ביות תת-אדום
מערכת ביות תת-אדום (באנגלית: infrared homing) היא מערכת הנחיה פסיבית לנשק, שנעזרת בפליטת האור בתחום התת-אדום (IR) של המטרה כדי לעקוב ולהתחקות אחריה. לטילים שמשתמשים בביות תת-אדום מתייחסים לעיתים קרובות כ-"טילי חום", כיוון שקרינה אינפרה-אדומה נפלטת בעוצמות משמעותיות רק מגופים חמים. עצמים רבים, כמו מנועי כלי רכב ומנועי מטוסים, מייצרים חום ופולטים אותו בצורת קרינה, וככאלה הם בעלי נראות גבוהה במיוחד בתחום אורכי הגל האינפרה-אדומים של האור (בהשוואה לעצמים שברקע).
ראשי ביות תת-אדום הם אמצעי גילוי פאסיביים, אשר, בשונה ממכ"ם, לא מספקים שום אינדיקציה לכך שהם עוקבים אחרי מטרה. זה הופך אותם למתאימים במיוחד למטרות "התגנבות" לאזור המטרה במהלך עימותים חזותיים, או בעבור שיגור לטווחים ארוכים יותר כאשר מציידים את הטיל עם מערכת ייעודית (forward looking infrared) המספקת רמזים לגבי מיקום מקור הקרינה. תכונה זאת הופכת טילים מבוססי ביות תת-אדום לקטלניים במיוחד; כ-90% מההפלות של מטוסי צבא ארצות הברית ב-25 השנה האחרונות אירעו עקב פגיעת טילי תת-אדום. עם זאת, תכונת הפאסיביות של טילים אלו הופכת אותם גם לנוחים להטעיה באמצעות אמצעי-נגד; נורי הטעיה המושלכים ממטוס המטרה יכולים להציג בקלות מטרות כוזבות בפני ראש הביות. טכניקה זאת עובדת רק אם הטייס מודע לטיל המתקרב ונעזר באמצעי הנגד, וכיוון שבראשי ביות מודרניים הוכנסו שכלולים המאפשרים להם להבחין בין מטרות-דמה למטרות אמיתיות, טכניקה זאת כבר אינה אפקטיבית כבעבר.
ניסויים בגלאי תת-אדום ראשונים נערכו לפני ובמהלך מלחמת העולם השנייה. במהלך המלחמה, מהנדסים גרמנים עבדו על פיתוחים של טילי חום ומרעומי קרבה, אך לא הספיקו להשלימם לפני סיום המלחמה. סכמות מעשיות באמת לא הופיעו עד ההצגה של טכניקת הסריקה הקונית וההמצאה של שפופרות הריק במהלך המלחמה. פיתוח מערכות גילוי תת-אדום נגד מטוסים החל בדחיפות בסוף שנות ה-1940, אך הן האלקטרוניקה והן תחום הטילאות כולו היו כה חדשים כך שנדרשה עבודת פיתוח מקיפה ומעמיקה ביותר לפני שהדוגמאות המבצעיות הראשונות נכנסו לשירות באמצע שנות ה-1950. לדוגמאות מוקדמות אלו היו מגבלות משמעותיות והשיגו אחוזי הצלחה נמוכים מאוד בעימותים צבאיים שנערכו בשנות ה-60. בפיתוח הדור החדש של הטילים, בשנות ה-70 וה-80, נעשו התקדמויות טכנולוגיות משמעותיות ששיפרו רבות את הקטלניות שלהם. בדוגמאות המאוחרות ביותר, משנות ה-90 ואילך, הוכנסו בטילים יכולות להתקיף מטרות שנמצאות מחוץ לשדה הראייה שלהם, מאחוריהם, ואף להתביית על מטרות קרקעיות.
המארז שמכיל את חיישן התת-אדום והמכשור האופטי הנלווה אליו נקרא ראש הביות של טיל החום. קוד הקיצור של נאט"ו לשיגור של טיל אוויר אוויר בעל ביות תת-אדום הוא Fox Two.
היסטוריה
מחקר מוקדם
היכולת של חומרים מסוימים לפלוט אלקטרונים כאשר פוגע בהם אור תת-אדום נתגלתה לראשונה על ידי איש האשכולות ההודי המפורסם ג'אגדיש צ'נדרה בוס ב-1901, אשר צפה באפקט הזה בחומר גלנה, הידוע כיום כליד סולפיד (lead sulfide), או PbS. לגילוי זה היו יישומים מעטים באותו זמן, כך שבוס איפשר לפטנט שרשם עליו ב-1904 לפוג.
ההצגה של המכפילור (photomultiplier) ב-1930, הפועל כמגבר של הפליטה האלקטרונית שגורם האור, סיפקה את הפתרון המעשי הראשון לחישה וגילוי של קרינה תת-אדומה, זאת כאשר משלבים אותו עם שכבה של גלנה כפוטוקתודה. באמצעות הגברת הסיגנל החשמלי שפולטת הפוטוקתודה (פי מיליונים), המכפילור איפשר לייצר פלט שימושי שניתן לרתום אותו לגילוי של עצמים חמים במרחקים גדולים. פריצת דרך טכנולוגית זאת התניעה מחקר ופיתוח במספר מדינות, במיוחד בבריטניה וגרמניה, שם ראו אותה כפתרון פוטנציאלי לבעיה של גילוי מפציצי לילה.
בממלכה המאוחדת, המחקר התמהמה, כאשר אפילו חברי קבוצת המחקר הראשית במעבדות קוונדיש הביעו את רצונם לעבוד על פרויקטים אחרים, במיוחד אחרי שהתבהר שטכנולוגיית המכ"ם היא פתרון טוב יותר. אף על פי כן, פרדריק לינדמן, חביבו של וינסטון צ'רצ'יל בוועידת טיזארד, נשאר מחויב לטכנולוגיית הגילוי של אור תת-אדום והפך למתנגד של שאר חברי הוועידה שדחפו לפיתוח טכנולוגיית המכ"ם. בסופו של יום, חברי הוועדה השאירו את לינדמן מחוץ ללוח התורנויות, כאשר מי שהחליפו במשרה היה מומחה הרדיו הנודע אדוארד אפלטון.
בגרמניה, פיתוח טכנולוגיית המכ"ם לא זכה לתמיכה רחבה כמו בממלכה המאוחדת, והתחרה בפיתוחים של גלאי תת-אדום בשנות ה-30. את המחקר על גילוי וחישת תת-אדום הוביל בראש ובראשונה אדגר קוטצ'ר באוניברסיטת ברלין, שעבד בשיתוף פעולה עם חברת AEG. ב-1940 הם פיתחו בהצלחה פתרון אחד, ה-Spanner Anlage, שהורכב מגלאי מבוסס מכפילור שממוקם מקדימה לתא הטייס, מסנן אופטי שנועד להגביל את האור הנקלט בגלאי לתחום התת-אדום, וזרקור כדי לצפות במטרה בלילה בטווחים קצרים. כיוון שציוד זה סיפק גם תאורה כדי להבחין במטרה בחשכה, טכנולוגיה זו לא יכולה להיחשב כאמצעי ראיית לילה פסיבי מודרני. ה-Spanner Anlage הותאם למספר קטן של מטוסי מסרשמיט Bf 110 ודורניר Do 17, אולם הציוד הוכח כחסר שימוש לחלוטין שכן הטייסים התלוננו על כך שהגלאי הבחין במטרה רק במרחק של 200 מטר, בשלב שבו הם ממילא כבר הבחינו בו. רק 15 יחידות של מערכת זו נבנו, ובסופו של דבר היא יצאה לגמרי משימוש עם השיפור במערכות המכ"ם המוטסות בשנת 1942.
ב-AEG עבדו גם על התאמת מערכות דומות לשימוש בטנקים, והכניסו לשימוש מספר דגמים במהלך המלחמה, עם ייצור מוגבל של ה-FG 1250 החל מ-1943. עבודה זאת הגיעה לשיאה בהצגת כוונת הנשק ה-Zielgerät 1229 (שכונתה גם ה"ערפד") ב-1945, שנועדה לשימוש לילי ביחד עם רובה הסער StG 44.
ראשי ביות גרמניים
האמצעים הטכנולוגיים שהוזכרו לעיל הם כולם גלאים (detector), לא ראשי ביות (seeker). הם הפיקו אות שמציין את הכיוון הכללי למטרה, או, במקרה של מכשירים מאוחרים יותר, הפיקו דמות של המטרה. ההנחיה הייתה לגמרי ידנית באמצעות מפעיל שצופה בדמות. במהלך מלחמת העולם השנייה, נעשו בגרמניה מספר ניסיונות להפיק מערכת ביות אוטומטית לחלוטין, הן לשימוש נגד מטוסים והן לשימוש נגד ספינות. אמצעים אלו היו עדיין בשלבי פיתוח כאשר המלחמה הסתיימה; אף על פי שכמה היו מוכנים לשימוש, לא נעשתה כל עבודה על התאמתם לטיל ונשארה עבודת פיתוח רבה לפני שיהיה ניתן לעשות בהם שימוש כמערכת נשק מבצעית. אף על פי כן, דוח מקיץ 1944 שנמסר למשרד התעופה הגרמני קבע שאמצעים אלו היו בשלב פיתוח מתקדם בהרבה מאשר מערכות מתחרות המבוססות על שיטות מכ"מיות או אקוסטיות.
לאחר שזיהו את יתרונותיה של מערכת ביות תת-אדום, קבוצת המחקר החלה במספר מחקרים תאורטיים על ההיתכנות של מערכת כזאת, והתחילה לבחון את הפליטה של קרינה ממטרות. מחקר זה הוביל לתוצאה הפרקטית שעיקר הקרינה התת-אדומה הנפלטת ממנוע הבוכנה של מטוסים נע בטווח אורכי הגל שבין 3 ל-4.5 מיקרומטרים. הסילון הנפלט מצינורות הפליטה פלט גם קרינה חזקה, אך הוא התקרר במהירות באוויר כך שהוא לא הציג מטרה שגויה למערכת. מחקרים נעשו גם על בליעה אטמוספירית, אשר הדגימו שהאוויר באופן כללי יותר שקוף לקרינה תת-אדומה מאשר לאור נראה, אף על פי שהנוכחות של אדי מים ופחמן דו-חמצני גרמו למספר ירידות חדות בשקיפות בתדרים מסוימים (האזורים הספקטרליים בהם השפעת הגזים הללו הייתה אפסית כונו "חלונות אטמוספיריים"). לבסוף הם עסקו בבעיה של מקורות רקע של קרינה תת-אדומה, למשל ההחזרות מעננים (עננים, שמורכבים מאדי מים, הם מחזירים מצוינים של קרינה תת-אדומה) ואפקטים דומים, והסיקו שהבעיה ראויה לבחינה רצינית בגלל האופן החזק שבו מקורות הרקע השתנו לרוחב השמיים. המחקר הוביל למסקנה שראש ביות תת-אדום יוכל להתביית על מפציץ תלת-מנועי ממרחק 5 קילומטרים (3.1 מייל) ובדיוק של 1⁄10 מעלה, מה שהפך את ראש הביות הזה למערכת רצויה מאוד.
הצוות של קוטצ'ר פיתח בשיתוף פעולה עם חברת Eletroacustic מקייל מערכת שזכתה לשם Hamburg, ועברה הכנות להתקנה בפצצה הדואה Blohm & Voss BV 143 על מנת להפיק טיל שגר ושכח אוטומטי נגד ספינות. גרסה יותר מתקדמת אפשרה לראש הביות להיות מכוון על ידי מפעילו לכיוון שונה מציר הטיל בלבד על מנת "להינעל" על מטרה שנמצאת בצדדים, מבלי לטוס אליה ישירות. עם זאת, תהליך שיגור זה היה כרוך בהתמודדות עם הבעיה שבעת ששוחררה הפצצה היא נעה לאט מדי מכדי שמשטחי הניהוג האווירודינמיים יוכלו לשלוט בה, כך שהמטרה לפעמים חמקה משדה הראייה של ראש הביות. החברה פיתחה גם מרעום קרבה, מבוסס קרינת IR, שפעל באמצעות הצבת גלאים נוספים המצביעים רדיאלית החוצה מציר הטיל, אשר אתחל את תהליך התפוצצות ראש הקרב כאשר עוצמת האות שמתפתח בגלאים החלה לרדת, מה שקורה כאשר הטיל חולף על פני המטרה (מגיע למרחק מינימלי ממנה). הייתה עבודה על פיתוח חיישן יחיד לשתי המשימות במקום שימוש בשתיים נפרדים.
חברות אחרות המשיכו את העבודה של Eletroacustic ופיתחו שיטות סריקה משלהן. AEG ו-Kepka מווינה עשו שימוש במערכות עם שתי פלטות שסרקו כל העת את שדה הראייה באופן אנכי או אופקי, וקבעו את מיקום המטרה לפי העיתוי בה דמות המטרה נעלמה (בגרסה של AEG) או הופיעה מחדש (בגרסה של Kepka). למערכת "Madrid" של Kepka היה שדה ראייה רגעי של בערך 1.8 מעלות ויכולת סריקה בתבנית של 20 מעלות. יחד עם התנועה של ראש הביות כולו בתוך הטיל, המערכת יכלה לסרוק בזוויות של עד 100 מעלות. החברות Rheinmetall-Borsig ו-AEG פיתחו גרסאות שונות למערכת הדיסק המסתובב[1].
תכנונים שלאחר מלחמת העולם השנייה
בעידן שאחרי מלחמת העולם השנייה, כאשר הפיתוחים הגרמניים הפכו לידועים יותר, החלו מגוון של פרויקטי מחקר במטרה לפתח ראשי ביות המבוססים על חיישן PbS. אלו שולבו עם טכניקות שפותחו במהלך המלחמה כדי לשפר את הדיוק של מערכות מכ"ם בעלות אי דיוק אינהרנטי, כמו מערכות סריקה קונית. מערכת אחת כזאת, שפותחה על ידי חיל האוויר האמריקני, נודעה בשם "עוקבת השמש" (Sun Tracker), ונעזרה במיקום של השמש בשמיים כנקודת התייחסות ממנה ניתן להסיק את מיקום הטיל על כדור הארץ (זוהי גרסה מוקדמת למעקב מיקום כוכבים). מערכת זאת פותחה כמערכת הנחיה אפשרית של טיל בליסטי בין יבשתי. בחינת המערכת הזאת הובילה לתקרית התרסקות מטוס הבואינג 29 מעל אגם מיד ב-1948.
פרויקט ה-MX-798 של חיל האוויר האמריקני הועבר לפיתוח של יוז איירקראפט ב-1946, כשמטרתו הייתה פיתוח טיל עוקב תת-אדום. התכנון עשה שימוש בראש ביות המבוסס על reticle ובמערכת בקרה ששלטה על גלגול הטיל במהלך מעופו. בשנה הקרובה, פרויקט זה קיבל את שם הקוד MX-904, ודרש לפתח גרסה על-קולית של הטיל. בשלב זה הקונספט של הפרויקט עודנו היה של נשק הגנתי הנורה לאחור דרך צינורית ארוכה בקצה האחורי של מטוס מפציץ. באפריל 1949 פרויקט הטילים "ציפור האש" בוטל ו-MX-904 הופנה לפיתוח נשק הנורה חזיתית. מבחני האש הראשונים החלו ב-1949, וניתן לו הסיווג AAM-A-2 (קיצור של: Air-to-air Missile, Air force, model 2) והשם פאלקון. גרסאות מבוססות ביות IR וביות מכ"ם חצי פעיל (SARH) נכנסו לשירות ב-1956, וקיבלו את השם AIM-4 Falcon אחרי 1962. הפאלקון הייתה מערכת מורכבת בעלת ביצועים מוגבלים, במיוחד עקב המחסור שלה במרעום קרבה, והשיגה אחוז פגיעה של 9% בלבד ב-54 שיגורים במבצע רעם מתגלגל במהלך מלחמת וייטנאם.
באותה השנה כמו פרויקט ה-MX-798, שנת 1946, ויליאם ב. מקלין החל במחקרים של קונספט דומה ב-Naval Air Weapons Station China Lake. במשך שלוש שנים הוא פשוט בחן תכנונים שונים, מה שהוביל לתכנון הרבה פחות מסובך משל הפאלקון. כאשר הצוות שלו הצליח לפתח תכנון שהם האמינו שיוכל לעבוד, הם החלו לנסות להתאים אותו לרקטות החדשות מסוג Zuni 5-inch rocket. הם הציגו אותו ב-1951 והפרויקט הפך לרשמי בשנה הבאה. וולטר שירה ציין שבביקורו במעבדות הפיתוח הוא צפה בעין של ראש הביות עוקבת אחרי הסיגריה הבוערת שלו. לטיל ניתן הכינוי סיידווינדר על שם נחש מקומי, כשהשם היה מדויק ומתאים ביותר שכן ה"סיידווינדר" (בעברית עכסן עכני) הוא צפעוני גומה שצד על פי חתימת החום של הטרף שלו, ובנוסף נע בתבנית שאינה מאוד שונה מהטיל. הסיידווינדר נכנס לשירות ב-1957, ונעשה בו שימוש נרחב במהלך מלחמת וייטנאם. הוא הוכיח את עצמו כנשק טוב יותר מאשר הפאלקון, לפחות באופן יחסי. דגמי ה-B של הטיל השיגו יחס הריגה של 14%, בעוד דגמי ה-D בעלי הטווח הארוך בהרבה השיגו 19%. הביצועים והעלות הנמוכה יותר של הטיל הובילו את חיל האוויר לאמץ אותו גם כן.
ראש הביות הראשון שנבנה מחוץ לארצות הברית היה ה-de Havilland Firestreak של הממלכה המאוחדת. פיתוחו החל תחת שם הקוד OR.1056 Red Hawk, אבל הוא נחשב למתקדם מדי, וב-1951 קונספט מתוקן קיבל את שם הקוד Blue Jay. כשהוא תוכנן כנשק נגד מפציצים, Blue Jay היה גדול יותר, כבד הרבה, וטס מהר יותר מאשר דומיו האמריקניים, אך היה בעל אותו טווח. הוא היה בעל ראש ביות מתקדם בהרבה, השתמש ב-PbTe וקורר לטמפרטורה של מינוס 180 מעלות צלזיוס בעזרת אמוניה כדי לשפר את ביצועיו. מאפיין אחד שמבדיל אותו מטילים אחרים היה מבנה האף שלו, שעוצב בצורה של פאון, צורה שנבחרה לאחר שנמצא שקרח נוטה להיווצר על כיפות חצי-כדוריות קונבנציונליות יותר. מבחן האש הראשון שלו נעשה ב-1955 והוא נכנס לשימוש על ידי חיל האוויר המלכותי באוגוסט 1958.
הפרויקט הצרפתי R.510 החל מאוחר ל-Firestreak ונכנס לשירות ניסיוני ב-1957, אך הוחלף מהר מאוד בגרסה מבוססת ביות מכ"ם פעיל, ה-R.511. שניהם לא היו מאוד אפקטיביים והיה להם טווח קצר מסדר גודל של 3 קילומטר בלבד, כך שהם הוחלפו בתכנון הצרפתי היעיל הראשון, ה-R.530, ב-1962.
הסובייטים הציגו את הטיל בעל ראש ביות תת-אדום הראשון שלהם, הוימפל K-13, ב-1961, אחרי הנדסה הפוכה של טיל סיידווינדר שנתקע בכנפיים של מטוס מיג-17 סיני ב-1958 במהלך משבר מיצרי טיוואן השני. ה-K-13 היה בעל ייצוא נרחב, והתמודד מול דודנו במהלך מלחמת וייטנאם. הוא הוכיח את עצמו כאמין פחות אפילו מה-AIM-9B עליו הוא התבסס, כשמערכת ההנחיה והמרעום שלו סבלו מכישלון מתמשך.
תכנונים מאוחרים יותר
לאחר שהמערכה בווייטנאם חשפה את הביצועים הרעים של טילים קיימים, החלו מספר ניסיונות להתמודד עם מגבלותיהם ולהכניס בהם שיפורים. בארצות הברית, שיפורים מינוריים לסיידווינדר הוכנסו בו מוקדם ככל האפשר, אבל האסטרטגיה הצבאית הכללית הייתה ללמד את הטייסים טכניקות שונות למצות את יכולות הטיל; טייסים הודרכו לנהל טוב יותר את תרחישי הקרב ולא לירות את הטיל מיד כאשר הם שומעים את צליל הנעילה, אלא לנוע למיקום כזה שהטיל יוכל להמשיך לעקוב אחרי המטרה גם אחרי השיגור. בעיה זאת הובילה לניסיונות לפתח טילים חדשים שיפגעו במטרות שלהם גם כאשר הם משוגרים תחת תנאים לא אידיאלים. בממלכה המאוחדת זה הוביל לפרויקט ה-SRAAM, שבסופו של יום הפך קורבן לדרישות הולכות ומשתנות עם הזמן. תוכניות אמריקניות דומות, ה-AIM-82 וה-AIM-95 Agile, היו גם הן בעל גורל דומה.
ראשי ביות חדשים החלו להופיע בשנות ה-70 והובילו לסדרה של טילים מתקדמים יותר. שדרוג משמעותי לסיידווינדר החל, והוכנס בו ראש ביות שהיה רגיש מספיק כדי לעקוב מכל זווית, מה שהעניק לטיל יכולת נעילה בספירה מלאה (all aspect) בפעם הראשונה. יכולת זאת שולבה עם תבנית סריקה חדשה שעזרה לדחות מקורות רקע (כמו אור השמש המוחזר מעננים) ולשפר את ההנחיה אל המטרה. מספר קטן של דגמי ה-L שפותחו נשלחו לממלכה המאוחדת קצת לפני המעורבות שלה במלחמת פוקלנד, שם הם השיגו יחס הריגה של 82%, כאשר ההחטאות היו באופן כללי אודות לכך שהמטרה טסה החוצה מהטווח של הטיל. המטוס הארגנטיני, שהיה מצויד בדגמי ה-B של הסיידווינדר וב-R.550 Magic, יכול היה לירות רק על הגזרה האחורית של המטרה, כך שהטייסים הבריטים פשוט נמנעו ממצב זה בכך שטסו ישירות אליהם. דגם ה-L היה כה אפקטיבי שהמטוסים הארגנטינים הובהלו להצטייד בנורי הטעיה, מה שהוביל לשדרוג אחר שהופיע בדגם M המאפשר לו לדחות באופן טוב יותר מטרות שגויות. דגמי ה-L וה-M הפכו לעמוד השדרה של כוחות אוויריים מערביים עם סיום עידן המלחמה הקרה.
צעד גדול אף יותר נעשה על ידי הסובייטים עם טיל הוימפל R-73, שהחליף את ה-K-13 ואחרים עם תכנון ששודרג באופן דרמטי. טיל זה הציג את היכולת להיות נורה על מטרות שנמצאות לגמרי מחוץ לשדה הראייה של ראש הביות; אחרי השיגור הטיל "יתכוונן" לכיוון שמציין המשגר שלו ולאחר מכן ינסה להינעל על המטרה. כשהוא משולב עם תצוגת קסדה עילית, ניתן היה לספק רמזים לטיל ולכוון אותו למטרה מבלי שהמטוס המשגר יצביע בתחילה לכיוון המקורב למטרה. יכולת זו הציגה יתרונות משמעותיים בשדה הקרב, והובילה לדאגה רבה בקרב כוחות מערביים.
הפתרון לבעיה שהציג ה-R-73 היה בתחילה ה-ASRAAM, פרויקט אירופי משותף שמטרתו לשלב בין היכולות של ה-R-73 לחיישן דימות. כיוון שהמדינות החברות בפרויקט הגיעו להסכמה רחבה, ארצות הברית הסכימה לאמץ את ה-ASRAAM כטיל לטווח קצר שלה, בעוד האירופים יאמצו את ה-AMRAAM כטיל לטווח בינוני שלהם. אף על פי כן, ה-ASRAAM סבל מעיכובים ודחיות בלתי אפשריים שכן כל אחת מהמדינות החברות החליטה על אמת מידה אחרת כחשובה יותר לטיב הביצועים של הטיל. ארצות הברית לבסוף פרשה מהפרויקט, ובמקומו אימצה את ראשי הביות החדשים שפותחו עבור ה-ASRAAM לצורך שילובם בגרסה אחרת של הסיידווינדר, ה-AIM-9X. שדרוג זה הרחיב כה הרבה את משך השירות של הסיידוויינדר שמעריכים כי הוא יישאר בשירות במשך מאה שנה, כאשר רבים ממטוסי הקרב העכשוויים יצאו משימוש. פרויקט ה-ASRAAM אכן, בסופו של דבר, פיתח טיל שאומץ על ידי מספר כוחות אירופיים, ורבות מהטכנולוגיות הללו הופיעו, חלקן תוך שיפורים משמעותיים, בטיל הסיני PL-10 והישראלי פיתון 5.
טילי כתף
בהתבסס על אותם העקרונות הכלליים כמו של הסיידווינדר המקורי, ב-1955 חברת קונבאייר החלה במחקרים על ההיתכנות של טילים קטנים שישוגרו על ידי בני אדם (MANPADS), ופרויקט זה הגיע לבשלות בדמות טילי ה-FIM-43 רד-איי. כשהוא עבר מבחן אש ב-1961, התכנון הראשוני הוכיח את עצמו כבעל ביצועים רעים, ומספר שדרוגים משמעותיים הופיעו אחריו. רק ב-1968 גרסה מבצעית של הטיל, ה-Block III version, נכנסה לקו הייצור.
הסובייטים החלו בפיתוח של שתי מערכות נשק כמעט זהות ב-1964, הסטרלה-1 והסטרלה-2. נדמה שהפיתוח הסובייטי עבר בהצלחה רבה יותר ממקבילו האמריקאי, שכן ה-9K32 סטרלה-2 נכנס לשירות אחרי מספר קטן יותר של שנות פיתוח מאשר הרד-איי. כשהוא במקור נחשב לתכנון מתחרה, ה-9K31 סטרלה-1 הוגדל מאוד לצורך שיגורו מכלי רכב ונכנס לשירות בערך באותו זמן. בממלכה המאוחדת החלו בפיתוח של טיל ה-Blowpipe ב-1975, אבל בפיתוח הטיל בחרו למקם את ראש הביות על המשגר במקום על הטיל עצמו, מתוך מחשבה להשתמש בראש ביות יחיד במשגר במקום לייצר אחד בעבור כל טיל, וכך לחסוך עלויות רבות. בדרך זו ראש הביות זיהה הן את מיקום המטרה והן את מיקום הטיל, ושלח תיקונים לטיל דרך קשר רדיו. כלי נשק מוקדמים אלו הוכיחו את עצמם כחסרי תועלת באופן יחסי, כאשר ה-Blowpipe נכשל בכמעט כל שימוש קרבי, בעוד הרד-איי היה בעל ביצועים טובים במקצת. הסטרלה-2 היה בעל ביצועים טובים יותר ונטען כי הוא השיג מספר פגיעות במטרה במזרח התיכון ובווייטנאם.
תוכנית שדרוג משמעותית לרד-איי החלה ב-1967, כרד-איי 2. מבחני האש לא החלו עד 1975, והמשלוחים הראשונים של הטיל בעל השם החדש FIM-92 סטינגר החלו להגיע ב-1978. ראש ביות rosette משופר נוסף לדגם B ב-1983, ומספר שדרוגים נוספים הופיעו. במהלך מלחמת אפגניסטן - ברית המועצות, טילים אלו השיגו אחוז הצלחה של 79% כנגד מסוקים סובייטים, אף על פי שנתון זה אינו בטוח. הסובייטים שיפרו באופן דומה את הגרסאות שלהם, והציגו את ה-9K34 סטרלה-3 ב-1974, את הטיל 9K38 איגלה ב-1983, ואת הגרסה החדשה שלו איגלה-S ב-2004.
סוגי ראש ביות
שלושת החומרים העיקריים בהם נעשה שימוש בחיישן התת-אדום הם ליד סולפיד (PbS), אינדיום אנטימוניד (InSb), וכספית-קדמיום-טלוריד (נקרא בקיצור HgCdTe). בחיישנים ישנים יותר נטו להשתמש ב-PbS, בעוד בחיישנים חדישים יותר נוטים להשתמש ב-InSb ו-HgCdTe. כל סוגי החיישנים הם בעלי ביצועים טובים יותר כאשר הם מקוררים, שכן כך הם יותר רגישים ומסוגלים לאתר גופים קרים יותר.
ראשי ביות תת-אדום מוקדמים היו טובים יותר באיתור קרינה תת-אדומה עם אורכי גל קצרים יותר (הנפלטת מגופים חמים יותר, בהתאם לחוק וין), כמו הפליטות באורך גל של 4.2 מיקרומטרים של שטף הפחמן הדו-חמצני הנפלט ממנוע סילון. זה הפך אותם לשימושיים בעיקר בתרחישי רדיפת-זנב, בהם הסילון הנפלט הוא בעל נראות גבוהה וההתקרבות של הטיל אליו הובילה אותו אל המטוס. בקרבות אמיתיים תכונה זו הוכיחה את עצמה כלא אפקטיבית לחלוטין, שכן טייסים נטו לירות את הטיל מיד כאשר ראש הביות ראה את המטרה, ולשגר את הטיל בזוויות בהן מנועי המטרה מהר מאוד נעלמו מיכולת ההבחנה של ראש הביות. ראשי ביות כאלו, שרגישים במיוחד לטווח אורכי הגל בין 3 ל-5 מיקרומטרים, נקראים כעת ראשי ביות בצבע יחיד. בעיה זו הובילה לפיתוח ראשי ביות חדשים שרגישים הן לסילון הנפלט והן לתחום אורכי הגל הארוכים יותר שבין 8 ל-13 מיקרומטרים, שנבלעים פחות על ידי האטמוספירה, כך שמתאפשר להבחין במקורות כהים יותר כמו גוף המטוס. תכנונים כאלו נקראים כעת טילים בעלי יכולת נעילה בספירה מלאה. ראשי ביות חדישים אף יותר משלבים מספר גלאים ונקראים מערכות שני צבעים.
ראשי ביות בעלי יכולת נעילה בספירה מלאה מצריכים קירור כדי לאפשר להם את רמת הרגישות הגבוהה הדרושה כדי להינעל על סיגנלים בעוצמות פחותות יותר המגיעים מחזית ומצידי המטוס. חום רקע שנפלט מחלקו הפנימי של ראש הביות, או מחלון החיישן המחומם אווירודינמית, יכולים בקלות להתגבר על הסיגנל החלש המגיע לחיישן מהמטרה (חיישני CCD במצלמות סובלים מבעיות דומות; הם קולטים הרבה יותר רעש בטמפרטורות גבוהות יותר). טילי נעילה בספירה מלאה מודרניים כמו ה-AIM-9M Sidewinder והסטינגר משתמשים בגז דחוס כמו ארגון כדי לקרר את החיישנים שלהם ולאפשר להם להינעל על מטרה בטווחים ארוכים יותר ובזוויות שונות.
תבניות סריקה ומודולציה
הגלאי בראשי ביות מוקדמים היה לא כיווני, ונקלט בו אור משדה ראייה (FOV) רחב מאוד, לעיתים 100 מעלות או יותר. מטרה שממוקמת בכל מקום שהוא בתוך שדה הראייה תפיק את אותו הסיגנל. כיוון שהמטרה של ראש הביות הוא להביא את המטרה למרחק קטן מרדיוס ההרג של ראש הקרב של הטיל, הגלאי חייב להיות מצויד במערכת אופטית כלשהי שמגבילה את שדה הראייה לזווית צרה יותר. זה בדרך כלל מושג באמצעות הצבת הגלאי בנקודת המוקד של טלסקופ מסוג כלשהו.
זה מוביל למצב של מלכוד 22. כששדה הראייה מצומצם, ראש הביות נעשה מדויק יותר, וזה גם עוזר להעלים מקורות רקע, מה שעוזר לשפר את העקיבה וההנחיה. מצד שני, הגבלה יתר על המידה של שדה הראייה מאפשרת למטרה לחמוק החוצה בקלות משדה הראייה וללכת "לאיבוד" (כך שראש הביות אינו מסוגל למצוא אותה יותר). כדי להצליח להנחות את הטיל באופן יעיל לטווח מתאים מהמטרה, עקיבה בזוויות של מעלה אחת היא אידיאלית, אולם כדי לעקוב אחרי המטרה באופן רציף ובבטחה, שדות ראייה מסדר גודל של 10 מעלות או יותר הם רצויים.
מצב זה מוביל למספר תכנונים שנעזרים בשדה ראייה רחב באופן יחסי כדי לאפשר עקיבה קלה, ואז מעבדים את הסיגנל בדרך כלשהי כדי להשיג דיוק נוסף הדרוש להנחיה. בדרך כלל ראש הביות כולו מוצב על מערכת גימבל שמאפשרת לו לעקוב אחר המטרה בזוויות רחבות, כאשר הזווית בין ראש הביות למטוס המשגר את הטיל משמשת כדי להפיק תיקוני הנחיה (בשלב ההנחיה הראשונית). תכנונים אלו מגדירים מחדש את מושג שדה הראייה של טיל, ומובילים למונחים של שדה ראייה רגעי (IFOV - instantaneous field of view) שהוא הזווית שהגלאי רואה, ושדה הראייה הכולל, הידוע גם כ'זווית העקיבה' (tracking angle) או 'יכולת ראות מחוץ לקו הראייה' (off-boresight capability), אשר כולל גם את התנועה של ראש הביות כולו בתוך הטיל. כיוון שראש הביות אינו יכול לנוע באופן מיידי, מטרה שנעה במהירות רבה בניצב לקו הראייה של הטיל אליה יכולה לגרום לאובדן המטרה משדה הראייה הרגעי, מה שמוביל למונח של קצב עקיבה (tracking rate), שבדרך כלל מבוטא במעלות לשנייה.
המרכיבים העיקריים של ראש הביות של טיל הם: המערכת האופטית (שיכולה לכלול עדשות ומראות), מסנן אופטי בתחום התת-אדום, המודולטור האופטי, וחיישן התת-אדום. המודולטורים האופטיים (שידועים בשמם האנגלי "reticles") הם בדרך כלל הרכיב המורכב ביותר בראש הביות[2], וצבאות שונים בדרך כלל שומרים את המידע עליהם מסווג[2]. להלן מובאת סקירה של עקרונות פעולה שונים של ראשי ביות.
סריקה ליניארית
כמה מראשי הביות הגרמניים המוקדמים ביותר נעזרו בפתרון הסריקה הליניארית, בו סדקים אנכיים ואופקיים (במעין מבנה של סריג) נעו קדימה ואחורה בפני הגלאי, או, במקרה של ראש הביות Madrid, שני מוטות מתכתיים היו מוטים כדי לחסום פחות או יותר את האות[דרושה הבהרה]. באמצעות השוואת הזמן שבו הבזק התת-אדום נקלט למיקום של הסורק המכני באותו רגע, הזווית האופקית והזווית האנכית של מיקום המטרה ניתנות לקביעה. אף על פי כן, ראשי ביות אלו הם בעלי החסרון האינהרנטי ששדה הראייה שלהם מוגבל על ידי הגודל הפיזי של הסדק. אם הסדק קטן מדי אז הדמות של המטרה תהיה קטנה מדי מכדי ליצור אות משמעותי, בעוד ייצור הסדק בגודל פיזי רב מדי עשוי להפוך את ראש הביות לבלתי מדויק. מסיבה זו, לסורקים ליניאריים יש מגבלות דיוק אינהרנטיות. בנוסף, התנועה הדואלית של הסורק הליניארי היא מורכבת ולא אמינה מכנית, ובאופן כללי יש לעשות שימוש בשני גלאים נפרדים.
סריקה סיבובית (Spin-scan)
רוב ראשי הביות המוקדמים נעזרו בטכניקה שנקראת סריקה סיבובית, ובאמצעי מכני שנקרא reticle (או chopper); המילה האנגלית reticle לקוחה[3] מהמילה הלטינית reticulum, שפירושה רשת קטנה, או רשתית. מילון ידוע מגדיר את המושג "כמערכת של קווים, תילים וכו', המוצבת במישור המוקד של מכשיר אופטי". אמצעים מכניים אלו היו למעשה פלטה שקופה עם סדרה של מקטעים אטומים לאור המצוירים עליה, שמוצבת בפני גלאי התת-אדום. הפלטה (או הדיסקה) הסתובבה בקצב קבוע, מה שגרם להפרעות מחזוריות בדמות של המטרה. מעתה והלאה נתייחס לרכיב ה-reticle באמצעות המונח העברי דיסקת הרשתית; התפקיד שיש לרכיב זה בראש הביות הוא לסייע בבניית התמונה המרחבית, באנלוגיה לרשתית של העין האנושית.
מערכת ה-Hamburg
מערכת ה-Hamburg שפותחה במהלך המלחמה היא הפשוטה ביותר, והקלה ביותר להבנה. במערכת זאת, כמחצית מדיסקת הרשתית נצבעה בשחור ואילו המחצית האחרת נותרה שקופה. במסגרת תיאור זה נתייחס לדיסקה שמסתובבת בכיוון השעון כפי שהיא נראית מהחיישן; נתייחס לנקודת הזמן של הסיבוב בה הקו שמפריד בין מחצית הדיסקה השחורה למחצית השקופה הוא אופקי והמחצית השקופה היא למעלה כאל שעה 12 בכיוון השעון. מחולל אותות יוצר תבנית AC גלית שיש לה אותה תדירות כמו קצב הסיבוב של הדיסקה. האות שנוצר במחולל תוזמן כך שיימצא בנקודה של מתח חיובי מקסימלי בשעה 12. עבור דמות מטרה שממוקמת בנקודה העליונה, תא פוטו-וולטאי הממוקם מאחורי הדיסקה יתחיל לראות את המטרה כאשר הדיסקה תהיה בשעה 9 (בכיוון השעון), ויפסיק לראות אותה בשעה 3. במשך זמן זה, הגל שמפיק מחולל האותות יהיה בעל ערך חיובי (מתח חיובי), מאפס למקסימום ובחזרה לאפס.
כאשר המטרה נעלמת (והתא מפסיק לקלוט אור תת-אדום), הפלט של התא מפעיל מתג אשר הופך את הסימן של האות החשמלי של מחולל האותות. לדוגמה, כאשר הדיסקה מגיעה לשעה 3 והמטרה נעלמת, התא מפעיל את המתג. באותו רגע תבנית הגל מתחילה את החלק השלילי של המתח, כך שהמתג מחליף אותה בחזרה לחלק החיובי. כאשר הדיסקה מגיעה לשעה 9 התא מופעל שוב, כשהפעם הוא לא נאלץ להפוך את הסיגנל, שכן אות המתח נכנס לחלק החיובי שלו שוב. הפלט שנוצר מהתא הזה הוא לפיכך סדרה של חצאי-גלי סינוס, תמיד חיוביים. האות עובר לאחר מכן יישור כדי להפיק פלט DC, במקרה זה חיובי, שנשלח למערכת הבקרה ופוקד על הטיל לפנות מעלה.
תא שני המתוכנן כך שיפעיל מתג כרבע זמן מחזור מוקדם או מאוחר יותר (למשל בשעות 12 ו-6), משלים את המערכת. בהתייחס לאותה המטרה, במקרה זה גל ה-AC הגיע לשיאו החיובי בשעה 12, שם המתג הופך את סימנו לשלילי. סיבוב הדיסקה יוצר לפיכך סדרה של חצאי-גלי סינוס, תמיד שליליים. כאשר סדרה זאת מועברת דרך אותו מיישר הזרם של התא הראשון, הפלט הכולל של שתי סדרות הגלים, של התא הראשון והשני, הוא אפס. זה אומר שכאשר דמות המטרה נמצאת במיקום קבוע, הטיל לא צריך לפנות ימינה או שמאלה (בשפה קינמטית ניתן לומר שהטיל והמטרה נמצאים במסלול התנגשות). אם, לעומת זאת, דמות המטרה משנה את מיקומה הזוויתי, למשל כאשר המטרה נעה ימינה (בכיוון השעון), ההפעלה של המתג על ידי התא לא תתרחש פעם בחצי מחזור, שכן ההבדל בין זמני הפעלת המתג יהיה מעט ארוך יותר מחצי זמן מחזור עקב התנועה של דמות המטרה במגמה זהה לסיבוב הדיסקה השקופה למחצה (כאשר דמות המטרה נעלמת, היא כבר נמצאת במקום אחר). במקרה זה ממוצע האות המתקבל במיישר הזרם יהיה חיובי, מה שמעיד על הצורך לתיקונים של הטיל לימין, ואות זה מועבר ישירות למערכת הבקרה של הטיל לצורך ביצוע תיקוני היגוי היחסיים לעוצמת האות. מבחינה מעשית, אין באמת צורך בתא פוטו - וולטאי שני; במקום זאת שני האותות ניתנים ליצירה מתא בודד באמצעות שימוש בקו השהיה חשמלי או באות ייחוס שני בעל הבדל מופע של 90 מעלות ביחס לראשון.
מערכת זו מפיקה אות שרגיש לזווית מסביב לפני השעון, ה-bearing (או אזימוט), ולא לזווית בין הקו הישיר אל המטרה וציר הטיל, שנקראת גם angle off, ולפיכך היא מתאימה רק למצב היפותטי של מטרה שנעה באופן יחסי על גבי חרוט שקודקודו בראש הביות. זווית זו בלבד אינה מספיקה אפילו בעבור טילים נגד ספינות, שם התרחישים הם פחות או יותר דו-ממדיים, שכן המטרה נעה לאט מאוד יחסית לטיל כך שהוא מהר מאוד מיישר את עצמו לכיוונה. כמו כן מערכת כזו בוודאי לא מתאימה לשימוש בטילי אוויר אוויר שם המהירויות גדולות יותר, תרחישי הירי הם תלת-ממדיים, ובקרת התנועה הייתה צריכה להיות חלקה יותר. במקרה של תרחישים כאלו, הזווית יחסית לציר הטיל ניתנת לקביעה באמצעות שינוי המערכת במקצת[4] כך שהמודולטור האופטי (דיסקת הרשתית) נצבע בתבנית פולרית דמוית קרדיואיד[5] אשר חוסמת את הבזק התת-אדום למשך זמן שתלוי ביחס ישר בכמה רחוקה דמות המטרה מציר הטיל (כך שלפי משך ההבזק ניתן לקבוע את הזווית יחסית לציר). מערכות אחרות עשו שימוש בדיסק סריקה נוסף עם חריצים רדיאליים כדי להגיע לאותה תוצאה אולם באמצעות מעגל פלט שני.
קונספטים מאוחרים יותר
חברת AEG פיתחה מערכת מתקדמת בהרבה במהלך המלחמה, וזו יצרה את הבסיס לרבים מהניסויים בראשי ביות שבעידן שאחרי המלחמה. במקרה זה הדיסקה נצבעה בסדרה של אזורים אטומים, לעיתים קרובות בסדרה של רצועות רדיאליות, בתבנית שמזכירה חיתוכי-פיצה. כמו במערכת ה-Hamburg, אות AC נוצר שתאם את תדירות הסיבוב של הדיסקה. בשונה מהמערכת הקודמת, האות אינו נכבה ונדלק עם הזווית, אלא שהוא מופעל מספר רב של פעמים במהלך מחזור סיבוב אחד. זה יוצר סדרה של פולסים השקולים לאות AC שני בתדר דומה לאות הראשון, אשר הפאזה שלו נשלטת על ידי המיקום של המטרה יחסית לדיסקה. באמצעות השוואת הפאזות של שני האותות, פעולה שהיא טריוויאלית מבחינה אלקטרונית, הן התיקון האנכי והן התיקון האופקי ניתנים לקביעה מאות יחיד. שיפורים אדירים למערכת נעשו במסגרת תוכנית הסיידווינדר, בה הפלט המתפתח במקלט שבראש הביות הוזן ישירות לקסדה של הטייס שם הוא יוצר צליל הולך וגובר הידוע כ'טון הטיל', אשר מעיד שהמטרה נראית על ידי ראש הביות.
במערכות מוקדמות האות הזה הוזן ישירות למשטחי הניהוג, וגרם לתנועות חדות בהגאים שמנסות להביא את הטיל חזרה למסלולו המקורי, מערכת בקרה שידועה גם כ-"bang-bang". מערכות בקרה מסוג bang-bang הן בלתי יעילות אווירודינמית בצורה קיצונית, במיוחד כאשר המטרה נמצאת בקרבת ציר הטיל ומשטחי הניהוג פשוט מתחילים להתנודד קדימה ואחורה בלי שום אפקט. זה מוביל לשאיפה להפוך את הפלטים האלו לחלקים יותר, או למדוד את הזווית יחסית לציר ולהזין את המידע הזה למשטחי הניהוג גם כן. ניתן להשיג זאת באמצעות אותו הדיסק ומעט עבודה על הסידור הפיזי של המערכת האופטית. כיוון שהמרחק הפיזי בין הפסים הרדיאלים גדול יותר בחלקה החיצוני של הדיסקה, הדמות של המטרה על התא גם היא גדולה יותר, כך שהתא מפיק פלט גדול יותר. אפקט זה מביא לכך שהאמפליטודה של האות גדלה עם הזווית יחסית לציר הטיל. אף על פי כן, האמפליטודה של האות תשתנה גם כאשר הטיל מתקרב למטרה (עוצמת התאורה של המטרה גדלה עם ההתקרבות אליה), כך שמערכת זו אינה מערכת שלמה בפני עצמה וצורה כלשהי של בקרת שבח אוטומטית (automatic gain control) נדרשת.
מערכות סריקה סיבובית יכולות גם להעלים את השפעותיהם של מקורות קרינה "מורחבים", למשל עננים המחזירים אור שמש או חול מדברי לוהט. כדי לעשות זאת, דיסקת הרשתית מותאמת באמצעות עיצובה כך שמחצית אחת שלה תהיה מכוסה לא עם פסים רדיאליים אלא בגוון בעל שקיפות של 50% (החלק האפור באיור). הפלט של מערכת כזאת הוא גל סינוס בעבור מחצית סיבוב ואות קבוע בעבור החצי השני. החלק הקבוע של האות משתנה בערכו עם עוצמת התאורה הכוללת של השמיים. כיוון שמטרה מורחבת תתפרש על פני מספר מקטעים, היא תגרום לאות בעוצמה קבועה, וכל אות שמקרב אות קבוע יסונן אלקטרונית. כלומר, מקורות קרינה נקודתיים בקירוב "יקלטו" על ידי ראש הביות כסדרה של פולסים, ולאחריה פולס יציב, בעוד מקורות קרינה "מורחבים" ייקלטו על ידיו כפולס אחיד, שכן שטף האור שחולף דרך החלק השקוף למחצה מהווה ממוצע של החלק השקוף ואטום לסירוגין (על כן שקיפותו תוכננה להיות 50%). כך מתאפשר, באמצעות אלקטרוניקה מתאימה בראש הביות, להבחין בין מקורות נקודתיים ומקורות רקע.
בעיה משמעותית עם מערכת הסריקה הסיבובית היא שהסיגנל המתפתח כאשר דמות המטרה קרובה למרכז צונח לאפס. זה מתרחש מכיוון שבקרבת המרכז, אפילו הדמות הקטנה של המטרה מכסה מספר מקטעים זוויתיים (שכן הפסים הרדיאלים נעשים צרים יותר ויותר עם ההתקרבות למרכז הדיסקה), מה שמפיק אות דומה לזה שיוצר מקור מורחב (אות קבוע בעוצמתו), כך שאות זה מסונן. אפקט זה הופך ראשי ביות כאלו לרגישים במיוחד לנורי הטעיה, שנעים בכיוון שונה מהמטוס ולכן מפיקים אות הולך וגובר בעוד האות שמפיק המטוס (שדמותו עדיין נמצאת במרכז הדיסקה) חלש או לא קיים כלל. בנוסף, כאשר הטיל מתקרב למטרה, שינויים קטנים בזווית היחסית מספיקים כדי לגרום לדמות שלה לנוע החוצה מאזור המרכז ולהביא ליצירת אותות קלט בשנית. עם נעזרים בבקר bang-bang, תכנונים כאלה מתחילים להגיב יתר על המידה במהלך השניות האחרונות של ההגעה למטרה, מה שמביא למרחקי החטאה גדולים, ומצריך לצייד את הטילים בראשי קרב כבדים.
סריקה קונית
שיפור משמעותי על מערכת הסריקה הסיבובית הוא טכניקת הסריקה הקונית. בסידור זה, דיסקת רשתית מקובעת מוצבת בפני הגלאי ושניהם ממוקמים בנקודת המוקד של טלסקופ מחזיר אור מסוג Cassegrain. ציר המראה המשנית ההיפרבולית של הטלסקופ מוטה במקצת יחסית לציר המראה הראשית הפרבולית שלו, ומראה זאת מסתובבת בקצב קבוע. סידור זה גורם לדמות של המטרה להסתובב על פני דיסקת הרשתית הנייחת, במקום שהדיסקה עצמה תסתובב.
נתייחס לדוגמה למערכת בה ציר המראה המשנית של ראש הביות מוטה ב-5 מעלות יחסית לציר הטלסקופ, ולמקרה בו המטרה ממוקמת על ציר הטיל. כשהמראה מסתובבת, היא גורמת לדמות של המראה להיות מוחזרת בכיוון ההפוך, כך שבמקרה זה דמות המטרה נעה במעגל ברדיוס זוויתי של 5 מעלות יחסית לציר הדיסקה. פירוש הדבר הוא, שבסידור כזה אפילו מטרה ממורכזת (כלומר שנמצאת על ציר הטיל) תייצר סיגנל משתנה כאשר דמותה חולפת על פני הסימונים על הרשתית. לשם השוואה, במקרה זהה לזה, מערכת כמו spin-scan הייתה מפיקה אות קבוע בעוצמתו כאשר דמות המטרה הייתה נמצאת בשטח "המת" (center null area). נורי הטעיה שנצפים על ידי ראשי ביות מסוג סריקה קונית יצליחו לגרום לבלבול גם להם, אך הם לא יצליחו להתגבר באופן מובהק על האות הישיר מהמטרה כמו במקרה של מערכות spin-scan, שם נור ההטעיה יוצר אות חזק בעוד האות הישיר מהמטרה מסונן.
הפקת המידע על האזימוט של המטרה ממערכת כזאת נעשית באופן דומה לזו של מערכת הסריקה הסיבובית, באמצעות השוואת אות הפלט לאות התייחסות הנוצר על ידי המנועים שמסובבים את המראה המשנית. עם זאת, הפקת מידע על הזווית יחסית לציר הטיל היא משימה מורכבת יותר במקרה זה. במערכת הסריקה הסיבובית זהו משך הזמן שאורכים הפולסים שמקודד את הזווית הזאת, אולם, במערכת הסריקה הקונית זה לא כך, שכן הדמות קרובה למרכז רוב הזמן. במקום זאת, זהו האופן שבו הפולסים משתנים במשך מחזור סריקה אחד שמאפשר לגלות את הזווית הזאת.
כיוון שהזווית של המטרה יחסית לציר הטיל גורמת לדמות שלה להסתובב במעגל שאינו ממורכז במרכז הרשתית, הסיגנל שנוצר הוא מאופנן תדר [6] (באנגלית: FM - frequency modulated), עם תדירות שעולה ויורדת במהלך מחזור סיבוב. עומק האות המאופנן (השינוי בין התדר המינימלי לתדר המקסימלי שלו) עומד ביחס ישר לזווית יחסית לציר הטיל[6], כך שהאות המאופנן נשלח לדמודולטור שמפענח את התדרים מהם מורכב האות הלא-אחיד בתדר. יתרון משמעותי אחד שיש לסריקה הקונית הוא שהאות המאופנן מספק פתרון פשוט כיצד להניע בצורה חלקה את משטחי הניהוג, ומביא לאווירודינמיקה יעילה בהרבה[דרושה הבהרה]. זה משפר רבות את הדיוק; טיל בעל ראש ביות מסוג spin-scan המתקרב למטרה יהיה נתון לאותות רציפים כאשר המטרה נעה פנימה והחוצה מציר הטיל, מה שגורם לבקרי ה-bang-bang להנחות את הטיל תוך ביצוע תיקונים פראיים במסלולו, זאת בעוד אות ה-FM של מערכת סריקה קונית מעלים לגמרי את האפקט הזה ומשפר את סבירות השגיאה המעגלית לכדי מטר אחד בלבד.
ברוב מערכות הסריקה הקונית האופטיקה מתוכננת כך שדמות המטרה תהיה קרובה ככל האפשר לשפת הרשתית, משום שכך עומק האות המאופנן הוא הגדול ביותר והמערכת רגישה יותר לשינויים בו. לעיתים זה גורם לדמות המטרה לחרוג לגמרי מגבולות הדיסקה (למשל כאשר המראה מצביעה הרחק מהמטרה). כדי להתמודד עם בעיה זאת, עיגול סביב מרכז הדיסקה נצבע בתבנית של 50% שקיפות (בדרך כלל בדפוס צביעה שמזכיר לוח שחמט), כך שכאשר דמות המטרה נכנסת לאזור זה עוצמת הפלט הנוצר קבועה. לאזור זה יש תפקיד ייעודי; לסייע ברכישה מחודשת של המטרה כאשר דמותה נוטה לברוח אל מחוץ לדיסקה. זה מתאפשר אודות לכך שעקב התנועה הסיבובית של המראה, משך הזמן בו הדמות שוהה מחוץ לדיסקה עודנו קצר, כך שבמהלך המסלול המעגלי של הדמות היא נכנסת למשך זמן מסוים לאזור השקוף למחצה. בכל פעם שהאלקטרוניקה קולטת אות אחיד זה סימן לכך שדמות המטרה מתחילה לחרוג מהתחום הרצוי, וכיוון שהמיקום בו הדמות נכנסת לאזור השקוף למחצה הוא מנוגד בדיוק לנקודה במסלולה המעגלי בה היא נעלמת מחוץ לדיסקה (כלומר מתרחש בדיוק כחצי זמן מחזור מאוחר יותר), מתאפשר לקבוע את העיתוי בו הדמות נעלמת וכך גם את אזימוט המטרה. מבחינת האלקטרוניקה והמכניקה השימוש במידע זה הוא לצורך הנעת מערך ראש הביות כולו כך שירכוש שוב את המטרה, ומסלול דמותה יהיה מצוי כולו בתחום הדיסקה.
ראשי ביות מתקדמים מבוססי פסאודו-הדמיה
ראשי ביות "מערך-צלב"
ראשי ביות מסוג "מערך-צלב" (crossed array seekers) מדמים את הפעולה של הרשתית במערכת סריקה קונית באמצעות המערך הפיזי של הגלאים עצמם. תאים פוטו-וולטאיים קלאסיים היו בדרך כלל בעלי צורה עגולה, אלא שהתקדמויות בטכניקות בנייה וייצור המבוססות על פיזיקה של מצב מוצק אפשרו להם להיות מיוצרים בכל צורה שהיא. במערכת מערך-צלב ארבעה גלאים מלבניים מסודרים בצורת צלב (+). סריקת המרחב מקדימה לראש הביות מבוצעת בצורה דומה לסריקה הקונית, באמצעות סיבוב המראה המשנית, מה שגורם לדמות של המטרה לחצות כל אחד מהגלאים בתורות.
בעבור מטרה שנמצאת במרכז שדה הראייה של ראש הביות, הדמות שלה סובבת מסביב למרכז המערכת האופטית וחוצה כל אחד מהגלאים בנקודה יחסית דומה. זה גורם לאות מכל גלאי להיות זהה לאותות מהגלאים האחרים עד כדי הפרש זמן של רבע מחזור סריקה. אולם, אם המטרה אינה ממורכזת, מסלול הדמות יהיה מוטה במקצת (לא ממורכז). במקרה זה המרחק בין הגלאים הנפרדים יגרום למשך השיהוי בזמן בין ההופעות מחדש של האות להשתנות, כך שמשך הזמן יהיה ארוך יותר בעבור חלקים של מסלול הדמות שרחוקים ממרכז המערך, וקצר יותר בעבור חלקי מסלול קרובים יותר. מעגלים שמחוברים למראות מפיקים אות ייחוס כבקרה, בדומה לסריקה קונית. השוואה אלקטרונית בין האות שיוצר מערך הגלאים לאות הייחוס מאפשר לייצר את תיקוני המסלול הנדרשים.
בתכנון זה, מתאפשרת יכולת דחיית נורים משופרת בהרבה. מכיוון שכל אחד מארבעת הגלאים הוא בצורה מלבנית צרה מאוד, יש להם באופן אפקטיבי שדה ראייה צר מאוד, שאינו תלוי בסידור המראות של הטלסקופ. זה מספק "חלון מרחבי" צר מאוד למקורות תת-אדום אחרים (חוץ מהמטרה) להיקלט בגלאים, ובכך מונע קליטת אותות מנורים ואמצעי הטעיה אחרים. כדי להשלים את הליך דחיית אמצעי ההטעיה, נחוצה גם פונקציית מימוש "שערי זמן" (Time gates) צרים, שמאפשרים רק לאותות שמיוצרים על ידי כל גלאי בפרק זמן קצר יחסית להיות מועברים למערכת הבקרה (כלומר לעבור את הליך סינון האותות האלקטרוני). לפני שיגור הטיל, מיקום המטרה מקודד לתוך הזיכרון של ראש הביות, וראש הביות קובע מתי צפויה דמות המטרה לחצות את הגלאי הבא. מרגע זה ואילך כל האותות שמתקבלים מחוץ למשכי הזמן הקצרים שקובעת מערכת הבקרה נדחים. כיוון שנורים נוטים להיעצר באוויר זמן קצר לאחר שחרורם, הם מוצאים את עצמם במהרה מחוץ לשערי הזמן שהכתיבה מערכת הבקרה. הדרך היחידה להטעות מערכת כזאת היא לשחרר באופן רציף נורים כך שבכל רגע נתון ישנם כמה קרובים למטוס המטרה, או להשתמש בנור נגרר.
ראשי ביות מסוג "שושנה" (Rosette seekers)
ראש הביות מסוג שושנה, שידוע גם כפסאודו-מדמה, עושה שימוש בחלקים רבים מהמערך המכני של מערכת הסריקה הקונית, אבל מוסיף מראה או מנסרה נוספת כדי ליצור תבנית סריקה מורכבת ביותר, דמוית שושנה. בהשוואה לזווית ההטיה הקבועה של המראה במערכת סריקה קונית, במנגנון זה הסריקה מבוצעת בזוויות משתנות. חיישנים על מנגנוני הסיבוב מזינים את הפלט שלהם למערבל שמייצר אות FM כדגימה. ערבוב האות הזה עם האות הישיר מראש הביות מסיר את התנועה של המטרה, מה שמפיק אות פלט זהה לזה שבמערכת הסריקה הקונית. יתרון משמעותי של ראשי ביות מסוג שושנה הוא שהם סורקים נתח רחב יותר של השמיים, והופכים זאת למשימה קשה בהרבה בעבור המטרה לברוח אל מחוץ לשדה הראייה שלהם.
החסרון בראשי ביות מסוג שושנה הוא שהם מפיקים פלט מורכב מאוד. עצמים בתוך שדה הראייה של ראש הביות מפיקים אותות נפרדים לגמרי כאשר הוא סורק את השמיים; המערכת עשויה לראות את המטרה, הנורים, השמש, העננים והקרקע בזמנים שונים לגמרי, על אף שמבחינה מרחבית חלקם עשויים להיות סמוכים מאוד אחד לשני. כדי לעבד את המידע הזה ולזהות מתוכו את המטרה, האותות הנפרדים נשלחים לזיכרון מחשב. במשך זמן המחזור של סריקה מלאה מנגנון זה מפיק תמונה דו ממדית, מה שהעניק לראש ביות זה את השם פסאודו-מדמה (pseudo-imager). אף על פי שפרוצדורה זאת הופכת את המערכת למורכבת יותר, התמונה הנוצרת מספקת הרבה יותר מידע. בדרך זאת נורים ניתנים לזיהוי ולדחייה בשל הגודל הקטן שלהם, עננים בשל הגודל הגדול שלהם וכו'.
מערכות דימות בתת-אדום
טילי חום מודרניים עושים שימוש במערכות הדמיית תת-אדום (IIR), בהן חיישן ה-IR/UV הוא מערך דו ממדי של חיישנים המסוגל להפיק תמונה בתת-אדום, ממש כמו ה-CCD במצלמה דיגיטלית. טילים כאלה דורשים יכולת עיבוד אותות גבוהה בהרבה אך עשויים להיות מדויקים בהרבה וקשים בהרבה להטעיה באמצעות מטרות דמה. בנוסף להיותם חסינים יותר בפני נורה הטעיה, ראשי ביות חדשים אלו הם גם בעלי סיכוי נמוך יותר להיות מוטעים באמצעות הינעלות על השמש כמטרה, טריק נפוץ להימנע מטילי חום. באמצעות שימוש בטכניקות עיבוד אותות מתקדמות, ראש הביות יכול להיעזר גם בצורת המטרה כדי למצוא את החלק הפגיע ביותר שלה, ולהנחות את הטיל אל חלק זה. כל טילי האוויר אוויר המערביים לטווח קצר, כמו ה-AIM-9X Sidewinder וה-ASRAAM, הטיל הסיני PL-10 SRAAM והטיל הישראלי פיתון 5, נעזרים בראשי ביות מבוססי דימות תת-אדום, זאת בעוד הטיל הרוסי R-73 עדיין עושה שימוש בראש ביות תת-אדום מיושן יותר.
ההיבט המקשה ביותר בראשי ביות אלו הוא, כפי שצוין מקודם, שהם דורשים כוח חישוב גדול מאוד לצורך מימוש אלגוריתמי עיבוד התמונה שלהם. לשם הדגמה, מערך חיישני תת-אדום דו ממדי טיפוסי[7] מכיל 128x128 פיקסלים (כל חיישן הוא פיקסל) כשלכל אחד יש פלט של עד 10 ביטים, בעוד קצב רענון התמונה הרצוי הוא 100Hz. מערך כזה מפיק מידע בקצב של 16Mbits/s, ואת כמות המידע הזאת אלגוריתמי העיבוד צריכים לנתח. מסיבות אלו בדיוק, טילים חדישים אלו לא צפויים להחליף לגמרי את הטילים הסטנדרטיים בעלי ראשי ביות מבוססי רשתית, לפחות לא בעשורים הקרובים[8]. נכון להיום, המחיר הגבוה בהרבה של ראשי ביות אלו גרם לתפוצה שלהם להיות מוגבלת יחסית, זאת שכן טילים מיושנים בעלי ראש ביות מבוסס רשתית בדרך כלל משיגים את המטרה שלהם. השימוש בטילים יקרים אלו נעשה בדרך כלל לפי שיקולי עלות-תועלת; כאשר השיקולים המבצעיים דורשים פגיעה במטרות מפתח בסיכוי גבוה יותר.
אמצעי נגד
ישנן שתי דרכים עיקריות להטעות ראש ביות תת-אדום: שימוש בנורי הטעיה או בשבשי תת-אדום.
נורי הטעיה
ראשי ביות מוקדמים לא דימו את המטרה, כך שכל עצם קורן בתת-אדום בתוך שדה הראייה שלהם היה יוצר פלט. נור הטעיה ששוחרר על ידי המטרה היה גורם להבזק שני להופיע בתוך שדה הראייה, מה שהפיק אות זוויתי שני, כך שהיה קיים סיכוי שראש הביות יכוון עצמו אל הנור במקום אל המטרה. כנגד ראשי ביות מבוסי סריקה סיבובית מוקדמים טכניקה זאת הייתה יעילה במיוחד כיוון שההבזק של המטרה היה מינימלי במהלך השלב האמצעי של ההנחיה (midcourse guidance), כך שאפילו אות כהה מהנור היה נראה ונעקב. אם זה קורה (הטיל מתחיל להנחות עצמו אל הנור), הנור ייעלם בשלב מסוים (כשהטיל חולף על פניו) והמטוס עשוי להיראות שוב. עם זאת, אם המטוס נע החוצה משדה הראייה של הטיל במשך זמן זה, מה שקורה מאוד מהר, ראש הביות של הטיל לא יוכל לרכוש שוב את המטרה.
פתרון אחד לבעיה שמציגים נורי ההטעיה הוא להשתמש בראש ביות שמבחין בשתי תדירויות תת-אדום עיקריות (dual-frequency seeker). ראשי ביות קודמים נעזרו בגלאי יחיד שהיה רגיש לחלקים המאוד חמים של המטוס ולסילון הפליטה, מה שהפך אותם מתאימים לתרחישי רדיפת-זנב. כדי לאפשר לטיל לבצע עקיבה מכל זווית, גלאים חדשים נוספו למערכת שהיו גם רגישים יותר וגם בעלי יכולת להבחין בתדירויות אחרות. יכולת חדשה זו סיפקה דרך להבחין בין המטרה לנורי ההטעיה; שני הגלאים יראו מיקומים שונים למטוס המטרה - גוף המטוס (הקר יותר) לעומת הסילון הנפלט ממנו (החם יותר) - זאת בעוד נור ייראה באותו מקום בשתי התדירויות[דרוש מקור]. בדרך זו ניתן היה לעשות אלימינציה של האות מהנור.
מערכות מורכבות יותר עשו שימוש בעיבוד אותות, במיוחד מערכי-צלב (Crossed array seekers) וראשי ביות rosette. למערכות אלו היה שדה ראייה רגעי כה צר שהפלט שלהן ניתן היה לעיבוד כדי להפיק תמונה, בעקרון פעולה דומה לזה של סורק שולחני. באמצעות זכירת המיקום של המטרה מסריקה לסריקה, עצמים שנעים במהירויות גבוהות יחסית למטרה ניתנים היו להסרה באמצעות שיטת האלימינציה. תהליך זה ידוע בשם 'סינון קולנועי' (cinematic filtering). בתהליך דומה עושים שימוש במערכות דימות תת-אדום, אשר מדמות באופן ישיר במקום לסרוק, כשבנוסף יש להן יכולת נוספת של אלימינציה של מטרות קטנות באמצעות מדידה ישירה של הגודל הזוויתי שלהן.
שבשי תת-אדום
מערכות ביות מוקדמות קבעו את הזווית למטרה דרך התזמון של קבלת האות מהמטרה. זה הפך אותם לנוחים לשיבוש באמצעות שידור אותות שגויים שהם כה חזקים שהם נראים אפילו כאשר החלק האטום של דיסקת הרשתית של ראש הביות מכסה את החיישן. שבשים מוקדמים כמו ה-AN/ALQ-144 עשו שימוש בבלוק מחומם של צורן קרביד כמקור תת-אדום, והקיפו אותו בתריס מכני גלילי מסתובב המכיל סדרה של עדשות מרכזות הממקדות את התאורה של הבלוק על ראש הביות של הטיל. מערכת זאת נראתה לראש הביות של הטיל כסדרה מהבהבת של כתמי תת-אדום בהירים הנעים לאורך השמיים, באופן שמשבש את חוש התזמון של ראש הביות וגורם לו לפרש את מיקום המטרה באופן שגוי. גרסאות מודרניות יותר עושות שימוש בלייזר תת-אדום הקורן על מראה שסובבת במהירות. כשאלומת הלייזר פוגעת בראש הביות היא נקלטת כהבזק אור שאינו שייך לסדרת ההבזקים מהמטרה, מה שמשבש את תבנית התזמון שנעשה בה שימוש כדי לקבוע את הזווית למטרה (בדומה לשבש ה-AN/ALQ-144). כאשר השיבוש מצליח, שבשי תת-אדום גורמים לטיל לטוס באופן אקראי.
שבשי תת-אדום מצליחים הרבה פחות כנגד ראשי ביות מודרניים מבוססי דימות, כיוון שאלו לא נסמכים על תזמון במדידות שלהם. במקרים אלו, השבש עשוי להיות מזיק, שכן הוא מספק סיגנל נוסף באותו המיקום כמו המטרה. מספר מערכות מודרניות ממקמות כעת את השבשים שלהם על פודים נגררים נתיקים, ונסמכות על כך שהטיל יתביית על האות החזק מהפוד, אולם מערכות עיבוד תמונה מודרניות יכולות להפוך גם שיטה זאת ללא אפקטיבית, שכן הן מצריכות שהפוד ייראה דומה ככל האפשר למטוס המקורי, ובכך מסבכות את התכנון.
בטכניקה מבוססת לייזר מודרנית יותר אין צורך בסריקה, ובמקומה משתמשים בצורה כלשהי של אמצעי גילוי כדי לזהות את הטיל ולכוון את הלייזר ישירות עליו. טכניקה זו מעוורת את ראש הביות ברציפות, והיא שימושית כנגד ראשי ביות מודרניים מבוססי דימות. אמצעי נגד תת-אדום כיווניים (DIRCMs - directional infrared countermeasures) אלו הם מאוד אפקטיביים, אולם הם גם יקרים מאוד ובאופן כללי מתאימים למטוסים שאינם מתמרנים, כמו מטוסי מטען ומסוקים. המימוש של טכניקה זאת נעשה סבוך אף יותר מבחינה מעשית, זאת שכן ניתן לצייד את ראשי הביות של הטילים במסננים אופטיים לפני מערך החיישנים כדי להסיר תדרים לא רצויים, מה שמצריך שהלייזר יכוונן עצמו לתדירות של ראש הביות. מעט עבודה נעשתה על פיתוח מערכות עם הספק כה גבוה שהן יוכלו להזיק לחרוט האף של הטיל או למסננים בתוך הטיל, אך מערכת כזאת נותרת מעבר לטכנולוגיה העכשווית.
עקיבה
ברוב טילי החום המונחים ראש הביות מוצב על גימבל. זה מאפשר לראש הביות להצביע על המטרה גם כאשר הטיל לא. יכולת זו חשובה משתי סיבות עיקריות. האחת היא שלפני ובמהלך השיגור, הטיל לא יכול תמיד להצביע על המטרה. במקום זאת, הטייס או המפעיל מכוון את ראש הביות אל המטרה באמצעות מכ"ם, תצוגת קסדה עילית, כוונת אופטית או לפעמים באמצעות תמרון המטוס כך שהאף של המטוס או משגר הטיל יצביעו ישירות על המטרה. ברגע שראש הביות רואה ומזהה את המטרה, הוא ממסר זאת חזרה למפעיל שאז "משחרר לחופשי" את ראש הביות (כלומר מאפשר לעין הטיל לעקוב אחרי המטרה באופן עצמאי). אחרי נקודת זמן זו ראש הביות נשאר נעול על המטרה, אפילו אם המטוס או פלטפורמת השיגור נעה. כאשר הנשק משוגר, הוא עשוי לא להיות מסוגל לשלוט על הכיוון עליו הוא מצביע עד שהמנוע מאתחל את פעולתו והטיל מגיע למהירות גבוהה מספיק כדי שמשטחי הניהוג שלו יוכלו לשלוט אווירודינמית בכיוון תנועתו. עד אז, ראש הביות הגימבלי צריך להיות מסוגל לעקוב אחרי המטרה באופן עצמאי.
לבסוף, גם כאשר הטיל נתון תחת בקרת טיסה חיובית והוא בדרכו ליירט את המטרה, קרוב מאוד לוודאי שהוא לא יצביע ישירות עליה; למעט המקרה שבו המטרה נעה בדיוק החוצה או פנימה מהפלטפורמה המשגרת, המסלול היעיל ביותר ליירט את המטרה לא יהיה הנתיב שנוצר כאשר הטיל מצביע כל העת כל המטרה (במה שמכונה "מרדף כלב"), זאת שכן המטרה משנה את מיקומה הזוויתי בשדה הראייה של הטיל. טילי החום הראשונים פשוט הצביעו על המטרה ורדפו אחריה; זה היה לא יעיל ביותר. טילים חדשים יותר הם חכמים יותר ונעזרים בראש הביות הגימבלי כדי לממש אלגוריתם הנחיה המכונה הנחיה פרופורציונלית המאפשר להימנע מאוסצילציות במסלול ולטוס במסלול יירוט יעיל.
ראו גם
הערות שוליים
- ^ Kutzscher, Edgar (1957). "The Physical and Technical Development of Infrared Homing Devices". In Benecke, T,; Quick, A,. History of German Guided Missiles Development. NATO. [1]
- ^ 2.0 2.1 Heat-Seeking Missile Guidance [2]
- ^ Encyclopedia of Optical Engineering,p. 2409 [3]
- ^ כך נעשה בפועל במערכת ה-Hamburg.
- ^ למעשה הצורה שמניבה יחס ישר בין מרחק הדמות למשך הזמן בו נקלט אות אינה בדיוק קרדיואידה (אך מזכירה אותה מאוד) אלא חיבור של שני עותקים של גזרה של ספירלת ארכימדס, בעלי סימטריית ראי אחד ביחס לשני.
- ^ 6.0 6.1 Encyclopedia of Optical Engineering: Pho-Z, pages 2403-2404 [4]
- ^ Introduction to Modern EW Systems, p.144 [5]
- ^ Encyclopedia of Optical Engineering, p.2407-2408 [6]
