Rakietowe laboratorium HWIL w Zielonce [ANALIZA]

Zanim przejdziemy do szczegółów systemu laboratoriów jaki, powstaje w WZE S.A. należy kilka słów poświęcić temu, czym w zasadzie jest technologia HWIL i jakie ma znaczenie jej zastosowanie w projektowaniu i rozwoju pocisków kierowanych. Tego typu zaawansowane systemu uzbrojenia wymagają dla właściwego zaprojektowania i sprawdzenia skuteczności działania dziesiątek, jeśli nie setek testów. Większość z nich dziś może być realizowana w środowisku cyfrowym, co przyśpiesza proces badawczo-rozwojowo-wdrożeniowy. Oczywiście, dla właściwego ukończenia projektu nieodzowne jest przetestowanie skuteczności i poprawności działania gotowych komponentów i systemów „live” (na żywo), jednak technologia pozwala na przeprowadzenie lwiej części prac bez konieczności produkcji całych partii prototypów. Dotyczy to szczególnie układów naprowadzania. 

Nowoczesny pocisk musi nie tylko skuteczne wykryć i zidentyfikować cel, ale też podążać za nim pomimo zastosowania manewrów, środków samoobrony i zakłócania. Wszystko to przy różnych kątach podejścia do celu, różnych prędkościach czy warunkach pogodowych. Jest to szczególnie złożone dla naprowadzania opartego na podczerwieni, czyli termicznej sygnaturze celu. Pojawia się tu wiele zmiennych, które mogą wpłynąć na działania sensorów i zmniejszyć ich skuteczność: deszcz, mgła, ekstremalne temperatury, słońce, flary, oddziaływanie tła. Testowanie w warunkach poligonowych byłoby nie tylko kosztowne, ze względu na potrzebę wystrzelenia wielu pocisków, ale też trudne ze względu na warunki, które nie jest łatwo odwzorować w pełnym zakresie. Z pomocą przychodzi, można powiedzieć „technologia hybrydowa”, czyli HWIL. 

Na styku hardware i software

Skrót HWIL czy też HIL, od angielskiego Hardware-In-the-Loop, czyli w dosłownym tłumaczeniu „sprzęt/element w pętli” to próba opisania tego, czym jest ta nowoczesna metoda testowania. Łączy ona w symulacje komputerowe i testy prowadzone na realnym, „fizycznym” elemencie, który dzięki temu jest wszechstronnie testowany w warunkach zbliżonych maksymalnie do realnych. Działanie np. radarowej głowicy naprowadzającej pocisk jest testowane z użyciem urządzeń bardzo podobnych do tych, które na polu walki służą walce elektronicznej, czyli tworzeniu fałszywych obrazów i ech radarowych. Skomplikowane algorytmy sterują takim urządzeniem, które „karmi” głowicę symulowanym obrazem celu z jednej strony oraz symuluje dynamikę ruchu rakiety. Z drugiej strony głowica przekazuje dane do systemu symulującego układ sterowania rakietą, a ten dalej, do ośrodka symulującego cel, zmieniając jego pozorne położenie względem głowicy. To jest właśnie ta symulacyjna pętla, w której działa „hardware”, czyli testowany element. 

Dzięki zastosowaniu tej technologii można wykonać setki czy tysiące takich cykli naprowadzania na cel z użyciem wyprodukowanej głowicy czy systemu sterującego, zanim zdecydujemy się na kosztowne, poligonowe wystrzelenie rakiety w stronę realnego celu. Można ujawnić i przetestować w ten sposób zarówno samo urządzenie jak i algorytmy sterujące czy śledzące, ujawniając i likwidując ewentualne problemy na bieżąco. Można też przetestować warunki, które w realnym strzelaniu byłoby bardzo trudno uzyskać. Poziom symulacji środowiska w ramach HWIL może być różny. Przede wszystkim testy urządzeń czy systemów mogą być realizowane statycznie lub dynamiczne. 

Test statyczny, to po prostu sprawdzenie funkcjonowania komponentu przy symulowaniu jedynie wpływu i wypływu danych, natomiast w testach dynamicznych symuluje się również fizyczne czynniki. W przypadku konstrukcji lotniczych, takich jak rakiety najczęściej chodzi o zmianę pozycji i przeciążenia występujące w czasie lotu, które symuluje się odpowiednimi urządzeniami, które obracają badany element w określonym zakresie osi obrotu. Pozwala to sprawdzić, czy dany komponent lub agregat będzie równie dobrze funkcjonował np. obrócony do góry nogami czy poddany zmiennym przeciążeniom, co jest szczególnie istotne w przypadku elementów pocisków rakietowych które przemieszczają się ze znacznymi prędkościami i wykonują wiele gwałtownych manewrów.

Potrójne laboratorium symulacyjne 

Laboratorium do badań systemów i pocisków rakietowych, które powstaje w podwarszawskiej Zielonce, to właśnie technologiczny skok Polskiej Grupy Zbrojeniowej w zakresie możliwości badawczych kluczowych dla rozwoju programów rakietowych. W ramach tego projektu offsetowego, którego kluczowym elementem są technologie pozyskiwane od koncernu Lockheed Martin w ramach offsetu związanego z pierwszą fazą programu obrony powietrznej Wisła, powstaną de facto trzy laboratoria, służące do realizacji symulacji HWIL. Jest to stworzenie środowiska cyfrowego do realizacji symulacji, oraz laboratoria do prowadzenia statycznych i dynamicznych symulacji na komponentach sprzętowych. Są one objęte dwoma odrębnymi offsetowymi umowami wykonawczymi, z których pierwsza w dużej części została już z obecnie realizowana. 

Umowa ta obejmuje pozyskanie środowiskowa cyfrowej symulacji wraz z sprzętem technicznym oraz pakietem szkoleniowym. Oznacza to dostarczenie zarówno hardware w postaci odpowiednich serwerów i oprzyrządowania jak też specjalistycznego oprogramowania przeznaczonego do realizacji symulacji HWIL. Wraz z tymi elementami pakiet obejmuje też przeszkolenie personelu w zakresie obsługi sprzętu i realizacji symulacji.

W toku realizacji pierwszej umowy offsetowej wydzielono zespół inżynierów z wiodących dla systemów rakietowych spółek grupy PGZ, którzy zostali przeszkoleni i wyznaczeni do pracy w laboratorium HWIL. Wybór kandydatów podyktowany został specjalizacją poszczególnych spółek, posiadanym doświadczeniem oraz planami rozwojowymi przedsiębiorstw. Nie mogło wśród nich zabraknąć np. przedstawicieli PCO S.A. odpowiedzialnej za rozwój optoelektronicznych głowic śledzących (tzw. seekerów) dla pocisków rakietowych klasy VSHORAD/SHORAD, jak również PIT-RADWAR S.A., który jest centrum kompetencji w zakresie systemów dowodzenia i kierowania uzbrojeniem obrony przeciwlotniczej jak oraz integracji tych rozwiązań z pociskami rakietowymi. Istotne jest również zaangażowanie WZE S.A., ze względu na już pozyskane kompetencje w dziedzinie rakiet (Centrum Serwisowe NSM) jak też przyszłe zdolności (produkcja podzespołów dla LM), ściśle powiązane z projektami PGZ. 

W ramach cyfrowej części HWIL, która została już wdrożona, system pozwala przeprowadzić symulacje nie tylko pojedynczych pocisków czy platform ale całego systemu rakietowego. Można jest więc symulacja w skali „makro”, de facto pozwalająca na sprawdzenie całości koncepcji i wybranych konfiguracji. Rozpoczęły się również prace związane z realizacją drugiej umowy offsetowej, dotyczącej uruchomienia fizycznej części systemu symulacyjnego, a więc platform do testowania wybranych komponentów i podsystemów.  

Laboratoria testowe WZE S.A. 

Na miejsce budowy laboratorium „hardwareowego” w ramach systemu Hardware-In-the-Loop wybrano Wojskowe Zakłady Elektroniczne S.A. w Zielonce, które posiadają odpowiednią przestrzeń dla realizacji projektu, ale też posiadają już doświadczenie z absorpcją offsetu związanego z zaawansowanymi technologiami rakietowymi (centrum serwisowe NSM). Spółka posiada też doświadczenie w zakresie współpracy z podmiotami zagranicznymi, takimi jak Honeywell, Kongsberg, Raytheon czy Lockheed Martin. W Zielonce powstanie infrastruktura testowa, która ma zostać uruchomiona w latach 2023-2024. Obecnie trwają prace związane z przygotowaniem projektu laboratorium do testów statycznych i dynamicznych. Finalny układ laboratorium będzie zależeć nie tylko od rozmiarów zainstalowanych urządzeń, ale także od przyjętego układu pomieszczeń i potrzeby spełnienia wymogów sanitarnych oraz BHP. 

Ważnym elementem laboratorium będzie tak zwany gimbal, czyli przekazane w ramach offsetu urządzenie pozwalające na testy dynamiczne elementów w ruchu względem kilku osi obrotu, przy jednoczesnym podawaniu do systemu symulowanych danych wejściowych. Zarówno część statyczna jak i dynamiczna laboratorium może ułatwić realizację prac badawczo-rozwojowych, związanych np. z opracowaniem, wdrażaniem i produkcją różnych rodzajów kierowanych i niekierowanych pocisków rakietowych. 

Na stanowiskach HWIL w WZE będzie można, po zakończeniu projektu offsetowego, m. in. testować, zarówno statycznie jak i dynamicznie tak zwane seekery, czyli sensory zarówno termicznych jak i docelowo radiolokacyjnych systemów naprowadzania pocisków kierowanych. Są to kluczowe możliwości podnoszące skuteczność i obniżające koszty prac rozwojowych nad uzbrojeniem rakietowym w jego najbardziej skomplikowanej i kosztownej części. 

Technologia HWIL zapewnia bardzo realistyczne i kompleksowe wyniki symulacji, przyspieszając, usprawniając i znacznie obniżając koszty prac rozwojowych w ich najbardziej kluczowych fazach. Uruchomienie tego typu instalacji w ramach polskiego przemysłu obronnego będzie usprawniać i przyspieszać realizację projektów nie tylko na rzecz Sił Zbrojnych RP ale również w ramach programów pod egidą Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, w tym np. projektów prowadzonych w ramach programu „rozwoju nowoczesnych, przełomowych technologii służących bezpieczeństwu i obronności państwa” pod kryptonimem Szafir. Jest to z pewnością krok w stronę unowocześnienia i przyspieszenia modernizacji zarówno przemysłu jak i sił zbrojnych.

Artykuł przygotowany we współpracy z PGZ S.A.