Пассивная инфракрасная система самонаведения



В пассивной инфракрасной системе для наведения ракет на цель используется инфракрасный (тепловой) контраст цели. Чувствительным прибором, определяющим на-

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 

 



правление на цель, является инфракрасная (тепловая) головка самонаведения. На рис. 23 показана схема инфракрасной головки самонаведения [13].

Головка самонаведения обеспечивает получение сведений о цели, необходимых для наведения ракеты на цель. Основным элементом тепловой головки самонаведения является координатор цели, который, как и радиолокационные координаторы, измеряет угол рассогласования, т. е. угол между оптической осью координатора и направлением на цель. Инфракрасная головка, представляющая собой, по существу, теплопеленгатор, получила наибольшее практическое применение среди различных пассивных головок самонаведения.

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

Принцип построения пассивной инфракрасной головки самонаведения показан на рис. 24 [14]. Поступающие от цели, а также отраженные и собственные излучения фона собираются оптической системой и фокусируются на поверхности чувствительного элемента. Информация о цели от чувствительного элемента в виде электрического сигнала поступает в электронную схему (усилитель и блок выделения команды). Конечным звеном схемы являются сервомеханизмы, связанные с рулями управления. Элементы схемы от входной оптики до электронной схемы называют тепловым координатором цели.

Инфракрасные лучи. Невидимые для глаза инфракрасные лучи представляют собой электромагнитные излучения, спектр которых лежит в области частот между видимыми лучами и ультракороткими радиоволнами.

Некоторые свойства инфракрасных лучей присущи как лучам видимого света, так и радиоволнам. Например, для фокусировки инфракрасных лучей используют такие же параболические зеркала и линзы, как и для фокусировки лучей видимого света. Вместе с тем инфракрасное излучение проникает через некоторые материалы, непрозрачные для видимого света (картон, черная бумага, кремний, германий и даже асфальт).

Инфракрасные лучи при прохождении в атмосфере, например, в условиях дымки, небольших осадков, слабого тумана, ослабляются значительно меньше, чем лучи видимого света. Однако при плотном тумане, снеге, дожде, а также при искусственной маскировке (дымовых завесах) это преимущество инфракрасных лучей по сравнению с видимыми почти полностью теряется. Инфракрасные лучи называют иногда тепловыми, так как они излучаются нагретыми телами.

Все тела излучают инфракрасные лучи.

Исключением являются абсолютно холодные тела с температурой —273° С. Интенсивность излучаемых колебаний зависит от температуры и физических характеристик излучающей поверхности объекта. Мощным источником инфракрасного (теплового) излучения являются двигатели самолетов, танков и кораблей. Большое количество тепла излучают двигатели ракет на активном участке полета. Мощное инфракрасное излучение характерно для промышленных объектов: доменных печей, металлургических и коксохимических заводов, тепловых электростанций. Интенсивно излучают инфракрасные лучи трубы промышленных предприятий и кораблей. Головная часть баллистической ракеты на конечном участке траектории при полете в плотных слоях атмосферы с большой скоростью нагревается до большой температуры, а следовательно, также является хорошим источником инфракрасных лучей.

Нагретые тела излучают инфракрасную энергию, охватывающую широкий диапазон длин волн. Длина волны, которой соответствует максимальная энергия инфракрасного излучения, определяется температурой цели. С увеличением температуры цели (рис. 25) характеристики инфракрасного излучения изменяются в двух направлениях: длины волн, соответствующие максимальной энергии излучения, уменьшаются, а полная энергия излучения увеличивается в четвертой степени от температуры цели.

 

 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

Мощность инфракрасного излучения на единицу площади определяется законом Стефана-Больцмана:

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

Величина коэффициента излучения ε зависит от материала и от качества обработки его поверхности. Мощность инфракрасного излучения объекта зависит от абсолютной температуры, а также от состояния его поверхности. Чем чище и светлее поверхность, тем меньше инфракрасной энергии может излучить объект при данной температуре. Например, самолет с хорошо полированной светлой обшивкой может излучить только 10% энергии, которую мог бы излучить самолет при той же температуре с обшивкой, окрашенной в черный цвет.

В соответствии с формулой Стефана-Больцмана самолет при температуре 900° С излучил бы примерно 10 вт/см2 при коэффициенте излучения ε = 0,95 (обшивка черного цвета) и всего 1,05 вт/см2 при коэффициенте ε = 0,1 (светлая полированная обшивка).

Приемники инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение принимается устройствами со специальными чувствительными элементами, преобразующими падающую на них лучистую энергию в энергию электрического тока.

В качестве чувствительных элементов для приема инфракрасного излучения могут применяться термопары, болометры и фотоэлементы. Термопары и болометры одинаково хорошо реагируют на излучение почти во всем диапазоне инфракрасных волн, обладают хорошей чувствительностью (10-6 - 10-10 вт) и могут быть использованы для обнаружения целей, имеющих температуру, незначительно превышающую температуру окружающего фона. Но они имеют большую инерционность (0,01 - 0,02 сек), так как принцип их работы основан на нагреве чувствительного элемента [13].

В фотоэлементах используется три вида фотоэлектрического эффекта: внешний, внутренний и в запирающем слое. В тепловых головках самонаведения чаще всего применяют фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые обычно фотосопротивлениями.

При внутреннем фотоэффекте энергия падающего лучистого потока расходуется на увеличение числа свободных электронов внутри вещества. Электрическая проводимость вещества в этом случае повышается.

Таким образом, внутренним фотоэффектом называется явление увеличения электропроводимости вещества под действием падающей на него лучистой (световой или инфракрасной) энергии. Эту дополнительную электропроводимость называют фотопроводимостью.

Внутренний фотоэффект особенно сильно проявляется в полупроводниках. В зависимости от природы полупроводника (электронной или дырочной) носителями тока могут являться как электроны, так и дырки (недостаток электронов в атоме).

При облучении лучистой энергией полупроводника электроны, находящиеся внутри него, приобретают дополнительную энергию и из связанных превращаются в свободные. В результате проводимость полупроводника возрастает. Чем интенсивнее облучается полупроводник, тем сильнее уменьшается его сопротивление.

Конструкция фотосопротивления (рис. 26) весьма проста: на подложку 1 (чаще всего она стеклянная) наносят очень тонкий слой полупроводника 2 и поверх слоя металлические электроды 3. Полученная пластинка помещается в пластмассовую оправу или в стеклянный корпус с прозрачным для падающего излучения окном. Металлические электроды, осуществляющие надежный контакт с краями фотосопротивления, присоединяются к выводам, включаемым в цепь последовательно с источником питания. Чувствительный слой покрывается тонкой пленкой лака для защиты фотбсопротивления от окружающей среды. Эта пленка должна быть прозрачной для принимаемых излучений. Для повышения чувствительности фотосопротивления обычно сильно охлаждают. Фотосопротивления до определенной частоты модуляции практически безынерционны (время реагирования от нескольких микросекунд до миллисекунд).

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 

 

В настоящее время созданы и разрабатываются фотосопротивления различных видов. При создании новых типов приемников инфракрасных лучей за границей стремятся к переходу в более длинноволновую область инфракрасного спектра. Стремление к освоению этой области спектра объясняется тем, что приемники, чувствительные к длинноволновым излучениям, позволяют обнаруживать низкотемпературные объекты, что повышает эффективность действия инфракрасных приборов.

 

На рис. 27 приведены спектральные характеристики наиболее распространенных в настоящее время полупроводниковых сопротивлений [16].

Диапазон волн, в котором наблюдается наибольшая чувствительность фотосопротивления, зависит от материала. Так, например, сернисто-свинцовые фотосопротивле

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

ния PbS обладают максимальной чувствительностью в диапазоне 3—3,5 мк. У фотосопротивлений, в состав которых входят теллуристый РbТе или селенистый свинец PbSe, максимум чувствительности лежит в области более длинных волн, но они менее чувствительны. Понижение чувствительности таких фотосопротивлений компенсируется значительным увеличением спектра принимаемых длин волн инфракрасного излучения.

Полупроводниковые фотосопротивления, разработанные в последние годы (германий, сурьмянистый индий и др.), способны работать на волнах до 10 мк. Эти фотосопротивления позволяют обнаруживать объекты с низкотемпературным излучением. Монокристалл антимонида индия может использоваться не только при глубоком охлаждении, но и при комнатной температуре. При этом, хотя общая его чувствительность уменьшается, спектральный диапазон от 1 до 6 мк практически охватывается полностью. Эти фотосопротивления очень быстро реагируют на изменение лучистого потока (постоянная времени меньше одной микросекунды).

Особенно широко используется для изготовления фотосопротивлений специально обработанный германий с различными примесями. Так, если чистый германий обнаруживает инфракрасное излучение с длиной волны лишь до 1,8 мк, то при введении некоторых примесей максимум чувствительности сдвигается в область более длинных волн, что позволяет успешно использовать германиевые фотосопротивления для обнаружения целей, температура которых невелика. Так, одна американская фирма [16, 17] разработала фотоэлементы из германия, легированного золотом и охлаждаемого до температуры жидкого азота (—195°С). Эти фотоэлементы имеют пороговую чувствительность 5*10-11 вт, постоянную времени 0,2 мксек и максимум излучения на 10 мк.

Чувствительные элементы приемников излучения, используемых в тепловых головках самонаведения, обычно весьма малы, что необходимо для повышения чувствительности. Отношение площади входного отверстия -оптической системы к площади чувствительного элемента приемника определяет оптическое усиление системы. Чем больше оптическое усиление, тем меньше облученность входного отверстия оптической системы, при которой еще возможно наведение, и, следовательно, тем больше дальность поражения цели.

Для повышения чувствительности и расширения полосы принимаемых частот фотосопротивления сильно охлаждают (рис. 27). При охлаждении сернистого свинца до температуры 193° К полоса улавливаемых частот расширяется примерно на 0,5 мк, а чувствительность увеличивается более чем в 10 раз. Необходимо, однако, отметить, что с охлаждением возрастает инерционность фотосопротивлений.

Обтекатели для инфракрасных систем. Инфракрасные системы самонаведения, как и радиолокационные, снабжаются обтекателем (рис. 23), который должен обладать высокой прозрачностью по отношению к инфракрасным лучам того участка спектра, в котором работает головка самонаведения. Обтекатель должен быть также достаточно прочным и выдерживать высокую температуру.

По мнению иностранных специалистов, еще не получен такой материал, который полностью удовлетворял бы всем требованиям.

Количество прочных и стойких материалов, пропускающих инфракрасное излучение с длиной волны более 3 мк, очень мало. Наиболее распространены: трехсернистый мышьяк, кремний, искусственный сапфир, кварц, фтористый литий, кристалл окиси магния и флюорит. Каждый

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

из этих материалов наряду с преимуществами имеет и недостатки [6].

Так, например, обтекатель из трехсернистого мышьяка (фирменное название — сервофакс) пропускает приблизительно 70% инфракрасной энергии в диапазоне волн от 1,5 до 10 мк и относительно недорог. Однако этот материал не может удовлетворительно работать при температуре свыше 150° С, возникающей вследствие аэродинамического нагрева обтекателя при больших скоростях полета [18].

На рис. 28 изображены кривые пропускания для кварца, искусственного сапфира, фтористого лития (LiF), кристалла окиси магния (MgO) и флюорита (CaF2).

Из графиков видно, что эти материалы по-разному пропускают инфракрасные лучи до 9—11 мк [6].

Оптические системы. Оптическая система тепловой головки устанавливается в головной части ракеты и предназначена для собирания лучистого потока, падающего на приемное окно координатора цели, и направления его на чувствительный элемент. Оптическая система, используемая для тепловых координаторов цели, может быть линзовой, зеркальной или смешанной.

Линзовая оптическая система состоит из одной линзы или нескольких линз. Испускаемый фоном и целью лучистый поток приходит к поверхности первой линзы в виде пучка параллельных лучей. Обычно в координаторах применяют собирательную линзовую систему, поэтому лучи после преломления собираются в фокальной ПЛОСКОСТИ; (рис. 29), в которой устанавливается чувствительный элемент.

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

Оптическая система характеризуется углом зрения 2β, площадью приемного окна Sпр и фокусным расстоянием f. Угол зрения координатора обычно берется небольшим, что уменьшает возможность попадания на чувствительный элемент лучистой энергии от мешающих предметов, фона и других целей.

Площадь приемного окна для линзовых систем определяется диаметром объектива d. Чем больше площадь приемного окна, тем большее количество лучистой энергии может быть собрано и сфокусировано на чувствительный элемент. Но не весь лучистый поток, попадающий на приемное окно теплового координатора, проходит линзовую оптическую систему. Часть лучистой энергии теряется. Потери обусловлены поглощением, рассеянием и отражением лучистой энергии в оптике. Это основной недостаток линзовой системы.

Зеркальная оптическая система (рис. 30) представляет собой параболическое зеркало, которое собирает лучи в одной точке (фокусе), в которой располагают чувствительный элемент. Поверхность тщательно обработанного зеркала покрывают тонким слоем хорошо отражающего инфракрасные лучи материала (серебро, золото, медь или алюминий), который для инфракрасных лучей длиной волны в 1—2 мк имеет коэффициент отражения выше 95% [19]. Такие зеркала хорошо отражают и более
 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

длинные инфракрасные волны. Обычно используют алюминий, хорошо отражающий ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лучи [6].

В зеркальной оптической системе теряется незначительная часть принятой энергии. К тому же зеркальная система значительно проще линзовой. Она имеет большую площадь приемного окна, что весьма выгодно, так как от этого зависит дальность действия теплового координатора цели.

Для уменьшения размеров длиннофокусной зеркальной системы (рис. 30, а) между зеркалом и обтекателем помещают плоское вторичное зеркало 4 (рис. 30,6). Недостатком как линзовых, так и зеркальных оптических систем является сферическая аберрация.

Смешанные (зеркально-линзовые) оптические системы (рис. 31) уменьшают аберрацию линзы или зеркала. Но конструкция такой системы усложняется: возрастают потери лучистой энергии в дополнительно устанавливаемых линзах и зеркалах. Причем, чем больше поверхностей встречает на своем пути луч, тем значительнее потери лучистой энергии. Так, например, если коэффициент отражения поверхности, покрытой алюминием, равен 90% в видимой части спектра и 95% в инфра-
красной области до 10 мк [6], то при отражении луча от двух алюминиевых поверхностей коэффициенты отражения соответственно уменьшаются до 81 и 90%.

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

Модулирующие устройства позволяют автоматически определять угол отклонения цели от оптической оси координатора и представляют собой диск-заслонку с прозрачными и непрозрачными участками различной конфигурации. Диски располагаются на пути распространения инфракрасных лучей между чувствительным элементом и оптикой (рис. 32) и предназначены для преобразования (модуляции) входящего лучистого потока в переменный сигнал. Форма прозрачных и непрозрачных участков дисков выбрана такой, что любое отклонение луча вызывает изменение формы или частоты модулируемого сигнала. Переменный сигнал используется для автоматического сопровождения цели почти так же, как и в радиолокационном координаторе.

Познакомимся с некоторыми модулирующими дисками, нашедшими применение в немецких головках самонаведения. Так, в тепловой головке «Гамбург» модулирующая заслонка имела вид, показанный на рис. 33, а; в головке «Мадрид» прозрачным был лишь один квадрант круга (рис. 33, б),

На рис. 33, в показан диск, с помощью которого направление на цель определялось в полярных координатах. Непрозрачная заслонка вырезана по спирали Архимеда, поэтому в фотоэлементе возникают импульсы тока, длительность которых пропорциональна удалению изображения от центра заслонки. Импульсы фототока сравнивались

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

с синусоидальным опорным напряжением. Выработанное в результате этого сравнения управляющее напряжение подавалось на рулевые органы.

Для определения положения цели в одной плоскости применяют модулирующий диск, имеющий два разделенных между собой растра. На каждом растре нанесены чередующиеся светлые и темные штрихи, причем число штрихов на внутреннем и внешнем растрах неодинаково (рис. 33,г).

Предположим, что изображение цели, сфокусированное объективом, попадает на внешний растр 1. Цель в этом случае находится ниже оптической оси, так как объектив перевертывает изображение. Если модулирующий диск вращать с постоянной скоростью, то лучистый поток от цели будет прерываться (модулироваться) с частотой F1, так как на чувствительный элемент лучистый поток попадает только в тот момент, когда светлый штрих растра находится против изображения цели. Если изображение цели попадает нa внутренний растр 2, частота модуляции лучистого потока будет равна F2. Лучистый поток вообще не будет модулироваться, когда изображение цели попадает на разделительную линию. Это означает, что ось координатора точно направлена на цель.

Таким образом, при помощи модулирующего диска удается получить на выходе чувствительного элемента серии импульсов, частота которых зависит от положения цели относительно оптической оси координатора в одной плоскости. Если цель располагается ниже оси координатора, то частота импульсов будет равна F1, если выше -- F2.

Для однозначного определения направления на цель в двух плоскостях применяют модулирующее устройство с двумя дисками. Благодаря установке двух модулирующих дисков с различным числом прорезей (рис. 33, д) образуются четыре перекрывающихся поля, каждое из которых определяет две частоты из четырех возможных частот модуляции. С выхода усилителя такая смесь частот подается на фильтрующие каскады. По выделенным сигналам судят об отклонении ракеты от цели [8].

При применении простейших модулирующих дисков, рассмотренных выше, сигнал на выходе чувствительного элемента зависит лишь от знака угла рассогласования (вверх или вниз, вправо или влево), но не зависит от величины этого угла. Для того чтобы получить управляющие сигналы, пропорциональные углу отклонения оси ракеты от направления на цель, модулирующие диски должны быть более сложными (рис. 33, е).

Разложение принимаемого сигнала по двум каналам. Процесс самонаведения. В иностранной печати [8] приводится схема головки самонаведения с двумя модулирующими дисками (рис. 34).

Лучистый поток от цели воспринимается объективом 7, проходит через фильтр 2 и модулирующие диски 3. Модулирующие диски вращаются электродвигателем 5, число оборотов которого поддерживается постоянным с помощью регулятора оборотов 4.

В зависимости от того, на какой растр попадет изображение цели, т. е. в зависимости от положения цели относительно ракеты, ее излучение будет модулироваться вращающимися дисками с той или иной частотой.

Лучистая энергия от цели и фона, пройдя модулирующие диски, фокусируется конденсором 6 на фотосопро-

 

 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 

 

тивление 7. Затем сигнал усиливается, разделяется фильтрами и используется для наведения ракеты.

Рассмотрим работу схемы. Предположим, что ось координатора совпадает с осью ракеты и с направлением на цель. В этом случае лучистый поток от цели попадает на фотосопротивление через безрастровые полоски дисков. На выходе схемы не образуется управляющих напряжений, и рули не изменят направления полета ракеты.

Если цель отклонилась от оси координатора, то лучистый поток будет модулироваться с определенными частотами. Один диск будет модулировать лучистый поток с частотой F1 или F2 (при отклонении цели вверх или вниз от оптической оси), а второй — с частотой F3 или F4 (при отклонении цели влево или вправо). Два диска нужны для того, чтобы обеспечить управление по двум каналам: тангажу и курсу. Диски вращаются синхронно от одного двигателя, но выполнены так, что модулируют лучистый поток поочередно. Для этого одну половину каждого из дисков делают прозрачной. Диски устанавливают так, чтобы штрихи растров не накладывались друг на друга, а безрастровые полоски пересекались на оси координатора под прямым углом. Если число штрихов на растрах разное, то частота модуляции потока будет характеризовать направление отклонения цели относительно оси координатора: вверх, вниз, влево, вправо.

Рассмотрим, как же происходит выделение сигналов и соответствующий поворот рулей.

Слабые импульсы переменного электрического тока, получаемые на выходе фотосопротивления, усиливаются двухкаскадным усилителем (Л 1 и Л2).

Нагрузкой второй лампы являются включенные последовательно четыре фильтра Ф1—Ф4, образованные первичными обмотками трансформаторов Тр1—Тр4 и конденсаторами. Фильтры настроены на различные частоты (соответственно F1 — F4). Каждый фильтр с помощью вторичных обмоток трансформаторов связан с выпрямительными мостиками В1—В4. Выпрямительные мостики В1 и В2 питают обмотку поляризованного реле Р1, а мостики ВЗ и В4 — обмотку поляризованного реле Р2.

При поступлении на цепочку фильтров усиленных электрических сигналов с частотой F1 (цель ниже оси координатора) в первичной обмотке трансформатора Тр1 фильтра Ф1 возникает переменное напряжение. Выпрямитель В1 выпрямляет наводимое во вторичной обмотке трансформатора переменное напряжение, создавая на зажимах а — b напряжение U1, которое условно примем за положительное.

При поступлении на фильтры усиленных электрических сигналов с частотой F2 (цель выше оси координатора) на фильтре Ф2 возникает переменное напряжение. Выпрямитель В2 выпрямляет это напряжение, создавая на зажимах а—b напряжение U2 противоположного знака. Будем условно считать напряжение U2 отрицательным. Положительное напряжение (цель ниже оси координатора) вызывает срабатывание поляризованного реле Р1 и переброс его подвижного контакта в положение 1. Если цель находится выше оси координатора, то подвижный контакт займет положение 2. Таким образом, в зависимости от направления тока в обмотке поляризованного реле Р1 его якорь замкнет контакты 1 или 2. В соответствии с этим напряжение силовой батареи будет подано на одну или другую половину обмотки возбуждения исполнительного двигателя руля тангажа.

Двигатель руля тангажа поворачивает посредством червячных передач руль тангажа. Аэродинамический момент, созданный рулем, направляет ракету на цель. Как только ось ракеты совпадет с направлением на цель, сигнал уменьшится до нуля и корректирующее напряжение исчезнет. Аналогично работает и канал курса. Таким образом, в любой момент подается напряжение на двигатель управления по тангажу или курсу в зависимости от того, растр какого диска модулирует излучение от цели. Один из двигателей посредством червячных передач поворачивает в нужную cторону вертикальные рули ракеты, другой — горизонтальные. Отклонение рулей вызывает поворот ракеты относительно ее центра тяжести, и траектория полета ракеты изменяется в нужном направлении.

Время работы двигателя и, следовательно, угол поворота рулей зависят от времени нахождения реле Р1 и Р2 в возбужденнорл состоянии. В свою очередь время возбужденного состояния реле определяется длительностью импульсов переменного тока частоты F1 или F2 и F3 или F4, а значит, и величиной углового отклонения цели от оси координатора. Исполнительные двигатели поворачивают рули ракеты до тех пор, пока угловое отклонение не станет равным нулю.

Поиск цели и слежение за целью. Обычно тепловые координаторы имеют угол зрения не более +6 [20], поэтому для обнаружения цели координатор должен совершать поиск. Для поиска и слежения за целью, а также для удержания цели в поле зрения координатор устанавливают на гиростабилизированную платформу. Поиск обычно осуществляется путем подачи меняющихся по определенному закону напряжений на двигатели привода, которые разворачивают головку самонаведения, совершая обзор пространства по намеченному методу. При попадании цели, излучающей лучистый поток, в поле зрения приемного устройства координатора электрический сигнал от чувствительного элемента прекращает режим поиска и переключает двигатели привода координатора в режим автоматического слежения за целью.

Стабилизированная платформа монтируется в кардано- вом подвесе, который с помощью гироскопов стабилизируется по крену, тангажу и курсу так, чтобы сохранить угловое ориентирование платформы в пространстве постоянным, несмотря на движение ракеты. На платформе обычно монтируются две рамки с взаимно-перпендикулярными осями, которые поворачиваются соответствующими сервоприводами так, что ось прикрепленной к ним оптической системы теплового координатора наводится на цель.

Хотя описанная принципиальная схема тепловой головки самонаведения имеет мало общего с реальными конструкциями известных головок самонаведения, она дает наглядное представление об основах устройства и работы головок самонаведения.

Используемые тепловые координаторы цели более сложны и почти всегда содержат счетно-решающие и другие устройства, позволяющие обеспечить наведение ракеты по заданному методу и повысить точность наведения на цель [20].

На рис. 35 показана инфракрасная головка самонаведения американской ракеты класса «воздух — воздух» типа «Сайдуиндер». Головка имеет приемную оптическую систему с зеркальной оптикой, расположенной в носовой части ракеты. Снаружи инфракрасная головка закрыта обтекателем из материала, обладающего высокой прозрачностью для инфракрасных лучей. В фокусе оптической системы находится высокочувствительный и малоинерционный приемник из сернистого свинца, преобразующий тепловое излучение цели в электрические сигналы, которые с усилителей подводятся к системе управления (серворулям) ракеты.

Головка самонаведения обеспечивает автоматическое обнаружение цели и непрерывное удержание ее в поле зрения оптической системы.
 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

Дальность действия инфракрасной системы самонаведения зависит от многих факторов, точно учесть которые очень трудно. Для примерной оценки дальности действия тепловой головки самонаведения необходимо подсчитать интенсивность лучистого потока, воспринимаемого чувствительным элементом. Как уже было сказано, мощность инфракрасного излучения с единицы поверхности определяется законом Стефана-Больцмана, т. е.

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

Для подсчета мощности инфракрасного излучения со всей поверхности цели необходимо полученный результат умножить на площадь цели (источника излучения) Sц. Таким образом, излучаемая целью мощность

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

Однако входного отверстия оптической системы достигает незначительная доля общей мощности излучения цели. Величина Ф лучистого потока, достигающего приемника, определяется формулой

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 

 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

Для уверенного обнаружения и захвата цели по угловым координатам лучистый поток, испускаемый целью, должен превышать ту минимально допустимую величину ФПОР, которую в состоянии уловить приемник данной головки самонаведения. Величина ФПОР называется пороговой чувствительностью приемника и должна удовлетворять условию:

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

Из этого условия можно найти максимальную дальность действия тепловой головки

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

При расчетах необходимо учитывать, что величина ηатм не постоянна, а зависит от метеоусловий, высоты цели, дальности до нее и от других причин.

Величина ФПОР должна соответствовать пороговой чувствительности используемого приемника для данного типа излучения [6].

Преимущества и недостатки инфракрасных систем самонаведения. Инфракрасные системы обладают, с одной стороны, рядом существенных преимуществ по сравнению с радиолокационными, с другой стороны, имеют некоторые недостатки. В зависимости от условий боевого применения целесообразно использовать ту или иную систему самонаведения.

К достоинствам инфракрасных систем относят их малую подверженность помехам. В противоположность радиолокаторам инфракрасное излучение цели, по мнению иностранных специалистов, не может быть скрыто. Помехи, которые могут нарушить работу инфракрасной системы путем создания ложных источников излучения, создать чрезвычайно трудно.

По сравнению с радиолокационными инфракрасные головки самонаведения проще по конструкции, меньше по габаритам, легче и дешевле (рис. 36). Например, ракета «Фалкон» с радиолокационной головкой самонаведения стоит примерно в 10 раз дороже, чем ракета «Сайдуин- дер», несмотря на то, что они предназначены для выполнения одних и тех же задач. В тепловой головке «Сайдуиндер» используется всего семь электронных ламп, тогда как в ракете «Фалкон» их используется несколько десятков.

 
 

Пассивная инфракрасная система самонаведения

 
 

Кроме того, инфракрасные системы обладают высокой разрешающей способностью. Это обусловлено тем, что угловая разрешающая способность (способность выделять отдельные объекты) определяется отношением размеров входного отверстия оптики (или в случае радиолокационной системы — размерами антенны) к длине волны обнаруживаемого излучения [21]. Поэтому приборы, основанные на использовании инфракрасного излучения, обычно имеют гораздо большую разрешающую способность при меньших размерах действующего отверстия приемной антенны (оптики).

Инфракрасные системы работают на частотах в 1000— 10 000 раз выше частот, используемых в обзорных радиолокаторах.

Так, один из радиолокаторов, работающий на волне 8 мм, с диаметром рефлектора антенны в 300 мм способен на расстоянии 8 км различить два самолета как отдельные цели, если интервал между ними не менее 400 м. Тепловая головка, имеющая зеркальную оптическую систему диаметром всего 75 мм, способна в тех же условиях различить раздельно двигатели двухмоторного самолета [22].

Ракеты, управляемые инфракрасной головкой самонаведения, обладают высокой точностью наведения. В иностранной печати приводится следующий факт. Ракета класса «воздух — воздух» «Сайдуиндер», управляемая тепловой головкой самонаведения, сбивала источник излучения, установленный на концах крыльев, оставляя мишень неповрежденной [23].

Основным недостатком инфракрасных систем считают то, что они, являясь «пассивными» системами, не позволяют измерять расстояние до цели подобно тому, как это делается в радиолокационных координаторах. В результате этого цели, лежащие на одном направлении, создают серьезные помехи для наведения. К тому же дальность действия инфракрасных головок зависит от метеорологических условий и времени суток. Инфракрасные головки хорошо работают ночью и значительно хуже днем. Серьезно ограничивают применение ракет с тепловыми головками естественные помехи, такие, как излучение фона — ночного неба, облаков, окружающих строений, водной поверхности. Возможно ложное наведение ракет. Например, инфракрасная энергия солнца, отраженная от быстроменяю- щейся облачности, может отвлечь ракету от цели с реактивным двигателем. Для устранения этого недостатка приходится разрабатывать способы компенсации действия мешающего излучения [24].

Инфракрасные системы самонаведения могут применяться для ракет классов «земля — воздух», «воздух — воздух» и «воздух — земля». Для ракет класса «земля — земля» их применение считается возможным лишь в сочетании с другими системами наведения (например, с автономной).

За границей считают, что инфракрасная система перспективна для перехвата баллистических ракет.

 

 

Смотрите также