Jak działają wojskowe systemy naprowadzania na cel
Z pewnością wielokrotnie o tych systemach słyszeliście, naprowadzanie aktywne, półaktywne, pasywne, laserowe, GPS, inercyjne… ale jak właściwie dany system działa? Skąd głowica pocisku "wie", gdzie uderzyć w cel? Pytanie jest zasadne, tym bardziej że w przypadku wielu rodzajów broni, miejsce wystrzelenia od celu dzielą nawet tysiące kilometrów. Przyjrzyjmy się różnym metodom i systemom naprowadzania stosowanym w różnego typu pociskach.
Szczypta historii. Rakiety V-2, pierwsze rakiety balistyczne
Pierwszy w historii pocisk balistyczny z napędem rakietowym, skonstruowany przez Niemców podczas II Wojny Światowej, to rakieta V-2 (Vergeltungswaffe-2). Była to również pierwsza rakietą balistyczną użyta w działaniach wojennych. Stworzył ją zespół pod kierownictwem Wernhera von Brauna, nazisty, który później przyczynił się do rozwoju amerykańskiego programu kosmicznego, w tym misji Apollo. Rakieta V-2 była także pierwszym obiektem stworzonym przez człowieka, który dotarł do kosmosu. W trakcie testów, 20 czerwca 1944 roku, rakieta V-2 oznaczona jako MW 18014 przekroczyła linię Karmana (100 km nad Ziemią) i osiągnęła apogeum na wysokości 176 km, co stanowiło pierwszy suborbitalny lot urządzenia wytworzonego przez człowieka.
Foto: German Federal Archives
Rakieta V-2
Nas jednak interesuje, w jaki sposób rakiety V-2 trafiały w cel? Mechanizm był tyleż prosty, co – na szczęście dla celów – bardzo mało skuteczny. Za stabilizację rakiety V-2 podczas lotu odpowiadał prosty system elektromechaniczny wykorzystujący pokładowy żyroskop i kompas. To rozwiązanie wystarczało, by wyznaczyć rakiecie określony kurs. Potencjalnym zestrzeleniem Niemcy wówczas się nie martwili. I słusznie, bo V-2 przy swojej prędkości przelotowej sięgającej nawet 6000 km/h był poza zasięgiem jakiejkolwiek wówczas broni przeciwlotniczej. Jak jednak Niemcy naprowadzali rakiety V-2 na cel? Wówczas nie było żadnych systemów naprowadzania, zatem rakiety V-2 spadały i wybuchały, gdy… skończyło im się paliwo. Niemcy "celując", obliczali po prostu, ile paliwa powinna zużyć rakieta V-2 podczas lotu na danym kursie, by osiągnąć zaplanowany cel. Następnie odmierzano odpowiednią ilość paliwa (etanolu) i utleniacza i wystrzeliwano pocisk. Nie trzeba tęgiej głowy, by stwierdzić, że taki sposób naprowadzania był, delikatnie rzecz ujmując, mało dokładny. W istocie tak było, rakiety V-2 nigdy nie miały znaczenia taktycznego na polu walki, właśnie ze względu na swoją zbyt niską celność rzędu od 1500 metrów (najdokładniejsze wystrzelenia pod koniec II Wojny Światowej) do nawet ponad 6 kilometrów. Gdy celem było wielkie miasto (jak Londyn), niedokładność nie miała znaczenia, ale Niemcy próbowali również zniszczyć rakietami V-2 mniejsze cele, przykładem mogą być ataki na most w Remagen (już po zajęciu go przez Aliantów), ale żaden z wystrzelonych kilkunastu pocisków nie trafił w cel.
Choć pociski balistyczne, szczególnie ich międzykontynentalne odmiany to broń ostateczna (są głównymi nośnikami broni masowego rażenia, takiej jak głowice termonuklearne), to nie dysponują one szczególnie wyrafinowanymi technikami naprowadzania. Można powiedzieć, że celność przy wybuchu jądrowym ma drugorzędne znaczenie, ale układy naprowadzania rakiet balistycznych nie są skomplikowane przede wszystkim ze względu na ograniczony czas manewrowości tego typu pocisków. W tego typu broni spotyka się generalnie dwa rodzaje systemów naprowadzania: naprowadzanie inercyjne (bezwładnościowe) i naprowadzanie astronawigacyjne, w praktyce oba systemy często współistnieją zależnie od potrzeb i celów konkretnego rodzaju broni. Strategiczne, międzykontynentalne pociski balistyczne korzystają z systemów mniej wyrafinowanych, niż w przypadku wielu typów broni bliższego zasięgu (jak np. kierowane pociski lotnicze, pociski przeciwpancerne itp.), co wynika głównie z faktu, że ich cele są najczęściej nieruchome.
Naprowadzanie inercyjne to w zasadzie rozwiązanie, które częściowo już poznaliśmy w powyższym opisie rakiet V-2. Przed startem pocisk zostaje zaprogramowany na lot po określonym kursie. Sam pocisk wyposażony jest w żyroskop i akcelerometr, które monitorują przyśpieszenia podczas aktywnej fazy lotu (kiedy pocisk ma jeszcze napęd) i ewentualnie wprowadzają korekty kursu na zaplanowaną wstępnie trajektorię. Jednak w przeciwieństwie do V-2 inercyjny system naprowadzania np. z amerykańskiego pocisku międzykontynentalnego LGM-118A Peacekeeper to rozwiązanie o bardzo wysokiej dokładności. Można zapytać, po co taka dokładność, skoro mowa o broni nuklearnej? W tym przypadku potencjalnym celem wycofanych już dziś z użycia amerykańskich Peacekeeperów były radzieckie/rosyjskie silosy rakietowe. Dodatkową zaletą naprowadzania inercyjnego jest to, że nic nie jest w stanie go zakłócić.
Naprowadzanie astronawigacyjne to rozwiązanie stosowane nie tylko w balistycznych pociskach międzykontynentalnych, ale może przede wszystkim w bezzałogowych misjach kosmicznych. W takim przypadku pocisk lub pojazd kosmiczny nawiguje w oparciu o układ nieruchomych względem Ziemi ciał niebieskich (gwiazd). Rozwiązanie to jest przeznaczone dla nośników (broni lub narzędzi badawczych) o z góry założonej trajektorii. Zaletą takiego rozwiązania jest to, że dokładność takiego naprowadzania nie jest zależna od zasięgu, błąd inercyjny (np. odchylenie kursu rosnące wraz z dystansem) w tym przypadku nie istnieje. Potencjalnym problemem jest to, że pojazd/pocisk z takim systemem nawigacji musi być stosownie wyposażony: po pierwsze w matrycę układu ciał niebieskich stanowiącą punkt odniesienia oraz jakiś sensor (np. nieduży teleskop czy inne narzędzie obserwacji nieba), które pozwala systemowi porównywać rzeczywisty, obserwowany układ gwiazd z zaprogramowaną matrycą.
Obydwa wymienione rozwiązania są kategoryzowane jako systemy naprowadzania typu GOLIS (Go-Onto-Location-In-Space). W tego typu systemach nie rozważa się w ogóle ruchomości celu, co znacząco utrudnia trafienie w niego. Czas zająć się naprowadzaniem na ruchomy cel, czyli odrębną kategorią, tzw. systemami GOT (Go-Onto-Target).
Generalnie każdy system naprowadzania na cel ruchomy musi składać się z komponentów zapewniających następujące trzy możliwości: śledzenie celu, śledzenie samego pocisku, mocy obliczeniowej zapewniającej dane dostarczane w czasie rzeczywistym (komputer naprowadzający). Komponenty zapewniające te zdolności nie muszą znajdować się w samym pocisku, byłoby to zresztą nieopłacalne, bo najbardziej zaawansowane pociski samosterujące są też najdroższymi pociskami we współczesnych arsenałach. Przyjrzyjmy się pokrótce sposobom naprowadzania wykorzystywanym w konkretnych typach pocisków. Opis danego rozwiązania istniejącego w konkretnych zastosowaniach najlepiej trafia do wyobraźni.
BGM-71 TOW. Najpopularniejszy kierowany pocisk przeciwpancerny świata
BGM-71 TOW to amerykański, wykorzystywany od 1970 r., śledzony optycznie i kierowany przewodowo, wystrzeliwany z tuby pocisk przeciwpancerny. Pocisk ten korzysta z systemu naprowadzania typu SACLOS (Semi-Automatic Command Line of Sight). W tego typu systemach naprowadzania operator wyrzutni musi po wystrzeleniu pocisku kierować pocisk na cel, do tego celu używa się np. sensorów podczerwieni w celowniku lub lunecie operatora. Ciekawy jest sposób wysyłania komend do pocisku. W przypadku BGM-71 TOW odbywa się to drogą przewodową. Może się to wydać dziwne, że pocisk wystrzeliwany ciągnie za sobą rozwijalny "ogon" w postaci jak najbardziej prawdziwych kabli (w nowszych wersjach TOW kable są odcinane po 3750 metrach od wyrzutni), ale taki sposób sterowania czyni pocisk całkowicie odpornym na ewentualne zakłócenia komunikacji radiowej. Tu komunikacji radiowej nie ma, bo rozkazy przesyłane są do pocisku, dosłownie, po kablach.
Foto: Wiki Commons
Oczywiście istnieje również bezprzewodowa wersja tego pocisku, została ona opracowana przez koncern Hughes (później wykupiony przez Raytheon) w 1989 r., jednak nie została przyjęta do służby. Bezprzewodowe odmiany TOW (TOW-2A, TOW-2B i TOW-2B Aero) wykorzystujące zamiast kabli "niewidzialne" jednokierunkowe łącze radiowe korzystają z takiego samego systemu naprowadzania, nawet łącze danych "pępowinowych" się nie zmieniło, tylko że zamiast fizycznych kabli, podłączono do niego moduł radiowy RF zamknięty razem z pociskiem. Co zyskano? Większy zasięg, który w wersji TOW-2B Aero (dodatkowe usprawnienia aerodynamiczne samego pocisku) wynosi 4,5 kilometra. Przy maksymalnym zasięgu czas namierzenia i utrzymania celu przez operatora to ok. 20 sekund.
Przyjrzyjmy się teraz pociskowi, który jest obecnie uznawany za jeden z najlepszych na świecie w swojej klasie system przeciwlotniczy bardzo bliskiego zasięgu i stanowi dumę polskiej zbrojeniówki, a swoje ponadprzeciętne zdolności udowadnia w trwającej wciąż wojnie na Ukrainie. Przenośny Przeciwlotniczy Zestaw Rakietowy Piorun, bo tak brzmi pełna nazwa tej broni, to znacząco rozwinięta wersja PPZR Grom. Broń ta służy do zwalczania zarówno samolotów szturmowych, jak i śmigłowców, czy bezzałogowych aparatów latających. PPZR Piorun korzysta z głowicy samonaprowadzającej się, o zwiększonej w stosunku do starszych Gromów, czułości detekcji i odporności na zakłócenia. Nowością w stosunku do PPZR GROM jest również zastosowanie dodatkowego zapalnika zbliżeniowego (a nie wyłącznie uderzeniowego), dzięki czemu pocisk może eksplodować nie tylko po uderzeniu w cel, ale również w jego pobliżu (co teoretycznie pozwala strącić np. kilka dronów jednym uderzeniem). Największą zmianą w stosunku do poprzednika jest jednak zaprojektowana od nowa głowica samonaprowadzająca stabilizowana laserowym żyroskopem. Pocisk ten podobnie jak GROM automatycznie naprowadza się na źródło termicznego promieniowania (np. emitujący ciepło silnik samolotu czy śmigłowca), ale dzięki zastosowaniu zupełnie nowej chłodzonej argonem sekcji fotodiod, Piorun jest w stanie wykryć cel ze znacznie większej odległości i jednocześnie pocisk jest znacznie bardziej odporny na środki przeciwdziałania (np. wabiki termiczne, flary, etc.). Warto też wspomnieć o jeszcze jednej unikalnej cesze Piorunów. To pierwsza tej klasy broń na świecie, której nie wykorzysta ktoś niepowołany (np. terrorysta, próbujący zestrzelić samolot pasażerski), każdy jeden zestaw PPZR Piorun jest odblokowywany unikalnym kodem startowym.
Amerykański pocisk powietrze-powietrze to przykład broni typu "wystrzel i zapomnij" (z ang. fire and forget), co oznacza, że jest on w stanie samodzielnie naprowadzać się na cele pozostające poza zasięgiem operatora (pilota samolotu odpalającego tego typu pocisk). AMRAAM jest najpopularniejszym na świecie tego typu pociskiem. AIM-120 wykorzystuje dwustopniowy system naprowadzania. Najpierw samolot przekazuje do pocisku wstępne dane o położeniu celu, jego kierunku, prędkości itp. Dane te są najczęściej pozyskiwane z radaru samolotu, ale mogą być też otrzymane i przesłane zaszyfrowanym łączem danych z innego sensora obecnego na polu walki (np. z położonej bliżej celu i wcześniej go wykrywającej naziemnej stacji radarowej, albo samolotu typu AWACS). Wystrzelony pocisk korzysta z własnego systemu nawigacji bezwładnościowej, by utrzymywać się na kursie przechwycenia celu.
Foto: Domena Publiczna/US Air Force
Myśliwiec F-16 uzbrojony w pociski AIM-120 (na górze), AIM-9 (w środku) i AGM-88 (na dole)
Wystrzelenie nie kończy jednak automatycznej komunikacji z pociskiem. Sensory (radar samolotu, radar AWACS lub naziemna stacja) dalej mogą przesyłać dane aktualizacyjne do pocisku, który na ich podstawie aktualizuje kurs, dopóki cel nie znajdzie się w zasięgu wbudowanej w AIM-120 AMRAAM głowicy naprowadzającej. Gdy aktywny radar samego pocisku przechwyci cel, do gry wchodzi drugi stopień systemu naprowadzania, dalsze dane od pozostałych sensorów nie są już wówczas potrzebne.
Technologia pozwala na projektowanie niezwykle zaawansowanych systemów naprowadzania instalowanych w głowicach współczesnych pocisków, w przypadku uzbrojenia trzeba jednak pamiętać o tym, że przesadnie wyrafinowane rozwiązanie, okaże się niewarte wdrożenia, zwłaszcza jeżeli potencjalne cele, jakie dana broń może eliminować, będą mieć mniejszą wartość niż sam pocisk. Pamiętajmy, że nawet najbardziej zaawansowana głowica naprowadzająca jest… jednorazowa.
