舰空导弹及其火控雷达发展道路之争

2019-08-03 版权声明 举报文章

舰空导弹及其火控雷达发展道路之争

当今世界,各军事大国武器装备的竞争愈演愈烈,这中间超级大国美国基本充当“老大”角色,很多新一代武器装备往往都是它领先研制、装备,并投入服役。其他各国往往在美国技术方案基础上或仿效,或改进,或站在新起点重新研发,以期能赶上和紧跟世界先进水平。譬如海军军舰的中远程防空导弹,就是美国率先推出“宙斯盾”系统和火控雷达(即多功能相控阵制导雷达AN/SPY-1)。当然“宙斯盾”是一个综合作战系统,它可同时完成防空、反舰、反潜等多项作战任务。“宙斯盾”系统的研制始于上世纪60年代,至上世纪70年代完成定型,1983年就开始装舰和服役。本文并非是对“宙斯盾’系统的全面评述,而只想谈谈有关它的舰空导弹以及其相控阵制导雷达的特点和发展道路。

众所周知,美国是相控阵技术的“故乡”,长期以来,要比其他各国,譬如俄罗斯,领先至少10年,由其率先推出的武器装备自然可作其它各国仿效的榜样。AN/SPY-1雷达工作于S波段,上世纪80年代初,英、法、意、俄罗斯等国的确仿效了美国一阵,都曾设计出S波段的多功能相控阵雷达,作为其舰空导弹的火控设备。很多技术措施,如馈电方式等,也仿效美国的做法,但后来他们可能很快发现这并非是一条明智的发展道路。上世纪90年代后,这些国家正式装备和服役的大都是以更高频段(如X波段)相控阵制导雷达为火控设备的舰空导弹系统。这说明武器装备要赶超世界水平不能一味仿效别人的发展道路,而要走自己的道路。军事技术上只有站在高起点,才能真正做到赶超世界水平。

重新认识“宙斯盾”的舰空导弹系统

“宙斯盾”战斗系统是美国海军现役最重要的整合式水面舰艇作战系统。它于1969年正式命名的名称为“先进电子制导信息系统/空中预警与地面整合系统”(Advanced Electronic Guidance Information System/Airborne Early-warning Ground Integrated System),英文缩写凑巧是希腊神话中的“宙斯之盾”(AEGIS),所以通称为“宙斯盾”系统。美国海军研发“宙斯盾”作战系统的意图是可以有效地防御敌方同时从四面八方发动的,包括来自空中、水面、水下制导武器的攻击,从而构成了美国海军舰队的坚固盾牌。

虽然在表面宣传上美军很强调“宙斯盾”系统对于空中目标的追踪与拦截能力,其实“宙斯盾”系统的核心(也就是其精彩之处)是一套以计算机为核心的指挥决策与武器管制系统。这个核心接收来自于舰上,包括雷达、各种电子作战装置与声纳等侦测系统获取的信息,加上水上、水下与空中的其他平台经由战术数据链路交换而来的情报,经过自动化的信号处理、目标识别、威胁分析之后,显示在2具42×42英寸显示幕上,为指挥官提供最即时的情报资料,相关的目标信息也会显示在各级别控制台上。电脑作战系统可以在必要时根据目标的威胁高低自动进行接战,通过武器管制系统的整合与指挥,舰上的作战系统得以发挥最大的能力,进行必要的攻击与防御措施。武器管制系统下辖除舰空导弹外,还包括轻型机载多用途系统(LAMPS)、“鱼叉”反舰导弹、“密集阵”近防武器系统(近程舰空导弹和弹炮结合系统)、鱼雷发射系统以及“海妖”反鱼雷装置等等。由此可见,“宙斯盾”之精彩所在,首先是它的高度信息化,自动化指挥系统。

而在“宙斯盾”中远程舰空导弹作战系统方面,其火控雷达就是AN/SPY-1多功能相控阵雷达,工作于S波段。其相控阵天线共有4个阵面,分别装置在舰艇上层结构的4个方向上。每一阵面上的振子单元都排列成六边形;微波能量传送到天线阵面是采用传统的分支馈电阵列方式。用波导分支阵列作馈线;舰上专有一个舱室安置这些笨重的波导。

对于天线前方的空域目标,雷达以每秒数次的速率进行扫描搜索。第一代的SPY-1A雷达每片天线重量高达32吨;上面有140套模组,每个模组包含32个发射/接收与相位控制单元,因此每一阵面上都有140×32=4460个振子单元。雷达采用微波正交场管作发射管,峰值功率可达数兆瓦,所以对飞机(假定反射面为1米2)最大探测距离可达370千米。系统采用惯性/无线电指令+半主动寻的制导方式,每一阵面方位可扫50°,高低60°。整个系统可监视400批目标,跟踪200个目标,同时拦击12?16个目标。至于其导弹—“标准-2”导弹也为半主动寻的方式,其性能指标为:射程74千米,最大射高24千米,最大速度马赫数3,战斗部采用MK90型烈性杀伤炸药,以MK41垂直发射装置发射。

现在有些专家学者在评论“宙斯盾”舰空导弹的水平时,第一个迷惑不解的大问题是,它为什么选用如此低的频段—S波段?大家知道,选择频段是雷达系统设计的头等大事,尤其对相控阵制导雷达。因为由雷达原理知,雷达的波束角θ大致是和Kλ/D成正比的。式中λ为波长,D为天线口径,K为某常数。也就是说,对于口径D相同的天线,波长越长,则波束角θ越宽。但从系统制导精度言,则希望θ角越小越好。因为它直接影响到雷达测角精度。相控雷达的测角都基于单脉冲测角原理,其测角精度大致与波束角成正比,也就是说只有θ角小了才有可能提高测角精度。而测角精度又直接影响雷达的性能指标,因为雷达测量目标的线偏差是由测角精度决定的—角精度越高,目标距离的线偏差越小。一个中远程制导雷达测角精度大约在1毫弧度左右,根据计算,对波束角的要求大约为1°左右。这对S波段雷达要求就很严苛了,实际上据报道,SPY-1雷达在采取一系列措施后,波束角也只达到1.8°的水平。

另一个有争议的问题是SPY-1的原来设想是多功能,即集探测、截获、制导、指令、照射、拦击等火控任务于一身。不过后来人们发现雷达的资源是有限的,就好比世界上的事物没有万能的。你要它功能越多,就越影响和制约其主要的火控功能(即制导的功能)。因此看来后来的“宙斯盾”就把制导以外一些任务交由其他火控设备来承担了。

美国对“宙斯盾”的研发早于上世纪60年代。应该说包括美国在内,当时的电子技术水平尤其是微波元器件(例如大功率发射管和低噪声微波放大器等)的水平和今天相比不可同日而语。研发S波段的相控阵雷达要比研发更高频段的雷达容易得多,起码有大功率的发射管等。而根据当时条件,迅速抢先装备世界上第一种中远程舰空导弹系统会起到一种威慑力作用,这很可能是美军当时决策机构的战略考虑。自第一部“宙斯盾”装备后,美国技术人员肯定发现它有种种问题和缺陷。所以之后“宙斯盾”及其SPY-1雷达推出一系列改进或升级型号。从A、B、C、D、E直至最近的K。而SPY-1本身也从开始的多功能到现在主要承担制导任务,而将搜索、照射等任务交给其他雷达完成—如照射任务交给SPY-62,指令控制任务可能交给武器控制系统MK-1或火控系统MK-99等等。但无论如何,SPY-1选用S波段明显使制导雷达“先天不足”是个无可争辩的事实。所以预计今后它还将不断进行改进。如媒体报道,美国正在研制固态相控阵雷达SPY-2,导弹改用具有动能拦截头(LEAP)的“标准-3”型,能直接撞击目标等等。但尚无正式官方资料。

“宙斯盾”舰空导弹系统的真正能力,主要得靠实战来验证。可惜的是,除了1988年4月在波斯湾击落过一架伊朗客机外,至今它还没有遇到一次像样的实战机会。那次事件,被港台媒体吹捧为“神盾”的“文森斯”号巡洋舰上“宙斯盾”防空系统将一架伊朗客机击落,机上300余名旅客全部遇难。事后媒体对此有两种说法,一是“误将客机判为歼击机”,二是“蓄意谋害”。其实不管哪种说法,只能说明所谓“神盾”的防空能力和水平还是有值得怀疑之处的。顺便说一句,美国对防空导弹武器的研发,包括舰空导弹,从来就不如其他国家,尤其是俄罗斯那样肯花大力气。因为其自恃有强大空军保护,有绝对制空权,从来不畏惧别国的飞机会到他的舰队上空来轰炸,或用反舰导弹来偷袭。当然后来研发的地空导弹(如“爱国者”)情况有所改变,因为它主要变成外销,以保护他的盟国和海外基地,当然顺便也做一次收益可观的军火买卖。

法意英等国发展舰空导弹之路

法国、意大利和英国等三国海军发展中远程舰空导弹之路好像有点类似。一开始似乎都想仿效“宙斯盾”,研发S波段的相控阵制导雷达作为火控设备。但后来各自发挥优势,很快先后推出采用更高波段(C或X波段)的相控阵雷达。如法国于80年代初就由汤姆逊-CSF公司研发出DRBJ-11B相控阵雷达。它由别的雷达改建而成,所以完成较快,但采用了S波段。它只有单面阵,天线口径3米,有1500个辐射单元,靠机械旋转扫描360°空间。当时曾宣称要装备“戴高乐”号核动力航空母舰。但到1990年,真正装备“戴高乐”号的却是由汤姆逊-CSF公司研发的ARABEL型X波段相控阵雷达。而导弹则采用主动寻的式,有一定反导能力且性能明显优于“标准-2”的“紫菀”导弹。此外这部雷达还有一亮点,就是采用透镜式空间馈电方式,以减少微波损耗,并减少移相器的数量,而未采用“宙斯盾”的分支馈电方式,不过它仍采用单面阵布局。自“宙斯盾”首创四面阵后,也有一些专家学者认为在实战中必要性不大,而且结构太复杂,成本和平时的开支太大。据说美国“宙斯盾”本身平时也只开通1?2个面阵,因为全开通时光耗电就吃不消。而且从经费上讲,四面阵雷达的经费也许是单面阵雷达的2倍(一般说来,一部相控阵天线的成本大约占整个雷达成本的1/3左右)。何况现代海战都是舰队作战,很难想象单舰出海遭遇敌方360°的全向袭击。因此作者认为,舰空导弹的天线到底用几面阵最好,看来并无最佳模式,而应视国情军情,舰队编制,作战海域等情况而定。

英国有1982年马岛战役的经验教训。那次战役,阿根廷空军用“飞鱼”式反舰导弹击沉英舰队中装有老一代“海标枪”舰空导弹的“谢菲尔德”号导弹驱逐舰,使英军痛感研发新一代舰空导弹的必要性。但可能由于经济等原因,进展并不理想。英军的火控雷达任务向来由Plessey公司垄断。该公司在上世纪80年代推出S波段MESAR固态有源相控阵,作为北约中远程舰空导弹武器系统。阵面为1060个单元组成的八边形阵列。据报道,波束宽至3.1°?3.4°,显然其制导精度有限。后又在MESAR基础上推出三面阵的TRISAR,但因采用光纤技术,大大减轻了雷达重量。它的天线采用三面阵,每一阵面1000多个单元,可以覆盖大于90°的空间。但仍需靠机械转动来覆盖360°的全空域。本世纪初英海军当局宣布,现正在加紧研制新的TRIXSAR,其主要亮点是采用双频段:雷达原来的S波段部分只作探测和搜索,而新增加的X波段部分作制导和照射,这必将大大提高舰空导弹系统的作战能力。

至于意大利,开始时也是由该国著名军火商Salenia公司研发的S波段RAN-20S有源相控阵雷达。但到上世纪90年代,根据北约军舰换装计划NFR90的要求,该公司和法国的汤姆逊-CSF公司、英国的Plessey公司合作,研发出EMPAR型号C波段多功能相控阵雷达。它设计有三种阵面型式:机械旋转式单面阵,背靠背式双面阵和固定式四面阵(和“宙斯盾”相同)。1992年,单面阵型号装舰海试,但至今尚未见有四面阵装舰的,从照片上看,作者判断该天线阵也采用空间馈电方式。

事实上,法意英三国一直在欧盟框架内开展舰空导弹武器的技术合作。1999年4月,三国达成协议,成立总部设在巴黎的欧洲主防空导弹系统(PAMMS)联合投资公司。由三国人员联合研制主要用于舰艇编队多层次防空的PAMMS系统。这是一个模块化的系统,除火控雷达仍用各自国家原来的相控阵雷达外,还包括有“紫菀”导弹、垂直发射模块和指挥控制模块。由法意二国联合研制的“紫菀”导弹,比起“标准-2”有很大优势:一是它是主动雷达寻的式,其末制导雷达为Ku波段脉冲多普勒型,具有较强的抗干扰跟踪能力和可编程能力,可使导弹以最佳的比例导航路线来接近目标;二是在机动性方面,它具有矢量推力助推器和先进的飞行控制技术,使之在机动性上大大地超过了“标准-2”导弹;三是它的重量、长度和体积都只有“标准-2”的一半左右,发射系统所占的空间也小,更适用于中小型的护卫舰和其它舰艇。PAMMS前景广阔,法国、意大利和英国的一些新型驱逐舰都将装备该系统(但仍使用各自的多功能火控雷达)。

至于亚洲的日本,由于它被“日美共同合作和安全保障条约”捆绑,海上自卫队已有4艘导弹驱逐舰装备“宙斯盾”系统。此外,如韩国和中国的台湾,都曾以“宙斯盾”为蓝本,推出(或购买)这样或那样的舰空导弹系统(中国台湾还以“宙斯盾”的SPY-1为蓝本,推出“天弓Ⅱ”型地空导弹系统)。另一些国家,如新加坡、沙特等则看好欧洲的PAMMS,他们认为就当前言,与“宙斯盾”相比,PAMMS在很多方面都明显技高一筹。据媒体报道,截止目前的合同,已有29套舰载防空系统(另有27套车载防空系统),连同至少1800枚“紫菀”导弹一起交付给英法意和沙特、新加坡等国。不过美国也在大力宣传,未来的“宙斯盾”要改用“标准-3”导弹,无论在射程、防御能力等方面都将超过“紫菀“。看来美国和西欧这两大家舰空导弹武器系统买卖的较量还将继续下去。

俄罗斯发展舰空导弹之路

自前苏联解体后,俄罗斯经历了10年经济休克时期,当时一些军工企业连职工工资都发不出,如今已俄罗斯已能紧跟美国之后,研发出一代又一代新型武器装备,这中间很大程度上得益于其原有的雄厚并且配套的工业基础,以及一支优秀的科技和工程设计队伍。在防空导弹系统方面,俄罗斯拥有一支优秀的总体设计师队伍。他们擅长于根据国情,抓住主要矛盾,扬长避短。利用系统的观念,把前苏联各个研发单位提供的性能并不高的部件组合成主要性能突出,综合技术水平世界一流的防空导弹武器系统。所以他们能继S-300之后迅速推出S-400系统,这并不是偶然的。在海军舰空导弹方面,他们在80年代也曾仿效“宙斯盾”,设计出“天空哨兵”系统,其相控阵雷达也采用S波段,也采用四面阵,每个阵面5100单元。与“宙斯盾”的SPY-1很相似。并曾装备过原苏联的“戈尔什科夫”号航空母舰。但它很快就走自己的道路,真正定型和装舰服役的大都是X波段的“里夫”型舰空导弹系统。“里夫”基本上是地空导弹S-300的上舰型,既保留了原S-300的技术特点,又采取了适合于海上实战的一系列技术措施。

前面说过,美国是相控阵雷达技术发源地。无论是理论上,生产的设备或是实战经验,一直稳居全世界首位。在文献上和列次国际学术会议上,它一次又一次提出过权威性论点。并被其他国家专家学者奉为经典。俄罗斯开始发展相控阵技术时间也许跟中国差不多,直到上世纪80年代前好像还无多大建树。但近10?20年,他们取得了惊人成就,尤其是敢于多方面对美国的发展道路以及美国专家提出经典理论和权威性论断提出挑战,并取得成功。以下引用1995和1999二次国际性雷达年会上俄罗斯科学家作的学术报告以及美国著名雷达专家们的评述,来对这些情况做些简介。

首先是他们设计的的相控阵雷达,一开始就敢于选用更高的X波段。俄罗斯的防空导弹,无论是地空还是舰空,一开始就敢于站在高起点,令各国专家学者刮目相看。

其次是总体设计中,不沿袭美欧传统上强调的,一部相控阵雷达完成多功能的做法,而是将制导和搜索二大任务分别由相控阵雷达和另一台三坐标雷达(可以采用较低频段,如S波段)来完成。因为这样相控阵雷达可以用全部时间充分发挥其制导的功能,易于提高其性能指标,从而提高武器系统整体作战水平。再则经仔细论证,这样二台的经费反而小于一台的经费。美国著名雷达专家Barton在IEEE 95年会的报告中有这样一段很有意思的话:

俄罗斯防空导弹系统的设计师们20年前就认识到,两坐标扫描相控阵雷达主要作用是在多目标跟踪和拦击中提高火力,而不是为了“多功能”使用。(作者注:Barton这句活实际意思是:我们到今天才认识到)。

俄罗斯雷达设计人员第三方面敢于打破美国专家权威性论断,就是前面说过的,天馈系统敢于采用空间馈电方式。相控阵天线采用空间馈电方式,直至上世纪90年代还被很多美国学者和工程界所否定。下面我再引用Barton在IEEE95年会上报告中一段很有趣的话:

“西方的相控阵雷达研制者们,自1960年以来就一直全神贯注于分支馈电的设计。西方大多数的相控阵雷达的设计者和使用者以及相控阵雷达的制造者都倾向于忽视和拒绝这种空间馈电的途径。美国一个政府的研究有很大影响的工程组织到1988年时还认为空间馈电技术不够成熟,不能考虑作为天基雷达等大型天线的初期方案。1993?1994年由IEEE举办的一个相控阵天线大型项目,在其详细科目大纲中甚至也没有提及空间馈电阵列。西方雷达工程界的这种态度把发展的空间馈电阵列技术全部留给了俄罗斯工程师们,他们得以精力充沛地进入这个空白之地。”

空间馈电主要优点是消除多路耦合器和馈电线的损耗和失配,从而能减少重量和费用。这些部件由馈电喇叭所代替。西方专家认为,用简单喇叭馈源不能精确控制照射,尤其在边缘可能产生泄露和旁瓣。可能使损耗增加一倍。

当然俄罗斯工程人员所以能打破美国过去的这些权威性论断,主要它有扎实的技术基础。在实际技术问题上,它解决了喇叭馈源的设计和天线阵加权问题,使馈电过程中泄漏很小,旁瓣很小。另外作者在前面提到,英法意等西欧国家后来的相控阵天线也大都采用空间馈电方式。似乎他们在采用新技术方面就没有美国一些公司那样保守。

第四方面敢于打破美国专家权威性论断处,是在体制上敢于大胆采用了高脉冲重复频率(PRF)的脉冲多普勒体制(重复频率高达几百千赫兹),使其雷达具有在大空域动杂波背景下对付高速、小RCS目标的良好性能。欧美很多雷达专家一向不赞成地面或水面舰艇雷达采用高PRF的脉冲多普勒体制(空载雷达除外)。如Barton在其名著《雷达系统分析》第二版,及《雷达系统分析和建模》第一版中都强调,“不鼓励使用高PRF地面脉冲多普勒雷达”。此后国内外一些雷达文献和教科书中,几乎都遵循这一说法。

Barton所持主要理由是:高PRF地面脉冲多普勒雷达存在严重的距离模糊,因此:其一,远处目标有可能与近处地杂波混淆,难以区分,除非先对强杂波进行抑制;Barton计算,这种抑制约需100分贝以上,实际上难以实现。其二,同样的道理,对雷达相干频率源(STALO)的相位噪声也有严格的要求,也难以实现。按Barton论证,在离载波100千赫兹附近,相位噪声应优于110dBc/赫兹的水平。其三,由于存在距离模糊,这种雷达无法像一般雷达那样利用前端的STC(灵敏度时间控制)来减轻整个接收机动态范围的要求。这样就要求接收机自身具有100分贝以上大动态范围。其四,PRF太高后,要求保护接收机的收发开关的恢复时间很短,一般放电管难以做到。例如PRF=200千赫兹时,允许恢复时间仅5微妙。于是就带来收发隔离的新问题。面对以上技术难题,俄罗斯科技人员发挥自主创新,扬长避短的设计思想,还是一个一个地克服了。我们仔细分析起来,它主要还是得益于扎实的基础技术研究。因为他的滤波器技术、高稳定低相位噪声的振荡源、以及大动态模拟电路等历来有很高水平,解决以上难题就比较得心应手。再加上有高水平的微波电真空技术,采用低噪声的微波静电管作高频放大器,较好地解决收发隔离问题。据说在1999年国际雷达年会上,俄罗斯学者报告以上成就时,Barton和其他美国专家表示认可和祝贺,中国一些与会专家目睹了这一场面。

表1列出Barton对美俄二国防空系统中相控阵雷达微波损耗的估算,可供参考。微波损耗是雷达性能一项重要指标。譬如损耗大了3分贝,即微波能量损耗一半,就相当于雷达作用距离减少了约16%。表中美雷达Ⅰ指的是美国“爱国者”之类利用空间馈电阵列的地空导弹系统,而美雷达Ⅱ指的是美国“宙斯盾”之类利用分支阵列馈电的舰空导弹系统。至于俄雷达,对地空导弹S-300或舰空导弹“里夫”都是适用的。由表可见,俄罗斯雷达的微波损耗要比美国相应雷达小3分贝(空馈阵列)至7.6分贝(分支阵列)。因此美国几位著名专家,如Skolnik,Corey等都认为,俄罗斯的防空导弹设计,可概括为“高性能、低成本,低损耗”,并有“独特的设计方法”。

几点小结

综上所述,我个人认为:

1、“宙斯盾”中舰空导弹系统的相控阵雷达(AN/SPY-1)采用了较低的S波段是出于当时历史条件的限制,不能说它采用此波段以及采用的其他一些技术措施(如分支馈电等)都是先进技术。不必要盲目仿效。

2、“宙斯盾”之后一些国家的舰空导弹相控阵制导雷达,先后改用更高的C甚至X波段,并且主要把它用于(或专用于)制导,是明智之举。现在看来,采用较高的C或X波段相控阵雷达作为制导,再用一较低的S波段的相控阵雷达作为搜索,而导弹采用雷达主动寻的体制可能是当今和今后一段时期设计防空导弹武器系统的主流方案。

3、先进技术不是一成不变的。“宙斯盾”之后一些国家的相控阵雷达采用了过去美国学者认为难以实现的新技术,就是新技术要与时俱进的体现。

4、在研发新武器装备的竞争中,只有站在高起点,并且从本国实际出发,扬长避短,才能赶超世界先进水平,俄罗斯和法国的做法,有值得我们借鉴之处。

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