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【空军】【海军】雷达与隐身技术之间的矛盾关系(下)

2014-08-21 18:43:00

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



最新的雷达天线技术是AESA。英文的“Active”一般翻译为“主动”,它的真正涵义是指阵列的每个单元都有自己的驱动逻辑,可以独立工作。而“Passive”(“被动”)当然就是指很多单元共用一个驱动逻辑。这个技术性的辞汇定义和15年前用在LCD(Liquid Crystal Display,液晶显示)萤幕的所谓Active Matrix(主动矩阵)和Passive Matrix(被动矩阵)是一様的。用在雷达天线阵列上,主动阵的每个单元有它自己的T/R Module(发射/接收组件),而被动阵必须共用一个微波產生器。

AESA相对于PESA的优点在三个方面:首先,AESA的电磁波通路比缝隙阵列还要短,虽然T/R Module的效率稍低于PESA和缝隙阵列用的TWT(Traveling Wave Tube,行波管) ,但是整体来说,AESA的效率还是最高的。其次,现代的T/R Module用的是固态(Solid State)的砷化镓(GaAs)晶片,可靠性要远高于TWT。但是最重​​要的差别还是在于AESA可以数位化,以软体程式来控制波束,所以有许多以前想都想不到的新功能,例如它可以同时发射好几个波束,这些波束甚至可以用不同的频率等等。又如雷达干扰器的工作方式之一是在接受到敌方雷达波后,立刻送回一个和反射波相似但是频率稍变的波束,用以困惑对方的相位多普勒电路,这个功能可以整合进AESA雷达里面。

最早实用化的AESA是瑞典Ericsson在1985年开始研发的Erieye空用预警雷达(AEW&C,Airborne Early Warning & Control)。 Ericsson是世界微波通讯的领头企业,完全有能力独力发展全新一代的微波探测技术。而当时美国的军用雷达制造商已经花了20年的心血和资金在老技术上,把缝隙阵列的技术潜力发挥得淋漓尽致,第一世代的AESA看来就并不是特别有吸引力。 1993年Erieye服役之后证实了AESA雷达的革命性优势,AESA成为所有新雷达的标凖,除了破產的俄国和欢欣享受和平红利的英法没有积极发展AESA之外,世界上主要的军工国家都全力投入,也就是以色列,美国和中共。

瑞典空军的Erieye预警机,载机是Saab 340。

苏联解体之时,军工企业忽然断炊,连薪水都发不出来,絶大多数犹太裔的专家因而移民以色列,以色列一夕之间跻身一流军工国家之列,在雷达方面他们的杰作就是Phalcon(Phased Array L-band Conformal Radar)空用预警雷达。 Phalcon採用L Band,比用S Band的Erieye抗隐身能力更胜一筹,是1990年代世界最佳的空用预警雷达,比美军的E3用的PESA先进了一代。

第一代的Phalcon预警机,型号EL/M-2075,载机是波音707。第二代的Phalcon预警机,型号EL/W-2090,载机是俄制的IL-76;原本为中共开发,后来转售给印度;转盘里是背对背的双面阵列,依赖机械旋转来完成360 °扫瞄。

中共在1994年签约引进Phalcon,但美国强迫以色列于2000年撕毁合约,拆下已装好的雷达,于是中共加速投资自主开发的L-Band AESA。 2005年,首艘052C驱逐舰服役,舰上装有四面H/LJG346阵列,是世界第一部大型舰用AESA雷达。 2013年,052D驱逐舰服役,装有更先进的H/LJG346A雷达,改用更大功率的T/R module和内建液冷系统,因而外表不再是为气冷而设计的曲面。在空军方面,空警2000预警机于2007年加入中共空军序列,性能超过了Phalcon。随后又发展了小号的空警200。去年,第二代的空警500开始露面。如今共军预警机的开发瓶颈不在雷达,而在载机,这必须等到C919客机在2016年服役之后才能完全解决。

共军的空警2000,载机也是俄制的IL-76,原本装了Phalcon,后来以色列拆下雷达将空机交给中共;雷达盘为固定式,内含三个阵列,由纯电子扫瞄便可完成360°监视。

美国在苏联解体之后,也享受和平红利,并没有急着换装已有的缝隙阵列和PESA雷达;只有为全新的F22开发X-Band AESA,这就是AN/APG-77,2006年服役,它是世界第一部实用的战斗机用AESA(之前日本F-2装备的J/APG-1性能并不比同时代的缝隙阵列雷达有明显的优势),至今仍是所有其他战机雷达的标竿。到2010年后,升级F15,F16和F18用的AESA雷达先后完成,不过美国目前财务困难,全面换装遥遥无期。

AN/APG-77和F-22;这个AESA有1956个单元,至今仍无其他战机雷达能出其右。

AN/APG-77和后续为F35而衍生的AN/APG-81虽然技术先进,功能强大,其反隐身的能力仍然受X-Band波长的限制,远不及共军装在预警机和区域防空舰的L -Band和S-Band AESA。这当然不是巧合。美国独霸隐身技术有30年之久,他自己没有迫切的反隐身需求,而中俄则相反。尤其是中共,其军用电子技术经过20多年的精心培育,已经发展到几乎赶上美国的地步,不但在大型低频AESA领先美国,连X-Band雷达也只有5-10年之遥,例如前年定型的J-10B配有中共第一代X-Band AESA(有人说J-10B原本装了PESA,生產很小的数目后AESA就出来了,从此改用新雷达;不论这传言真假,2014年下线的J-10用的确是AESA),相当于美国正在兜售给国军F-16A/B升级用的SABR(Scalable Agile Beam Radar);而J-16所配备的中共第二代X-Band AESA则基本等同美国海军为F-18E/F升级所开发的AN/APG-79。

Northrop的Sabr是三种F-16可用的AESA之一,原定给国军和美军升级F-16用的,但美军自己的升级计划因缺乏经费而取消;南韩订购的RACR(Raytheon Advanced Combat Radar)则还在进行中,或许国军可以改向Raytheon购买;Northrop的AN/APG-80用电太多,只能装在全新的F-16 Block61上。

F-117的雷达截面积(纵轴)对雷达波频率(横轴)的关系。只有在5-15GHz(即C,X和Ku-Band)才完全隐身,对L-Band其截面积高达0.6平方公尺,空警2000可以在250公里外轻松截获其反射讯号。F-117的飞行性能基本上像一只装了印擎的猪,执行任务全靠隐身,一旦遇到L-Band预警机就只有等被烧烤的份。难怪空警2000一出现,美军就急忙在2008年把F-117提前淘汰,还嘴硬说是为F-35让道;其实F-35计划毛病丛生,到现在还不能真正量產。

希望有耐心读完全文的读者到此了解为什么F22和F35对共军已经没有压倒性的优势。美军因此必须依赖B2和B3这些隐身轰炸机。它们因为採用了飞翼形设计,外形折线尺寸在十公尺以上(如B2翼展每边26.2公尺,其前缘就是一条直线),对L-Band仍然具有极为有效的隐身能力。当然共军也在开发HF频道的大波长雷达阵列,由于电离层的反射,HF电磁波甚至可以越过地平綫前进,因此又叫“天波雷达”,其波长则刚好对隐身轰炸机有最佳的探测效果。像这様的道高一尺魔高一丈的攻防技术竞赛是军事歷史上的常态,在可见的未来,仍将继续下去。

中共海军在东海海岸线上建立的HF天波雷达阵列。

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,多谢更正。
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。
2024-12-28 16:03 修改
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。
2024-12-30 07:31 修改
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
2025-01-03 12:55 修改
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