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從雷達(dá)類型和防空導(dǎo)彈制導(dǎo)機(jī)理淺析攔截隱形飛機(jī)

2020-07-12 10:35 作者:冰封之龍  | 我要投稿

從一百年前世界大戰(zhàn)廣泛運(yùn)用航空兵以來,地對(duì)空武器和飛機(jī)就結(jié)成了“生死冤家”。在矛與盾的斗爭(zhēng)循環(huán)中,最大的兩次歷史轉(zhuǎn)折其實(shí)都和武器本身關(guān)系不大。第一次轉(zhuǎn)折點(diǎn)是二戰(zhàn)前夕雷達(dá)技術(shù)的發(fā)明,第二次轉(zhuǎn)折點(diǎn)是海灣戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)F117為代表的隱形飛機(jī)的廣泛使用。這兩次巨大轉(zhuǎn)折,其實(shí)都體現(xiàn)出了一個(gè)古老的原則:只有發(fā)現(xiàn)目標(biāo),才能夠有效打擊目標(biāo)。

本篇篇幅較長(zhǎng),會(huì)從雷達(dá)波和導(dǎo)彈制導(dǎo)的基本原理開始說,主要是面向那些基礎(chǔ)較淺的朋友們。

知識(shí)回顧:電磁波頻譜、波長(zhǎng)、頻率和不同頻率的電磁波的特性

波長(zhǎng)和頻率關(guān)系:

電磁波波譜

上過高中理科課程的人都知道:波長(zhǎng)=1/頻率*波速。雷達(dá)波也好,手機(jī)5G也好,我們眼睛看到的可見光也好,都是電磁波。愛因斯坦的光速不變理論告訴我們,電磁波在同一介質(zhì)內(nèi)的速度是不受到外界影響的,真空中光速為C=299792458m/s,地球空氣內(nèi)的光速比真空光速略低,空氣中折射率為1.0008?光在空氣中傳播的速度:299,792,458/1.0008 = 299,552,816 m/s,基本上偏差不到1%。因此,在光速不變的前提下,波長(zhǎng)和頻率自然而然地成為了反比例關(guān)系。由于無線電工程會(huì)把一個(gè)范圍內(nèi)的波長(zhǎng)統(tǒng)稱為波段,而一個(gè)范圍內(nèi)的頻率會(huì)寫成“XX頻”,所以“極高頻雷達(dá)”和“L波段雷達(dá)”,“厘米波雷達(dá)”和“X波段雷達(dá)”其實(shí)是對(duì)等的,所以之后就不要記混了。

不同波長(zhǎng)有不同性質(zhì)。根據(jù)愛因斯坦的光子論(量子力學(xué)基礎(chǔ)),光子能量 E=hγ,其中?h普朗克常量 ?h=6.63x10^-34j.s? , γ為光的頻率,所以頻率越大,單個(gè)光子能量也越強(qiáng)。由于我們的雷達(dá)捕獲目標(biāo)需要重復(fù)回波信號(hào)累計(jì)分析,視網(wǎng)膜成像需要光子激發(fā)視網(wǎng)膜色素細(xì)胞,手機(jī)通訊需要給無線電調(diào)制解調(diào)信號(hào),所以頻率越高,光子能量越大,單位傳輸?shù)男畔⒘恳苍酱螅粗缴?。但是,根?jù)波的散射和衍射原理,波長(zhǎng)越短,越容易被障礙物阻擋,因此越短波長(zhǎng)(頻率越大)的電磁波通常有效距離較短(當(dāng)然還有大氣散射率不同的影響),而越長(zhǎng)波長(zhǎng)(頻率越低)的電磁波傳輸距離較大,甚至可以“繞著地平面”形成地波(如中波,長(zhǎng)波通訊)。或者和電離層形成鏡面反射進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊(短波通訊)。所以對(duì)于無線電/雷達(dá)來說,往往信息量和傳輸距離是反向關(guān)系。這點(diǎn)一定要注意。

頻率和波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系

雷達(dá)天線的種類:

由于雷達(dá)需要匯聚電磁波定向發(fā)射,所以其發(fā)射機(jī)使用的天線也必須能夠精確定向發(fā)射。在現(xiàn)實(shí)中,共有3種定向天線的樣貌:

052CD系列的517雷達(dá)位于L波段采用八木天線

第一是偶極子天線。這種天線主要是利用天線等于二分之一波長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生共振的原理增強(qiáng)接收信號(hào),我們常見的老式電視機(jī)天線就是這一類,由于制造簡(jiǎn)單,這種天線從二戰(zhàn)以來沿用至今。其中比較有代表性的天線是日本發(fā)明的“八木天線”。

八木天線也叫做“引向天線”、“八木宇田天線”(Yagi-Uda antenna)、“寄生天線”,是一種定向天線。1928年由日本天線專家八木秀次和宇田新太郎兩人設(shè)計(jì)的。東北帝國(guó)大學(xué)的宇田新太郎最早設(shè)計(jì)了這種引向天線,他的導(dǎo)師八木秀次也幫助設(shè)計(jì)和測(cè)試了這種天線。1926年宇田將這篇論文投到了日本的無線電雜志上,但反應(yīng)不大。1928年八木秀次訪問美國(guó)時(shí),將宇田的論文翻譯成了英文并在電氣工程師學(xué)會(huì)上發(fā)表(THE PROCEEDINGS OF THE INSTITUTE OF RADIO ENGINEERS),受到了歐美無線電行業(yè)的關(guān)注。因?yàn)橛⑽恼撐陌四镜氖鹈谇?,所以這種天線往往被稱為八木宇田天線或是簡(jiǎn)稱為八木天線。這之后,八木天線被運(yùn)用在短波通訊等領(lǐng)域。二次世界大戰(zhàn)中,隨著無線電技術(shù)的迅速發(fā)展,八木天線的應(yīng)用更加廣泛,如作為夜間戰(zhàn)斗機(jī)使用的雷達(dá)之一。然而在日本國(guó)內(nèi),八木天線并未得到應(yīng)有的重視,直到日軍在新加坡發(fā)現(xiàn)了英軍雷達(dá)技術(shù)人員關(guān)于八木天線的記載,他們才意識(shí)到其價(jià)值。戰(zhàn)后,八木天線被各國(guó)作為電視傳輸天線使用。

八木天線的工作原理是這樣的(以三單元天線接收為例):引向器略短于二分之一波長(zhǎng),主振子等于二分之一波長(zhǎng),反射器略長(zhǎng)于二分之一波長(zhǎng),兩振子間距四分之一波長(zhǎng)。此時(shí),引向器對(duì)感應(yīng)信號(hào)呈"容性",電流超前電壓90°;引向器感應(yīng)的電磁波會(huì)向主振子輻射,輻射信號(hào)經(jīng)過四分之一波長(zhǎng)的路程使其滯后90°恰好抵消了前面引起的"超前",兩者相位相同,于是信號(hào)迭加,得到加強(qiáng)。反射器略長(zhǎng)于二分之一波長(zhǎng),呈感性,電流滯后90°,再加上輻射到主振子過程中又滯后90°,兩者加起來剛好差180°,起到了抵消作用。一個(gè)方向加強(qiáng),一個(gè)方向削弱,便有了強(qiáng)方向性。發(fā)射狀態(tài)作用過程亦然。

第二種天線為我們熟知的“拋物面反射”天線。這種天線和現(xiàn)代衛(wèi)星通訊的“小鍋”一樣,利用拋物面形狀的凹面鏡產(chǎn)生匯聚電磁波效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)是定向能力更好,而且不受到波長(zhǎng)影響,多大波長(zhǎng)(對(duì)于X射線以下可能會(huì)因?yàn)榇┩噶^強(qiáng)而不適合)都可以使用。但缺點(diǎn)是反射面有些笨重。這種雷達(dá)又根據(jù)反射原理分為“卡塞格倫天線”和“倒置卡塞格倫天線”,蘇27的“倒卡”就是指的它使用倒置卡塞格倫天線。


卡塞格倫天線經(jīng)過兩次反射,發(fā)射機(jī)/接收機(jī)位于拋物面底部
倒置卡塞格倫天線只會(huì)反射一次,發(fā)射機(jī)/接收機(jī)位于拋物面外部
蘇27基本型的N001雷達(dá),可見它是倒置卡塞格倫天線

第三種是平板縫隙天線。該天線主要是應(yīng)用了波導(dǎo)管原理,在一塊高度平坦的導(dǎo)體平面上精確開槽,這種長(zhǎng)方形的“縫隙”為半個(gè)波長(zhǎng),這樣就可以讓通過波導(dǎo)管或其他手段饋電的電磁波從中匯聚,直線發(fā)射。這種雷達(dá)比起卡賽萊倫天線尺寸更小,定向性能更優(yōu),但缺點(diǎn)是半波長(zhǎng)縫隙不適合L波段等較長(zhǎng)的無線電波。第三代戰(zhàn)斗機(jī)普遍采用這種天線,絕大部分相控陣?yán)走_(dá)也是采用這種天線的,只不過相控陣?yán)走_(dá)是每個(gè)縫隙都有自己一個(gè)相位可控的發(fā)射單元(如果是無源相控陣(如S-300和SU-35),這些單元會(huì)連接在移相器上,轉(zhuǎn)發(fā)并移項(xiàng)發(fā)射機(jī)的信號(hào);如果是有源相控陣(如殲20,F(xiàn)22),則每個(gè)單元都可以獨(dú)立發(fā)射,接收,調(diào)相無線電信號(hào),這種發(fā)射接收單元英語縮寫就是我們熟悉的TR)。根據(jù)公開資料,F(xiàn)-15的APG-63平板縫隙天線只有250千克(不含后端),而蘇27的倒卡天線高達(dá)900千克(不含后端,含后端約1.5噸),所以這導(dǎo)致蘇27機(jī)頭過重,尾部必須要用尾椎來平衡機(jī)頭重量。

APG-63雷達(dá)

波段命名:

由于歷史原因,對(duì)不同波段產(chǎn)生了不同的命名模式。以下讓我們簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)波段。

舊的波段表示法

最早的雷達(dá)采用米波。由于米波會(huì)對(duì)低于半波長(zhǎng)的物體產(chǎn)生繞射,加之頻率很低,無法及時(shí)取得足夠回波,這種雷達(dá)定位性能很糟糕,通常不適合分辨單個(gè)小型目標(biāo)。不過,由于它的繞射能力出色,它可以產(chǎn)生“地波”效應(yīng),因此可以看到水平面以下的目標(biāo),這就是目前“超地平線”雷達(dá)的原理。由于它比較老舊,所以它在其他波段出現(xiàn)后被命名為“P”,即“Previous”。目前這種雷達(dá)通常只用于遠(yuǎn)程早期預(yù)警。不過,由于米波會(huì)對(duì)大于其波長(zhǎng)的物體產(chǎn)生有效共振, 對(duì)于以吸收、散射入射波的隱形機(jī)較有優(yōu)勢(shì),這兩年各國(guó)也在研發(fā)新式的米波反隱形雷達(dá),在后面會(huì)說。

巨大的英國(guó)“Chain Home”米波預(yù)警雷達(dá),在不列顛戰(zhàn)役發(fā)揮了極大用處
日本軍艦的13,21型電探也都是米波雷達(dá)

第二是L波段。這種波段是517雷達(dá)采用的遠(yuǎn)程防空預(yù)警雷達(dá)的波段。L代表“l(fā)ong”,長(zhǎng)波段。不過無線電“長(zhǎng)波”指的是波長(zhǎng)100米以上(對(duì)應(yīng)300KHZ以下)的無線電波,和雷達(dá)的“長(zhǎng)波”不是一個(gè)關(guān)系。L波段轉(zhuǎn)成頻率為UHF(極高頻)。L波段通常用于遠(yuǎn)程預(yù)警,反隱形預(yù)警(但不如米波),以及航空塔臺(tái)管制。

隱形飛機(jī)很少對(duì)L波段隱形。因?yàn)長(zhǎng)波段分辨率不足,很難直接引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊。不過B-2是個(gè)例外,因?yàn)樗枰高^蘇聯(lián)的早期預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)入蘇聯(lián)內(nèi)地,以合成孔徑雷達(dá)搜索白楊導(dǎo)彈,手術(shù)刀導(dǎo)彈的發(fā)射車,因此B-2是世界上罕見的“全頻道隱形”飛機(jī)(米波因?yàn)楣舱裥?yīng)還是有幾率探測(cè)到的)。

S-300雷達(dá)的遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)采用L波段

既然有了L(Long)波段,那就有S波段(short)了。S波段10cm波長(zhǎng),比L短一半,這使得它分辨率更好。S波段雷達(dá)因?yàn)榧骖櫫颂綔y(cè)距離和分辨率,所以大部分的對(duì)空雷達(dá)都采用S波段,同時(shí)由于它頻率較高,可以進(jìn)行遠(yuǎn)程無線電通訊,所以我們?cè)谥袊?guó)發(fā)射火箭聽到的“USB遙測(cè)信號(hào)正?!本褪侵傅腟波段遙測(cè)信號(hào)。

當(dāng)然,由于它太過于廣泛,所以目前隱形飛機(jī)非常照顧這種波段,對(duì)它進(jìn)行了優(yōu)化隱形。

SPY-1,346等“宙斯盾”通常都是S波段
預(yù)警機(jī)也是S波段雷達(dá)居多

S波段雷達(dá)雖然可以進(jìn)行3坐標(biāo)定位,但并不適合高精度定位,這對(duì)于制導(dǎo)導(dǎo)彈和火炮攻擊不利。所以英國(guó)很快開發(fā)出了可以直接瞄準(zhǔn)目標(biāo)測(cè)距的雷達(dá),以笛卡爾坐標(biāo)系的X軸命名,即X波段。胡德號(hào)配備的284火控雷達(dá)就是世界最早的X波段雷達(dá),它采用2cm的雷達(dá)波,可以精確定位視距內(nèi)目標(biāo)。不過由于X波段頻率高,透射力不高,所以需要很大的功率才能看得很遠(yuǎn)。所以X波段雷達(dá)通常功率不低。

X波段雷達(dá)也是地面高射炮、反導(dǎo)系統(tǒng)常用的波段,所以隱形飛機(jī)也會(huì)照顧這個(gè)波段。

胡德桅桿上的284雷達(dá)
美國(guó)“?;鵛波段雷達(dá)”,目前被部署在日本和關(guān)島,用于美國(guó)的洲際導(dǎo)彈早期預(yù)警,功率非常高,體積也非常大,可以跟蹤到1000公里高空1cm的目標(biāo)

X波段雖然定位精度高,但功率需求也比較大。所以英國(guó)人設(shè)計(jì)了一個(gè)“結(jié)合S和L的波長(zhǎng)”,命名為“Compromise”,即C波段,波長(zhǎng)5CM,兼顧了遠(yuǎn)程探測(cè)和精度。該波段主要用于探測(cè)精度高于S,但還不到X波段的情況,主要是S-300,紅旗9用它作為火控雷達(dá)頻率,俄羅斯很多戰(zhàn)斗機(jī)也用C波段雷達(dá)。不必多說,既然C位于X和S之間,也同樣被隱形飛機(jī)重點(diǎn)照顧。

052系列的346,346A雷達(dá),采用S波段(中間圓盤)和C波段(上下兩條)的結(jié)合

除了英語的編號(hào)外,二戰(zhàn)德國(guó)也有自己的編號(hào)。德國(guó)人的“短波長(zhǎng)”K波段雷達(dá)“kurz”實(shí)際上比X波段還短一些。但K波段恰好是水蒸氣吸收峰的波段,導(dǎo)致德國(guó)這種雷達(dá)在高云霧和水汽情況下探測(cè)距離下降,戰(zhàn)后該波段只用于微波爐和少數(shù)氣象雷達(dá)。

所以在1943年德國(guó)捕獲到英國(guó)S波段雷達(dá)(來自于一架被擊落的斯特林轟炸機(jī))以前,多數(shù)都采用500MHZ左右的分米波雷達(dá)。

圍繞著K頻段,戰(zhàn)后又有了KA(K-Above)和KU(K-Under)兩個(gè)波段。KU位于K和X之間,有著X波段的定位效果;KA波段位于K和V波段之間,已經(jīng)進(jìn)入毫米波波段,主要是應(yīng)用于查超速、衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈和直升機(jī)雷達(dá)。

直升機(jī)雷達(dá)通常使用毫米波(KA波段)

由于這套非常復(fù)雜沒有規(guī)律,因此北約國(guó)家后來以波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短劃分為ABCD……波段。詳見下表。

新波段和舊波段表示法

概括來說,在功率一樣的情況下,越長(zhǎng)的波段越適合遠(yuǎn)程探測(cè),分辨率也相應(yīng)較低;相同的探測(cè)距離要求時(shí),波長(zhǎng)越長(zhǎng)的雷達(dá)需要的功率也越小。而對(duì)于天線陣列的尺寸來說,相同功率約束是,波長(zhǎng)越大的天線尺寸也越大。

預(yù)備知識(shí)2:導(dǎo)彈制導(dǎo)模式簡(jiǎn)要介紹

本文可參考這一篇閱讀:


導(dǎo)彈之所以被稱為導(dǎo)彈,是因?yàn)樗l(fā)射后會(huì)受控飛向目標(biāo)。由于導(dǎo)彈計(jì)算機(jī),導(dǎo)引頭性能通常有限,所以大部分導(dǎo)彈都是起飛后先接受一會(huì)載具制導(dǎo),直到目標(biāo)被它導(dǎo)引頭捕獲后才會(huì)轉(zhuǎn)入自主飛行?,F(xiàn)在以人夜里行走來類比一下導(dǎo)彈的幾種制導(dǎo)模式:

慣性制導(dǎo):導(dǎo)彈飛行時(shí)只根據(jù)陀螺儀指示的加速度和飛行方向,按照預(yù)設(shè)的參數(shù)飛行。該模式相當(dāng)于一個(gè)人夜里閉上眼睛,按自己的腳步數(shù)量和記憶的距離走向自己的目的地。該模式優(yōu)勢(shì)是不會(huì)被干擾,就算沒有信號(hào)也能穩(wěn)定飛行。但由于空中目標(biāo)變化位置頻繁,這樣肯定是追不上移動(dòng)的目標(biāo)的,所以它一般在復(fù)合制導(dǎo)中充當(dāng)基礎(chǔ)。

被動(dòng)類制導(dǎo):導(dǎo)彈和載具都不發(fā)射電磁波,依靠對(duì)方發(fā)射的電磁波活動(dòng),如果對(duì)方不發(fā)射電磁波,那就無法找到目標(biāo)。這就好比一個(gè)人在夜里,看到前面路燈的燈光而向其走進(jìn)。被動(dòng)類制導(dǎo)通常在導(dǎo)彈中有兩種:被動(dòng)紅外制導(dǎo)、電視制導(dǎo)和被動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)。

被動(dòng)紅外制導(dǎo)是大多數(shù)格斗導(dǎo)彈、短程地面防空導(dǎo)彈的主要工作模式。它原理很簡(jiǎn)單,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)高速摩擦生熱的熱量會(huì)被紅外探測(cè)器發(fā)現(xiàn),導(dǎo)彈即按照這個(gè)目標(biāo)飛行。早期紅外導(dǎo)彈無法區(qū)分太陽和飛機(jī),不過現(xiàn)代抗干擾能力已經(jīng)大幅提升。其主要劣勢(shì)是射程不夠遠(yuǎn),而且受到自然環(huán)境影響較大。

9K31箭1導(dǎo)彈采用紅外制導(dǎo)

被動(dòng)電視制導(dǎo)原理和紅外一樣,先將對(duì)手拍下來存在電腦中,然后讓導(dǎo)彈飛過去。這種模式優(yōu)勢(shì)是非??垢蓴_,但缺點(diǎn)是鎖定高速飛行的航空器時(shí)很難進(jìn)行穩(wěn)像拍攝,而且可見光探測(cè)距離比紅外還近。這種模式只在蘇聯(lián)1950年代試驗(yàn)過,之后就不再使用了,轉(zhuǎn)而用1957年臺(tái)??諔?zhàn)解放軍繳獲的美制AIM-9B導(dǎo)彈仿制出了R-13(國(guó)產(chǎn)代號(hào)霹靂2)并配備米格21。

被動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)則是把攝像頭換成了一個(gè)能定向的雷達(dá)天線,根據(jù)對(duì)方的雷達(dá)波飛行。一般只用于反輻射導(dǎo)彈對(duì)抗地面目標(biāo),不過對(duì)于電子戰(zhàn)飛機(jī),預(yù)警機(jī)等自身不斷輻射電磁波信號(hào)的飛機(jī),這東西也很好用。國(guó)內(nèi)殲16的某種巨大空對(duì)空導(dǎo)彈被推測(cè)就采用這種模式,只打預(yù)警機(jī)和電子戰(zhàn)飛機(jī)。

殲16的大型空對(duì)空導(dǎo)彈主要是對(duì)抗預(yù)警機(jī)

主動(dòng)類導(dǎo)彈:

主動(dòng)類導(dǎo)彈相當(dāng)于一個(gè)人在夜里行走,有一束光(可能是給他指路的人發(fā)出的光,或者自己手電筒的光)指示他的目的地。主動(dòng)制導(dǎo)又分為三種:雷達(dá)/激光指令制導(dǎo)、半主動(dòng)雷達(dá)/激光制導(dǎo)、主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)。

指令制導(dǎo)顧名思義,那個(gè)人不需要自己考慮怎么走,按照指路的燈光走就可以。不過這需要這束“光”一直照在他和目標(biāo)的連線上。所以指令制導(dǎo)導(dǎo)彈上只需要一個(gè)接收器讓自己知道在波束中心即可,無需更多設(shè)備,成本較為低廉。當(dāng)然,由于對(duì)方也會(huì)進(jìn)行各種干擾,也會(huì)進(jìn)行各種規(guī)避機(jī)動(dòng),這種模式對(duì)于高機(jī)動(dòng),高干擾目標(biāo)就不好用了。不過,由于地面能夠控制導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng),因此可以讓導(dǎo)彈“迂回前進(jìn)”,或利用高度存儲(chǔ)動(dòng)能,所以目前很多導(dǎo)彈都保留這個(gè)能力。

紅旗2號(hào)是最為經(jīng)典的指令制導(dǎo)導(dǎo)彈
很多短程導(dǎo)彈考慮成本也用指令制導(dǎo),如紅旗7,紅旗17,鎧甲S1的導(dǎo)彈

激光駕束制導(dǎo)主要是反坦克導(dǎo)彈常用,這里不再贅述。

半主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo):

這相當(dāng)于一個(gè)探照燈為這個(gè)人指出目標(biāo),但具體怎么走是這個(gè)人自己決定。其靈活性和多目標(biāo)能力比起指令制導(dǎo)好得多,成本也略低,但是由于仍然依托于本身的照明雷達(dá),其抗干擾性能也有待商榷。因此使用半主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)的飛機(jī)一般為了精度也只會(huì)攻打一個(gè)目標(biāo),地面防空導(dǎo)彈倒是可以通過波束共享來攻打多個(gè)目標(biāo)。

半主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)和指令制導(dǎo)合并起來就是TVM制導(dǎo)。即“跟蹤-控制”制導(dǎo)。這種模式在愛國(guó)者2首先使用,之后S-300PMU1也使用了。優(yōu)點(diǎn)是可以用指令制導(dǎo)修正偏航的導(dǎo)彈,或者讓導(dǎo)彈飛向新的位置。

S-300在其漫長(zhǎng)的服役歷史中經(jīng)歷了指令制導(dǎo)、半主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)和TVM制導(dǎo)三個(gè)階段

主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo):

主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)就像一個(gè)人打著手電筒去自己找通向目標(biāo)的道路。這需要導(dǎo)彈計(jì)算機(jī)有較高的AI,能夠自己識(shí)別目標(biāo)并前進(jìn),所以成本較高。但是,由于主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)依托是導(dǎo)彈自己的導(dǎo)引頭,探測(cè)距離很短,因此它不太適合遠(yuǎn)程目標(biāo)?,F(xiàn)實(shí)中,主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈一般都是和其他模式制成復(fù)合制導(dǎo),如反艦導(dǎo)彈會(huì)用主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)配合慣性制導(dǎo),空對(duì)空,地對(duì)空導(dǎo)彈使用指令+慣性+主動(dòng)+被動(dòng)的復(fù)合制導(dǎo)模式。

AIM-120導(dǎo)彈結(jié)合了指令、慣性、主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)、被動(dòng)雷達(dá)等多個(gè)模式

現(xiàn)實(shí)中,為了對(duì)付越來越復(fù)雜的目標(biāo),一般來說導(dǎo)彈都采用復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)。如AIM-120就是幾乎集成了除紅外類以外所有的雷達(dá)制導(dǎo)模式,發(fā)射后先在自己的雷達(dá)指令下飛向高空節(jié)約燃料,中途按照陀螺儀的慣性制導(dǎo)穩(wěn)定平飛,末端啟動(dòng)導(dǎo)引頭,如果敵機(jī)是電子戰(zhàn)飛機(jī)或預(yù)警機(jī),則使用被動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo);如果對(duì)方有比較強(qiáng)烈的干擾源,則采用半主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)(此時(shí)己方飛機(jī)需要增大功率,“燒穿”對(duì)方的干擾,讓自己的導(dǎo)彈找到正確的導(dǎo)航波束);最終在進(jìn)入導(dǎo)彈鎖定范圍內(nèi)后,切換到主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo),此時(shí)戰(zhàn)斗機(jī)就不需要管它了,可以對(duì)下一個(gè)目標(biāo)開火。

講完了基礎(chǔ)知識(shí)后,我們就可以進(jìn)入主題:現(xiàn)代對(duì)抗隱形飛機(jī)目標(biāo)的防空手段。

根據(jù)上文的介紹,我們要想打中隱形飛機(jī),必須做到兩點(diǎn):第一找到目標(biāo),第二讓導(dǎo)彈撞上目標(biāo)。以下分別講述:

目標(biāo)的探測(cè):

要想知道反隱形雷達(dá)如何追蹤目標(biāo),就需要知道隱形飛機(jī)如何規(guī)避雷達(dá)。雷達(dá)最重要的原理公式見下:

資料來源https://blog.csdn.net/ciscomonkey/article/details/85328677

雷達(dá)回波功率公式

顯然,在其他條件不變的情況下,隱形飛機(jī)要想方設(shè)法把敵方雷達(dá)的回波訊號(hào)壓低到不可偵測(cè)的水平,才能實(shí)現(xiàn)“隱形”。具體有以下手段:

第一,讓雷達(dá)波透過自己不反射。我們知道,對(duì)于微波波段和無線電波波段的雷達(dá)波,只會(huì)對(duì)導(dǎo)體產(chǎn)生反射。那么,我們用不導(dǎo)電的物體制造飛機(jī),不就可以透過雷達(dá)了嗎?歷史上,還真有這樣不用金屬構(gòu)件的“隱形飛機(jī)”,其典型代表就是木材的英國(guó)“蚊式”和蘇聯(lián)波-2飛機(jī)。

蚊式飛機(jī)除了起落架幾乎全部用木材制成,空中極少反射雷達(dá)波
波2飛機(jī)基本都是非金屬材料,同時(shí)噪聲很低,夜間偷襲時(shí)很難被雷達(dá)和觀察哨發(fā)現(xiàn)

當(dāng)然,這種木材飛機(jī)由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不適合超音速飛行,目前已經(jīng)基本退出軍用舞臺(tái)。不過,采用不反射雷達(dá)波的透波材料制造飛機(jī),確實(shí)是一個(gè)很有意義的途徑,三代半飛機(jī)通過大量采用復(fù)合材料,比起全金屬的三代機(jī)和二代機(jī)降低了很大雷達(dá)波反射。

第二,吸收掉雷達(dá)波。這就像夜里披著黑衣行走難以被察覺一樣,如果讓敵人雷達(dá)波全部被吸收,那么自然對(duì)方也無法看到你了。因此,目前所有的隱形飛機(jī)都廣泛涂抹吸波涂料。甚至很多飛機(jī)連尾噴口的紅外線輻射也做了吸收處理。

B-1B通過廣泛涂抹吸波涂料,可以讓它雷達(dá)反射截面和一架戰(zhàn)斗機(jī)相當(dāng),遠(yuǎn)低于圖160

第三,把雷達(dá)波反射到其他方向。這就像一個(gè)人夜里背著面鏡子行走,就算有車燈打過來,也因?yàn)榇蟛糠止獗环瓷涞狡渌较蚨鵁o法察覺。根據(jù)反射采用的模式,分為兩種:鏡面反射型和漫反射型。鏡面反射優(yōu)勢(shì)是反射率高,但無法兼顧氣動(dòng)布局,這也是蘇聯(lián)放棄隱形飛機(jī)開發(fā)的原因;漫反射雖然能夠兼顧飛行和隱形,但對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的理論和實(shí)踐技能要求很大。計(jì)算量也非常大。

F-117外表棱角分明的結(jié)構(gòu)表明它是“鏡面反射型”隱形飛機(jī)
RQ-170是典型的“漫反射型”隱形飛機(jī)

第四,把對(duì)方的雷達(dá)波主動(dòng)消除。

這種模式類似于我們買到的“有源對(duì)消耳機(jī)”。由于電磁波也是一種波,當(dāng)它與相位差180度的另一個(gè)波疊加時(shí),其能量會(huì)被正負(fù)抵消掉。所以飛機(jī)如果加裝這樣的設(shè)備,即可大量削減入射的電磁波。由于難度很大,而且發(fā)射機(jī)也很大,因此只見于重型飛機(jī)。

B2是最早攜帶有源對(duì)消技術(shù)的隱形飛機(jī)

因此,以世界公認(rèn)隱形最強(qiáng)的B2轟炸機(jī)為例,它采用了全頻段微波(不含米波以上)吸波涂料,漫反射飛翼布局,有源對(duì)消技術(shù),飛機(jī)紅外遮蔽設(shè)計(jì),配合1982-1986年美國(guó)透過蘇聯(lián)叛徒取得的全套蘇聯(lián)雷達(dá)特征信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)(該叛徒是主動(dòng)接觸美國(guó)大使館,出售的數(shù)據(jù)僅賣了100萬美元,1986被蘇聯(lián)槍斃,但蘇聯(lián)所有的防空系統(tǒng),機(jī)載雷達(dá)的數(shù)據(jù)全部泄漏,導(dǎo)致海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以來俄式飛機(jī)和俄式防空導(dǎo)彈擊落的美國(guó)及其盟友飛機(jī)不足20架),使得這種飛機(jī)在蘇聯(lián)領(lǐng)空和使用蘇聯(lián)防空系統(tǒng)的國(guó)家可以暢通無阻,成為了“第一次核打擊”最有效的工具。當(dāng)然,由于冷戰(zhàn)后裝備急劇縮減,加上B-1B占了100個(gè)名額,導(dǎo)致它最后僅僅生產(chǎn)了20架。

當(dāng)然,僅僅靠“先天體質(zhì)”是無法完全保護(hù)自己的,現(xiàn)實(shí)中F-117被南聯(lián)盟S-125擊落就表明隱形飛機(jī)并非無懈可擊。所以,現(xiàn)實(shí)中隱形飛機(jī)還需要各種靈活的運(yùn)用:

第一,避免自身釋放無線電信號(hào)。南聯(lián)盟擊落F-117即是利用捷克無源定位雷達(dá)定位到正在進(jìn)行某種通訊的F-117飛機(jī),并立即引導(dǎo)S-125導(dǎo)彈對(duì)其攻擊。因此,隱形飛機(jī)最好自己保持全程無線電靜默,就算是F-22要打擊敵對(duì)飛機(jī),也應(yīng)當(dāng)在本方預(yù)警機(jī)的數(shù)據(jù)支持下,短暫突然打開低可截獲雷達(dá)來發(fā)射導(dǎo)彈。這種探測(cè)雷達(dá)原理和二戰(zhàn)日本人的“逆探”相同,通過3個(gè)或更多的探測(cè)器逆向感知對(duì)面目標(biāo),然后套入坐標(biāo)系計(jì)算球心。該雷達(dá)中國(guó)一度打算從捷克進(jìn)口,但已經(jīng)鐵了心加入北約的捷克并未出口我國(guó),反而是在近兩年出售給了臺(tái)灣地區(qū)以抗衡殲20。

捷克冷戰(zhàn)時(shí)代的“維拉”無源定位系統(tǒng),利用球面三個(gè)點(diǎn)可以定位球心原理開發(fā)

第二,巧妙地利用地形規(guī)避雷達(dá)探測(cè)。

我們知道,地球是一個(gè)大球體。因此當(dāng)雷達(dá)探測(cè)遠(yuǎn)在地平線開外的目標(biāo)時(shí),會(huì)有一個(gè)明顯的盲區(qū)(見下圖)。

這個(gè)盲區(qū)可以粗略的進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)地球是均勻的球體,雷達(dá)的最低探測(cè)角度設(shè)為通過該點(diǎn)的切線,目標(biāo)距離(斜距)的飛機(jī)為另一點(diǎn),這就構(gòu)成了一個(gè)直角三角形,根據(jù)已知的直角邊(雷達(dá)到地心,雷達(dá)到目標(biāo)斜距)即可算出斜邊(目標(biāo)對(duì)地心)距離,然后減去半徑即可得到此時(shí)最低探測(cè)高度。

雷達(dá)盲區(qū)計(jì)算

我為了加快研究速度,自己做了個(gè)VB程序。

自己用VB寫的程序

由此可見,一臺(tái)架設(shè)高度5米,在赤道面上,對(duì)于6000米飛行高度的飛機(jī)探測(cè)距離為284公里——換句話說,如果這架飛機(jī)飛在6000米以下,就無法用這部雷達(dá)看到了。

那么,對(duì)于低空飛入的飛機(jī)呢?

高度下降到600米時(shí),探測(cè)距離銳減到95公里

當(dāng)飛機(jī)飛在600米低空時(shí),雷達(dá)就只能在95公里探測(cè)到對(duì)手——而這個(gè)距離已經(jīng)進(jìn)入了AGM-88反輻射導(dǎo)彈射程。

所以,巧妙地利用地表曲率和特定地形(如丘陵地帶),隱形飛機(jī)可以很好地用天然地形為自己的隱形能力補(bǔ)強(qiáng)。

第三,團(tuán)隊(duì)協(xié)作。

第一條已經(jīng)指出,隱形機(jī)最好不要泄漏自己的電磁波信息。那么,最好的辦法就是讓隱形飛機(jī),預(yù)警機(jī),電子戰(zhàn)飛機(jī)編隊(duì)作戰(zhàn)。預(yù)警機(jī)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程探測(cè),電子戰(zhàn)飛機(jī)壓縮敵方探測(cè)距離和精度,然后掩護(hù)隱形飛機(jī)展開突襲。

EA-18電子戰(zhàn)飛機(jī)配合F-35可以極大增強(qiáng)進(jìn)攻的隱蔽性和抗攔截能力

既然知道了雷達(dá)的特性,導(dǎo)彈的特性和隱形飛機(jī)的特性,我們終于可以進(jìn)入最終的主題:防空系統(tǒng)如何對(duì)戰(zhàn)隱形飛機(jī)。

既然要用防空系統(tǒng)對(duì)付隱形飛機(jī),那么我們就得從“看得見,打得著,打得準(zhǔn)”入手。

看得見是前提:

1、選擇適合的波段

首先,我們要明確,大部分隱形飛機(jī)受制于隱形外觀和涂料選擇,是不能做到全頻段隱形的。就算是B-2和未來的B-21等全頻段隱形飛機(jī),它也做不到實(shí)際上的全頻段隱形,尤其是通過二倍波長(zhǎng)進(jìn)行反射的米波雷達(dá)和低于KA頻道的毫米波雷達(dá)。通過尋找波段,就可以有效地為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)做好鋪墊。

巨型的米波超地平線雷達(dá)對(duì)于某些隱形飛機(jī)也有效果

2、采用新式的收發(fā)單元和全新的計(jì)算機(jī)。我們知道,米波不適合精確定位目標(biāo)的原因在于它頻率太低,同一個(gè)周期內(nèi)收到的重復(fù)回波不足,無法精確定位目標(biāo)。所以,如果增加發(fā)射機(jī)的數(shù)量,并用計(jì)算機(jī)統(tǒng)一處理,那么同一時(shí)間回收的回波越多,越容易精確測(cè)繪敵機(jī)。

大功率,海量TR單元的米波有源相控陣?yán)走_(dá)可以憑借較多的發(fā)射單元取得足夠回波而定位隱形飛機(jī)

3、配合被動(dòng)定位技術(shù)。和“維拉”系統(tǒng)一樣,可以利用逆探定位隱形飛機(jī)。而且隨著技術(shù)的發(fā)展,中國(guó)航展展出的逆探陣容,甚至包括接受隱形飛機(jī)反射的廣播電視臺(tái)的中波、短波信號(hào)的無源定位系統(tǒng)。

中國(guó)展出的可以接收民用廣播信號(hào)反射信號(hào)的逆探

4、加大功率。這是通過蠻力來“燒穿”對(duì)方防御的技術(shù)。根據(jù)上文提到的雷達(dá)波回波功率公式,回波功率本質(zhì)上仍然與雷達(dá)的發(fā)射機(jī)功率、天線饋電效率成正比。那么,在敵人隱形技術(shù)一定的情況下,加大發(fā)射機(jī)功率,提升饋電效率自然是提升回波最基本的方法。

梟龍飛機(jī)配備的出口某型相控陣?yán)走_(dá),有源相控陣?yán)走_(dá)的功率和饋電效率比起過去雷達(dá)有本質(zhì)性的提高,適合作為反隱形雷達(dá)

5、開辟第二戰(zhàn)場(chǎng)。任何飛機(jī)都不可能對(duì)任何目標(biāo)隱形,否則它自己人也找不到。因此我們可以配合衛(wèi)星遙感偵測(cè)、敵方數(shù)據(jù)鏈黑客竊聽等其他手段進(jìn)行定位,或者在敵方基地派駐間諜跟蹤。

長(zhǎng)光衛(wèi)星顯示跟蹤飛行中的客機(jī)

資料來源:https://weibo.com/5838191069/Dss1p5RGm?type=comment

當(dāng)然,光看到了打不中也不行。由于導(dǎo)彈跟蹤和定位必須有高質(zhì)量連續(xù)回波信號(hào),傳統(tǒng)的導(dǎo)彈面對(duì)隱形飛機(jī)也會(huì)被嚴(yán)重縮短有效距離。如前文的AIM-120可以對(duì)30公里的15平方米的三代機(jī)進(jìn)行跟蹤,但對(duì)于RCS只有0.01平方米的四代機(jī)跟蹤距離只有原先距離的四分之一,只有不足7公里,這導(dǎo)致導(dǎo)彈脫靶幾率大幅提高。因此,必須要針對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行相關(guān)的升級(jí):

1、換裝相控陣天線。前文所述,相控陣?yán)走_(dá)無論是雷達(dá)饋電效率還是刷新率都高于傳統(tǒng)雷達(dá)。所以在總功率無法提高的情況下(導(dǎo)彈供電只有電池),改善天線是必然之選。一向很喜歡“趕時(shí)髦”的日本人在AAM-4B上首先采用了有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù),但是成本可想而知非常的高,而且日本低產(chǎn)量無法分?jǐn)倖蝺r(jià),但思路是可以肯定的。

日本AAM-4B式導(dǎo)彈使用KA波段有源相控陣?yán)走_(dá)

2、改善計(jì)算機(jī)。導(dǎo)彈的體積很小,計(jì)算機(jī)的效率也比較低下,甚至很多人都不明白,為何敵我識(shí)別系統(tǒng)只能裝在發(fā)射器上而不是導(dǎo)彈本體之上,就是因?yàn)閷?dǎo)彈計(jì)算機(jī)性能太過于低下了。導(dǎo)彈并非不可用高性能計(jì)算機(jī),但由于它是消耗品,一枚高品質(zhì)軍用CPU也不便宜,所以目前計(jì)算能力普遍不足。但是為了對(duì)抗四代機(jī),選擇高性能計(jì)算機(jī)是必然之選。

3、增大機(jī)載雷達(dá)/地面火控雷達(dá)功率。和上述第4條理由一樣,不再贅述。

4、用四代機(jī)對(duì)付四代機(jī)。打不過就加入,使用更好的四代機(jī)和敵方進(jìn)行博弈,在空戰(zhàn)取得勝利。

隱形技術(shù)確實(shí)是為世界空戰(zhàn)和防空帶來了本質(zhì)上的革命。在未來的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中,一定是體系更加完整的國(guó)家,能夠取得最后的勝利。

從雷達(dá)類型和防空導(dǎo)彈制導(dǎo)機(jī)理淺析攔截隱形飛機(jī)的評(píng)論 (共 條)

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