Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Способы повышения боевой эффективности истребителей путем замены классического фонаря кабины летчика на непрозрачный электронный аналог



Введение

Задача повышения боевой эффективности стоит перед проектировщиками военных самолетов с самого зарождения пилотируемых аппаратов данного типа. Со времен появления первых боевых летательных аппаратов и вплоть до нашего времени авиаконструкторы используют самые разнообразные способы по повышению скорости, дальности, маневренности и малозаметности воздушных судов - сначала от бипланов, трипланов и полипланов перешли к монопланам, затем на смену поршневым двигателям пришли двигатели реактивные, а прямое крыло уступило место крылу стреловидному. В настоящее время истребители пятого поколения - это самолеты в основной своей массе обладающие высокой тяговооруженностью, дальностью полета, низкой радиолокационной и тепловой заметностью, а также развитым комплексом БРЭО и совершенными авиационными средствами поражения. Однако, что на самолетах - «этажерках», что на сверхманевренных истребителях пятого поколения обзор - один из важнейших элементов, делающих самолет успешным как в воздушном бою, так и при работе по неземным и надводным целям. Само собой, обзор обеспечивается правильным расположением летчика и прозрачным фонарем кабины пилота.

Фонарь - это неотъемлемая часть таких маневренных летательных аппаратов, как истребители. Он позволяет летчику ориентироваться в пространстве, осуществлять пилотирование, а также визуально обнаруживать объекты и цели. Однако, как известно, любой самолет - это сочетание компромиссов, и использование традиционного для сегодняшних истребителей каплевидного фонаря - один из них. Еще во время Второй мировой войны, основываясь на результатах статистике ведения воздушных боев, авиаконструкторы пришли к выводу, что ради лучшей ситуационной осведомленности летчика летно-технические характеристики можно принести в жертву обзору. Тогда же на самолеты-истребители и стали массово устанавливаться каплевидные фонари, которые хоть и имели большее аэродинамическое сопротивление, нежели более традиционные на то время фонари, оканчивающиеся гаргротом, но давали куда лучший обзор пилоту.

Даже после того, как самолеты обзавелись совершенными радиолокационными станциями и управляемыми ракетами воздух-воздух средней и большой дальности видимость из кабины пилота оставалась важна. К примеру, на таком истребителе пятого поколения как F-22 стоит каплевидный фонарь, при этом он выполнен беспереплетным, чтобы пилоту ничего не загораживало обзор. Похожие решения прослеживаются на любом перспективном самолете данного класса - необходимость поднять пилота чуть ли не по пояс над непрозрачной частью фонаря в настоящее время кажется незыблемой догмой и единственной возможностью получить достаточную видимость из кабины самолета-истребителя, пусть и ценой некоторого ухудшения таких характеристик как скорость, дальность и малозаметность. Снизить негативное влияние фонаря на данные характеристики без ухудшения обзора можно путем применения непрозрачного электронного фонаря кабины пилота - комплекса экранов, на которые выводится изображение с наружных камер.

Разумеется, электронный фонарь возможно устанавливать не только на истребителях, но и на любых других летательных аппаратах, к примеру, вертолетах и фронтовых ударных самолетах, например, для повышения защищенности экипажа, а также бомбардировщиках и гражданских самолетах для улучшения летно-технических характеристик, однако, в рамках данной работы в первую очередь будут рассматриваться высокоманевренные малозаметные воздушные суда - истребители.

Актуальность работы заключается в том, что при проектировании перспективных истребителей проектировщики стараются добиться улучшения летных и технических характеристик в сравнении эксплуатирующимися самолетами данного типа, при этом такой классический элемент воздушного судна как фонарь кабины летчика вносит существенный вклад в их ухудшение. Таким образом актуальным предметом исследования является возможность отказа от фонаря традиционного вида и его замены на аналог не снижающий боевой эффективности.

Целью выпускной квалификационной работы является исследование возможности повышения боевой эффективности перспективных истребителей путем установки непрозрачного электронного фонаря кабины пилота.

Задачи исследования:

1) Рассмотреть проблемы классических фонарей кабины;

2) Описать состав электронного фонаря и его влияние на боевые возможности истребителей;

3) Произвести выбор решений, которые, в случае использования электронного фонаря на перспективных истребителях, позволили бы добиться максимального увеличения боевой эффективности перед существующими самолетами данного типа.

Объектом исследования является влияние на боевую эффективность воздушного судна класса истребитель различных способов обеспечения летчику обзора закабиного пространства. Предмет исследования составляют конкретные способы повышения боевой эффективности истребителей путем замены классического фонаря кабины летчика на непрозрачный электронный аналог.

Теоретическую основу магистерской диссертации составили: работы в области исследования влияния различных решений на эффективную площадь рассеяния самолетов (А.Н. Лагарьков, М.А. Погосян, А.И. Федоренко, В.Н. Кисель); исследования состава и возможностей существующих и перспективных систем технического зрения (С.Ю. Желтов, О.В. Выголов, Ю.В. Визильтер, С.М. Соколов, А.А. Богуславский, Н.Г. Федоров и др.). Также, в работе использовались выводы и результаты работы по влиянию позы человека на переносимость перегрузок Б.А. Рабиновича.

Научная новизна исследования состоит в том, что в ней рассматривается влияние на боевые возможности маневренных воздушных судов ранее не применявшегося на них способа повышения их тактико-технических характеристик - полного отказа от прозрачного фонаря кабины летчика и замена его на непрозрачный аналог, состоящий из комплекса экранов и внешних камер.

Практическая значимость работы заключается в том, что электронный фонарь позволит снизить радиолокационную заметность самолета, облагородить его аэродинамические формы, улучшит ситуационную осведомленность летчика, а также уберет необходимость размещать летчика в носовой части самолета и позволит располагать его в таких позах посадки, которые дадут ему возможность легче переносить перегрузки.



1. Проблемы классических фонарей с прозрачным остеклением

Каплевидный фонарь, считающийся на сегодняшний день незаменимым элементом конструкции пилотируемого самолета - истребителя, не лишен недостатков, отрицательно влияющих как на ТТХ самолета, так и на его боевую эффективность. Основными, но не единственными проблемами являются негативный вклад в аэродинамическое совершенство форм летательного аппарата и его малозаметность в радиолокационном диапазоне.

1.1 Влияние традиционных фонарей на аэродинамику

Фонарь любого самолета является своего рода обтекателем, установленным вокруг летчика и обеспечивающем ему приемлемые для пилотирования условия в том числе в непогоду и при полете на больших скоростях и высотах. Однако любой обтекатель, каким бы совершенным с аэродинамической точки зрения он не был, - это элемент, негативно влияющий на летные характеристики самолета. Кроме того, что фонарь увеличивает аэродинамическое сопротивление сам по себе, его нужно еще скомпоновать с фюзеляжем, что опять же требует отхода от наиболее оптимальных форм самолета. Примером ухудшения ЛТХ из-за фонаря кабины, а если точнее, изменения его с простейшего полностью закрытого на каплевидный, может послужить история о переделке Р-47D-5 в XP-47K в рамках испытаний возможностей по улучшению обзора из кабины истребителя. На самолете ради установки каплевидного фонаря уменьшили высоту гаргрота фюзеляжа (рисунок 1) и, в ходе испытаний в июле 1943 года, отметили улучшение обзора задней полусферы самолета, однако скорость истребителя снизилась на 29 км/ч [1].



Рисунок 1 - Фонарь P-47D-5, оканчивающийся гаргротом - 1; каплевидный фонарь и гаргрот уменьшенной высоты - 2

Другим примером влияния обтекателей на летные характеристики самолета могут служить испытания истребителя Bf-109G-6/trop, серийный номер 16476, 22 апреля 1943 [2]. На данном самолете сравнивали влияние на скорость двух различных видов обтекателей пулеметов MG-131, установленных под капотом двигателя, со стандартным для предыдущих серийных модификаций Bf-109G капотом без каких-либо обтекателей. Во всех случаях масса самолета составляла около 3100 кг. Результаты испытаний показали следующее:

1) Скорость без обтекателей - 492 км/ч;

2) Скорость с серийными обтекателями для MG-131 - 483 км/ч;

3) Скорость с увеличенными, более обтекаемыми капотами - 489 км/ч.

Не слишком заметное на первый взгляд падение скорости после установки обтекателей для пулеметов в сравнении со стандартными для предыдущих модификаций Bf-109G капотами объясняется небольшими размерами этих обтекателей (рисунок 2), однако данный пример показывает, что даже незначительно выступающая и аэродинамически облагороженная деталь оказывает негативное влияние на летно-технические характеристики самолета.

Рисунок 2 - Серийные обтекатели - 1, увеличенные обтекатели - 2

1.2 Влияние фонаря на эффективную площадь рассеяния

Фонарь кабины пилота, как было указано ранее, дает летчику приемлемый обзор и удовлетворительные условия существования, однако он значительно выдается из фюзеляжа самолета, чем в определенной степени увеличивает его эффективную площадь рассеяния, что критично для таких воздушных судов, как истребители пятого поколения, а также для малозаметных ударных самолетов. Исходя из [3], происходит это, в зависимости от применяемых способов снижения радиолокационной заметности, по двум основным причинам. В первом случае, из- за прозрачности обычного остекления для электромагнитных волн, радиоволны, попав внутрь кабины под соответствующими углами, отражаются от внутренней поверхности кабины, приборов, переплета фонаря, катапультируемого кресла и самого пилота зачастую даже по принципу уголкового отражателя. Снизить ЭПР внутри фонаря кабины возможно лишь до определенного предела, так как в конце концов из-за изменения форм приборов и их расположения, а также покрытия их специальными материалами пострадает эргономика.

Во втором случае для борьбы с попаданием радиоволн в кабину пилота на фонарь наносят рассеивающее покрытие - его прозрачную часть металлизируют, напыляя несколькими тонкими слоями (каждый в долю микрометра) различные металлы и окислы. В случае применения такого остекления усредненная ЭПР летательного аппарата значительно снижается, так как радиоволны не проникают в кабину (коэффициент отражения излучения от фонаря кабины достигает значений в районе единицы), рассеиваются в основном в стороны и не отражаются в сторону облучающей самолет радиолокационной станции. Однако, как известно, угол отражения радиоволн равен углу их падения и именно из-за того, что фонарь, каким бы он не был совершенным с точки зрения рассеяния сигнала РЛС, покрыт радиоотражающим покрытием, с определенных ракурсов, в особенности с верхней полусферы, его значение ЭПР значительно повышает среднюю ЭПР самолета. Кроме того, саму форму его прозрачной части делают по компромиссу между обзором, аэродинамикой и малозаметностью, а это означает, что с точки зрения снижения ЭПР фонарь не обладает совершенными обводами.

1.3 Прочие проблемы традиционных фонарей

Помимо вышеперечисленных проблем, истребители, а в особенности такой их подвид, как перехватчики зачастую имеют ограничение по максимальной скорости, превышение которой не повлечет за собой выход из строя двигателей или повреждение конструкции фюзеляжа, крыла или оперения. Ограничение вызвано лишь не способностью фонаря кабины выдержать приходящиеся на остекление из- за воздушного потока тепловой нагрев и давление [4].

Помимо вышеперечисленного, большой проблемой для истребителей является птицестойкость фонаря. Современное остекление истребителя позволяет выдержать столкновение с птицей на средних дозвуковых скоростях. Например, во время испытаний фонаря Су-57, сделанного из монолитного поликарбоната, ПЧФ выдержала два попадания птицы массой 1.7 - 1.9 кг. Скорости выстрела составляли 645 и 777 км/ч, при этом в соответствии с техническими требованиями скорость соударения должна была составлять 600 км/ч [4]. Несмотря на то, что остекление выдержало попадание птицы на скорости в 1.3 раза большей, чем требовалось, самолет, особенно во время боевых действий, может лететь на малых и предельно малых высотах с большей скоростью, даже со сверхзвуковой, а птицы могут быть крупнее, чем двухкилограммовая курица, и в таких случаях столкновение с птицей может привести к повреждению, либо даже разрушению фонаря, а также ранению или гибели пилота. К примеру, 8 апреля 1982 года разведчик RF-4 во время тренировочного полета на предельно малых высотах на скорости 900 км/ч столкнулся с лебедем массой около 10 килограмм. Птица проломила стекло фонаря и серьезно ранила летчика (рисунок 3) - после удара от ранений он потерял сознание [5]. Самолет смог вернуться на базу только благодаря офицеру систем вооружения и помощи с другого RF-4.



Рисунок 3 - Повреждение ПЧФ RF-4 после столкновения с десятикилограммовым лебедем

Еще одна проблема - это лазерное оружие. Такое вооружение обычно поражает цель термомеханическим и ударно-импульсным воздействием лазерного луча, который нагревает до высоких температур материал объекта тем самым повреждая чувствительные элементы вооружения, органы зрения человека (вплоть до необратимых последствий), приводит к ожогам кожи, то есть в зависимости от плотности потока лазерного излучения оно может привести к временному или даже постоянному ослеплению летчика или к разрушению корпуса самолета [6]. На текущий момент особого распространения такой тип вооружения не имеет, однако одним из рассматриваемых требований к истребителям 6 поколения является использование лазерных систем как для обороны летательного аппарата от АСП противника, так и для уничтожения вражеских самолетов. Исследования в данном направлении развития средств поражения проводятся в уже на протяжении десятков лет и отдельные образцы наземного базирования находятся в серийном производстве.

Уничтожение летательного аппарата при помощи лазерного оружия путем разрушения корпуса не сильно зависит от фонаря кабины пилота, однако поражение органов зрения летчика с данным элементом конструкции связано напрямую. Опыт эксплуатации гражданских самолетов показал, что даже доступные на гражданском рынке лазерные указки сравнительно небольшой мощности могут привести к временному ослеплению экипажа [7]. И если подобное ослепление - серьезная проблема при выполнении рутинных полетов во вневраждебной среде, то в воздушном бою (особенно в ближнем воздушном бою), даже кратковременная потеря зрения существенно снижает вероятность благоприятного для ослепленного летчика исхода. Несмотря на то, что пока примеров вооружения, которое намеренно ослепляло бы летчика нет, в сухопутных войсках лазеры, предназначенные в том числе для воздействия на органы человеческого зрения, получили определенное распространение. Например, некоторые танки оснащены лазерными устройствами оптического подавления, ослепления и помех, способными вывести из строя различное оптико-электронное оборудование и, следовательно, имеют возможность ослепления человека [6].

Зенитные лазерные системы в настоящее время также начинают более пристально рассматриваться вооруженными силами технологически развитых государств. За последние два года США и Российская Федерация представили по лазерному комплексу (LWSD и Пересвет) [8; 9], при этом утверждается, что российская система уже заступала на опытно-боевое дежурство. Предположительно обе системы будут в первую очередь направлены на выведение из строя оптико-электронного оборудования ЛА (а, следовательно, представляют угрозу органам зрения человека), а также, исходя из испытаний LWSD, уничтожать БПЛА.

Учитывая постоянный прогресс в разработке вооружения, основанного на принципе воздействия лазерного луча на цель, а также его все большую миниатюризацию, можно с уверенностью предполагать, что лазерное оружие может стать одной из угроз для летчиков ближайшего будущего.

1.4 Вывод по проблемам традиционных фонарей кабины самолета

Классический фонарь позволяет летчику иметь обзор из кабины на достаточном уровне, однако обладает целым рядом существенных недостатков, которые на текущий момент считаются компромиссными решениями. В жертву обзору принесены заметность в радиолокационном диапазоне, летно-технические характеристики, а также безопасность летчика.



2. Описание электронного фонаря кабины и его влияние на боевые возможности самолета

2.1 Электронный фонарь и системы технического зрения

Электронный фонарь представляет собой комплекс из нескольких наружных камер и мультимониторной системы с экранами с высоким разрешением расположенными таким образом, чтобы выводимая на них картинка на всех этапах эксплуатации авиационного комплекса максимально точно соответствовала тому, что видел бы летчик, если бы он смотрел сквозь обыкновенный прозрачный каплевидный фонарь, то есть должно быть обеспечено получение, обработка на борту самолета и наглядное представление экипажу визуальной информации о внешней обстановке. Одновременно, элементы ЭФ могут быть дополнительным источником информации для реализации автоматического управления в беспилотном режиме на опционально пилотируемых истребителях.

В настоящее время по схожему с электронным фонарем принципу реализованы различные системы технического зрения с разницей в том, что они лишь дополняют то, что может видеть летчик своими глазами, а не заменяют это изображение на полностью электронное. Поэтому, для более полного понимания устройства электронного фонаря рассмотрим, как выполнены современные СТЗ и какими они обладают возможностями.

Система технического зрения состоит из систем синтезированного (ССВ) и улучшенного (СУВ) видения. Данные системы обеспечивают летчику возможность видеть различные объекты, цели и ориентиры на большем расстоянии, нежели без их использования, что облегчает ему взлет, посадку и руление, а также улучшают его ситуационную осведомленность создавая дополненный образ закабинного пространства при помощи вывода на многофункциональные дисплеи, либо ИЛС изображения, формируемого с помощью СТЗ и компьютерной визуализации [10].

Система улучшенного видения формирует изображение внешней среды по изображениям с датчиков, работающих в оптическом диапазоне, и выводит его на экранах. На улучшенном изображении пилот может производить визуальную идентификацию различных целей и объектов, располагающихся на подстилающей поверхности, а также взлетно-посадочных полос, которые, к примеру, из-за погодных условий, могут быть не видны или видны недостаточно хорошо для невооруженного глаза [11].

Обычно СУВ состоят из такого набора оборудования, как:

- оптикоэлектронный инфракрасный датчик с диапазоном 3-5, либо 8-14 мкм;

- защищенные от обледенения обтекатели, прозрачные в диапазоне датчика;

- канал передачи видеоинформации;

- электронный индикатор (ЭИ) с виртуальными органами управления функцией СУВ;

- опционально может быть использован оптикоэлектронный датчик телевизионного (ТВ) диапазона.

Инфракрасный датчик требуется для обеспечения обзора летчику в условиях слабой видимости. Согласно [10], СУВ должна решать следующие задачи:

1) Получение информации с оптико-электронной системы;

2) Ввод цифровой видеоинформации в бортовой вычислитель с опциональной возможностью синхронизированного ввода многоспектральной информации;

3) Обработку видеоинформации (опционально);

4) Комплексирование многоспектральной видеоинформации (опционально);

5) Получение информации от бортовых систем о местоположении, высоте и пространственной ориентации самолета;

6) Совмещение улучшенного изображения и приборной навигационной информации, представленной в виде текста и векторных графических образов полета;

7) Обнаружение объектов аэродромной инфраструктуры (опционально);

8) Индикация сформированного изображения СУВ на ЭИ и/или на ИЛС.

В настоящее время СУВ массово устанавливаются на гражданские и военные самолеты, пример работы такой системы на гражданском ВС представлен на рисунке 4 [13].

Рисунок 4 - Изображение полученное при помощи системы улучшенного зрения (слева) и реальный вид из кабины пилота (справа)

Система синтезированного видения позволяет летчику в любую погоду и время суток видеть на МФД или ИЛС изображение местности, над которой он летит, при этом информация о топографии территории, над которой пролетает самолет поступает либо из базы данных, находящейся на его борту, либо по каналу обмена данными между самолетом и другими ВС и/или наземными средствами, способными к передаче на борт такой информации. Кроме того, появляется возможность автоматизации обнаружения требуемых объектов, к примеру, взлетно-посадочных полос и различных препятствий, которые могут на них находиться.

Схожее описание прослеживаются и в [12], где говорится, что система синтезированного видения отображает данные о рельефе, благодаря чему экипаж получает информацию об окружающих физических ограничениях, что позволяет ему с большей эффективностью действовать в случае внезапной необходимости отклониться от заданной траектории. Для информационного обеспечения используются данные БРЛС, данные рельефа местности вдоль маршрута полета, базы данных аэродромов и прочих объектов.

В случае возможности обмена данными между самолетом и другими источниками информации достаточно, чтобы в ССВ входили данные, поступающие с бортовой навигационной системы, вычислитель, который, основываясь на получаемой информации, подготавливал бы изображение, а также МФД или ИЛС на которое оно должно выводиться. Если же самолет должен иметь возможность действовать полностью автономно, то к упомянутым выше требованиям к ССВ необходимо добавить бортовую базу данных с информацией о ландшафте и инфраструктуре аэродромов.

Использование системы синтезированного видения позволяет улучшить ситуационную осведомленность летчика и снизить на него нагрузку. К примеру, ССВ может в режиме реального времени показывать, каким маршрутом должен лететь самолет, выводя символьную, буквенно-цифровую информацию о полетных данных, а также изображение «коридора» (рисунок 5), которого следует придерживаться прямо на МФД/ИЛС [14]. Последнее может быть особенно полезно во время захода на посадку, поскольку «коридор» может показывать максимально допустимые отклонения от оптимальной глиссады.

Однако, ССВ не лишена недостатков. База данных, либо информация, поступающая по каналу обмена данных может быть неполной или содержать ошибки, что может привести к аварийной или даже катастрофической ситуации. Поэтому в настоящее время в гражданской авиации наличие данной системы, не смотря на повышение ситуационной осведомленности летчика, не снижает ограничений по, к примеру, эксплуатационным минимумам. Исходя из этого, ССВ на текущий момент используют лишь совместно с СУВ (рисунок 6).

Рисунок 6 - МФД, на который выведена информация по заданному курсу.

Рисунок 5 - Наложение изображения препятствий, поступающего с СУВ на ССВ

При этом, в случае использования варианта с наложением изображения системы синтезированного видения на картинку СУВ, благодаря способности человеческого глаза увидеть неточности при наложении двух изображений, решаются такие проблемы ССВ, как:

- ошибки в изображении подстилающей поверхности (естественные и искусственные препятствия, расположение аэропортов);

- неотображаемые летательные аппараты и наземные объекты.

При этом, для удобства прозрачность отображения ССВ, размеры и количество выводимой информации при наложении на СУВ (и наоборот с СУВ на ССВ) можно регулировать [14].

По результатам испытаний 2001 года самолета Boeing 757, оборудованного системами СУВ и ССВ было установлено, что наличие данных систем на борту существенно снижает вероятность потери летчиком пространственной ориентировки, а также значительно облегчает заход на посадку или уход на второй круг при осуществлении полета в горной местности и плохих метеоусловиях.

С учетом всех преимуществ, получаемых за счет использования СУВ и ССВ на существующих образцах воздушной техники нужно отметить, что использование данных систем на самолете, оборудованном ЭФ является необходимостью, так как их использование существенно повысит ситуационную осведомленность летчика как при эксплуатации самолета в мирное время, так и в боевых условиях. Таким образом, аналогично СТЗ [15], ЭФ может выполнять следующие задачи:

1) Получение, оцифровка и отображение многоспектральной видеоинформации закабинного пространства в режиме СУВ;

2) Обеспечение экипажа информацией об окружающей обстановке при рулении по ВПП, разбеге и взлете, заходе на посадку, посадке и пробеге с отображением положения ЛА относительно оси ВПП, образов разметки и т.д. в дневном или ночном режиме, а также параметрами местоположения и ориентации ЛА;

3) Обеспечение экипажа необходимой информацией при решении пилотажно-навигационных задач. К примеру, отображение изображения закабинного пространства, совмещенного с картой местности, полученной при помощи ССВ, а также совмещение этих данных с информацией от пилотажно-навигационных и других систем (в том числе БРЛС), выработка рекомендаций по управлению полетом и предупреждений об опасном сближении с землей;

4) Обеспечение экипажа необходимой информацией в случае решения задач боевого применения путем отображения изображения закабинного пространства, совмещенного с картой местности, полученной при помощи системы синтезированного видения, а также совмещение этих данных с информацией, поступающих от таких обзорно-прицельных систем, как РЛС и ОЛС.

2.2 Расположение камер на самолете, оборудованном ЭФ

Использование электронного фонаря приведет к тому, что необходимость располагать пилота в носовой части фюзеляжа отпадет - благодаря использованию камер и экранов выводить изображение, равно как и располагать пилота, можно будет в любой части самолета.

Это открывает новые возможности по компоновке проектируемых пилотируемых самолетов. К примеру, убрав пилота глубже в фюзеляж, можно сделать обводы носовой части более аэродинамически совершенными, а истребитель, выполненный по подобной схеме, внешне будет больше похож на БПЛА или же крылатую ракету, нежели на классический самолет данного типа.

В плане аэродинамической компоновки носовой части самолета к схожему решению пришли при создании Т-4 (рисунок 7), где обзор был принесен в жертву аэродинамике - сказывалось аэродинамическое сопротивление фонаря на больших сверхзвуковых скоростях. Кроме Т-4 поднимаемый обтекатель также ставили на Ту-144, Concorde и XB-70.

Рисунок 7 - Т-4 с поднятой носовой частью

Однако, что хорошо для бомбардировщика, то не всегда подходит истребителю - последнему достаточный обзор из кабины пилота необходим для успешного выполнения типичных для него задач. Как уже было написано ранее, при использовании электронного фонаря пилот смотрит на экраны с высоким разрешением. Для того, чтобы он имел возможность видеть на этих экранах закабинное пространство, необходимо применять внешние камеры.

Наиболее близким к электронному фонарю решением с точки зрения применения камер и вывода изображения на экран можно считать СУВ, предполагаемую к установке на строящийся по состоянию на 2020 год X-59 QueSST [16]. На этом самолете передняя прозрачная часть фонаря кабины по аэродинамическим и акустическим соображениям была заменена на 4k монитор на который выводится сшитое с двух внешних камер изображение (рисунки 8 и 9) [17].

И все же перед проектировщиками X-59 в первую очередь стояла задача по снижению уровня шума данного самолета на сверхзвуковых скоростях, а потому убирать фонарь целиком им не было смысла. Для истребителей же будущего подобное решение будет лишь полумерой, так как пилота все равно нужно будет располагать сравнительно высоко для обеспечения бокового обзора. Для того, чтобы полностью убрать летчика в фюзеляж и обеспечить самолету наиболее аэродинамически чистые обводы требуется применение электронного фонаря кабины, для которого нужно большее число камер, так как на экраны должно выводиться изображение не только с передней полусферы как на строящемся в настоящий момент QueSST, но также сверху, с боков и задней полусферы.

Рисунок 8 - Самолет X-59 QueSST, рядом с кабиной пилота виден обтекатель камеры высокого разрешения

Рисунок 9 - Кабина X-59 QueSST, над двумя МФИ расположен 4K монитор на который выводится изображение с внешних камер

Как уже было отмечено, самолет оборудованный электронным фонарем кабины пилота не требует расположения летчика строго в носовой части воздушного судна для обеспечения его приемлемым обзором так как изображение передается на экраны с высоким разрешением с внешних камер. Для минимизации сопротивления воздуха они могут быть вписаны в обводы самолета, при этом, расположение этих камер должно обеспечивать сшиваемость изображения для того, чтобы летчик видел изображение, выводимое на ЭФ, максимально похожим на то, что он мог бы видеть своими глазами через классический прозрачный фонарь кабины пилота. Примером распределения камер по планеру самолета могут служить системы AN/AAQ-37 на F-35 или же «Изделие 101КС», а точнее одна из его составляющих - станция 101КС-У (рисунок 10), которая является всеракурсной системой обзора в ультрафиолетовом спектре и предназначена для обнаружения двигателей самолетов и ракет, а также определения их координат. Расположение двух из трех ее элементов на Т-50 представлено на рисунке 11.

Рисунок 10 - Станция 101КС-У



Рисунок 11 - Расположение элементов системы 101КС-У

Наглядным примером другого варианта расположения камер под единым обтекателем может служить EOTS AAQ-40, устанавливаемая на американский истребитель F-35 (рисунок 12).

Рисунок 12 - Носовая часть F-35, на нижней поверхности фюзеляжа виден обтекатель системы EOTS AAQ-40

Данная система сочетает как тепловизионную станцию переднего обзора, так и оптико-электронную станцию, и состоит из пары крупных инфракрасных сенсоров, размещенных на поворотной платформе [18]. Для обеспечения постоянного кругового обзора вместо объемных поворачиваемых тепловизионных сенсоров можно под разными углами разместить неподвижные камеры, каждая из которых будет занимать существенно меньше места. Далее, несколько установленных в одном месте камер можно прикрыть одним небольшим прозрачным обтекателем, который будет в несколько раз меньше, чем фонарь летчика.

У обоих способов есть свои преимущества и свои недостатки. Например, нахождение камер под одним обтекателем упрощает задачу по сшиванию изображения, упрощается техническая эксплуатация системы обзора самолета, так как все оптические элементы находятся в одном месте. С другой стороны, при разнесении камер меньшее влияние оказывается на аэродинамику самолета и его ЭПР, а сама система становится менее уязвима для внешних факторов. К примеру, в случае попадания ракеты ПЗРК, в виду небольшой её боевой части, самолеты зачастую получают не фатальные повреждения и способны вернуться на базу. При разнесении камер вероятность вывода из строя всех одновременно существенно снижается, а полет можно совершать даже если фронтальная камера получит повреждения и перестанет передавать изображение в кабину пилота.

Также можно использовать и компромиссный вариант, где часть камер будет расположена под общим обтекателем, а другие разнесены по обшивке. К примеру, на рисунках 10 и 11 видно, что один из двух датчиков 101КС-У сдвоенный - один направлен в переднюю полусферу, а другой - в заднюю. Кроме того, добавлением резервной фронтальной камеры или же перископа можно несколько уменьшить уязвимость системы обзора пилота.

Следует добавить, что оба способа повышают защищенность летчика от ОМП, лазерного вооружения, а также от столкновения с птицами, поскольку при использовании камер вместо традиционного прозрачного фонаря пилот наблюдает закабинное пространство не напрямую, а через экраны, при этом сам он может быть расположен в любой части самолета и защищен более прочными материалами, чем остекление классического фонаря кабины.

2.3 Выбор рабочих диапазонов камер электронного фонаря

Оптический диапазон электромагнитного излучения разделяют на три группы:

- УФ излучение (УФ-диапазон), длина волны 0,1…0,4 мкм;

- видимый свет, длина волны 0,4…0,74 мкм;

- инфракрасное излучение (ИК-диапазон), длина волны 0,74…2000 мкм.

2.4 Ультрафиолетовый диапазон электромагнитного излучения

В ультрафиолетовом диапазоне обычно выделяют 3 поддиапазона [19]:

- коротковолновый UV-C, 100…280 нм (0,10…0,28 мкм);

- средневолновый UV-B, 280…320 нм (0,28…0,32 мкм);

- длинноволновый UV-A, 320…400 нм (0,32…0,40 мкм).

Длины волн менее 280 нм поглощаются озоновым слоем атмосферы на высотах 40…50 км из-за чего солнечный фон у земной поверхности состоит только из поддиапазонов UA-A и частично из UC-B, которые в сумме составляют менее 1,5% от достигающей поверхность земли солнечной энергии при ее исходной величине в излучении Солнца 5%. Также, УФ-излучение сильно поглощается окисью углерода (130 нм), водяными парами (140 нм), метаном (147 нм), кислородом (185 нм) и аммиаком (220 нм).

Проблема использования ультрафиолетового спектра заключается в том, что его источники излучения на Земле, как естественные, так и искусственные, крайне слабо распространены. Примером источников излучения могут служить взрывы, молнии и другие быстропротекающие процессы. Также относительно непродолжительными по времени источниками излучения являются факелы ракет

«Воздух-Поверхность» и «Воздух-Воздух». Следует, однако, учитывать, что во время нахождения на среднем и конечном участках траектории, то есть когда ракета идет на пассивном участке полета, доля ультрафиолетового излучения становится незначительной и основным источником излучения ракеты является аэродинамический нагрев корпуса, приходящийся в основном на ИК-диапазон.

Таким образом можно сделать вывод, что в виду слабого распространения источников излучения, ультрафиолетовый спектр может быть полезен в качестве элемента бортового комплекса обороны, однако с точки зрения отображения закабинного пространства для летчика данный оптический спектр обладает малой ценностью, поскольку получаемое изображение будет лучшем случае лишь набором редких разрозненных быстропротекающих сигналов, по которым ориентирование в пространстве невозможно.

2.5 Инфракрасный диапазон

Инфракрасное излучение позволяет обеспечить круглосуточное обнаружение объектов по их собственному тепловому излучению. Устройства, работающие в ИК-диапазоне, реализуют тепловизионный канал (ТПВ-канал).

Согласно [20], существенным фактором в выборе рабочего ИК-диапазона излучения является минимальное поглощение атмосферой. Так, компонента Н2О обладает значительными полосами поглощения, которые располагаются около =0,94; 1,1; 1,38; 1,87; 2,7; 3,2; 6,3 мкм. В случае СО2, полосы поглощения аходятся около =1,4; 1,6; 2,0; 4,3; 4,8; 5,2; 9,4; 10,4; 13,9 мкм. Кроме того, при =9,6 мкм излучение активно поглощается молекулами озона. В совокупности данные полосы совместно с полосами слабее поглощающих компонентов, к примеру, диоксида азота, угарного газа, метана и прочих, создают так называемую картину поглощения излучения атмосферой, которая меняется в зависимости от концентрации и состояния отдельных поглощающих веществ. Однако, следует отметить, что помимо перечисленных выше диапазонов поглощения, существуют и окна прозрачности атмосферы, использование которых представляет наибольшую целесообразность при выборе рабочих спектров оптико-электронных систем. «Окнам» соответствуют следующие интервалы длин волн ИК-излучения:

- = 0,95…1,05 мкм;

- = 1,15…1,35 мкм;

- = 1,5…1,8 мкм;

- = 2,1…2,4 мкм;

- = 3,3…4,2 мкм;

- = 4,5…5,1 мкм;

- = 8,0…13 мкм.

Наиболее распространенные на текущее время в оптико-электронных системах рабочие инфракрасные поддиапазоны представлены в таблице 1.

Таблица 1. Наиболее распространенные ИК диапазоны в ОЭС

Длина волны, мкм	Название
0,76…0,9	Ближний ИК-диапазон (Nearwave infrared - NWIR)
0,9…3,0	Коротковолновый ИК-диапазон (Short-wavelenght infrared - SWIR)
3,0…5,0	Средневолновый ИК-диапазон (Mid-wavelenght infrared - MWIR)
8,0…14,0	Длинноволновый ИК-диапазон (Long-wavelenght infrared - LWIR)

Для самолета с электронным фонарем наибольший интерес представляют средневолновый и длинноволновый диапазоны, поскольку, согласно [21; 22], они обладают хорошей пропускаемостью инфракрасного сигнала в отличие от более длинных и коротких волн, где в свою очередь располагаются полосы поглощения, существенно ухудшающие возможность наблюдения за объектами на дистанциях выше 30 метров.

Следует отметить, уровни земного и атмосферного фоновых излучений в 3…5 мкм примерно на порядок ниже, чем аналогичное значение для 8…14 мкм, что во столько же раз снижает вредное влияние на качество тепловизионного изображения фоточувствительных элементов (матриц). Однако, влияние замутненности атмосферного воздуха (из-за туманов, пыли, дыма на поле боя и т.д) в 3…5 мкм сильнее, чем в 8…14 мкм. В то же время, влияние влажности воздуха в диапазоне 3…5 мкм слабее, чем в 8...14 мкм [22].

Таким образом, там, где существует потребность работы преимущественно в теплом, влажном климате, в относительно ясную погоду, с больших высот, а тем более на высотных горизонтальных трассах, поддиапазон 3…5 мкм оказывается более предпочтительным, нежели 8…14 мкм, а на самолетах, действующих преимущественно на низковысотных атмосферных трассах, часто в замутненных метеоусловиях, пыли и дыме на поле боя преимущество имеет 8…14 мкм диапазон. Учитывая многофункциональность современных и перспективных истребителей, самолет данного класса, оборудованный электронным фонарем для обеспечения всепогодности и адаптивности системы к внешним условиям должен будет одновременно использовать оба этих поддиапазона.

2.6 Видимое излучение

Как уже было сказано, видимый свет - это оптический диапазон электромагнитного излучения, обладающий длиной волны 0,4…0,74 мкм. Камеры, работающие в видимом диапазоне должны быть обязательным элементом электронного фонаря, поскольку в самолете, на который он установлен, отсутствует возможность обзора через прозрачную часть кабины и, следовательно, летчик, в случае, если камеры видимого диапазона не будут установлены, лишается является наиболее привычного для человеческого глаза изображения.

Кроме того, использование цветного изображения в определенных ситуациях обладает определенными преимуществами перед другими способами получения информации по оптическому каналу. К примеру, тепловизионная камера может не позволить летчику обнаружить наземную цель, если её температура не будет отличаться от температуры земли. Кроме того, изображение видимого спектра может облегчить определение государственной принадлежности цели, поскольку, в сравнении с тепловизионными системами позволяет определять цвета флагов, опознавательных знаков и покраски техники.

2.7 Вывод по рабочим диапазонам камер ЭФ

Учитывая возможности каждого из рассмотренных диапазонов, камеры электронного фонаря должны обеспечивать экипаж изображением в видимом спектре (как цветным, так и черно-белым), а также в двух инфракрасных поддиапазонах (3…5 мкм и 8…14 мкм). Использование камер ультрафиолетового спектра для обеспечения обзора летчику не рационально, поскольку число видимых в нем процессов и объектов крайне мало и не может обеспечить летчика информацией об окружающей обстановке на достаточном уровне.



3. Нашлемные системы виртуальной реальности, сравнение с ЭФ

Одним из способов отображения изображения с камеры на шлем ВР является его проецирование на экраны. Всего известно 4 различных способа вывода картинки с сохранением стереоскопического зрения [23]. Кратко рассмотрим каждый из них:

1) Пассивное поляризационное разделение выводимого изображения (линейная и круговая поляризация).

Эффект разделения изображения достигается при помощи применения поляризационных фильтров, при этом каждый глаз видит только предназначенную для него картинку.

Несмотря на то, что подобное решение обеспечивает хорошую цветопередачу и комфортное восприятие отображаемой информации, имеются и недостатки. К примеру, существует проблема смешения изображений, когда один глаз видит часть изображения, предназначенного для другого глаза, а также нельзя использовать неплоские экраны.

2) Пассивное мультихроматическое разделение

Данный способ создания стереоскопического изображения основан на цветоотделении основных цветов для левого и правого глаза путем разделения каждого из них на перемежающиеся полосы внутри их спектральных диапазонов. При этом ширина полос выбирается с учетом минимизации смешения изображения и изменения цветов.

Подобное разделение позволяет добиться максимального уровня комфорта восприятия и разделяемости изображения, однако определенное смешение остается, а сшитое изображение с нескольких проекционных каналов не обладает высоким качеством. Кроме того, как и в случае поляризационного разделения, использовать можно лишь плоские экраны.

3) Использование затворных жидкокристаллических очков

Работа системы виртуальной реальности по данному принципу основывается на выводе чередующихся с высокой частотой изображений для левого и правого глаза на экран, при этом необходимо использование 3D очков с поочередно затемняющимися линзами с такой же частотой, как на экране.

Работа в шлеме ВР, работающем при использовании вышеуказанной системы приводит к быстрой утомляемости глаз в виду инстинктивной фокусировке зрения поочередно на шторке и на изображении.

4) Активное мультихроматическое разделение.

В отличие от пассивного варианта данной системы активное мультихроматическое разделение переключает фильтры не на экране, а внутри проектора, что дает возможность проецировать изображение не только на плоские, но и на сферические, цилиндрические и прочие искривленные экраны с хорошим качеством сшивки изображения. При этом данный способ обеспечивает меньшую утомляемость органов зрения, чем в случае применения затворных очков (но все же большую, чем у пассивного варианта).

Исходя из вышеперечисленного, в непрозрачной кабине для шлема ВР с проецируемым изображением будет оптимально использовать активное мультихроматическое разделение, поскольку остальные способы проецирования либо не позволяют добиться высокого качества при сшивании нескольких изображений, либо приводят к быстрой утомляемости глаз, что непозволительно в длительных полетах, либо имеют смешение изображений. Однако, даже при выборе подобного способа вывода информации проблемой будет обеспечение летчика изображением внутренней части кабины самолета, поскольку далеко не все функции БРЭО возможно разместить по системе HOTAS. Возможным решением могло бы быть размещение дополнительных камер на самом шлеме, однако в таком случае увеличивается его масса.

Другой, при этом наиболее простой и распространенный способ отображения реального мира в системах виртуальной реальности (ВР) на текущий момент - это вывод изображения с пары камер, закрепленных на уровне глаз пользователя, на микродисплеи в шлеме. Стоит отметить, что в закрытой по аналогии с ЭФ кабине размещение камер только на шлеме ВР не применимо, так как летчик не будет видеть закабинное пространство. Решением, как и в случае с электронным фонарем, может быть использование комплекса распределенных по планеру самолета камер, в таком случае при помощи шлема ВР летчик получает достаточный обзор.

В силу схожести реализации обоих вариантов шлема ВР с электронным фонарем в плане способа получения закабинного изображения, произведем их сравнение. В отличие от ЭФ, шлем ВР требует в разы меньшей площади экранов для получения сопоставимого по информативности и качеству результата. По этой же причине он, в сравнении с электронным фонарем, обладает меньшей массой. Однако, установка системы виртуальной реальности на шлем летчика приведет к увеличению нагрузки, приходящейся на его шею [24] в особенности во время маневрирования с перегрузками и при катапультировании (тенденция роста нагрузки на шейный отдел позвоночника изображена на рисунке 13).

Рисунок 13 - Тенденция роста нагрузки на шейный отдел позвоночника

Дополнительная нагрузка на шейный отдел также оказывает влияние и на утомляемость летчика, особенно при выполнении длительных полетов, а усталость и, тем более, боль могут существенно влиять на способность летчика своевременно реагировать на изменение обстановки, например, обнаружение опасности.

Говоря о массе, можно рассмотреть используемый на F-35 и изображенный на рисунке 14 шлем, известный как HMDS (Head mounted display system), оснащенный НСЦУ и СУВ и большим количеством различных датчиков, отслеживающих, например, положение головы пилота. HMDS весит по разным данным от 2.1 до 2.45 кг [25] (для сравнения, шлем ЗШ-10 не оборудованный СУВ весит 1,4 кг). При этом, это шлем без применения системы ВР, которая еще больше увеличила бы его массу - даже версии VR шлемов предназначенные для гражданского пользования весят в районе 300 - 600 граммов в зависимости от качества самого шлема, так и показываемого им изображения, а с учетом более строгих требований к надежности в военной авиации можно предположить рост массы таких шлемов в 1.5 - 2 раза в сравнении с гражданскими версиями. При использовании же ЭФ, для вывода изображения с СУВ или ССВ шлем не требуется вовсе, так как вся информация выводится на экраны, что означает, что массу шлема можно снизить.

Рисунок 14 - Шлем летчика F-35

Кроме того, у ЭФ, который представляет из себя комплекс из нескольких экранов выше надежность в сравнении со шлемом виртуальной реальности, где количество микродисплеев ограничено из-за его миниатюрности. В случае выхода из строя одного из экранов в электронном фонаре, пилот потеряет лишь часть изображения закабинного пространства, а в случае со шлемом ВР выход из строя одного из микродисплеев означает потерю половины сектора обзора - куда бы летчик не направил свой взгляд, везде он будет видеть лишь одним глазом.

Стоит отметить, что в отличие от шлемов ВР, электронный фонарь не обеспечивает стереоскопичность зрения.

Однако, на расстояниях свыше 450 метров глаза человека позволяют ему видеть лишь плоскую картинку, характерную монокулярному зрению [27].

Учитывая, что ЭФ позволяет видеть невооруженным глазом приборы в кабине (то есть бинокулярным зрением), во время ведения воздушного боя противники на столько сильно сближаются крайне редко, а также учитывая то, что моноскопическое отображение внешней среды на ЭФ все равно позволяет оценить размер наблюдаемого объекта, а по размеру определить приблизительную дальность, можно утверждать, что отсутствие стереоскопичного закабинного зрения никак не повлияет на осведомленность, оценку дальности, эффективность и безопасность летательного аппарата, оборудованного электронным фонарем кабины пилота.

В итоге, в случае применения ЭФ кабины пилота благодаря использованию более легкого шлема снижаются утомляемость летчика в длительных полетах и нагрузка на шею при активном маневрировании с большими перегрузками, а также при катапультировании, кроме того, в сравнении со шлемом ВР у ЭФ выше надежность.

К плюсам шлема ВР можно отнести меньшую массу в сравнении с ЭФ. Отсюда можно сделать вывод, что для летательного аппарата, маневрирующего с большими перегрузками предпочтительным вариантом будет использование ЭФ, а шлем ВР больше подходит либо для неманевренных самолетов, либо для дистанционного управления перспективными и существующими беспилотными летательными аппаратами.

3.1 Влияние электронного фонаря на ЭПР самолета

Фонарь кабины современного малозаметного истребителя - это одна из немногих его частей, которая не покрыта радиопоглощающими материалами и покрытиями. Напротив, как было указано ранее, для снижения ЭПР его покрывают «рассеивающим» радиоотражающим покрытием, которое предотвращает попадание радиоволн внутрь кабины и их отражение от всех неровностей её внутренней поверхности [3]. В виду того, что в случае использования ЭФ для обеспечения летчику обзора на достаточном уровне прозрачность фонаря не требуется, его можно покрыть РПП и РПМ, что позволяет полностью избавится от рассеивающей радиоизлучение прозрачной составляющей классического фонаря, тем самым убирая весьма заметную для РЛС часть летательного аппарата. В целом, диаграмма ЭПР фонаря кабины пилота аналогична диаграмме эффективной площади рассеяния самолета, поэтому весьма точным будет пример по снижению ЭПР самолета путем применения радиопоглощающих покрытий и материалов. На рисунке 15 видно, что во время испытаний (100 часов облучения РЛС на наземном стенде с различных ракурсов, а также 30 часов облучения в полете), целью которых было снижение радиолокационной заметности Су-27М с помощью использования РПП и РПМ его РЛЗ была снижена более чем в два раза [3; 27]. Таким образом, если бы можно было покрыть фонарь радиопоглощающими материалами и покрытиями, существующими во времена испытаний Т-10М, его ЭПР могла бы быть снижена примерно во столько же раз.



Рисунок 15 - Диаграмма ЭПР самолета Су-27М (Т-10М) с применением средств по снижению радиолокационной заметности (правая половина) и без применения этих средств (левая половина)

Может показаться, что снижение в два раза РЛЗ фонаря кабины не имеет практической ценности, так как его поверхность занимает сравнительно незначительную площадь относительно площади самолета целиком. Однако постоянные поиски новых материалов, которые можно было бы использовать для напыления на поверхность прозрачной части фонаря кабины говорит о том, что даже минимальное снижение эффективной площади рассеяния относительно ее существующего уровня важно. Исследования влияния радиолокационной заметности на вероятность потерь во время ведения боевых действий [3] показывают, что относительные потери самолетов имеют не прямую зависимость от ЭПР (рисунок 16) - снижение ЭПР с 5 м2 до 0,5 м2 дает снижение относительных потерь приблизительно на 20-25%, в то время как при уменьшении этого показателя с 0,5 до 0,1 м2 (в 5 раз) процент относительных потерь уменьшается примерно на 40%.

Рисунок 16 - Относительные потери в зависимости от ЭПР

Таким образом даже сравнительно небольшое снижение радиолокационной заметности малозаметного самолета вносит существенный вклад в его выживаемость. А в виду того, что электронный фонарь позволяет не просто заменить покрытие фонаря кабины с радиоотражающего на радиопоглощающее, а полностью убрать летчика в любую часть самолета, то обводы перспективных истребителей можно будет выполнять куда более совершенными в плане снижения