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国外媒体和国内军迷对于歼十B所使用的机载火控雷达存在极大的兴趣,随着最近网络上最新曝光的一型相控阵雷达照片的出现,对于歼十B机载火控雷达的讨论和分析达到了相当的热度。美国《防务新闻》前段时间有文章称:歼十B战机的照片显示,该机配备了电子扫描相控阵机载火控雷达。另外一家研究中心的主任师里克·费希尔说:“歼十B只是大量装备有源电扫相控阵机载火控雷达的越来越尖端的中国战斗机中的第一种,将与美国空军F-15E最新版的先进战斗机相匹敌。”但同时也有专家认为歼十B是精密版的被动电子扫描阵雷达。笔者也来凑个热闹,分析一下歼十B的雷达技术和性能特点,如有谬误,欢迎板砖。

机载火控雷达发展

机载火控雷达是作战飞机用来搜索、截获和跟踪空中目标,提供武器瞄准、射击和制导所需数据的机载雷达。人类历史上第一台雷达诞生于受到纳粹航空兵严重威胁的英国,由罗伯特?6?1沃森?6?1瓦特爵士于1937年研制成功,由于该雷达使用支撑于高塔之上的平行发射天线,所以被形象的成为“本土链”雷达。该型雷达在二战前部署20台,形成英国贯穿英国南北的预警线。二战爆发之后的不列颠空战中,“本土链”雷达发挥了极为关键的预警、探测和引导作用,成为人类陆基对空雷达的鼻祖。很快,雷达这种极具划时代意义的传感器就被搬上了飞机。1939年,英国在飞机上安装了工作频率为200兆赫兹的雷达,用于搜索敌机,这是人类历史上第一部机载预警雷达。1936年美国无线电公司研制出了用于产生和放大电磁波的一种电子管,大致工作波长为1.5米/频率200兆赫兹,发射功率500瓦。1939年11月,基于改型电子管发射机的机载空海监视雷达ASV-1生产出原型机,开始测试,并于1940年正式服役。雷达天线增益在天线尺寸与波长相同量级上才有最大值,因而工作在1.5米波长的ASV-1雷达拥有巨大的天线,以至于战斗机无法用来进行火力控制,只能装载于大型飞机上用于反潜。不过1939年,英国物理学家H.A.H.布特和J.T.兰道尔研制的实用化的多腔磁控管宣告了机载火控雷达的研制终于成为可能。磁控管可以产生工作波长在分米级别的电磁波,并且可以将分米波信号放大至1千瓦的峰值功率。同时,电子收发开关的研制成功,让雷达告别了起初的收发分置双基地部署,而可以将发射机和接收机置于同一个天线系统内,否则接收机在发射机发射型号时会受到极为严重的“烧穿”影响。至此,机载火控雷达需要的关键技术条件都完全具备。

歼10B相控阵雷达技术世界先进

据称这是“本土链”雷达的“真容”,高塔之间应当就是尺寸相当大的雷达天线。


上世纪六十年代末期,基于多普勒频移原理的动目标探测技术实用化之前,机载火控雷达还处于比较初级的蒙昧阶段,多为不能测角的测距器或者采用单脉冲测角原理、反射面天线的火控雷达。这些雷达在技术上可以视为地面跟踪雷达的小型化机载版本,对于平视和上视空中目标可以做到与地面雷达一样的性能。但是基本无法进行下视探测和跟踪,因为雷达天线下视时,地面反射的杂波将目标回波完全掩盖,接收机彻底被主瓣杂波占据。一直到1964年,美国海军使用的E-2A机载预警雷达采用了偏置相位中心天线和机载时间平均杂波相干技术才实现了海面目标下视。又过了十年时间,人类才实现了陆地上空的雷达下视能力,导致新一代预警机和第三代战斗机探测能力的大幅度改善。下视下射能力也成为第三代机载火控雷达的“门槛”性能和最显著的技术特征。机载脉冲多普勒火控雷达是机载火控雷达第二发展阶段的开始,该项技术出现之前,可以视为机载火控雷达的第一发展阶段。机载脉冲多普勒火控雷达一般采用数字化可编程处理器、平板缝隙阵列天线、真空管发射机、脉冲压缩技术和多功能设计。机载雷达第三个发展阶段的标志就是相控阵技术的出现和应用。目前有源/无源相控阵雷达已经开始批量装备新型隐身作战飞机、三代和三代改型战斗机以及轰炸机、特种电子战飞机等机种。

详解相控阵

实际上人类早期研制的雷达都采用了独立发射机和天线组成的天线阵列,天线的方向图和增益性能由阵元几何位置和发射信号的幅度以及相位叠加来决定。这是由于当时雷达工作频率很低,较大的波长很难在单个天线上得到很好的聚焦和搜索性能。后来随着发射机能够产生较短的波长,这种建设规模很大的阵列天线就被更小更简单的单个天线所代替,一二代机载火控雷达使用较多的是抛物面发射天线,卡塞格伦天线以及格里高利天线等等。这些天线本质上都是反射面天线或者反射面天线的变形,由于反射面天线聚焦能力一般,这些天线的副瓣功率都相当高,甚至有相当数量采用卡塞格伦天线的机载火控雷达需要专门设计一个副瓣杂波遮蔽罩,罩在雷达天线外面。苏-27SK作为三代机时代少数采用倒置卡塞格伦天线的重型空优机,其采用的“祖可”-27火控系统所采用的N001天线就是倒卡形式。由于机载天线整个下半球的空间副瓣所产生的地面杂波会对目标的检测产生严重干扰,再考虑到载机的横滚战术机动,因而机载火控雷达要想下视下射必须几乎在所有切面上都有低副瓣功率。另外,距离主瓣越远的副瓣相对于大地的入射角较小,入射距离近,产生的地面杂波强度是最高的,所以还要求天线的远区副瓣功率最好随着角度的扩大递减,即越是机头下方的副瓣,功率越低,这样可以将副瓣地面杂波的干扰降低。不过即便是倒卡天线外面使用了旁瓣屏蔽罩,苏-27依然没有具有实用的下视下射和对地精确打击能力。因此,雷达工程师放弃了反射面天线机理,开始重新考虑低旁瓣天线设计。波导缝隙天线开始在三代雷达普及应用。其实波导缝隙天线从雷达刚刚开始使用的上世纪40年代就开始研究,但是一直到上世纪七十年代才逐渐成功应用。波导缝隙天线是指在波导宽壁或者窄壁上开有裂缝的天线,既可以做其他天线的馈源,也可以将缝隙排列成线阵或者面阵成为阵列天线。合理布置的缝隙就是类似一个阵元,每个缝隙辐射出的电磁波在空间叠加,形成低旁瓣高增益的方向图。机载火控雷达一般使用的是做成平面阵列的平板缝隙天线,配合高重复频率设计,为三代机提供下视下射能力,为预警机提供高增益和超低旁瓣性能。不过波导缝隙辐射出的信号都源自于一个发射机,幅度、相位和波形都不能灵活的调节,天线也一般采用机械扫描模式。而相控阵技术的出现,则让阵列天线的性能达到了新的高度。

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采用倒置卡萨格伦天线的“祖可”-27火控系统,该雷达就是苏27不具备完整下视下射能力的“元凶”,图中的平板为倒卡雷达的主反射面,类似灯泡的白色泡状物体就是天线的馈源。

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装机状态的倒卡雷达天线必须用旁瓣遮蔽罩对旁瓣地面杂波进行遮挡,图中左侧的绿色罩子里面就是上图可以看到的倒卡天线。

相控阵天线是由辐射单元排列而成的定向天线阵列,各辐射单元的相位关系可控,天线阵列利用相移器控制每个辐射单元的信号相位,从而改变整个天线阵列信号在空间的叠加加强方向,从而实现波束的电子扫描。相控阵天线属于电子扫描天线的一种,但是电子扫描还有频移阵列、时延阵列、电子馈电开关阵列等等。相控阵天线主要具有五个技术性能特点。第一,天线波束具有快速扫描能力,相对于机械扫描天线数秒甚至十几秒才能完成一次水平或者俯仰扫描,相控阵天线可以在数微秒范围内完成同样范围的扫描,数据刷新率极快。第二,波束形状具备捷变能力,目前这个方面应用最多的是天线方向图可以在某个方向角人为设置出零点增益,这样可以对于某个方向的干扰免疫。同时也可以改变主波束形状,实现宽波束搜索、窄波束跟踪的快速切换等等。第三,天线具备空间功率合成能力,由于相控阵天线的最终波束成形是在空间叠加合成的,那么波束功率也是由每个辐射单元的功率叠加合成的,通过增加辐射单元数量就能实现远程探测、毫米波雷达所需要的高功率问题,而常规集中式发射机提高功率则是非常困难的。第四,天线与雷达平台共形能力,天线不需要机械扫描,紧贴于平台某个表面即可,可以消除天线对于平台的动力学性能影响,改善隐身能力等等。第五,多波束形成能力,相控阵天线可以在一个脉冲重复频率内形成多个指向不同的发射波束和接收波束,这样可以提供非常强的多任务和电子对抗能力。世界上最先使用相控阵作为机载雷达的是米格-31截击机,采用了铁氧体相移器技术的无源相控阵技术。美国的B-1B战略轰炸机也使用了同样技术原理的无源相控阵。美国在上世纪六十年代的“微电子雷达计划”中开始研制用于机载火控雷达的有源T/R组件,但是受限于X波段的高频率和器件性能的差距,还不能直接产生和放大X波段电磁波信号。在第二阶段的“可靠机载固态雷达计划”中,美国研制了具有1048个有源T/R阵元的有源阵列。到了第三阶段的“固态相控阵计划”首次采用了砷化镓场效应器件,直接对X波段信号进行了放大,研制成功了机载火控雷达的巅峰型号,雷达中的“猛禽”AN/APG-77有源相控阵机载火控雷达,每个阵元峰值功率达到10瓦,阵列有2000多个阵元。至此,有源相控阵雷达成为世界雷达强国用于改进三代机以及装备新飞机的最佳选择。

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F/A-22隐身战斗机使用的APG77有源相控阵雷达,下图是APG77所采用的有源收发组件模块。该型雷达代表了机载火控雷达发展的巅峰和新高度。

有源还是无源:歼十B雷达猜测

在网络上出现的我国自研三代机——歼十的改进型歼十B一直被军事爱好者们所关注。歼十B在歼十基础上进行了哪些改进,性能有什么样的提升,更是一个热点话题。网络上一张歼十B露出黄色倾斜固定雷达天线的照片表明,歼十B应该是装备了三代改型战斗机首选采用的相控阵机载火控雷达,这标志着我国的相控阵雷达技术已经完全能够工程实用。不过该型雷达究竟采用的是军迷们最为希望有源相控阵技术还是无源相控阵技术,一直众说纷纭。随着我国国防技术的飞速发展和军工技术信心的增强,我国战斗机型号和分系统研制情况公开程度越来越高,最近在网络上又新出现了一型天线外形与装备歼十B原型机雷达几乎无异的雷达整机照片,为分析歼十B机载雷达提供了新的关键信息。

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网络上流传的歼十B机头雷达罩被打开的照片,该机明显采用了相控阵雷达天线。

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网络上曝光的疑似我国研制的机载相控阵火控雷达的照片,该型雷达体积小巧,天线厚度适中,显示出相当高水平的技术功底。

无源机载火控雷达总体设计其实与第三代机扫火控雷达并没有颠覆性的区别,都分别设计发射机、接收机、天线以及信号处理、数据处理系统,只不过无源相控阵的雷达天线采用相移阵方式进行电扫。发射机发射的电磁波信号经过放大电路增加发射功率,然后通过介质传输到天线上,如果是机扫雷达,那么天线就是反射面或者波导缝隙阵列天线;如果是无源相扫雷达,天线上会合理设置多个相移器,在控制器的控制下,将电磁波依次相移,然后再发射。无源阵分为光学馈电方式和强制馈电方式。光学馈电方式也被称为空间馈电,有透镜式馈电和反射镜式馈电两种,发射机和天线之间的介质就是自由空间,发射机如同人眼,无源相移阵就好像透镜或者反射镜。法国为阵风战斗机研制的RBE2无源相控阵雷达就采用了透镜馈电方式。“爱国者”防空导弹系统所采用的火控雷达也是透镜式馈电方式。S-300PMU1防空导弹系统采用的64N6三维相控阵监视雷达采用了比较少见的反射镜馈电方式。强制馈电则是采用波导作为发射机和天线之间的介质。“阿里·伯克”级驱逐舰采用的SPY-1舰载无源相控阵雷达就是强制馈电方式。无源相控阵雷达由于发射机集中布置,而且发射功率和冷却功率开销较大,因而体积较大。而且由于天线背后有较为复杂馈电系统,因而天线厚度往往较大。有源相控阵雷达则在雷达总体设计上有了颠覆性的不同。有源和无源指的是天线上是否存在发射机。有源相控阵雷达的发射机、接收机、信号处理器全部设计进体积非常小的有源T/R组件中,天线以外只有用于控制有源组件的控制器、数据处理器以及电源和散热系统。因而有源相控阵雷达往往天线厚度较薄,而且后端体积较小。F/A-22所采用的APG-77有源相控阵雷达主要部件基本只剩下了一个天线阵面而已。

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透镜式馈电的无源相控阵天线,发射机的信号从左侧射入,通过相移阵每个相移器,从而在右侧空间形成波束。

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几种电子扫描方式,可以看到相控阵只是电扫方式的一种。

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相控阵雷达实现电扫描的原理是不同相位信号的叠加,而不是所谓“每个阵元都是一个小雷达”。

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64N6三维相控阵监视雷达采用了比较少见的反射镜馈电方式,阵面前方支架上的喇叭状物体就是馈源,馈源将电磁波发射至相移阵上,相移阵的相移器依次将信号相移然后再反射出去,阵面很像是一面反射镜。

疑似装备歼十B的机载火控雷达从外观体积来看十分轻巧,天线厚度应该在200毫米-400毫米区间内。令人注意的是雷达后端设备体积极为小巧,整个设备组建只占了天线高度的一半略多。天线阵面为橙黄色,并且带有箭头状寄生天线,天线表面似乎是金属印刷天线,单从颜色和阵面形态来看,和俄罗斯多种采用铁氧体相移器技术的无源相控阵雷达阵面更为相似。但是由于观察角度的原因,无法看到天线后面是否布置了用于馈电的波导,而且整个天线厚度很薄,后端设备和天线之间有一根黑色细电缆相连,这些技术特征又更加与有源相控阵更为相似。笔者认为该型雷达若为无源雷达,那反映出的我国机载火控雷达技术水平则极为令人兴奋,因为该型雷达体积远小于俄罗斯和法国同类产品,已经在体积上和有源雷达极为相似。该型雷达无法排除是有源相控阵的可能,毕竟从总体设计上来看实在是小巧,与西方先进有源雷达的总体设计更类似。如果能有该型雷达背面的图片出现,可能就可以研判和确定了。

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俄罗斯irbis-e无源相控阵雷达,可见该雷达体积十分巨大。

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俄罗斯“祖可”AE有源相控阵雷达体积也是异常巨大,后端设备占据了天线后面大量的空间。

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疑似歼十B装备的相控阵雷达的后端体积相比于俄罗斯无源,甚至有源雷达都显得非常简约。要实现这种“简约不简单”总体设计,没有厚实的技术和工程基础是不可能的。

有源或者无源的“迷雾”在没有更多图片用于分析之前,看来还是无法散去,不过笔者看来我国在机载相控阵火控雷达领域的技术实力已经可以“管中窥豹”了。实际上,我国的14所和607所的官方报道都已经暗示各所都已经完全突破机载有源相控阵火控雷达技术。14所的报道为:“xx雷达是一种全新体制的新型雷达,在国外是最顶尖战斗机的标志性装备。……连续攻破了高难度的综合层结构一体化设计、**目标探测、电子对抗、****空面成像及高精度定位、同时多功能、天线**等关键技术,打破了先进技术国家对我的技术封锁,大幅提升了产品的隐身、反隐身、空面精确打击、多功能综合化和全寿命周期保障的综合能力和核心竞争力,使我国先进机载火控雷达技术达到一个全新的高度,主要性能指标与世界最先进的**飞机火控雷达相当,系统总体性能优于欧洲同期产品水平,代表了该领域的国际先进水平。”607所的报道为:“相控阵雷达研制,开创了国内机载火控雷达的新纪元,填补了国内X波段相控阵火控雷达的空白,为我国×代机的研制打下了坚实基础,标志着我国第×代战斗机提升战斗力的时机已经到来”。此项目还荣获该年度国家国防科技成果一等奖。”其中14所的官方报道更是几乎直接宣告了我国机载火控雷达技术已经超过欧洲,达到了世界顶尖的水平。在有源相控阵技术完全突破,歼十B采用有源还是无源雷达主要取决于空军对于性能需求和成本的综合考虑。

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