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技术方面的进展使雷达性能得到了很大提升,在俄罗斯空军战机以及出口的苏式战斗机上得到了充分的体现。本文旨在对俄罗斯一些主要雷达性能及技术水平的发展进行分析,并将其与西方同类产品进行比较。同时,还将对它在超视距空战中的实际运用进行探讨。

俄罗斯先进机载雷达扫描

当今的超视距空战十分强调先敌发现,先敌打击,要达到这个目标,战机所使用的雷达起着至关重要的作用。冷战结束后至今,俄罗斯在军用雷达方面取的了很大进步,这在很大程度上要归功于其在全球商品市场上接触到了西方在该领域的相关技术。这不单包括一些基础领域,相反在一些关键领域表现的尤为突出,如雷达的信息处理、数字处理、嵌入式软件、砷化镓半导体低噪声接收机,以及可以用在有源相控阵雷达上的高电子迁移率晶体管等。

技术方面的进展使雷达性能得到了很大提升,在俄罗斯空军战机以及出口的苏式战斗机上得到了充分的体现。本文旨在对俄罗斯一些主要雷达性能及技术水平的发展进行分析,并将其与西方同类产品进行比较。同时,还将对它在超视距空战中的实际运用进行探讨。

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先进机载雷达在超视距空战中的地位及应用

机载雷达至今仍是战机进行超视距空战时远程探测使用最为广泛的工具,这主要得益于其自身的诸多优点。现在,许多战斗机都配备了红外探测/跟踪装置,不过这类红外装置很容易受复杂气候条件的影响,可靠性不强。雷达则与之相反,使用X波段就可以适应从平流层直至对流层的各种气候条件;雷达的探测距离优势表现更明显,目前最先进的机载雷达对一些大型目标的探测距离已经超过400公里。

雷达还能够对目标的一些典型信息进行快速正确的识别,如目标航速、方位、高度等,而诸如红外探测等被动探测方式则较容易出现偏差。在现代超视距空战中,X波段雷达往往还兼作为数据链发射机,用于为中远程空空导弹提供中继制导。这样做可以有效提高导弹的杀伤概率。当然,对于敌方来说,雷达可以帮助他们避免进入导弹导引头的“不可逃逸区”。总之,未来相当长的一段时间内,雷达仍将是战机进行探测、跟踪的主要工具,将在超视距空战中扮演着至关重要的作用。

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在超视距空战中有一种惯常思维,即谁拥有更好的远程探测能力,谁就将在战斗中占得先机。因为我方发现目标后便能对其进行跟踪,并随即获得导弹的先发优势。有了探测距离优势这个前提,导弹的射程将成为另一个至关重要的因素。导弹射程取决于其设计水平/指标,如固体火箭发动机/冲压式发动机有多少能量可供使用、中段自动驾驶仪是否能够有效地将能量转换成导弹的射程。

当然,发射导弹的战斗机也是一个不容忽视的因素:经过反复论证表明,F-22A在15公里高空以超音速巡航发射AIM-120C时,与一些常规战机(如F-35/18/16)在亚音速条件进行发射相比,射程可以增加近30%。俄罗斯目前正在试图为苏式战斗机装备可供超音速巡航级别的发动机,也正是基于这个事实。按照设计指标,R-27EA的射程为130公里,如果在优势高度以超音速发射的话,其射程可增至180公里。

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超视距空战中除了导弹间的交锋,敌对双方之间的电子战也是一个重要环节。大功率雷达可以为战机提供良好的自卫能力,但是在较远距离(如超过90公里)进行自卫就不太现实了。这是因为战斗机在执行任务的过程中难免要与敌方地面雷达相遇,而对付这些地面雷达所需功率远大于雷达在平常空战中防御性干扰模式所需功率。随着技术的发展,有源相控阵雷达和混合式相控阵雷达已经可以对干扰源的主波束进行压制。不过,它们也不能进行盲目的干扰,一般只用来对付缺乏频率捷变等一些抗干扰措施的目标,对那些可携带发射X波段反辐射导弹的战斗机也必须谨慎对待。

现代战机的雷达往往兼作为数据链发射机为导弹提供中继制导,因此,有一种观点认为可以干扰敌方数据链以破坏其对自身的攻击。但历史经验表明这是十分困难的,它对干扰的功率要求非常高。因为数据链天线指向的是发射飞机的方位,这意味微弱的干扰功率只能通过导弹弹体产生的表面行波对目标进行干扰,这无疑十分困难。不过,随着大功率相控阵雷达的出现,这种干扰变得可行。当然,双方可以采取办法以降低干扰效果,比如在导弹表面涂一层X波段的吸波材料。

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无论事实是好是坏,应该说如果探测/跟踪距离远超出导弹射程的话,并不能带来多少优势。只不过可以对即将到来的威胁进行预警,以使飞行员在敌方雷达或无线电频率监测系统不足以对自身进行有效探测情况下进行规避。通过增强雷达功率来提高探测距离是设计人员通常采用的办法,但是这样做也必然导致敌方进行被动探测时更容易发现自身。 机载雷达发展现状

冷战后期针对复杂电磁条件下超视距空战的需要,苏联和西方国家在远程探测领域展开了激烈的竞争。上世纪60年代末,随着米格-25“狐蝠”及其使用的RP-25“龙卷风”雷达的出现,使苏联取得了在机载领域的领先地位。但这种优势在70年代后随着美国F-14A舰载战斗机使用的AWG-9及之后换装的AN/APG-71雷达、F-15A使用的APG-63雷达的出现而消失殆尽。可没过多久,米格-31“捕狐犬”截击机及其使用的N007“闪舞”雷达在80年代初亮相,苏联人似乎又取得了领先地位。N007是一种大型无源相控阵雷达,尺寸是美国AWG-9的两倍,平均功率达2.5千瓦,占空比为25%时峰值功率为10千瓦。据称,这种雷达可以在65公里的距离上发现雷达反射面积为0.3平方米的巡航导弹。

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随着80年代后苏-27战斗机的出现,人们又看到了N001雷达。这种雷达设计之初是为了超越美国的APG-63雷达,但实际情况却不尽如人意。配备这种雷达的苏-30K参加了2004年美国和印度举行的“对抗印度04”联合空中演习。在此次演习的模拟超视距空战中,苏-30K击败了配备改进型APG-63雷达的F-15C战机(注:综合各方的消息,双方对自身实力均有所保留,特别是美国为获得苏-30战机的信息,更是有“故意求败”之嫌)。其实在举行“对抗”演习的时候,俄罗斯已经开始向印度交付新型的苏-30MKI,并提供首批生产型N011M“雪豹”相控阵雷达。到目前为止,N001M仍是除了F-22A配备的APG-77雷达之外最先进的现役雷达。美国AWG-9和APG-71雷达虽然在功率上有一定优势,但是俄罗斯N011M雷达采用的混合相控阵天线设计赋予其低噪声系数却是后者所无法比拟的——AWG-9和APG-71接收机低噪声系数是N011M的近三倍。

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F-22A战斗机及其配备的APG-77有源相控阵雷达的出现,堪称人类在机载雷达领域的又一大突破。APG-77是一种低可探测性雷达,由1500个T/R模块组件(以下简称组件)构成,拥有目前所有现役机载雷达中最大的功率(具体数值至今尚未公开)。如今,APG-77已经成为机载雷达发展的风向标。在过去十多年中,以此为标准,美国又发展和升级了一系列新型相控阵雷达:F/A-18E/FBlock2使用的APG-79有源相控阵雷达,这种雷达原准备用来改进现有F/A-18系列战斗机,但只有达到F/A-18E/F标准的该系列战斗机才能满足雷达所需的基本冷却要求;F-16E/FBlock60使用的APG-80有源相控阵雷达,这种雷达还配备在将出口到澳大利亚的F/A-18E/F战斗机上,洛克希德·马丁公司正在极力向印度推销的F-16IN战斗机也将使用这种雷达;改进型F-15C使用的APG-63(V)2属于第一代有源相控阵雷达,随F-15SG出口到新加坡的APG-63(V)3则属于第二代有相控阵雷达,采用了许多与APG-79通用的雷达组件技术;F-35使用的APG-81,它使用比早期的APG-77更新一代的雷达组件,最新批量生产的F-22ABlock20配备的APG-77(V)2也使用了与APG-81通用的雷达组件。新技术的应用使雷达拥有了更大的功率,但随之也要求战机拥有更强的制冷能力。

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在本世纪初的5年里,美国在有源相控阵雷达领域取得了重大技术突破:X波段的氮化镓高电子迁移率晶体管技术日益完善,较之传统的砷化镓晶体管,其发射功率有了明显提高。以往有源相控阵雷达的方展一直受限于其基本组件的发射功率,每个组件的发射功率为2~5瓦。氮化镓晶体管在现阶段便可以为组件提10倍于原使用砷化镓材料晶体管组件的发射功率。这使得有源相控阵雷达的设计人员由如何获得更大的功率,变成怎么为雷达提供足够的电力和制冷设备。一个很好的例子是2007年7月,日本东芝公司展示了一款名为TGI8596-50的氮化镓高电子迁移率晶体管,它可以使雷达组件在X波段获得高达50瓦的发射功率。目前,该公司已经将这种新型晶体管定位在雷达和微波通信设备的应用上。

关于氮化镓晶体管技术的长远影响,最值得期待的要属X波段微波发射机。假如这种技术能够在雷达组件上得到应用,那么雷达的发射功率将得到空前提高,直至达到“功率上限”,战机的制冷能力也将成为影响这个上限的关键因素。倘若一部雷达由1500个基本组件构成,每个组件可以持续提供40瓦的微波能,功率增加效率可达50%(注:功率增加效率缩写PAE,是指输出输入功率差与器件消耗电源之比,它是T/R模块组件的最重要参数之一).,那么有源相控阵雷达的峰值功率就能够达到60千瓦。目前,发射功率达80瓦的X波段氮化镓/碳化硅材料晶体管已经初露端倪。随着组件发射功率的提高,雷达的探测距离也有了明显提高,为对付隐身目标提供了无限潜力。

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在功率不断增加的同时,其首要制约因素也越来越明显,就是如何为天线阵列制冷和把多余热量排出机体。从长期发展来看,F-22A、F-15等重型战斗机相比于F-35、F/A-18E/F、F-16等轻型战斗机要占优势,因为前者有较大的尺寸和内部容积,可以更容易地配置制冷设备。此外,关于大功率有一点值得注意,那就是一些发射功率超过20千瓦的X波段机载雷达都有潜力成为定向能武器。

面对如潮般发展的有源相控阵雷达,俄罗斯显得有些无奈。作为回应,俄罗斯最近又发展出了峰值功率可达20千瓦的NO35“雪豹”-E相控阵雷达,它是N011M“雪豹”的直接发展型。

苏式战机机载雷达一览

N001系列 它是上世纪80年代第一款装备在批量生产苏-27战斗机上的机载雷达。该雷达研制之初的目标是超越当时F-15A/C战斗机使用的APG-63机载雷达,可是后来发现这个目标实现的难度较大而降低了设计指标。N001是俄罗斯提赫米洛夫仪器制造研究院(N11P,以下简称仪器制造研究院)在米格-29的N019雷达基础上研制而成的,采用传统的倒置式卡塞格伦天线,天线直径较之N019大1.1米。上世纪90年代以后,在俄罗斯空军内这种雷达逐渐被采用平面阵列天线的N011雷达所代替,如苏-27M。不过,N001的生产并未因此而停止,它仍然随着苏霍伊战斗机源源不断地出口到包括越南等国际客户的手中。再者,俄罗斯虽然集中精力开发新型雷达,但是对N001的改进也一刻没有停止。目前,N001的一系列现代化改进型已经展现在人们的眼前,其中最重要的改进就是要提高其可靠性和增加多功能作战模式。N00IV/VE采用了BCVM-486-6处理器以提高数字处理能力,由此可以兼容新型R-77超视距空空导弹,同时还增加了一些空对面作战模式,使载机可以使用空地/空舰等空对面打击武器。

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“羽毛”俄罗斯还在N00lVE的基础上进行改进设计,使其成为相控阵雷达,命名为“羽毛”(PERO),由仪器制造研究所和梁赞仪器制造公司联合研制。“羽毛”用相控阵空间透镜式馈电天线代替了原N001系列使用的卡塞格伦天线,这种改进不但成本低廉(价格甚至与原来的相当),重量也减少了许多,并且具有与西方有源相控阵雷达类似的主波束偏转性能,在发射功率和价格上还占有一定优势。同时,避免采用类似N011M“雪豹”那样的反射镜式天线,这种方式不但技术复杂,价格也较为昂贵(注:相控阵雷达的阵列馈电主要有强制性馈电和光学馈电两种,光学馈电又称空间馈电,具体又有透镜式馈电和反射镜式馈电两种)。俄罗斯S-300防空系统使用的64N6E雷达也采用类似“羽毛”的技术。该雷达可能在即将到来下个十年出现在许多亚太国家的空军当中。

N011 它是仪器制造研究院设计的一种旨在替代老式N001系列的高性能雷达。与俄罗斯传统雷达相比,它采用了独特的空馈式平面阵列天线,与上世纪70年代美国休斯和西屋公司研制的APG-6X系列雷达类似。不过,这些雷达现在已经被新型相控阵雷达所代替。与N001系列相比,N011采用了大量的数字化处理技术,1个L波段敌我识别天线询问机天线阵列被嵌入到X波段的平面阵列当中。可以说N011雷达的性能与美国的APG-63和APG-70相当,不过其生产数量有限,主要配备在俄罗斯空军的苏-27M上,也就是后来的苏-35。到上世纪90年代中期,俄罗斯空军又将目光转向采用相控阵雷达技术的N011M“雪豹”,该雷达曾在苏-37验证机上进行过试验。

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N011M“雪豹”俄罗斯在上世纪90年代研制的最先进的一款雷达,采用混合相控阵雷达天线设计,属于无源相控阵雷达。N011M使用与美欧国家有源相控阵雷达类似的接收机技术,并拥有类似的灵敏度和旁瓣抑制性能。发射机则由行波管和天线阵列背面的波导馈电系统组成,与B-1B和“阵风”战斗机使用的无源相控阵雷达类似。N011M的研制无疑是现有无源相控阵雷达与西方同时代有源相控阵雷达的过渡产品,同时,它的出现也从侧面反映出了俄罗斯设计人员无法获得砷化镓功率晶体管的事实,这种晶体管是美国现有相控阵雷达的基本组成部分。

基本型N011M采用一个直径0.9米的混合相控阵天线阵列,每个接收单元都有一个低噪声接受放大器,这使得雷达的噪声系数可以控制在3分贝左右,与当前许多西方国家的有源相控阵雷达接近。N011M有3个接收机通道,估计是考虑到旁瓣抑制和电子对抗等抗干扰措施的需要。N011M使用的EGSP-6A发射机使用单一的“Chelnok”行波管,其在不同情况下的发射功率有所不同,峰值功率为4~7千瓦、连续照射功率为1千瓦。据称N011M的迎头上视探测距离为130公里,尾追距离为90公里,电扫描时主波束的俯仰角为+/-70°,方位角为+/-40°。N011M还可以进行传统的机械扫描,并且能将天线阵面进行90°旋转以更好地适应空面作战的需要。

N011M目前仍在批量生产当中,主要配备在伊尔库特飞机生产有限股份公司为印度、马来西亚生产的苏-30MKI/MKM上。此外,鉴于N011M与N035“雪的”-E之间的诸多相似性,未来N011M将能够升级到N035的配置水平。

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N035“雪豹”-E 它是俄罗斯继N011M之后发展的又一款新型相控阵雷达,从2004年开始研制,目前已经确定配备在最新型的苏-35BM战斗机上,将来还有可能配备在苏-27系列战斗机的最新改进型上。苏-35BM将在2010年左右开始批量生产,N035的生产日期可能与之相似。2005年末,N035雷达的原型样机开始进行飞行试验。

N035是N011M的直接发展型号,保留了后者的混合相控阵天线设计,具备更强的发射功率,但噪声系数稍差,达3.5分贝。同时,接收机通道也由原来的3个增加到4个。N035与N011M最大的区别在于采用了新型EGSP-27发射机。相比于与N-011M的EGSP-6A,EGSP-27采用一对峰值功率达10千瓦的“Chelnok”行波管。这使得N035的峰值功率可达20千瓦,平均功率5千瓦,连续波照射功率2千瓦。仪器制造研究所称N035拥有两倍于N011M的带宽,并提高了频率捷变能力。这意味着N035将拥有更加出色的电子反对抗性能。N035还使用了5010-35.01新型数字信号处理器和5010-35.02信息处理器,但保留了N001M上的接收机硬件设备,如主控励磁机和振荡器等。

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随着雷达功率的增大,探测距离也有了相应提高。根据仪器制造研究所提供的数据,N035对雷达反射面积为3平方米目标的迎头上视探测距离可达350~400公里,对雷达反射面积为0.01平方米迎头目标的探测距离也可达90公里。在边跟踪边扫描的工作模式时,N035可同时跟踪30个目标,并同时引导2枚R-27一类的中程半主动雷达制导导弹;如果引导R-77一类的远程主动雷达制导空空导弹,数目可达8枚。值得注意的是,N035还对R-77M-PD冲压式空空导弹打击F/A-18E/F、“台风”战斗机一类低可探测性目标给予了特别“考虑”。目前,N-011M的低可被截获概率技术(注:缩写LPI,低可被截获概率技术是雷达实现自身隐蔽和对抗反辐射武器的有效途径)性能较差,可能是受限于带宽和处理器性能,这也许会随着N035的投入使用而有所改观,一些国外用户要求雷达能够对抗西方电子支援设备/技术的要求也能得到满足。

有趣的是,俄罗斯方面并没有说N035优于F-22A使用的APG-77有源相控阵雷达,虽然根据公开的数据,前者在很多方面都超过了后者,尤其是在作用距离上。这有点不像俄罗斯的宣传风格。

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新型有源相控阵雷达 近来,“法扎特龙”设计局的有源相控阵雷达和米格-35战斗机一起亮相,这可以说是俄罗斯工业在该领域的一座里程碑。长期以来,俄罗斯一直无法发展出有源相控阵雷达,这主要是受限于无法得到性能更好的砷化镓功率晶体管。虽然近年来国际商品市场也出现了一些民用砷化镓功率晶体管,但是其近百倍于军用产品的体积注定了它几乎没什么军用价值。不过,这种局面已经有所改变。本世纪初,美国在氮化镓晶体管上获得突破性进展,这种技术已经应用到美国第二代有源相控阵雷达上,同时已经通过鉴定并将用于全球微波接入这一新型宽带网络技术。这可能意味着这种技术将可能在下个十年出现在国际商品市场上。如果这种技术落入俄罗斯手中,那么其用途将不可控制。举一个与之类似的例子,现在西方国家一些商品化的高性能32位/64位微处理芯片已经被广泛运用到俄罗斯许多军用装备的设计中。与俄罗斯不同,现在困扰西方进一步发展相控阵雷达的因素变成了雷达的天线设计及集成。典型的有源相控阵雷达通常用A级放大器为雷达提供合适带宽、频率捷变以及高精密波形所需的高线性度和低失真度,这就直接导致了许多能量消耗在天线上。像F-22A、F-16E/FB1ock这类采用有源相控阵雷达的现役战机,采用的办法是将热量传到飞机的燃油中,从而形成一个“热缓冲器”,有一些设计则是直接将热量传到一个“热交换器”中。

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