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【空軍】【海軍】雷達與隱身技術之間的矛盾關係(下)

2014-08-21 18:43:00

原文网址:https://blog.udn.com/MengyuanWang/108908628



最新的雷達天線技術是AESA。英文的“Active”一般翻譯為“主動”,它的真正涵義是指陣列的每個單元都有自己的驅動邏輯,可以獨立工作。而“Passive”(“被動”)當然就是指很多單元共用一個驅動邏輯。這個技術性的辭彙定義和15年前用在LCD(Liquid Crystal Display,液晶顯示)螢幕的所謂Active Matrix(主動矩陣)和Passive Matrix(被動矩陣)是一様的。用在雷達天線陣列上,主動陣的每個單元有它自己的T/R Module(發射/接收組件),而被動陣必須共用一個微波產生器。

AESA相對於PESA的優點在三個方面:首先,AESA的電磁波通路比縫隙陣列還要短,雖然T/R Module的效率稍低於PESA和縫隙陣列用的TWT(Traveling Wave Tube,行波管) ,但是整體來說,AESA的效率還是最高的。其次,現代的T/R Module用的是固態(Solid State)的砷化鎵(GaAs)晶片,可靠性要遠高於TWT。但是最重​​要的差別還是在於AESA可以數位化,以軟體程式來控制波束,所以有許多以前想都想不到的新功能,例如它可以同時發射好幾個波束,這些波束甚至可以用不同的頻率等等。又如雷達幹擾器的工作方式之一是在接受到敵方雷達波後,立刻送回一個和反射波相似但是頻率稍變的波束,用以困惑對方的相位多普勒電路,這個功能可以整合進AESA雷達裡面。

最早實用化的AESA是瑞典Ericsson在1985年開始研發的Erieye空用預警雷達(AEW&C,Airborne Early Warning & Control)。 Ericsson是世界微波通訊的領頭企業,完全有能力獨力發展全新一代的微波探測技術。而當時美國的軍用雷達製造商已經花了20年的心血和資金在老技術上,把縫隙陣列的技術潛力發揮得淋漓盡致,第一世代的AESA看來就並不是特別有吸引力。 1993年Erieye服役之後證實了AESA雷達的革命性優勢,AESA成為所有新雷達的標凖,除了破產的俄國和歡欣享受和平紅利的英法沒有積極發展AESA之外,世界上主要的軍工國家都全力投入,也就是以色列,美國和中共。

瑞典空軍的Erieye預警機,載機是Saab 340。

蘇聯解體之時,軍工企業忽然斷炊,連薪水都發不出來,絶大多數猶太裔的專家因而移民以色列,以色列一夕之間躋身一流軍工國家之列,在雷達方面他們的傑作就是Phalcon(Phased Array L-band Conformal Radar)空用預警雷達。 Phalcon採用L Band,比用S Band的Erieye抗隱身能力更勝一籌,是1990年代世界最佳的空用預警雷達,比美軍的E3用的PESA先進了一代。

第一代的Phalcon預警機,型號EL/M-2075,載機是波音707。第二代的Phalcon預警機,型號EL/W-2090,載機是俄製的IL-76;原本為中共開發,後來轉售給印度;轉盤裡是背對背的雙面陣列,依賴機械旋轉來完成360 °掃瞄。

中共在1994年簽約引進Phalcon,但美國強迫以色列於2000年撕毀合約,拆下已裝好的雷達,於是中共加速投資自主開發的L-Band AESA。 2005年,首艘052C驅逐艦服役,艦上裝有四面H/LJG346陣列,是世界第一部大型艦用AESA雷達。 2013年,052D驅逐艦服役,裝有更先進的H/LJG346A雷達,改用更大功率的T/R module和內建液冷系統,因而外表不再是為氣冷而設計的曲面。在空軍方面,空警2000預警機於2007年加入中共空軍序列,性能超過了Phalcon。隨後又發展了小號的空警200。去年,第二代的空警500開始露面。如今共軍預警機的開發瓶頸不在雷達,而在載機,這必須等到C919客機在2016年服役之後才能完全解決。

共軍的空警2000,載機也是俄製的IL-76,原本裝了Phalcon,後來以色列拆下雷達將空機交給中共;雷達盤為固定式,內含三個陣列,由純電子掃瞄便可完成360°監視。

美國在蘇聯解體之後,也享受和平紅利,並沒有急著換裝已有的縫隙陣列和PESA雷達;只有為全新的F22開發X-Band AESA,這就是AN/APG-77,2006年服役,它是世界第一部實用的戰鬥機用AESA(之前日本F-2裝備的J/APG-1性能並不比同時代的縫隙陣列雷達有明顯的優勢),至今仍是所有其他戰機雷達的標竿。到2010年後,升級F15,F16和F18用的AESA雷達先後完成,不過美國目前財務困難,全面換裝遙遙無期。

AN/APG-77和F-22;這個AESA有1956個單元,至今仍無其他戰機雷達能出其右。

AN/APG-77和後續為F35而衍生的AN/APG-81雖然技術先進,功能強大,其反隱身的能力仍然受X-Band波長的限制,遠不及共軍裝在預警機和區域防空艦的L -Band和S-Band AESA。這當然不是巧合。美國獨霸隱身技術有30年之久,他自己沒有迫切的反隱身需求,而中俄則相反。尤其是中共,其軍用電子技術經過20多年的精心培育,已經發展到幾乎趕上美國的地步,不但在大型低頻AESA領先美國,連X-Band雷達也只有5-10年之遙,例如前年定型的J-10B配有中共第一代X-Band AESA(有人說J-10B原本裝了PESA,生產很小的數目後AESA就出來了,從此改用新雷達;不論這傳言真假,2014年下線的J-10用的確是AESA),相當於美國正在兜售給國軍F-16A/B升級用的SABR(Scalable Agile Beam Radar);而J-16所配備的中共第二代X-Band AESA則基本等同美國海軍為F-18E/F升級所開發的AN/APG-79。

Northrop的Sabr是三種F-16可用的AESA之一,原定給國軍和美軍升級F-16用的,但美軍自己的升級計劃因缺乏經費而取消;南韓訂購的RACR(Raytheon Advanced Combat Radar)則還在進行中,或許國軍可以改向Raytheon購買;Northrop的AN/APG-80用電太多,只能裝在全新的F-16 Block61上。

F-117的雷達截面積(縱軸)對雷達波頻率(橫軸)的關係。只有在5-15GHz(即C,X和Ku-Band)才完全隱身,對L-Band其截面積高達0.6平方公尺,空警2000可以在250公里外輕鬆截獲其反射訊號。F-117的飛行性能基本上像一隻裝了印擎的豬,執行任務全靠隱身,一旦遇到L-Band預警機就只有等被燒烤的份。難怪空警2000一出現,美軍就急忙在2008年把F-117提前淘汰,還嘴硬說是為F-35讓道;其實F-35計劃毛病叢生,到現在還不能真正量產。

希望有耐心讀完全文的讀者到此了解為什麼F22和F35對共軍已經沒有壓倒性的優勢。美軍因此必須依賴B2和B3這些隱身轟炸機。它們因為採用了飛翼形設計,外形折線尺寸在十公尺以上(如B2翼展每邊26.2公尺,其前緣就是一條直線),對L-Band仍然具有極為有效的隱身能力。當然共軍也在開發HF頻道的大波長雷達陣列,由於電離層的反射,HF電磁波甚至可以越過地平綫前進,因此又叫“天波雷達”,其波長則剛好對隱身轟炸機有最佳的探測效果。像這様的道高一尺魔高一丈的攻防技術競賽是軍事歷史上的常態,在可見的未來,仍將繼續下去。

中共海軍在東海海岸線上建立的HF天波雷達陣列。

4 条留言

lastman907
2017-05-21 00:00
我觉得你这篇文章最后犯了个名词错误,通过HF在电离层反射的巨型雷达阵列叫做skywave(天波)雷达,地波雷达用的是频率更低的longwave波段,对应英语groundwave
是我不小心,多謝更正。
Fanboy
2024-12-28 02:58
昨天中国的一系列媒体爆出了成飞/沈飞新飞机的照片。

成飞银杏叶形状的飞机看上去外形折现有超过10米,参照这篇文章的内容,这算不算是第一个达到L-band隐身的战斗机?这个新飞机对于雷达与隐身,战斗机和预警机的对抗是否有新的决定性影响?

昨天我看到視頻的時候,吃了一驚,因爲這架原型機有三個特點,其中後兩者超乎原先預期:1)高度隱身外型;2)三引擎;3)尺寸極大。於是這有兩個可能:1)它的目標用途是類似F-35的打擊戰鬥機,只不過爲了避免後者的諸般設計妥協而大幅增加尺寸,以便在極緻隱身的前提下還要顯著提升載彈量,這對應著網傳的JH-26。2)它是全新戰術思維下的產物,是終極的有人戰鬥機(換句話説,如同J-20那樣,制空即便不是唯一任務,也是首要任務),尺寸和多引擎是爲了史無前例的極高航程和速度而設計的,姑且稱之為J-36。

仔細想想之後,可以排除第一個可能。這是因爲打擊戰鬥機對速度要求不高,如果因載彈量指標而追求大引擎推力,完全可以通過增大涵道比來達成,沒有必要多負擔第三台引擎的死重和體積。此外,同一天外傳的沈飛新機也可以拿來做為旁證參考;這是因爲這兩款原型機很可能在競標中國空軍的同一個項目,而沈飛的設計明顯是隱身優化後的J-35,尺寸和戰術思路都很傳統,明顯屬於殲擊機而不是殲轟機。

其實成飛在上一代主戰戰機的競標過程中,就已經展示出遠超沈飛人云亦云匠氣心態的高瞻遠矚,能深入推測下一代空戰的模式,獨立於客戶要求而自行做出性能指標的取捨,這才有了J-20獨步天下的氣動外型。現在更進一步,除了人盡皆知的全方位隱身之外,將6代機的性能指標重點放在航程和速度上,可以説是意料之外、情理之中。畢竟高空高速是1950年代後期二代機的追求,原本公認是早已過時的,現在卻在第六代制空戰機上復活,契機之一應該來自新一代遠射程空空導彈的AI制導性能,尤其是下射能力(例如目前空戰中與正面敵機對射中遠程空空導彈之後的標準應對戰法,是轉向90°俯衝,混淆多普勒雷達信號的同時,將追擊來的導彈拖入高密度、大阻力的低層大氣,試圖依賴自身機載燃料優勢、耗盡彈體動能;然而這在下一代導彈雷達的識別和追蹤算法之下,很可能會失效,因而成飛顯然認爲依靠全方位隱身和更高速高效的超音速巡航能力、從高空轉向脫離更靠譜些)。有趣的是,導彈制勝論原爲1960年代美軍開發第三代戰機F-4時的信仰,同樣也曾被公認為過時。至於當年的導彈制勝論導致放棄高空高速,而現在的結論卻完全反轉過來,關鍵當然在於强大隱身技術、馬赫2巡航能力和無人僚機等全新的技術環境背景。我已經點明了主要因果脈絡,讀者可以順著這些邏輯綫自行走一遍論證,嘗試複製成飛的結論。

當前最大的不確定性在於那第三台引擎,它應該是專爲馬赫>~2的超音速巡航而裝備的(這除了前述的死重取捨之外,也可以從其進氣道看出端倪:放在機背上代表著不適合在大攻角下工作,只能是爲了平飛而設計,《觀察者網》上“軍事專家”的所謂“提高起降性能”是白癡級的評論),那麽自然可能不采用適合中低速的渦扇,而選擇為馬赫2-3速度區間而優化的衝壓或類似引擎。這裏還有另一個考慮,衝壓引擎結構極爲簡單,自重很低,作爲第三個引擎的代價比較容易接受。目前有沸沸揚揚的傳言說那是爆震引擎,我覺得證據遠遠不足以如此論斷,畢竟爆震引擎的技術很不成熟,全世界沒有任何一臺實用機型,就算中國在這方面獨步全球,在革命性的戰鬥機上硬上不只是革命性、而應該説是實驗性的引擎,也絕對不是明智之舉。
Submarine
2024-12-29 00:24
很久之前就有传言,成飞对于下一代战斗机的目标是“双三”,即巡航速度3马赫,高度30km。但是考虑到发动机问题,估计初始版本的J36只能使用WS15+冲压发动机,性能会缩水,后期才会用新体制发动机。

另外也有传言,沈阳试飞的并不是有人机而是无人机。不过无论怎样,未来5年内,中国新一代的打击体系会IOC,空军的隐形无人机+J36的组合已经可以让美国的第二岛链全部破产,美国必须撤回夏威夷。



那第三台專用於超音速巡航的引擎,的確讓我聯想到可能是因爲中國還沒有類似SR-71上J58引擎的變循環功能,所以分開安裝,但馬上又否決了複製SR-71馬赫3巡航速度的可能性,因爲在這種速度下,機體溫度太高,不但影響隱身塗層,而且紅外綫信號極爲强烈,很容易被光電探測儀鎖定。或許成飛有解決方案或邏輯(例如假設交戰距離>200km,遠超光電探測的極限),但我個人目前所理解的取捨,估算最優速度為馬赫>~2。

如果沈飛的那架是無人機,旁證參考就用不上了;還好,之所以叫做“旁證參考”原本就代表其在論證中的價值可有可無,這是因爲引擎的那條邏輯綫單獨看證據力也足夠強。不過我覺得應該不是無人機,因爲視頻中曾出現引擎冒黑烟,似乎是開后燃加力的結果,而無人機即使配備了后燃室,也不大可能在首飛就用上。不論如何,若是成飛機型已經競標成功(例如沈飛繼續負責海航?),那麽後續發展的進度會很快。J-10和J-20都是首飛14年不到就換代了,甚至都還來不及等到原計劃的全功能引擎正式列裝,成飛的研發效率真是讓人嘆爲觀止。
AbzX5
2024-12-29 04:06
常言道 Go up, blow up. 然而在所有人都认为应该往下俯冲的时候, 成飞却选择了让未来的飞机在高空转向. 之前总设计师杨伟曾多次在公开场合表示, 六代机很麻烦, 因为前方已经没有可以参考的了, 需要自己重新思考到底六代机应该长什么. 现在我们大概知道他思考出来的答案了. 不光是军事科技, 相信随着中国的发展, 越来越多的先进技术发展都会遇到类似的问题, 这个时候就鼓励读到本博客的各位各行各业的精英们, 去大胆开拓新的领域. (反面案例, 再一次强烈批评学术腐败对进步的阻碍)

有良心、有真才實學的專業人士,還是不少的。博客不敢說對他們有什麽直接助力,只能間接地通過批判那些假未來科技,替真正爲國爲民做出貢獻的英雄們爭取更多的資源和名聲。尤其中科大和等離子所詐騙集團已經以行動證實,他們有能力和意圖完全掌控媒體,在自家宣傳被事實打臉之後,修改歷史以便重啓新詐騙項目。這幾年我高調批評他們,並不是指望説服官員和大衆,而是企圖留下記錄和印象,等到詐騙者下一波試圖捲土重來的時候,增加他們洗白自身詐騙歷史的難度。所以需要博客讀者共同努力,在公共論壇上挑起的相關爭議越大越頻繁,量子計算和核聚變發電破產倒閉之後,他們東山再起所指望的群衆遺忘就越難實現,新詐騙企圖才有被阻撓的可能。

氫動力和核聚變是多年前博客專文批判過的兩大假未來科技。今天看到下面這則新聞,説的是一家氫動力汽車公司的主管們,先出清自己手頭上的股票,然後才向股東公佈公司即將關門破產,剛好可以供大家參考,預習體會一下幾年後全世界(當然也含中國)那近百家核聚變發電公司倒閉的過程:

https://fuelcellsworks.com/2025/01/02/fuel-cells/hyzon-executives-sell-remaining-shares-as-dissolution-vote-looms
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