RADAR BUDOUCNOSTI A RUSKÝ STÍHACÍ LETOUN 5. GENERACE PAK-FA/SUCHOJ T-50 (DIGITÁLNÍ)

Radar budoucnosti pro ruský “digitální” stíhací letoun Suchoj T-50

Řešení obdobné problematiky v USA

Ruský stíhací letoun 5. generace PAK-FA (Suchoj T-50) prochází vývojem, který jej přivedl až k současnému stroji, který se dá charakterizovat jako plně “digitální” stíhací letoun. Jeho avionickou výbavu vytvořil velký ruský koncern “Elektronické technologie” (KRET) s centrálním vedením v Moskvě. Letoun PAK-FA (zkratka znamená perspektivní letecký komplex frontového letectva) není jen letounem 5. generace, jsou v něm zhmotněny principiálně nové ideje. To mu dává punc stoprocentně digitálního letounu, který nejen dodává letci informace podle jeho požadavků, ale stará se o úplné informační zabezpečení pilota. Podívejme se blíže na nové směry v technologii avioniky, především palubních radarů, které se rozvíjejí ve výzkumných a vývojových centrech Ruské federace. Jejich klíčovou součástí jsou antény s radiooptickou fázovanou anténní mřížkou. Ukažme si, jaký je přístup k řešení obdobné problematiky V USA. Těmito otázkami se zabývá tento článek.

Stručná charakteristika stíhacího letounu PAK-FA

V nastoupeném roce 2016 má být ověřen v reálných podmínkách ruský multifunkční stíhací letoun 5. generace PAK-FA (Suchoj T-50). Má se to stát na mnoha akcích v rámci bojové přípravy roku 2016, po nichž má být v témže roce zaveden do výzbroje vzdušných a kosmických sil Ruské federace. Hned uveďme, že  americké vzdušné síly mají stíhací letouny 5. generace F-35 “Lightning II” a F-22 “Raptor”.

Ruský stíhací letoun 5. generace PAK-FA (Suchoj T-50)

Letoun (přesněji celý komplex prostředků pro frontové letectvo) PAK-FA byl vyvinut pro nahrazení parku letounů Su-27. Jeho zkoušky probíhají od konce ledna 2010. Již dříve oznámily zdroje ruského ministerstva obrany, že podle státního plánu vyzbrojování do roku 2020 má být do sestavy vzdušných a kosmických sil Ruska dodáno 52 letounů T-50. V souvislosti s problémy ve financování programu se zkoumá verze s dodávkou partie v počtu do 12 letounů. Původní plány se v nových ekonomických podmínkách korigují. Se zvýšením dodávek se dá podle orgánů ruského velení počkat a mezi tím “vyždímat” všechny možnosti ze stíhačů 4+ a 4++ generace.

Do avionické výbavy letounu patří komplet radiolokačních systémů a další elektronické prostředky letounu, které budou moci vykonávat funkce pasivního radiotechnického průzkumu, aktivní radiolokace a působit jako prostředek elektronického boje (EB). Pro vedení EB se letoun vybavuje kompletem “Himálaje”. Inovační přístrojové vybavení zvýší odolnost systémů palubní avioniky proti rušení a schopnosti letounu přežít ve složitých bojových akcích.

Radarový komplet letounu PAK-FA bude pracovat v několika kmitočtových pásmech a bude působit v předním půlkulovém prostoru kolem letounu. Bude poskytovat celou řadu možností pro zajištění kruhového obzoru tak, aby měl letec úplné informace o situaci v okolním vzdušném prostoru a mohl zjistit co se děje vlevo, vpravo a vzadu, a to v automatickém režimu s promítnutím obrazu na displeji v přilbě a na interaktivních displejích cockpitu.

Komplet “Himálaje” vyvinul kalužský radiotechnický výzkumný ústav, výrobu zajišťuje stavropolský rádiový závod “Signál” (obě organizace jsou součástí koncernu KRET, který zahrnuje celkem 97 výzkumných ústavů, konstrukčních kanceláří a výrobních podniků). Zkoušky byly zahájeny v roce 2014. V prototypech letounů je již komplet “Himálaje” (viz níže) zabudován.

Stíhač Suchoj T-50 je v současnosti technologicky nejvyspělejší produkt ruského leteckého průmyslu. Letoun je maximálně “neviditelný”, multifunkční, vybavený pokročilou avionikou a schopný manévrování i přivelkých zátěžích.

Současné vybavení letounu PAK-FA (Suchoj T-50) avionikou

Hlavními avionickými systémy letounu PAK-FA jsou multifunkční integrovaný elektronický systém Š-121 (v západních pramenech označovaný zkratku MIRES) a elektrooptický systém 101KS “Atoll”.

Systém Š-121 představuje radarový komplet systému řízení zbraní letounu. Je určen k zjišťování a mnohokanálovému sledování cílů, aby mohly být proti nim nasazeny řízené raketové zbraně. Celý systém Š-121 sestává z radarového kompletu N036 “Bělka” a systému EB (elektronických protiopatření) L402 “Himálaje”.

Hlavní novinkou v systému Š-121 je palubní radar N036 s 5-anténním systémem sestaveným z aktivních fázovaných anténních mřížek (v ruské zkratce AFAR). Sestava palubního radaru N036 zahrnuje pět AFAR N036-01-1 pro kmitočtové pásmo “X” umístěných v přední části trupu letounu, dvě AFAR N036B a N036B-01 pro boční obzor a dva transceivery N036L a N036L-01 pro kmitočtové pásmo “L” v přední části, tj. hraně křídla, určené pro zjišťování a rozpoznávání (svůj-cizí) cílů a některé funkce EB. K této sestavě ještě patří univerzální počítačový systém N036UVS (se signálovým procesorem) v závěsném kompletu s výstražným systémem v pásmu ultrafialového záření varující o přibližování rakety k letounu. Pro dokonalejší detailní vyhodnocení systémových informací se počítačově zpracovávají signály radarů v pásmech “X” a ”L”.

Rozmístění prvků avioniky na letounu PAK-FA
Hlavní čelní palubní radar s AFAR N036 (1), radary pro boční obzor s AFAR N036B/N036B-1 (2), transceivery N036L-1/N036L-1-01 systému svůj-cizí s funkcemi EB (3)

Anténní mřížka AFAR N036B a N036B-01 předního radaru letounu má 1552 elementárních modulů vysílače/přijímače, AFAR N036B a N036B-01 pro boční obzor má 358 modulů vysílače/přijímače zbudovaných na lícních stranách trupu letounu pro zvětšené úhlové pokrytí prostoru kolem letounu. Dva transceivery N036L-1-01 umístěné v křídlech letounu se používají nejen pro zpracování informací k rozpoznání svůj-cizí ze systému N036Š “Pokosnik, ale i pro účely EB.

Čelní radar s AFAR N036-1-01

Boční radar s AFAR N036B-01

Transceiver N036L-01 v křídle letounu

Závěsný komplet avioniky - systém 101KS-N pro sledování cílů a řízení palby, ultrafialové senzory varovného systému N101KS-U, souprava počítače a signálového procesoru N036UVS

Konstrukční letové zkoušky zkušebních vzorů radarového kompletu Š-121 probíhaly od června 2012 na prototypech T-50-3 a T-50-4 a v úplném složení se uskutečňují také na T-50-5.

Největší pokrok v rozvoji kompletu Š-121 je spojen s dosažením stavu sériové výroby základního prvku radarové stanice s AFAR - modulů přijímače a vysílače. Výroba těchto modulů zahrnuje výkonové tranzistory a mikrovlnné širokopásmové zesilovače, což jsou monolitické integrované obvody na nitridu gallia.

Radarová výbava sníží pracovní zátěž pilota a umožní používat novou datovou linku pro sdílení informací mezi letouny. Letoun T-50 bude mít kryptograficky chráněné komunikace pro sdílení dat se všemi dalšími vlastními letouny v daném prostoru i palubními a řídícími stanovišti.

Systém elektronických protiopatření (ECM) L402 “Himálaje” používá jak svoji fázovanou anténní mřížku, tak i AFAR radarového systému N036. Jedna z anténních mřížek je instalovaná v hřbetním výběžku mezi oběma motory. Systém byl zabudován do letounu T-50 v roce 1914.

Elektro-optický systém 101KS “Atoll”

Elektro-optický systém 101KS “Atoll” zahrnuje infračervenou vyhledávací a sledovací systém 101KS-N v otočné věžičce umístěné na pravoboční straně před cockpitem letounu. Senzor může detekovat, identifikovat a sledovat více vzdušných cílů současně. Infračervený systém protiopatření 101KS-O je umístěn v otočné věžičce instalované v hřbetním výběžku a předku trupu. Používá laserový podsystém protiopatření proti raketám naváděných na vyzařované teplo. Komplet “Atoll” rovněž zahrnuje ultrafialové senzory pro varování o přibližujících se raketách a závěsnou gondolu 101KS-N systému navigace a řízení palby.

Několik odstavců k problematice anténních fázovaných mřížek

Současné technické řešení antény s elektronickým skenováním určeného prostoru má formu mřížky v jejíchž uzlech jsou umístěny elementární zářiče elektromagnetických vln. Napájecí obvody těchto zářičů jsou uspořádány tak, že záření každého zářiče je koherentní se zářením celku (všech zářičů), zatímco fáze vyzařovaných vln jednotlivými zářiči se mění podle zadaného pravidla. Změna rozložení fází na zářičích umožňuje zformovat paprsek antény tak, aby vyzařoval do stanoveného směru.

Znázornění principu buzení fázované anténní mřížky a ovládání fází (vyzařovacího diagramu antény)

Fázovaná anténní mřížka je tedy polem zářičů s elektronicky řízeným rozložením fází vln vyzařovaných elementárními zářiči. Někdy se pro fázované anténní mřížky používají synonymní pojmy - anténa s nemechanicky pohyblivým paprskem, anténa s elektronickým skenováním apod. Pro realizaci antény s elektronickým skenováním je důležité určení počtu zářičů a konfigurace jejich rozmístění, a zejména blok otáčení fáze, který ovládá fázi elektromagnetických vln v zářičích.

Princip formování vyzařovacího diagramu fázované anténní mřížky v azimutu a v elevaci (příklad)

Tvary, rozměry a konstrukce současných fázovaných anténních mřížek jsou velmi různorodé. Jejich různorodost je dána jak typem použitých zářičů, tak i charakterem jejich rozložení po ploše mřížky. Sektor skenování prováděného mřížkou se stanoví podle toho, jak má vypadat vyzařovací diagram jejích zářičů. V anténních mřížkách s rychlým širokoúhlým rozmítáním paprsku se obvykle používají zářiče, které nejsou ostře směrované. Někdy se fázované anténní mřížky velkých rozměrů sestavují z jednotlivých malých mřížek (modulů). Jejich vyzařovací diagram se orientuje ve směru základního paprsku celé fázované anténní mřížky.

Připojí-li se ke každému zářiči fázované anténní mřížky nebo ke skupině zářičů zesilovač výkonu, generátor signálů nebo převodník kmitočtu, pak jde o aktivní fázovanou anténní mřížku AFAR. V radiooptických fázovaných anténních mřížkách ROFAR bude hlavním prvkem uzlů v anténní mřížce fotonický krystal. Radar s anténní mřížkou ROFAR (určený pro digitální letoun PAK-FA) má mít dosah několik set km, a má být schopen “vidět” cíle o velikosti 0,5 m2.

Zvláště důležitou roli hrají ve fázovaných anténních mřížkách bloky pro otáčení fáze tam, kde se používá velký počet anténních prvků-zářičů u nichž vzájemný vztah jejich fází musí buď zůstat neměnný, nebo se při provozu mění podle stanoveného pravidla. Existují bloky pro otáčení fáze, které jsou mechanické, polovodičové nebo feritové. V našem 21. století se má postupně přejít výhradně na radary s AFAR. Nejnovějším směrem pak je vývoj a realizace radiooptických fázovaných anténních mřížek ROFAR.

Nové směry palubního radarového vybavení letounu

Letoun může být vybaven principiálně novým ruským komunikačním a radiolokačním prostředkem, založeným na použití radiooptických mřížek ROFAR. Velmi velká šíře pásma signálů ROFAR umožňuje získat v pásmu radarových vln velmi kvalitní zobrazení podobné televiznímu obrazu. Technologie radiofotoniky má otevřít nové možnosti pro zdokonalení “chytrého opláštění” trupu na ruských vrtulnících a letounech poslední generace.

Fotonické technologie značně rozšíří možnosti komunikačních prostředků a radarů. Jejich hmotnost se více než dvakrát sníží a rozlišovací schopnost bude o desítky řádů vyšší.

Základní informace o současném stavu

Významnou roli v rozvoji zcela nových technologií palubních elektronických prostředků letounů nových generací má sehrát nanofotonika, což je perspektivní vědecký směr, který nepochybně ve vyspělých zemích určí vektor rozvoje vojenské techniky, včetně techniky dvojího určení (duální). Nejnovější technologie mají již ve dvacátých letech tohoto století umožnit vytváření efektivních a pokročilých přijímacích a vysílacích zařízení, radarových stanic, systémů radiotechnického průzkumu a elektronického boje (EB), které budou nahrazovat současné prostředky.

Nemožnost zarušení radiofotonických radarových stanic tradičními prostředky EB

Současné prostředky EB mohou zarušit  zařízení, která pracují v rozsahu síly signálu 40 dB (decibelů). Přístroje s radiofotonickými radary, vyvíjenými v RF mohou pracovat s nejrůznějšími dynamickými rozsahy. Radiofotonické radary založené na použití mřížek ROFAR nebude možné, z hlediska jejich vlastností, klasickými prostředky EB zarušit.

Fotonické technologie značně rozšíří možnosti současných radarů a komunikačních prostředků. Kromě toho, že se jejich hmotnost více než dvakrát sníží, se rozlišovací schopnost radarů zvýší o desítky řádů. Mimořádně široké pásmo signálů ROFAR umožní získat prakticky obraz televizní kvality v kmitočtovém pásmu radarů. Nové možnosti usnadní technologie radiofotoniky získat v oblasti zdokonalení charakteristik “chytrého pláště” letounů a vrtulníků posledních generací.

Současné možnosti palubních sestav prostředků EB zajišťují přivedení signálů na vstup přijímacího zařízení obvykle v dynamickém rozsahu 70 až 80 dB ve vztahu k jeho mezní citlivosti. Proto mohou zarušit (“umlčet”) zařízení, které pracuje například v rozsahu 40 dB. Přístroje s ROFAR však mohou pracovat v nejrůznějších rozsazích, například 200 dB. A dokonce když v něm bude signál 100 dB, “nepocítí” fotonický radar žádný rozdíl. Proto je nemožné jej tradičními metodami radioelektronického umlčení zarušit. Navíc, fotonický krystal je schopen pracovat při takových zátěžích, kdy se jiné krystaly jednoduše začnou vypařovat.

Ruský koncern (KRET) patřící státní korporaci Rostech, společně s Fondem perspektivních výzkumů (FPI, ruská obdoba americké DARPA), mají uzavřenu dohodu o realizaci perspektivního vědecko-technického projektu ”Vývoj aktivní fázované mřížky na bázi radiofotoniky” ROFAR. K tomuto účelu v Rusku, zahájil činnost nový ústav na bázi koncernu Elektronické technologie s využíváním výzkumných a zkušebních pracovišť mnoha podniků koncernu.

Koncern Elektronické technologie (KRET) už začal pro vytvoření ROFAR uskutečňovat laboratorní výzkumné práce. Program je rozpočítán na čtyři a půl roku. První reálný vzor radarové “stanice budoucnosti” má být vytvořen do roku 2018.

Jednou z hlavních oblastí předcházejících vývoji mřížek ROFAR je vývoj a výroba aktivních fázovaných anténních mřížek AFAR nové generace, ve kterých budou vytvořeny základní prvky pro využití principů radiofotoniky. Umožní (jak již je naznačeno výše) snížit hmotnost technických prostředků 1,5 až 3 krát, 2 až 3 krát zvětšit spolehlivost a účinnost, a rovněž v řádu desítek zvýšit rychlost skenování a rozlišovací schopnost.

Budou-li úspěšné výsledky, otevře technologie nové možnosti pro zdokonalení charakteristik “chytrého oplášťování” používaného na ruských vrtulnících a letounech poslední generace. Systém prvků ROFAR, zabudovaných v celé ploše trupu letounu, umožní jeho osádce kdykoli získat radiolokační zobrazení cílů po obvodu 360○, zajistí provoz anténních systémů v režimech aktivní a pasivní radiolokace, generování všech druhů rušení, chráněný přenos dat odolný vůči rušení, komunikace vzdušného prostředku s pozemními stanicemi a jinými vzdušnými prostředky, rozpoznávání vlastní-cizí, atd.

S novými materiály a součástkovou základnou si má KRET na bázi principů fotoniky osvojit perspektivní technologie výroby výkonných fotodetektorů a polovodičových laserových modulů . Koncern KRET již široce využívá technologie AFAR při výrobě palubních radarových stanic současných stíhačů. K nynější době již koncern vyrobil pro stíhač MiG-35 “Žuk-AE” palubní radarovou stanici FGA a FGA 35 s AFAR. Díky elektronickému ovládání polohy vyzařovaného paprsku umožňuje současné sledování velkého počtu cílů. Stanice je schopná zjišťovat a zachytit objekt protivníka na souši, na vodě a ve vzduchu, rozpoznat jeho třídu, typ a velikosti, řešit navigační úlohy a navádět vysoce přesné zbraně.

Ruské letounové palubní radarové stanice  s technologií AFAR
FGA-29 (vlevo) FGA-35 (vpravo)

Vývoj radarů radarů FGA a FGA 35 s AFAR navazuje na předchozí práce - vývoj a výrobu  úspěšného radaru N011 “BARS” s pasivní fázovanou anténní mřížkou (PFAR). Projekt tohoto radaru byl zahájen v 80. letech v rámci programu Su-27M. Základní modifikace byla sestrojena na bázi radaru N001 se štěrbinovou anténní mřížkou a obvodovým kanálem pro režimy “vzduch-hladina” v námořnictvu. Modernizované verze (N011M “Bars-29”) byly na bázi PFAR s komplexním fázovým a elektro-hydromechanickým skenováním.

Radar N011 “BARS” s pasivní fázovanou anténní mřížkou a štěrbinovými zářiči

Palubní radar pro kmitočtové pásmo “X” zajišťoval prohlížení prostoru, automatickou detekci a sledování cílů, a to i v prostředí s blízkým manévrovým vzdušným bojem, navádění letounových raket typů R-77, R-73, R-27 a dalších. Používal se také pro automatické radarové kartografické mapování terénu. Daný radar je instalován na různých verzích stíhače Su-30 a svého času byl široce exportován. Dnes je již jeho součástková základna beznadějně zastaralá.

Palubní prostředky elektronického boje - nové směry

Zdá se, že svět je dnes na prahu nového technologického stylu. Radiofotonika se stává jedním z jeho hlavních hnacích motorů. Tento trend je možné porovnat  s rolí, kterou sehrála mikroelektronika v technologickém přechodu zahájeném v 70. letech minulého století. Uveďme příklad. Taktovacími kmitočty současných počítačů jsou jednotky gigahertzů (zhruba 2 až 4 GHz). Kvantové počítače, které budou zpracovávat informace v optickém pásmu budou moci mít taktovací kmitočet v řádu desítek i stovek terahertzů, tj. 1012 hertzů, (třeba 700 THz). Jaké možnosti se tím před námi otevřou, dnes ještě ani neumíme plně dohlédnout.

Namísto elektroniky - radiofotonika

V poslední době se stále častěji elektronické systémy nahrazují fotonickými. V prvé řadě to souvisí s jiným fyzikálním charakterem fotonu. Podívejme se blíže na to, co je to foton a jaké unikátní možnosti vojenské technice poskytne nový směr - radiofotonika.

Fotonika je v podstatě obdobou elektroniky s tím, že namísto elektronů se využívají kvanty elekromagnetického pole - fotony. Množstvím jsou fotony nejrozšířenější částice ve vesmíru, na rozdíl od elektronů nemají hmotnost ani náboj. Právě proto jsou fotonické systémy imunní vůči vnějším elektromagnetickým polím, umožňují přenosy informací na velké vzdálenosti a mají mnohem větší širokopásmovost potřebnou pro přenos signálů. Oblastí vědy se fotonika stala v roce 1960 s vynálezem prvního důležitého technického zařízení využívajícího fotony - laseru. Samotný termín “fotonika” se začal široce používat v osmdesátých letech v souvislosti se zahájením širokého používání optovláknových kabelů pro přenos signálů. Ty způsobily ku konci minulého století opravdovou revoluci ve sféře telekomunikací a staly se, mimochodem, základem nového intenzivního rozvoje internetu. Zhruba do roku 2001 vlastně byla vůbec fotonika ve značné míře zaměřena na telekomunikace.

Dnes “telekomunikační” fotonika pomáhá vytvořit nový směr - radiofotoniku vzniklou sjednocením elektroniky, vlnové optiky, mikrovlnné optoelektroniky a fotonických přístrojů a zařízení. Řečeno jinými slovy, radiofotonika se zabývá problematikou vysílání, příjmu a převodu informací pomocí elektromagnetických vln mikrovlnného pásma fotonických přístrojů a systémů. Umožňuje vytvářet zařízení na rádiových kmitočtech s parametry, které jsou pro tradiční elektroniku nedosažitelné.

Současné přístroje a zařízení na rádiových kmitočtech přecházejí na optická kmitočtová pásma a ignorování této skutečnosti by mělo neblahé následky. Například při původním vývoji komunikačních, servisních a technických sítí superairbusu A380 nebyly zřízeny fotonické sítě. Použily se hliníkové kabely s celkovou délkou  přes 500 km (!). To vedlo k vážným problémům na palubě letounu. Pro jejich vyřešení byla nutná úplná výměna všech palubních kabelových sítí v každém vyráběném letounu A380. Výsledkem bylo dvouleté zpoždění a finanční ztráty ve výši téměř pět miliard eur. Největší nadnárodní korporace se jen zázrakem vyhnula finančnímu kolapsu.

Ještě k radiofotonice: Současný lokátor má kmitočet signálů vyzařovaných paprsků 10 GHz, tj. vlnovou délku 3 cm s šířkou spektra 1 až 2 GHz. Radar s ROFAR může mít současně kmitočty od 1 Hz do 100 GHz. Bude tedy současně “vidět” terén v celém tom pásmu. V praxi to znamená to, že ROFAR bude moci poskytovat podrobný prostorový obraz toho, co se děje ve vzdálenosti stovek kilometrů od něj. Ve vzdálenosti, řekněme 400 km, bude možné nejen uvidět člověka, ale rozeznat i jeho obličej. Ať by někdo vysílal jakékoli rušící signály, stejně bude možné najít průzračné okno, kde rušení není a přes toto průzračné okno se podívat za obzor.

Je zřejmé, že výsledek realizace tohoto vývoje umožní podstatně zmenšit význam technologie stealth (“neviditelných” letounů), které se v posledních letech na Západě věnuje mimořádná pozornost i finanční prostředky.

Použití ROFAR současně umožní zmenšit “viditelnost” letounů v infračerveném pásmu a dosáhnout výrazných úspor paliva. Všechny současné přístroje, které pracují s energií mikrovln získávanou z normální sítě 220 V mají účinnost 20 až 30%. Při účinnosti 20% vzniká 80% tepla, které je nutné někam odvést. Proto potřebují současné palubní radary systémy chlazení, které jsou schopné odvést velká množství tepelné energie. Při převodu optiky na vyzařování v mikrovlnném pásmu ve fotonickém krystalu, může účinnost dosáhnout 70%, 80% a dokonce až 90%. V daném případě se tento problém řeší poprvé.

Vývoj všech systémů EB se v ruském koncernu KRET uskutečňuje od samého počátku s přihlédnutím k těm analogickým systémům, které existují nebo se vyvíjejí v nejvyspělejších zemích. Ruské úspěchy v dané oblasti dokonce poněkud popostrčily americký vojensko-průmyslový komplex. Ten zahájil vývoj svého nového vrtulníkového palubního kompletu zařízení EB a ještě navíc zadal celou řadu souvisejících či navazujících výzkumně-vývojových prací. Tématika EB dostává nový silný impuls pro urychlení rozvoje na Východě i na Západě. Abychom se o tom přesvědčili stačí se pozorně podívat na události v Sýrii.

V USA byl asi před pěti lety zaveden do výzbroje letoun EB, typ EA-18G “Growler”, který byl vytvořen pro elektronickou ochranu stíhacího letounu 5. generace F-35. Letoun Growler do sebe vstřebal všechny úspěšné výsledky amerického vojensko-průmyslového komplexu v oblasti EB. Nese na palubě stanici pasivního radiotechnického průzkumu, zavěšené kontejnery stanice aktivního rušení radarů, stanici pro rušení VKV rádiových komunikací, a navíc ještě protiradarové rakety. Je to velmi dokonalý a efektivní komplex, avšak nesmírně drahý.

Rusko jde poněkud odlišnou cestou, kterou považuje za racionální. Má několik vzdušných platforem, které se hodí pro plnění analogických úkolů. Především je to stíhací bombardér Su-34. Vychází z koncepce univerzálnosti, to znamená, že v případě potřeby může být v letištních podmínkách kterýkoli letoun taktického letectva dovybaven prostředky potřebnými pro vedení EB. Je to levnější a velmi efektivní.

Jedná se především o zavěšené kontejnery systému “Chibiny”, který se rozšiřuje a je určen pro letoun Su-34 k provozu společně s palubním radarem a palubním obranným kompletem “Chibiny-10V“. Letoun Su-34 se může, na rozdíl od amerického letounu F-15E, používat jako plnohodnotná rušící stanice, která bere na palubu pouze prostředky pro individuální ochranu a je schopná překonat jakýkoli systém protivzdušné obrany (PVO). “Chibiny” umožňuje elektronicky chránit při akci celou skupinu letounů, přitom svými klíčovými charakteristikami předčí obdobné prostředky amerického letounu.

Vytvářejí se různé verze kontejnerů specializovaných (jednoduše řečeno) na prostředky amerických systémů “Aegis” (protiraketové obrany), raket “Patriot” nebo AWACS (létající centrum varování a řízení). Mohou být rozloženy po jednom v každém letounu skupiny, která tak získává možnost zarušení elektronických systémů protivníka v celém spektru. Během plnění bojového úkolu si letouny vyměňují informace, sjednocují získávaná data o protivníkovi a koordinují protiakce. Např. systém “Aegis” na amerických válečných lodích má svoje fázované anténní mřížky. Dvojice anténních osmiúhelníkových anténních mřížek amerických raketových křižníků umístěných na palubní nástavbě křižníků jsou součástí radarového systému AN/SPY-1.

Nové generace palubních systémů elektronického boje

Rozvoj nových generací palubních systémů EB je mj. spojen s osvojováním stále nových a nových kmitočtových pásem elektromagnetického spektra a prostředky EB již dávno přesáhly rámec pro ně určeného rozsahu rádiových vln. Přesto budou systémy EB nové generace převážně radiotechnické. Doplní je specializované opticko-elektronické sestavy (v námořních silách i specializované akustické či hydroakustické sestavy). Význačnými rysy opticko-elektronických systémů budou rozšířené rozsahy pracovních kmitočtů (3 až 10 GHz), mnoho variant vyzařovacích prvků, kognitivnost (použití prvků umělé inteligence, zabudování expertních logických řídících podsystémů) a adaptivnost (automatické nastavování vyzařovaných vln a výkonu v závislosti na charakteristikách, počtu a prioritě zarušovaných cílů), prostorové rozložení s možností soustředění elektromagnetické energie na zjištěném objektu v reálném čase, modulární konstrukce technických prostředků a otevřená architektura softwarového vybavení, a rovněž zvýšená ochrana proti působení prostředků EB protivníka.

Technickým základem pro řešení uvedených úloh bude použití extrémně přesných oscilátorů, heterogenní architektury signálových procesorů, současné obousměrné výměny dat, elektronického ovládání paprsku v rádiovém a optickém kmitočtovém pásmu, použití nitridových tranzistorů na bázi nitridu gallium-nitridových (GaN), indium-nitridových (InN) a aluminium-nitridových (AlN) tenkých vrstev a řady jiných inovačních technologií.

Počátek optonických výzkumných a vývojových prací na fázovaných anténních mřížkách v USA

V organizacích pracujících pro ozbrojené síly USA probíhají probíhají práce na tvorbě prvků anténních fázovaných mřížek na bázi fotonických technologií a odpovídající experimentální práce zhruba od roku 1990. Na obrázku níže je uveden ideový náčrt blokového schématu vysílače a přijímače elektroopticky buzené fázované anténní mřížky z 90. let minulého století (pro potřeby pozemních sil USA).

Ideový náčrt fázované anténní mřížky s optoelektrickým buzením (90. léta minulého století)

Práce v ozbrojených silách byly zaměřeny na klíčové prvky a bloky optoelektroníckých systémů jako optoelektronický oscilátor, optický modulátor, fotodetektor, blok fázového posunu, tvarovač paprskových svazků (a tím i vyzařovacího diagramu antény), apod., viz příklady na obrázku níže.

Hrubé blokové schéma fotonické fázované anténní mřížky z 90. let (příklad)

Vedoucí a vedený optoelektronický oscilátor (příklad)

Mimo jiné se řešil také problém vyloučení irelevantních cílů z pátrání a ze sledování radarovým systémem s fázovanou anténní mřížkou. Řešení bylo založeno na sledu tří po sobě následujících činností (viz následující obrázek).

Tři kroky při selekci požadovaného cíle

Nejprve (A) byl jedním prvkem anténní mřížky vyslán zkušební (dotazovací) signál. Ve druhém kroku (v režimu příjmu) byl dotazovací signál prostorově rozmítnut a přijímán všemi prvky mřížky (B). Ve třetím kroku (v režimu vysílání) byl použit procesor doby obrácení pro časové hradlování přijatého signálu, jeho časové obrácení a zesílení těch opakovaně vyslaných signálů, které byly výsledkem maximálního působení požadovaného cíle (C).

Dílčí, v poslední době publikované informace z výzkumných a vývojových prací v radiofotonice fázovaných anténních mřížek v USA

Současné práce na rozvoji radiofotonických fázovaných anténních mřížek v USA vycházejí z toho, že fázovaná mřížka sestává z řady obvykle identických prvků (elementárních antén), z nichž každá vyzařuje signály charakterizované specifickou amplitudou a fází, a ty spolu interferují tak, aby vytvořily ve vzdáleném prostorovém poli vyzařovací diagram určitého směru a tvaru. O schopnosti generování vyzařovaných obrazců libovolného tvaru s vysokým rozlišením snili pracovníci výzkumu a vývoje velmi dlouho, mimo jiné proto, že umožňuje uskutečňovat celou řadu aplikací od holografie až po biomedicínské vyšetřovací přístroje. Vyžaduje však velkoplošné fázované mřížky se značným množstvím elementárních antén. Zatímco použití velkých radiofrekvenčních fázovaných mřížek je velmi těžkopádné a nákladné, optická verze mřížek umožňuje využít technologii čipů s vysokým stupněm integrace s vlastnostmi vhodnými pro použití mnohem menších optických vlnových délek. Menší optická vlnová délka nicméně klade přísnější požadavky na výrobu čipů, neboť dokonce nanometrové fluktuace v rozměrech prvku podstatně ovlivňují optické vyzařování z nanoantén. V důsledku toho byly zatím všechny demonstrace optických fázovaných mřížek omezeny na jednorozměrné (1-D) nebo malé (16 anténové) dvourozměrné (2-D) mřížky.

V časopise Nature (roč. 493, č. 7431, z ledna 2013) ohlásili prof. Michael R. Watts (z výzkumného pracoviště RLE Massachusettského technologického institutu - MIT) s promovanými studenty Jiem Sunem, Ermanem Timurdoganem, Amim Yaacobim a postgraduálním spolupracovníkem Ehsanem Shahem Hosseiním pod názvem “Large-scale nanophotonic phased array” popsali demonstraci velké dvourozměrné nanofotonické fázované anténní mřížky. Na křemíkovém (Si) čipu měli integrovány 64 x 64 elementární optické nanoantény. Na hustě zaplněné ploše 576 x 576 μm2 bylo přesně výkonově vyváženo 4096 nanoantén a nastaveno tak, aby generovaly požadované sofistikované vyzařovací diagramy. Navíc byly experimentálně demonstrovány aktivní fázované mřížky se schopností generovat dynamické vyzařovací obrazce ve vzdáleném poli. Pomocí robustního provedení mřížky, společně s pokročilou technologií CMOS (komplementární kov-oxid-polovodič), kterou byla mřížka vyrobena, bylo možné implementovat kompaktní a nenákladné velkoplošné nanofotonické čipy. Nová architektura a výrobní proces čipů rozšířil funkčnost fázovaných mřížek, otevřel možnost nasazování velkoplošných mřížek pro širokou škálu aplikací, včetně třírozměrné (3-D) holografie, biomedicínských věd, detekce laserového záření, zjišťování vzdálenosti (LADAR) i komunikací. Dodejme, že práce byly podporovány americkou agenturou DARPA.

S použitím publikovaných způsobů a výsledků experimentálních prací lze z uvedeného článku získat dobrou představu o řešení daného problému v USA. Podívejme se krátce jak a čeho bylo v USA dosaženo.

Systém dvourozměrné nanooptické fázované mřížky s vysokým stupněm integrace

Níže na obrázku je ideové vyobrazení technického řešení systému nanooptické fázované anténní mřížky (NPA) s 64 x 64 prvků.

Ideové vyobrazení systému dvourozměrné nanooptické fázované mřížky
(obrázek podle Jie Suna a dalších)

Laserový vstup z optického vlákna je shodně přiveden do každé z 4096 nanoantén přes křemíkový “vlnovod” (1). V zeleném obdélníku vlevo nahoře je ukázán detail schématu jedné anténní buňky (m,n), tj.elementárního zářiče, neboli “pixelu”. Síla vazby je proměnná podle délky směrového vazebního prvku Lc a vyzařovaná fáze se řídí dvěma segmenty optické zpožďovací linky pro dosažení potřebného zpoždění fáze φmn. Vpravo nahoře (2) je elektronově naskenovaný mikrograf (SEM) části systému NPA vyrobené procesem CMOS. Vpravo dole (3) je detail SEM jednoho pixelu (v zeleném obdélníčku). Rozměry pixelu jsou  9 μm x 9 μm s kompaktní mřížkou jako nanoanténou, kde je první drážka mřížky částečně vyryta pro zlepšené vyzařování směrem nahoru. Fáze každého vyzařovaného pixelu je nastavena délkou optické zpožďovací linky v pixelu.

Simulace prvku a celého systému

Další obrázek (níže) ukazuje simulaci vyzařování třírozměrného dalekého pole vyvinutou optickou nanoanténou používající metodu konečných diferencí v časové oblasti (1). Odpovídající vyzařovací obrazec optické nanoantény v dalekém poli (2), byl vypočten z vyzařovaného blízkého pole (viz 1) s využitím metody transformace blízkého pole do dalekého).

Simulace nanoanténní fázované mřížky
(obrázek podle Jie Suna a dalších)

Vyzařovaný obrazec vyvinutého systému NPA 64  64 pro generování obrazce loga MIT v dalekém poli je superpozicí dalekého pole faktoru mřížky (v pozadí) a nanoantény (ve 2). Zelená kružnice ve středu ukazuje viditelnou oblast v mikroskopické čočce (numerická apertura je 0,4) využité vexperimentu později. Detailní obrázek viditelné oblasti v dálkovém poli zobrazuje logo MIT. Vložený obrazec vpravo dole je cílové vyobrazení loga MIT. Vyzařovaná pole v 2 až 4 jsou vidět z vrcholu polokoule jako projekce polokoule vzdáleného pole na rovníkovou plochu v polárním souřadnicovém systému (θ,φ), kde θ a φ jsou hodnoty azimutového úhlu a polárního úhlu vzdáleného pole.

Výsledky experimentu

N obrázku níže se uvádí obrazový systém, který se použil pro pozorování blízkého pole a dalekého pole. V první části obrázku (1) je systém čoček. Samotná čočka 1 (numerická apertura je 0,40) byly použita pro získání obrazu blízkého pole jak je ukázáno zelenou barvou paprsků. Obraz vzdáleného pole, neboli Fourierova plocha byl získán přesunutím čočky 1 dolů proto, aby byl zformován obraz vzdáleného pole v jeho zpětné ohniskové ploše (Fourierově ploše) a vložením čočky 2 pro projekci obrazu vzdáleného pole na infračerveném snímači CCD, jak je to vyjádřeno modrou barvou paprsků.

Zobrazení experimentálních výsledků
(obrázek podle Jie Suna a dalších)

Ve druhé části obrázku (2) ukazuje obraz blízkého pole rovnoměrné vyzařování napříč všemi 64 x 64 (4096) nanoanténami. Vstupní sběrnicový “vlnovod” je umístěn v horním levém rohu a mj. způsobuje určitý přebytečný rozptýlený šum.

Ve třetí části obrázku (3) je detailní pohled na část vzdáleného pole obsahující 8 x 8 pixelů. Ve čtvrté části obrázku (4) je naměřené rozložení intenzity optického vyzařování z pixelů. Statistika ukázala, že standardní odchylka (σ) intenzity vyzařování je 13% průměrné intenzity (μ).

V páté části obrázku (5) je obrazec vyzařování vzdáleného pole realizovaného systému nanoanténní fázované mřížky 64 x 64. Apertura, označená zelenou kružnicí odpovídá numerické apertuře (0,40) čočky 1 z části obrázku (1). To, co bylo naměřeno, se přesně shoduje se simulacemi (viz obrázek z popisu simulace, části (3) a (4)) s výjimkou šumu nahoře v pozadí, způsobeného rozptylem světla z optického vlákna navázaného na vstupní sběrnicový “vlnovod”.

V šesté části obrázku (6) je obrazec vyzařování vzdáleného pole realizovaného týmž systémem nanoanténní fázované mřížky při počtu 32 x 32 elementárních zářičů. Lze zde vidět menší šum, ale nižší rozlišení. Soustředný kruhový obrazec, superponovaný v obraze, je způsoben interferencí rozptýleného světla mezi horním a spodním povrchem destičky (struktury křemík na izolantu).

Laditelná fázovaná mřížka

Níže na obrázku je schématické vyobrazení aktivní fázované mřížky 8 x 8 elementárních zářičů.

Aktivní fázovaná anténní mřížka s 8 x 8 elementárních zářičů
(obrázek podle Jie Suna a dalších)

Na obrázku v popisu systému dvourozměrné nanooptické fázované mřížky s vysokým stupněm integrace, části obrázku (1), je v rámečku uvedeno detailní vyobrazení pasivního pixelu téhož rozměru 9 μm  9 μm jaký má aktivní prvek vztahující se k tomuto odstavci. Optická fáze každého pixelu je kontinuálně vylaďována pomocí integrovaného ohřívače vytvořeného obohaceným křemíkem. V částech (2 až 5) obrázku se uvádějí příklady dynamických obrazců vzdáleného pole generovaného 8 x 8 aktivní fázovanou mřížkou použitím různých napěťových kombinací na pixely s ukázáním simulace a měření. V části (2) obrázku je původní jednopaprskový obrazec bez přiloženého napětí. Zaostřený paprsek je ovládán po krocích s hodnotou 6∘ vertikálně i horizontálně, až k mezi interference. Jednoduchý paprsek je ve vertikálním směru rozštěpen na dva paprsky. Zelená kružnice označuje okraj čočky 1 (numerická apertura je 0,40) a červený čtverec vyznačuje jeden interferenční řád. Aktivní ladění nanofotonické fázované mřížky pro dynamické ladění obrazců ukazuje video na webovém odkazu http://www.nature.com/nature/journal/v493/n7431/fig_tab/nature11727_SV1.html.

Hlavní systémově-technické směry vývoje ruských palubních prostředků elektronického boje

Vraťme se k ryze vojenské problematice a podívejme se, jaké jsou hlavní směry, kterými se ubírá vývoj moderních letounových palubních prostředků EB v ruském průmyslu. Jsou to:

• Vytvoření prostorově rozložených letounových systémů EB, které se dokáží přizpůsobit struktuře a vlastnostem radarového řízení zbraní a prostředků působení protivníka se společným digitálním zpracováním a formováním rušivých signálů pro bezpilotní prostředky šesté generace (řeší se ve výzkumně-vývojovém projektu “Himálaje” vedeným kalužským výzkumně-vývojovým radiotechnickým ústavem).
• Vytvoření prostředků EB s ultra-širokopásmovými (2 až 3 oktávy) polovodičovými přijímacími/vysílacími moduly a širokopásmovým digitálním zpracováním radiotechnických signálů na bázi mnohopaprskových anténních mřížek (s nejméně čtyřmi současně formovanými paprsky) pro decimetrové (1 až 6 GHz), centimetrové (6 až 18 GHz) a milimetrové (32 až 40 GHz) pásmo vlnových délek v letecké technice páté generace, včetně letounů PAK-FA a Su-35S.

Po ukončení prací na radiooptických fázovaných anténách má být k dispozici úplný seznam ruských létajících prostředků - pilotních i bezpilotních - u nichž se plánuje vybavení radary na bázi radiooptických fázovaných anténních mřížek. Mezi nimi bude určitě letoun PAK-FA (definitivně o tom rozhodne ministerstvo obrany Ruské federace).

Radiofotonický průlom

Rusko, jak známo, v mikroelektronice značně zaostává za vyspělými západními zeměmi. Trendem v RF je pomocí technologií v oblasti radiofotoniky obejít západní konkurenci. Ruští vědci pracující ve sféře obranných technologií pokládají za možné opustit elektrony a zaměřit pozornost na fotony, které nemají hmotnost a šíří se rychleji.

Podle odhadů odborníků by se servery pracující na principech fotoniky ve srovnání s nynějšími zmenšily asi stokrát a rychlost přenosu dat by vzrostla asi desetkrát. Podívejme se, jak by tomu mohlo být u pozemních radarových stanic. Dnes je taková stanice velká jako několika podlažní dům, pokud by začala pracovat s radiofotonikou, bylo by ji možné instalovat na podvozek nákladního automobilu. Přitom efektivnost a dosah by byl prakticky stejný, tj. tisíce kilometrů. Několik takových mobilních stanic s malými rozměry je možné propojit v síti, což podstatně zlepší celkové charakteristiky (skupiny propojených stanic jako celku).

Fotonické technologie značně rozšíří možnosti i palubních radarových stanic. Výsledky nového vývoje v této oblasti sníží více než dvakrát hmotnost současných palubních radarů a antén a (jak už bylo uvedeno výše) rozlišovací schopnost zvýší v řádu několika desítek. Radiofotonické antény budou mít unikátní odolnost proti elektromagnetickým impulsům vznikajících například při blízkých úderech blesků nebo při slunečních magnetických bouřích.

Vše uvedené umožňuje realizaci širokopásmových radarů, které úrovní rozlišovací schopnosti a rychlostí je možné charakterizovat jako “radarové vidění”. Jejich využívání se plánuje i v civilní sféře, například na ultrarychlých vlacích pro okamžité zjišťování překážek na dráze. Fotonika se může efektivně využívat také v městských infrastrukturních sítích, například při zásobování domů a bytů teplem. Místo horké vody budou nosiči energie fotony. Budou se šířit po fotonických krystalových vláknech s tloušťkou lidského vlasu a jejich energie se bude převádět na teplo s účinností blízkou 100%.

o o o o o o o

Tento příspěvek je zpracován s využitím informací z veřejně dostupných pramenů.