Возможности улучшения ПВО корветов

В предыдущей статье «Что строим – корветы или демонстраторы флага?» речь шла о том, что на Амурском судостроительном заводе начинается строительство новой серии из 6 корветов проекта 20380. В статье подчеркивалось, что ПВО корвета 20380 настолько неэффективна, что он может играть только роль демонстратора флага. Корвет 20386 значительно эффективнее, но некоторые авторы на ВО доказывают, что 20386 слишком дорог, и строить нужно 20380, который они считают и более эффективным. Целью данной статьи является обоснование некоторых мероприятий, позволяющих одновременно снизить стоимость комплекса ПВО лёгких кораблей и повысить его эффективность.

1. Проблемы существующих радиолокационных комплексов (РЛК)

К бедам российского ВМФ относится отсутствие унификации оборудования. В частности, имеется множество образцов РЛС, но большинство из них отстают от современного уровня радиолокации. Антенны с механическим сканированием уже стали исключением. Наиболее эффективными являются активные фазированные антенные решетки (АФАР). Внедряются АФАР в ВМФ очень медленно. Первым на корвете 20385 должен появиться РЛК Заслон. Однако цена его недопустимо высока, видимо, превысит $100 млн. Если учесть, что ЗУР ЗРК Редут 9М100 и 9М96 сложны и дороги, то создаётся впечатление, что главная задача корвета – это оборонять самого себя от налётов.

Дороговизна российских РЛК объясняется малой их серийностью, вызванной отсутствием унификации и использованием устаревших подходов к проектированию. Новейший РЛК Заслон содержит две РЛС – обзорную, работающую в метеоустойчивом 10 см диапазоне волн, и РЛС наведения ЗУР, работающую в менее устойчивом, но обеспечивающем более точное наведение диапазоне 3–4 см. Характеристики РЛК неизвестны, но, судя по размерам АФАР на рисунке корабля, он сможет обеспечивать требуемые для ЗРК дальности и точности в сложных метеоусловиях. Главный его недостаток – дороговизна.

С меньшими кораблями ситуация куда хуже. На МРК 21631 установлена обзорная РЛС с небольшой дальностью обнаружения, что не позволяет заранее подготовиться к атаке. На МРК 22800 Одинцово установлен ЗРК Панцирь-М, РЛС наведения которого работает в мм-диапазоне волн, что совершенно недопустимо для корабельной РЛС, которая должна работать в условиях дождя и тумана.

2. Способы снижения стоимости РЛК

Ключевым условием удешевления РЛК является обязательная унификация РЛС всех кораблей 1 и 2 классов и МРК. Количество РЛС на корабле должно быть уменьшено до одной. Вместо обзорной РЛС и РЛС наведения необходимо разработать многофункциональную (МФ) РЛС. Допускается одно исключение – РЛК эсминцев должен решать не только задачи ПВО, но и задачи ПРО. То есть, кроме МФ ЗЛС, для ПРО требуется отдельная РЛС с четырьмя очень большими АФАР площадью 50–100 кв. м каждая.

2.1 Выбор метода снижения стоимости МФ РЛС

Известно, что дальность обнаружения целей обзорной РЛС в первом приближении определяется произведением излучаемой мощности на площадь антенны РЛС.

Однако МФ РЛС должна не только обнаруживать цель на максимальных дальностях, но и сопровождать их с высокой точностью. Ошибка измерения координат цели определяется главным образом шириной луча РЛС, которую можно вычислить по формуле:

α= λ/L
где:
α – ширина луча антенны (либо по горизонтали, либо по вертикали), выраженная в радианах;
λ – длина волны РЛС;
L – длина антенны (либо по горизонтали, либо по вертикали).

Например, чтобы получить луч шириной 1°*2°, антенна должна иметь размеры 58λ*29λ.

Произвольно уменьшать длину волны невозможно, так как может значительно ухудшиться метеоустойчивость и уменьшиться площадь АФАР, то есть и дальность обнаружения. Наоборот, увеличить размеры АФАР параметры корабельной надстройки обычно позволяют. Однако изготовить АФАР в виде прямоугольника, по образцу РЛК Заслон, тоже затруднительно из-за возрастания стоимости АФАР.

АФАР состоит из приёмопередающих модулей (ППМ), стоимость которых весьма высока – $1000–2000 за ППМ. Учтем, что заполнять площадь АФАР они должны с шагом λ/2. Тогда потребуется 14000 ППМ, то есть стоимость комплекта ППМ для изготовления одной квадратной АФАР с шириной луча 1°*1° окажется равной $14–28 млн, что для корвета недопустимо.

Выход можно найти в том, чтобы вместо квадратной АФАР использовать АФАР в виде креста из двух пересекающихся прямоугольников, например, размером 58λ*8λ. Один прямоугольник располагается горизонтально и служит для измерения горизонтальных углов целей, другой – вертикально и измеряет вертикальные углы. Тогда стоимость комплекта ППМ сократится в 4 раза, а точность измерения углов не ухудшится. Лучше всего, если АФАР будет иметь форму знака «+», но если на надстройке нет возможности разместить «+», то можно применить конструкцию в виде буквы «Т» или даже «Г».

При выборе рабочей длины волны РЛС приходится учитывать противоречивые факторы. С одной стороны, необходимо обеспечить метеоустойчивость даже на дальней границе обнаружения, что потребует увеличения λ. С другой стороны, получение узкого луча при ограничении места на надстройке требует уменьшать λ. Кроме того, на кораблях в будущем обязательно будут присутствовать БПЛА с БРЛС. На БПЛА большую антенну разместить не удастся. В результате выбираем λ=5,5 см.

2.2 Особенности ЗРК корвета

ЗРК должен предотвратить возможность истребителям-бомбардировщикам (ИБ) противника приблизиться к корвету на опасные расстояния. Нельзя дать ИБ возможность подойти на дальность 50–60 км и точно измерить координаты корвета, его скорость и курс.

Нельзя позволить ИБ пускать оружие средней дальности типа планирующих бомб GBU-39 с дальностью пуска 110 км, количество которых на одном ИБ может быть 9 и более, и т.д. Для этого на корвете необходимо иметь не запланированные ЗУР средней дальности 9М96, а ЗУР большой дальности (БД) 9М96Е2 с дальностью пуска 130–150 км. Стоимости обеих ЗУР близки, так как они различаются только массой и длиной двигателя.

ЗУР БД оправдано применять только для стрельбы по ИБ, поэтому их число может быть невелико – 8 штук. Для борьбы с ПКР используются ЗУР МД, количество которых должно быть, по меркам корвета, велико – например, 48. Тогда ЗУР МД 9М100 едва ли подойдёт из-за дороговизны и невысокой средней скорости, что затруднит перехват сверхзвуковых маневрирующих ПКР.

Вопрос о том, какие ЗУР МД следует использовать – ЗРК Панцирь-М с наклонным пуском или Тор с вертикальным пуском, должны решать конструкторы корабля. Обе ЗУР «безголовые», но Тор дороже и тяжелее из-за вертикального пуска. МФ РЛС обеспечит всепогодное наведение обеих ЗУР с ошибками в 1,5–2 раза меньшими, чем штатные РЛС этих ЗРК.

2.3 Конструкция АФАР МФ РЛС

Схема АФАР изображена на Рис. 1.


АФАР разделена на 49 квадратных независимых модулей – кластеров размером 0,22*0,22 м каждый. Центральные 17 кластеров (выделены жирной линией) являются приёмо-передающими и содержат по 64 ППМ. Остальные 32 кластера – чисто приёмные и служат для получения узких лучей РЛС. Одновременно они увеличивают и дальность обнаружения.

Итоговый размер креста АФАР 2,42*3,74 м. АФАР содержит 1088 ППМ и 2048 приёмных модулей. Импульсная мощность ППМ 15 Вт. Энергопотребление одной АФАР 11 кВт.

Себестоимость АФАР можно оценивать только приблизительно, так как цена одного ППМ существенно зависит от объёма заказа. Если предположить, что МФ РЛС станут унифицированными для всех кораблей и общее число ППМ и приёмных модулей достигнет 100 тыс. штук, то цена одного ППМ составит $1000, а приёмного модуля – $700. Тогда себестоимость всех 4 АФАР составит $11 млн, а всей серийной МФ РЛС $16 млн.

Ширина луча РЛС на излучение составляет 3°*3°. На приём горизонтальная и вертикальная перекладины креста формируют лучи независимо друг от друга, общей является только центральная часть креста 3*3 кластера. Тогда луч горизонтальной перекладины креста имеет ширину 1,3°*5°, а вертикальной – 5°*0,85°. В процессе обнаружения цель может оказаться в любой точке излучающего луча. Однако во время приёма на цель должны быть направлены одновременно и горизонтальный, и вертикальный приёмные лучи. Значит, горизонтальная перекладина должна одновременно формировать «веер» из трёх лучей, перекрывающих весь излучаемый луч. Вертикальная перекладина должна сформировать 4 луча. Тогда вся площадь обеих перекладин будет использована и для обнаружения сигнала цели, и для измерения её углов.

Дополнительными задачами МФ РЛС являются обеспечение скрытной связи с другими кораблями КУГ на дальность до 30 км в режиме радиомолчания и связь с БПЛА.

2.4 Сравнительная оценка стоимостей МФ РЛС и РЛС Заслон

О РЛС Заслон практически ничего не известно. Нет даже фотографий корвета 20386, есть только рисунок. Одни эксперты называют дальность обнаружения Заслона 75 км, а другие – 300 км. Поэтому далее рассмотрим только сравнительную оценку стоимостей предложенной МФ РЛС и РЛС Заслон. Будем считать, что РЛС наведения Заслон работает на типовой длине волны λ=3,2 см, а МФ РЛС – λ=5,5 см.

Сравним стоимости обеих РЛС при условии, что они будут обеспечивать одинаковые дальности обнаружения. Дальность обнаружения РЛС с одинаковой излучаемой мощностью, как указано в п. 2.1, определяется только площадями АФАР, которые, следовательно, тоже должны быть одинаковыми. Учитывая, что ППМ в АФАР должны расставляться с шагом λ/2, получаем, что число ППМ в одной АФАР Заслон должно быть равно 9400.

Соответственно полная себестоимость серийного образца РЛС наведения Заслон составит $43 млн. Поскольку форма АФАР Заслон близка к квадрату, то при таком числе ППМ точность измерения углов окажется близкой к точности МФ РЛС, но всё же на 10 % хуже.

Сравним и метеоустойчивость РЛС. Чем короче длина волны, тем сильнее она затухает при распространении. Например, если цель находится на дальности 200 км, а на всей трассе присутствуют облака средней насыщенности, то мощность сигнала цели, принятого РЛС Заслон, уменьшится в 8 раз, а МФ РЛС – только в 2 раза. При наличии дождя разница ещё увеличится. Некоторым оправданием РЛС наведения Заслон является то, что сплошная облачность бывает редко, и БРЛС ИБ работают на той же длине волны, то есть сигнал от корабля в БРЛС уменьшится тоже в 8 раз. В РЛК Заслон имеется и метеоустойчивая обзорная РЛС 10-см диапазона, но у нее недостаточна точность наведения. Однако МФ РЛС обеспечит пуски ЗУР БД с большей надёжностью.

Стоимость обзорной РЛС Заслон оценить трудно. Размеры её АФАР неизвестны, но понятно, что число ППМ в ней менее 2000. При такой малой серийности цена одного ППМ может возрасти до $2000. С учётом механического привода себестоимость обзорной РЛС превзойдёт $8 млн. В итоге себестоимость только радиолокационной части РЛК Заслон превзойдет $50 млн, что в 3 раза выше себестоимости МФ РЛС.

2.5 ТТХ МФ РЛС

Дальность обнаружения

по ИБ типа F-16 с ЭПР 2 кв. м – 300 км,
по ИБ типа F-35 с ЭПР 0,1 кв. м – 130 км.
По ПКР с ЭПР 0,03 кв. м, летящей на высоте 3 м, и при высоте надстройки над уровнем моря 20 м – 20 км.

Ошибки единичного замера углов ИБ

на дальности равной 80 % от дальности обнаружения:
по азимуту – 0,2°
по углу места – 0,15°.

на дальности равной 50 % от дальности обнаружения:
по азимуту – 0,1°
по углу места – 0,08°.

Примечание. В процессе сопровождения угловая ошибка уменьшается по сравнению с приведёнными значениями в 2–3 раза.

Ошибки единичного замера углов ПКР:
на дальности 20 км по азимуту – 0,03°.

Измерение угла места цели, летящей на высоте менее 25 м, не происходит из-за переотражений сигнала от поверхности моря. Вместо замера высоты формируется только признак «низколетящая цель» (НЛЦ), который означает, что цель имеет высоту менее 25 м. На дальности 10 км признак НЛЦ вырабатывается для целей, летящих на высоте менее 10 м, а на дальности 5 км признак НЛЦ оказывается ненужным, и ошибка измерения угла места равна 0,04°.

3. Тактика наведения ЗУР на ПКР

Трудность поражения дозвуковых ПКР состоит в том, что они летят на крайне малых высотах 2–5 м. Отраженный от ПКР эхо-сигнал попадает в антенну РЛС двумя путями – прямо и зеркально, переотразившись от поверхности моря. Тогда РЛС увидит две цели сразу, одну – истинную и прямо под ней – зеркальную, как бы на той же высоте под поверхностью моря. Блок измерения угла места РЛС, при одновременном приёме двух сигналов, не может разобраться в этой путанице и выдаёт неверную оценку высоты цели, которая может быть как ниже, так и выше истинного значения. Главным средством борьбы с искажениями высоты является сужение луча РЛС по вертикали, то есть для нашей АФАР требуется увеличение размера вертикальной перекладины креста. Тогда, если направить приёмный луч на истинную цель, то сигнал зеркального изображения окажется либо вне луча, то есть не будет принят, либо будет принят значительно ослабленным.

Вторым средством борьбы с зеркальными отражениями является увеличение высоты размещения АФАР, но и здесь реальная высота надстройки не позволяет рассчитывать на многое. Далее будем рассматривать АФАР с приведёнными выше размерами и оценим, какие возможности наведения ЗУР при этом достигаются.

На дальностях не более 5–6 км РЛС обеспечивает точное наведение и по азимуту, и по высоте. На дальности 10 км измерение высоты становится ненадёжным, и ЗУР должна подлетать к цели с использованием данных высотомера, который придётся ввести в состав аппаратуры ЗУР. Высота полёта ЗУР выбирается фиксированной и равной 4 м для поражения дозвуковых ПКР и 8 м – для сверхзвуковых ПКР. Если высота ПКР превышает 10 м, то РЛС этот факт отметит, и наведение продолжится обычными методами. На дальностях 10–15 км неопределённость по высоте цели доходит до 20 м, и наведение при фиксированной высоте становится неэффективным. Тогда приходится переходить на дифференциальный метод наведения, когда считается, что при примерно одинаковых дальностях до ПКР и ЗУР искажения их высот становятся одинаковыми, и наведение на последнем участке длиной 0,5–1 км ведётся так, чтобы разность оценок высот равнялась 0.
Вероятность поражения при таком наведении несколько снизится по сравнению с обычным.

В итоге приходим к выводу, что при достаточном запасе ЗУР первый обстрел дозвуковой ПКР можно провести на дальности 10–15 км, оценить результат стрельбы и провести повторный обстрел на дальности 5 км.

Поскольку сверхзвуковая ПКР летит на высоте 10 м, то обстрел на дальности 10 км уже будет эффективен и при обычном наведении.

Недостатком командного метода наведения ЗУР является значительное уменьшение дальности поражения при перехвате маневрирующих ПКР. Например, на дальности 5 км МФ РЛС потребуется 0,5 сек для обнаружения манёвра ПКР с перегрузкой 2g, что увеличит промах на 2–3 м. Поэтому дальность стрельбы по маневрирующей цели желательно уменьшить до 3 км. Наилучшим способом увеличения дальности перехвата является установка на ЗУР простой ИК ГСН с дальностью захвата ПКР 1,5–2 км. Однако для этого потребуется новая ОКР. В противном случае придётся уменьшать ширину луча МФ РЛС. Желательно увеличить размер креста АФАР до 3,74*6,18 м, но это требует согласования с конструкторами корабля и увеличит себестоимость МФ РЛС на $3 млн.

4. Использование КРЭП для ПВО

Предположим, что во время патрулирования БМЗ корветы будут действовать одиночно или парами. Тогда при появлении ИБ-разведчика, КРЭП корвета должен включить помехи БРЛС ИБ. БРЛС обязательно запеленгует направление на помеху, а при наличии второго ИБ, может приблизительно определить и дальность до корвета. Следовательно, одиночный корвет принципиально не может с помощью КРЭП скрыть своё местоположение. Пара корветов может ухудшить точность пеленгации, но для этого они должны в момент начала разведки иметь удачное расположение – расстояние между корветами относительно направления на ИБ должно быть от 1 до 4 км. Поэтому далее будем рассматривать оборону только одиночного корвета.

Существенно исказить результаты разведки может только вынесенный постановщик помех (ПП) – БПЛА вертолётного типа. Рассмотрим два принципиально разных варианта ПП – лёгкий и тяжелый.

Лёгкий ПП отлетает вбок от корабля на 1,5–2,5 км и подавляет БРЛС по главному лучу её антенны. Мощность помехи измеряют с использованием понятия «энергопотенциал», который равен произведению мощности передатчика ПП на коэффициент усиления антенны ПП. Требуемый энергопотенциал (ЭП) прямо пропорционален ЭПР корабля и обратно пропорционален квадрату расстояния, на которое ИБ может подлетать к корвету.

При наличии на корвете ЗУР БД эта дальность составит 150 км. Если предположить, что от ПП требуется подавлять только БРЛС ИБ, то ему достаточно иметь антенну, работающую только в диапазоне волн 3–4 см. Тогда, например, если необходимо получить ЭП 3000 Вт, то потребуется АФАР размером 0,15*0,15 м, содержащая 16 ППМ мощностью по 2 Вт. Масса аппаратуры ПП составит 5–7 кг. Требуемое время дежурства ПП в воздухе 1 ч.

Эффективность одиночного ПП не очень высока – он может создать угловой сектор помех на индикаторе БРЛС шириной ±1°, причём сам ПП будет запеленгован БРЛС гораздо точнее. Если противник использует два разнесенных на 50–100 км ИБ, то он может точно определить и координаты ПП. Пара ПП окажется гораздо эффективнее. Они создадут сектор помех ±2°, и ни один из них не будет запеленгован. Корабль может находиться в любой точке этого сектора.

Тяжелый ПП представляет из себя БПЛА-вертолёт ДРЛО, предназначенный для обнаружения кораблей на дальности до 300 км и ПКР на дальностях до 50 км. Далее рассмотрим ориентировочный вариант такого ДРЛО-ПП.

Если под БПЛА подвесить прямоугольную АФАР длиной 1,6 м и высотой 0,4 м, содержащую 96 ППМ мощностью 10 Вт каждый, работающую в диапазоне 3–4 см, то БПЛА сможет подавлять БРЛС по боковым лепесткам антенны. Масса аппаратуры 50 кг. Такой БПЛА может отлетать вбок от корабля на 10 км, а вперед навстречу ИБ – на 20 км. В результате определять координаты корабля по измерениям координат ПП становится бессмысленным. Наилучшая эффективность достигается при одновременном использовании легкого и тяжелого ПП.

Для борьбы с ГСН ПКР лучше всего использовать легкие ПП. При этом необходимо иметь в виду, что в ГСН может использоваться один из трёх диапазонов волн: 3,2 см; 1,8 см и 8 мм. Не исключен даже вариант ГСН с 3,2 см и 8 мм одновременно. Возможно на одном ПП размещение всех трех диапазонов сразу, а возможно использование сменных литеров. Расстояние отлёта от корабля вбок составит 0,5–1 км и вперед – 1–1,5 км.

Один ПП способен одновременно подавлять две ГСН.

5. Выводы

Корвет 20380 создан по технологии 40-летней давности и настолько заметен, что не может быть скрыт помехами его КРЭП от обнаружения ИБ даже с дальности 400 км.

ЗРК Редут на 20380 не имеет РЛС наведения ЗУР и не обеспечивает радиокоррекцию ЗУР, то есть дорогостоящие ЗУР будут промахиваться при маневрах цели.

Корвет 20386 выполнен с учётом технологии Стелс, и, если устранить явные огрехи типа сигнальных мостиков и выступающих цилиндров на надстройке, то его заметность может быть уменьшена в 10–30 раз по сравнению с 20380.

Стоимость РЛС РЛК Заслон на корвете 20386 может быть уменьшена втрое за счёт замены их на унифицированную МФ РЛС.

КРЭП Заслон желательно значительно упростить и удешевить, но добавить лёгкие БПЛА постановщики помех.

Для обнаружения загоризонтных целей необходимо разработать БПЛА ДРЛО, выполняющий и функции постановщика помех.