепции моноимпульсного радара . Моноимпульсный метод создает луч той же ширины, что и традиционный дизайн, но добавляет дополнительную информацию в радиосигнал, часто с использованием поляризации , что приводит к тому, что два отдельных сигнала возвращаются в приемник под немного разными углами, которые перекрываются в центре луч, или "прицел". Когда эти сигналы ориентированы вертикально, сигнал от нижнего луча падает на землю ближе к летательному аппарату, создавая расширенную метку, как в случае с более ранними радарами, в то время как верхний луч дает аналогичную метку, но расположенную на немного большем расстоянии. . Две точки перекрываются посередине. [11]

Ключевой особенностью метода моноимпульсов является то, что сигналы перекрываются очень специфическим образом; если вы инвертируете один из сигналов, а затем просуммируете их, результатом будет выходное напряжение, которое выглядит как синусоида . Точная середина луча - это то место, где напряжение пересекает ноль. Это приводит к измерению, которое точно совмещается со средней линией сигнала и легко идентифицируется с помощью простой электроники. Затем диапазон может быть точно определен путем определения точного момента перехода через ноль. [9]

Развитие в Великобритании [ править ]

Отчеты Корнелла были подхвачены в Великобритании, где они легли в основу разрабатываемой концепции нового ударного самолета , который в конечном итоге получил название BAC TSR-2 . Проект TSR-2 был официально запущен с выпуском GOR.339 в 1955 году и быстро остановился на использовании TFR для обеспечения требуемых низкоуровневых характеристик. Компания Royal Aircraft Establishment построила симулятор системы, используя дискретную электронику, которая заполнила комнату. [6]

В этот же период, Royal Air Force вводит свой новейший перехватчик самолет , на английском электроосвещение . Lightning был оснащен первым в мире бортовым моноимпульсным радаром - системой AIRPASS , разработанной Ферранти в Эдинбурге . В случае Lightning моноимпульсный сигнал использовался для точного измерения горизонтального угла, чтобы позволить компьютеру AIRPASS построить эффективный курс перехвата на большом расстоянии. Для использования TFR все, что нужно было изменить, это повернуть антенну так, чтобы она измеряла вертикальный угол, а не горизонтальный. [11]

Неудивительно, что Ферранти выиграл контракт на радиолокационный компонент где-то в 1957 или 58. [12] Вскоре после начала проекта, в 1959 году, руководитель проекта, Гас Скотт, уехал в Hughes Microcircuits в соседнем Гленротесе , а команду принял Грег. Стюарт и Дик Старлинг. Первоначальная система была построена на базе излишка AI.23B AIRPASS [13] и могла быть установлена ​​на прицеп и буксировалась Land Rover для испытаний. [14] Существенная проблема заключается в том, что количество возвращаемого сигнала сильно зависит от местности; вертикальные стены здания образуют частичный угловой кубкоторый возвращает сигнал, который примерно в 10 миллионов раз сильнее, чем сигнал от песка или сухой земли. Для работы с быстро меняющимися сигналами была разработана автоматическая регулировка усиления с диапазоном 100 дБ. [9]

Радар измеряет только относительные углы по отношению к стабилизированной линии визирования с помощью авиационных приборов [11], поэтому радиовысотомер самолета используется для определения фактических высот. [9] Ширина луча радара была достаточно мала, чтобы объекты по обе стороны от траектории полета самолета могли представлять потенциальную опасность, если самолет был унесен в сторону или начал разворот близко к объекту. Чтобы избежать этого, радар сканировал по O-образному шаблону, сканируя вертикально от 8 градусов по траектории полета до 12 градусов ниже нее, при этом перемещаясь на несколько градусов влево и вправо от траектории полета. [11]Кроме того, система считывала скорость разворота с приборов и перемещала схему сканирования дальше влево или вправо, чтобы измерить местность, на которой самолет будет в будущем. [9]

Испытания системы проводились на существующем испытательном полете Ferranti DC-3 Dakota и, начиная с зимы 1961/62 года, на самолете English Electric Canberra.. На испытательном самолете были камеры, смотрящие в разных направлениях, в том числе некоторые смотрели на приборы самолета и дисплеи радаров, так что результаты летных испытаний можно было тщательно изучить на земле. Каждый полет возвращал около 100 миль данных, и было выполнено более 250 таких рейсов. Ранние тесты показали случайный шум в измерениях, что сделало измерения бесполезными. В конечном итоге это было связано с автоматической регулировкой усиления с использованием очень высокого усиления в верхней части диаграммы сканирования, где местность обычно находилась на больших расстояниях и требовала максимального усиления. Это имело побочный эффект в виде ложных отражений в боковых лепестках антенны.усиливаются до такой степени, что вызывают помехи. Это было решено путем перехода от O-образного шаблона к U-образному, и позволяя увеличивать усиление только при сканировании вверх, чтобы предотвратить его повторную настройку на высокое усиление при движении вниз. [5]

Достижения в области электроники во время разработки позволили превратить оригинальную электронику на электронных лампах во все более транзисторную , что привело к созданию гораздо меньшей системы. [11] [a] По мере дальнейшего развития системы ее перевели на Blackburn Buccaneer для более скоростных испытаний. Испытания проводились на базе RAF Turnhouse в аэропорту Эдинбурга , недалеко от места разработки радаров Ферранти в городе. [9]

Во время испытаний радар не был подключен к системе автопилота самолета, и все управление было ручным. Кривая была выбрана таким образом, чтобы получить половину максимальной нагрузки. [b] Путь к полету обозначался точкой на дисплее AIRPASS . Пилот двигался по рассчитанной траектории, пока индикатор вектора скорости самолета, маленькое кольцо, не оказался в центре точки. На испытаниях пилоты очень быстро стали уверены в системе и были счастливы летать на ней с минимальным клиренсом даже в плохую погоду. [9]

По мере того, как пилоты знакомились с системой, инженеры постоянно уменьшали выбранный зазор до тех пор, пока он не продемонстрировал свою способность безопасно и плавно работать на расстоянии в среднем всего 30 метров (98 футов). Это было проверено на пересеченной местности, включая горные хребты, слепые долины и даже скалы. Было также установлено, что он используется для управления искусственными объектами, такими как телевизионные антенны в Кэрн-О'Монт и передающей станции Кирк-о-Шоттс , мосты через реку Форт и воздушные линии электропередачи . [4]

Разработка в США [ править ]

Несмотря на раннее начало работы Корнелла, по причинам, которые не очень хорошо известны, дальнейшее развитие в США на время закончилось концепцией в полузавершенной форме. Ситуация кардинально изменилась после инцидента с U-2 в 1960 году , который привел к быстрому переходу от высотных полетов над СССР к маловысотным "пенетраторным" подходам. [8] В краткосрочной перспективе было введено несколько радаров для предотвращения столкновения с рельефом местности для различных самолетов. Первым настоящим TFR в США был Texas Instruments AN / APQ-101, благодаря которому компания стала лидером на рынке TFR на долгие годы. В начале 1960-х они разработали системы TFR для версии RF-4C Phantom II , армейского Grumman OV-1 Mohawk., а также усовершенствованная система AN / APQ-110 для General Dynamics F-111 . [15]

По ряду причин проект TSR-2 был отменен в 1965 году в пользу покупки F-111, платформы аналогичной концепции, основанной на аналогичной РЛС. В отличие от конструкции Ферранти, APQ-110 предлагал несколько дополнительных элементов управления, в том числе настройку качества езды для «жесткого», «мягкого» и «среднего», что изменяло силу gee для профиля спуска рассчитанной кривой с 0,25 до 1 gee, в то время как всегда позволяет подтягиваться максимум 3 gee. Он также включал в себя второй комплект электроники для обеспечения горячего резервирования в случае отказа основного блока и отказоустойчивые режимы, которые выполняли подтяжку на 3 гб в случае различных сбоев системы.

Распространение [ править ]

В конечном итоге F-111 столкнулся с задержками и перерасходом средств, мало чем отличаясь от TSR-2. Изучив несколько концепций, RAF в конечном итоге решила использовать Buccaneer. Хотя эта платформа была тщательно протестирована с радаром Ferranti, это возможное обновление не было выбрано для обслуживания. Недовольство таким положением дел привело к тому, что RAF начали переговоры со своими французскими коллегами и появились BAC / Dassault AFVG , самолет, очень похожий на F-111. После успешных первоначальных переговоров Великобритания отказалась от опционов на F-111K. Вскоре после этого Марсель Дассо начал активно подрывать проект, от которого французы в конце концов отказались в 1967 году [16].

В следующем году правительство Великобритании начало переговоры с более широким кругом стран, которые в конечном итоге привели к Panavia Tornado . Ферранти использовал свой опыт с TSR-2, чтобы выиграть контракт на радар и для Tornado.

Использование в ударной авиации [ править ]

Преимущества и недостатки [ править ]

Радиолокатор слежения за ландшафтом в основном используется военными ударными самолетами для обеспечения полета на очень малых высотах (иногда ниже 100 футов / 30 метров) и высоких скоростях. Поскольку для обнаружения радаров вражескими радарами и перехвата зенитными системами требуется прямая видимость цели, полет низко над землей и на высокой скорости сокращает время, в течение которого самолет становится уязвимым для обнаружения, до минимума, скрывая его за землей. так далеко, насколько возможно. Это называется маскировкой местности .

Тем не менее, излучение радаров может быть относительно легко обнаружено зенитными системами противника, когда нет прикрытия местности, что позволяет летать в качестве цели. Таким образом, использование радара слежения за местностью является компромиссом между повышенной живучестью из-за маскировки местности и легкостью, с которой самолет может быть поражен, если его заметят.

Даже автоматизированная система имеет ограничения, и все самолеты с радаром отслеживания местности имеют ограничения на то, насколько низко и быстро они могут летать. Такие факторы, как время отклика системы, ограничения по перегрузкам самолета и погода, могут все это ограничивать. Поскольку радар не может определить, что находится за пределами непосредственной местности, траектория полета также может страдать от "взлета" над острыми гребнями местности, где высота становится излишне высокой. Более того, такие препятствия, как радиоантенны и опоры электроснабжения, могут быть обнаружены радаром с опозданием и представляют опасность столкновения.

Интеграция и использование [ править ]

На самолетах с более чем одним экипажем радар обычно используется штурманом, и это позволяет пилоту сосредоточиться на других аспектах полета, помимо чрезвычайно сложной задачи самого низколетящего полета. Большинство самолетов позволяют пилоту также выбирать «жесткость» движения с помощью переключателя в кабине, чтобы выбирать между тем, насколько близко самолет пытается удержаться близко к земле, и силами, действующими на пилота.

Некоторые самолеты, такие как Tornado IDS, имеют два отдельных радара, один меньшего размера используется для отслеживания местности. Однако более современные самолеты, такие как Rafale с радарами с фазированной антенной решеткой, имеют единственную антенну, которую можно использовать для просмотра вперед и на землю с помощью электронного управления лучом.

F-111C использует TFR

Другое использование [ править ]

Радиолокатор слежения за местностью иногда используется гражданскими самолетами, которые составляют карту местности и хотят поддерживать постоянную высоту над ней.

Военные вертолеты также могут иметь радар для отслеживания местности. Из-за своей более низкой скорости и высокой маневренности вертолеты обычно могут летать ниже самолетов с неподвижным крылом.

Альтернативы [ править ]

Существует очень мало альтернатив использованию радара слежения за рельефом для высокоскоростного полета на малой высоте. ТЕРПРОМ , навигационная система с привязкой к местности, предоставляет ограниченные, но пассивные функции отслеживания местности.

См. Также [ править ]

  • Фазированная антенная решетка
  • Активная матрица с электронным сканированием

Примечания [ править ]

  1. ^ См. Изображения на стр. 13. Система примерно вдвое меньше исходного устройства AIRPASS [11] .
  2. ^ Ни по одному из существующих источников не ясно, была ли это одновременно положительной и отрицательной нагрузкой или просто отрицательной. Значение меньше положительных нагрузок производственной единицы, но типично для отрицательных.

Ссылки [ править ]

Цитаты [ править ]

  1. Старлинг и Стюарт, 1971 .
  2. ^ Блейн 2011 .
  3. Перейти ↑ Third 2015 , pp. 224, 225.
  4. ^ a b c d Следующее .
  5. ^ а б в г Блейн 2011 , стр. 7-8.
  6. ^ а б в г д Блейн 2011 , стр. 3.
  7. ^ Третий 2015 , стр. 225.
  8. ^ a b Мейсон и Худ 1964 , стр. 10.
  9. ^ a b c d e f g Starling & Stewart 1971 , стр. 14.
  10. ^ Ловелл, Бернард (1991). Эхо войны: история радара H2S . CRC Press. ISBN 0-85274-317-3.
  11. ^ Б с д е е Старлинга & Stewart 1971 , с. 13.
  12. ^ Блейн 2011 , стр. 2.
  13. ^ Блейн 2011 , стр. 2, 3.
  14. ^ Блейн 2011 , стр. 6.
  15. Перейти ↑ Mason & Hood 1964 , p. 11.
  16. ^ Вуд, Дерек (1986). Проект отменен: катастрофа, связанная с британскими проектами брошенных самолетов . Джейн. ISBN 0-7106-0441-6.

Библиография [ править ]

  • Блейн, Билл (24.07.2011). «TSR2 Terrain после разработки радара - с 1959 по 1964 год» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 24 июля 2011 года.
  • Мейсон, Джон; Худ, Гарольд (21 февраля 1964). «Штурмовики охватывают враждебную местность с новым радаром» . Журнал Электроника .
  • Старлинг, Дик; Стюарт, Грег (1 апреля 1971). "Развитие местности по радиолокационной станции" . Авиастроение и аэрокосмические технологии . 43 (4): 13–15. DOI : 10,1108 / eb034756 .
  • Му, Цзясонг; Лян, Цилиан; Ван, Вэй; Чжан, Баоцзюй; Пи, Имин (2015). Труды Третьей Международной конференции по связи, обработке сигналов и системам . Springer. ISBN 9783319089911.
  • Удар Ферранти и радар слежения за ландшафтом .

Внешние ссылки [ править ]

  • Ferranti Strike и Terrain Follow Radar , длинный фильм с полными подробностями о разработке и эксплуатационной концепции AIRPASS II
  • Krachmalnick, FM; Ветч, ГДж; Вендл, Майкл (1968). «Система автоматического управления полетом для автоматического сопровождения местности» (PDF) . Журнал самолетов . 5 (2): 168–175. DOI : 10.2514 / 3.43925 . Архивировано из оригинального (PDF) 26 февраля 2009 года.