[转个有技术含量的]权威解读J-20和细解相控阵雷达

fy197013 收藏 12 66621
近期热点 换一换

我国新型战斗机J-20横空出世后,其隐身性能及雷达性能成为广大军迷和读者关注的焦点之一。J-20到底有多隐身呢?它的雷达是不是有源相控阵雷达?其性能与F-22的雷达相比如何?J-20怎样与我国已装备的先进预警机协同作战?带着这些问题,我们专访了电子装备专家、国产某型预警机常务副总设计师曹晨研究员。


到底应该有多“隐身”


记者:提起作为四代机的歼-20,大家最关注的问题之一是它的隐身特性。您从雷达和电子的角度,如何看待战斗机的隐身问题?


曹:在四代机的4s特征中,第一个s指的就是隐身特征。战斗机如果能不被雷达发现,是因为它对雷达照射过来的电波,反射回雷达的非常少,专业上称为“低可观测性”,这就是“隐身”的含义。实际上,关于具备哪些条件才能称为“四代机”,在世界范围内并没有达成一致。我国新一代战机到底应该怎么搞,也未必一定要遵循目前西方四代或俄罗斯五代的路子。但是无论如何,在信息化战争时代,加强新一代战机在信息争夺方面的优势,是最重要的也是在发展方向上最没有争议的。而在谋求信息优势方面,至少有两个方面的含义,一是自己的雷达要能看到对方;二是让对方的雷达不能看见自己。


记者:如何评价战斗机的隐身能力?


曹:虽然也有红外隐身,但雷达是最主要的探测器,所以,隐身能力主要是看雷达反射截面积(RCS),它衡量了一个物体把照射到自己的雷达波反射回雷达的能力。反射回的能量越多,RCS就越大,雷达接收信号也就越强,雷达对这个物体看得也就越远。如果某个物体的RCS是5米2,这个物体反射雷达波的能力就相当于一个截面积为5米2的圆球。


记者:F-22、F-35和T-50这些四代机的RCS一般是多大?


曹:从研制厂家自己提供的数据看,在x波段(频率为8吉至12吉赫兹,波长为3厘米),雷达波从F-22的迎头部位照射过去,其雷达反射截面积(RCS)是0.01米2。F-35的是0.1米2,T-50则在0.05米2以上。而三代机以及更早的战斗机,在同样条件下,其雷达截面积为3~10米2。


记者:四代机的RCS比三代机缩小了几百倍甚至上千倍,为什么新一代战斗机在RCS上有这么大的变化?


曹:人们想缩减RCS,是因为雷达的探测距离与RCS的四次方成正比。如果把战斗机RCS从5米2降到0.01米2,即原来的1/500,雷达的探测距离将减少到原来的20%。加上战斗机的速度提高了一倍,对方的预警时间将大幅度减少。原来设计为能看400千米的雷达,只能看80千米,对现有的雷达系统冲击很大。RCS缩减带来作战效能的影响确实深远。我国著名科学家钱学森曾认为,隐身对现代战争的影响与核武器相当。


记者:同为四代机,它们的RCS却并不相同。那么,战斗机的RCS到底做到多大才合适呢?


曹:RCS不能无限制降低。首先,RCS同探测距离不是正比关系,而是开四次方的关系。把RCS降低16倍,探测距离才能减半,并不经济。其次,降低RCS需要花费很大代价。要降低战斗机的RCS,主要有两个办法,一是外形设计,使对方的雷达波照过来,反射回去的方向不是对方雷达的方向:二是吸波,使得对方的雷达波照射过来以后,反射的雷达波能量很小。吸波材料的研制很难,因为除了要吸收电磁波的能量外,还要轻,不能影响气动特性。隐身飞机的外形常常气动特性不好。所以,把RCS做小是有限制的,需要同其它方面折衷考虑。


记者:看来在提高战斗机的隐身能力方面,只有适度隐身,没有绝对隐身。


曹:是的。人们在谈论隐身特征时,实际上存在很多误区。我个人不赞同“绝对”隐身和“适度”隐身的说法。做这种区分本身就是不必要的。所谓隐身,是指降低战斗机本身对外来电磁波的反射特征,或者是自身辐射电磁波的特征。因为电磁波所覆盖的频率范围太宽,从几兆赫兹到成千上万个吉赫兹,覆盖无线电波频段、可见光频段、紫外和红外,要想让战斗机在这么宽的频率范围内做到隐身是绝对不可能的。另外,隐身的效果还要看频段和方向。一般讲的隐身,主要指的是对x波段的雷达反射比较小,世界上所有的战斗机上的雷达基本上都在这个波段工作。如果换一个别的波段,特别是米波波段,其雷达截面积可能大几十倍甚至几百倍。其二,战斗机本身的隐身特性,跟电磁波照射的方向有很大关系。F-22的0.01米2,指的是飞机的鼻锥方向,或者说是迎头方向:如果是侧面或尾后方向,RCS要大几十倍甚至上百倍都是有可能的。因此,你不可能在各个方向上对各个频段做到隐身。


记者:有俄罗斯媒体报道说,歼20雷达截面积只有0.05米2,与T-50相当。您如何看待这个数据?歼-20到底具备什么样的隐身能力?


曹:如果歼20能够做到这个数据是比较令人鼓舞的,但我认为俄罗斯的这个数据缺乏依据。通过对比F-22的外形设计可以判断,歼-20的雷达截面积相比二代机和三代机肯定是大大缩小,具备了隐身特征。至于有多隐身,我认为,如果歼-20能够把x波段的迎头方向雷达反射截面积相比现在的二代或三代机降低两个数量级(即100倍以上),比F-22高,但是比F-35低,与T-50相当就非常好,敌方雷达对歼-20的探测距离将比三代机降低一半以上。如果再做低,困难和代价会过大。从照片上看,歼-20的机体要大于F-22,这是降低RCS的不利因素,但是,这能增加设备量,包括载弹量,提高攻击能力。


为什么要采用有源相控阵雷达 。


记者:从世界范围来看,西方的四代机以及俄罗斯的五代机,甚至包括很多三代机,像米格-29、F/A-18C/D等等,为提高探测距离,都采用有源相控阵雷达,为什么呢?


曹:这是因为有源相控阵优点很多:可以非常灵活和快速地改变波束在空间的指向,容易获得更大的功率,可靠性高。举例来说,现有战斗机上雷达一般100小时内不会出故障,有源相控阵雷达在2000小时内都不会出故障。


有源相控阵还有一个优点就是在传递能量的过程中损失很小。这主要因为雷达发射机(收发组件)位于天线单元的后面,电流能量发射出去的路径很短,传输损失小,这对提高雷达的发现距离更有利。而非有源相控阵雷达,发射机离天线单元的距离远远大于有源相控阵雷达。通常,有源相控阵的能量损失比非有源相控阵少3~4倍。所以,有源相控阵雷达容易获得更远的探测距离。


最后,有源相控阵容易实现雷达的多功能。它的众多收发组


件和天线单元可以分组使用,各忙各的。


记者:我们在有的资料上常能看到固态有源相控阵,固态是什么意思?


曹:雷达发射机的主要作用,是把输入进来的电流能量放大,如果此过程是在半导体中进行的就叫“固态”。并没有液态的发射机或有源相控阵,固态是相对于电真空器件来说,比如电子枪。在固态放大器出现之前,现役雷达的集中式发射机大多采用电真空器件。


记者:有源相控阵实现起来的主要难点在哪?


曹:主要难在有源相控阵的收发组件的制造。收发组件几乎把雷达的很多部件,如发射机、接收机、移相器、功率放大管等都集成在一个很小的体积内,每个收发组件相当于一个集成了的微型雷达,而且收发组件的各个部分,有的发射电磁波的功率较大,有的接收电磁波又很灵敏,这么多高频设备要集成在很小的空间内,集成密度很大,要能够互不影响或烧坏,需要精心设计电路。同时,由于收发组件工作在很高的频段,战斗机上的有源相控阵雷达工作频段更高,一般为10G赫兹(x波段)左右,因此,收发组件内部的集成工艺和表面加工工艺不过关,很容易导致每一个天线单元发射出来的电磁波受到组件的物理特性的影响,而同预期的性能发生偏离。因此。有源相控阵的收发组件很贵,与这部分有关的成本曾经占到整部雷达成本的80%以上。早期的收发组件采用半导体硅平面功率管和混合集成电路。每个需数千美元,而有源相控阵雷达的收发组件为了获得足够大的功率,至少需要成百上千个,其造价可想而知。不过由于砷化镓微波单片集成电路取代硅管电路,成本大幅度降低,目前已下降到每个100美元内。这种取代,主要是砷化镓器件对于工作频率更高的电磁波可以直接放大,而不用分级放大,省掉了部分电路,元件数量减少,电路间的线缆也更少,既降低了成本,也提高了可靠性。


记者:采用有源相控阵雷达的战斗机,相比传统的采用机械扫描雷达的战斗机,其探测距离上有多大改进?


曹:据洛马公司宣称,其有源相控阵雷达AN/APG-77对1米2的目标,探测距离能达到200千米;F-35的探测距离为150千米。而传统的战斗机雷达,对于5米2的目标,其探测距离也就100千米左右;如果折算到同样1米。的目标,只有70千米。所以,采用有源相控阵雷达,其探测距离可以扩展三倍,还能控制辐射功率和照射时间,被敌方侦察设备截获的概率大大降低。也就是说,敌方看不到我,我却能看到敌人。


记者:在探测距离上,有源相控阵雷达为什么比传统的雷达大很多? 曹:一是有源相控阵雷达可以通过增加收发组个数的方法来增加总功率,二是有源相控阵雷达的扫描速度可以在计算机的控制下慢下来。比如说,如果机械扫描雷达扫描120°空域的时间只能是10秒,有源相控阵则可以根据需要灵活变化,如15秒、20秒等等,这样,雷达波束照射目标的时间也就长了,会有更多的能量返回雷达。如果扫描时间增加1倍,雷达探测距离大约能增加15%。


记者:您认为歼20上的雷达应该什么样?能否同F-22的火控雷达相当?


曹:我个人认为,歼-20上肯定是有源相控阵雷达。我国的有源相控阵雷达技术通过预警机工程,已在本世纪初取得重大突破,在机载预警雷达的应用领域达到了世界先进水平。有源相控阵雷达技术应用在机载火控雷达领域,也就是战斗机上,要求把其关键部件——收发组件做得更轻、更小、对电能的利用率更高。即使我国在高波段收发组件的研制方面存在与先进国家的差异,但在歼-20正式形成装备的5~8年后,达到F-22服役(2005年)的水平,应该是没有问题的。所以,歼20的雷达性能与F-22的雷达性能相当,应该是比较现实的推测。但是,如果歼-20本身的雷达反射截面积比F-22高,则F-22对歼-20将占据优势。按照俄罗斯说法,歼-20的雷达截面积按0.05米2计算,歼-20对F-22的探测距离将比F-22对歼-20的探测距离低1/3。 记者:目前各国战斗机采用有源相控阵的情况如何?


曹:美国、日本和欧洲等国对战斗机上的有源相控阵雷达研制已有多年,但最终形成实用装备的只有F-22上的AN/APG-77,美国人从20世纪60年代中期开始,历时35年,直到20世纪90年代末才研制成功。它工作在x波段,工作频率10G赫兹,工作波长3厘米,天线直径1米,每部雷达约有2000个收发组件。每个组件的输出功率为10瓦,重量少于15克,体积约为6厘米3。通过增加批量来降低收发组件成本,F-22上的雷达收发组件将会用到F-35、F-15和F-18E/F等战斗机上。欧洲EF-2000上也采用了有源相控阵雷达,包含约1000个收发组件。日本也在为FS-X下一代战机开发有源相控阵雷达。


记者:您认为未来战斗机雷达的发展趋势如何?有源相控阵下一步又将会怎样发展呢?


曹:总地来说,有源相控阵技术目前已经成熟,因此广泛采用有源相控阵,肯定是未来战斗机雷达的发展趋势。随着技术的进步和作战需求的牵引,有源相控阵本身也会采用更多的新器件和新技术,雷达将会看得更远、辨得更清。比如在新技术方面,有源相控阵将能够把天线做到飞机的蒙皮里。因为在战斗机上,机头空间有限,雷达天线背在机背上又影响机动性,比较好的解决办法是把天线和机身表面做成一体,或者说,把天线嵌入飞机的蒙皮内,这就是“智能蒙皮”。这要求把收发组件变得更薄。在新器件方面,未来可能应用比砷化镓更好的半导体器件,由氮化镓、碳化硅和铝镓氦组成,对电能的利用效率更高,也更为可靠。预警机雷达与战斗机雷达的不同


记者:我国的空警2000预警机和空警200预警机都采用有源相控阵技术,那么,预警机的有源相控阵和战斗机的有源相控阵有没有不同?


曹:从原理来说,预警机和战斗机上的有源相控阵,包括地面雷达的有源相控阵是没有区别的。主要在实现难度上。雷达辐射出的电波能量在空间的分布用波束宽度来衡量,波束宽度越窄,说明能量辐射的时候越集中。它的宽度与波长成正比,与天线面积成反比。由于地面雷达、预警机和战斗机的天线是逐渐变小的,所以,地面雷达、预警机、战斗机的频率是逐渐升高的。雷达工作波长变短或者说工作频率升高后,对收发组件的设计和加工要求更高,相应的电子器件也就越难实现,这是战斗机采用有源相控阵最为困难的地方。此外,战斗机受空间、重量的限制更为苛刻,在保证一定功率的情况下,要想办法使得收发组件的体积和重量大幅度降低,也是一个难点。


记者:您前面提到,战斗机上的雷达都是x波段的,预警机上的雷达呢?


曹:预警机上的雷达主要有三个波段,波长从长到短,首先是UHF波段,其波长在75厘米左右,对应的工作频率为400兆赫兹,以E-2预警机为代表。然后是L波段,其波长在25厘米左右,工作频率大约为1200兆赫兹,以以色列费尔康预警机为代表。最短的是S波段,其波长为10厘米左右,对应的工作频率为3000兆赫兹,以E-3为代表。


记者:预警机和战斗机雷达在频段上的差异,有没有战术应用上的考虑?


曹:有的。预警机雷达强调远距离发现和搜索,波束可以宽一些,测量的准确度是第二位的。战斗机的雷达主要用于火力控制,也叫火控雷达,要控制武器,精度要求很高。战斗机上不允许安装个儿大的天线,为保证能量集中,只能在尽量把天线做大的情况下缩短波长。


记者:预警机和战斗机雷达的探测距离一般有什么样的差异?


曹:前面说过,战斗机雷达如果采用有源相控阵,对1米2的目标可以看到200千米。而预警机目前对5米2的目标,一般都看到400千米左右,折算下来,对1米2的目标大概能看到270千米。


记者:预警机相比战斗机的雷达探测距离,竟然只有这几十千米的差异?


曹:粗看起来是这样,但这有前提。F-22对1米2的目标看200千米是要把吃奶的劲使出来的,而预警机轻轻松松。也就是说,F-22的这个距离是有条件的,它需要把扫描空域的周期放惺,比如说60°扫描15秒。因为战斗机的雷达通常只有前向120°空域覆盖,通常需要扫10秒。要看得远,扫描空域还得变小,扫描速度还得放慢。扫得慢以后,波束扫过且标的时间会延长,也就是说照射到目标的电波能基会增加,因此,回波也就越强,雷达看得也就越远。而预警机的400千米,一般指的都是10秒扫360°。如果预警机按照战斗机60°扫描15秒,可以看到五六百千米。


预警机与四代机的对抗与协同


记者:预警机和F-22相互对看,大概能看多远?


曹:世界上现役的预瞽机,主要是针对常规非隐身空中目标设计的,探测隐身目标时性能下降严重。以E-3预警机为例,看三代机能够有400千米以上的发现距离,但看F-22只有100千米左右。据报道,F-22在美国国内飞行时,由于RCS极小,雷达难于发现,必须打开角反射器,增大RCS,使得雷达能够正常发现F-22。反过来,由于预警机比四代机的RCS要大成百上千倍,可达100米2左右,所以,四代机看预警机要比预警机看四代机远数倍。当然,E-3的雷达是机械扫描的,其扫描速度是固定的。如果采用相控阵雷达,可以通过降低扫描速度,来增加探测距离。


记者:预警机和四代机在探测距离上有这么大的差距,那仗怎么打呢?


曹:首先,四代机虽然能够看这么远,但是够不着。目前空空导弹的打击距离一般不超过150千米。即使地空导弹的距离更远,但预警机一般远离前线作战,发挥看得远的优势。当然,隐身飞机大大缩减了预警机的这种优势。一方面也需要大力发展隐身飞机,另一方面,预警机也需要与隐身战斗机协同。而且,目前预警机与四代机都装备有被动侦察系统,所以四代机在进入攻击区域的过程中要保持主动雷达静默方式,采用被动侦察方式。而敌我四代机均静默时,双方无法发现对方,此时必须由预警机引导,预警机对四代机的探测能力就成为作战的关键因素。


记者:敌我双方既有三代机,也有四代机,预警机与战斗机的协同是不是比较复杂?


曹:如果一方有四代机,一方仅有三代机,仗没法打。以F-16为例,F-22对F-16探测距离可达246千米,而F-16对F-22有60千米左右。因此,一方的四代机可在敌三代机发现之前,在视距外进行攻击。因此,具备隐身性能的四代机对三代机具有绝对空中优势。美国的多次军演也证明了这一点。2007年,“红旗”军演中,F-22与F-16取得了1:36的交换比。由于四代机对三代机的绝对空中优势,因此根据空中态势,预警机引导己方的四代机对敌三代机进行进行超视距攻击,局部区域的作战完全由四代机自我掌控。


记者:如果敌我双方都有四代机,预警机与战斗机如何协同?


曹:比较现实的是,敌我双方都有四代机和三代机,预警机需要与四代机和三代机进行混编和协同。预警机负责全战场的态势控制,将混编战斗机群引导至空战区域,四代机可以承担局部空域的指挥引导任务,为三代机提供情报,并指挥三代机攻击。更趋近战场前沿的三代机可将雷达图像传送到四代机,四代机可同时监视多架三代机的攻击。假如两架三代机锁定相同目标,四代机可通知三代机进行修正,使三代机同时攻击不同目标。电商,电商圈,电商的圈。


记者:在这种情况下。围绕四代机所开展的作战协同是不是一个重点?


曹:是的。四代机是双方的作战焦点。举个例子,假设己方四代机前出己方预警机160千米,己方预警机可在300千米左右探测到敌方四代机等隐身目标,并保持对隐身飞机高数据率跟踪,在140千米外,双方四代机相互探测不到对方:在两机相距150千米时,已方预警机直接指挥己方四代机发射空空弹,并将敌四代机位置信息连续发送给己方四代机,由己方四代机通过指令制导导弹,当两机相距60千米时,预警机可以命令己方四代机打开雷达,迅速锁定敌四代机,并利用自身探测信息继续对空空弹实施更精确制导。


记者:如果敌方仅有四代机参战时,预警机与战斗机又该怎么协同呢?


曹:如果双方四代机的隐身特性有差异,将导致隐身差的一方在没看到对方时,已被敌方锁定。这种情况下,如果己方有预警机,而敌方没有预警机,己方仍有可能取得优势。如果对方也有预警机,己方预警机看得更远仍可能取得优势。以歼-20为例,在前面提到的歼-20、F-35和F-22的RCS假设下,在己方预警机的支持下,歼20雷达可以获得与F-35的优势;在对方没有预警机或者我方预警机占优的情况下,歼-20雷达可能获得与F-22的均势。


记者:通过您的解读,相信读者对歼20的作战性能有了更深入的了解!


12
回复主贴
聚焦 国际 历史 社会 军事 精选

热门评论

猜那么多没用 等几年后飞机出来了 性能如何 大家就知道了 现在试飞阶段 有很多要改良 肯定跟以后服役的正式飞机大不一样 你现在猜什么都没用 分析战机性能那就更是扯淡了 因为还在试飞 是没有战斗力的

12条评论
点击加载更多

发表评论

更多精彩内容

热门话题

更多

经典聚焦

更多
发帖 向上 向下