Europejska wojna na radary

Głównym źródłem informacji o sytuacji nawodnej i powietrznej dla okrętów działających autonomicznie jest nadal radar. Urządzenie to działa w każdych warunkach atmosferycznych, w dzień i w nocy i może przekazywać dane z bardzo dużą dokładnością nawet o niewielkich celach – takich jak pociski artyleryjskie. To właśnie dlatego wszystkie okręty bojowe mają stacje radiolokacyjne, które nie tylko decydują o możliwościach taktycznych okrętu, ale również o cenie pozyskania i użytkowania jednostek pływających. Obok sonarów radary stają się bowiem najdroższymi urządzeniami na ich pokładzie.

I to właśnie dlatego wybór stacji radiolokacyjnej musi być efektem kompromisu pomiędzy tym co się chce kupić, a tym za co można zapłacić. O tym, że tego wyboru dokonują nawet najbogatsi można się przekonać porównując np. dwa projekty nowej generacji fregat: Typu 31 budowanych dla brytyjskiej marynarki wojennej z radarem 3D o antenie mechanicznie obracanej w azymucie i typu Hunter, zamówione przez australijską marynarkę wojenną, z kilkoma nieruchomymi szykami antenowymi wkomponowanymi w ściany masztu.

Radary „obrotowe” - jednoantenowe czy „nieruchome” - czteroantenowe?

Radary z jedną, obracaną anteną oraz z czterema antenami nieruchomymi mają zarówno swoje wady, jak i zalety. W przypadku obrotowej anteny mamy niewątpliwie do czynienia z urządzeniem co najmniej trzykrotnie tańszym i prostszym, jeżeli chodzi o konstrukcję systemów obliczeniowych (a więc mniej uzależnionym od szeroko pojętego „oprogramowania”). Wadą takiego rozwiązania jest przede wszystkim większy czas reakcji na zmieniającą się sytuację. Nawet bowiem przy wykryciu czegoś szczególnie niebezpiecznego, ponowne „sprawdzenie” wskazanego miejsca przestrzeni i np. zwiększenie mocy impulsu na danym kierunku może nastąpić dopiero po całkowitym obrocie anteny.

W przypadku „klasycznego” radaru obserwacyjnego 3D średniego zasięgu najczęściej może to nastąpić po jednej lub po dwóch sekundach (przy prędkości obrotowej kolejno: 60 obrotów na minutę i 30 obrotów na minutę). Ten okres, gdy przy mechanicznym obrocie w azymucie antena nie widzi danego sektora obserwacji można skrócić zwiększając szybkość obracania się anteny, ale tu pojawiają się ograniczenia związane z mechaniczną wytrzymałością urządzeń obrotowych. Dodatkowo im szybciej obraca się antena tym dany sektor przestrzeni jest opromieniowywany krócej. Ta mniejsza ilość energii wysyłanej w kierunku określonego obiektu wpływa na zasięg wykrywania – szczególnie w odniesieniu do celów wykonanych w technologii stealth (od których z zasady odbija się w kierunku radaru mniej „energii”).

Pewną pomocą jest możliwość elektronicznego „cofania” wiązki antenowej podczas obrotu mechanicznego anten aktywnych AESA (active electronically scanned array), jednak nawet wtedy istnieje okres, w którym radar nie widzi danego sektora. Ciągłą obserwację można uzyskać tylko w momencie, gdy zatrzyma się cały system antenowy. Można wtedy zwiększyć: zasięg obserwacji (o ponad 40%) lub częstość odnawiania informacji, co jest szczególnie przydane przy śledzeniu celów: bardzo małych - np. klasy RAM (pocisków, rakiet i granatów moździerzowych) lub bardzo szybkich - np. pocisków hipersonicznych. Jednak po zatrzymaniu anteny trzeba się liczyć z ograniczenie sektora obserwacji w azymucie do maksymalnie 120º.

Kolejnym utrudnieniem przy antenach obracanych mechanicznie są strefy martwe. Pojawiają się one zawsze wtedy, gdy system antenowy jest z jakiejś strony zastawiony innym masztem lub wyżej wznosząca się nadbudówką. Można oczywiście antenę umieścić na topie najwyższego masztu, ale w radarach AESA średniego zasięgu nie jest ona mała, a więc wymaga jako podstawy masztu bardzo wytrzymałego mechanicznie, a więc ciężkiego. To z kolei wpływa na wyporność, stabilność oraz wykrywalność okrętu. Z problemem takim spotkała się między innymi Marynarka Wojenna RP montując stacje radiolokacyjne Sea Giraffe na wymienionych masztach niewielkich okrętów rakietowych typu Orkan.

W przypadku radarów z kilkoma antenami stałymi, każdy, wskazany sektor przestrzeni może być obserwowany praktycznie bez przerwy. Co więcej istnieje wtedy możliwość „inteligentnego” przeszukiwania całego obszaru w zasięgu obserwacji. Tam, skąd zagrożenie jest mało prawdopodobne można np. wysyłać „impulsy” sporadycznie, tylko po to  by sprawdzać czy sytuacja się nie zmieniła. Sektory niebezpieczne, skąd w każdej chwili może przyjść atak, mogą być natomiast przeszukiwane częściej lub nawet bez przerwy, W przypadku anten aktywnych (składających się z wielu takich samych układów nadawczo–odbiorczych) istnieje dodatkowo możliwość „skupiania wiązki”, a więc zwiększania mocy sygnału i automatycznie – zasięgu na kierunkach skąd może przyjść zagrożenie. Jest to bardzo przydatne przy zwalczaniu np. rakiet balistycznych.

Bardzo ważną zaletą radarów z nieruchomymi antenami jest również prostota mechaniczna konstrukcji. Eliminuje się bowiem elementy ruchome (przede wszystkim - złącze obrotowe), a tym samym zwiększa się odporność na uszkodzenia całej stacji. Prostszy jest również montaż radaru na okręcie, ponieważ dla uniknięcia sektorów martwych nie trzeba już umieszczać anten na topie najwyższego masztu. Przy antenach aktywnych można sobie wtedy pozwolić na zastosowanie większych szyków, które montuje się w ścianach nadbudówek lub masztu.

Droga do radaru z elektronicznym przeszukiwaniem przestrzeni w elewacji i azymucie

Droga dojścia poszczególnych firm europejskich do radarów znanych np. z amerykańskich niszczycieli Aegis typu Arleigh Burke jest praktycznie taka sama. Najpierw dana firma pracuje nad trójwspółrzędnym radarem z elektronicznie kształtowaną wiązką w elewacji i mechanicznie obracaną w azymucie. Najczęściej stacja taka wykorzystuje pasywny system antenowy PESA (Passive Electronically Scanned Array), składający się z wielu elementów odbiorczych i nadawczych sterowanych elektronicznie poprzez przesuwniki fazowe i zasilane z jednego nadajnika bardzo wysokich częstotliwości (bwcz). Wiąże się to z problemami wynikającymi z konieczności przesyłania promieniowania bwcz dużej mocy oraz groźbą wyłączenia całego radaru w momencie, gdy nadajnik zostanie uszkodzony.

Drugim etapem jest budowa radaru z anteną aktywną AESA, składającą się z wielu takich samych modułów nadawczo–odbiorczych. Każdy z tych modułów jest sterowany oddzielnie i stanowi tak naprawdę oddzielną, małą stację radiolokacyjną. Antena złożona z modułów jest nadal obracana mechanicznie w azymucie, ale poszczególne moduły są już sterowane i zasilane zupełnie oddzielnie. Uszkodzenie jednego lub nawet kilku z nich nie wyłącza więc całej stacji. Dodatkowo, poprzez programowe ustalanie warunków pracy poszczególnych modułów można dowolnie, kształtować wiązkę antenową adekwatnie do zmieniającej się sytuacji w powietrzu „poruszając” nią zarówno w elewacji jak i azymucie. Nadal jednak obracająca się mechanicznie antena przez pewien czas (co najmniej dwie trzecie okresu obrotu) nie widzi danego sektora obserwacji.

Dlatego trzecim etapem rozwoju stacji radiolokacyjnych jest zbudowanie radaru wykorzystującego jednocześnie kilka wcześniej obracanych anten AESA, które na stałe są rozmieszczone w ścianach nadbudówek i masztu. Dzięki temu pomimo, że się one nie obracają, to współpracując programowo (np. przekazując sobie cele) zapewniają ciągłą obserwację każdego sektora obserwacji. Radar taki (jeszcze z anteną pasywną PESA) został najpierw na szeroką skalę wprowadzony przez Amerykanów, którzy zamontowali stację radiolokacyjną AN/SPY-1 na swoich okrętach z systemem kierowania walką Aegis (niszczycielach rakietowych typu Arleigh Burke i krążownikach typu Ticonderoga).

Później podobne rozwiązanie pojawiło się w Europie, po tym jak koncern Thales wdrożył radar APAR (Active Phased Array Radar) na takich okrętach jak: duńskie fregaty typu Iver Huitfeldt, holenderskie typu De Zeven Provinciën i niemieckie typu Sachsen (F124). Obecnie podobne rozwiązanie proponują również Rosjanie (którzy wdrażają radar Zasłon na pasmo X dla małych okrętów rakietowych projektu 22800 typu Karakurt), jednak tak naprawdę w tej dziedzinie w Europie liczą się obecnie tylko trzy firmy: Thales, Leonardo oraz Saab. Każda z nich proponuje zarówno radary z anteną pasywną, obracaną w azymucie, z anteną aktywną obracaną w azymucie oraz z kilkoma antenami aktywnymi na stałe rozmieszczonymi w konstrukcji okrętu.

Szwedzki Saab z radarami Giraffe i Sea Giraffe

Najpóźniej do tej rywalizacji dołączyła szwedzka firma Saab. Wcześniej proponowała ona dla okrętów sprawdzony radar Sea Giraffe AMB pracujący w paśmie C (od 5,4 do 5,9 GHz) z pasywną anteną PESA obracaną w azymucie. To właśnie taka stacja radiolokacyjna została zamontowana m.in. na polskich okrętach rakietowych typu Orkan, szwedzkich korwetach stealth typu Visby i amerykańskich, trzykadłubowych okrętach do działań przybrzeżnych LCS typu Independence.

Obecnie w portfolio tej firmy są również okrętowe radary z aktywną anteną AESA obracaną mechanicznie w azymucie: niewielki, pracujący w paśmie X (od 8 do 12,5 GHz) radar krótkiego zasięgu Giraffe 1X oraz radar średniego zasięgu Giraffe 4A pracujący w paśmie S (od 2,9 do 3,3 GHz). Oba te urządzenia są już produkowane seryjnie, ale proponowana jest również okrętowa stacja radiolokacyjna z Sea Giraffe 4A Fixed Face (FF), która podobnie jak amerykańska stacja AN/SPY-1 w systemie AEGIS, wykorzystuje cztery nieruchome anteny ścianowe opracowane wcześniej dla stacji Giraffe 4A.

To właśnie dzięki takiemu układowi Szwedzi jako pierwsi chcą wprowadzić na okręty specjalny mod pracy stacji radiolokacyjnej HDM (Hypersonic Detection Mode) przeznaczony do zwalczania hipersonicznych rakiet (poruszających się z prędkością większą niż 5 Mach), w którym odpowiednio do sytuacji zwiększa się częstość odnawiania informacji o wykrytych celach.

 Thales z radarami NS i Sea Fire

Europejskim podmiotem najwcześniej rywalizującym o klientów z gotowymi rozwiązaniami AESA jest niewątpliwie koncern Thales. Wszystkie produkowane przez niego stacje radiolokacyjne przeszły obecnie metamorfozę i są proponowane w zupełnie nowej wersji.

W portfolio koncernu Thales jest więc radar NS50 4D AESA z obrotową, aktywną anteną na pasmo X, który ma zastąpić wcześniej produkowany radar MW08 z obrotową, pasywną anteną na pasmo S. Stacja NS50 jest już oznaczana jako 4D w odróżnieniu od radarów 2D (dwuwspółrzędnych - określających tylko azymut i odległość) i radarów 3D (trójwspółrzędnych - określających azymut, odległość oraz wysokość/kąt elewacji). Dzięki zastosowanym rozwiązaniom Thales zapewnił bowiem również możliwość prowadzenia dogłębnej analizy Dopplera i innych charakterystyk każdego wykrytego obiektu podczas pojedynczego skanu przestrzeni. Według producenta pozwala to na znacznie lepsze wykrywanie, śledzenie i klasyfikację celów nawodnych i powietrznych w porównaniu z radarami 3D.

Pomimo zastosowania pasma X stacja NS50 ma zasięg do 180 kilometrów. Ważną cechą tego rozwiązania jest teoretycznie dowolna możliwość dokładania modułów nadawczo-odbiorczych w antenie. Dzięki temu, na bazie jednego urządzenia, można tworzyć stacje radiolokacyjne dla okrętów różnej wielkości i przeznaczenia. Standardowa wersja systemu antenowego NS50 waży przy tym mniej niż 750 kg.

Dla większych okrętów koncern Thales proponuje radary na pasmo S: NS100 (o zasięgu 280 km dla korwet i lekkich fregat z anteną o wadze około 1300 kg) oraz NS200 (o zasięgu 400 km dla fregat i niszczycieli z anteną o wadze około 1550 kg). Przy czym nawet w tum przypadku otwarte oprogramowanie sterujące daje też możliwość rozszerzania zadań stawianych przed radarem, związanych np. z kierowaniem systemami uzbrojenia –artylerią okrętową oraz rakietami przeciwlotniczymi krótkiego i średniego zasięgu (naprowadzanymi aktywnie).

Kolejnym efektem tych prac jest pracujący w paśmie S „cyfrowy” radar SeaFire z kilkoma nieruchomymi antenami rozmieszczonymi na nadbudówkach okrętów (nazywany przez Thales smartfonem wśród radarów). To właśnie on ma być zastosowany na francuskich (a być może również greckich) fregatach średniej wielkości FIT (Frégate de Taille Intermédiaire) typu BELH@RRA (o wyporności około 4000 ton). Produkcja radaru Sea Fire rozpoczęła się w marcu 2018 roku, a jego pierwsza antena była już testowana w zakładach Thalesa w Limours na południe od Paryża.

Badanie dwóch anten w warunkach zbliżonych do rzeczywistych ma się już odbyć na poligonie zakładowym w Saint Mandrier koło Tulonu latem 2019 r. Całe urządzenie ma natomiast przejść testy kwalifikacyjne w 2020 roku i jeszcze tego roku być dostarczone do stoczni koncernu Naval Group w Lorient. To właśnie tam będą bowiem powstawały fregaty BELH@RRA. Pierwszy okręt tego typu ma być zbudowany do 2023 roku i wprowadzony do służby dwa lata później.

Oczywiście, SeaFire to radar skalowalny. Dobierając liczbę takich samych modułów nadawczo-odbiorczych można tworzyć stacje radiolokacyjne dla dowolnej wielkości okrętów, zwiększając np. zasięg wykrywania celów powietrznych.

Leonardo z radarami KRONOS

Poważną konkurencją dla Thalesa jest włoski koncern Leonardo, który na bazie swoich wcześniejszych doświadczeń opracował rodzinę cyfrowych radarów KRONOS. Są one proponowane dla różnych pasm częstotliwości (X,C,S i L) i zastosowań. Najmniejszą stacją jest pracujący w paśmie X radar KRONOS Dome z nieobracającą się anteną aktywną. Jego głównym zadaniem jest wykrywanie obiektów typu RAM – czyli pocisków artyleryjskich, rakiet i granatów moździerzowych. Nieruchoma antena zapewnia obserwację w sektorze 90º w azymucie i 90º w elewacji przy maksymalnym zasięgu wykrycia 50 km.

Najmniejszym, morskim przedstawicielem rodziny jest stacja radiolokacyjna KRONOS Naval - już wybrana dla okrętów sił morskich Peru i Zjednoczonych Emiratów Arabskich. Radar ten ma zastąpić wcześniej produkowaną przez Leonardo stację radiolokacyjną Empar pracującą w paśmie C z obracaną w azymucie pasywną antenę PESA. Była ona zastosowana m.in. na niszczycielach przeciwlotniczych: włoskich typu Andreas Doria i francuskich typy Forbin.

Teraz wprowadzono już antenę aktywną, obracającą się z prędkością 60 obr/min. Cały układ antenowy waży z anteną IFF waży około 970 kg i według Włochów nadaje się on na okręty od wyporności 400 ton. Jest to już stacja programowalna, z adaptacyjnym formowaniem charakterystyki antenowej w zależności od sytuacji taktycznej. Dzięki temu może być wykorzystywana również do kierowania uzbrojeniem, w tym strzelaniem artyleryjskim oraz rakietowym (rakietami naprowadzanymi aktywnie takimi jak Aster lub Mica).

Jest to też radar z bardzo krótkim czasem reakcji na zagrożenie, ponieważ po wykryciu celu można go ponownie sprawdzić jeszcze w tym samym skanie („cofając wiązkę”). Przyśpiesza to reakcję załogi, która w ciągu jednego - dwóch obrotów anteny uzyskuje informacją na jaką trzeba było wcześniej poświęcić trzy-cztery skany. Jest to szczególnie ważne przy wykrywaniu zagrożeń klasyfikowanych jako HPT (High Priority Tracking) – np. niskolecące rakiety przeciwokrętowe klasy sea skimmer.

Leonardo proponuje także większą, wielozadaniową stację radiolokacyjną Kronos Grand Naval, która ma według producenta zabezpieczać zarówno samoobronę okrętów, ochronę zespołu jednostek pływających, jak i obronę strefową z wykrywaniem dalekiego zasięgu. Ma to być główny radar dla okrętowego systemu obrony przeciwlotniczej i przeciwrakietowej PAAMS (Principal Anti-Air Missile System) z rakietami Aster-15 i Aster-30, jaki jest obecnie wykorzystywany na fregatach typu FREMM.

I w tym przypadku oparto się na architekturze radaru Empar, wymieniając jego system antenowy na aktywny, zbudowany z wielu półprzewodnikowych modułów nadawczo-odbiorczych pracujących w paśmie C i obracający się z prędkością 60 obr/min. Zasięg systemu określono na ponad 300 km. Wiadomo też, że radar KRONOS Grand Naval może wykrywać również traktyczne rakiety balistyczne, co sprawdzono w czasie manewrów morskich Formidable Shield 2017.

Radarem z największą anteną jest w pełni cyfrowa wielofunkcyjna stacja KRONOS Power Shield z aktywną anteną na pasmo L (1,215 GHz do 1,4 GHz). Stosunkowo duży system antenowy o masie 7 ton, elektronicznie przeszukuje przestrzeń w pełnym kącie elewacji i mechanicznie w azymucie (z prędkością 15 obrotów na minutę). Czas przerwy w dostarczeniu informacji wynosi więc maksymalnie 4 s. W rzeczywistości może być on krótszy, ponieważ w radarze zastosowano adaptacyjne, cyfrowe kształtowanie wiązki ADBF (Adaptive Digital Beamforming), pozwalający np., na „cofanie” charakterystyki antenowej pomimo obracanej anteny.

Zastosowanie technologii azotku galu przy produkcji modułów nadawczo-odbiorczych oraz chłodzenia cieczą pozwoliło na takie zwiększenie sygnału, że cele balistyczne mogą być śledzone przez ten radar KRONOS Power Shield na odległości nawet 1500 km. To właśnie dlatego radar ten może być wykorzystywany w systemie antyrakietowym TMB (Tactical Ballistic Missile).

Tym, co zamyka portfolio koncernu Leonardo w przypadku urządzeń morskich, jest niewątpliwie dwuczęstotliwościowa stacja radiolokacyjna KRONOS Dual Band. Jest to urządzenie, w którym skomasowano doświadczenia uzyskane przy tworzeniu takich stacji jak KRONOS Dome i KRONOS Grand Naval. System będzie zasadniczo wykorzystywał osiem anten aktywnych, cztery pracujące w paśmie X (należące do radaru KRONOS StarFire) i cztery pracujące w paśmie C (należące do radaru KRONOS Quad).

I w tym przypadku modułowa budowa systemów antenowych pozwala na ich dostosowanie dla potrzeb okrętów różnych klas (a więc i wielkości). W przypadku stacji KRONOS Quad proponuje się wiec anteny „złożone” z ponad 600 modułów nadawczo-odbiorczych (KRONOS Quad 1000), z ponad 800 modułów (KRONOS Quad 2000) oraz z ponad 2500 modułów (KRONOS Quad 3000 – przeznaczona do wykrywania rakiet balistycznych).

Taka różnorodność będzie również w przypadku radaru KRONOS StarFire. Jest on przeznaczony przede wszystkim do  kierowania systemami uzbrojenia i w zależności od liczbypodzespołów w systemie antenowym oferowany są trzy wersje tej stacji: KRONOS StarFire 1000, 2000 i 3000 (z 380 modułami nadawczo-odbiorczymi).

Wykorzystując kombinację tych stacji radiolokacyjnych opracowano koncepcję trzech masztów zintegrowanych UNIMAST 1000, 2000 i 3000, które integrują w sobie większość pokładowych systemów radioelektronicznych i mogą być dostarczone na okręt jako sprawdzony wcześniej moduł.

Włosi zaproponowali więc to co wcześniej zrobił koncern Thales budując rodzinę masztów zintegrowanych i-Mast.

Gdzie dwóch się bije tam trzeci korzysta

Zacięta rywalizacja pomiędzy europejskimi firmami niewątpliwie wpływa na coraz większe możliwości proponowanych rozwiązań i ich atrakcyjność dla potencjalnych klientów, jednak niesie za sobą również duże niebezpieczeństwo. Po pierwsze utrudniona jest konsolidacja przemysłowa, co po raz pierwszy było dobrze widoczne przy łączeniu się koncernów stoczniowych: francuskiego Naval Group i włoskiego Fincantieri. Wspólne budowanie okrętów zmusza bowiem do dokonania wyboru, co zawsze odbędzie się ze stratą dla rodzimego przemysłu. A przecież zarówno Thales jak i Leonardo chcą, by ich prace badawcze nad nowymi radarami się zwróciły.

Taki spór daje duże możliwości firmom stojącym nieco z boku, jak np. Saab, które nie tylko że dochodzą jakością swoich rozwiązań do najlepszych, ale zaczynają być bardziej atrakcyjne cenowo. W walce o klienta liczy się również polityka, o czym świadczy zamówienie przez Hiszpanów rozwiązań amerykańskich przy opracowywaniu systemu obserwacji technicznej dla nowej generacji fregat F-110.

W całej tej walce coraz bardziej z tyłu pozostaje Polska, chociaż PIT-Radwar zbudował już radary z antenami pasywnymi, obracanymi w azymucie (N22-N(3D), TRS-15, Soła), radar z obracaną, aktywna anteną (Bystra) i jest gotowy do zbudowania stacji wielościanowych (prowadząc nawet pracę badawczo-rozwojową nad radarem „Wisła”). By jednak dogonić Włochów, Szwedów, Francuzów i Holendrów trzeba programu państwowego, w którym przemysł nie tylko będzie mógł liczyć na sfinansowanie budowy prototypu, ale również na wdrożenia, zapewniające nie tylko zwrot kosztów, ale również zysk. Ten zysk będzie można zainwestować w kolejne, nowe rozwiązania i wtedy już wszystko potoczy się normalnie – tak jak u konkurencji.