Битва в ионосфере - Александр Бабакин

С 1961 по 1964 гг. головной организацией НИИДАР в кооперации с организациями России и Украины в г. Николаеве был создан экспериментальный макет загоризонтного радиолокатора с использованием мощных передатчиков и антенн одного из радиоцентров Министерства связи. На этом макете в 1964 г. получены первые в бывшем Советском Союзе загоризонтные обнаружения стартов баллистических ракет на дальности ~ 3000 км (руководители работ В.А. Шамшин и Э.И. Шустов).

В 1965-72 гг. макет несколько раз модернизировался. В 1967-68 гг. на этом макете впервые были обнаружены самолеты на дальности одного скачка (Э.И. Шустов, О.Б. Сливницкий). А в 1969 г. обнаружены запуски с полигона мыса Канаверал космических кораблей «Аполлон» на дальностях 9-10 тыс. км (В.П. Чепига, Ю.К. Калинин).

В 1962-72 г.г. было изготовлено несколько измерительных радиолокационных пунктов в декаметровом диапазоне радиоволн. С помощью этих пунктов в прямой видимости были измерены эффективные отражающие поверхности ионизированных следов баллистических ракет, стартующих с полигонов Байконур, Капустин Яр, Плесецк (И.М. Заморин).

На первых этапах этих работ, до перехода к натурным испытаниям, основное внимание было уделено теоретическому исследованию и математическому моделированию на больших ЭВМ следующих задач:

— определение геофизических условий, при которых состояние ионосферы является наиболее благоприятным для распространения коротких радиоволн на большие расстояния, в том числе и на расстояния, превышающие пределы первого скачка;

— разработка методики определения рабочих частот, оптимальных для данного сезона и времени дня, а также для данных ионосферных условий;

— исследование активных и пассивных помех в коротковолновом диапазоне;

— разработка методики расчета аппаратурного и реального потенциала станции, необходимого для заданной вероятности обнаружения с учетом затухания на трассе.

Кроме того, по специальной программе проводились экспериментальные исследования величины эффективной отражающей поверхности самолетов и ионизированного следа ракет в коротковолновом диапазоне.

Большой объем работ был выполнен по разработке алгоритмов и программ первичной и вторичной обработки, применительно к специфическим условиям загоризонтной радиолокации.

3. Опытно-конструкторские и исследовательские работы

В период 1966-72 гг. был разработан и создан на юге Украины опытный образец загоризонтного радиолокатора. В 1976 г. он был существенно модернизирован. Была создана также специальная станция обзора трасс, предназначенная для диагностики ионосферы и исследования сигналов возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ). В этой дополнительной станции использовалась кольцевая фазированная антенная решетка и многоканальный компьютеризированный приемник. Сектор наблюдения опытного образца был оборудован измерительными пунктами для исследования условий распространения декаметровых радиоволн. В составе вынесенных измерительных средств были ионосферные станции, измерители кругосветных эхо-сигналов, имитаторы радиолокационных сигналов, высотные измерители поля. Многочастотные высотные измерителя поля размещались на борту вертикально стартующих геофизических ракет. С помощью этих измерителей в 1974-78 гг. на удалениях 6–7 тыс. км были измерены профили напряженности электромагнитного поля для различных высот до 250 км в различных геофизических ситуациях. На опытном образце ЗГРЛС отрабатывались аппаратурные и программно-алгоритмические решения загоризонтных радиолокаторов.

Были отработаны методы сложения в пространстве мощностей передатчиков в широком диапазоне радиоволн с практически мгновенной перестройкой частоты в широкой полосе. Отработаны методы электронного фазо-фазового управления лучами передающей и приемной антенн в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Отработаны аппаратурные и программно-алгоритмические решения анализа помеховой обстановки и автоматического выбора рабочей частоты с минимальным уровнем помех.

Большое внимание уделялось способам обработки информации и выделения сигналов на фоне мощных активных и пассивных помех, включая корреляционную обработку, аналоговые и цифровые методы узкополосной фильтрации доплеровских частот, траекторную обработку и др. Был выполнен большой объем исследований условий дальнего и сверхдальнего (включая кругосветные трассы) распространения декаметровых радиоволн в различных геофизических условиях. Отработаны методы оптимизации частотно-угловых режимов работы станции и автоматического выбора диапазона оптимальных рабочих частот. В целом были отработаны методы комплексной адаптации загоризонтных радиолокаторов к непрерывно изменяющейся помеховой обстановке и геофизическим условиям на трассе и автоматического обнаружения целей.

В ходе этих работ были произведены обнаружения большого количества запусков баллистических ракет как попутных, так и специальных на дальностях 3, 6 и 7 тыс. км, включая групповые старты ракет.

На станции с комплексом вынесенных средств был отработан натурно-математический метод испытаний загоризонтных радиолокаторов. Метод базировался на разработке математических моделей ионосферы и распространения радиоволн, эффективных отражающих поверхностей и сигналов целей, помеховой обстановки и аппаратурно-программного комплекса. По результатам натурных работ на станции с комплексом вынесенных средств производилась калибровка моделей и их проверка по реальным запускам баллистических ракет. Составленная из таких моделей комплексная модель загоризонтного обнаружения совместно с моделями налета целей использовалась для испытаний боевых загоризонтных РАС (Ф.А. Кузьминский, Э.И. Шустов, В.Н. Стрелкин).

Основным явлением, которое было положено в основу обнаружения стартующих ракет, является отражение коротких радиоволн с большим РЛ поперечным сечением (ЭПР) от расширяющегося потока частично ионизированных продуктов сгорания ракетного топлива на ионосферных высотах 100–300 км (130 сек. полетного времени). Во время проведения этих экспериментов было установлено, что с помощью узкого (по углу места) передающего луча, прижатого как можно ближе к горизонту, часть излученной энергии может войти в ионосферные каналы при их возбуждении через рефракцию. Были выявлены также другие механизмы возбуждения скользящего распространения, включая рефракцию на крупномасштабных неоднородностях и диффузию пучков на случайных неоднородностях ионосферы. Механизм скользящего распространения определил основные особенности использования этого первого поколения советских ЗГ радаров. Достаточное количество экспериментальных обнаружений специально запланированных запусков ракет было проведено на расстоянии 3 и 6 тыс. км. Следует отметить, что Николаевский загоризонтный радар был экспериментальным, поэтому все типы явлений и распространений тщательно изучались.

Наряду с работами по обнаружению стартующих ракет проводились также работы по обнаружению воздушных целей. После доработок аппаратуры и программного обеспечения в 1974-76 гг. под руководством Ю.К. Гришина и Э.И. Шустова была выполнена серия испытаний по обнаружению самолетов в пределах первого скачка при дальности до 3000–3500 км. На этом этапе работ были решены основные научные и технические задачи, которые нужно было решить для создания боевых станций загоризонтного обнаружения самолетов.

4. Создание и испытания боевых станций

К сожалению, вплоть до 1972 г. не имелось достаточно достоверных и надежных экспериментальных данных по обнаружению стартующих ракет, подтверждающих высокую надежность механизма канального распространения, на котором основано обнаружение целей в диапазоне дальностей от 9 до 12 тыс. км. Тем не менее, в 1972 г. были приняты решения по сооружению двух рабочих (боевых) загоризонтных радаров для дальнего обнаружения стартующих с континента США ракет. В течение 1975–1979 гг. обе эти станции были созданы: первая недалеко от знаменитого Чернобыля (Украина) и вторая — вблизи Комсомольска-на-Амуре (российский Дальний Восток) (Ф.А. Кузьминский, Э.И. Шустов, Г.А. Лидлейн).

В основных чертах они повторяли Николаевский прототип, но были более сложными и дорогими. Передающая система содержала две отдельные антенны: для низкочастотной части (5-14 МГц) и для высокочастотной части (14–28 МГц) частотного диапазона. Полная мощность 26 передатчиков составляла примерно 1,5 МВт. Для примера, любители-коротковолновики используют для связи на огромных расстояниях передатчики мощностью всего в десятки ватт. Каждая передающая антенна содержала по 13 мачт с 10 диполями на каждой. Приемная система состояла из двух отдельных антенн, каждая из которых включала по 30 мачт и имела длину 500 м и 250 м соответственно. Двадцать четыре приемника использовались для непрерывного обзора пространства. Специальная круговая антенна, аналогичная николаевской, содержащая 256 вертикальных диполей (300 т; Н = 7,6 м; Н= 15 м), была установлена для кругосветного контроля ионосферы в реальном масштабе времени по всем направлениям и обеспечивала потребности процедуры выбора частоты. Большое количество экспериментальных исследований было выполнено на этих боевых радарах в 1981–1984 гг. по обнаружению стартующих ракет, по изучению распространения радиоволн в полярной шапке, наблюдению за осуществлением американской программы Спейс-Шаттл, измерению параметров орбит спутников и т. д.