شناور «یوری گاگارین» بعنوان گل سرسبد «ناوگان خدمات فضایی آکادمی علوم شوروی»، یک شاهکار در همگرایی مهندسی کشتی‌سازی و مهندسی الکترونیک برای کنترل و هدایت فضاپیمای های شوروی در فضا محسوب می‌شد. این کشتی 53500 تنی تحت پروژه شماره 1909 (Project 1909 "Phoenix") در دهۀ 1970 طراحی و در کارخانه کشتی‌سازی بالتیک (لنینگراد) ساخته شد. طراحی آن بر اساس بدنه تانکرهای کلاس "Sofia" بود، اما تغییرات ساختاری عمیقی برای تبدیل شدن به یک پلتفرم پایدار آزمایشگاهی در آن اعمال شد. کشتی از توربین بخار با قدرت 19000 اسب بخار که سرعتی معادل 18 گره دریایی را فراهم می‌کرد، بهره می‌برد. مهم‌ترین چالش مهندسی در این کشتی، جلوگیری از خمش بدنه بود؛ تغییر شکل بدنه کشتی بر اثر امواج (Hogging and Sagging) می‌توانست کالیبراسیون دقیق آنتن‌ها را برهم بزند. برای رفع این مشکل، مهندسان از یک سیستم لیزری اپتیکال پیشرفته برای اندازه‌گیری لحظه‌ای تغییرات زاویه‌ای بدنه و اصلاح داده‌های آنتن استفاده می‌کردند. همچنین کشتی مجهز به سیستم‌های Stabilizer (باله‌های تثبیت‌کننده فعال) بود تا در شرایط طوفانی، میزان "Roll" و "Pitch" را به حداقل برساند. قلب تپنده این کشتی، سیستم فرمان و اندازه‌گیری رادیویی موسوم به «فوتون» (Foton) بود. معماری آنتن‌ها برای پوشش باندهای فرکانسی مختلف و حفظ لینک مخابراتی با اجرام در حال حرکت با سرعت بالا طراحی شده بود و در همین رابطه دو آنتن سهموی 25 متری (کلاس TNA-57) هر کدام با وزن 240 تن برای ارتباطات دوربرد (Deep Space) و دریافت سیگنال‌های ضعیف و دو آنتن 12 متری که برای ردیابی دقیق و تله‌متری در مدار LEO طراحی شده بودند. سیستم‌های گیرنده مجهز به تقویت‌کننده‌های پارامتریک بودند که با نیتروژن مایع خنک می‌شدند تا نویز حرارتی (Thermal Noise) را کاهش داده و حساسیت گیرنده را به حداکثر برسانند. پایه‌های آنتن‌ها (Gimbals) با کمک سیستم‌های سروو موتور هیدرولیک بسیار دقیق می‌توانست با وجود تکان‌های کشتی، روی هدف قفل بماند. از نظر مداری، وقتی فضاپیما بر فراز اقیانوس اطلس یا بخش‌هایی از اقیانوس آرام بود، خارج از دید ایستگاه‌های زمینی شوروی قرار داشت؛ این کشتی برای پر کردن این شکاف‌های ارتباطی در «مدارهای کور» طراحی شده بود. از طرفی برخلاف کشتی‌های معمولی که صرفاً رله‌کننده (Relay) بودند، «یوری گاگارین» یک MCC (مرکز کنترل مأموریت) شناور بود، این کشتی می‌توانست مستقل از مسکو، فرامین اصلاح مدار، روشن شدن موتورها و دریافت داده‌های حیاتی را پردازش و ارسال کند. کشتی «یوری گاگارین» نمونه‌ای از مهندسی سیستم‌های کلان (Macro-Engineering) با ترکیبی موفق از هیدرودینامیک سنگین و الکترونیک دقیق مایکروویو در دوران جنگ سرد بود.

@Science_Prime

تصاویر رادار هشدار زودهنگام SBX-1 مستقر در پرل هاربر، هاوایی که یکی از پیچیده‌ترین و استراتژیک‌ترین سامانه‌های دفاع موشکی آمریکا است. رادار در فرکانس کاری 8 تا 12 گیگاهرتز و طول موج‌های کوتاه باند X حدود 2.5 تا 3.75 سانتی‌متر، وضوح تصویربرداری بسیار بالایی ایجاد می‌کند. اما وظیفه اصلی این رادار فقط "کشف" موشک نیست (سایر رادارها این کار را انجام می‌دهند)، وظیفه اصلی آن تمایز یا Discrimination است. هنگامی که یک موشک بالستیک قاره‌پیما به فضا می‌رود، ممکن است کلاهک جنگی از بدنه موشک جدا شود و یا همراه با "ماکت‌ها" (Decoys) و زباله‌های فضایی باشد؛ دقت SBX-1 آنقدر بالا است که می‌تواند شکل اجسام را در فضا تشخیص دهد و به سیستم دفاعی بگوید کدام شیء "کلاهک جنگی واقعی" است و کدام یک "ماکت یا زباله" است. از طرفی با وجود تکنولوژی پیشرفته، این سیستم محدودیت‌هایی هم دارد، بدلیل استفاده از باند X و تمرکز بر وضوح بالا، میدان دید آن باریک است (مثل نگاه از درون یک نی) بنابراین، معمولاً نیاز دارد که سایر رادارهای برد بلند، محل تقریبی هدف را به آن اطلاع دهند که اصطلاحاً (Cued Search) گفته می‌شود تا SBX-1 روی آن قفل کند. رادار SBX-1 یک سیستم AESA است و سطح هشت‌ضلعی رادار که مساحتی حدود 384 متر مربع دارد، با تقریباً 45000 ماژول نیمه‌هادی T/R پوشیده شده که هر ماژول به تنهایی یک رادار کوچک است که می‌تواند پالس مایکروویو تولید و دریافت کند. این معماری امکان Graceful Degradation را فراهم می‌کند. یعنی اگر %10 از ماژول‌ها بسوزند، رادار خاموش نمی‌شود، بلکه فقط %10 از توان خروجی کاهش می‌یابد و الگوریتم‌ها این افت را جبران می‌کنند. اما سؤال اینجاست که چگونه رادار بدون حرکت فیزیکی، پرتو را حرکت می‌دهد؟ کامپیوتر مرکزی فازِ سیگنالِ هر یک از آن 45000 ماژول را با دقت نانوثانیه تغییر می‌دهد. اگر فرض کنیم رادار می‌خواهد پرتو را در زاویه θ هدایت کند، اختلاف فاز Δϕ بین المان‌های مجاور که به فاصله d از هم قرار دارند، از رابطه زیر پیروی می‌کند (که k عدد موج است):
Δϕ=kdsin(θ)

با اعمال این شیفت فازی، جبهه موج در فضا کج می‌شود و پرتو بسمت دلخواه شلیک می‌شود. این تغییر جهت در حد میکروثانیه رخ می‌دهد، که به رادار اجازه می‌دهد چندین هدف را به صورت "همزمان" (Time-multiplexed) ردیابی کند.

اما سؤال بعدی اینکه چرا باند X؟ خب همه چیز به رزولوشن و سطح مقطع راداری (RCS) برمی‌گردد. طول موج (λ) در باند X حدود 2.5 تا 3.75 سانتی‌متر است. طبق رابطه پراش (Diffraction)، پهنای پرتو (θBW​) با قطر آنتن (D) و طول موج رابطه عکس دارد، پس :

θBW​≈λ/D

​از اینرو چون D در SBX بسیار بزرگ است و λ بسیار کوچک، پرتو خروجی مثل یک لیزر سوزنی (Pencil Beam) عمل می‌کند. این تمرکز انرژی، چگالی توان را روی هدف افزایش داده و نسبت سیگنال به نویز (SNR) را به شدت بالا می‌برد. اما مهم‌ترین بخش این رادار، قابلیت تصویربرداری راداری با دهانه مصنوعی معکوس (ISAR) است. رادار نه تنها سرعت حرکت کلی موشک (تغییر فرکانس دوپلر اصلی) را می‌سنجد، بلکه لرزش‌ها و چرخش‌های بدنه موشک (اثر میکرو داپلر) را نیز تحلیل می‌کند. بعنوان مثال یک کلاهک جنگی سنگین، پایدار و با اسپین مشخص حرکت می‌کند اما یک ماکت (Decoy) توخالی (مثل یک بالون فلزی) بدلیل سبکی، در خلاء یا لایه‌های رقیق جو دچار "تلوتلو خوردن" یا (Precession/Wobble) می‌شود. SBX-1 با تحلیل طیف فرکانسی بازگشتی، این نوسانات ریز را می‌بیند و نموداری از توزیع پراکندگی (Scattering Centers) روی جسم می‌سازد که عملاً یک دو بعدی از هدف است.

@Science_Prime