漫话机载有源相控阵雷达.docx

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漫话机载有源相控阵雷达

漫话机载有源相控阵雷达

AESA（Active-electronically-scanned-array），一般称为有源相控阵雷达，这是一种公认的对未来空中作战有着革命性影响的新技术。

自上世纪80年代以来，伴随着电子工业日新月异的进展，机载雷达也越来越多的采用相控阵技术。

相对于采用平面缝隙阵列天线雷达而言，有源相控阵雷达具有非常明显的优势：

在相同大小的面积上，相控阵天线可以集成上千个辐射阵元，每一个辐射单元都具有发射和接收电磁波的功能，同时使用电子控制系统改变相位来实现雷达波束的空间扫描。

这种原理具备快速波束控制能力，可以快速将波束在探测范围内的任意点转移，只需几毫秒的时间；而传统雷达依靠机械伺服系统俯仰转动实现波束扫描的方式，不仅耗费时间，由于机械构件转动时会产生雷达反射信号，不利于平台隐身。

同常规天线雷达比较而言，有源相控阵雷达中每个T/R组件中接收机直接和功率放大器相连，大大减小了干扰和噪声对有用信号的影响，从而将信号无误的传送到处理模块中。

各国发展概况

正是由于有源相控阵雷达所具备的巨大技术优势，世界各主要军事强国纷纷投入大量资源进行开发，以确保在未来的空中作战中争取主动权，其中尤以美国为甚。

1998年，装有APG-63V2有源相控阵雷达的F-15C战斗机正式编入现役，标志着有源相控阵雷达战机的诞生。

但是其作为第一代型号技术还不成熟，系统重量过大，据传改装的F-15C不得不在机尾增加配重，这是一个很遗憾的地方。

在现代战机的设计中重量控制是非常重要的一个命题，气动外形确定以后，额外增加的重量会影响到整体气动性能。

这批F-15C部署在阿拉斯加埃尔门多夫空军基地，隶属于美国空军第3战术联队，相信白令海峡对面的俄军雷达兵经常会和它们发生亲密接触。

总体上看，美国有源相控阵雷达研制计划十分庞大，不仅在研战机会安装，大批现役战斗机也会分批改装。

按照五角大楼的计划，到2010财政年度，美军将会有200架以上的战机采用AESA技术。

尤其是F-35批量生产后，美军AESA战机数量将会有巨大的增长。

其中，装备F-22战机的AN/APG-77雷达最具有代表性。

该雷达在传统雷达大小的天线面积上集成了多达2000多个T/R组件，其中每一块组件都可以在不同频率和时间上发射信号，用来迷惑对方的电子截获设备；还可以控制阵面上一部分组件组成多个“子雷达”，分别完成不同的功能，例如在遂行空中作战时同时观察地面战场态势，具有很强的实战意义。

当然，这必须要有强大的数据处理能力作为支撑，因为采用对地模式工作时杂波的散布范围很宽，必须采用很多方法，例如空时自适应处理（STAP）等方法降低载波的影响。

另一种主力战机一一F-35上面搭载的是AN/APG-81型有源相控阵雷达，这一型号的亮点是天线阵列上采用了瓦式T/R组件。

这种组件能够将阵列的安装深度大大降低，更灵活地构建阵列的几何形状，组成“拱型阵”。

其未来可以进一步发展成为智能蒙皮技术，成本和重量也会有大幅度降低。

不过，五角大楼的预算官员对于AESA雷达无疑是抱着复杂心情的，举个例子，一个10WX波段T/R组件的价格会高达3000美元，即便是美国这样财大气粗的国家，要想实现大批量装备AESA战机仍需成本大幅度下降，对于发展中国家更是如此。

作为传统空军强国，俄罗斯同样在该领域取得了很多成就，1983年服役的米格-31战机就采用了无源相控阵雷达。

与有源相控阵雷达相比，无源系统上面的接收机和发射机是统一的，只是天线采用了相控阵结构，其最终还是会被有源系统取代。

苏-27M上面搭载的N011M无源相控阵雷达系统对RCS的目标截获距离为80到100公里，对战斗机大小的目标最大探测距离可达140公里。

当然，这一性能相对于AN/APG-77等有源相控阵雷达仍有较大的差距，AN/APG-77在试验中对目标的有源探测距离超过了220公里。

俄罗斯同印度正在联合开发“雪豹”（Irbis）式有源相控阵雷达，预计在2010年应用于苏-30MKI战机。

长期以来，前苏联在机载雷达领域进行了大量卓有成效的探索，开发了一大批性能各异的型号。

但是自苏联解体以来，很多型号被取消，现有项目进展同美国相比也落后了许多，这在下一代战斗机装备后将尤为明显。

目前，法扎塔隆设计局正在开发“隼”（Sokol）式雷达，

其天线直径980毫米（增益37dB），重275公斤，可同时追踪24〜30个目标，并同时攻击其中的6个，对战斗机大小目标截获距离可达245公里（资料中的数据，应该指的是在普通搜索模式下，如采用TWS边跟踪边扫描模式达不到这一距离）。

另据消息，印度准备采用俄罗斯提供的Koyopo-F雷达装备LCA战机。

这是一种小型AESA雷达，峰值输出功率只有“隼”式雷达的一半左右，探测距离肯定也会下降不少，但由于尺寸较小，天线直径只有440毫米，因此可以用来改装一些机鼻较小的现役战机。

实际上，AESA技术中最核心部分在于T/R组件的开发，更进一步的阐述就是砷化镓材料的改进和砷化镓单片微波集成电路（MMIC）的性能。

MMIC技术需要高集成度的制造工艺和封装技术，俄罗斯在这方面一直比较薄弱，电子器件的制造工艺甚至落后于我国，造成同等性能雷达普遍存在超重的现象。

欧洲各国的“台风”、“阵风”战机虽然目前采用的都不是AESA雷达，但都有相应的改装计划。

可以这样说，如果一架战机在未来10年里继续服役，就要考虑到雷达方面的改进。

国内相关科研院所也做了大量的研究开发工作，攻克了许多技术难题，举个例子，在机载相控阵雷达上，因为平台限制，对阵面电源的体积和质量限制极其苛刻，与传统电源相比总功耗数十倍的设计，这就对冷却系统提出了很高的要求。

在应用了一些新的理念和大量实验修改后，我们终于掌握了这一技术。

AESA雷达是非常尖端的技术，在这种关系到国防安全的核心技术领域，必须而且只有依靠自主研发才能掌握主动权。

譬如从前年开始西方国家借口我国军力威胁，全面禁止了向我国出口电磁设计专业软件Mafia。

笔者认为，在这种核心领域，只有横下一条心艰苦奋斗，全国科研院所通力协作，才能打破西方的技术垄断，开创出装备研发的新局面。

功能多元化

现代多用途战机需要机载雷达除了完成传统的搜索与跟踪任务外，更重要的是监视、目标识别和分配、武器制导和任务完成核实的空对地搜索、跟踪和成像等其他任务。

未来的空战主要是体系与体系的对抗，在遂行突防作战时，战机不仅要面对敌方的拦截战机，还要对陆基或者海基的防空系统进行有效压制。

这时，相控阵雷达具备的同时多模式优点就体现了出来。

假设以“飞豹”一类的战机对多山岛屿目标进行突防时，面临的问题主要是两个：

一个是对方空防系统，尤其是如果第三方干涉，而囿于外交等方面原因，不能抢先对第三方发动攻击，则突防作战时空中压力更大；第二个是多山环境下复杂地形杂波的影响很严重。

要想同时处理好这两方面的问题，传统雷达改进的潜力不大，在执行空对地模式由于载机本身的移动，地面杂波的特性也在相应发生改变，滤波器要不断调整以适应环境的变化，这对天线本身和处理系统都提出了很高要求。

运用AESA雷达集成的上千个T/R组件，可以组合成“子雷达”应对不同威胁，己方突防战机可同时对敌方地基防空系统和拦截战机进行监视，提高突防成功率。

另外，由于AESA雷达的快速波束控制能力，可以进行空空模式和空地模式的快速切换，提高战场势态把握能力。

一队配备AESA雷达的战机在高速大容量数据链的支持下，将是一支不可忽视的强大力量。

现代空战是分秒决胜负的时代，先敌发现是敌我双方都在努力追求的。

目前各国在研的机载AESA雷达都能做到在200公里以上截获到战斗机大小目标，未来视距外空战将成为主要的作战模式，近距格斗的机会越来越少，从海湾战争到科索沃战争以来的空战记录充分反映了这

一趋势。

从这里我们也可以看出，没有搭载AESA雷达的战机如果与载有此雷达的战机交战将会吃很大的亏，如果不依赖地面指挥系统的支援，起码先敌发现很难做到。

而且就算进入了截获距离，载有AESA雷达的一方战机仍有很多优势，使用单部干扰机几乎无法对其实施有效干扰，相控阵雷达可以迅速在干扰方向形成天线零点。

以F-22战机搭载的AN/APG-77雷达为例，计算机系统里存储了很多种雷达的信号，如果发现敌方雷达信号，计算机可以快速解算出敌方雷达进入锁定状态的剩余时间，然后在最佳时间进行干扰。

相控阵列天线的另外一个优点是摒弃机械伺服的天线俯仰结构，可维护性能大大提高，平均故障间隔时间（MTBF）值要远远高于机械扫描天线雷达。

阵列中即使有部分T/R组

件损坏，整个系统仍可继续工作。

这在近距格斗空战中有着相当的实用意义，如果弹片命中载机头部，在毁损程度不严重的情况天线仍可继续工作，当然性能会有下降。

从这里可以看出，下一代战机设计中也越来越多的引入了类似海战中损管的概念。

F-22的设计中考虑了翼面在空战中损坏的情况下重新计算控制律来维持操纵性能，这是一个飞跃。

以前的战机设计中，设计师很少考虑战机被击中后的情况，如果在实战中真的被击中，那基本上就只能靠飞行员“艺高人胆大”了。

由于AESA雷达的卓越性能，使未来空战中可能会出现

一些全新的作战模式，比如利用战机截击巡航导弹。

现代战争中外科手术式的打击越来越多，大规模巡航导弹突袭对方目标的手段将越来越多的被采用，利用战机拦截的好处是比地基防空系统更加机动灵活。

但是巡航导弹的RCS（雷达截

面积）很小，“战斧”巡航导弹的RCS只有0.05平方米，和一只大鸟差不多；“战斧”BlockW可能会进一步降低到0.01

平方米甚至更低。

而且“战斧”多在对方防空火力范围圈外发射，在现有雷达水平下利用战机来拦截还比较困难。

但是AESA雷达使这种作战模式成为可能，事实上美国空军已经开始着手这方面的试验了。

雷声公司专门开发了一种AIM-120C-6的空空导弹型号，可以精确攻击移动中的慢速目标。

如果试验中效果比较理想，则预计将改装AESA雷达的战机，包括F-15C和F/A-18E/F都将具备拦截巡航导弹的能力。

如果美国在关岛、冲绳一线的基地部署这样的战机，会对亚洲国家发动外科手术式打击的能力构成威胁。

除了传统意义上机载雷达的应用领域外，还可用于如电子战、通讯甚至定向能武器等方面。

在过去的空战中，类似于对敌方雷达进行干扰的任务通常由专用干扰源完成的，但是从整体意义上来说，如果己方战机雷达具备对敌进行电子干扰的能力，将大大方便空战中己方力量的综合调度管理，毕竟专用电子战机数量总是有限的。

由此，指挥机构便可以指派距敌方发射源最近的AESA战机实施干扰。

在一定的时期内，用AESA雷达遂行干扰作战任务时效果还是无法同专用干扰设备相比，在美国军方的实验中，APG-79雷达只能在对方前半球实施干扰，并且在实际应用中必须要将雷达告警接收机与AESA雷达结合起来进行使用。

其实在今天的空中作战中，各个子系统将被网络中心数据链连为一个整体，以电子干扰为例，可用干扰源也越来越多，美军计划未来将无人机、大型飞机上的干扰吊舱和所有AESA战机整合到一起遂行电子作战，通过预警指挥系统协调所有态势感知和电子支援的力量。

所有的资讯可以通过数据链在系统各个节点中共享，自动辨识目标并对其进行排序，指派最近的战机实施攻击。

网络中心战体现的是整个系统的对抗，对于数据共享的要求很高，大量数据要以秒为单位在整个空战网络系统中传输，类似于Link-16这样的传统数据链系统在执行这种任务时已经显得有些落伍。

一个几十兆大小的数据包如果用Link-16数据链传输大约需要半小时，将战机如此长时间的暴露于复杂电磁环境下是极为危险的；在执行大容量数据传输，例如中继制导这样的任务时，战机本身的自卫性能将下降，因此如何加大数据链的带宽和传输速度是亟待解决的问题。

美国军方已经着手这方面的试验，据传APG-77雷达传输速率可达上G每秒。

如果大规模换装加载数据链功能的

AESA战机，这些战机之间几乎可以做到实时共享海量数据，这是未来的一个发展趋势。

除了外延拓展新功能，就相控阵雷达本身来说也在不断改进中，尤其是发射宽带信号时存在着一定的波束偏斜现象，因为发射频率不同会导致信号的出射角度不同，带宽的瓶颈限制了雷达的基本性能，特别是面对反辐射导弹的威胁必须增大雷达的瞬时带宽。

光控相控阵雷达技术的出现能够有效解决这一问题，实际上等于利用内置的光电解调器将信号重新调节来消除不同频率产生的相移。

目前各国在这一领域都开展了大量的研究，可以预见不久的将来肯定会有光控相控阵雷达投入实用，跟踪这一领域的进展并研发出我国自己的相应技术是一个重要的课题。

笔者以为，AESA雷达已经脱离了传统意义上机载雷达这样的定义范畴了。

由于其本身的卓越性能，未来空战将会随之发生很大的变化，但问题不在于这种技术的本身，而是由之而来的整体空战战略战术的改变。

就好比二战时日本的潜艇技术同德国一样出色，甚至在某些方面要更胜一筹。

但是日本海军的决策者顽固的将潜艇用于反舰作战，而不是用在它所擅长的破交作战，由此而来的后果是在付出了惨重代价的同时，战果与同时期德国海军潜艇部队相比几乎可以忽略不计。

我们研究AESA雷达的同时，一定要注意同战法的改进结合起来。

经这么多年的努力，我国在雷达电子领域取得了很大进展，回想当年歼8战机入役多年后配套雷达还没有着落的局面，今天我们已经初具规模，即便是AESA这样当代机载雷达最尖端的技术领域亦有相当的研究成果，我们有理由自豪。

但是，与之配套的战略战术的改进以及衍生技术的研究同样重要。

在可以预见的下一场空战中，我们必将遭遇装备有

AESA战机的空中力量。

如何做到利用地基防空系统早期发现敌机、协调防空系统对AESA实施干扰，以及将AESA战机与非AESA战机混编作战等，都是值得研究的问题。

尤其是AESA不再仅仅是完成传统上的搜索、跟踪、制导等功能，而是越来越多的被整合进了电子战、通信甚至定向能武器等衍生功能，武器装备落后一方要想通过形成局部不对称态势战胜对手难度更大了。

因为这样的战机或者说所有的搭载平台都可以视作网络中心站中的一个强大节点，同其中任何一个节点交手都是在同整个体系对抗。

体系对体系就是均衡的较量，侥幸的机会越来越少。

但是任何事物都有其两面性，AESA雷达虽然性能卓越，不过并非不可战胜，在实战中技术落后一方只要抓住它的缺点还是能与之较量。

试验中采取一些特殊措施，也能对相控阵雷达形成有效的干扰：

例如由于AESA雷达的快速波束控制能力，使用单部干扰机对其干扰时，被干扰方可以快速在干扰源的方向形成空间图零位，使得干扰达不到效果。

这个过程需要一个对干扰源分析计算的时间（自适应时间），如果能同时集合多架战机，利用干扰机“接力赛”的方法，就能对其形成有效干扰。

同时，对现有的干扰机也要加大功率。

当然如果己方也能开发出先进的AESA雷达与敌方对抗，那是最好的解决方案。

AESA究竟会给空战格局带来多大的影响，在下一场空战中我们将获得准确的答案！