Szwedzkie radary przykładem dla polskiej radiolokacji? [ANALIZA]

W Szwecji doszło do swoistej rewolucji jeżeli chodzi o systemy radiolokacyjne. Koncern Saab zakończył bowiem przygotowanie całej rodziny radarów różnych klas i typów, których cechą charakterystyczną jest wykorzystanie aktywnej anteny AESA (active electronically scanned array) opartej na technologii azotku galu GaN. Te urządzenia są już produkowane lub gotowe do seryjnej produkcji - głównie w zakładach produkcyjnych Saab zlokalizowanych w Goeteborgu.

Zakłady te zostały odpowiednio do tego przygotowane i nie tylko jeżeli chodzi o linie produkcyjne, ale również o możliwość testowania urządzeń. Główny budynek posiada np. dziewięć stanowisk testowych i wind, którymi na poziom dachu mogą być wynoszone do badań wyprodukowane radary. W ten sposób poza zakłady Saab wyjeżdżają już urządzenia sprawdzone i gotowe do wykorzystania. Sprawdzeniom tym pomaga również obecność w pobliżu Goeteborga wojskowej bazy lotniczej Såtenäs. Daje to unikalną możliwość ciągłego sprawdzania radarów w wykrywaniu trudnowykrywalnych, nowoczesnych myśliwców Gripen. Ważny jest również ciągły ruch lotnictwa cywilnego.

Wprowadzenie do portfolio tak nowoczesnych rozwiązań, jak radary z aktywnymi antenami to efekt konsekwentnie realizowanych prac badawczo-rozwojowych (B+R), na które koncern Saab poświęca aż 25% dochodów uzyskanych ze sprzedaży swoich produktów. Rozwój technologii AESA został sfinansowany przez Saab ze środków własnych. Ale takie działanie było możliwe również dzięki stałym i systematycznym zakupom ze strony szwedzkiego ministerstwa obrony, które dawały gwarancję, że zakończone sukcesem prace B+R zostaną na pewno wdrożone do produkcji. To dzięki nim rozwinięto radary, które Saab mógł zmodernizować do technologii AESA.

Korzyść jest obopólna ponieważ Szwedzi maję w tej chwili do dyspozycji rodzime rozwiązania, które mogą zaspokoić potrzeby wszystkich rodzajów szwedzkich sił zbrojnych. Radary z aktywną anteną mogą więc być zastosowane zarówno na samolotach i okrętach jak i w różnego rodzaju zastosowaniach lądowych. Może to stanowić kolejny krok rozwoju radarów Saab, także na rynki eksportowe. Przykładowo, radary typu Sea Giraffe AMB (na razie z antenami PESA) są licznie wprowadzane w marynarce wojennej Stanów Zjednoczonych, skutecznie konkurując z amerykańskimi stacjami radiolokacyjnymi.

Było to możliwe dzięki stworzeniu firmy Saab Defense and Security USA’s Sensor Systems Division w której dzięki transferowi technologii są produkowane i rozwijane radary Sea Giraffe. Urządzenia te pod nazwą AN/SPS-77(V)1 montuje się aż na pięciu różnych klasach okrętów amerykańskiej marynarki wojennej (US Navy) i Straży Przybrzeżnej (US Coast Guard) - w tym na trzykadłubowych okrętach do działań przybrzeżnych typu Independence. Już szacuje się, że w ciągu najbliższej dekady wprowadzonych zostanie tam ponad siedemdziesiąt „zamerykanizowanych” radarów rodziny Sea Giraffe. I to właśnie na bazie tej stacji radiolokacyjnej można prześledzić konsekwentny sposób, w jaki Szwedzi rozwijali swoje urządzenia wykorzystując najnowsze technologie i wychodząc naprzeciw nowym zadaniom.

Rodzina szwedzkich radarów z aktywną anteną ścianową AESA

Opanowanie technologii produkcji anten aktywnych AESA wywarło wpływ praktycznie na wszystkie produkty „radiolokacyjne” produkowane przez koncern Saab. Zmieniła się nawet konstrukcja radarów lotniczych wykorzystywanych na samolotach wielozadaniowych Gripen oraz modernizuje się lotnicze systemy wczesnego ostrzegania Erieye i GlobalEye (pracujących w paśmie S).

W pierwszym przypadku chodzi o radar PS-05A, który po otrzymaniu anteny AESA znacząco zwiększy możliwości myśliwców Gripen, dając im prawdopodobnie również możliwość działania jako źródło informacji dla systemów lądowych. Równie daleko idące zmiany są wprowadzane w lotniczych systemach wczesnego ostrzegania Saab, które już zostały zainstalowane na czterech różnych typach maszyn i korzysta z nich osiem państw. GlobalEye został już zintegrowany na dwóch samolotach Bombardier Global 6000, które przechodzą intensywne próby lotnicze, przed przekazaniem klientowi - Zjednoczonym Emiratom Arabskim.

Jeszcze większa różnorodność panuje w przypadku segmentu radarów naziemnych. Na rodzinę obserwacyjnych radarów Giraffe składają się bowiem obecnie cztery, trójwspółrzędne stacje radiolokacyjne (pracujące w trzech różnych pasmach częstotliwości), z których trzy są już wyposażone w aktywne anteny ścianowe:

• GIRAFFE 1X – pracujący w paśmie X (od 8 do 12,5 GHz) lekki i kompaktowy radar wielozadaniowy przygotowywany dla niewielkich jednostek pływających oraz systemów przeciwlotniczych bardzo krótkiego zasięgu VSHORAD (o zasięgu 100 km) – z anteną AESA;
• GIRAFFE AMB - pracujący w paśmie C (od 5,4 do 5,9 GHz) radar wielozadaniowy przeznaczony dla systemów przeciwlotniczych bardzo krótkiego i krótkiego zasięgu VSHORAD/SHORAD oraz okrętów do klasy fregata włącznie (o zasięgu instrumentalnym do 180 km i pułapie do 20000 m);
• GIRAFFE 4A - pracujący w paśmie S (od 2,9 do 3,3 GHz) radar wielozadaniowy przeznaczony dla systemów obserwacyjnych i obrony przeciwlotniczej krótkiego i średniego zasięgu SHORAD/MRAD – z anteną AESA;
• GIRAFFE 8A – pracujący w paśmie S radar wielozadaniowy przeznaczony dla systemów obserwacyjnych i obrony przeciwlotniczej dalekiego zasięgu LRAD z możliwością wykrywania rakiet balistycznych (TBM) z anteną AESA.

 Radar Sea Giraffe AMB

Radar Sea Giraffe AMB jest interesujący nie tylko ze względu na swoje właściwości, ale przede wszystkim dlatego, że został on zastosowany również w Polsce, na trzech kutrach rakietowych typu Orkan. Jest to typowa stacja wielofunkcyjna, pozwalająca już od swoich najstarszych wersji na jednoczesne wykrywanie obiektów powietrznych i nawodnych. Związane jest to z wprowadzeniem dwóch, pracujących jednocześnie systemy obróbki sygnałów odbieranych od obiektów powietrznych (wyróżnianych na zasadzie efektu Dopplera) i od obiektów nawodnych (wykrywanych metodą amplitudową).

Stworzono przy tym zarówno wersję lądową radaru Sea Giraffe AMB, zamontowaną na pojedynczym pojeździe samochodowym z mechanicznie podnoszona anteną, jak i wersję okrętową, przeznaczoną na różnej wielkości jednostki pływające. To właśnie dla potrzeb morskich opracowano specjalne algorytmy eliminujące zakłócenia pochodzące od fal (a więc obiektów fluktuujących) oraz niwelujące przechyły okrętu (tak poprzecznych jak i wzdłużnych).

W miarę rozwoju tego radaru dodawane były kolejne możliwości, związane z koniecznością wykrywania coraz mniejszych obiektów (w tym niskolecących rakiet przeciwokrętowych klasy sea-skimmer), pocisków rakietowych, artyleryjskich i moździerzowych RAM (rocket, artillery, and mortar), jak również dronów. W przypadku dronów opracowano zresztą specjalny mod pracy ELSS (Enhanced Low Small and Slow) pozwalający na odróżnienie jednocześnie wykrywanych ptaków i niewielkich, bezzałogowych aparatów latających. Dzięki temu zmniejsza się prawdopodobieństwo fałszywego alarmu i jednocześnie poprawia się skuteczność systemów obronnych w wykrywaniu „powietrznych intruzów”. Co więcej wszystkie te mody są wykorzystywane jednocześnie przez co m.in. przyśpiesza się klasyfikację celów.

Zwiększała się też ilość jednocześnie wykrywanych i śledzonych obiektów powietrznych. Jak dotąd stworzono trzy główne wersje tej stacji radiolokacyjnej: A (wprowadzonej w 2003 roku na szwedzkich korwetach typu Visby i polskich okrętach rakietowych typu Orkan), B (wprowadzonej w 2006 roku) i C (wprowadzonej w 2012 roku i dalej rozwijanej). Radar Sea Giraffe AMB wersji A miał przykładowo możliwość śledzenia 100 obiektów latających i 100 obiektów nawodnych. W przypadku wersji C te liczby zwiększono do 200 i 400.

Radary Sea Giraffe AMB są jedynymi z rodziny Giraffe, które jeszcze są produkowane z pasywną antenę z elektronicznym przeszukiwaniem w elewacji (realizowanym poprzez kształtowanie tzw. charakterystyki wielowiązkowej) i mechanicznym w azymucie (poprzez obrót anteny z prędkością 30 i 60 obrotów na minutę).

Pomiar trzeciej współrzędnej (kąta elewacji do 0° do ponad 70°) odbywa się dzięki tzw. obróbce monoimpulsowej sygnału odbieranego przez odbiorczą charakterystykę wielowiązkową, składającą się z czternastu rozmieszczonych w pionie wiązek antenowych. Są one tworzone w systemie antenowym składającym się z poziomych wierszy (zbudowanych z laminatu drukowanego oddzielonego w antenie warstwami specjalnej pianki), na których rozmieszczono elementy odbiorcze i promieniujące.

Elementy te poprzez przesuwniki fazowe są zasilane ze wspólnego, jednego nadajnika (źródła sygnałów radiolokacyjnych) o mocy szczytowej 25 kW zbudowanego w oparciu o lampę z falą bieżącą. Jest to tzw. antena zamknięta, w której poszczególne elementy promieniujące wraz z przesuwnikami fazowymi otrzymują sygnał z rozbudowanej sieci falowodów i linii koncentrycznych.

Radar Giraffe 4A

W odmienny sposób zbudowana jest aktywna antena radaru średniego zasięgu Giraffe 4A. Składa się ona bowiem wielu takich samych modułów nadawczo – odbiorczych, pracujących w paśmie S (opracowanych z wykorzystaniem technologii azotku galu). Przy czym w radarze Giraffe 4A zachowano wszelkie zalety stacji radiolokacyjnej Sea Giraffe AMB, a więc wysoką wydajność w połączeniu z małymi rozmiarami i małą wagą, łatwość w obsłudze i konserwacji oraz stosunkowo niskie koszty eksploatacji. Sama antena ścianowa ma rozmiary 2x2 m i zawiera około 1500 programowo sterowanych modułów nadawczo odbiorczych.

Pozwala to na dowolne kształtowanie wiązek antenowych adekwatnie do zmieniającej się sytuacji w powietrzu. Efektem tej programowalności działania jest m.in. specjalny mod pracy HDM (Hypersonic Detection Mode) pozwalający na wykrywania obiektów powietrznych poruszających się z szybkością hipersoniczną (powyżej 5 Mach). Stało się to możliwe dzięki zapewnieniu odpowiedniej dokładności śledzenia oraz możliwości dowolnego zwiększania częstotliwości aktualizacji sytuacji (dane miejsce w przestrzeni może być opromieniowywane nawet w sposób ciągły - przy nieruchomej antenie).

To właśnie dlatego mod HDM jest idealnym rozwiązaniem dla najbardziej wyrafinowanej wersji radaru Giraffe 4, wyposażonej w cztery nieruchome anteny ścianowe. Stacja ta, oznaczana jako Sea Giraffe 4A FF (Fixed Face), jest przeznaczona głównie na okręty od klasy duża korweta wzwyż.

Przeszukiwanie dookólne w tym radarze zapewnia się poprzez odpowiednie rozstawienie szyków antenowych na nadbudówkach lub masztach jednostek pływających (podobnie jak np. na okrętach z systemem AEGIS). Szwedzi wprowadzają w ten sposób zupełnie nową dla nich filozofię przeszukiwania przestrzeni, w której decyzje w żaden sposób nie zależą już od mechanizmu obrotowego anteny (limitującego czas odnowy informacji), ale tylko od zmieniającej się sytuacji taktycznej. W pewien sposób jest to początek drogi do stworzenia tzw. radaru inteligentnego.

 Nie było to łatwe szczególnie w sektorach, gdzie stykają się ze sobą poszczególne anteny ścianowe. W miarę odchylania się wiązki antenowej od osi prostopadłej do płaszczyzny anteny spada bowiem moc sygnału i najczęściej zwiększa się „szerokość” wiązki. Automatycznie przekłada się to na zasięg maksymalny, który zależnie od kątów obserwacji w azymucie i elewacji może się zmniejszać od 1,41 do 5,65 razy (przy kątach odchylenia do 60 stopni).

Te nierównomierności charakterystyki antenowej trzeba więc uwzględnić podczas obserwacji przestrzeni - kompensując je np. zwiększaniem mocy wskazanych modułów nadawczo-odbiorczych anteny AESA. Teraz taka kompensacja musi być realizowana nie w jednej, a w dwóch sąsiednich „ścianach” antenowych.

Kolejnym problemem jest kompensacja tzw. listków bocznych. Nie ma bowiem idealnej anteny i dlatego poza główną, pożądaną wiązką antenową zawsze istnieją obok niej mniejsze - tworzące charakterystyczne „listki”. Są one o tyle niepożądane, że nimi również radary odbierają sygnały dochodzące do systemu antenowego (np. pochodzące od zakłóceń aktywnych), które mogą „zanieczyszczać” ekran albo w najgorszych przypadkach całkowicie uniemożliwić prowadzenie obserwacji (poza echem od celu odebranego przez wiązkę główną, pojawiają się bowiem echa od tego samego celu z „niepożądanych” wiązek bocznych).

Dlatego „listki boczne” są na różne sposoby kompensowane i tłumione. W przypadku anten znajdujących się obok i działających wspólnie kompensowane muszą być jednak nie tylko sygnały z „listków bocznych” własnej ściany, ale również te, pochodzące od anteny znajdującej się obok. W podobny sposób koniczne jest kojarzenie i scalanie ech od obiektów które są odbierane przez dwa systemy antenowe jednocześnie. Na ekranie operatora muszą być one zobrazowane jako jeden cel.

Szwedzi nie zbudowali jeszcze kompletnego radaru, a jedynie model składający się z dwóch anten ścianowych. Dzięki temu mogli jednak potwierdzić, że programowo i technologicznie są zdolni do elektronicznego przeszukiwania przestrzeni w kącie 180º przy nieruchomych antenach i że rozwiązali problemy związane ze spadkiem mocy, listkami bocznymi i korelacją celów. Zbudowanie pełnej stacji radiolokacyjnej ze względu na koszty nastąpi jednak dopiero po złożeniu zamówienia.

Inaczej jest natomiast w przypadku radaru Giraffe 4A, który już jest produkowany seryjnie dla szwedzkiej armii. Obecnie buduje się go w wersji kontenerowej, gdzie w jednym module rozmieszczone są zarówno wszystkie systemy obróbki i kierowania, jak i chłodzony cieczą system antenowy (o wadze około 1,5 tony) - podnoszony hydraulicznie na wysokość 6,5 metra. Urządzenie to ma w zestawie dwa przenośne laptopy taktyczne, z których jeden służy do obsługi technicznej, a drugi jest wynośnym pulpitem operatora. Radar może być bowiem sterowany zdalnie (z wynośnego laptopa lub centrum operacyjnego) lub z dodatkowego modułu operacyjnego dla dwóch operatorów o długości 4” (około 1,3 m), który doczepiany jest do kontenera ze stacją radiolokacyjną i systemem antenowym wydłużając go do 20” (6,1 m). Dzięki tym rozmiarom ważący mniej niż 8,5 tony kontener „radarowy” może być z łatwością zainstalowany na odpowiedniej nośności platformach kołowych.

 Przy obracanej antenie stacja Giraffe 4A ma możliwość śledzenia do 1000 celów powietrznych, namierzania 100 urządzeń zakłócających oraz śledzenia 50 torów pocisków, rakiet i granatów moździerzowych (RAM). Ta ilość może się zwiększyć po zatrzymaniu anteny. Przy pracy sektorowej (o maksymalnym kacie obserwacji 120º) można bowiem zwiększyć zasięg stacji o około 40% (standardowy, instrumentalny zasięg to od 280-400 km), albo też częstość odnawiania informacji (co jest szczególnie przydane przy śledzeniu celów RAM i pocisków hiersonicznych). W normalnej pracy antena obraca się z prędkościami: 15, 30 i 60 obrotów na minutę.

 Zaletą tego radaru jest łatwość jego eksploatacji. Jest to urządzenie mogące pracować 24 godziny na dobę przez 7 dni w tygodniu. Badania wykazały, że średni czas pomiędzy uszkodzeniami MTBCF (Mean Time Between Critical Failure) jest większy niż 2500 godzin. Natomiast na znalezienie i usunięcie usterki operator potrzebuje średnio nie więcej 45 minut. Same czynności obsługowe w ciągu roku zajmują mniej niż 20 godzin.

Radar Giraffe 8A

Radar dalekiego zasięgu Giraffe 8A jest jedynym urządzeniem radiolokacyjnym, który jeszcze nie jest produkowany seryjnie przez koncern Saab. Nie oznacza to jednak, że nie został on już sprawdzony. Jest to bowiem stacja, której system antenowy złożono tak naprawdę z dwóch anten radaru Giraffe 4A (pracującego w paśmie częstotliwości S), a więc rozwiązania dobrze przetestowanego.

W ten prosty sposób uzyskano stację radiolokacyjną dalekiego zasięgu Giraffe przeznaczoną do działania w ramach zintegrowanego systemu obrony powietrznej, która może śledzić ponad 1000 obiektów powietrznych (w tym rakiety balistyczne). Zasięg wykrywania samolotów myśliwskich określono oficjalnie na 400 km, ale tak naprawdę może być on jeszcze większy biorąc pod uwagę możliwość punktowego zwiększania mocy nadawczej. Zasięg instrumentalny tej stacji to bowiem 600 km.

 Mniejszy jest natomiast kat elewacji. O ile bowiem w radarze Giraffe 4A istnieje możliwość wykrywania celów powietrznych w kątach od 0 do 70° to w przypadku Giraffe 8A maksymalny kąt został zmniejszony do 22° (w przypadku wybranych celów można go zwiększyć do 65° np. przez mechaniczną zmianę pochylenia kąta położenia szyku antenowego).

Giraffe 8 to urządzenie ważące mniej niż 10 ton, które może być zainstalowane na stacjonarnych wieżach (jako stacjonarny posterunek obserwacji nadzoru sytuacji powietrznej) lub na podwoziu kołowym. Jest to stacja z mechanicznym przeszukiwaniem w azymucie (z prędkością 24 obroty na minutę) i elektronicznym w elewacji. Przy obracanej antenie radar Giraffe 8A ma możliwość śledzenia do 1000 celów powietrznych, namierzania 100 urządzeń zakłócających oraz śledzenia 50 torów pocisków, rakiet i granatów moździerzowych (RAM).

Radar Giraffe 1X

Najmniejszą stacją radiolokacyjną proponowaną do zastosowań lądowych i morskich jest radar Giraffe 1X. Jego aktywna antena składa się z wielu takich samych modułów nadawczo-odbiorczych zbudowanych z wykorzystaniem technologii azotku galu.

I w tym przypadku elektronicznie kształtowana i sterowana wiązka antenowa pozwala na bardzo szybkie przeszukiwanie przestrzeni w elewacji (od 0 do 70°), co jest szczególnie przydatne podczas działania w rejonie przybrzeżnym, przy bardzo dynamicznie zmieniającej się sytuacji i dużej ilości zagrożeń, gdzie czas reakcji powinien być jak najkrótszy.

Sama antena bez urządzenia obrotowego waży jedynie 60 kg (a w komplecie z urządzeniem obrotowym i anteną IFF – 100 kg) dzięki czemu można ja montować na topie masztów nawet niewielkich jednostkach pływających oraz na niewielkich samochodach terenowych (np. typu HMMWV). Dodatkowym ułatwieniem jest fakt, że kompletne urządzenie poza systemem antenowym składa się jedynie z komputerowego bloku obróbki, bloku zasilającego i laptopa operatora.

W tej chwili w zakładach w Goeteborgu trwa produkcja pięciu radarów Giraffe 1X dla nieujawnionego jeszcze klienta. Z różnego sposobu malowania anten wynika, że będą montowane na okrętach oraz wykorzystywane na platformach lądowych. Szwedzi zaznaczają przy tym, że poza różnicami w kolorze nie będzie żadnych innych zmian w obu wersjach tego urządzenia.

Co dalej ze szwedzką radiolokacją?

Wprowadzenie anten aktywnych AESA wcale nie zakończyło prac rozwojowych prowadzonych przez koncern Saab. Ich efektem mogą być kolejne, zupełnie nowe urządzenia w tym przede wszystkim radary kierowania uzbrojeniem dla systemów przeciwlotniczych. Przypomnijmy, że Szwecja jest państwem, które podobnie jak Polska zakupiła w Stanach Zjednoczonych system Patriot.

Najsłabszą stroną tego systemu jest niewątpliwie stacja kierowania uzbrojeniem, która jest sektorowa, a dodatkowo mało mobilna. Jej zniszczenie oznacza automatyczne wyeliminowanie całej jednostki ogniowej z czterema wyrzutniami rakietowymi.

Żywotność systemu można by zwiększyć wprowadzając do zintegrowanego systemu obrony powietrznej radary „zastępcze”, które w razie potrzeby mogłyby przejąć kierowanie rakietami z wyrzutni systemu Patriot. Szwedzi potwierdzili, że dokładność ich stacji radiolokacyjnych jest wystarczająca, by naprowadzać amerykańskie rakiety przeciwlotnicze. Jeżeli więc uda się stworzyć kanał łączności pomiędzy pociskiem a wyrzutnią to nie będzie żadnego problemu, by sterowanie systemem Patriot odbywało się ze szwedzkiego radaru.

W podobny sposób można by również zadziałać w Polsce. Produkty oferowane przez koncern Saab mogą być oczywiście konkurencją dla polskiego przemysłu radiolokacyjnego, ale mogą go również wspierać jeżeli będzie się współdziałać. Polska ma unikalne zdolności (szczególnie jeżeli o systemy identyfikacji radiolokacyjnej „swój-obcy” jak i radary na fale metrowe) i przy odpowiedniej współpracy, pewne, już podejmowane działania na pewno zostałyby przyspieszone. Dobrym przykładem są Amerykanie, którzy mając własne, nowoczesne radary zaczęli jednak produkować stacje szwedzkie - uznając je w pewnych dziedzinach za lepsze.

Najważniejszy jest jednak sam sposób, w jaki Szwedzi wspierają swój przemysł radiolokacyjny. Działanie w podobny sposób w Polsce mogłoby przynieść równie pozytywne efekty liczone radarami sprzedawanymi nie tylko polskim siłom zbrojnym, ale również za granicą.