Долетев практически со скоростью света до объекта и отразившись от него, импульс возвращается на приемную антенну. И но экране радара появляется отметка.
Зная, куда была нацелена антенна, можно определить, с какой стороны света ждать неприятностей. А по величине промежутка времени, который понадобился импульсу, чтобы совершить путешествие туда-обратно, судят о расстоянии до цели.
А синхронно вращающаяся с основной антенной решетка радиодальномера, одновременно качающаяся в вертикальной плоскости, позволяла определить угол возвышения на цель, то есть высчитать высоту ее полета.
Однако шло время, на смену винтовым самолетам пришли реактивные, скорость полетов резко увеличилась, значит, обнаруживать их требовалось на все большем расстоянии. Добиться этого поначалу пытались, увеличивая размеры и чувствительность антенн. Но когда размах крыльев антенны стал приближаться к сотне метров, стало понятно, что крутить такую махину становится очень непросто.
Кроме того, если поначалу реактивные самолеты стремились подняться повыше, то с появлением зенитных ракет, достававших цели на высоте 20 км и более, атакующая сторона сменила тактику. Теперь к цели предполагалось подбираться на малой высоте и большой скорости. Или напротив, атаковать ее прямо из космоса, с помощью баллистических ракет, способных подняться на высоту более 300 км.
Стало быть, кроме систем ПВО, надо было создавать и системы ПРО — противоракетной обороны. А для них нужны были уже особые радары.
Вот тогда и вспомнили, что еще в 1946 году советский ученый и конструктор Николай Кабанов предложил идею раннего (загоризонтного) обнаружения самолетов в диапазоне коротких волн на удалении до 3000 км. Он обнаружил, что зондирующие лучи при длине радиоволны 10 — 100 м способны, отразившись от ионосферы, облучить цель и возвратиться по тому же пути к РЛС.
Строго засекреченная и известная лишь узкому кругу лиц работа Кабанова называлась «Веер», поскольку лучи от направленной в одну сторону антенны расходились веером. Был построен макетный образец загоризонтного радара, осуществлявший слежение с дальности 2500 км за пусками ракет с Байконура.
Однако спустя три годы работы в этом направлении были свернуты — оказалось, что с помощью отраженного от ионосферы луча можно было получить информацию о запуске ракеты из определенной точки, то есть из стационарной шахты, координаты которой известны заранее — например, по данным спутников-шпионов. Засечь же ракетный старт ракеты с мобильной пусковой установки, а тем более с подлодки можно было разве что случайно.
Впрочем, даже старт с Байконура, когда заранее было известно и место и время пуска, удавалось засечь не всегда. Тому виной была природа — ионосферное зеркало то и дело оказывалось ненадежным: достаточно было произойти на Солнце очередной вспышке, и условия отражения радиолучей от ионосферы менялись непредсказуемым образом. Тогда было решено сосредоточить усилия на создании надгоризонтного радара. Тем более что в 1959 году из-за океана просочились сведения: американец В. Тэйлор смог обнаружить коротковолновым радаром ракету на дальности 2500 км.
Антенна РЛС «Воронеж-М» имеет довольно странную форму.
Суть дела тут приблизительно такова. Если не удается засечь ракету в момент старта, то надо «ловить» ее в космосе, когда она наберет высоту. Для этого используют радиолучи такой частоты, которые могут проходить сквозь ионосферу и возвращаться обратно. Именно такие частоты впоследствии были использованы для связи с космонавтами и астронавтами, находящимися на орбите.
Тем не менее, и в нашей стране, и за рубежом были ученые и инженеры, которые полагали, что рано ставить крест также на загоризонтных радарах, нужно лишь использовать для их работы другие частоты — не короткие, а напротив, длинные и сверхдлинные радиоволны.
К тому времени было уж точно известно: если короткие и ультракороткие радиоволны, подобно лучу света, распространяются по прямой, то длинные и сверхдлинные радиоволны как бы «прилипают» к земной поверхности, огибая ее. И чтобы получить ответный радиоимпульс с большого расстояния, надо лишь создать сверхмощные передатчики и сверхбольшие приемопередающие антенны.
Своеобразным пиком работ в том направлении был проект создания в 1968 году РЛС «Дарьял». Первоначально эту станцию, рассчитанную на большую излучаемую мощность, имеющую огромную площадь антенного полотна, предполагалось оснастить ядерными автономными источниками питания. А построить ее собирались на Крайнем Севере СССР, в районе Земли Франца-Иосифа. Смотреть же она должна была через Северный полюс в направлении США.
Таким образом предполагали обнаруживать самолеты на дальности 3000 км и ракеты — за 6000 км. Но уж слишком колоссальным получалось такое сооружение.
Да и природные условия для обслуживающего персонала в Заполярье были отнюдь не самые благоприятные.
И здесь конструкторов выручили математики. Они предложили использовать для сверхдальних радаров антенны с фазированной решеткой.
Такие системы состоят из большого количества ненаправленных передающих (или приемных) антенн, сигнал на которые подается (или с них снимается) в определенной временной последовательности. В результате суммарный волновой фронт может быть ориентирован практически как угодно относительно плоскости антенной решетки. Естественно, «развернуть» такую антенну можно практически мгновенно.
«Фазированная решетка, — рассказал Дмитрий Зимин, 25 лет назад бывший заместителем главного конструктора системы, — это способ заставить вращаться луч при неподвижной антенне». Важным преимуществом радара с фазированной решеткой является также возможность генерировать одновременно несколько лучей. К примеру, РЛС «Дон-2Н» может одновременно следить за 30 целями.
По словам Д. Зимина, сама по себе идея фазированной решетки далеко не нова. Теоретически такие решетки были просчитаны в конце Второй мировой войны.
Однако на практике осуществить идею смогли лишь спустя несколько десятилетий. Уж слишком сложной оказалась математическая обработка сигнала. Достаточно сказать, что одна из первых советских суперЭВМ «Эльбрус», занимающая почти целый этаж комплекса, была спроектирована именно для такого радара. Внутри станции находится около тысячи шкафов только с электронной аппаратурой.
Оператор станции на своем рабочем месте.
Есть у антенных решеток и другие недостатки. Для того чтобы достичь максимальной дальности, приходится использовать большую мощность при передаче и большую чувствительность при приеме. Поэтому нынешние противоракетные локаторы все еще чудовищно мощны и огромны.
Так, на строительство подмосковного «Дона-2Н» ушло 32 000 т металла, 50 000 т бетона, 20 000 км кабеля, сотни километров трубопроводов и 10 тыс. чугунных задвижек к ним (для охлаждения аппаратуры требуется огромное количество воды). На каждой стороне гигантского бетонного сооружения длиной в 130 м (для сравнения — у пирамиды Хеопса сторона составляет 227 м), расположены фазированные антенные решетки.
В каждой такой решетке — 60 тысяч излучателей. Они работают уже 20 лет, непрерывно сканируя пространство вокруг Москвы на расстоянии 3700 км. По расчетам разработчиков, «Дон-2Н» может проработать еще как минимум лет двадцать.