Вертолет, 2004 №2

Обзорно-прицельные приборы: выбор рациниьной конструкции

Обзорно-прицельная система современного и перспективного боевого вертолета — «сердце» боевого комплекса. От ее качества, технических характеристик в значительной мере зависит боевая эффективность вертолета. Современная обзорно-прицельная система представляет собой образец исключительно сложной оптико-электронной продукции, ее стоимость составляет значительную часть общей стоимости боевого комплекса, так что ошибка в выборе направления вектора разработки может вылиться в многомиллионные потери. В связи с этим очень важно правильно определить направления в развитии таких систем, чтобы избежать неоправданных затрат и освободить интеллектуальные и производственные мощности от непродуктивной работы.

Рис. 1. Составляющие поля допусков на «промах» ВТО

КН — канал наблюдения, точка прицеливания;

КУ — номинальное положение канала управления;

Р — параллакс КУ относительно КН;

О_с — суммарная ошибка слежения за целью;

Δφ — погрешность юстировки КУ относительно КН;

δ_с — «трубка» — погрешность системы управления.

Главной задачей обзорно-прицельной системы является управление вооружением и прежде всего — высокоточным оружием, поэтому само понятие «высокоточное оружие» (ВТО), на наш взгляд, нуждается в уточнении. В применении любого оружия можно выделить четыре обязательных фазы: поиск, обнаружение и распознавание цели (1); прицеливание (2); доставка средств поражения к цели или наведение (3); воздействие средств поражения на цель (4). Любая обзорноприцельная система предназначается для обеспечения всех этих фаз.

Эффективность оружия определяется точностью доставки средств поражения (СП), то есть попаданием в цель при минимальном расходе боеприпасов (в идеале — первым выстрелом), а также воздействием СП на цель. При этом результат воздействия часто определяется попаданием не в цель вообще, а именно в ее уязвимую часть. Очень часто к этому добавляется требование избирательности поражения, то есть нанесения минимального ущерба другим близко расположенным объектам. Таким образом, высокоточным называется такое оружие, которое обеспечивает попадание средств поражения в круг радиусом менее 1 м при всех заявленных дальностях и с вероятностью, близкой к 1. Как правило, это управляемое оружие, по крайней мере, оно должно быть таковым, если речь идет о дальностях свыше 1000 м, то есть за пределами возможностей снайперской стрельбы.

Управляемое оружие «воздух-поверхность» подразделяется на несколько подклассов по принципам наведения:

— так называемые трехточечные системы, в которых линия визирования цели является единственной базой для коррекции управляемого средства в процессе его доставки к цели;

— системы с самонаведением, использующие различные признаки цели;

— системы с телеуправлением от датчика, размещенного на управляемом средстве.

Первый подкласс (трехточечные системы) является наименее дорогим и наиболее распространенным во всем мире. В качестве примеров можно привести такие системы, как TOW, НОТ, Hellfire, «Штурм», «Вихрь». По-видимому, еще долгое время трехточечные системы будут иметь приоритет. Именно поэтому наша статья будет посвящена анализу принципов построения обзорно-прицельных систем для подкласса трехточечных систем. К тому же эти обзорно-прицельные системы могут быть использованы для наведения управляемого оружия других подклассов, а также для неуправляемого оружия. Рассмотрим некоторые существенные требования к обзорно-прицельной системе для рассматриваемого подкласса управляемого вооружения.

Поскольку базой управления является линия визирования (JIB), оптическая ось канала управления должна быть соосной или параллельной ЛВ с минимальной угловой погрешностью, так как эта погрешность целиком войдет в общую ошибку наведения ракеты. Общее поле ошибки будет складываться из нескольких компонентов: параллакс между оптическими осями канала наблюдения (КН) и канала управления (КУ); угловая погрешность между осями КН и КУ; суммарная ошибка слежения оператора, в которой поглощена ошибка стабилизации ЛВ; погрешность системы управления ракетой (рис. 1).

Параллакс — это конструктивный параметр, который может быть равен нулю, если КН и КУ выведены на одну оптическую ось или он определяется межцентровым расстоянием между осями КН и КУ. Практически эта величина может составлять 100–200 мм, она не зависит от дальности и не является случайной ошибкой.

Угловая погрешность между осями КН и КУ регулируется и минимизируется в заводских условиях. Практически удается обеспечить параллельность осей с погрешностью 20–30 с. Следует иметь в виду, что этот параметр подвержен изменениям в эксплуатации, связанным главным образом с температурными деформациями.

Ошибка слежения за целью с учетом качества системы стабилизации и подбора коэффициентов управления в системе «человек-машина» представляет угловую величину и составляет около 0,2° т. д. (тысячных дальности).

Современные системы управления позволяют «держать» ракету на траектории относительно ЛВ «в трубке» 0,5–0,6 м независимо от дальности.

Если привести эти компоненты ошибки к линейным размерам в картинной плоскости на удалении 5000 м и просуммировать их, получившаяся суммарная погрешность окажется несколько больше 1 (1,2–1,3 м), то есть выше принятого нами для ВТО критерия.

Из вышесказанного следует, в частности, несостоятельность предложения разместить КН и КУ на самостоятельных стабилизированных платформах, связав их между собой следящей системой, так как в лучшем случае при этом вклинивается ошибка в дистанционном сопряжении КН и КУ (не менее 2'), которая добавит к «промаху» дополнительно 3–4 м (на дальности 5000 м), что совершенно неприемлемо, так как система перестанет быть высокоточной.

Рис. 2. Принципиальная схема «зеркальной» обзорно-прицельной системы

Рис. 3. Принципиальная схема «платформенной» обзорно-прицельной системы

Таким образом, обзорно-прицельная система для реализации ВТО должна состоять, как минимум, из канала наблюдения и канала управления, оптические оси которых взаимно съюстированы и стабилизированы в инерциальном пространстве.

Для работы в дневное время канал наведения должен включать в себя оптический или телевизионный канал или оба эти канала. Если же система должна работать круглосуточно, в КН обязательно должен входить и тепловизионный датчик. Помимо этого, как правило, в состав обзорноприцельной системы включается лазерный дальномер.

Существуют две принципиально различающиеся конструктивные схемы построения обзорно-прицельных систем. В основе первой лежит гиростабилизированное зеркало, на плоскость которого сведены все необходимые каналы, размещенные неподвижно (рис. 2). Эту систему мы будем впоследствии называть «зеркальной», а вторую, в которой все каналы размещаются на единой стабилизированной платформе — «платформенной» (рис. 3).

Первую группу представляют отечественные приборы «Радуга», «Шквал» и иностранные разработки BEZU, SFIM, АРХ-334 и ряд других. Ко второй группе относятся российские приборы типа ГОЭС, американские системы TADS, М-65, французские Strix, Osiritis, Viviane и ряд других. Рассмотрим особенности обоих вариантов, их преимущества и недостатки.

Рис. 4. Зона обзора обзорно-прицельной системы

Рис. 5. Схема геометрических параметров «зеркальной» системы

D — диаметр светового потока

в _{в. н} — угол места (верх, низ)

β _п.л.- угол азимута (право, лево)

Л.В. -линия визирования

L-длина зеркала

L — расстояние до входного отверстия

Н_а — высота входного окна

В_б — ширина входного окна

Н_{в. н} — высота верхней (нижней) части входного окна

m _в.л. — проекция ЛВ на плоскость

h _в.н. — часть светового потока в плоскости окна

φ — угол падения (отражения)

Δφ _в.л. — поворот зеркала относительно нулевого положения (4–5 гр.)

П — «перископичность»

ξ _в.н. — предельное значение угла места (верх, низ)

Первая задача, которая возлагается на обзорно-прицельную систему (ОПС), — это поиск и обнаружение целей. Для этого ОПС должна иметь максимально возможную зону просмотра в связанной системе координат вертолета. Это позволяет производить разведку местности, не накладывая ограничений на траекторию полета вертолета. Иными словами, ОПС должна обеспечивать перемещение ЛВ по горизонтали и вертикали по командам операторов в широких диапазонах (рис. 4).

В «зеркальной» системе это достигается изменением наклона зеркала для перемещения ЛВ по вертикали и поворотом узла зеркала вокруг вертикальной оси для перемещения JIB по горизонтали. Конструктивно «зеркальная» ОПС, как правило, выполняется в виде перископа, у которого головное зеркало подвешено на кардане, гиростабилизировано и управляется по двум осям.

Поворот зеркала вокруг горизонтальной оси приводит к угловому перемещению ЛВ в вертикальной плоскости на удвоенный угол. Размеры зеркала зависят от диаметра пропускаемого светового потока (D), по этому его ширина примерно равна D, а длина зависит от диапазона перемещения ЛВ по вертикали (рис. 5 и 6).

Из графика L=f(ξ) на рис. 6 видно, что при достижении угла места около 48° происходит удвоение длины зеркала от номинального, а при 60° — утроение. Соответственно растут габариты всей головной части прибора, отодвигается и растет по размерам входное окно (см. рис. 6). Увеличение размера зеркала, кроме веса, увеличивает его момент инерции по «кубу». Если в «платформенных» системах момент инерции подвижной части является стабилизирующим, то есть полезным фактором, то в «зеркальных» системах это вредный фактор, так как приходится преодолевать инерцию зеркала и поворачивать его один к одному, а точно на половину угла перемещения ЛВ.

Из графика Н_o= f(ξ) можно увидеть, как растут размеры входного окна при увеличении «прокачки» ЛВ по вертикали. Для прибора с диапазоном перемещения ЛВ по вертикали Δξ=+20–30° размер входного окна составляет около 1,9 D, для приборов с Δξ=+20–40° — около 2,4 D, а для Δξ=+20–50° — около 3,22 D. При этом нужно помнить, что толщина оптических защитных стекол должна составлять не менее 10 % от линейного размера стекла.

Как уже говорилось, сканирование ЛВ по горизонтали в «зеркальной» системе осуществляется поворотом рамки головного зеркала относительно вертикальной оси. Перископическая система, как это видно на рис. 7, имеет свойство разворота поступающего на вход изображения при повороте головного зеркала относительно вертикальной оси. При повороте ЛВ по горизонтали на угол В на такой же угол наклоняется изображение в окуляре (на экране МФИ). Для устранения этого явления при конструировании оптических перископических приборов, работающих в видимом участке спектра, применяются специальные компенсационные устройства в виде разворачивающихся призм («Дове», «Пехана»), помещенных на участке параллельного светового пучка. При конструировании «ночных» систем, работающих в ИК-диапазоне, с объективом большого диаметра создание подобных компенсационных устройств практически нереально, поскольку слишком велики габариты и вес призмы, большие потери на светопропускание и высокая цена материала.

Другие способы компенсации, например, разворот камеры тепловизира или электронный разворот изображения на экране МФИ, также являются плохим решением. Прибор с разворачивающейся камерой значительно усложняется, зазоры в опорах (подшипниках) могут привести к ухудшению разрешающей способности системы.

Электронная компенсация фактически означает, что поле зрения системы становится круговым и мгновенное поле зрения сужается до величины развертки по вертикали, то есть в отношении 3/4 (рис. 8).

При сканировании ЛB по горизонтали необходимо также обеспечивать соответствующие размеры входного окна. Если диапазон Δβ не слишком велик, входное окно может быть выполнено с помощью двух V-образных стекол, образующих фонарь, который обеспечивает пропускание светового потока в заданном диапазоне (рис. 5). Однако применение V-образного окна имеет жесткие ограничения из-за возможного переотражения и возврата светового потока (так называемый «нарцисс-эффект»). Наибольший диапазон перемещения ЛВ в горизонтальной плоскости около ±35° достигается при угле между стеклами 90-100°. При дальнейшем увеличении диапазона такое техническое решение себя исчерпывает, и потребуется создание входного окна, перемещающегося совместно с зеркалом, то есть разворачивающийся колпак. Такая конструкция возможна, но она также приводит к усложнению и лишает прибор одного из преимуществ «зеркальной» системы — герметичности. Кроме того, еще актуальнее становится решение вопроса о компенсации разворота изображения на экране.

В системе со стабилизированной платформой вопрос о диапазонах углов прокачки ЛВ по вертикали и горизонтали решается практически полностью. Гиростабилизированная платформа имеет по крайней мере две оси: вертикальную главную и горизонтальную подвижную (то есть «кардан»). Угловые перемещения платформы по обеим осям ограничиваются лишь соединительными кабелями, если не используются токосъемные устройства, vi, как правило, они значительно больше фактически востребованных.

Зона обзора «платформенной» обзорноприцельной системы определяется ее размещением на вертолете, при котором в определенных участках в поле зрения прибора неизбежно попадают элементы конструкции вертолета. Как известно, при подходе ЛВ к 90° по углу места в карданной системе с вертикальной главной осью резко возрастают угловые скорости вокруг вертикальной оси (до бесконечности). Иными словами, практически существует мертвая зона в виде конуса около 10° к вертикальной оси.

Вопрос о размерах входных окон в этом классе обзорно-прицельных систем также решается автоматически, так как они размещаются на внешней оболочке прибора и перемещаются вместе с гиростабилированной платформой. Поэтому размеры входных окон практически равны диаметру светового потока (см. рис. 3).

Рис. 6. Зависимости габаритных параметров элементов «зеркальной» системы

Подводя итог сказанному, можно сделать следующие выводы:

— «зеркальная» круглосуточная система, в отличие от «платформенной», практически не может иметь достаточных диапазонов по перемещению ЛВ. Даже при ограниченных углах от +20 до -40° по вертикали и ±30° по горизонтали, размеры зеркала достигают 2,34 D, размеры входного окна по вертикали составляют около 2,4 D, а по горизонтали — около 2,5 D. Это приводит к значительным увеличениям габаритов и массы прибора и, как следствие, к большим проблемам с его размещением на вертолете (рис. 6);

— система с гиростабилизированной платформой практически не имеет ограничений по углам. Это, в свою очередь, означает, что вертолет, имеющий «зеркальную» обзорно-прицельную систему с ограниченным полем обзора, вынужден компенсировать этот дефицит изменением углового пространственного положения всего вертолета, как это вынужден делать одноместный вертолет, то есть изменять траекторию движения, подчиняя ее потребностям разведки и прицеливания, что не всегда возможно и небезопасно (рис. 4);

— из-за малых диапазонов перемещения JIB «зеркальная» ОПС не может использоваться для управления турельными установками со стрелково-пушечным оружием, имеющим большие сектора обстрела по вертикали и горизонтали.

Рис. 7. Эффект «скручивания» светового потока «зеркальной» системы

Рис. 8. Электронное парирование «скручивания» светового потока

Обнаружение и тем более распознавание на фоне земной поверхности малоразмерных и слабоконтрастных целей представляет собой трудную техническую задачу, для успешного решения которой необходима мобилизация всех средств. Прежде всего необходимо, чтобы световая (тепловая) энергия, поступающая на входное окно ОПС, доходила до приемников энергии (в том числе глаз) с наименьшими потерями.

В «зеркальных» системах (рис. 2) световой поток, поступающий на вход, разделяется с помощью светоделительных устройств, и каждый канал получает только часть этой энергии. Более того, приемники энергии ОПС используют различные участки оптического спектра: от видимого до дальнего ИК. При этом оптические материалы для работы с волнами разной длины должны быть различными, оптимизированными под данный оптический диапазон. «Зеркальная» система исключает такую возможность, поскольку имеет единое входное окно. В этом случае оптический материал входного окна не может быть оптимальным для всех каналов, и светопропускание будет искусственно «зарезанным».

Вывод таков: если одни и те же датчики (тепловизор, телевизор, лазерный дальномер, канал управления) установить в «зеркальную» ОПС, то дальность их действия будет значительно меньше, чем при размещении тех же самых датчиков на гиростабилированной платформе.

Использование оптического канала привлекает относительной простотой и высокой разрешающей способностью при достаточно большом поле зрения. Однако при этом нужно помнить, что оптический канал пригоден только для дневных условий. В варианте круглосуточной «зеркальной» системы применение оптического канала потребует введения отдельного входного окна, обеспечивающего минимальные потери на светопропускание в видимом диапазоне. В принципе техническое решение, при котором световые потоки в видимом и ИК-диапазонах входят через раздельные окна и далее стабилизируются на двух жестко связанных между собой зеркалах, существует, но в этом случае конструкция ОПС сильно усложняется. Более простым техническим решением может оказаться установка двух независимых ОПС (для дневных и ночных условий), хотя их компоновка на вертолете довольно сложна.

Введение оптического канала в состав ОПС с гиростабилизированной платформой также приводит к очень большому усложнению прибора. В качестве примера можно привести ОПС TADS (вертолет Apache), заметив, однако, что на последних модификациях TADS для вертолета АН-64 Apache Longbow и RAH-66 Comanche оптический канал аннулирован.

В связи с большими проблемами интеграции оптического канала в ОПС целесообразно более подробно остановиться на его достоинствах и недостатках.

Переход на техническое зрение имеет много достоинств:

1) отсутствие жесткой эргономической связи «ОПС — человек» через окуляр оптического канала не накладывает ограничений на размещение ОПС на вертолете;

2) появляется возможность размещения летчика в передней кабине;

3) наличие видеоизображения создает возможность:

— его гибкого использования на одном, двух и более индикаторах у разных членов экипажа;

— организации ретрансляции видеоизображения на наземный пункт (или другие летательные аппараты) и, наоборот, получения от них видеоинформации;

— обеспечения видеозаписи с целью последующего анализа;

— введения прицельной информации в ГСН ракет;

— реализации автосопровождения целей;

— повышения качества изображения;

— в перспективе автоматического распознавания целей;

— электронного масштабирования в широком диапазоне.

При близких кратностях увеличения разрешающая способность в окуляре оптического канала и на экране ТВ индикатора примерно одинакова и составляет около 1,5*1,7".

В то же время мгновенное поле зрения окуляра оптического канала примерно в 2,5–3 раза шире, что на первый взгляд кажется весьма заманчивым.

В действительности это преимущество используется только при первоначальной ориентации на местности по крупным и достаточно контрастным объектам. В процессе обнаружения и тем более распознавания целей используется только малая часть поля мгновенного зрения. охватываемого полем наиболее острого зрения глаза (фовеальное зрение) — 1–2° и частично полем «ясного зрения» — 15–20°.

Если рассматривать все пространство мгновенного поля зрения (ПМЗ) окуляра оптического канала, которое может составлять примерно 70°, то в нем можно выделить ряд зон, имеющих различную ценность (рис. 9). При прицеливании на объект, расположенный, например, на удалении 5 км, с высоты 200 м значительную площадь верхней части МПЗ будут занимать «небо» и наземное пространство от дальности свыше 10 км и до горизонта (около 50 км), где такой оптикой распознавание малоразмерных объектов невозможно. Нижняя половина МПЗ занята пространством с дальностью 2–4 км. Таким образом, при обследовании пространства, удаленного на 5 км, интерес представляет узкая горизонтальная полоска МПЗ ±8° относительно центра.

Напомню, что реально приходится иметь дело с обнаружением малоразмерных (0,2x0,7°) и слабоконтрастных (0,2–0,3) объектов, которые не могут быть зафиксированы «периферийным зрением», поэтому в зоне удовлетворительного зрения окажется примерно 1/3 часть этой полоски, которая практически совпадает с областью, охватываемой ТВ экраном технического зрения. Таким образом, при внимательном рассмотрении «преимущество» в значительно большем МПЗ оптического канала по сравнению с техническим зрением оказывается мифом.

Анализ двух возможных конструктивных решений обзорно-прицельной системы вертолета на «зеркальном» и «платформенном» принципах представлен в табл. 1. Сравнение достоинств оптического канала и технического зрения показано в табл. 2.

Рис. 9. Поле зрения оптического канала

Таким образом, напрашиваются следующие выводы:

— во-первых, «зеркальная» система проигрывает «платформенной» практически по всем параметрам и является тупиковой ветвью развития. Вертолет, оснащенный «зеркальной» системой, по своим свойствам приближается к одноместному;

— во-вторых, можно смело сказать, что применение «технического зрения» неизбежно, поскольку имеет много преимуществ перед оптической системой. К тому же возможности дальнейшей модернизации систем «технического зрения» достаточно велики.

Евгений ЯБЛОНСКИЙ, заместитель главного конструктора МВЗ им. М.Л. Миля, лауреат Государственной премии СССР

ЭКСПЛУАТАЦИЯ