Зірке око Фара для винищувача, Журнал Популярна Механіка
Фазовані антенні решітки (ФАР) — найголовніший інструмент роботи і сучасних РЛС, і найзоркіше «око» сучасних винищувачів. Варто зауважити, що на літаки ФАР ставлять двох можливих типів – пасивні (наприклад, «Заслон» – перша у світі ПФАР, встановлена на винищувачах Міг-31) та активні (наприклад, «Жук-АЕ» на нових Міг-35). Вважається, що АФАР є обов'язковим елементом літаків 5-го покоління. Але щоб зрозуміти, що це таке, і як це працює, доведеться розпочати здалеку.
Ключове слово тут – «антена». Нагадаємо, що будь-яка антена - це пристрій для випромінювання та прийому радіохвиль. Антени застосовуються і комунікацій, і виявлення техніки противника. У найпростішому випадку антена працює на зразок кажана, що випромінює в простір нечутний нашому вуху ультразвук, який, відбиваючись від навколишніх предметів, дає тварині уявлення про них.
Так діяли ще перші РЛС, які захищали Британські острови від нальотів Люфтваффе: вони випускали у простір радіовипромінювання і «слухали» відбитий сигнал. За характеристиками відображення можна математично обчислити деякі властивості об'єкта, що відбив радіохвилю — наприклад, його координати. Проте з того часу і наука, і техніка зробили великий крок уперед, і сучасні ФАРи схожі на своїх батьків не більше, ніж новий комп'ютер — на шифрувальну машину Colossus (про неї ми розповідали у статті «Британський Колос»).
На відміну від простої антени, антенна решітка є цілим масивом з сотень (а часом і тисяч) окремих випромінювачів. Всі ці випромінювачі працюють узгоджено, таким чином, що фазирадіохвиль, що випускаються ними, змінюються комплексно (звідси і визначення «фазована»).
Нагадаємо, що радіохвиля, як і будь-яка інша хвиля, є поперечним коливанням електричного і магнітного полів. І, як усяке «порядне» коливання, вона характеризується:
• Амплітудою, яка визначає "силу" коливання.
• Довжиною хвилі та пов'язаною з нею частотою коливань. Ця величина визначає характер електромагнітного коливання. Радіохвилі мають довжину хвилі від десятих часток міліметра до десятків метрів. Для радіолокації використовуються хвилі сантиметрової довжини з частотою близько 3-30 ГГц.
• Фазою – тобто станом коливальної системи на даний момент часу. Оскільки довжина хвилі та частота у нас, в принципі, постійні, фаза сигналу радіолокації показує поточне «становище» хвилі на шкалі амплітуди.
З цих характеристик нас особливо цікавить фаза, точніше різниця фаз коливань. Зі шкільного курсу фізики ми пам'ятаємо, що хвилі, зустрічаючись у різних точках простору, інтерферують, тобто «рекомбінують» один з одним відповідно до різниці їх фаз у цих точках. Вони можуть як взаємно посилювати, і послаблювати одне одного.
Закінчимо невеликий теоретичний відступ і повернемося до ФАР. Як ми пам'ятаємо, кожна антена у ґратах випромінює окремо від інших, але погоджено з ними — так, що різницю фаз радіосигналів, які вони випускають, можна контролювати — а значить, можна керувати інтерференцією хвиль у потрібних нам точках простору. Цим ми досягнемо відразу маси переваг.
По-перше, ми зможемо за своїм бажанням робити сигнал то широким, то дуже вузькоспрямованим і, в принципі, надавати йому найрізноманітнішу потрібну нам форму. Це дозволяє і суттєво економити енергію, посилюючи «сканування» лишена напрямах, що нас цікавлять.
Щоб звузити промінь, можна, звичайно, використовувати звичайну гіперболічну антену-«тарілку», але на літак встановити її проблематично, та й керування її променем вимагає обертати всю антену — а це завдання не просто. Такі антени, в принципі, ставляться на ранні літаки, але це і громіздко, і повільно, а якщо почати обертати антеною досить швидко, неминуче виникнуть проблеми з керованістю.
Це приводить нас до другої переваги ФАРів: щоб змінити напрямок радіопроменя, нам не потрібно обертати саму ФАР: достатньо змінити різницю фаз сигналів, що випускаються антенами. А значить, не потрібне громіздке і складне гідравлічне обладнання, йдуть і втрати часу на обертання громіздкої антени: перемикання фаз контролює електроніка, і переміщення вузькоспрямованої уваги ФАР відбувається практично миттєво.
При цьому ФАР приймає сигнал з усіх напрямків, але за деякими з них стає набагато чутливішою, що робить її особливо корисною, скажімо, для ведення виявленої мети. Це вже річ, яку не соромно поставити на будь-який літак!
Спочатку для цієї мети були використані пасивні фазовані антенні решітки (ПФАР), що мають один випромінювач та один приймач. У осередках її розташовані не окремі випромінювачі та приймачі, а спеціальні фазообертачі, які, отримуючи сигнал від випромінювача, змінюють його фазу належним чином. Але сучасніший варіант — активна ФАР (АФАР), у кожному осередку якої є власний випромінювач і приймач, хоча, звісно, вони працюють під контролем єдиного електронного центру. Кожен осередок АФАР сам випромінює сигнал, керований по фазі і частоті, а найскладніших версіях — і з амплітуді.
На відміну від ПФАР, вонинабагато чутливіший і надійніший: вихід з ладу випромінювача або приймача не робить всю АФАР марною купою заліза, вона продовжує працювати: в АФАР таких приймачів-передавачів сотні! Ну а сучасні потужні комп'ютери ще більше розширюють можливості цього інструменту, дозволяючи одночасно вести десятки цілей, у тому числі наземних — і навіть картографувати місцевість паралельно до основної роботи.
Більше того, з'являється можливість працювати з різними частотами випромінювання, підвищуючи перешкодозахищеність або, скажімо, встановлюючи за допомогою АФАР перешкоди противнику: одна частина осередків працює як РЛС, а інша як постановник перешкод. Нарешті, вони економніші: у ПФАР великі втрати сигналу при передачі до фазообертачів, а в АФАР їх просто немає.
Звісно, у цьому морі меду знайшлося місце і неабияку частку дьогтю. Головний біль розробників РЛС з АФАР - охолодження. Така маса випромінювачів надзвичайно сильно перегрівається, і навіть у польоті повітряного охолодження зовсім недостатньо, і доводиться використовувати рідинну систему, заповнену спеціальними холодоагентами.
Ще одна проблема — вартість: у сучасних АФАР кількість окремих елементів-осередків досягає сотень, а то й 1-1,5 тис. І якщо кожен із них коштує не надто багато — припустімо, пару сотень доларів — то в сумі виходить неабияк.