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威盈国际-反隐身的新一代利器:俄罗斯甚高频VHF相控阵雷达发展前传

2020-01-09 14:35:29

来源:剪市新闻  

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威盈国际-反隐身的新一代利器:俄罗斯甚高频VHF相控阵雷达发展前传

威盈国际,电磁波起初登上历史舞台的时候,其波段管理并不规范。各国处于保密的原因,对于雷达波段并不进行明确严格的划分,而是用具有一定隐晦意义的字母进行标定。最早用于搜索雷达的电磁波波长为23cm,这一波段被定义为l波段,意为long wave长波(后来这一波段的中心波长变为22cm)。波长为10cm的电磁波被使用后,其波段被定义为s波段,意为short wave短波,就是比以前波长更短的波段。在主要使用3cm电磁波的火控雷达出现后,3cm波长的电磁波被称为x波段,因为x代表座标上的某点。为了结合x波段和s波段的优点,逐渐出现了使用中心波长为5cm的雷达,该波段被称为c波段,意为compromise结合两种波长优点的意思。在英国人之后,德国人也开始独立开发自己的雷达,他们选择1.5cm作为自己雷达的中心波长。这一波长的电磁波就被称为k波段,意为kurtz,德语中“短”的意思,这和英国人的命名很像。由于最早的雷达使用的是米波,这一波段被称为p波段,意为preylous以往的波段。该系统十分繁琐、而且使用不便。后来被一个以实际波长划分的波分波段系统取代。在我国的电磁波段划分中,米波就是波长1—10米的电磁波段,频率30mhz-300mhz,称之为甚高频波段,英文缩写vhf。

冷战结束以后,美国常规军事力量的核心和前提便是掌握制空权,这种战争模式已经在1991年的沙漠风暴,1999年南斯拉夫和2003年的伊拉克战争中得到体现和验证。

美国空中力量优势的核心便是隐身技术,它保证了美国空军拥有了能轻松刺穿防空系统(尤其是冷战时代的防空体系)的能力。上世纪七八十年代发展起来的隐身技术堪称冷战时期最重要的军事技术成果。冷战最后十年,美国在隐身战机领域的投入和研发并没有引起苏联的过度忧虑。他们研发和部署了先进的高机动性地空导弹系统——s-300v/sa-12和s-300p m/sa-10b以及第四代战斗机米格29和苏-27(按苏联战斗机划代标准——译者注),新一代雷达给它们提供了有力支持。苏联决策层相信,在军备竞赛中,军事技术的钟摆摆向了他们一边。直到1991年,伊拉克的防空系统在美军“哈姆”反辐射导弹和ef-111a、ea-6b电子战飞机的打击下彻底崩溃,这才引起了对苏联特色的高密度、复杂重叠式防空模式的普遍怀疑。最令苏联防空模式支持者尴尬的是f-117a“夜鹰”可以在伊拉克防空系统最严密的巴格达上空自由来去,毫发无伤。

海湾战争中一展身手的f-117

隐身(或者称之为低可探测)技术、大规模使用的精确制导武器,以及先进的情报、监视侦察技术(isr)确保了美国武装力量对天空的控制。自苏联解体后,这三个关键技术基本可以用来定义美国的空中力量甚至美国的战争模式。美国在1991年取得的惊人成功对俄罗斯国防工业带来了巨大的冲击,为了生产出能遏制-美国的军事行动能力的高标准的武器装备。20世纪90年代中后期,俄国防行业的规划者们开始为下一代产品制定标准。焦点集中在三个方面,击败美国的精确制导武器、击败美国的isr能力,最重要的是打破美国空军的隐身垄断。同时,作为对美国新一代战机的反应,俄罗斯也开始研发四代半和五代战机,例如苏35和-米格35以及pak-fa项目,此外还有大量翻版美国设计的精确制导弹药和与众不同的俄罗斯超音速打击武器。

无可匹敌的f-22

尽管苏联解体后经济滑落,俄罗斯军工业还是发起了对美国军事能力关键领域的追赶。随着全球化的进展,先进技术的引入和推广促使其他国家拥有了追赶美国军事科技实力的机会,尤其是计算机软硬件方面。俄罗斯和中国的国防工业目前都足以在基本的机械制造等领域与美国相抗衡。目前,美国只在隐身技术领域维持一个强大的领先地位,并由此衍生出相对应的军事技术,包括最先进的雷达和光电设备。

击败精确制导弹药的途径建立在三个技术基础上。首先是点防空武器,尤其是那些可在精确制导武器弹道终端予以拦截的——9k332“道尔”m2e(由sa-15发展而来)、96k6 s1/sa-22都是装备有相控阵雷达的数字化武器系统,专门用来对付高速反辐射导弹、小直径直接打击弹药、“宝石路”激光制导炸弹、联合防区外打击武器和巡航导弹等。综合预警和反制系统也已整合在了防空雷达上,包括导弹接近告警器、雷达诱饵、箔条和红外诱饵弹发射器、烟雾发生器以及全球定位系统干扰器。

道尔-m1/kupol 9k330(萨姆-15地空导弹系统)

新型道尔-m2m/9k3323合一系统,采用了新型相控阵雷达和光电跟踪系统,安装在明斯克生产的轮式全地形运输车底盘上

苏联时期广为运用的半机动或固定式防空导弹/雷达系统也完成了一个全面的转变。这些笨重的装备全部实现了自行化。目前,俄罗斯防空系统已经具备了5分钟“打跑”能力。后期型的s-300pm u2/sa-20、s-400/sa-21、9k332“道尔”m2e和96k6 si/sa-22都可以达到这个标准。俄罗斯最近的计划是将s-300vmk/sa-x-23装上轮式底盘以及研发buk m2/sa-17的轮式衍生型。所有这些系统都装备了相控阵雷达和数字式无线电通信网络,并与战场管理和支持系统相连。

早在冷战末期,苏联就装备了数量庞大的陆基和空基干扰器,它们被用来对付北约的e-3预警机、u-2高空侦察机和e-8预警机,也被安装在反辐射导-弹上。空基干扰器被安装在雅克-28pp、图16p/pp飞机上(其角色类似于美国空军的野鼬鼠中队——ef-111a和e a-6b电子干扰机)。苏联解体前后研制的用来对付美军雷达的陆基干扰器现在不仅仍在生产,并且进行了改进。它们包括signal topoi e(专门针对美国海军e-2c预警机)l pelena-1/2系列(针对e-3预警机雷达)以及kvant spn-2/1rl248系列(覆盖x波段和ku波段和ku波段,针对e-8预警机、u-2侦察机、“全球鹰”无人机和为数众多的战斗机、无人机搭载的高分辨率地形成像雷达)。

苏军装备的米-8pp型电子支援直升机,由于采用了笨重的电子管器件,不得不加装复杂的散射系统

在不久的将来,美军将不得不面对一系列防空系统的挑战,从传统的苏联系统到新式的俄罗斯系统,从冷战时代的混合物到可能出现的新系统等等。而且可以看出,苏联时代传统s–125 neva/sa–3 goa, s–200 vega/sa–5 gammon, 2k12 kvadrat/ sa–6 gainful, 9k33 osa/sa–8 gecko, 9k35/sa–13 gopher的升级, 以及 9k37 buk/sa–11 gadfly的数字化和固态雷达在市场上大受欢迎。而用新的自行式基阵对s–125 neva/sa–3 goa 和 9k33 osa/sa–8 gecko进行机动性方面的升级也非常受欢迎。俄罗斯和白俄罗斯制造商还对他们全部的冷战时代机动一体化防空系统和炮台指挥中心进行了重新设计,并利用现代的数字cost(商用现货)技术开发出新的衍生产品。

隐身是典型的针对性设计,其目标是某些特定型号的,特定波段的雷达。目前在实际中运用的有两种截然不同的隐身理念:假如一种战机需要进行纵深突防,面对敌方多种防空系统的联合,那么它必须被设计成“宽频谱隐身”;如果某种战机只需要执行浅近纵深突防任务或者只需面对分散的野战防空系统,那么它只需要“窄频谱隐身”,通过击败对方的火控和跟踪雷达,打断对方防空系统的“杀伤链”(发现一锁定一引导攻击一评估结果的作战流程)就足够了。隐形设计人员有两个主要的技术可以用来降低飞机的雷达特征信号。分别是采用独特的机身设计和吸波、透波材料技术。通常,第一种采用独特的外形设计技术可以减少100-1000倍的信息特征,进一步的材料技术则可以减少10-30 倍。这些技术的智能运用可以在关键部位将一架b–52大小的b–2a 幽灵轰炸机的信息特征减小为和一只小鸟一样大。

b-2a在普通雷达上的信息特征只有一只鸟一样大小

外形设计技术和材料技术两者的效果都和上述敌方雷达的波长或频率有着密切的关系。外形特征必须要大于雷达波长才会真正的有效。如一个外形特征在厘米x波段或ku波段中有着很小的信息特征,但是到了分米和米波段,它的信号特征可能就会放大10倍或者更大。

飞机调整外形以及现用雷达吸波材料,只能有效对抗工作频率在0.2-29gh z的厘米波雷达。当雷达波长与被照射目标特征尺寸相近时,在目标反射波与爬行波之间产生谐振现象,尽管没有直接的镜面反射也会造成强烈的信号特征。例如,某些陆基雷达的长波(米级波)辐射能在飞机较大的部件(平尾或机翼前缘)上引起谐振。在波长很短(毫米波)的雷达照射下,则飞机的不平滑部位相对波长来说显然增多,而任何不平滑部位都会产生角反射并导致rcs增大。大多数雷达吸波材料都含有“活性成分”,经雷达波照射后其分子结构内部产生电子重新排列。分子振荡的惯性会吸收一部分入射能量。但是,照射波的波长越长,分子振荡越慢而吸渡效果越不明显。雷达跳出目前隐身技术所能对抗的波段,将使飞机的隐身性能大大降低或失效。另外,目前的雷达波隐身技术主要是针对微波雷达的,飞机的红外辐射可以减弱并限制在一定的方位角内但不能完全消除。发展可见光或接近可见光波段的探测器,以及提高红外传感器的探测性能,也可作为探测隐身飞机的措施及手段。

长波雷达可以对付隐身飞机的外形调整设计及现用的雷达吸渡材料,使得隐身飞机外形设计与雷达吸波材料(涂层厚度有难以实现的过高要求。近年来,一些国家重新重视研制长波雷达。目前发展很快的长波雷达是超地平线雷达(oth),其工作波长达10~60米(频率为5--28mhz),完全在正常雷达工作波段范围之外。这种雷达靠谐振效应探测大多数目标,几乎不受现有雷达吸波材料的影响。国外还非常重视发展毫米波雷达,目前已有可供实用的毫米波雷达。但是,频率越低波束越难集中,而频率越高波束传播损耗越大。美国空军曾在1990年有关反隐身对抗的总结报告中称,甚高频(vhf)雷达(频率160--180mhz,波长1.65~1.90米)在探测低飞目标或对付人工干扰时存在严重问题;oth雷达提供的跟踪和定位数据不够精确:毫米波雷达(频率约为94ghz)探测概率不高。

从雷达波反射特性来讲,米波雷达对于隐身飞机和反辐射导弹确实具有优势。各类飞机目标的rcs(雷达发射截面积)显著地依赖于被观察飞机的类型、照射频率和姿态角,同时也与照射波极化有关。标准散射体与锥球体等目标的rcs明显依赖于照射频率。而飞机属于复杂结构形状目标,后向散射较为复杂。正由于飞机的隐身设计一般针对常用的微波频段,因此飞机rcs的频率响应通常两端高,中间低。也就是说对于波长很长和波长很短的雷达波而言,隐身作战效能并不突出。而且米波在目标上会产生谐振效应。雷达波在打到与自身波长可比拟的导体上后,会在目标上产生自发的震荡并且对于雷达回波有很强的加强作用。由于隐身飞机的外形尺寸与米波雷达波长恰好相比拟,因此在米波打在机翼、垂尾等处时会发生谐振。这会增加隐身飞机的rcs,导致隐身飞机作战效能下降。

2米波段下jsf将无可遁形

俄罗斯反隐身雷达设计师已公开声明,他们聚焦干甚高频波段雷达是因为无论外形隐身还是吸渡涂料在这个波段上效能都将大幅降低。但是在西方,大部分的vhf频段搜索雷达在20世纪50年代的时候就被遗弃了,转而使用磁控管和行波管雷达,进行l波段和s波段的操作。而苏联坚持使用这项技术直到冷战结束,这主要是因为vhf频段雷达的制造成本要低得多,使用的天线和发射器技术和使用在电视信号发射器上的相类似。苏联最著名的vhf雷达是delfin 或者 knife rest p–8/p–10型雷达以及后来的p–12/p–18 spoon rest,并对其进行了大批大批的生产和出口,可以用于s–75 或sa–2 guideline地对空导弹系统上作搜索和探测雷达。其次是体积较大的p–14 tall king“高国王”,最常见的是用来做s–200/sa–5 “甘蒙”的搜索雷达。这些繁琐的设计使得部署和装载起来很慢,而且目标位置的测定也极不精确,缺少测高能力,同时对抗低空飞行目标和干扰机的表现也不佳。在西方,俄罗斯vhf雷达技术通常被认为和spoon rest“汤匙柄”和tall king“高国王”那一代的相同。

早期的p–8/p–10 knife rest 长波雷达,采用了独特的天线设计

上:p-12下:p-18spoon rest甚高频雷达

p-12/18雷达显控台

米波雷达的特点基本来讲,就两条:首先是,大气衰减小。同样的发射功率,同样的传播距离,雷选波的衰耗程度基本与波长成反比。因此米波雷达格外适合做远距离探测手段,比如远程二坐标预警雷达:第二是精度差。雷达的方位分辨率与天线尺寸成正比,与雷达波长成反比。也就是说对于同样大小的天线,波长更长的雷达波的探测分辨率越低。通常情况下,米波雷达的波束宽度在1°~5°左右,也就是说只能提供精度在1°以上的目标坐标。如果雷达探测距离是300公里,在雷达最大作用距离处发现目标,其方位角误差可能高达1°这就意味着雷达探测到的坐标和实际目标位置相差数公里。因为精度太差,常规米波雷达提供的高度信息基本可以无视,所以米波雷达通常都作为二坐标预警雷达存在。

而且早期甚高频雷达因为需要花费很长时间架设,所以显得笨重并且费事。如“匙架”雷达需要2小时架设,而“tall king”需要24至48小时架设。甚高频雷达存在其它不足:如主瓣带宽较宽,角分辨率较低,跟踪低空目标时杂乱回波抑制性能较差,易受电视、调频、便携式电台信号的干扰。上述三种雷达都不具有测高能力,需要s波段测高雷达系统的支持。苏联在20世纪50年代和60年代部署了大量甚高频波段和超高频波段雷达,但是在70年代,特别是80年代使用精确度更高、性能更好的s波段雷达替换了大多数这些雷达,并且将这些老式的雷达销售或援助给第三世界国家。

冷战后期,美国实施隐形计划,针对苏联导弹截获雷达、新型搜索雷达制造出许多战略技术装备。除非距离非常近,苏联雷达系统是不能发现f-117a的。在1991年海湾战争中,f-117a没有出现任何损失,只有大口径防空高炮的碎弹片对其造成战斗损伤。海湾战争开始时,美军出动ah-64和mh-53直升机深入到伊拉克后方发动空袭,摧毁伊军甚高频段p-18“匙架”雷达,以及p-15“flat face”和p-15m“squat eye”超高频雷达组合,此次行动未受外界广泛评论。虽然美军从未透露此次非通寻常的攻击的原因,但是可以推断出,如果不予以摧毁,这些雷达可能会向萨达姆的防空系统发出警告,第一波f-117a战机即将攻击巴格达。

到冷战末期的时候,它已经被认为过时了。实际上,苏联只制造出nniirt 1l13 nebo sv这一种该类别的雷达,而且这种雷达逐渐取代了当时广泛使用的p-14“tall king”与p-12/18“匙架”(spoon rest)b/d雷达。

苏联解体前研制的最后一种甚高频雷达1l13 nebo sv (box spring)

当海湾战争中的黑色“夜鹰”出尽风头、让苏联的老式米波雷达彻底糗翻的时候,波斯尼亚上空的一声巨响又让人们对米波雷达燃起了新的希望。

北约在塞尔维亚的轰炸行动成为人们使用甚高频波段雷达的转折点:当时,塞尔维亚的防空部队利用“匙架”与snr-125 low blow数字化升级雷达,发射了一枚萨姆-3指挥链简易制导的地对空导弹,击落了一架f-117a战斗机。虽然相关技术资料仍不得而知,但据了解,美国当时并没有派遣ea-6b“徘徊者”电子战飞机干扰对方雷达,再加上其计划不周,才导致塞尔维亚导弹操作员预测到了该机的飞行航线,并设下了埋伏。自从此之后,俄罗斯针对各种老式系统,尤其是sa-3导弹系统与p-18“匙架”d型雷达开展的数字处理与固态电子升级包等业务。

1999年f-117折戟巴尔干,具有讽刺意味的是:它是被它8年前在海湾最先摧毁的老式雷达发现的

跨入市场经济的俄罗斯及时借着“波黑东风”,通过s-125防空导弹的数字处理与固态电子升级小赚了一笔

俄罗斯甚高频波段反隐形雷达的出现将改变美国隐形技术用户的游戏规则。隐形技术的优化在对抗s波段与x波段的目标获取和搜索雷达时仍存在不可逾越的障碍,再加上少量的现代甚高频波段雷达就会阻止隐形战机的突然袭击。如果雷达能够全面提供三维(方位角与测高)能力,那么作战规则就将会进一步被改变。甚高频波段三维雷达能够跟踪50海里或更远距离处的隐形飞机,高度精确测量角度的雷达则可以用来飞行中段制导面对空导弹,或直接拦截飞机。因此,俄罗斯设计人员的目的就是让甚高频雷达具备足够的精度,使导弹或飞机尽量接近实施渗透的隐形战机,使导弹或战机的x/ku波段雷达捕获隐形战机。更重要的是,俄罗斯的所有战机都装备了红外搜索和跟踪系统,并且装备红外导弹的战机还可配备了雷达制导的导弹,如aa-10“白杨”和aa-12“蝰蛇”导弹。俄罗斯设计人员经常提出一个问题,那就是把甚高频波段雷达频率设置得远远低于反辐射导弹(如agm-88哈姆与mbda alarm导弹)的频率范围,一般限于l波段或s波段。因此,战机必须利用多种武器系统才能定位并攻击雷达。

事实上20世纪80年代末至今,俄罗斯就利用很多新的研究成果,研制出了多种性能先进的米波三坐标雷达系统,采用已经非常成熟的雷达技术,如线性调频脉压、稀布阵列天线,相干积累、dbf技术等等。法国国家航空航天局(on era)联合汤姆逊csf公司于20世纪70年代提出了米波综合脉冲孔径雷达(r1as),这是一种全新体制的米波三坐标雷达。这种雷达采用了全向天线单元稀疏布阵,宽脉冲全向辐射。该雷达还是一种全计算机波束形成的雷达,采用米波频段,既具有米波雷达在反隐身和对抗反辐射导弹方面的优势,又克服了常规米波雷达分辨率差和抗干扰性能弱等缺点。该雷达集搜索,引导和跟踪于一体,既能够测量目标的距离、方位和高度,还可以精确地测量出目标的瞬时速度,抗干扰性能优异。riias还是一种边搜索边跟踪雷达(tas),且搜索与跟踪完全相互独立开来。

不过虽然技术进步很大,但是米波雷达本身的物理特性缺陷只能弥补,却不能完全改变。即便是采用了数字波束成形的雷达稀疏阵列,雷达方位分辨率依然受制于雷达天线尺寸。比如俄罗斯55k6-3米波雷达的天线外形是一种开放式框架水平网络,宽约15米,上部有一个高约20米的垂直开放式框架,这样的结构比较复杂,需要用很多拉索稳定,架设或拆收需要约22个小时。而且雷达阵元的尺寸也需要与雷达波长相比拟,相控阵米波雷达的阵元尺寸需要0.5米甚至数米才能保证发射效率。事实上,相控阵雷达要想产生一个俯仰波束宽度1°方位波束宽度1°的波束,大致需要1 0000万个等权阵元。米波雷达要想实现这个精度的探测,岂不是要足球场那么大的天线阵列,大尺寸的天线设备导致了米波雷达战术灵活程度很低,基本只能作为固定预警雷达使用。诚然在最近出现了一些机动预警雷达,但是其天线架设依然难度较大。

55k6-3米波雷达天线设计独特,但是机动性很差

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