Radar je bio značajna tehnološka inovacija u razdoblju II. svjetskog rata, koja je bitno utjecala na tijek ratnih zbivanja. Iako su temeljna načela radarske detekcije stara koliko i prva otkrića elektromagnetizma, razvoj radarske tehnologije intenzivirao se tek neposredno prije i tijekom tog rata. Ti, razmjerno primitivni radari iz prve razvojne etape, s pasivnim antenskim rešetkama i sa svega desetak primarnih dipol antena, bili su važni senzori na tadašnjim ratnim brodovima. Oni su omogućili otkrivanje ciljeva na daljinama od više desetaka kilometara noću i danju, te u svim meteorološkim uvjetima, kao i točnije mjerenje udaljenosti do cilja – što je u to doba značilo veliki skok u odnosu na sposobnosti tadašnjih optičkih, motrilačkih i ciljničkih sprava, posebice za ciljeve u zraku. Tu dominantnu ulogu glavnog nadmorskog senzora na površinskim ratnim brodovima radari su zadržali do danas.
Nagli razvoj vojnih tehnologija tijekom II. svjetskog rata nastavljen je i nakon rata, a posebno je bio stimuliran rastom hladnoratovskih napetosti te nepovjerenja. U takvim okolnostima “velikih očiju”, poticani su razvojni programi sustava vojne namjene. Stvarani su i sve bolji radari većih dometa i veće preciznosti. No istodobno su se pojavljivale i rasle nove prijetnje na strani potencijalnih neprijatelja.
Konvencionalni radari uzmiču pred novim prijetnjama
U ranim šezdesetim prošlog stoljeća zrakoplovi su bili najveća prijetnja brodovima koje su ugrožavali s velikih visina tzv. “glupim” bombama. Ta prijetnja nije previše zabrinjavala ratne mornarice zapadnih sila, koje su bile “uljuljkane” u obrambenu moć svojih brodova i djelotvornost njihovih radara iz druge razvojne etape. No potapanje izraelskog razarača Eilat 1967. godine ruskim protubrodskim projektilom tipa P-15 (SS-N-2 Styx) bio je znak za uzbunu. Stvorena je nova, vrlo opasna prijetnja na pomorskom bojištu. Učinci prve borbene uporabe samonavođenih protubrodskih projektila svrstali su ih u kategoriju preciznih oružja s visokom vjerojatnošću pogađanja odabranog cilja.
Od 1967. godine počela je ekspanzija razvoja i proizvodnje novih tipova protubrodskih projektila. Ti projektili mogli su se lansirati s razmjerno malih platformi u zraku ili na moru, s udaljenosti većih od 100 km od broda-cilja. Oružja takvih svojstava predstavljala su ozbiljnu prijetnju koju je teško mogao preživjeti ratni brod opremljen borbenim sustavima ranih šezdesetih godina prošlog stoljeća. Ranjivost površinskih brodova praktički se nije mijenjala dugi niz godina, sve do pojave protubrodskih projektila, kada je skokovito i zastrašujuće porasla.
Tijekom šezdesetih bilježi se porast paljbene moći i borbene sposobnosti bivše sovjetske ratne mornarice, čemu je pridonio poglavito nagli razvoj protubrodskih projektila i uporaba novih sofisticiranih sustava za elektroničku borbu. Postojeći brodski radari, s paraboličnim reflektorima, za daleka motrenja i praćenja ciljeva, kakvi su bili instalirani na američkim ratnim brodovima, nisu više mogli otkrivati i pratiti te nove, male zračne ciljeve (zrakoplove i protu-brodske projektile) na velikim daljinama, posebice u okolnostima istodobnog višestrukog napada iz različitih smjerova. Ti radari bili su posebno nemoćni u okruženju intenzivnog protuelektroničkog ometanja i obmanjivanja. U eventualnom sukobu, takva američka flota, suočena s ondašnjom sovjetskom taktikom saturacijskih napada, našla bi se u inferiornoj situaciji koja je prijetila vjerojatnim uništenjem.
Ranije otkrivanje prijetnje – veća vjerojatnost preživljavanja
Već tijekom proizvodnje prvih protubrodskih projektila, vojni stručnjaci i inženjeri počeli su razmišljati o načinu obrane od njih i raditi na razvoju brodskih sustava za suprotstavljanje tom opasnom oružju. Prvi korak u tim nastojanjima bio je usmjeren k ranom otkrivanju potencijalnih lansirnih platformi na vrlo velikim udaljenostima, s čime bi se značajno povećala šansa preživljavanja broda-cilja, odnosno omogućila efikasnija reakcija obrambenih sustava broda.
Da bi se brod zaštitio od istodobnog višestrukog napada iz različitih smjerova trebao je biti opremljen velikim brojem konvencionalnih radara (motrilačkih, ciljničkih, osvjetljivača itd.), kojima su bili “okićeni” jarboli i nadgrađa tadašnjih ratnih brodova. Daljnje usmjeravanje razvoja koncepta obrane broda, temeljenom na većem broju konvencionalnih radara, očito bi rezultiralo povećanjem ranjivosti broda. Naime, antene tih radara s paraboličnim reflektorima bitno povećavaju ukupnu radarsku površinu broda, koja privlačno djeluje na samonavođene projektile. Stoga su američki vojni stručnjaci usmjerili razvojna istraživanja u novom smjeru, kroz jedan od najrevolucionarnijih i najuspješnijih projekata te programa u povijesti ratne mornarice SAD, realiziranog izgradnjom borbenog brodskog sustava Aegis.
Tada, sedamdesetih godina prošlog stoljeća, počela je treća razvojna etapa radarskih sustava. Srce i mozak sustava Aegis bio je radar velikog dometa AN/SPY-1A s četiri ravne antenske rešetke, što je tada predstavljalo revolucionarni skok u radarskoj tehnici. Prototip radara AN/SPY-1A izrađen je 1973. godine, a funkcionalna ispitivanja na moru završena su 1976. Taj je radar mogao istodobno motriti, detektirati, identificirati i pratiti veći broj ciljeva (200), protiv kojih je sustav Aegis zatim odabirao najučinkovitija djelovanja odgovarajućih oružja. U stvari, konstrukcijom AN/SPY-1A “rođen” je prvi višefunkcionalni radar (Multi-Function Radar, MFR) na temelju antenskih nizova i moćnih procesora, u frekvencijskom opsegu “S” (3,1 – 3,5 GHz).
Pojava krstarice USS Ticonderoga početkom 1983. bez velikih, rotirajućih radarskih antena i s neuobičajenim ravnim plohama ugrađenim u nadgrađe broda iznenadila je mnoge američke znalce, koji su se pitali: “Kako to da su se navodno povećali dometi djelovanja i učinkovitost borbenih sustava, a skinute su najvažnije antene za daleko motrenje i antene drugih radara koji su bili namijenjeni obavljanju samo pojedinih funkcija? Antenske plohe miruju, a mnogo različitih funkcija obavljaju. Što to mogu radari s ovakvim antenama bolje i više napraviti od konvencionalnih radara i zašto ?“.
Prvi višefunkcionalni radar nove epohe – AN/SPY-1A
Jedino s takvim antenskim rešetkama i s tehnologijom koja je tada bila na raspolaganju moglo se udovoljiti postavljenim zadacima, od kojih je najvažniji bio otkrivanje vrlo malih zračnih objekata na maksimalnoj daljini 370 km u uvjetima protuelektroničkih djelovanja. To se postiglo znatnim povećanjem razine snage u željenom smjeru prema cilju ili prema više ciljeva, uz pomoć četiri antenske rešetke dimenzija 3,65 x 3,65 metara, koje su bile “utkane” u plohe nadgrađa broda, i u svakoj je ugrađeno 4100 elementarnih (primarnih) izvora zračenja elektromagnetnog polja. Svaka od njih motri jednu četvrtinu polukugle iznad i oko broda. Oblikovanjem i usmjeravanjem zračenih snopova upravljaju signali iz računala, koji usklađuju točno određene faze zračenih polja pojedinačnih elementarnih izvora u antenskoj rešetki, što izravno rezultira potrebnim i željenim konfiguracijama i pomicanjima u prostoru tih snopova iz svake antenske rešetke.
U normalnoj funkciji, dok još nisu otkriveni opasni ciljevi, trodimenzionalni radar AN/SPY-1A kontinuirano motri površinske objekte do daljine oko 50 km jednim vodoravno zračenim snopom, te pretražuje volumen polukugle polumjera 370 km. Kad radar otkrije jedan ili više zračnih ciljeva, identificira ih i klasificira, a potom računalo koje upravlja funkcijama radara određuje oblikovanje i zračenje vretenastih snopova koji će se sukcesivno baviti pojedinim ciljem. Oni se aktiviraju jedan po jedan i traju zadano vrijeme, uz brzo preskakanje s jednog na drugi programirani smjer. Snop nastavlja praćenje tih ciljeva, a računalo naređuje odgovarajuće reakcije prema njima, uz paralelno motrenje polukugle i morske površine. Ukoliko računalo osjeti ometačke signale iz nekog smjera, kojima neprijatelj pokušava onemogućiti detekciju cilja, računalo nalaže povećanje snage zračenog snopa prema tome cilju u svrhu postizanja nadmoći nad signalom ometača.
Parabolični reflektori su golemi i kompromitirajući
Taj “super radar” AN/SPY-1A razvijen je na temeljnom načelu djelovanja impulsnih radara iz II. svjetskog rata. “Stari”, konvencionalni radari 2. razvojne etape usmjeravali su i fokusirali zračenu energiju uglavnom pomoću paraboličnih reflektora različitih oblika, formirajući na taj način snopove različitih presjeka, obično elipsastog i kružnog, ovisno od namjene radara. Koncentracijom elektromagnetne energije u zračenim snopovima manjeg presjeka povećava se takozvani dobitak radarske antene, odnosno doseg radara i točnost određivanja položaja detektiranog objekta. Veći domet tih konvencionalnih radara mogao bi se ostvariti povećanjem dimenzija antenskog reflektora, odnosno većim dobitkom antene. No zbog skučenog prostora na brodu, veće težine antenskog sustava i većeg otpora vjetru, povećanje reflektora bilo je neprihvatljivo. Uz te nedaće, veći parabolični reflektori znatnije kompromitiraju zamjetljivost broda, i to radarsku i vizualnu.
Bitan nedostatak konvencionalnih 2D i 3D radara, s elektromehanički pokretanim antenama, razmjerno je sporo pretraživanje zračenog snopa u prostoru u odnosu na brzinu “novih” ciljeva koje bi trebali detektirati i pratiti. Ritam osvježavanja podataka (primjerice 6 sekunda pri 10 okr/min) o praćenim ciljevima nije mogao pouzdano slijediti promjene njihovih putanja niti pravodobno detektirati eventualne nove ciljeve.
Stari antenski nizovi, uz pomoć novih tehnologija, postaju “hit”
Spomenuti problemi ograničavajućih zakona fizike usmjerili su konstruktore radara AN/SPY-1A prema davno poznatim fizikalnim načelima vektorskog zbrajanja elektromagnetnih polja jednakih frekvencija, koja zrače dva ili više bliskih izvora. Ti izvori-primarne antene, raspoređene u jednoj ravnini, čine dvodimenzionalni antenski niz ili tzv. antensku rešetku. Oblik i smjer snopa zračenog antenskom rešetkom zavisi od relativnog odnosa amplituda i faza VF signala koji se dovode na svaki elementarni izvor u rešetki, te o broju tih izvora.
Najstariji radari, oni iz prve razvojne etape, s početka četrdesetih prošlog stoljeća, rabili su antenske rešetke s razmjerno malim brojem elementarnih dipola duljine oko 2-4 metra. Naime, tada raspoložive odašiljačke elektronske cijevi velike snage generirale su razmjerno niske frekvencije (oko 120 MHz), za koje je bilo nemoguće konstruirati goleme parabolične reflektore. Te antenske rešetke bile su napajane iz jednog odašiljača, s određenim međusobnim faznim odnosima. Rezultat je bio jedan zračeni snop okomit na ravninu antenske rešetke, a mehaničkim okretanjem takvog antenskog sustava pretraživao se volumen iznad morske površine i određivao smjer-azimut te daljina otkrivenog cilja. Takve antene s desetak primarnih izvora predstavljaju “pasivne-mini” antenske rešetke u odnosu na sadašnje, “pasivne-maksi” rešetke radara SPY-1A s 4.100 primarnih antena.
Tek otkrićem magnetrona, elektronske cijevi velike snage, koja je generirala centimetarske frekvencije, počela je druga razvojna etapa radara. Proizvode se jednostavnije radarske antene s paraboličnim refelktorima prihvatljivih dimenzija, koje su bile pogodne za instalaciju na brodska nadgrađe i na jarbole. Razvoj elektronički upravljanih zakretača faze, preklopki i djelitelja mikrovalne snage, ponovo je, poslije više godina, usmjerio pozornost radarskih stručnjaka prema antenskim nizovima. Postojali su i zakretači faze mnogo ranije od radara AN/SPY-1, no to su bili spori, elektromehanički upravljani zakretači s kojima se nije mogao pokretati antenski snop traženom brzinom. Tek uz pomoć vrlo brzih elektronskih regulatora faze, s kojima su mogla upravljati razmjerno moćna računala, uz zanemariva kašnjenja izvršavanja naredbi za pomak faze, moglo se postići uspješno djelovanje faznih rešetki radara AN/SPY-1.
Sklop elementarnih izvora zračenja složenih u rešetki s pripadajućim regulatorima faze i s valovodnom mrežom razvoda visokofrekventne energije od odašiljača do svakog izvora zračenja, čine pasivnu faznu rešetku radara (Pasive Phased Array Radar, PPAR). Elektroničkim skeniranjem zračenog snopa može se pratiti više ciljeva, te kontinuirano motriti volumen polukugle iznad radara i automatski prihvaćati novo otkrivene ciljeve u praćenje. Masa jedne fazne rešetke radara AN/SPY-1A iznosila je 5,4 tone, što je bio veliki nedostatak za primjenu takvih antena na manjim brodovima.
Rotirajući višefunkcionalni PPAR-i
Na manjim ratnim brodovima nemoguće je instalirati više nepokretnih, tzv. kvadrantnih faznih rešetaka, prvo zbog ograničenog prostora i nosivosti na nadgrađima manjih brodova i drugo – zbog njihove razmjerno velike cijene u odnosu na ukupnu vrijednost broda. Za takve brodove razvijeni su jeftiniji i manji 3D radari s rotirajućim faznim rešetkama, s kojima se, uz pomoć elektronički upravljanih faznih zakretača, oblikuje i skenira vretenasti snop zračenja u vertikalnoj ravnini. Općenito 3D višefunkcionalni radari su skuplji od njihovih 2D “ekvivalenata”, no nude bolje performanse po uloženom dolaru, posebice na manjim brodovima gdje 3D radar često prihvaća funkcije većeg broja konvencionalnih radara.
Treći razvojna etapa radarske tehnike započela je tijekom sedamdesetih godina prošloga stoljeća, kada su stvoreni moćni višefunkcionalni radari s pasivnim faznim rešetkama, a ona nije bila i zadnja. Nedostaci PPAR-a potakli su vojne stručnjake na razvoj boljih antenskih tehnologija. Četvrta razvojna etapa nastupa tijekom osamdesetih i devedesetih godina prošloga stoljeća i rezultira radikalnim skokom radarske tehnike – stvorena je radarska antena s aktivnom faznom rešetkom AESA (Active Electronically Steered Array). Proizvedeni su još moćniji radari od PPAR-a, radari APAR (Active Phased Array Radar).
GaAs čipovima do AESA antena
Razvoj aktivnih antenskih rešetki s elektroničkim oblikovanjem i usmjeravanjem zračenih snopova (Active Electronically Steered Array, AESA) omogućili su GaAs mikrovalni čipovi. Višefunkcionalni radari s AESA antenama mogu istodobno obavljati tri, četiri, pet ili više funkcija, uz zapanjujuću lakoću i brzinu usmjeravanja više snopova istodobno zračenih prema različitim točkama prostora.
Temeljni blok izgradnje neke AESA antene je odašiljačko-prijamni modul (“Transmit Receive Module” ili TR Module). Pakiran u prikladnom kučištu, svaki TR modul čini osnovni element AESA antene, koji sadrži: niskošumni prijamnik, vlastiti odašiljač, procesor i primarnu antenu. TR moduli prvog naraštaja zvani su “cigle”, jer su po obliku i veličini bili nalik standardnim građevinskim ciglama. Izlazna snaga odašiljača TR modula s kraja osamdesetih bila je oko 2 W. Nakon niza konstrukcijskih poboljšanja, TR moduli drugog naraštaja bili su znatno manjih dimenzija nalik keramičkim pločicama stranica oko 5 cm, a uz to su postali snažniji i jeftiniji. Izlazna snaga odašiljača, sredinom devedesetih, već je iznosila oko 10 W. Početkom 21. stoljeća razvijeni su novi TR moduli na osnovi galium nitrida (GaN), s izlaznom snagom 40-60 W.
TR moduli ugrađuju se u antensku rešetku, na mjestima gdje su se na PPAR-u nalazili elementarni izvori zračenja koji su bili napajani iz jednog središnjeg odašiljača preko distribucijske valovodne mreže. Zračena polja pojedinih TR odašiljača vektorski se zbrajaju, proizvodeći rezultantu/e čiji smjer/ovi i amplituda/e ovise o međusobnim faznim odnosima susjednih TR modula i o amplitudama pojedinačnih odašiljača.
Moćna odašiljačko-prijamna TR “cigla”
TR modul može biti programiran i upravljan da djeluje samo kao odašiljač, samo kao prijamnik, kao radar, ili pak kao ometač radara. Tisuće TR modula u AESA anteni mogu djelovati unisono, kreirajući tako moćni radar, ili mogu po skupinama obavljati i različite zadaće istodobno. Jedna skupina TR modula može funkcionirati kao detektor (prijamnik) opasnih signala, druga može djelovati kao ometač, dok ostali moduli obavljaju temeljne radarske funkcije. Svi TR moduli jedne antenske rešetke povezani su zajedno digitalnim procesorima velikih brzina.
Digitalno upravljanje pojačanjem, frekvencijom i fazom zračenog polja iz TR modula, te upravljanje vremenskim redoslijedom njegovih aktivnosti, omogućava visoku agilnost usmjeravanja antenskih snopova (vrijeme promjena je reda nekoliko desetinki ms) i, što je vrlo bitno u borbi protiv ometanja, značajno smanjuje bočne snopove AESA antena u odnosu na PESA-e i konvencionalne antene.
Drugi dobitni skok AESA antene ostvaren je distribucijom odašiljača u tisućama TR modula na jednoj antenskoj rešetki. TR moduli generiraju razmjerno niske razine snage koja se izravno zrači u prostor bez “putnih” gubitaka. TR moduli se napajaju niskim naponima, što osigurava pouzdan i dugotrajni rad. Kako se ukupna zračena snaga AESA antene generira u tisućama TR modula, a ne u jednoj odašiljačkoj cijevi, operativna pouzdanost radara je povećana. Naime, u slučaju neispravnosti 10% TR modula, antena radara će i dalje normalno funkcionirati.
S druge strane, mikrovalna energija iz jednog odašiljača velike snage (kW) u PPAR-ima razvodila se valovodima do elementarnih izvora zračenja na rešetki, pri čemu se razmjerno veliki dio snage “gušio” u njima. Odašiljačke elektronske cijevi velike snage napajale su se visokim naponima (kV) iz visokonaponskih izvora, koji su bili vrlo nepouzdani elementi radara. Spomenute prednosti AESA, produžuju srednje vrijeme između kvarova (Mean Time Between Failure, MTBF) za oko 10-15 puta u odnosu na PPAR-e ili konvencionalne radare. Time je postignuto znatno povećanje operativne pouzdanosti, što podiže razinu vjerojatnosti uspješnog djelovanja borbenih sustava neke platforme (zrakoplova ili broda).
U radarima s AESA antenama nije učinjen samo golemi skok poboljšanja performansi i funkcionalnih sposobnosti, već je izvedeno potpuno digitalno upravljanje funkcijama antenske rešetke, sa svim odašiljačko-prijamnim elementima na njoj. To omogućuje naknadno dotjerivanje mnogih aspekata funkcioniranja radara s AESA antenom tijekom njegova životnog vijeka, unapređivanjem softvera prema nekim novim, budućim prijetnjama.
U tijeku je “invazija” AESA radara na brodove moćnih mornarica
Sredinom prvog desetljeća 21. stoljeća, nakon niza godina istraživanja i razvojnih napora, terenska ispitivanja prototipnih AESA radara u realnim uvjetima rezultirala su povećanjem povjerenja u nove tehnologije koje su primijenjene u njima. Zapadne ratne mornarice pripremaju svoje novogradnje, ali i starije brodove u flotnim sastavima, za prihvat novog naraštaja višefunkcionalnih radara s aktivnim faznim rešetkama. Mornarički vojni stručnjaci tih zemalja smatraju da će AESA radari progresivno zamjenjivati stare konvencionalne radare, i to zbog straha od povećanih neizvjesnosti i sve opasnijih prijetnji u područjima ratnih sukoba. Taj prijeteći scenariji uključuje mnogo simultanih ciljeva niske zamjetljivosti, visoke pokretnosti, nadzvučnih brzina i nepredvidljivih putanja leta, i to u uvjetima vrlo sofisticiranih elektroničkih protudjelovanja (ECM) i “neprijateljskih” prirodnih fenomena prostiranja elektromagnetskih valova u litoralnim područjima.
APAR, u frekvencijskom opsegu „X“ (8-12,5 GHz), trebao bi biti komplementarni radar, u sustavu brodske protuzračne obrane (Anti-Air Warfare System, AAWS), s drugim brodskim 3D radarom na nižim frekvencijama, kao što je primjerice radar SMART-L (opseg L, 390–1550 MHz) velikog dometa. Njime se motri volumen prostora do 400 km i po elevaciji do 700. SMART-L sposoban je pratiti do 1000 zračnih i 100 površinskih ciljeva. U tom kombiniranom sustavu, zadatak APAR radara je otkrivanje i praćenje zračnih ciljeva na udaljenostima do 150 km, te potom potpora navođenju protuzračnih projektila i topničke paljbe prema površinskim ciljevima.
Instaliranje dvaju moćnih radara na istom brodu, odnosno komplementarno djelovanje radara SMART-L – motrilačkog radara velikog dometa i niske frekvencije, s APAR radarom (višefunkcionalnim radarom višeg frekvencijskog opsega), “nametnuto” je zakonima fizike, koje se ne može zaobići. Naime, nekoliko namjena nemoguće je kombinirati u jednom tipu radara – primjerice, dalekog motrenja velikog volumena zračnog prostora, sa zadaćama praćenja i ciljanja malih te brzih zračnih objekata. Na toj činjenici temeljila se i NATO-va studija NAAWS (Naval Anti Air Warfare Systems), u kojoj se predlaže ustroj sustava brodske protuzračne obrane s komplementarnim radarima: a) radarom velikog dometa za motrenje prostora u volumenu polukugle iznad broda i b) višefunkcionalnim radarom sa svojstvima suvremenih AESA radara.
Sadašnji trendovi razvoja radara s aktivnim faznim rešetkama ukazuju na moguće revolucionarne promjene borbenih sustava tijekom narednih godina, na ratnim brodovima i vojnim zrakoplovima, te u fiksnim ili pokretnim zemaljskim sustavima obrane i napada. Velike borbene prednosti platformi s AESA radarima nasuprot onima s konvencionalnim radarskim sustavima poticat će potražnju za AESA radarima i njihovu ugradnju na nove objekte, ali i porast obnavljanja starih platformi tim novim “čudom” tehnike.
*Gost autor: dipl. ing. Vili Kezić, stručnjak za radarske sustave i elektroničko ratovanje, u mirovini
