Φρεγάτες, ΠΝ: Ας μιλήσουμε λοιπόν για τα ΡΑΝΤΑΡ των υποψηφίων μας προμηθευτών

ΣΧΟΛΙΟ ΙΣΤΟΛΟΓΙΟΥ : Όποιος θέλει να ενημερωθεί σωστά για να μην πεθάνει ανίδεος μαλάκας διαβάζει Ζηκίδη για ραντάρ και αεροπλάνα, και Μητσόπουλο για καράβια. Για τους αδιόρθωτους που θέλουν να διορθωθούν υπάρχουν οι εξής κινήσεις : 1. Γκουγκλαρουν: “μικροκύματα Τσιμπούκης” 2. Διαβάζουν τον Τσιμπούκη (τουλάχιστο τους 2 πρώτους τόμους) 3. Έρχονται σε μένα για απορίες 4. Μετά μπορούμε να συζητήσουμε για φρεγάτες (Ο Τσιμπούκης είναι συγγραφέας, μην γλείφεστε γατάκια!) χα χα χα χα 

Εδώ και πολλούς μήνες, το θέμα που πρωταγωνιστεί στην αμυντική (και όχι μόνο) επικαιρότητα είναι η επιλογή των νέων φρεγατών του ΠΝ. Βεβαίως το θέμα της ανανέωσης του στόλου μας έχει ανοίξει εδώ και πάνω από μία δεκαετία, αφενός μεν με την απόφαση του ΠΝ τον Ιανουάριο του 2009 να προχωρήσει στην παραγγελία 6 φρεγατών FREMM (η οποία προφανώς δεν υλοποιήθηκε), αφετέρου δε με την απαίτηση εκσυγχρονισμού μέσης ζωής των 4 φρεγατών κλάσης ΥΔΡΑ (τύπου ΜΕΚΟ 200 ΗΝ). Δυστυχώς, παρά τα γεγονότα που συνέβησαν το καλοκαίρι του 2020, το εν λόγω θέμα συνεχίζει να παλινδρομεί, χωρίς να έχει ληφθεί ακόμα απόφαση, καθώς περιπλέκεται έτι περαιτέρω με το δυσεπίλυτο θέμα των Ναυπηγείων. Όμως, ουδέν κακόν αμιγές καλού: έχουν πλέον υποβληθεί πολλές προτάσεις στο ΠΝ, η πλειονότης των οποίων είναι εξαιρετικές.

Γράφει ο Κωνσταντίνος Χ. Ζηκίδης
(Διδάκτωρ ΕΜΠ / Στρατιωτικό Διδακτικό Προσωπικό Σχολής Ικάρων)

Το θέμα είναι ιδιαίτερα περίπλοκο, καθώς η εξέταση ενός σύγχρονου πολεμικού πλοίου περιλαμβάνει πάρα πολλές παραμέτρους. Προφανώς, μόνο οι έμπειροι Αξιωματικοί του ΠΝ έχουν τη γνώση και τη δυνατότητα να κρίνουν. Με σκοπό την συμπλήρωση της εικόνας αναφορικά με τις νέες φρεγάτες και την υποβοήθηση του έργου του ΠΝ, κατατίθεται η παρέμβαση αυτή, που επικεντρώνεται στα ραντάρ που προτείνονται με τα πλοία.

Το ραντάρ είναι ο κύριος αισθητήρας ενός πολεμικού πλοίου, ο οποίος επιτρέπει την ανίχνευση, παρακολούθηση και στοχοποίηση στόχων αέρος και επιφανείας, όπως μαχητικά αεροπλάνα, επιθετικά ελικόπτερα, μη επανδρωμένα αεροχήματα, πυραύλους πλεύσης, βαλλιστικούς πυραύλους, καθώς και άλλα πλοία. Όλες οι φρεγάτες που έχουν προταθεί φέρουν εξαιρετικά ραντάρ, ιδίως οι ευρωπαϊκές.

Τα περισσότερα εκ των προσφερομένων ραντάρ επιτρέπουν την ανίχνευση στόχων σε αποστάσεις εφάμιλλες των επίγειων ραντάρ επιτήρησης της ΠΑ, ενώ επιπρόσθετα προσφέρουν και αντιβαλλιστικές δυνατότητες. Επίσης, η κίνηση του πλοίου εμποδίζει την στοχοποίησή τους με απλά μέσα (π.χ. κλασικό πυροβολικό), ενώ μπορούν να επέμβουν στην εκάστοτε περιοχή ενδιαφέροντος, παρέχοντας πολύτιμη αεροπορική εικόνα και καλύπτοντας τα κενά που αναπόφευκτα δημιουργεί η καμπυλότητα της γης και τα διάφορα νησιά, νησίδες κλπ.

Φυσικά, το οπλοστάσιο που θα φέρει κάθε πλοίο διασφαλίζει την προστασία του, καθώς και μίας ορισμένης περιοχής πλησίον του. Εννοείται ότι η εικόνα ραντάρ θα πρέπει να διαβιβάζεται στην ΠΑ, μέσω κάποιου νατοϊκού (ή και εθνικού) τακτικού δικτύου δεδομένων, συνεισφέροντας στο Σύστημα Αεροπορικού Ελέγχου (ΣΑΕ) και συμπληρώνοντας την αεροπορική εικόνα του Εθνικού Κέντρου Αεροπορικών Επιχειρήσεων (ΕΚΑΕ).

Βεβαίως, η σχέση αυτή είναι αμφίδρομη, καθώς η κάθε φρεγάτα θα επωφελείται από την διευκρινισμένη αεροπορική εικόνα από τα ραντάρ της ΠΑ, συμπεριλαμβανομένων των ιπτάμενων ραντάρ που ενδεχομένως θα επιχειρούν στην ευρύτερη περιοχή.

Εν ολίγοις, η επιλογή της νέας φρεγάτας δεν αποτελεί ένα στενά “κλαδικό” θέμα του ΠΝ αλλά έχει σαφώς προεκτάσεις και στους άλλους δύο Κλάδους των Ενόπλων Δυνάμεων, καθώς μία σύγχρονη φρεγάτα θα μπορεί να παράσχει εικόνα αλλά και ισχυρή προστασία στην ευρύτερη περιοχή ευθύνης της. Επίσης, θα συνεισφέρει και στην αποτροπή, εάν π.χ. φέρει πυραύλους πλεύσης μεγάλης εμβελείας.

Για να αξιολογηθούν τα προσφερόμενα ραντάρ, θα πρέπει πρώτα να προσδιοριστούν οι απειλές εναντίον των οποίων θα αξιοποιηθούν. Έτσι, η πρώτη απειλή που θα εξεταστεί είναι ένα μαχητικό αεροπλάνο. Το μέγεθος που καθορίζει την απόσταση αποκάλυψης ενός στόχου από ένα ραντάρ είναι η ραδιοδιατομή ή Radar Cross Section – RCS του στόχου, η οποία αποτελεί μία μέτρηση του ίχνους που εμφανίζει στο ραντάρ ο κάθε στόχος, σε μονάδες επιφανείας (m²).

Έτσι, ένα παλαιότερο μαχητικό (π.χ. F-4E Phantom) παρουσιάζει μεγάλο ίχνος της τάξης των 6-10 m², ενώ ένα τυπικό μαχητικό σήμερα (όπως ένα F-16C με όπλα και δεξαμενές καυσίμου) παρουσιάζει ίχνος της τάξης των 2-2,5 m². Ένα πιο σύγχρονο μαχητικό (π.χ. Rafale) πλησιάζει το 0,1 m² σε καθαρή διαμόρφωση, ενώ ένα μαχητικό χαμηλής παρατηρησιμότητας (στελθ), όπως το F-35, εμφανίζει RCS μικρότερο από 0,01 m².

Στο [1] παρατίθεται πίνακας με τιμές RCS διαφόρων στόχων, καθώς και αντίστοιχο διάγραμμα αποστάσεων αποκάλυψης από συγκεκριμένο ραντάρ.

Πέραν των μαχητικών, δυσδιάκριτοι στόχοι είναι οι πύραυλοι πλεύσης εναντίον πλοίων, οι οποίοι έχουν μικρό ίχνος, ενώ πετούν σε πολύ χαμηλό ύψος (ελάχιστα πόδια πάνω από την επιφάνεια της θαλάσσης). Ένα τέτοιο παράδειγμα αποτελεί ο τουρκικός πύραυλος Atmaca της Roketsan, ο οποίος εμφανίζει RCS 0,002 – 0,05 m², αναλόγως της συχνότητας του ραντάρ [2].

Ακόμα πιο δύσκολοι στόχοι είναι οι βαλλιστικοί πύραυλοι εναντίον πλοίων (Anti-ship ballistic missile), αν και εξ όσων γνωρίζουμε δεν υπάρχουν (ακόμα) στο οπλοστάσιο της Τουρκίας. Βέβαια η γείτων εξελίσσει έναν σημαντικό αριθμό οπλικών συστημάτων, μεταξύ των οποίων και στόλο από μη επανδρωμένα διαφόρων κατηγοριών. Αυτά, αν και δεν μπορούν να χαρακτηρισθούν ως στελθ, εμφανίζουν χαμηλό RCS, ιδίως τα μικρότερα, ενώ οι χαμηλές ταχύτητες δυσχεραίνουν την ανίχνευσή τους.

Διαπιστώνεται λοιπόν ότι η απειλή εξελίσσεται διαρκώς και οι στόχοι εμφανίζουν όλο και πιο μικρό ίχνος στο ραντάρ, μειώνοντας αντίστοιχα τις αποστάσεις αποκάλυψης και τους χρόνους αντίδρασης. Για παράδειγμα, το ραντάρ MW08 της Thales Nederland (τέως Signaal) μπορεί να ανιχνεύσει ένα F-4E Phantom σχεδόν στα 50 km αλλά έναν πύραυλο Atmaca θα τον αποκαλύψει σε απόσταση μικρότερη από 8 km, επιτρέποντας ελάχιστο χρόνο αντίδρασης [2].

Επομένως, δεδομένου ότι το όποιο πλοίο επιλεχθεί θα ενταχθεί στο στόλο το λιγότερο σε 3-4 έτη και θα παραμείνει τουλάχιστον για 30-40 έτη, δεν θα πρέπει να κρίνουμε με βάση τις παλαιότερες απειλές (με RCS της τάξης των 5-10 m²) αλλά με βάση τις σύγχρονες απειλές και αυτές που αναμένονται στο μέλλον. Υπό αυτό το πρίσμα, ένα ισχυρό ραντάρ δεν αποτελεί περιττή πολυτέλεια αλλά αναγκαιότητα, κατ’ αρχάς για το ίδιο το πλοίο.

Επιχειρώντας τη σύγκριση μεταξύ των προσφερόμενων ραντάρ, διαπιστώνεται ότι η “ονομαστική εμβέλεια” δεν είναι κάποιο συγκεκριμένο μέγεθος αλλά ο κάθε κατασκευαστής ακολουθεί μία δική του προσέγγιση, χωρίς να αναφέρει σε τι μέγεθος στόχου αναφέρεται ή υπό ποιες παραμέτρους.

Ο όρος «maximum instrumented range» αντιστοιχεί στην μέγιστη βαθμονομημένη κλίμακα, χωρίς όμως να αποδεικνύει κάτι για τις πραγματικές ικανότητες του ραντάρ. Επιθυμητό θα ήταν η εκτίμηση της απόστασης αποκάλυψης ενός συγκεκριμένου στόχου από όλα τα ραντάρ, π.χ. ενός τυπικού στόχου με RCS 1 m² (αντιστοιχεί σε ίχνος μικρού μαχητικού), προφανώς σε κάποιο ύψος πάνω από τον ορίζοντα ραντάρ (που να μην καλύπτεται από την καμπυλότητα της γης), υπό τις ίδιες συνθήκες, όπως η πιθανότητα αποκάλυψης.

Επίσης, δεν θα πρέπει να χρησιμοποιείται κάποια λειτουργία έρευνας στενής δέσμης, η οποία προϋποθέτει πρότερη γνώση για την αναμενόμενη θέση του στόχου, καθώς η βασική λειτουργία είναι η έρευνα χώρου.

Στο σημείο αυτό θα πρέπει να σημειωθεί ότι η μέγιστη απόσταση αποκάλυψης ενός στόχου εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους, πέραν φυσικά από το RCS του ιδίου του στόχου. Έτσι, υποθέτοντας ότι ο στόχος βρίσκεται εντός της κάλυψης του ραντάρ (δηλαδή δεν είναι πολύ ψηλά ή πολύ χαμηλά, ως προς τον κύριο λοβό εκπομπής), αγνοώντας παραμέτρους όπως η ατμοσφαιρική εξασθένηση και οι καιρικές συνθήκες, καθώς και τα διάφορα φαινόμενα διάδοσης (multipath, anomalous propagation, duct κλπ) και επικεντρώνοντας στη λειτουργία του ραντάρ, έχουμε τα εξής:

α. Όσο πιο στενός ο τομέας έρευνας της δέσμης του ραντάρ, τόσο μεγαλύτερη απόσταση αποκάλυψης επιτυγχάνεται, καθώς η εκπεμπόμενη ενέργεια συγκεντρώνεται σε ένα τομέα. Ιδανικά, εάν κάποιο άλλο ραντάρ μας υποδείξει την κατεύθυνση του στόχου και επικεντρώσουμε την ακτινοβολία εκεί, θα μεγιστοποιηθεί η εμβέλεια. Αντιθέτως, η έρευνα σε έναν ευρύ τομέα θα καθυστερήσει την αποκάλυψη.

β. Καθώς όλα τα υπόψη ραντάρ είναι τεχνολογίας ενεργητικής ηλεκτρονικής σάρωσης (Active Electronically Scanned Array – AESA), η δέσμη ελέγχεται και κινείται ηλεκτρονικά [3], ελέγχοντας με ακρίβεια το χρόνο παραμονής της δέσμης σε κάθε κατεύθυνση (dwell time).

Αυτό είναι ένα πολύ κρίσιμο χαρακτηριστικό, συναφές με το προηγούμενο, καθώς η παραμονή του ραντάρ σε μία κατεύθυνση αυξάνει σημαντικά την απόσταση αποκάλυψης. Γενικώς, ο χρόνος αποτελεί μία πολύ κρίσιμη παράμετρο σε ένα ραντάρ, καθώς έτσι καθορίζεται ο διαμοιρασμός μεταξύ των διαφόρων λειτουργιών (έρευνα χώρου, περιορισμένη έρευνα, παρακολούθηση, διαμεταγωγή δεδομένων στοχοποίησης σε πύραυλο κλπ).

γ. Τέλος, μία ακόμα παράμετρος είναι η πιθανότητα ανίχνευσης (probability of detection – Pd). Η λειτουργία του ραντάρ αποτελεί συμβιβασμό πολλών παραγόντων: καθώς ο στόχος πλησιάζει, καταλήγει στην επίτευξη συγκεκριμένου λόγου σήματος προς θόρυβο (signal to noise ratio – SNR), ο οποίος επιτρέπει ανίχνευση του σήματος με πιθανότητα Pd, διατηρώντας την πιθανότητα ψευδούς συναγερμού (probability of false alarm – Pfa) σε συγκεκριμένο επίπεδο.

Αυτά τα μεγέθη είναι αντικρουόμενα μεταξύ τους. Έτσι, κατά κανόνα ως πιθανότητα ψευδούς συναγερμού Pfa τίθεται μία τιμή της τάξης του 10-6 ή και χαμηλότερη (ώστε να μην έχουμε πολλούς ψευδείς στόχους), ενώ για την πιθανότητα ανίχνευσης Pd χρησιμοποιείται η τιμή 90%.

Εάν όμως θεωρήσουμε ως αποδεκτή την τιμή 50% για την πιθανότητα Pd, δηλαδή αποδεχτούμε την περίπτωση να μην αποκαλύπτεται κατά 90% ο στόχος αλλά με πιθανότητα 50%, τότε αυτό σημαίνει χαμηλότερο SNR, το οποίο με τη σειρά του επιτρέπει μεγαλύτερη απόσταση. Με απλά λόγια, η εμβέλεια με Pd 50% είναι αρκετά μεγαλύτερη από την εμβέλεια με Pd 90%, καθώς η δεύτερη συνθήκη είναι πιο “αυστηρή”, απαιτώντας την ανίχνευση του στόχου με μεγάλη πιθανότητα σε κάθε παλμό.

Η πιθανότητα ανίχνευσης Pd (ενός παλμού και αθροιστική) ως συνάρτηση της απόστασης αποκάλυψης [4]. Όσο μειώνεται η απαιτούμενη πιθανότητα ανίχνευσης, τόσο μεγαλύτερη είναι η εμβέλεια ενός ραντάρ. Παρατηρούμε ότι όταν η πιθανότητα ανίχνευσης Pd ενός παλμού μειώνεται από 90% σε 50%, η εμβέλεια αυξάνεται σημαντικά (χονδρικά κατά 50%).

Αναφορικά με την τελευταία παράμετρο, δηλαδή την πιθανότητα ανίχνευσης Pd, αυτή συνήθως απαιτείται να είναι 90% όταν γίνεται παρακολούθηση (tracking), ενώ επιτρέπεται να είναι 50% σε έρευνα χώρου (volume search). Συνήθως, οι τιμές μέγιστης εμβελείας ενός ραντάρ δίνονται υπό την συνθήκη Pd ίσο με 90%, χωρίς όμως αυτό να είναι απαράβατος κανόνας.

Λαμβάνοντας υπόψη την περίπτωση που το RCS του στόχου κυμαίνεται με βάση το μοντέλο Swerling 1 (SW1) και με πιθανότητα Pfa 10-6, τότε η μείωση του Pd από 90% σε 50% επιτρέπει ανάλογη μείωση του SNR από 21 σε 12,8 dB, δηλαδή περίπου κατά 8 dB [5].

Με βάση την εξίσωση ραντάρ (π.χ. βλ. εξίσ. 3-18 στο [6]), η εμβέλεια είναι αντιστρόφως ανάλογη με την τέταρτη ρίζα του απαιτούμενου SNR. Έτσι, η μείωση του SNR κατά 8 dB επιτρέπει την αύξηση κατά 2 dB της απόστασης αποκάλυψης (το οποίο αντιστοιχεί σε πολλαπλασιασμό της εμβελείας επί 1,58). Εν ολίγοις, υπό τις προαναφερθείσες συνθήκες, εάν θεωρήσουμε ότι η μέγιστη εμβέλεια υπολογίζεται με Pd 50% αντί για 90%, τότε η εμβέλεια πολλαπλασιάζεται επί 1,58.

Το συμπέρασμα είναι ότι οι ονομαστικές μέγιστες εμβέλειες που δίνουν οι κατασκευαστές παρέχουν μία γενική εικόνα των δυνατοτήτων ενός ραντάρ, χωρίς όμως να αποκαλύπτουν με ακρίβεια τις δυνατότητές του, οι οποίες εξαρτώνται από διάφορες παραμέτρους που δεν είναι γνωστές. Πέραν της εμβέλειας, υπάρχουν και άλλα χαρακτηριστικά των διαφόρων ραντάρ, όπως το εάν είναι περιστρεφόμενα ή σταθερά.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ένα σταθερό ραντάρ με 4 επίπεδες κεραίες που λειτουργούν ταυτόχρονα προσφέρει σοβαρά πλεονεκτήματα σε σχέση με ένα περιστρεφόμενο. Επίσης, σημασία έχει η κάλυψη καθ’ ύψος, καθώς όλα τα ραντάρ καλύπτουν κατά 360° σε αζιμούθιο. Άλλα χαρακτηριστικά είναι η αντοχή σε περιβάλλον ηλεκτρονικού πολέμου (δυνατότητα ECCM – Electronic Counter Counter Measures), η ταχύτητα αντίδρασης, ο αριθμός στόχων που μπορεί να παρακολουθεί ταυτόχρονα κλπ. Μία ανάλυση των προσφερομένων ραντάρ θα επιχειρηθεί στο Μέρος Β’.

ΠΗΓΕΣ:
[1] Konstantinos C. Zikidis (2018), «Early Warning Against Stealth Aircraft, Missiles and Unmanned Aerial Vehicles», in: Karampelas P., Bourlai T. (eds) Surveillance in Action. Advanced Sciences and Technologies for Security Applications. Springer, Cham https://www.researchgate.net/publication/321082973_Early_Warning_Against_Stealth_Aircraft_Missiles_and_Unmanned_Aerial_Vehicles

[2] P. Touzopoulos and K.C. Zikidis (2021), «Physical Optics RCS predictions for an anti-ship cruise missile», accepted for publication in the Journal of Defense Modeling and Simulation. Αρχικά αποτελέσματα έχουν δημοσιευθεί εδώ: https://belisarius21.wordpress.com/2021/02/21/εκτίμηση-ραδιοδιατομής-rcs-του-πυραύλο/

[3] Ioannis Kassotakis (2014), «Modern Radar Techniques for Air Surveillance & Defense», Journal of Computations & Modelling,vol.4, no.1, pp. 189-205 http://www.scienpress.com/download.asp?ID=1042

[4] Alexander Charlish (2011), «Autonomous Agents for Multi-Function Radar Resource Management», Ph.D. thesis, University College London, Electronic and Electrical Engineering https://www.researchgate.net/publication/265350265_Autonomous_Agents_for_Multi-Function_Radar_Resource_Management

[5] Daniel Sjoberg (2018), «EITN90 Radar and Remote Sensing, Lecture 2: The Radar Range Equation», Department of Electrical and Information Technology, Lund University, Sweden https://www.eit.lth.se/fileadmin/eit/courses/eitn90/2018/lecture2.pdf, pg.53.

[6] Νικόλαος Μαλαχίας, Γεώργιος Σάγος, Αρχές Ραντάρ και Ηλεκτρονικού Πολέμου στην εποχή της πληροφορικής, Εκδόσεις Παπασωτηρίου, 2004.

ΠΗΓΗ