改善护卫舰防空能力的可能性
在前面的文章 “我们正在建造什么-护卫舰或旗帜示威者?” 这是关于在阿穆尔造船厂建造一系列新的6艘护卫舰项目20380的,文章强调说20380护卫舰的防空效果如此之差,以至于只能起到举旗演示者的作用。 Corvette 20386的效率要高得多,但是VO的一些作者认为20386太昂贵了,需要建造20380,他们认为这样更有效。 本文的目的是证实一些措施,这些措施可同时降低轻型舰艇防空系统的成本并提高其效率。
1.现有雷达系统(RLC)的问题
俄罗斯海军的麻烦之一是缺乏设备统一。 特别是,雷达的类型很多,但大多数都落后于当前的雷达水平。 机械扫描天线已经是一个例外。 最有效的是有源相控天线阵列(AFAR)。 AFAR引进海军的步伐非常缓慢。 轻巡洋舰20385上的第一个应该是Zaslon雷达。 然而,它的价格高得令人难以接受,显然会超过100亿美元,因为Redut 9M100和9M96防空系统既复杂又昂贵,看来护卫舰的主要任务是保卫自己免受袭击。
由于缺乏统一性和使用过时的设计方法,导致俄罗斯雷达的高批量生产是因为它们的批量生产量较低。 最新的Zaslon雷达包含两个雷达:一个监视雷达,其工作在10厘米抗气象波范围内;一个导弹制导雷达,工作在较不稳定的情况下,但提供了3-4厘米的精确制导范围。未知,但从图型飞艇中AFAR的大小来看,它将能够提供在恶劣天气条件下防空导弹系统所需的射程和精度。 它的主要缺点是成本高。
对于较小的船只,情况要糟得多。 在MRK 21631上,安装了探测距离短的监视雷达,该雷达无法事先为攻击做好准备。 在MRK 22800 Odintsovo上,安装了Pantsir-M防空系统,其制导雷达的工作波长为毫米波长,这对于船载雷达是完全不能接受的,因为该雷达应在雨雾条件下工作。
2.降低雷达成本的方法
降低雷达成本的关键条件是对所有1级和2级以及MRK的船舶强制统一雷达。 船上的雷达数量应减少到一台。 代替监视雷达和制导雷达,有必要开发多功能(MF)雷达。 一个例外是允许的-驱逐舰的雷达不仅必须解决防空任务,而且还必须解决导弹防御任务。 也就是说,除了MF ZLS之外,导弹防御还需要一个单独的雷达,该雷达具有四个面积为50-100平方米的超大型AFAR。 每个。
2.1选择降低中频雷达成本的方法
众所周知,一阶近似中监视雷达目标的检测范围是由辐射功率乘以雷达天线的面积所决定的。
但是,中频雷达不仅必须在最大范围内检测目标,而且还必须高度准确地伴随目标。 测量目标坐标的误差主要取决于雷达波束的宽度,可以通过以下公式计算得出:
α=λ/ L
其中:
α是以弧度表示的天线波束宽度(水平或垂直);
λ是雷达波长;
L是天线的长度(水平或垂直)。
例如,要获得宽度为1°* 2°的波束,天线的尺寸必须为58λ*29λ。
由于气象阻力会大大降低并且AFAR面积(即检测范围)也会减小,因此无法任意减小波长。 相反,船舶上部结构的参数通常允许增加AFAR的尺寸。 然而,由于AFAR的成本增加,以类似于Zaslon RLK的矩形形式制造AFAR也是困难的。
AFAR由收发器模块(TPM)组成,其成本非常高-PPM为1000-2000美元。 我们将考虑到它们必须以λ/ 2的步长填充AFAR的区域。 然后将需要14000 PPM,也就是说,用于制造光束宽度为1°* 1°的方形AFAR的PPM套件的成本将等于14-28百万美元,这对于护卫舰是无法接受的。
可以找到以下事实的出路:以两个相交矩形(例如,大小为58λ*8λ)的交叉形式代替AFAR,而不是方形AFAR。 一个矩形水平放置并用于测量目标的水平角度,另一个矩形垂直放置并测量垂直角度。 这样一来,PPM套件的成本将降低4倍,并且角度测量的精度也不会降低。 最好是AFAR的形状应为“ +”号,但是如果无法在上层结构上放置“ +”号,则可以使用字母“ T”或什至是“G”。
选择雷达工作波长时,要考虑一些相互矛盾的因素。 一方面,即使在远的检测极限下也必须确保耐候性,这将需要增加λ。 另一方面,在上部结构上获得有限空间的窄光束需要减小λ。 另外,将来,带雷达的无人机肯定会出现在船上。 将不可能在无人机上放置大天线。 结果,我们选择λ= 5,5 cm。
2.2护卫舰防空系统的特征
防空导弹系统应防止敌方战斗轰炸机(IS)在危险距离接近护卫舰。 不可能给IS提供接近50-60 km的距离并准确测量巡洋舰坐标,其速度和航向的机会。
您不能允许IB启动 武器 中等射程,例如GBU-39滑行炸弹,射程为110公里,一个IS上的炸弹数量可以为9个或更多,等等。 为此,在护卫舰上,没有计划中的9M96中程导弹,而是9M96E2长程导弹(DB)的射程为130-150 km。 两种导弹的成本接近,因为它们的区别仅在于发动机的质量和长度。
SAM DB被证明仅用于在IS射击,因此它们的数量可能很小-8件。 为了与反舰导弹作战,使用了MD导弹,按照轻巡洋舰的标准,它的数量应该很大,例如48枚。那么,MD 9M100导弹防御系统由于成本高,成本低而几乎不适合平均速度,这将使其难以拦截超音速机动反舰导弹。
应该使用哪种MD SAM的问题-倾斜发射的Pantsir-M防空导弹系统或垂直发射的Tor导弹,应由船舶设计者决定。 两种导弹都是“无头”的,但由于垂直发射,雷神更贵,更重。 MF雷达将为两种导弹提供全天候制导,其误差比这些防空系统的标准雷达少1,5-2倍。
2.3 AFAR中频雷达的设计
AFAR方案如图1所示。 一。
AFAR分为49个独立的正方形模块-每个簇的尺寸为0,22 * 0,22 m。 中心的17个群集(以粗线突出显示)正在接收和发送,并且包含64个PPM。 其余的32个星团纯粹是接收信号,用于获得窄雷达波束。 同时,它们也增加了检测范围。
AFAR十字的总尺寸为2,42 * 3,74 m。AFAR包含1088 PPM和2048个接收模块。 脉冲功率PPM 15 W. 一台AFAR 11 kW的功耗。
AFAR的成本价格只能估算,因为一个PPM的价格在很大程度上取决于订单量。 如果我们假设所有舰船的MF雷达变得统一,APM和接收模块的总数达到100万件,那么一个APM的价格将为1000美元,接收模块的价格为700美元。 那么所有这四个AFAR的成本将为4万美元,而整个串行MF雷达的成本将为11万美元。
辐射的雷达波束宽度为3°* 3°。 在接收时,十字的水平和垂直横光束彼此独立地形成射线,只有3 * 3簇的中心部分是公用的。 然后,十字形的水平横梁的光束宽度为1,3°* 5°,垂直光束的宽度为-5°* 0,85°。 在检测过程中,目标可以位于发射光束中的任何点。 但是,在接收过程中,水平和垂直接收光束都必须同时对准目标。 这意味着水平杆必须同时形成覆盖整个发射光束的三个光束的“扇形”。 垂直杆应形成4条光束。 然后将两个横档的整个区域都用于检测目标信号并测量其角度。
MF雷达的其他任务是在无线电静默状态下与最远30 km的其他KUG船提供隐蔽通信,并与UAV进行通信。
2.4 MF雷达和Zaslon雷达成本的比较评估
关于Zaslon雷达站几乎一无所知。 甚至没有护卫舰20386的照片,只有一幅图画。 一些专家称障碍物的探测距离为75公里,而另一些专家称其为300公里。 因此,我们进一步将仅考虑拟议中频雷达和Zaslon雷达成本的比较估计。 我们将假设Zaslon制导雷达的典型波长为λ= 3,2 cm,雷达MF-λ= 5,5 cm。
让我们比较两个雷达的成本,前提是它们提供相同的检测范围。 如第2.1段所示,具有相同辐射功率的雷达的检测范围仅由AFAR区域确定,因此,AFAR区域也必须相同。 考虑到AFAR中的PPM应该以λ/ 2的步距间隔,我们得出一个AFAR Zaslon中的PPM数量应等于9400。
相应地,Zaslon制导雷达的一系列样品的总成本将为43万美元,由于AFAR Zaslon形状接近于正方形,因此具有如此多的PPM,角度测量精度将接近于GPS的精度。中频雷达,但仍差10%。
让我们还比较一下雷达的气象稳定性。 波长越短,在传播过程中衰减越大。 例如,如果目标在200 km的距离上,并且整条路线上都有中度饱和的云层,那么Zaslon雷达接收到的目标的信号强度将降低8倍,而MF雷达将仅低2倍。 在下雨的情况下,差异会更大。 Zaslon制导雷达的一些理由是阴云很少,而且IS雷达以相同的波长工作,也就是说,从船到雷达的信号也将减少8倍。 Zaslon雷达还具有10厘米范围的气象监视雷达,但缺乏制导精度。 但是,中频雷达将提供更高可靠性的防空导弹发射。
Zaslon监视雷达的成本很难估算。 它的AFAR的大小是未知的,但是很明显它中的PPM数量少于2000。如果如此小批量生产,一个PPM的价格可以升至2000美元。 考虑到机械驱动,监视雷达的成本将超过8万美元,因此,仅Zaslon雷达部分的成本将超过50万美元,是中频雷达成本的3倍。
2.5 TTX MF雷达
检测范围
适用于F-16的IS类型,EPR为2平方米。 m-300公里,
用于IS型F-35,EPR为0,1平方。 m-130公里
用于EPR 0,03平方英寸的弹道导弹。 m,以3 m的高度飞行,并以高于20 m-20 km的海拔高度的上层建筑高度飞行。
IB角度单次测量的误差
在等于检测范围的80%的范围内:
方位角-0,2°
仰角-0,15°。
在等于检测范围的50%的范围内:
方位角-0,1°
仰角-0,08°。
注。 在跟踪过程中,与给定值相比,角误差减小了2-3倍。
RCC角度的单次测量误差:
在20公里的方位角-0,03°。
由于来自海面的信号重新反射,因此无法测量在小于25 m的高度飞行的目标的仰角。 代替测量高度,仅形成“低空飞行目标”(NLC)标志,这意味着目标的高度小于25 m。在10 km的距离上,将为飞行目标生成NLT标志在小于10 m的高度和5 km的距离处,NLT标志显得不必要,并且仰角误差为0,04°。
3.将导弹瞄准反舰导弹的策略
击中亚音速反舰导弹的困难在于它们在2-5 m的极低高度飞行,反舰导弹系统反射的回波信号以两种方式进入雷达天线-直接和镜面反射,从海面。 然后,雷达将立即看到两个目标,一个是真实目标,另一个是在其正下方,这是一面镜子,好像在海面下的同一高度。 雷达仰角测量单元在接收到两个信号的同时无法理解这种混淆,并给出了目标高度的错误估计,该高度可能低于或高于真实值。 处理高度畸变的主要方法是雷达波束的垂直变窄,即我们的AFAR需要增加十字的垂直横梁的尺寸。 然后,如果将接收光束定向到真实目标,则镜像的信号将在光束外部,即将不会被接收,或者接收信号会明显减弱。
处理镜面反射的第二种方法是增加AFAR放置的高度,但是即使在这里,上层建筑的实际高度也不能使我们指望太多。 接下来,我们将考虑具有上述尺寸的AFAR,并评估在这种情况下可实现的导弹制导能力。
在不超过5-6公里的范围内,雷达可在方位角和高度上提供精确的制导。 在10 km的距离上,高度测量变得不可靠,导弹防御系统必须使用高度计数据飞向目标,该高度计数据必须包含在导弹防御设备中。 选择导弹防御系统的飞行高度是固定的,等于4m以打败亚音速反舰导弹,而8m(超音速反舰导弹)。 如果反舰导弹系统的高度超过10 m,则雷达将注意到这一事实,并将继续采用通常的方法进行制导。 在10-15 km的范围内,目标高度不确定性达到20 m,并且在固定高度处的引导无效。 然后,当认为与反舰导弹和导弹的射程大致相同时,其高度的变形变得相同,并且在最后0,5-1 km的区间中的制导为零,则有必要切换到差分制导方法。进行以使高度估算值之差等于0。
与通常的指导相比,在这种指导下失败的可能性将有所降低。
结果,我们得出的结论是,在导弹供应充足的情况下,亚音速反舰导弹系统的第一次炮击可以在10-15 km的距离内进行,评估发射结果并进行发射。第二次炮击距离为5公里。
由于超音速反舰导弹在10 m的高度飞行,因此在常规制导下以10 km的距离进行炮击将是有效的。
瞄准导弹的指挥方法的缺点是,在拦截机动反舰导弹时,其破坏范围会大大减少。 例如,在5公里的范围内,中频雷达将花费0,5秒来检测超载2g的反舰导弹机动,这将使导弹失误增加2-3 m。机动目标的射击距离为3公里。 增大拦截距离的最佳方法是在反舰导弹捕获范围为1,5–2 km的导弹上安装一个简单的红外导引头。 但是,这将需要一个新的ROC。 否则,您将必须减小MF雷达的波束宽度。 希望将AFAR十字的尺寸增加到3,74 * 6,18 m,但这需要与船舶设计者进行协调,并且会将MF雷达的成本增加3万美元。
4.将KREP用于防空
假设在巡逻时,BMZ护卫舰将单独或成对运行。 然后,当IS侦察出现时,护卫舰的KREP必须打开IS雷达的干扰。 机载雷达必须跟踪干扰的方向,并且在存在第二个IS的情况下,它可以大致确定到巡洋舰的距离。 因此,原则上,单个护卫舰无法在KREP的帮助下隐藏其位置。 一对护卫舰可能会降低测向的准确性,但是为此,它们在侦察时必须处于良好的位置-护卫舰之间相对于IS方向的距离应为1至4 km。 因此,进一步,我们将仅考虑单个巡洋舰的防御。
只有强加的干扰器(PP)-直升机式无人机-才能严重干扰侦察的结果。 考虑两种根本不同的PP选项-轻型和重型。
一盏PP轻型飞机飞向船舷1,5-2,5公里,并沿雷达天线的主波束压制雷达。 干扰功率是使用“能量势”的概念来测量的,它等于发射机的发射机功率与发射机的天线增益之积。 所需的潜在能量(EP)与船舶的RCS成正比,与IS可以飞行到护卫舰的距离的平方成反比。
如果护卫舰上装有导弹防御系统,则射程为150公里。 如果我们假设仅需要PP来抑制IS雷达,那么仅在3-4 cm波长范围内工作的天线就足够了,例如,如果有必要获得EF功率为3000 W,则APAR尺寸为0,15 * 0,15 m,包含16 PPM,功率为2瓦。 PP设备的重量将为5-7 kg。 PP在空气中的工作时间为1小时。
单个PP的效率不是很高-它会在雷达指示器上产生±1°宽度的干扰角扇区,并且雷达会更精确地跟踪PP本身。 如果敌人使用间隔50-100 km的两个IS,则他可以准确确定PP的坐标。 一对PP将更加有效。 它们将产生±2°的干扰扇区,并且它们都不是测向的。 该船可以位于此扇区中的任何位置。
重型PP是一架AWACS无人机,旨在检测300公里以内的船只和50公里以内的反舰导弹。 接下来,我们将考虑这种AWACS-PP的近似版本。
如果将长度为1,6 m,高度为0,4 m的矩形AFAR悬挂在无人飞行器下方,其中包含96个PPM,每个PPM的功率为10-3 cm,工作功率为4-50 cm。沿雷达旁瓣抑制雷达。 设备重量10公斤。 这样的无人机可以飞到船的侧面20公里,然后向前飞向IS-XNUMX公里。 结果,通过测量PP的坐标来确定船的坐标变得毫无意义。 同时使用轻质和重质PCB可获得最佳性能。
为了对抗GOS RCC,最好使用轻质PP。 应该牢记的是,GOS可以使用三个波长范围之一:3,2厘米; 1,8厘米和8毫米。 甚至不排除同时具有3,2厘米和8毫米的导引头的选择。 可以将所有三个范围一次放置在一个PP上,并且可以使用可替换的字母。 从船到侧面的距离为0,5-1公里,向前为1-1,5公里。
一个PP能够同时抑制两个GOS。
5。 发现
Corvette 20380是40年前使用技术制造的,非常引人注目,即使在400 km的距离内,其KREP也无法被IS的探测所掩盖。
20380年的“堡垒”防空导弹系统没有导弹制导雷达,也无法为导弹提供无线电校正,也就是说,昂贵的导弹将在目标演习中错过目标。
Corvette 20386是考虑到Stealth技术而制成的,如果我们消除了明显的缺陷,例如上部结构上的信号桥和突出的圆柱体,那么与10相比,其可见度可以降低30到20380倍。
通过用统一的MF雷达代替巡洋舰20386上的Zaslon雷达,其成本可以降低三倍。
希望显着简化并降低KREP Zaslon的成本,但要增加轻型无人机干扰机。
为了检测超视距目标,有必要开发一种还具有干扰机功能的预警机。
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