引用格式:張江華.對美軍空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)體制的推測[J].航空兵器,2023,30(1):31-36.
ZhangJianghua.SpeculationsonUSAirforcesAirtoAirMissileRadarSeekerTechnicalScheme[J].AeroWeaponry,2023,30(1):31-36.(inChinese)
摘要:近幾十年來,世界各軍事強(qiáng)國競相發(fā)展隱身技術(shù),戰(zhàn)機(jī)典型RCS已經(jīng)從0.1~1m2下降到-40dBm2,隱身目標(biāo)探測成為空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭領(lǐng)域亟待解決的難題,有源相控陣導(dǎo)引頭技術(shù)被廣泛認(rèn)為是最有可能解決空空導(dǎo)彈對隱身目標(biāo)探測的先進(jìn)技術(shù),但成本高,且對隱身目標(biāo)探測能力提升有限。本文結(jié)合美軍近年來中距空空導(dǎo)彈改進(jìn)項(xiàng)目以及從平臺中心戰(zhàn)轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)、體系中心戰(zhàn)的大背景,通過對機(jī)載雷達(dá)、TVM(TrackviaMissile)雷達(dá)導(dǎo)引頭以及Ku和Ka波段主動雷達(dá)導(dǎo)引頭在晴天和雨天條件下對典型隱身目標(biāo)探測距離計(jì)算分析的基礎(chǔ)上,認(rèn)為美軍可能在發(fā)展TVM雷達(dá)制導(dǎo)與主動雷達(dá)制導(dǎo)復(fù)合的制導(dǎo)方式。X波段TVM雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)可以充分利用機(jī)載雷達(dá)資源,提升導(dǎo)引頭對隱身目標(biāo)探測能力,相比有源相控陣導(dǎo)引頭技術(shù)成本大幅度降低。
關(guān)鍵詞:相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭;主動雷達(dá)導(dǎo)引頭;TVM雷達(dá)導(dǎo)引頭;隱身目標(biāo);空空導(dǎo)彈
中圖分類號:TJ765.1
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1673-5048(2023)01-0031-06
DOI:10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0199
0引言
隱身技術(shù)的飛速發(fā)展給空空導(dǎo)彈、防空導(dǎo)彈帶來了巨大的挑戰(zhàn),研究顯示[1],F(xiàn)-35戰(zhàn)斗機(jī)的RCS大約為-25~-39dBm2,不排除最小值低到-50dBm2的可能性,如何解決隱身目標(biāo)探測已成為空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)領(lǐng)域迫切需要解決的難題。中距空空導(dǎo)彈要求導(dǎo)引頭能夠全天候、全天時探測目標(biāo),并測量彈目距離信息以優(yōu)化制導(dǎo)律,雷達(dá)導(dǎo)引頭幾乎是唯一的選擇。不斷提高雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)射功率是彌補(bǔ)目標(biāo)RCS降低的重要手段,常規(guī)機(jī)械掃描雷達(dá)導(dǎo)引頭功率容量的增加受到電子真空器件的限制,提升空間十分有限,國內(nèi)外研究人員紛紛把目光投向了相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭技術(shù),研究利用相控陣天線實(shí)現(xiàn)分布式大功率空間合成,從而提升雷達(dá)導(dǎo)引頭的功率孔徑積,提高作用距離[2],日本AAM-4B導(dǎo)彈[3]、法國“麥卡”導(dǎo)彈的改進(jìn)計(jì)劃都采用有源相控陣技術(shù)[4]。毋庸置疑,采用相控陣天線技術(shù)的雷達(dá)導(dǎo)引頭對隱身目標(biāo)探測能力,相比傳統(tǒng)的機(jī)械掃描體制雷達(dá)導(dǎo)引頭將會提高,特別是毫米波相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭,更有利于提高空空導(dǎo)彈的作用距離。另一方面,相控陣技術(shù)的應(yīng)用也給導(dǎo)彈帶來兩個壓力:(1)成本大增,僅天線動輒就需要百萬元人民幣;(2)功耗大增,發(fā)射功率高達(dá)數(shù)千瓦,而新一代隱身戰(zhàn)機(jī)內(nèi)埋攜彈又迫切需要導(dǎo)彈進(jìn)一步減小體積。更為致命的是,當(dāng)雷達(dá)導(dǎo)引頭平均功率增大到千瓦量級以后再往上增加就變得越來越困難,典型目標(biāo)RCS在過去幾十年內(nèi)減小了30dB以上,雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)射功率需要提高到百千瓦甚至兆瓦級以上,才能彌補(bǔ)目標(biāo)RCS減小導(dǎo)致的探測距離下降,工程上很難實(shí)現(xiàn)。在這樣的背景下重新審視美軍空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭技術(shù)的發(fā)展歷程,對于發(fā)展空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭技術(shù)有著重要參考價值。美軍AIM-120導(dǎo)彈自裝備以來不斷進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,最新的AIM-120D導(dǎo)彈相對于基本型射程增加了50%,導(dǎo)引頭仍然采用機(jī)械掃描體制[5]。
美軍中距空空導(dǎo)彈的升級改進(jìn)中是否考慮過發(fā)展有源相控陣導(dǎo)引頭技術(shù)?新一代主流戰(zhàn)機(jī)F-35采用單引擎,機(jī)動能力已不是戰(zhàn)機(jī)首要追求,轉(zhuǎn)而強(qiáng)調(diào)隱身性和遠(yuǎn)程交戰(zhàn)能力,雷達(dá)導(dǎo)引頭是中距空空導(dǎo)彈的主流制導(dǎo)技術(shù),不發(fā)展有源相控陣導(dǎo)引頭技術(shù)還有其他選擇嗎?
1美軍空空彈雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)改進(jìn)情況
1.1AIM-120系列導(dǎo)彈導(dǎo)引頭技術(shù)
美國先進(jìn)中距空空導(dǎo)彈(AIM-120)是當(dāng)今世界上最先進(jìn)、生產(chǎn)數(shù)量最多的現(xiàn)役雷達(dá)型中距空空導(dǎo)彈[6],自裝備以來就不斷進(jìn)行改進(jìn)。該導(dǎo)彈最早是由休斯公司與雷神公司競標(biāo)研制,后期休斯被并購,由雷神公司負(fù)責(zé)后續(xù)的改型和保障。
導(dǎo)彈采用主動雷達(dá)導(dǎo)引頭制導(dǎo)體制,工作在I波段,行波管發(fā)射機(jī),具有中高重頻設(shè)計(jì),高重頻用于盡早發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo),中重頻用于下視探測低飛目標(biāo),雷達(dá)導(dǎo)引頭的作用距離約為10km,掃描視場角范圍為±25°,波束寬度為10°,天線增益約25dB。改進(jìn)里程碑如下:
AIM-120A,1976年研制,1991年服役;
AIM-120B,1989年啟動,1994年服役,制導(dǎo)控制系統(tǒng)由A型的WGU-16升級到WGU-41B,使導(dǎo)彈可以實(shí)現(xiàn)在線軟件升級;
AIM-120C-3,1996年主要進(jìn)行內(nèi)埋升級,減小了翼展尺寸;
AIM-120C-4,1998年改進(jìn)軟件,減小戰(zhàn)斗部;
AIM-120C-5,2000年減小了控制系統(tǒng)尺寸,升級抗干擾模塊,增大發(fā)動機(jī);
AIM-120C-6,2002年升級了象限目標(biāo)檢測設(shè)備(QuadrantTargetDetectionDevice)及軟件;
AIM-120C-7,2005年改進(jìn)導(dǎo)引頭抗干擾軟件和飛行控制系統(tǒng),增加射程;
AIM-120D,2007年改進(jìn)導(dǎo)引頭,提高了抗干擾能力。重大升級包括使用雙向數(shù)據(jù)鏈,增大離軸角,最大射程增大50%,達(dá)到180km。
2021年,AIM-120C-7首次完成實(shí)彈飛行試驗(yàn),值得注意的是在文獻(xiàn)[7]中同時披露:增程AMRAAM是一個復(fù)合攔截系統(tǒng),把AIM-120C-7的前端(包括雷達(dá)導(dǎo)引頭與戰(zhàn)斗部)與RIM-162改進(jìn)型“海麻雀”導(dǎo)彈的后端(火箭發(fā)動機(jī)與控制艙段)相結(jié)合實(shí)現(xiàn),并于2016年8月完成驗(yàn)證試驗(yàn)。RIM-162采用半主動制導(dǎo)模式,導(dǎo)彈后端應(yīng)該包含尾部直波接收機(jī)。
2021年,AMRAAM的另一次試驗(yàn)中,美國空軍宣稱成功進(jìn)行了世界上最遠(yuǎn)射程空空導(dǎo)彈飛行靶試?!暗?8試驗(yàn)與評估中隊(duì)在第83戰(zhàn)機(jī)武器中隊(duì)的配合下進(jìn)行了這次最遠(yuǎn)距離空空導(dǎo)彈靶試,F(xiàn)-15C戰(zhàn)機(jī)發(fā)射AIM-120導(dǎo)彈命中BQM167靶機(jī)?!钡?8中隊(duì)少校AaronOsborne說,53聯(lián)隊(duì)內(nèi)部之間的關(guān)鍵協(xié)作使在役裝備系統(tǒng)能力得到擴(kuò)展,進(jìn)而使戰(zhàn)機(jī)獲得更好的武器系統(tǒng)運(yùn)用包線[8]。
直到AIM-120D型產(chǎn)品之前,導(dǎo)引頭大致保持一致,最大作用距離約10km,工作在I波段,行波管發(fā)射機(jī),具有中高重頻設(shè)計(jì),功能與A型類似[9]。有消息稱,AIM-120D企圖采用雙模導(dǎo)引頭,同時具有被動射頻尋的和主動尋的兩種模式,但項(xiàng)目辦官員予以了否認(rèn)[10]。
1.2AIM-260導(dǎo)引頭技術(shù)
AIM-260導(dǎo)彈由洛克希德·馬丁公司研制。相比AIM-120導(dǎo)彈,這款導(dǎo)彈的彈徑、長度基本保持不變,射程約150km,導(dǎo)引頭有可能采用主動雷達(dá)導(dǎo)引頭或雙模復(fù)合導(dǎo)引頭[11]。
1.3Peregrine/CUDA導(dǎo)彈導(dǎo)引頭技術(shù)
Peregrine由雷神公司負(fù)責(zé)研制,CUDA由洛克希德·馬丁公司負(fù)責(zé)研制。相比AIM-120導(dǎo)彈,這兩款導(dǎo)彈尺寸減小了一半,并強(qiáng)調(diào)了低成本特性[12-13],由此可以推測導(dǎo)引頭多半沒有采用有源相控陣技術(shù)。
迄今為止的報(bào)道中,還看不到在AIM-120導(dǎo)彈及其后續(xù)新研產(chǎn)品中有使用相控陣導(dǎo)引頭的跡象。
2探測距離分析
在AIM-120D的改進(jìn)中首次引入了雙向數(shù)據(jù)鏈,對于雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈來說,雙向數(shù)據(jù)鏈意味著什么?有沒有可能引入了TVM制導(dǎo)呢?
TVM導(dǎo)彈不僅需要接收目標(biāo)指示信息,還需要把導(dǎo)引頭接收到的目標(biāo)信息回傳到載機(jī),不僅有利于提高導(dǎo)引頭的探測距離,還能提高機(jī)載雷達(dá)跟蹤距離。TVM制導(dǎo)與主動雷達(dá)制導(dǎo)復(fù)合,遠(yuǎn)距離采用TVM制導(dǎo),近距離采用主動雷達(dá)制導(dǎo)。該技術(shù)已在美國PAC-3反導(dǎo)系統(tǒng)中使用。F-35的機(jī)載雷達(dá)APG-81工作在I波段(8~12.5GHz),具有一個激光波束(LaserBeam)模式用于對特定的一個或多個目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)照射,該模式的照射功率比EA-6B“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機(jī)的照射功率還要大10倍!這樣的大功率照射波束對于有源相控陣?yán)走_(dá)來說不存在任何困難,這也是美軍在AIM-120導(dǎo)彈改進(jìn)項(xiàng)目中可能采用TVM制導(dǎo)模式的前提和基礎(chǔ)。APG-81雷達(dá)有1200個輻射單元[14],每個GaAS單元按美國20年前的技術(shù)水平,完全可以保證10W峰值的發(fā)射功率,因此預(yù)計(jì)APG-81雷達(dá)的峰值發(fā)射功率至少可達(dá)12kW。根據(jù)上述參數(shù)還可以進(jìn)一步估計(jì)出天線增益約37dB,波束寬度約2.5°。
AIM-120導(dǎo)彈的最近發(fā)射距離為2km,這意味著,最小轉(zhuǎn)比距離為2km,雷達(dá)導(dǎo)引頭最大探測距離必須大于2km,導(dǎo)彈才有可能完成閉環(huán)飛行。考慮到必要的設(shè)計(jì)余量,要求導(dǎo)引頭探測距離在3km以上才能保證導(dǎo)彈閉環(huán)飛行。
依據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)雷達(dá)方程[15]:
R4m=PavtfGtGrλ2σF2pF2tF2rF2rdr(4π)3kTsDx(n′)LtLα(1)
為了兼顧TVM雷達(dá)導(dǎo)引頭探測距離的計(jì)算,式(1)可改寫為
SN=PavtfGtGrλ2σF2pF2tF2rF2rdr(4π)3kTsLtLα(RtRr)2(2)
式中:SN為目標(biāo)回波信噪比;Pav為平均發(fā)射功率,機(jī)載雷達(dá)的Pav設(shè)定為3kW,主動雷達(dá)導(dǎo)引頭的Pav統(tǒng)一設(shè)定為1kW;tf為相參積累時間,統(tǒng)一為10ms;Gt為發(fā)射天線增益,對于TVM雷達(dá)導(dǎo)引頭來說,發(fā)射天線增益即為機(jī)載雷達(dá)天線增益,對于機(jī)載雷達(dá)和主動雷達(dá)導(dǎo)引頭來說,收發(fā)共用天線可以近似認(rèn)為收發(fā)增益一樣(實(shí)際上接收天線一般需要進(jìn)行加權(quán)處理增益較低,由于差異不大,可以忽略);Gr為接收天線增益;λ為波長;σ為目標(biāo)RCS,設(shè)定為-40dBm2;Fp為極化匹配因子,本算例中忽略此項(xiàng)影響;Ft,F(xiàn)r分別為天線發(fā)射和接收方向圖因子,對機(jī)載彈載雷達(dá)也可以忽略此兩項(xiàng)影響;Frdr為距離相關(guān)影響因子,F(xiàn)rdr=FeclFstcFbdFlens2,由遮擋因子、STC控制因子(在中高重頻雷達(dá)系統(tǒng)中一般沒有STC控制,可不予考慮)、天線方向圖損失(與雷達(dá)工作模式相關(guān),搜索模式下?lián)p失較大,一般空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭可不考慮搜索模式,截獲模式損失相對較小)、雙程透鏡效應(yīng)因子(機(jī)載、彈載平臺可不考慮此項(xiàng)影響)的乘積確定,此項(xiàng)因子隨彈目相對距離變化而變化;k為玻爾茲曼常數(shù);Ts為系統(tǒng)噪聲溫度,為289K;Rt為發(fā)射機(jī)與目標(biāo)的距離;Rr為接收機(jī)與目標(biāo)距離;Lt為系統(tǒng)損耗,包括傳輸線損耗0.5dB、信號處理失配損失3.5dB、天線罩損耗1dB等;Lα為大氣傳輸損耗。
Lα按如下公式計(jì)算:
Lα=10-0.2αR/1000(3)
式中:α為大氣傳輸衰減因子;R為距離。
考慮以下幾種體制:
(1)主動雷達(dá)體制:包括機(jī)載雷達(dá)和雷達(dá)導(dǎo)引頭;
(2)半主動雷達(dá)體制:TVM雷達(dá)導(dǎo)引頭。
工作波段和典型氣象條件下大氣衰減考慮見表1。
對于16GHz與34GHz工作頻段,只考慮主動雷達(dá)導(dǎo)引頭的作用距離計(jì)算。
根據(jù)ITU統(tǒng)計(jì),全球絕大部分地區(qū)一年中降雨量大于3mm/h(中雨)的時長約175h,降雨量10mm/h(大雨)以上的時長為45h,概率低于0.5%。
根據(jù)AIM-120導(dǎo)彈天線波束寬度和增益,可以推算出天線口徑約150mm,該尺寸將用于計(jì)算Ku和Ka波段導(dǎo)引頭天線增益。
首先利用式(2)計(jì)算X波段機(jī)載雷達(dá)作用距離,如圖1所示。
圖1中機(jī)載雷達(dá)在0mm/h、3mm/h降雨量下的探測距離約為13km,10mm/h作用距離下降到約11km。圖中發(fā)射平均功率按3kW,方向圖損失設(shè)定為4dB,其余計(jì)算參數(shù)同上文及表1。圖1的計(jì)算表明,如果載機(jī)僅利用APG-81機(jī)載雷達(dá),即使0mm/h的降雨量對F-35的攔截距離也將小于13km。
圖2中,Ku波段雷達(dá)導(dǎo)引頭平均發(fā)射功率按1kW,在目標(biāo)指示精度足夠的情況下,雷達(dá)導(dǎo)引頭的作用距離計(jì)算中方向圖損失約2dB。從圖中可以看出,導(dǎo)引頭作用距離只有大約2.5km。
Ka波段主動雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)信噪比隨距離變化曲線如圖3所示??梢钥闯?,這時探測距離受天氣影響嚴(yán)重,即使3mm/h的降雨量也會顯著影響導(dǎo)引頭探測距離。
如果采用TVM雷達(dá)導(dǎo)引頭,雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)回波信噪比隨機(jī)載雷達(dá)與目標(biāo)距離變化曲線如圖4所示。圖中,導(dǎo)彈與目標(biāo)距離恒為3km。這時導(dǎo)彈在3mm/h以下降雨量情況下可以在距離載機(jī)16km處截獲目標(biāo),在10mm/h降雨量時截獲距離下降到12km。
如果要求TVM導(dǎo)引頭對目標(biāo)的捕獲距離提高到5km,目標(biāo)回波信噪比隨導(dǎo)彈與載機(jī)之間距離變化曲線如圖5所示。在降雨量為3mm/h或晴天,導(dǎo)彈可以在距載機(jī)約11km捕獲目標(biāo),降雨量10mm/h時下降到約8.5km,但導(dǎo)引頭對目標(biāo)的捕獲距離提高到5km。相比之下,主動雷達(dá)導(dǎo)引頭的捕獲距離卻沒有增加的潛力。
從以上算例可以看出,Ka波段易受天氣影響,即使降雨量僅為3mm/h也足以顯著影響導(dǎo)引頭的作用距離;Ku和X波段雷達(dá)導(dǎo)引頭受天氣影響相對較小。
3波段和技術(shù)體制選擇
空空導(dǎo)彈采用TVM制導(dǎo)技術(shù)時,需要依靠機(jī)載雷達(dá)大功率、高增益波束照射目標(biāo),因此,采用這種體制要求導(dǎo)引頭工作波段與機(jī)載雷達(dá)保持一致。目前國外中距空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭大多工作在Ku波段,如“流星”、“麥卡”、R-77導(dǎo)彈等。在這個波段很難實(shí)現(xiàn)TVM制導(dǎo),畢竟大部分機(jī)載雷達(dá)需要工作在X波段。單純采用主動雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù),即使采用有源相控陣天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式大功率發(fā)射,當(dāng)平均功率提升到千瓦級以后,功率進(jìn)一步提升的空間也很小。但是,如果利用機(jī)載雷達(dá)照射,充分發(fā)揮機(jī)載雷達(dá)發(fā)射功率大、天線增益高的優(yōu)勢,可以進(jìn)一步提高導(dǎo)引頭探測距離,同時還可以提升機(jī)載雷達(dá)對隱身目標(biāo)的跟蹤距離。
美軍AIM-120導(dǎo)彈導(dǎo)引頭工作在I(X)波段存在顯著優(yōu)勢:
(1)即使大雨天氣,美軍空空導(dǎo)彈作戰(zhàn)所受影響也很小;
(2)戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)載雷達(dá)幾乎全是工作在X波段,如F-15,F(xiàn)-16,F(xiàn)-35平臺使用的APG-63,APG-81,APG-82均為X波段,雷達(dá)導(dǎo)引頭工作在X波段有利于共享機(jī)載雷達(dá)資源。
可能會有人質(zhì)疑導(dǎo)引頭工作在頻率較低的X波段是否存在以下缺點(diǎn):
(1)抗多路徑能力較差
抗多路徑能力主要發(fā)生在攔截低空目標(biāo)時。實(shí)際上即使采用毫米波導(dǎo)引頭也難以避免多路徑效應(yīng),都需要通過對彈道約束予以回避[16]。
(2)制導(dǎo)精度差
根據(jù)雷達(dá)理論,導(dǎo)引頭的測角精度與波束寬度線性相關(guān),波束越寬,測角精度越差,X波段導(dǎo)引頭波束寬度比Ku波段大,測角精度也相對較差,進(jìn)而影響視線角速度精度。實(shí)際上,引起導(dǎo)引頭的測角精度變差的主要因素并不是波束寬度,而是末端角閃爍影響,無論是X、Ku波段,抑或是Ka波段,只要解決了末端角閃爍都可以實(shí)現(xiàn)直接撞擊殺傷的制導(dǎo)精度。
(3)不利于提升作用距離
在式(2)中,由于天線的收發(fā)增益均和雷達(dá)工作波長的平方成反比,即
Gt≈4πAeλ2,Gr≈4πAeλ2(4)
式中:Ae是天線等效面積。
把式(4)代入式(2),可以發(fā)現(xiàn)回波信噪比與波長的平方成反比,即波長越短,導(dǎo)引頭探測距離越遠(yuǎn)。這一關(guān)系式成立的前提是雷達(dá)導(dǎo)引頭有準(zhǔn)確的目標(biāo)指示信息,不需要進(jìn)行搜索。實(shí)際上,空空導(dǎo)彈多數(shù)工作在這種情況下,即導(dǎo)引頭不需要進(jìn)行波束掃描即可發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。
據(jù)此,有人可能認(rèn)為空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭工作波長越短,作用距離越遠(yuǎn)。這是一種誤解:導(dǎo)引頭工作波長越短,波束越窄,指示精度影響也就越大。例如,3dB波束寬度5°的導(dǎo)引頭在指示誤差2.5°時,天線收發(fā)增益損失就高達(dá)6dB,而對于3dB波束寬度10°的導(dǎo)引頭同樣的指示精度可能只會引起3~4dB的方向圖損失。因此,提高導(dǎo)引頭工作波段對提高作用距離意義不大,特別是當(dāng)工作頻段提高到毫米波以后還會有相反的效果:易受天氣影響,很小的降雨也可能導(dǎo)致探測距離大幅度降低。
AIM-120導(dǎo)彈在實(shí)戰(zhàn)中發(fā)射13枚導(dǎo)彈擊落10架戰(zhàn)機(jī)的紀(jì)錄,已經(jīng)很好地證明了X波段研制空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭的可行性。
TVM制導(dǎo)與半主動雷達(dá)制導(dǎo)方式類似,最受詬病的是需要機(jī)載雷達(dá)持續(xù)照射目標(biāo)。在早期機(jī)載雷達(dá)以機(jī)械掃描為主。平臺中心戰(zhàn)模式下,機(jī)載雷達(dá)是飛機(jī)上最重要的傳感器,機(jī)械掃描雷達(dá)的多目標(biāo)處理能力十分有限,TVM/半主動制導(dǎo)需要長時間占用寶貴的機(jī)載雷達(dá)資源,這種制導(dǎo)模式對于平臺中心作戰(zhàn)模式以及使用機(jī)械掃描雷達(dá)的飛機(jī)來說,都是不可接受的。
機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的應(yīng)用,特別是美軍提出網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)、馬賽克戰(zhàn)概念后,戰(zhàn)機(jī)對機(jī)載雷達(dá)的依賴有所降低,有源相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用大幅度提升了機(jī)載雷達(dá)多目標(biāo)處理能力,TVM制導(dǎo)的缺陷就顯得不那么突出了,同時,TVM制導(dǎo)也有利于提升機(jī)載雷達(dá)的探測距離。
根據(jù)以上算例分析,結(jié)合AIM-120改進(jìn)計(jì)劃的公開報(bào)道情況,美軍采用TVM制導(dǎo)結(jié)合載機(jī)有源相控陣?yán)走_(dá)或其他平臺目標(biāo)指示、照射,是一種可能的選擇。這樣的導(dǎo)引頭方案回避了昂貴的相控陣天線,仍然可以繼續(xù)沿用機(jī)械掃描天線,TVM雷達(dá)制導(dǎo)與主動雷達(dá)制導(dǎo)相結(jié)合,對雷達(dá)導(dǎo)引頭成本的增加也很少。
TVM雷達(dá)制導(dǎo)也是防空導(dǎo)彈領(lǐng)域最重要的制導(dǎo)方式之一,俄羅斯的S-300,S-400,S-500系列防空導(dǎo)彈一直沿用TVM雷達(dá)制導(dǎo)體制[17-20],而且特別強(qiáng)調(diào)突出其隱身目標(biāo)攔截能力,這與地面雷達(dá)等效輻射功率有很大的關(guān)系。
與主動雷達(dá)導(dǎo)引頭相比,TVM雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)抗干擾能力更強(qiáng)
由于導(dǎo)引頭自身不輻射信號,敵方偵察干擾設(shè)備釋放的干擾信號一般都是針對輻射來波方向,難以對導(dǎo)引頭發(fā)揮作用;而機(jī)載雷達(dá)可以綜合利用空-時-頻-極化等資源綜合提高抗干擾能力,這些技術(shù)的使用在空間受到極大限制的空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭上是難以想象的。
(2)目標(biāo)雙基地RCS增大
常規(guī)隱身設(shè)計(jì)多是針對單基地雷達(dá)系統(tǒng),旨在減少后向RCS,TVM雷達(dá)導(dǎo)引頭回波信號與雙基地RCS相關(guān),研究顯示照電尺寸較大時,雙基地RCS的極大值和均值更大,若其工作在前向散射區(qū),更利于目標(biāo)探測[21]。
(3)易于和主動雷達(dá)導(dǎo)引頭復(fù)合
從已公開的AIM-260和Peregrine等可能采用雙模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的導(dǎo)彈圖片來看,都是采用尖錐頭罩,這種頭罩很大程度上排除了光學(xué)導(dǎo)引頭的可能性;與單純被動(反輻射制導(dǎo))復(fù)合有效性受到敵方戰(zhàn)機(jī)雷達(dá)關(guān)機(jī)影響,在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)兩種模式的復(fù)合難度也很大。TVM雷達(dá)制導(dǎo)模式的工作頻段與主動雷達(dá)導(dǎo)引頭工作頻段一致,易于實(shí)現(xiàn)雙模復(fù)合。
TVM制導(dǎo)的主要不足之處在于:
(1)多目標(biāo)攔截時,目標(biāo)容量受到機(jī)載雷達(dá)發(fā)射功率的限制,但這個限制在很多情況下并不致命;
(2)對追尾目標(biāo)的探測能力
理論上,采用TVM制導(dǎo)是難以探測追尾目標(biāo)的,這可能也是美軍在AIM-120導(dǎo)彈的改進(jìn)中仍然保留主動雷達(dá)制導(dǎo)的原因。
TVM雷達(dá)制導(dǎo)屬于半主動雷達(dá)制導(dǎo)的一種,早期空空導(dǎo)彈如美軍的AIM-7F和AIM-9C等就采用半主動雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)。與傳統(tǒng)的半主動雷達(dá)制導(dǎo)相比,TVM雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)有助于提升照射雷達(dá)跟蹤能力,在防空導(dǎo)彈上有廣泛應(yīng)用,移植到空空導(dǎo)彈上使用不存在技術(shù)上的障礙。
文獻(xiàn)[8]則進(jìn)一步暗示,美軍TVM制導(dǎo)空空導(dǎo)彈可能在利用第三方機(jī)載雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)指示與照射,實(shí)施遠(yuǎn)程打擊。利用他機(jī)照射代替本機(jī)照射是對文獻(xiàn)中使在役裝備獲得更好武器運(yùn)用包線的一種可能解釋。如果不是利用他機(jī)目標(biāo)指示與照射取得靶試成功,美國空軍或許也沒有那么自豪宣稱是世界上最遠(yuǎn)距離空空導(dǎo)彈飛行靶試,畢竟文中明確提到了試驗(yàn)是兩個中隊(duì)協(xié)作的結(jié)果。
早在20世紀(jì)70年代,美軍F-16戰(zhàn)機(jī)上即已裝備半主動雷達(dá)制導(dǎo)的AIM-7F“麻雀”空空導(dǎo)彈,當(dāng)時的機(jī)載雷達(dá)APG-66為機(jī)械掃描體制。因此,TVM制導(dǎo)應(yīng)用于空空導(dǎo)彈技術(shù)上是完全可行的。但是,采用TVM/半主動制導(dǎo)以后,機(jī)載雷達(dá)需要大功率長時間照射目標(biāo),機(jī)械掃描雷達(dá)體制在發(fā)射空空導(dǎo)彈期間難以同時保證對戰(zhàn)場態(tài)勢的有效監(jiān)測,而現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)已經(jīng)普遍采用有源相控陣?yán)走_(dá)體制,同時多任務(wù)能力大大提升,從技術(shù)上來說比早期機(jī)械掃描雷達(dá)更加適合實(shí)現(xiàn)半主動/TVM復(fù)合制導(dǎo)。為了充分發(fā)揮TVM制導(dǎo)體制遠(yuǎn)距離攔截的優(yōu)越性,需要采用他機(jī)(或者星載)雷達(dá)照射,要求載機(jī)武器系統(tǒng)和他機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時共享戰(zhàn)場信息,這或許也正是美軍孜孜追求網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)的一貫?zāi)康闹弧?/p>
4結(jié)論
Ku波段雷達(dá)導(dǎo)引頭天氣適應(yīng)性與X波段大體相當(dāng),但是卻難以利用機(jī)載雷達(dá)的照射資源。美軍中距空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭工作在X波段,利用TVM雷達(dá)技術(shù)對其進(jìn)行升級改進(jìn),對于他們來說是一件很自然的事情:機(jī)載雷達(dá)和空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭本來都是工作在X波段,導(dǎo)引頭只需要進(jìn)行很少的改動就可以利用機(jī)載雷達(dá)提升對隱身目標(biāo)的探測距離,與相控陣導(dǎo)引頭技術(shù)相比有明顯成本優(yōu)勢。盡管短期內(nèi)甚至相當(dāng)長時間內(nèi)都難以證實(shí)美軍是否采用這一技術(shù),但根據(jù)本文的典型算例推測,空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭,尤其在配備了有源相控陣機(jī)載雷達(dá)的戰(zhàn)斗機(jī)上,利用TVM制導(dǎo)可以顯著提高雷達(dá)導(dǎo)引頭對隱身目標(biāo)捕獲距離,有什么理由放棄嘗試這種導(dǎo)引頭與機(jī)載雷達(dá)協(xié)同工作帶來的顯著優(yōu)勢呢?
分析給出以下啟示:
(1)在波段選擇上要重視X波段。機(jī)載雷達(dá)基本都是工作在X波段,空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭如果希望利用機(jī)載雷達(dá)資源,就需要工作在這個X波段;
(2)發(fā)展TVM制導(dǎo)與主動雷達(dá)制導(dǎo)復(fù)合可以提升導(dǎo)引頭對隱身目標(biāo)探測能力,且成本增加很少;也可以考慮取消主動雷達(dá)制導(dǎo),以進(jìn)一步降低導(dǎo)引頭成本,減小體積、重量。
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SpeculationsonUSAirforcesAir-to-AirMissile
RadarSeekerTechnicalScheme
ZhangJianghua*
(XianElectronicEngineeringResearchInstitute,Xian710100,China)
Abstract:Inrecentseveraldecades,stealthtechnologyhasbeendevelopedquicklyamongthemilitarycountries,thetypicalRCSoffighterplanehasdroppedfrom0.1~1m2toaround-40dBm2,andthedetectionofstealthytargetisaurgentproblemneedstosolve.Activephasedarray(APA)radarseekertechnologyiswidelyconsideredasthemostlikelysolutiontothedetectionofstealthytargetsformediumrangeairtoairmissile(AAM),butthecostofAPAradarseekerishigh,andtheimprovementofstealthytargetsdetectionrangeisstilllimited.InordertofindawaytoimprovethestealthytargetscapturecapabilityofAAMradarseeker,theimprovementprojectofUSairforcesmediumrangeAAMaswellasthebackgroundoftransformationsfromplatform-centricwarfaretonetwork-centricwarfareandSoS-centricwarfare(SCW)arebothconsideredinthispaper,basedonthedetectionrangecalculationofairborneradar,track-via-missile(TVM)radarseekerandtheKu,Kabandradarseekertotypicalstealthytargetsinclearatmosphereorrainconditions,itisspeculatedthattheUSairforcearelikelynowdevelopingthecompositeguidancemodeofTVMandactiveradarseekertechnologyindealingwithstealthytargets.TVMradarseekertechnologyinXbandcanmakefulluseofairborneradarresources,andcanimprovethedetectioncapabilityofstealthytargets,alsothecostisgreatlyreducedcomparedwithactivephasedarrayseeker.
Keywords:phasedarrayradarseeker;activeradarseeker;TVMradarseeker;stealthytarget;air-to-airmissile
收稿日期:2022-09-22
*作者簡介:張江華(1973-),男,安徽阜陽人,博士,研究員。