Критические технологические трудности при разработке ПТРК Джавелин. Часть 2

Ракета Джавелин

Оператор ПТРК Джавелин смотрит в командно-пусковой блок

Головка самонаведения (ГСН)
Так же, как и Стингер, ракета Джавелин относится к системе "выстрелил-забыл". После запуска она должна быть в состоянии отследить и уничтожить свою цель без дальнейшего вмешательства оператора или другого внешнего источника. Решение о необходимости системы "выстрелил-забыл" было принято совместно армией и Корпусом морской пехоты и было воплощено благодаря ИК детектору и самой современной бортовой системе слежения.

Как описано выше, оператор использует ИК систему КПБ для обнаружения и идентификации цели. Затем он переключается на независимую ИК систему ракеты, чтобы установить метку на цель и "закрепить" её. Оператор устанавливает рамки метки вокруг образа цели, "закрепляет" их, размещая таким образом, чтобы цель заполняла пространство между рамками настолько, насколько это возможно. Задача ГСН по сути состоит в том, что бы оставаться нацеленной на изображении цели, продолжая распознавать её даже когда цель находится в движении, когда траектория полета ракеты, летящей со скоростью более чем 150 м/с, изменяет точку обзора ГСН при изменении углов атаки и при изменении размера изображения цели по мере приближения к ней ракеты. Все множество деталей ГСН должно функционировать должным образом, но особо стоит отметить три компонента: детектор, охлаждающую и калибрующую систему и систему стабилизации.

ГСН размещена под полусферическим колпаком, изготовленным из сульфида цинка, являющегося прозрачным для длинноволнового инфракрасного излучения, используемого в детекторе. Инфракрасное излучение проникает через колпак, а затем через фокусирующую прозрачную линзу, изготовленную из германия и сульфида цинка. ИК энергия по средствам зеркал из полированного алюминия отражается на детектор. ГСН ракеты Джавелин оснащена двухмерной матрицей в фокальной плоскости размером 64 на 64 элемента. Детекторы изготовлены из сплава кадмий-теллурида и ртути-теллурида (называемых теллуридом кадмия-ртути, или HgCdTe). Стоит обратить внимание, что в отличие от ИК детектора КПБ, являющегося сканирующим линейным массивом, детектор ГСН обрабатывает сигналы от датчиков и передает сигналы на систему слежения ракеты.

Разработка двухмерной матрицы в фокальной плоскости оказалась очень трудным делом. Texas Instruments разработала матрицы в фокальной плоскости для КПБ и ГСН, используя фотоемкостные устройства, в которых входящие фотоны стимулируют электроны, изначально находящиеся в детекторе в виде накопленного заряда. Электроны разряжаются пиксель за пикселем по мере того как токи считывающей интегральной схемы переходят в заднюю часть детектора. Несмотря на то, что такой подход хорошо зарекомендовал себя в матрице КПБ, для ГСН ракеты оказалось очень трудно создать рабочую двухмерную матрицу в фокальной плоскости. Texas Instruments не могла получить HgCdTe качества, необходимого для приемлемого функционирования фотоемкостного процесса, и двухмерная матрица не обладала достаточной емкостью электронов. Texas Instruments смогла сделать достаточно двухмерных матриц для того чтобы выиграть в конкурсе, но процесс их серийного производства не удовлетворял стандартам качества и брака. Только от 0,5% до 2% от производимых матриц полностью отвечали предъявленным требованиям. Производственные проблемы угрожали удвоить затраты на разработку и вообще ставили под угрозу само существование программы Джавелин.

Актуальность этой проблемы проявилась в 1991-92 гг. Канцелярия министра обороны США, Департамент Сухопутных войск и MICOM создали специальную группу для решения этой проблемы. Опираясь на собственный технический опыт, она пришла к заключению, что Texas Instruments была просто не в состоянии производить свою разработку в необходимых количествах. Армия признала, что успех программы зависел от технологии ГСН и нашла альтернативный источник для производства матриц. Им стала корпорация LORAL, которая также столкнулась с трудностями при производстве матриц. К счастью, решение оказалось под рукой: Научно-исследовательский центр Хьюза в Санта-Барбаре (Hughes’ Santa Barbara Research Center, SBRC), работающий по договору с DARPA, разработал другую конструкцию матрицы в фокальной плоскости, которая могла быть изготовлена более эффективно. Конструкция Хьюза использовала фотоэлектрический механизм, в котором сигнал напряжения создавался непосредственно от воздействия фотонов и накопление заряда происходило в самой считывающей интегральной схеме, а не в материале детектора. Руководство программы отказалось от услуг Texas Instruments в качестве головного подрядчика, а также отказалось от услуг LORAL в качестве альтернативного источника и выбрало SBRC как поставщика матрицы в фокальной плоскости ГСН. В итоге разработка SBRC отвечала требуемым техническим характеристикам, объемам поставок и количеству брака. Texas Instruments продолжила изготовление сканирующих матриц для КПБ.

Для оптимального функционирования ГСН матрица в фокальной плоскости должна быть охлаждена и откалибрована. ИК детектор КПБ охлаждается с помощью сосуда Дьюара и двигателя Стирлинга замкнутого цикла. В ракете недостаточно места для применения подобной конструкции. Перед запуском блок энергоснабжения и охлаждения устанавливается на внешней стороне пускового контейнера. Он питает электрические системы ракеты и обеспечивает охлаждающим газом через дроссель Джоуля-Томсона ГСН ракеты — в то время как сама ракета все еще находится в пусковом контейнере. При запуске ракеты это внешнее соединение разрывается и охлаждающий газ подается от встроенного в ракете газового баллона с аргоном. Газ содержится в маленьком баллоне под давлением около 420 кг на квадратный сантиметр. Этого достаточно для охлаждения ГСН на протяжении всего полета ракеты — около 19-и секунд. Внешний блок энергоснабжения и охлаждения должен быть заменен в случае, если ГСН была активирована и ракета по каким-либо причинам не была запущена в течение четырех минут.

Эта система охлаждения также обслуживает интегральную схему. Первоначально интегральная схема была размещена вне охлаждаемой области и поэтому для больших матриц использовалось большое количество проводов, выходящих из неё. Производителю удалось разместить микропроцессор в охлаждаемой области на задней стороне детектора. Таким образом, только провода от микропроцессора выходят на внешнюю сторону охлаждаемой области. Таким образом, количество проводов значительно снизилось: с 200 до 25-и.

ГСН Джавелина калибруется с помощью так называемого "вертолетного" колеса. Это устройство по существу является вентилятором с 6-ю лопастями: 5 черных лопастей с очень низким ИК излучением и одна полуотражающая лопасть. Эти лопасти вращаются перед оптикой ГСН в синхронизированном порядке, так что матрица в фокальной плоскости постоянно обеспечена ориентирами (опорными точками) в дополнение к наблюдаемой цели. Эти ориентиры служат матрице для уменьшения постоянных помех, вносимых разной степенью чувствительности отдельных элементов детектора.

Помимо того, что ГСН должна непрерывно охлаждаться и калиброваться, платформа, на которой размещена ГСН, должна быть стабилизирована по отношению к движению корпуса ракеты и ГСН должна всегда оставаться на цели. Хотя, в отличие от Стингера, корпус Джавелина не вращается в полете, система стабилизации должна уметь справиться с резкими ускорениями, перемещениями вверх/вниз и боковыми движениями и другими требованиями траектории ракеты, например, резким набором высоты и крутым пикированием. Это достигается двухосевой системой карданов, акселерометрами, гироскопами и двигателями для управления изменений в положении платформы. Информация, полученная от гироскопов, подается электронике системы наведения, которая в свою очередь управляет двигателями, закрепленными на платформе ГСН для того, чтобы ГСН постоянно оставалась на цели. Провода, соединяющие ГСН с остальной частью ракеты, были специально разработаны для того, чтобы не вызывать никакого трения, так, чтобы платформа ГСН могла остаться точно сбалансированной. ГСН Джавелина отклоняется всего на 10-20 микрорадиан на один G, что свидетельствует о превосходном уровне изоляции.

Система наведения и управления

Следящее устройство Джавелина является важнейшим элементом системы наведения и управления. Сигналы от каждого из более чем 4000 элементов детектора ГСН передаются на считывающую интегральную схему, которая создает одноканальный видеосигнал, передаваемый в следящее устройство для дальнейшей обработки. Следящее устройство сравнивает отдельные кадры и вычисляет необходимую корректировку для удержания ракеты на цели. Для выполнения этой задачи следящее устройство должно быть в состоянии определить, какая часть общего изображения представляет саму цель. Первоначально цель обозначается оператором, который размещает на ней прицельную метку. После этого следящее устройство использует алгоритмы для сравнения этой части кадра (сравнение происходит на основе изображения, геометрических данных, данных о перемещении цели) с изображением, поступающим с ГСН. В конце каждого кадра ссылка обновляется. Следящее устройство способно удерживать ракету на цели, даже когда точка обзора ГСН радикально изменяется в ходе полета.

Для наведения ракеты следящее устройство определяет положение цели в текущем кадре и сравнивает его с точкой прицеливания. Если положение цели не находится в центре, то следящее устройство вычисляет корректировки и передает их в систему наведения ракеты, которая, в свою очередь, передает соответствующие корректировки на управляющие поверхности (Джавелин располагает четырьмя подвижными хвостовыми закрылками, а также шестью фиксированными крыльями в средней части корпуса). Эта часть системы называется автопилотом. Он использует систему управления с обратной связью для наведения ракеты, то есть система использует датчики для определения положения поверхностей управления. В случае их отклонения контроллер получает сигнал на их дальнейшую корректировку.

Существуют три основных три этапа управления ракетой на всей траектории её полета: начальная фаза сразу после запуска маршевого двигателя, основная часть полета и завершающая фаза, в которой следящее устройство выбирает "приятное место" на цели для её поражения. Автопилот использует алгоритмы наведения и данные с ГСН для определения момента перехода ракеты с одного этапа полета к другому. Профиль полета может значительно меняться в зависимости от выбранного режима атаки: по прямой или сверху (режим по умолчанию). При режиме атаки сверху ракета после запуска резко набирает высоту, совершает маршевый полёт на высоте примерно 150 метров, а затем пикирует в верхнюю часть цели. В режиме прямой атаки, ракета совершает маршевый полёт на высоте около 45 метров. Точная траектория полета учитывающая расстояние до цели, рассчитывается блоком наведения.

Разработка следящего устройства Джавелина была произведена как самой промышленностью, так и Редстоунским арсеналом. Texas Instruments спроектировала и изготовила прототипы, а Редстоун провел модернизацию и независимую оценку возможностей следящего устройства. Расширенные статические испытания ГСН и следящего устройства позволили разработчикам следящего устройства испытать, уточнить и обновить алгоритмы до начала самих летных испытаний. Программа статических испытаний также предоставила неоценимые данные для разработчиков комплексного моделирования полета. Программа разработки следящего устройства все еще не завершена.

Двигательная установка и боеголовка

Так же, как и на Стингере, на Джавелине используется система мягкого пуска. Другими словами, стартовый двигатель запускается в пусковом контейнере и прекращает свою работу до того, как ракета покидает контейнер, предохраняя таким образом оператора от воздействия горячих газов. Мягкий пуск обеспечивает слабую отдачу при стрельбе с плеча и позволяет запускать ПТРК из зданий или крытых платформ. После того как ракета покидает пусковой контейнер и удаляется на безопасное расстояние, запускается маршевый двигатель ракеты, а также раскрываются крылья и закрылки. Ракета движется к цели на дозвуковой скорости. В связи с требованиями мягкого пуска, безопасности оператора и малого веса при разработке уникального двигателя ПТРК Джавелин использовались самые современные достижения того времени. Инженерами программы Джавелин был достигнут значительный технологический прогресс, что в сочетании с достижениями промышленности позволило разработать двигатель, отвечающий всем жестким требованиям. Двигатель ПТРК Джавелин был разработан компанией Atlantic Research Company (ARC), в настоящее время Aerojet. ARC приспособили конструкцию, разработанную Alliant Technology. Так же, как и Стингер, Джавелин обладает встроенными стартовым и маршевым двигателями. Среди других преимуществ эта интегрированная конструкция обеспечивает низкий вес системы.

Двигатель работает следующим образом. Запальное устройство стартового двигателя инициирует воспламеняющий заряд, который, в свою очередь, приводит в действие сам стартовый двигатель. Твердотопливный заряд стартового двигателя выгорает с внутренней и внешней сторон, а также с обоих его концов. Продукты горения выходят через сопло стартового двигателя. Через некоторое время поступает сигнал на запальное устройство маршевого двигателя, инициирующее воспламеняющий заряд, приводящий в действие твердотопливный заряд маршевого двигателя. Когда в его камере горения создается достаточное давление газов, мембрана, отделяющая стартовый и маршевый двигатели, разрывается, и газы маршевого двигателя отбрасывают вниз камеру сгорания и сопла стартового двигателя. Безопасность оператора была одним из ключевых факторов программы Джавелин. Ракета оснащена системой сброса давления, чтобы в случае несанкционированного запуска стартового двигателя это не привело к взрыву. Стартовый двигатель оснащен разработанными совместно правительством и промышленностью срезными штифтами, разрушающимися в случае избыточного давления стартового двигателя и позволяющими двигателю выпасть из задней части пускового контейнера.

ARC также разработала воспламеняющий заряд стартового двигателя. Его кольцеобразная конструкция стала ключевой частью системы и служит для интеграции стартового и маршевого двигателей. Воспламеняющий заряд стартового двигателя пришлось разместить в сопле, но его могло оттуда просто выбросить струей газов, что неприемлемо с точки зрения безопасности оператора. Применение кольцевого воспламенителя решило эту проблему, так как газы проходят сквозь кольцо. Оно также обеспечивает прохождение горячих газов в твердотопливный заряд на 360 градусов и обеспечивает его более надежное воспламенение. Другим важным элементом конструкции двигателя является разрывная мембрана, разделяющая стартовый и маршевый двигатели. Эта деталь, разработанная АРК, обладает более высоким пороговым пределом к давлению со стороны стартового двигателя и более низким со стороны маршевого двигателя. Это позволяет мембране защитить маршевый двигатель от последствий воздействия стартового двигателя, но с другой стороны, при создании достаточного избыточного давления маршевым двигателем разорвать мембрану и направить газы маршевого двигателя мимо него и вниз через камеру стартового двигателя.

Двигатель Джавелина создан на основе технологий, ранее разработанных для других ракет. Твердотопливный заряд стартового двигателя идентичен используемым на других ракетах. Твердотопливный заряд маршевого двигателя был позаимствован у ракет TOW и Hellfire и был приспособлен для Джавелина совместными усилиями правительства США и промышленности.

Так же, как и при разработке двигателя, совместные усилия имели решающее значение для успешной разработки боеголовки ПТРК Джавелин. Сотрудничество руководства программы, армии, Корпуса морской пехоты и промышленности оказалось особенно успешным в оптимизации характеристик тандемной боевой части. Тандемная боевая часть Джавелина представляет из себя противотанковый кумулятивный боеприпас. Этот боеприпас использует кумулятивный заряд для создания струи сверхпластического деформированного металла, формируемого из воронкообразного металлического покрытия. Результатом является высокоскоростная струя (10 км/с на кончике и 2-5 км/с в хвосте), способная динамически проникать сквозь твердую броню.

Основная концепция кумулятивного заряда была известна с 1880-х годов, однако лаборатории армии США проделали значительную работу по совершенствованию этой технологии и применении её в системах вооружений. Лаборатория баллистических исследований способствовала фундаментальным исследованиям, особенно в области моделирования, а Picatinny Arsenal отвечала за конструкцию и демонстрационные эксплуатационные испытания. Physics International, работающая по контракту с Редстоун, создала основной кумулятивный заряд боеголовки Джавелина. Достижения в области эффективности кумулятивных зарядов привели к появлению динамической защиты. Динамическая защита располагается на основной броне транспортного средства и детонирует при попадании в нее боеприпаса. Взрыв не наносит вреда основной броне транспортного средства, но при этом выстреливаемая металлическая пластина разрушает кумулятивную струю боеприпаса. Для преодоления динамической защиты Джавелин использует тандемную кумулятивную боеголовку. Лидирующий заряд вызывает срабатывание динамической защиты, а основной заряд не теряет своей разрушающей способности. Эта концепция впервые была применена на ракете TOW и основывалась на работе, проделанной Лабораторией баллистических исследований и Picatinny Arsenal.

Разработчики Джавелина первоначально пытались заставить функционировать тандемную боеголовку. Хотя основной заряд, разработанный Physics International, в котором использовалось медное покрытие для формирования проникающей струи, продемонстрировал хорошие результаты, лидирующий заряд с медным покрытием с трудом преодолевал динамическую защиту. Конкурентом в разработке боеголовки была компания Conventional Munitions Systems Inc. (CMS), которая приобрела компанию под названием Orlando Technology Inc. Эта компания обладала своими собственными компьютерными моделями и разработала удачную конструкцию лидирующего заряда с использованием двухслойного покрытия из молибдена. В итоге на Джавелине была использована конструкция лидирующего заряда компании CMS и основного заряда компании Physics International.

Еще одна проблема при разработке тандемной боеголовки Джавелина состояла в том, чтобы максимально защищать основной заряд от возможных последствий удара ракеты о цель или детонации лидирующего заряда (сотрясение, ударная волна, фрагменты ракеты). Фрагменты ракеты и ударная волна могут отрицательно повлиять на формирование струи основного заряда. Для ограничения помех между лидирующим и основным зарядом был размещен защитный экран, разработанный Redstone Arsenal. Это был первый композитный взрывозащитный экран и первый, через середину которого было проделано отверстие обеспечивающее защиту кумулятивной струи.

Следующий этап модернизации боеголовки Джавелина включал изменение покрытия основного заряда с целью получения струи более высокой скорости. Эти изменения сделают боеголовку более эффективной с точки зрения пробиваемости и тем самым позволят уменьшить размер заряда и использовать освободившееся место для увеличения размера твердотопливного двигателя и соответственно увеличения дальности действия ракеты. Технические работы на этом этапе были проведены на Picatinny Arsenal и General Dynamics Ordnance and Tactical Systems, которые взяли на себя часть работы Physics International.

В процессе разработки ПТРК Джавелин основные усовершенствования были воплощены в области предохранителей и постановки боеголовки на боевой взвод. До Джавелина предохранители были главным образом механическими состоящими из шестеренок, роторов, чеки т.д. Однако с появлением нескольких боеголовок в одной ракете, переменного времени задержки, ограничений по весу и объему, а также с ужесточением требований по безопасности установка механических предохранителей на Джавелине и других ракетах стала не приемлемой. В результате на этих ракетах была применена электронная система предохранителей и постановки боеголовки на боевой взвод. Эта концепция основана на результатах работ проведенных для ядерных боеголовок в Сандриа и Лос-Аламос и была воплощена инженерами Redstone Arsenal в середине 1980-х годов. Она получила название ESAF (Electronic Safe Arming and Firе, электронная система предохранения, постановки боеголовки на боевой взвод и стрельбы). Первые системы ESAF оказалась слишком громоздкими, однако развитие микроэлектроники позволило применить их не только на Джавелине, но на других системах, таких как ракеты Hellfire.

Система ESAF позволяет осуществить постановку боеголовки на боевой взвод и стрельбу при соблюдении определенных условий по безопасности ракеты. После нажатия оператором спускового крючка ESAF подает команду на запуск двигателя. По достижении ракетой определенного ускорения (сигнализирует системе, что ракета покинула пусковой контейнер и удалилась на безопасное расстояние от оператора) и в сочетании с другими факторами ESAF производит "вторую постановку боеголовки на боевой взвод", необходимую для запуска маршевого двигателя. После очередной проверки соответствующих условий (например, наличие захваченной цели), ESAF инициирует "окончательную постановку на боевой взвод", позволяющую боеголовке детонировать при попадании в цель. Итак, при попадании ракеты в цель ESAF инициирует функцию тандемной боевой части, обеспечивающую необходимый промежуток времени между детонацией лидирующего и основного зарядов.

Источник: http://topwar.ru