Концепция авианесущего крейсера с БЛА шестого поколения
1. Введение
В третьей статье серии обосновывалась точка зрения, согласно которой наш авианосец адмирал Кузнецов уже настолько устарел, что вместо его ремонта лучше построить какой-либо новейший корабль. При закладке двух УДК пр. 23900 Иван Рогов было заявлено, что стоимость заказа на каждый из них составит 50 млрд. руб., что меньше, чем цена ремонта Кузнецова. Далее предположим, что если заказать авианесущий крейсер (АК) на базе корпуса УДК, то корпус АК обойдётся не дороже корпуса УДК.
В последние лет 15 мы периодически представляем проекты авианосца Шторм, который по массогабаритам близок к американскому Нимицу. Оценка стоимости Шторма 10 млрд $ убивает всю идею. Ведь кроме Шторма необходимо построить к нему и АУГ, и самолёты дальнего радиолокационного обнаружения (ДРЛО) Як-44, и комплекс тренировки лётчиков авиакрыла. Такие расходы бюджет нашего недофинансируемого флота явно не вытянет.
2. Основные параметры концепции АК
Автор не является экспертом ни в кораблестроении, ни в авиастроении. Приводимые в статье технические характеристики являются ориентировочными и получены сравнением с известными образцами. Если специалисты захотят их скорректировать, то это значительно повысит качество предложения, и МО не сможет его проигнорировать.
2.1 Основные задачи АК
• авиационная поддержка сухопутных операций, включая десантные на удалённых ТВД. Глубина операций до 500-600 км от АК;
• нанесение авиаударов по КУГ противника;
• разведка обстановки на море в радиусе до 1000 км;
• поиск ПЛ с помощью беспилотных летательных аппаратов (БЛА) с магнитометром на дальностях до 100 км перед АК.
Ограничения объёма задач состоят в том, что АК не должен наносить удары по АУГ-ам, а при ударах по территориям противника БЛА авиакрыла не должны приближаться к аэродромам, на которых базируются истребители-бомбардировщики (ИБ), на расстояние менее 300 км. В случае, если группа БЛА подвергнется неожиданной атаке ИБ противника, то БЛА должны вести с ним только дальний воздушный бой, одновременно уходя в сторону АК.
2.2 Массогабаритные характеристики
Для максимального снижения стоимости АК ограничим его полное водоизмещение - 25 тыс. т, что соответствует размеру УДК - 220*33 м. Далее специалисты корабелы должны с учётом размеров стапелей, сухих доков и т.д. оценить, что выгоднее: оставить этот размер или заменить на более удобный для АК - 240*28 м. Трамплин на носу должен присутствовать. Предположим, что выберут 240*28 м.
2.3 Выбор типа ЗРК
Типовой вариант, когда на авианосце устанавливается только ЗРК малой дальности (МД) для России малопригоден. Своих эсминцев УРО у нас нет, фрегатов Адмирал Горшков тоже не густо, и задачу ПРО они не решают. Поэтому придётся на АК устанавливать полноценный ЗРК большой дальности (БД). Предложение по облику радиолокационного комплекса (РЛК) такого ЗРК приведено в предыдущей статье, где показано, что РЛС ПРО должна иметь 4 активные фазированные антенные решетки (АФАР) площадью 70-100 м кв. Кроме того, на надстройке должны размещаться антенны многофункциональной (МФ) РЛС, комплекса радиоэлектронного противодействия (КРЭП) и госопознавания. Таких площадей на надстройке, расположенной сбоку, как на УДК, найти не удастся.
2.4 Конструкция надстройки
Предлагается рассмотреть вариант с размещением надстройки во всю ширину палубы и расположить её как можно ближе к носовой части корабля. Нижняя часть надстройки высотой 7 м выполняется пустой. Причём передняя и задняя часть пустого отсека закрываются створками ворот. Во время взлёта и посадки створки открываются и устанавливаются вдоль бортов корабля с небольшим расширением порядка 5°.
Такое расширение формирует входной раструб на тот случай, что если БЛА при посадке сильно сместится относительно середины ВПП в сторону, то раструб предотвратит прямой удар крыла о стенку надстройки. Также на случай аварии в потолке пустой части надстройки установлены форсунки системы пожаротушения. В результате ширина ВПП ограничивается только шириной нижней части надстройки и равна 26 м, что позволяет сажать БЛА с размахом крыльев до 18-19 м и высотой киля до 4 м. Кроме того, это свободное помещение может использоваться как ангар для размещения дежурной пары БЛА ИБ, находящейся в постоянной готовности и, возможно, с прогретыми двигателями.
Высота надстройки над палубой должна быть не менее 16 м. Схема расположения антенн на боковых гранях надстройки изображена на Рис. 1 в предыдущей статье. На передней и задней гранях надстройки АФАР РЛС ПРО не может быть расположена по той же схеме, что и на боковых, так как эти АФАР расположены над воротами, и общей высоты надстройки для их размещения не хватит. Приходится развернуть эти АФАР на 90°, то есть длинную сторону АФАР расположить горизонтально, а короткую - вертикально.
В угрожаемый период на корме палубы должны располагаться ещё 3 пары БЛА ИБ с 4 УР средней дальности (СД) Р-77-1 или с 12 УР малой дальности (МД), описанных в разделе 5. Тогда доступная длина ВПП уменьшится до 200 м.
3. Концепция используемых БЛА
Так как предполагается, что воздушные бои будут скорее исключением, то БЛА ИБ должны быть дозвуковыми. Для малого авианосца выгодно иметь и небольшие БЛА. Тогда их легче транспортировать в ангаре, им требуется более короткая ВПП, а требуемая толщина палубы уменьшается. Ограничим максимальную взлётную массу БЛА ИБ величиной 4 т. Тогда авиакрыло может содержать до 40 БЛА. Предположим, что максимальная боевая нагрузка такого БЛА составит 800-900 кг, причём из-за невысокого шасси одну ракету такой массы под фюзеляж не подвесить. Следовательно, максимальная нагрузка должна состоять из двух ракет по 450 кг. Далее наращивать взлётную массу БЛА не удаётся, иначе придётся увеличивать размер АК, и он превратится в обычный авианосец.
Ракеты класса воздух-поверхность (В-П) массой менее 450 кг имеют, как правило, невысокую дальность пуска и не позволяют применять их с дальностей, превышающих дальность стрельбы даже ЗРК СД. Из ракет В-В удастся применить только УР СД Р-77-1 с дальностью пуска 110 км. Если учесть, что американская УР АМРААМ имеет дальность пуска 150 км, то выиграть дальний воздушный бой будет проблематично. УР БД Р-37 также не подойдёт из-за массы 600 кг. Следовательно, потребуется разработка альтернативных вооружений, например, планирующих бомб (ПБ) и планирующих ракет (ПР), рассматриваемых в разделе 5.
Малая масса БЛА ИБ не позволят ему иметь весь состав оборудования, размещённого на пилотируемом ИБ. Придётся либо разрабатывать комбинированные варианты, например, БРЛС и комплекс радиоэлектронного противодействия (КРЭП), либо объединять БЛА в пары: на одном БРЛС, а на другом разнообразная оптика и радиотехническая разведка.
Если перед БЛА поставить задачу ведения ближнего воздушного боя, то БЛА должен иметь перегрузку, явно превышающую возможности пилотируемого ИБ, например, 15 g. Потребуется и всеракурсная помехозащищённая линия связи с оператором. В результате боевая нагрузка ещё сильнее упадёт. Проще ограничиться дальним боем и перегрузкой 5 g.
В региональных конфликтах часто приходится наносить удары по малозначимым объектам, стоимость которых настолько невелика, что применение высокоточных ракет оказывается неоправданным – и слишком дорого, и слишком велика масса ракеты. Применение планирующих боеприпасов позволяет снизить и массу, и цену, а дальность пуска возрастает. Отсюда следует, что высота полёта должна быть максимально возможной.
Информационную поддержку АК производит второй тип БЛА – дальнего радиолокационного обнаружения (ДРЛО). Он должен иметь длительное время дежурства - 6-8 ч, для чего допустим, что его массу придётся увеличить до 5 т. Несмотря на небольшую массу, БЛА ДРЛО должен обеспечить примерно такие же характеристики, что и ДРЛО Хокай, имеющий массу 23 т.
Теме БЛА ДРЛО будет посвящена следующая статья. Здесь только отметим, что отличие предлагаемого ДРЛО от имеющихся состоит в том, что антенны РЛС занимают большую часть бортов БЛА, для чего разрабатывается специальный вид БЛА с верхним V-образным крылом, не затеняющим боковую АФАР.
4. Облик БЛА ИБ
В американском БЛА Глобал Хок используется двигатель от пассажирского самолета, холодная часть которого доработана для работы в разрежённой атмосфере. В результате достигнута высота полёта 20 км при массе 14 т, размахе крыла 35 м и скорости 630 км/ч.
Для БЛА ИБ размах крыла должен быть не более 12-14 м. Длина фюзеляжа около 8 м. Тогда высоту полёта в зависимости от боевой нагрузки и наличия топлива придётся уменьшить до 16-18 км, а крейсерскую скорость увеличить до 850-900 км/ч.
Тяговооруженность БЛА должна быть достаточна для получения скороподъёмности не менее 60 м/с. Длительность полета не менее 2,5-3 ч.
4.1 Характеристики БРЛС ИБ
Для ведения дальнего воздушного боя БРЛС имеет две АФАР – носовую и хвостовую. Точные размеры фюзеляжа предстоит определить в дальнейшем, а сейчас предположим, что диаметры АФАР БРЛС равны 70 см.
Основной задачей БРЛС является обнаружение различных целей, для чего используется основная АФАР диапазона 5,5 см. Помимо этого требуется подавлять РЛС ПВО противника. Разместить КРЭП достаточной мощности на малом БЛА очень трудно, поэтому вместо КРЭП будем использовать ту же БРЛС. Для этого необходимо обеспечить большую ширину диапазона волн АФАР, чем у подавляемой РЛС. В большинстве случаев это удаётся. Например, РЛС ЗРК Патриот работает в диапазоне 5,2-5,8 см, что перекрывается основной АФАР. Для подавления БРЛС ИБ противника и РЛС наведения Иджиса потребуется иметь АФАР диапазона 3-3,75 см. Следовательно, перед вылетом на конкретное задание необходимо комплектовать БРЛС АФАР-ами требуемых диапазонов. Можно даже установить носовую АФАР диапазона 5,5 см, а хвостовую - 3 см. Остальные блоки БРЛС остаются универсальными. Энергопотенциал БРЛС как минимум на порядок превосходит потенциал любого КРЭП. Следовательно, ИБ, используемый в качестве постановщика помех, может прикрывать группу, действующую из безопасных зон. Для подавления МФ РЛС Иджиса потребуется АФАР диапазона 9-10 см.
4.2 Конструкция и характеристики БРЛС
АФАР БРЛС содержит 416 приёмопередающих модуля (ППМ), которые объединены в кластеры (квадратные матрицы 4*4 ППМ. Размер матрицы 11*11 см.). Всего в АФАР содержится 26 кластеров. Каждый ППМ состоит из передатчика мощностью 25 Вт и предварительного приёмника. Сигналы с выходов всех 16 приёмников суммируются и окончательно усиливаются в приёмном канале, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю. АЦП производит мгновенные выборки сигнала с частотой 200 МГц. После преобразования сигнала в цифровую форму он поступает в сигнальный процессор, где отфильтровывается от помех и выносит решение об обнаружении цели или её отсутствии.
Масса каждой АФАР равна 24 кг. АФАР требует жидкостного охлаждения. Холодильник весит ещё 7 кг и т.д. Итоговая масса БРЛС с двумя АФАР оценивается в 100 кг. Энергопотребление - 5 кВт.
Небольшая площадь АФАР не позволяет получить характеристики БРЛС, равные БРЛС типового ИБ. Например, дальность обнаружения ИБ с эффективной отражающей поверхностью (ЭОП) 3 м кв. в типовой зоне поиска 60°*10° оказывается равной 120 км. Угловая ошибка сопровождения - 0,25°.
С такими показателями рассчитывать на выигрыш дальнего воздушного боя трудно.
4.3 Способ увеличения дальности действия БРЛС
В качестве выхода можно предложить использование групповых действий. Для этого БЛА должны иметь между собой линию высокоскоростной связи. Достаточно просто такую линию можно реализовать, если на боковых поверхностях БЛА разместить по одному кластеру БРЛС. Тогда скорость передачи может достигать 300 Мбит/с на дальности до 20 км.
Рассмотрим пример, когда на задание вылетели 4 БЛА ИБ. Если все 4 БРЛС будут синхронно сканировать пространство, то мощность, облучающая цель сигнала, возрастёт в 4 раза. Если все БРЛС будут излучать импульсы строго на одной частоте, то можно считать, что работала одна БРЛС учетверённой мощности. Принятый каждой БРЛС сигнал окажется также учетверён. Если все принятые сигналы переслать на борт ведущего БЛА группы и там просуммировать, то мощность увеличится ещё в 4 раза. Следовательно, при идеальной работе аппаратуры мощность сигнала, принятого четвёркой БРЛС, окажется в 16 раз больше, чем у одиночной БРЛС. В реальной аппаратуре всегда будут потери на суммирование, зависящее от качества аппаратуры. Конкретных данных привести нельзя, так как о таких работах ничего не известно, но оценка коэффициента потерь вдвое вполне правдоподобна. Тогда увеличение мощности произойдёт в 8 раз и дальность обнаружения вырастет в 1,65 раз. Следовательно, дальность обнаружения ИБ возрастет до 200 км, что превосходит дальность пуска УР АМРААМ и позволит вести воздушный бой.
5. Управляемые планирующие боеприпасы
Рассмотрим только планирующие бомбы и ракеты (ПБ и ПР).
ПБ GBU-39 изначально была предназначена для ударов по стационарным целям и наводилась по сигналам системы GPS, либо инерциально. Стоимость ПБ была умеренной - 40 тыс. $.
Видимо, в дальнейшем выяснилось, что корпус ПБ диаметром 20 см не способен экранировать приёмник GPS от помех, излучаемых наземными КРЭП. Затем наведения стали совершенствовать. В последней модификации уже имеется активная ГСН. Ошибка наведения уменьшилась до 1 м, но цена ПБ возросла до 200 тыс. $, что мало подходит для региональных войн.
5.1 Предложение по облику ПБ
Можно предложить отказаться от наведения по ГЛОНАСС и перейти на командное наведение ПБ. Это возможно, если цель может быть обнаружена БРЛС на фоне отражений от окружающих предметов, то есть является радиоконтрастной. Для наведения на ПБ должны быть установлены:
• инерциальная система навигации, позволяющая поддерживать прямолинейное движение ПБ хотя бы в течение 10 с;
• высотомер малых высот (менее 300 м);
• радиоответчик, ретранслирующий запросный сигнал БРЛС обратно.
Предположим, что БРЛС может обнаружить наземную цель в одном из трёх режимов:
• цель настолько крупная, что может быть обнаружена на фоне отражений от поверхности в режиме физического луча, то есть при полёте ИБ прямо на неё;
• цель невелика и может быть обнаружена только в режиме синтезированного луча, то есть при наблюдении за целью сбоку в течение нескольких сек;
• цель невелика, но движется со скоростью более 10-15 км/ч и может быть выделена по этому признаку.
Точности наведения зависят от того, один или пара ИБ проводят наведение. Одиночная БРЛС может точно измерять дальность до ПБ с ошибкой 1-2 м, но азимут измеряется с большой ошибкой - при единичном замере 0,25°. Если наблюдать за ПБ 1-3 с, то боковую ошибку можно уменьшить до 0,0005-0,001 от величины дальности до ПБ. Тогда на дальности порядка 100 км боковая ошибка окажется равной 50-100 м, что пригодно только для стрельбы по площадным целям.
Предположим, что имеется пара ИБ, разнесённых на 10-20 км. Взаимные координаты ИБ известны с помощью ГЛОНАСС достаточно точно. Тогда, измеряя дальности от ПБ до обоих ИБ и строя треугольник, можно уменьшить ошибку до 10 м.
В тех случаях, когда требуется более высокая точность наведения, потребуется использовать ГСН, например, телевизионную, способную обнаружить цель с расстояния более 1 км. Возможно рассмотреть и вариант с передачей ТВ картинки оператору на корабль.
5.2 Применение планирующих ракет
Выбранная тактика ведения воздушных боёв устанавливает, что в случае обнаружения атаки ИБ противника необходимо обстрелять его на больших дальностях и, сразу развернувшись, уходить в сторону АК. Ракеты БД Р-37 совершенно не пригодны из-за массы 600 кг, а УР СД Р-77-1 пригодны частично. Их масса тоже не мала - 190 кг, а дальность пуска маловата - 110 км. Поэтому рассмотрим возможность использования ПР.
Предположим, что БЛА находится на высоте 17 км. Пусть его атакует ИБ, летящий на крейсерском сверхзвуке 500 м/с (1800 км/ч) на высоте 15 км. Предположим, что ИБ атакует БЛА под углом 60°. Тогда БЛА для ухода от ИБ потребуется развернуться на 120°. При скорости полёта 250 м/с и перегрузке 4 g на разворот потребуется 12 сек. Для определённости зададим массу ПР 60 кг, что позволит БЛА иметь боекомплект 12 ПР.
Рассмотрим тактику ведения боя. Пусть ИБ атакует БЛА в самом невыгодном для БЛА варианте - по внешнему ЦУУ. Тогда ИБ до пуска УР не включает БРЛС, и обнаружить его можно только собственной БРЛС БЛА. Если даже использовать групповое сканирование четырьмя БРЛС группы, то дальность обнаружения окажется достаточной только по обычным ИБ - 200 км. Для F-35 дальность упадёт до 90 км. Помощь здесь может оказать РЛС ПРО АК, способная обнаружить F-35, летящий на высоте 15 км на дальности 500 км.
Решение о необходимости отхода БЛА принимается, когда расстояние до ИБ сократится до 120-150 км. Если учесть, что бой происходит на высотах более 15 км, то облаков там почти не бывает. Тогда БЛА с помощью ТВ или ИК камер может зафиксировать, что ИБ пустил УР. Если ИБ находится в зоне видимости РЛС ПРО, то пуск УР может зафиксировать и эта РЛС.
Если ИБ продолжает сближаться с БЛА, не пуская УР, то БЛА производит сброс первой пары ПР. В момент сброса на ПР раскрывается несущее крыло, и она начинает планировать в заданном направлении. БЛА в это время продолжает разворот и, когда ПР оказывается в зоне действия хвостовой АФАР, производит захват ПР на сопровождение. ПАРА ПР продолжают планирование, разлетаясь на расстояние до 10 км, чтобы взять ИБ в клещи. Когда расстояние от ПР до ИБ сокращается до 30-40 км, оператор выдаёт команду на запуск двигателей ПР, которые разгонятся до 3-3,5 М. То обстоятельство, что за время планирования ПР потеряет 1-3 км высоты, можно не учитывать, так как энергетики ПР достаточно для восполнения потери высоты. На ПР должен быть установлен ответчик, помогающий наводить ПР с высокой точностью. Радиолокационная ГСН на ПР не потребуется – достаточно иметь простые ИК или ТВ ГСН.
Если ИБ в процессе погони сумел приблизиться к БЛА на расстояние порядка 50 км, то он может произвести пуск УР. В Этом случае ПР используются в режиме ПРО. Сброс ПР происходит обычным способом, но после раскрытия крыла ПР производит разворот навстречу УР и затем запускает двигатель. Так как перехват происходит на встречных курсах, то широкого поля зрения от оптической ГСН не потребуется.
ПРИМЕЧАНИЕ: для обсуждения тактики применения АК необходимо вначале рассмотреть способы получения ЦУ. Но вопросы построения основного информатора - БЛА ДРЛО, действующего на морских ТВД, будут рассмотрены в следующей статье.
6. Выводы
• предлагаемый АК будет стоить в несколько раз дешевле авианосца Шторм;
• по критерию стоимость-эффективность АК значительно превзойдет Кузнецова;
• мощный ЗРК обеспечит ПРО и ПВО АУГ, а БЛА обеспечат постоянное обнаружение ПЛ противника;
• планирующие боеприпасы обходятся гораздо дешевле типовых УР и позволят вести длительное воздушное прикрытие в региональных конфликтах;
• АК оптимален для поддержки десантных операций;
• базирующиеся на АК БЛА ДРЛО могут использоваться для ЦУ другим КУГ-ам;
• разработанные АК, БЛА, ПБ и ПР могут с успехом поставляться на экспорт.
Информация