ИК-средства

 

В годы длительной Вьетнамской войны американцы приняли на вооружение различные средства РЭП, которые позволили им почти полностью нейтрализовать эффективность РЛС как средства обнаружения и наведения. Стрельбовая РЛС Fansong ЗРК С-75 часто почти полностью забивалась шумовыми помехами или вводилась в заблуждение постановкой имитационных помех, а советские ракеты воздух-воздух самолетов МиГ были бесполезны в бою против американских самолетов, оборудованных "умными" передатчиками имитационных помех. В ответ на это начались исследования и разработки новых систем наведения ракет на основе использования ИК-энергии.

Использование этого вида энергии было не ново. ИК-энергия была случайно обнаружена в 1800 году британским астроном сэром Уильямом Гершелем, который уже был известен миру открытием планеты Уран. Он экспериментировал с разноцветными, стеклянными фильтрами для защиты глаз от солнечных лучей, которые причиняли ему большое неудобство во время его астрономических опытов. Во время своих экспериментов он заметил, что уменьшение тепла не эквивалентно уменьшению света. Поэтому, он придумал эксперимент, в котором спектр солнечного света проецировался на экран через стеклянную призму. Когда он подносил к каждому из спроецированных цветов термометр, то заметил, что температура увеличивалась по мере перехода от голубого к красному цвету. Далее, он с некоторым удивлением заметил, что после прохода красной зоны и перехода в "пустую", термометр продолжал показывать увеличение температуры; с тех пор эта область стала называться инфра-красным или ИК-диапазоном. В сущности, он обнаружил, что в спектре солнечного света содержатся лучи, которые невидимы для не вооруженного глаза и поэтому, назвал их "невидимыми лучами". Гершель не оценил по достоинству важность своего открытия, и, увы, только спустя много лет исследования возобновились. Этот перерыв можно объяснить тем, что кроме имевшегося тогда обычного термометра, других измерительных приборов для измерения тепла не было.

Во время Первой мировой войны был сделан значительный прогресс в разработке практического применения ИК-лучей. Обе противоборствующие стороны быстро поняли значение военного использования ИК-излучения как средства скрытного наблюдения за противником ночью, обнаружения целей по излучаемому ими теплу и ведения защищенной связи - очень трудной для перехвата. В те годы, были разработаны, хотя только и в виде экспериментальных образцов, семафор на основе излучения ИК-импульсов с дальностью действия 3,2 км и приборы ночного видения, способные обнаруживать самолеты летящие на высотах до 1 500 метров или человека на расстоянии 270 метров.

Вторая мировая война подтолкнула исследования в области практического применения ИК-излучения. Интересно отметить, что результатом этого стала ошибочная оценка немцами хода Битвы за Атлантику между союзными конвоями и немецким подводными лодками. Противолодочные силы Союзников прекратили использование поисковых РЛС диапазона частот L, поскольку их излучение легко обнаруживалось германскими подлодками, которые, будучи предупрежденные своими СПО о возможности обнаружения, экстренно погружались и уходили. Союзники приняли на вооружение РЛС диапазона частот Х и это, естественно, немедленно принесло плоды; потери германских подлодок, причину которых немцы не могли объяснить, увеличились. Немецким разведслужбам была поставлена задача, найти этому объяснение, и они ошибочно посчитали, что Союзники начали использовать датчики ИК-излучения.

Это ошибочное заключение отняло у немцев много времени и, несомненно, внесло определенный вклад в окончательное поражение их подлодок в Битве за Атлантику. С другой стороны, работы немцев специально направленные на исследования в области ИК-излучения, привели к важным достижениям. Многие в Германии все еще помнят тот ужас и восхищение, которое они испытали, когда огромные бронированные машины, без единого огонька, с ревом проносились мимо них в кромешной темноте! Это были тягачи, перевозившие печально известные крылатые ракеты Фау-1 на берега Франции к проливу Ла-Манш. Чтобы избежать обнаружения самолетами противника, на них были установлены приборы состоявшие из ИК-облучателя и преобразователя изображения для обеспечения водителей возможностью видения в темноте. Это было сделано ближе к концу войны, когда Германия стала сильно страдать от постоянных, воздушных налетов Союзников.

Также, немцы использовали ИК-лучи и для создания связных систем корабль-корабль, корабль-берег и, на Ливийском фронте, для связи между танками. В битве при Эль Аламейне, в 1942 году, одна из таких систем попала в руки британцев и, позднее, Союзники начали собственные исследования в области использования ИК-излучения для военных целей.

Американцы использовали приборы на принципе ИК-лучей для ночной стрельбы из винтовок. Это позволяло достичь значительной точности стрельбы по человеку на расстоянии примерно 70 метров. Это оружие, названной Sniperscope, впервые было применено американскими солдатами при высадках на острова Тихого океана и вызвало огромный ужас среди японских солдат.

В Италии, приборы на принципе ИК-лучей были впервые экспериментально оценены ВМС в 1941-1942 годах для определения расстояния, на котором может быть обнаружена цель в условиях темноты и тумана. Для этого, был использован приемник, состоявший из параболического зеркала диаметром 50 сантиметров с вмонтированным в него термо-электрическим детекторным элементом. Эксперименты ночью продемонстрировали, что человек может наблюдаться на расстоянии около 900 метров, а автомашина с работающим двигателем - 450 метров; крейсер "Таранто" был виден на расстоянии 5 км даже не смотря на то, что его двигатели не работали на максимальную мощность.

После войны исследования по ИК-системам продолжились. Теперь, их значение как средства обнаружения при собственной незаметности, стало высоко цениться. Постоянный прогресс в этой области привел к длинной череде изобретений военного назначения.

Для применения в аэронавтике, были разработаны приборы ИК-сопровождения, способные сигнализировать о высоте полета и азимуте любой излучающей тепло цели в воздухе, на земле, на море и под водой; также, они могли быть использованы для инструментальной системы посадки самолетов и гидрографических наблюдений вдоль берегов. Еще одним важным изобретением стала тепловизионная или ИК система наблюдения (Forward Looking Infra Red - FLIR). Это устройство позволяет летчику, летящему в облаках или полной темноте, "видеть" все объекты на земле или под облаками, которые отличаются своими радиометрическими температурами от окружающей местности. ИК-системы оказались особенно полезны в области ракетной техники и стратегического наблюдения; установленные на спутниках, они дают немедленное предупреждение о пуске МБР из любой точки земного шара. Для целей слежения были разработаны приборы, способные обнаруживать наличие в атмосфере вредных и отравляющих газов. Для улучшения возможностей РЛС, их дополнили ИК-датчиками. Это особенно важно при соблюдении радиолокационного молчания.

Спрос военных на ИК-приборы обусловил быстрый технический прогресс в этой области и привел к разработке еще более совершенных приборов, таких как датчики мощности, радиометры и другие ИК-измерительные приборы.

Применение ИК в чисто научной области, промышленности и медицине слишком разнообразно, чтобы об этом подробно рассказывать. ИК-системы применяются для разнообразных целей, начиная от проверки асфальтового покрытия автодорог до ранней диагностики опухолей и многих других болезней, особенно сосудистых заболеваний, от ИК-печей для приготовления пищи до ИК-инкубаторов, от окраски автомобилей до измерения температуры звезд. Одним из наиболее известных его применений, конечно же, является фотография. Первые опыты с ИК-фотографированием были сделаны в 30-х годах, которые привели к целой серии инноваций в этой области. Например, хорошую фотографию можно сделать с использованием ИК-технологии с дальности около 1 000 км; это особенно важно в области геодезии. ИК-фотографирование также, полезно и для обследований качества растительности по цвету ее листьев, который четко виден на ИК-фотографиях, что позволяет отличить больные от здоровых.

В геологии, ИК-фотографирование пластов минералов выявляет их геологический возраст, поскольку ясно различается присутствие бактерий в скальных породах, поскольку бактерии и покрывающая их земля имеют различные радиометрические температуры. Аналогичная технология особенно полезна при обнаружения подземных центров управления и складов, а также археологических объектов и исчезнувших городов. ИК-технология особенно полезна для обнаружения фальшивых писем и документов, поскольку некоторые типы чернил выявляются ИК-облучением. Применение ИК-лучей в области связных систем очень интересно; в настоящее время исследования направлены на разработку систем, посредством которых сигналы передавались бы посредством электромагнитных волн ИК-спектра по волоконно-оптическому кабелю. Это применение особенно интересно во всех областях телекоммуникаций, таких как: телефония, передача изображений, кабельное телевидение и передача данных.

Для дальнейшего рассказа о применении ИК-энергии, сначала, было бы полезно напомнить некоторые понятия из области физики.

Известно, что сетчатка человеческого глаза чувствительна только к небольшому спектру частот, т.е. видимой части электромагнитного спектра; более того, чувствительность глаза не постоянна и изменяется в соответствии с хроматической шкалой света. Например, раздражающий эффект желтого света почти в 100 000 раз больше чем красного, который является наименее сильным в этом отношении. Длина волны желтого цвета - приблизительно 0,0005 мм, в большую и меньшую сторону от нее, чувствительность человеческого глаза сильно падает. В дальней части спектра, глаз все еще способен различать длины волн около 0,0008 мм, но после этого значения властвует темнота, поскольку размеры сетчатки при таком излучении слишком малы, чтобы генерировать ответ в наших органах зрения. Длины волн большие 0,0008 мм находятся в ИК-диапазоне, и, если имеют значительную интенсивность, то воспринимаются нами как тепло. Поэтому, главный фактор отличия ИК-энергии от световой радиации лежит в длине ее волны. ИК-диапазон начинается там, где кончается красный цвет видимого спектра и заканчивается перед СВЧ-диапазоном, используемым для работы РЛС с большим разрешением (EHF). Сам же ИК-диапазон разделен на 4 части: ближний, средний, дальний и крайний. Основными факторами ИК-систем являются источники, передача ИК-энергии и детекторы или датчики.

ИК-энергия спонтанно излучается всеми телами, которые имеют температуру выше абсолютного нуля (- 273 градусов Цельсия). Этот процесс вызван колебаниями молекул тканей и, поэтому, прямо зависит от температуры.

Прототип ИК-датчика можно найти в природе, в ее животном мире. Последние из змей, появившихся на Земле - очень ядовитое семейство pit viper, обитающее в Северной и Южной Америке и особенно в Юго-Восточной Азии, имеет две небольших ямочки между глазами и ноздрями с находящимися в них двумя прекрасными ИК-датчиками, которые позволяют им обнаруживать и определять местоположение всех предметов, которые теплее или холоднее окружающей среды. Эти датчики чрезвычайно чувствительны и могут обнаруживать малейшие изменения температуры.

Они состоят из мембраны заполненными особыми нервными волокнами и натянутыми на небольшую, наполненную воздухом полость и реагируют на тепло. С их помощью, змея, обычно прячущаяся в трещинах почвы, может в полной темноте обнаружить присутствие лягушки, мыши или другого несчастливого существа попавшего в ее сферу действий и убивает его.

Будучи одной из форм электромагнитной энергии, ИК-излучение может поглощаться и трансформироваться в тепло или преобразовываться каким-то иным способом, чтобы сделать его видимым; например, оно может быть преобразовано в электрический ток или быть спроецировано на фотопленку чувствительную к ИК-лучам. С точки зрения военного применения, датчики ИК-энергии продемонстрировали свое практическое значение в конце Второй мировой войны, когда они впервые были использованы для обнаружения и слежения за самолетами. Все применявшиеся во время Второй мировой войны ИК-устройства были почти исключительно активного типа приборами, когда луч ИК-энергии фокусировался на цели. Однако, немцы экспериментировали также и с полностью пассивными системами, которые не излучали ИК-энергии - подобно гремучей змее. Эта система предназначалась для обнаружения самолетов на дальности 12 км, но так и не была применена в реальных боевых действиях, вероятно вследствие несовершенства тогдашних ИК-технологий, что не позволяло начать серийное производство таких систем.

После войны крупнейшие державы мира продолжили исследования по ИК-лучам, сконцентрировавшись на пассивных системах наведения оружия.

Эти системы имели преимущества: не выдавали присутствия управляемого оружия, имели высокую точность и, более того, были не восприимчивы к РЭП. В 1950 году эти исследования привели к разработке первой пассивной ИК-системы наведения ракет. Первой ракетой, которая наводились такой системой, была американская AIM-9 Sidewinder, за ней последовали AIM-4 Falcon, британская Firestreak и французская Matra R.550 Magic.

ИК-лучи легко распространяются в диапазоне 3,0 - 4,0 микрон, но сильно ослабляются в диапазоне длин волн 5,0 - 8,0 микрон. Другими словами атмосфера "прозрачна" для ИК-лучей только в определенном диапазоне длин волн.

Самой знаменитой из них стала американская AIM-9 Sidewinder, которая подтвердила свою высокую точность во время первых же испытательных пусков. Радиоуправляемые мишени, которые использовались для испытательных стрельб, систематически сильно разрушались этой ракетой, которая самонаводилась прямо в сопло реактивного двигателя мишени. Чтобы уменьшить стоимость восстановления дорогостоящих мишеней, на консолях ее крыла были установлены сильные источники ИК-излучения, которые было значительно легче ремонтировать. Затем, высокая точность Sidewinder была подтверждена трагическими событиями, произошедшими в 1961 году в США во время тренировочного полета. Бомбардировщик В-52 Stratofortress случайно был сбит ракетой Sidewinder выпущенной истребителем-бомбардировщиком F-100 ВВС США. Ракета влетела в сопло одного из двигателей и взорвалась, консоль крыла оторвалась и самолет понесся к земле. Большая часть экипажа погибла.

Через несколько лет, вокруг ракеты Sidewinder развернулась невиданная шпионская "история", многие аспекты которой не ясны до сих пор. Предприимчивому советскому агенту каким-то образом удалось выкрасть ракету Sidewinder вместе с ее ИК ГСН с авиабазы в Западной Германии и тайно вывезти ее в Москву. Укутав ракету в ковер, на своем автомобиле, он проехал пол-Германии, а затем поездом переслал ее через границу задекларировав как свой багаж "не имеющий коммерческой ценности"! Вскоре, русские стали выпускать ракету с ИК ГСН Р-3, которая почти полностью была идентична американской Sidewinder.

Р-3 находившиеся на вооружении самолетов МиГ и Sidewinder, устанавливавшиеся на различных истребителях США, стали основным оружием воздушного боя во Вьетнамской войне. В 1966 году Sidewinder сбила первый северо-вьетнамский МиГ.

В 1973 году, через несколько месяцев после начала войны на Ближнем Востоке, израильскими ракетами с ИК ГСН Shafrir, конструкция которых основывалась на конструкции Sidewinder, было сбито около десятка сирийских самолетов. В октябре 1973 года, на египетском фронте, израильтяне сами понесли тяжелые потери от советских ракет с ИК ГСН "Стрела-2М". ЗУР "Стрела-2М" были оснащены фильтрами, которые в определенной степени устраняли один из основных недостатков систем с ИК-самонаведением - высокую вероятность ложных тревог, что вызывало перезахват ими других тепловых источников. Эксплуатация ПЗРК "Стрела-2М" была проста, они могли переноситься за плечом одним солдатом. Они оказались смертельным оружием для израильских самолетов, которые были вынуждены летать низко, чтобы избежать обнаружения поисковыми РЛС и стрельбовыми РЛС ЗРК "Куб". К счастью для израильтян, мощность взрывчатки боеголовок ЗУР "Стрела-2М" была ограничена их малыми размерами; иначе они стали бы настоящими убийцами израильских самолетов.

Однако ракеты с ИК ГСН имели и несколько недостатков. Наиболее серьезным недостатком Sidewinder было то, что часто, вместо того, чтобы самонаводиться на цель, она летела на более мощный источник: солнце, солнечные блики отраженные от облаков, наземные тепловые объекты и даже, в некоторых случаях, на собственные самолеты. Также, она имела серьезное ограничение, и требовала проведения атаки фактически с самого опасного ракурса для самолета - ЗПС, с целью направления ракеты на наиболее нагретую точку самолета - сопло реактивного двигателя.

Такие серьезные ограничения обуславливались тем, что ИК-датчики ГСН были не чувствительны к длинноволновому участку ИК-спектра. Например, самолету приходилось осуществлять атаку из ЗПС, поскольку датчик на сульфате свинца ракеты Sidewinder реагировал только на длины волн относящиеся к излучению нагретого металла выходных устройств реактивных двигателей. Был необходим ИК-датчик, который реагировал бы на весь спектр излучения шлейфа реактивного двигателя так, чтобы ракета могла атаковать независимо от пространственного положения или траектории полета самолета противника. С точки зрения техники, было необходимо разработать ИК-датчик, который не реагировал бы на длину волны 2,5 мкм (относящуюся к солнечным лучам, отраженным от облаков и излучению раскаленного металла сопла реактивного двигателя), а на длину волны 5 мкм - излучаемую истекающими газами. Этого добились методом охлаждения датчика до температур, называемых криогенными (от греческого слов "криос" - интенсивное охлаждение). Такие температуры значительно ниже тех, которые можно получить с помощью обычных приборов охлаждения.

Сегодня, большинство первых недостатков ракет с ИК-самонаведением различными способами устранено, например применением фильтров, и теперь они являются критически важным оружием в арсеналах многих стран. Сегодня часто используются комбинированные системы наведения, в которых РЛС используется для измерения дальности, а ИК-система для нахождения цели или в качестве вспомогательной в случае нейтрализации РЛС средствами РЭП. Также ИК-системы применяются для дискриминации "горячих" целей (например, кораблей и самолетов) от тех, которые не излучают тепло (например, ПРЛО).

Оглядываясь на несколько десятков лет назад, мы можем заметить, что каждый раз, когда на сцене появлялась новая система оружия, параллельно ей разрабатывались и средства противодействия, способные нейтрализовать или уменьшить ее эффективность. Сначала так произошло с РЛС, а теперь происходит с ИК-системами. Однако информацию, касающуюся ИК-противодействия (IRCM), трудно получить, поскольку такие разработки являются предметом особой секретности. Тем не менее, несомненно, что многие страны выделили значительные интеллектуальные и финансовые ресурсы на разработку противодействия системам оружия с ИК-наведением.

ИК СПО или Системы предупреждения о ракетной атаке (СПРА), которые имеют функции совершенно идентичные СПО, уже существуют. При установке на самолет, они предупреждают летчика о приближении ракеты. ИК-датчик или обнаруживает тепло (ИК-энергию) излучаемую ракетой во время пуска; или в течение активного участка ее полета (когда работает двигатель. Прим. переводчика); или обнаруживает тепловой нагрев корпуса, вызванный трением ракеты в атмосфере. Такое раннее предупреждение позволяет летчику выполнить соответствующий противозенитный маневр, отстрелить ИК-ловушки или включить ИК-системы, чтобы повлиять на траекторию полета ракеты, если она имеет ИК-наведение. Такие устройства постановки помех или введения в заблуждение ракет с ИК ГСН базируются на новых концепциях, таких как излучение лазерных лучей, которые могут повредить или даже выжечь ИК-датчик. Другой метод IRCM заключается в нагреве специальной мембраны горючим материалом излучающей модулированную по специальному закону ИК-энергию. В других системах, для генерирования ИК-энергии воздействующей на ИК ГСН ракет, используется сжигаемый в специальных контейнерах газ пропан или дуговые лампы.

Во время войны Йом-Кипур, значительный успех принесло применение ИК-ложных целей. Для увода ракет с ИК ГСН с курса выбрасывались или выстреливались пиротехнические устройства: ИК-пиропатроны и ловушки, генерировавшие значительно большую энергию, чем защищаемая ими цель, но с теми же самыми ИК-параметрами. Открылась совершенно новая область РЭБ.

 

Предыдущая                        Содержание                         Следующая