Målsökare eller inte – det är frågan

Anders Wahlström är produktchef Luftvärn inom Saab Bofors Dynamics i Karlskoga. Han är ingenjör med bakgrund inom elektronik- och programvaruutveckling och har ungefär 20 års erfarenhet av missilsystemutveckling.

…men bara en av en hel lång rad frågor som måste ställas och besvaras när man utformar ett nytt luftvärnsrobotsystem. Mj Per Gerdle illustrerade i sin artikel i Artilleritidskrift (nr 3-4 2006) att det under senare år varit något av en trend att merutnyttja jaktrobotar i luftvärnsapplikationer. De fördelar som man för fram i sammanhanget är – förutom de rent logistikmässiga – att jaktrobotarna är försedda med målsökarstyrning, vilket man menar ger vissa fördelar över kommandostyrning, som är vanligt i Lv-robotsammanhang. Men valet av styrprincip är som den här artikeln visar bara en av många parametrar som bidrar till prestanda och som måste avvägas vid utvecklingen av ett luftvärnsrobot-system.

Hotet – den dimensionerande parametern

Innan vi diskuterar olika möjliga tekniska lösningar bör vi beröra den enskilda faktor som mer än någon annan påverkar utformningen hos ett luftvärnssystem, nämligen hotet. Det är hotet som ställer kraven på prestanda hos luftvärnssystemet och varje försök att utforma ett luftvärnsystem utan att ta avstamp i hotet riskerar att leda till suboptimeringar och olämpliga konstruktionsbeslut.

Ett modernt medelräckviddigt luftvärnsystem skall kunna bekämpa hela hot-spektrumet från långdistansbombare ner till små mål som UAV:er och stand-off-vapen.1 Det medelräckviddiga systemet måste alltså ha en höjdtäckning som medger bekämpning av bombflyg på marschhöjd (>11 – 12000 m), en räckvidd som medger att de bekämpas innan de släpper eventuella styrda vapen (15 – 20 km), och en förmåga att bekämpa små mål (ner till storleksordningen en halvmeter till några meter).

Verkanskedjan

Ett luftvärnsrobotsystem skall upptäcka och följa fientliga mål, planera och koordinera insatserna för att skydda de aktuella skyddsobjekten, och i samband med den enskilda insatsen leverera högsta möjliga verkanseffekt i målet. Effekten hos ett luftvärnsrobotsystem skapas därför av en kedja: spaningssensorer, stridsledning, eldledning och roboten med sin verkansdel. Utmaningen vid utvecklingen av systemet är

1 Vi har utelämnat resonemanget om ballistiska robotar ur denna artikel, eftersom dessa i praktiken kräver dedicerade system för att kunna bekämpas.

att finna den optimala lösningen genom hela kedjan för att maximera verkan.

Denna artikel avhandlar i första hand verkansnära delar (robot, robotstyrning och eldledning) varför ledning och spaningsfunktionerna endast berörs översiktligt under avsnittet ”Systemfunktion och -samverkan”.

Roboten

Roboten har som enda syfte att åstadkomma högsta möjliga verkan i det aktuella målet. Roboten uppfyller sitt syfte genom att 1) låta sig styras mot målet med 2) så hög hastighet som möjligt, för att 3) träffa eller komma så nära målet som möjligt, och därefter 4) aktivera verkansdelen vid optimal detonationspunkt och slutligen 5) åstadkomma största möjliga skada i målet.

Ur ovanstående kedja kan vi identifiera ett antal dimensionerande krav på roboten.

1) låta sig styras mot målet, ställer krav på/ påverkas av • räckvidd, • aerodynamisk utformning, • styrprincip. 2) med så hög hastighet som möjligt, ställer krav på/påverkas av • framdrivning, • aerodynamisk utformning, • storlek och vikt. 3) för att träffa så nära som möjligt, ställer krav på/påverkas av • eldledning, • manöverförmåga (hastighet), • aerodynamik,

Active PN Missile XXX

Semi-active PN Missile YYY

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Missile distance m x 104

Elevation =45 degrees

BAMSE

Active PN Missile XXX

Semi-active PN Missile YYY

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Missile distance m x 104

x 10 4 Elevation =45 degrees

BAMSE

Active PN Missile XXX

Semi-active PN Missile YYY

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Missile horizontal distance m x 10 4

• eldledning (sensorer), • styrprincip. 4) aktivera verkansdelen vid optimal detonationspunkt, ställer krav på/påverkas av • eldledning (brisadpunktsoptimering), • zonrörsfunktion. 5) åstadkomma största möjliga skada i målet, ställer krav på/påverkas av • verkansdelen, • minimerat bomavstånd.

Man inser snabbt att alla punkterna egentligen summeras i den sista strecksatsen under punkt 5, d.v.s. minimerat bomavstånd.

Erfarenheter från systemen RBS 70 och BAMSE har visat att robotens kinematiska prestanda (hastighet och manöverförmåga) är avgörande för att åstadkomma ett litet bomavstånd. De kinematiska egenskaperna påverkas bl a av robotens vikt, storleken på roderytor, hastighet mm.

För luftvärnsrobotar är det två faktorer som är särskilt värda att nämna. De startar från marken, skall övervinna gravitationen, samtidigt som de påverkas av ett kraftigare luftmotstånd pga. tätare luft, de måste accelereras hela vägen till sin sluthastighet

Appliceras de faktorerna på konverterade radarjaktrobotar som typiskt är ganska tunga (storleksordningen 125-250 kg), har stor diameter och som normalt är försedda med ett enda motorsteg (drivmotorn), medför det att hela drivmotorns impuls går åt för att accelerera roboten upp till initialhastigheten (ca 900 m/s).

När drivmotorn brunnit ut utsätts roboten direkt för aerodynamisk inbromsning och den effektiva räckvidden2 blir avsevärt (3-5 ggr) kortare än vad man får ut av den i jaktrollen. För jaktrobotar är situationen annorlunda: Roboten startar med en initial hastighet och höjd (flygplanets) och drivmotorn är därför fullt tillräcklig för att både accelerera och bibehålla hastighet och manöverförmåga även hos en förhållandevis tung robot.

Moderna dedicerade luftvärnsrobotar, som t ex RBS 23 BAMSE, förses istället med tvåstegslösningar, med en startmotor som på knappa sekunden accelererar roboten till dess utgångshastighet ~900 m/s, och en drivmotor som brinner under ett antal sekunder och bibehåller hastigheten långt ut i banan. Först därefter går roboten över i friflykt och bromsas av luftmotståndet. Tvåstegslösningen ger överlägsna räckvidds-, hastighets- och manöverprestanda jämfört med enstegslösningarna.

Styrprinciper

Frågan om målsökare eller inte: Övergripande finns två huvudkoncept som är aktuella för Rb-styrning i Lv-sammanhang: Målsökare (passiv, semiaktiv eller aktiv) med syftbäringsstyrning; respektive kommandostyrning, t ex

2 Med ”effektiv räckvidd” avses här en räckvidd som begränsas av att roboten fortfarande bibehåller tillräcklig hastighet och manöverförmåga för att bekämpa en specificerad måltyp. För taktiskt flyg som exempel, skall alltså manöverförmågan hos roboten väsentligen överstiga 9 g (för en målsökarrobot krävs pga a styrprincipen ca 3-4 ggr så hög manöverförmåga, se faktaruta).

siktlinjesstyrning. De två koncepten har var och en sina för- och nackdelar, bl a beroende på bekämpningsavstånd, systemstruktur, taktik mm.

Målsökarkonceptet kan göras mer eller mindre oberoende3 av markutrustningen och man kan härigenom åstadkomma sanna ”fire & forgetsystem”. Nackdelen är att roboten själv bär de

3 Idag har de flesta målsökarsystem en länk från marken till roboten.

Siktlinjesstyrning och syftbäringsstyrning

Siktlinjesstyrning (CLOS) Syftbäringsstyrning (PN)

Siktlinjesstyrning innebär att markutrustningen kontinuerligt mäter in målet och styr roboten på siktlinjen mot målet.

Metoderna för inmätning och styrning kan Target trajectory vara flera, optisk (manuell) inmätning och laserledstråle som i RBS 70, automatisk inmät ning radarlänk och styrning Intercept med kommandolänk över radarn Missile point som i RBS 23. trajectory

Andra inmätningsmetoder och kommunikationsmetoder förekommer också.

Som synes kommer en CLOS-robot som skjuts

Interceptmot ett mål på tvärskurs att ”kurva” en aning under point hela banan. CLOS System

Vid normala målavstånd utgör detta inget problem då manövern endast ligger i storleksordningen 1-2 g.

För manövrerande mål gäller att målets manöver ”växlas ner” pga avståndet mellan sikte och mål. En CLOSrobot aldx rig behöver därför aldrig ta ut mer manöver än målet. Syftbäringsstyrning innebär att en målsökare i roboten mäter in målet för att därefter styra mot en framförpunkt. Med syftbäringsstyrning avses att roboten styrs mot denna framförpunkt på ett sådant sätt att ”syftbäringen” dvs vinkeln från Rb till målet hålls konstant. Om så sker (och målet går på rakbana) kommer missilen och målet att mötas i framförpunkten. En PN-robot mot mål på tvärskurs kommer alltså att gå på rak bana. Om däremot målet börjar manövrera så kommer principen att styra mot en predikterad framförpunkt att innebära att syftbäringen ändras kraftigt, se bild. Syftbäringsvinkeln ”växlas upp” flera gånger vilket gör att roboten kommer att ta ut mycket (storleksordningen 3-4 ggr) större manövrer i sin bana än vad målet manövrerar. I och med det ställs höga krav på robothastighet och manövrerbarhet för att roboten inte skall tappa hela sin rörelseenergi.

CLOS guidance

15000 10000 y-axis m y-axis m 5000

x 10 4 15000 x x

10000 5000 Target trajectory

Missile trajectory

Homing (PN) missil

PN guidance

x

x

x

0 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 x-axis m 2000 3000 4000

0 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 x-axis m 2000 3000 4000

viktiga sensorerna (målsökaren). Detta driver upp kostnaden, LCC, och – framför allt – storlek och vikt, vilket i sin tur påverkar robotens kinematiska egenskaper negativt. En stor och tung robot är svårare att styra och kräver en större motor och verkansdel (verkansdelens storlek är proportionell mot kvadraten på bomavståndet), vilket i sin tur gör den ännu tyngre.

Fördelen med kommandostyrning är att funktionaliteten i roboten kan hållas nere. Detta minskar vikten och storleken vilket bidrar till goda manöveregenskaper. En enklare robotelektronik ger också en lägre kostnad per robot. Siktlinjesstyrning har också stora fördelar mot manövrerande mål, se faktaruta. Nackdelen är att det krävs länk mellan roboten och eldenheten och att det därför är svårt att uppnå full autonomitet.4 I dagens eldledningssystem kan

4 Kommandostyrning påverkas också i viss mån av avståndet till målet och noggrannhet hos mål- och robotinmätningssystemet, men med dagens sensorteknik utgör det ingen praktisk begränsning utan det är robotens kinematiska egenskaper som avgör räckvidden. dock styrningen automatiseras, vilket ger system som för operatörerna i allt väsentligt uppträder som ”fire & forget”.

Ett annat argument mot siktlinjesstyrning är att det krävs fri sikt mellan eldenhet och mål. Detta kan hanteras på flera olika sätt. I RBS 23 BAMSE hanteras problemet genom mastmonterade sensorer och genom att möjliggöra att robotskottet ”lobbas” över eller vid sidan av ev. närmasker.

Systemperspktiv

Artikeln har fram till nu varit koncentrerad runt roboten. Lika viktigt för luftvärnssystemets effektivitet är att titta på det ur ett övergripande systemperspektiv. I diskussionen om de relativa fördelarna med de två styrprinciperna återkommer några argument för målsökare och emot kommandostyrning.

Kommandostyrning anses ge sämre yttäckning på grund av kravet på fri sikt mellan markutrustning (”sikte”) och roboten. När det

Terrängbilden från grundpresentationen, lobbilden

gäller en parameter som yttäckning så är det svårt att se att det finns någon praktisk skillnad mellan målsökarstyrda robotar och kommandostyrda. Förvisso kan man skjuta målsökarrobotar med pålåsning i banan (Lock-On After Launch), och man skulle då i viss mån kunna övervinna mask, men oavsett det så måste ju eldledningen ha fri sikt till målet.

För RBS 23 insåg man tidigt utmaningen med terrängbegränsningen och beslutade att med giraffradarns mast som förebild förse eldenheterna med en förhöjd sensorplattform. Simuleringar som genomförts av bl a FOI, visar att detta ger mycket goda prestanda vad gäller yttäckning, även i kuperad terräng.

Kommandostyrning sägs ibland vara sämre rustad mot mättnadsattacker på grund av att man endast kan ha ett begränsat antal robotar i luften. Därmed skulle systemet snabbare kunna mättas av koordinerade attacker av t ex stand-off-vapen. Här är det viktigt att notera det finns fler än en metod att hantera svärmanfall. I målsökarfallet menar man att man löser det genom att man kan avfyra hela Robot-batteriet i tät följd s.k. ”ripple launch” mot ”svärmen” av attackrobotar. Varje Lv-robot styr sedan autonomt mot målet. I praktiken förutsätter en sådan här taktik i princip att man avfyrar med ”lock on before launch” (annars kan man inte välja vilket mål som man skall låsa på). Detta begränsas räckvidden och den möjliga tiden för insats.

I kommandostyrningsfallet så kan man – förutsatt att man har en snabb robot med lång effektiv räckvidd – hantera mättnadsanfall med en väl optimerad hotutvärdering och insatsplanering. Här nyttjar man robotens korta flygtid, vilket tillåter att man – i sekvens – bekämpar mål efter mål i prioritetsordning.

Simuleringar som utförts för RBS 23 visar att en eldenhet väl kan bekämpa fem samtidigt inkommande kryssningsmissiler. Det samverkande batteriet kan därmed hantera väsentligt fler.

Sammanfattningsvis har den här artikeln visat att valet mellan målsökare eller kommandostyrning kommer i andra hand vid konstruktion av ett luftvärnsrobotsystem. Den viktigaste egenskapen är istället robotens kinematiska prestanda, d.v.s. hastighet, manöverförmåga och effektiv räckvidd. Denna ”flygförmåga” hos roboten är grundförutsättningen för att uppnå högsta effekt i målet.

Ett system som RBS 23 har utvecklats med detta som ledstjärna och med tiden har upprepade utvärderingar visat att systemet har prestanda som ligger i yttersta framkant bland dagens medelräckviddiga luftvärnssystem.

Launch 15 km Intercept 10.8 km Launch 9.9 km Intercept 7.3 km Launch (km) Missile 1 15 Missile 2 9,9 Missile 3 6,4 Missile 4 3,9 Missile 5 2,0 Hit (km) 10,8 7,3 4,8 2,9 1,5

R = 15 km Launch 6.4 km Intercept 4.8 km

Launch 2 km Intercept 1.5 km Launch 3.9 km Intercept 2.9 km