“蘑菇头”和“平衡木”谁更好?谈谈预警机雷达的门道

云脑智库 2022-01-19 00:00


来源 | 兵工科技

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遍观世界各国的主流预警机,其机载雷达无非两种构型,一个是圆盘雷达,一个是平衡木雷达,有人分别将它们形象地称之为“蘑菇头”和“一根筋”,那么,这两种雷达构型到底谁更好呢?

 

圆盘雷达先于平衡木雷达诞生


早期预警机的雷达,是机械扫描雷达,要完成对全空域的扫描,需要天线进行360度旋转,为此,雷达天线被设计为长条形,并让其在中空的圆盘形整流罩内,以圆心为轴心进行水平周向旋转,此时,雷达天线的长度基本上等同于圆盘的最大直径,由此保证了雷达天线的孔径最大化。

需要说明的是,天线旋转的同时圆盘也要旋转,这是因为,为了保护雷达天线,需要用天线罩罩住雷达天线,天线透波罩就是圆盘的一部分;在天线旋转时,圆盘需要同步旋转,这样,天线波束需要穿越的这一部分透波罩体始终是固定的,只需要把这一部分罩体的透波性能做好就可以了,否则,如果圆盘不动,天线罩/圆盘转动,那么就需要把所有方向的圆盘罩体透波性能都要做好,这样工程实现上比较困难。


图注:瑞典萨博公司的S100B预警机,机载雷达为平衡木构型

 

相控阵雷达催生预警机平衡木雷达的问世


20世纪90年代以后,随着相控阵技术的出现和成熟,人们发现,预警机的雷达完全可以改弦更张,有不一样的样子。因为相控阵天线波束位置的变化完全依靠电子计算机进行控制,无需旋转天线,波束指向的切换没有机械惯性,可以省却伺服系统,而且可以在计算机的控制下,天线覆盖空域的扫描速度可变。

也就是说,同样还是长条形的天线,但因为采用相控阵技术,无需旋转,那么干脆就直接给其加上“修长”的整流罩,架在飞机背部,平衡木雷达的预警机就由此诞生了,其中开风气之先的就是瑞典萨博公司的“爱立眼”预警机。


图注:中国空警-500预警机,采用运-8飞机为载机平台,搭载圆盘构型雷达天线,与空警-2000雷达外观类似

 

两种构型雷达各有优缺点,不能简单说谁更好或谁会取代谁


应该说,两种构型的预警机雷达各有优缺点。

在飞机上加装“圆盘”改装为预警机,会对飞机气动性能带来较大不利影响,阻力增加较多,达到原阻力的23~30%,此外,航向稳定性也受到明显影响,“圆盘”大致降低60%。但优点是雷达没有盲区,过去以机械扫描雷达为主,可以通过旋转进行全方位扫描,现在采用相控阵技术,可以在圆盘内以最大等边三角形关系放三面相控阵雷达,固定不动的情况下就能实现全方位扫描。

“平衡木”天线罩是细长型,两侧分别布置两块天线,由于一块相控阵天线只能覆盖侧面120度,这样,机头机尾各有60度盲区,无疑,这是其最大的缺点,但这个缺点里面其实也蕴含着突出的优点,一个是对飞机气动阻力很小,二是“平衡木”充分利用头尾的尺寸可以把长度做得很大,例如,美国大型预警机E-3,最大起飞重量为150吨,圆盘天线罩直径才9.1米,而萨博-340“爱里眼”的“平衡木”长度在18吨的飞机上就能做到9米,这样的小飞机上换成9米直径的圆盘是不可能的。

由此可知,我们不能简单说它们之间谁更好,或者谁会取代谁,实际上就看用户怎么取舍,比如,大飞机+圆盘雷达的组合,飞机大,天线大,可以全空域扫描,没有死角,这适合国土面积大,作战任务重,有实力、有财力的国家;小飞机+平衡木的组合,小飞机,天线大但有盲区,这就很适合国土面积小,国家实力小,财力有限的,作战任务也不太重的国家。所以,就预警机今后的发展来说,无论圆盘雷达的预警机,还是平衡木雷达预警机,都会进一步得到持续的发展,毕竟各国的国情千差万别,所谓萝卜青菜,各有所爱,就是这个道理。


1 国外发展概况

按照导弹分类,预警机与机载导弹、面空导弹具有相应铰链关系,以下分别阐述。


1.1 预警机与机载导弹铰链

在预警机与机载导弹铰链方面,美军认为,单独的空中战斗平台不一定需要拥有一套完整的传感器系统,而是可以依赖于外部平台的数据共享。具体而言,E-2D预警机可将搜集到的数据信息为F/A-18E/F和F-35C等舰载战斗机提供瞄准信息,甚至可以控制制导各种多用途战斗机发射的机载导弹。具体的里程碑标志见下图1。

图1 预警机铰链控制导弹的试验里程碑


2006年1月,为满足远程防空作战需要,美军提出“海军一体化火控防空系统(Naval Integrated Fire Control-Counter Air, NIFC-CA)”的系统架构,并将该系统作为美海军未来“海上盾牌”系统的核心部分之一。在NIFC-CA系统中,E-2D预警机作为未来海战网络的数字指挥中心。美军希望通过E-2D预警机,为空中联队的所有战斗管理人员提供探测目标并引导武器的能力,同时通过TTNT、Link-16/CMN数据链,将来自E-2D预警机的信息与来自EA-18G电子战飞机、F-35C隐身战斗机和其它信息源的信息完成融合,实现从预警机到导弹的打击一体化运作。


其中,E-2D可使用先进数据链将探测信息在正确的时间送给正确的战斗机,并将原始雷达数据传送给宙斯盾驱逐舰[6];同时可通过双向数据链使得远程空空导弹在飞行末段“剧烈机动”以躲过敌方防御系统。美军认为,在未来攻击任务中,F/A-18E/F战斗机将挂载远程精确制导武器进入敌方领空进行攻击,但F/A-18E/F战斗机不需要直接引导这些武器,而是通过E-2D预警机或F-35上的数据链完成引导,在防空任务中也是如此。


2013年7月,美军举行了“三叉戟勇士2013”演习,演示试验了E-2D预警机指挥新型空地制导炸弹对海上移动舰艇的攻击过程。在此过程中,雷神公司与美军演示证明了1架E-2D预警机与最新版本的JSOWC-1空地制导炸弹(“联合防区外武器”C-1型)、1架F/A-18E/F战斗机建立通信制导的能力。演示试验过程中,首先由1架F/A-18E/F战斗机模拟发射了1枚JSOWC-1 空地制导炸弹,随后E-2D预警机指挥该空地制导炸弹飞往有效识别后的海上目标。


与此同时,E-2D还接收这枚空地制导炸弹双向数据链传回的状态更新信息和命中提示信息。美国海军精确打击武器项目办公室副主任表示,演示成功证实了运用E-2D预警机、F/A-18E/F战斗机、JSOWC-1空地制导炸弹能够为舰队提供完整杀伤链,在远距离上对海上舰艇目标实施防区外发射的可信性。同时验证了JSOWC-1空地制导炸弹可通过“即插即用”的方式灵活无缝地接入空中网络。


2014年2月,美国海军验证了E-2D预警机上APY-9雷达的NIFC-CA (海军一体化火控防空系统)能力。E-2D预警机使用link-16数据链和联合交战系统(CEC)[7],为F/A-18E舰载战斗机提供目标指示,未来E-2D预警机将配备战术瞄准网络技术(TTNT)数据链,可以显著增加带宽和作用距离。


2015年1月,美国海军与雷声公司在中国湖武器测试场,完成了预警机与“战斧”Block IV导弹铰链后,更改导弹飞行轨迹击中远程移动舰艇目标的试验。“战斧”Block IV导弹飞行途中,在从预警机实时接收更新后的目标信息后,改变了预定飞行轨迹,经预警机伴随飞行一段距离后,击中了1000英里外的移动舰艇目标。


1.2 预警机与面空/舰舰导弹(含地空、舰空、舰舰导弹)铰链


当前,面空导弹的杀伤范围已达到200公里以上,但是由于地球曲率所限,对于以“战斧”巡航导弹、反舰导弹以及低空、超低空来袭的空气动力学目标只能在面空导弹视距(30公里)处进行。面空导弹在视距外,即超视距抗击来袭低空目标无法独立完成,大大限制了面空导弹的有效杀伤能力。而预警机对低空目标具有良好的探测能力,故需要预警机制导面空导弹,形成体系作战能力,完成预警机探测区域与面空导弹杀伤区域的有效闭合,实现真正的看得远、打得远。预警机中制导导弹的作战概念见下图2。


图2 预警机中制导导弹的作战概念


在预警机制导面空导弹方面,美军相应的发展历程分为三个阶段,

  • 第一阶段为战斗机、舰艇独立作战;

  • 第二阶段依托预警机完成早期预警、完成对战斗机引导及舰空导弹的远程目标指示;

  • 第三阶段由E-2D预警机、宙斯盾、舰空导弹等实时铰链,构建打击链。


在第三阶段,主要由E-2D预警机完成对标准-6舰空导弹的中段指令修正制导,实现了舰空导弹对反舰导弹的超视距打击,如图3所示。


图3 美军预警机制导发展的演化过程


美军认为,应以E-2D预警机、标准-6舰空导弹与宙斯盾等为核心成员,共同构建防御作战体系中的超视距打击链。空中联队的所有飞机都通过E-2D预警机与其它飞机连接,同时E-2D预警机还与航母打击群的其它舰艇连接,因此E-2D预警机扮演了中心角色。[9]


美海军官员声称,一体化防空火控系统提供了一套“基于能力的防空反巡网络化解决方案”,将使美海军的防御纵深远超过目前基于单舰艇平台的防空武器控制系统所提供的能力,可使美海军的舰空防御范围超过几乎所有现役空射反舰导弹的射程。


据雷神公司网站2013年8月23日报道,美国海军近日从“钱斯勒乡”号导弹巡洋舰上发射了两枚雷神公司的“标准导弹”-6(SM-6)拦截器,成功拦截两个巡航导弹目标(BQM-74无人靶机),这是该型导弹首次海上拦截超视距目标实验。最新的SM-6是以BlockIV增程型弹体为基础,结合了AIM-120C7空空导弹的主动寻的头以及改良后的软件和信号处理硬件,能由预警机直接传输火控数据,形成预警机直接指挥控制引导舰载导弹的打击链,从而实现了水平线外(舰射)超视距攻击。


2014年4月16日,《2014-2025年美国海军航空兵构想》正式发布,指出:美国海军航空兵在机群的设计层面及采办过程中,都必须将其视野从单项目角度扩大至任务领域;美国海军航空兵任务必须集成化,空战必将更大程度地要求海军飞机的集成,同时要求E-2D等作战飞机加强与水面舰船等武器平台的协同,共同构成打击链,同时覆盖发现、定位、跟踪、瞄准、交战、评估6个阶段。同时提出,美海军已经评估了130多条高优先级的打击链,如图4所示。


图4 美海军的打击链概念


2016年1月,美国海军根据“分布式打击”的作战理念,E2D预警机与标准-6舰空导弹改装的反舰导弹进行实时信息铰链,标准-6导弹经过一段时间飞行后,击中了已退役的美国海军鲁本·詹姆斯号舰船目标。


1.3 以预警机为核心的机群作战信息系统

从第1.2节可以看出,一体化防空火控(NIFC-CA)系统是美军预警机与机载导弹能力相结合的重要项目,也是其向以预警机为核心的航母作战力量目标迈进的最新进展之一。


图5 美NIFC-CA系统中的机群典型配置

- The End

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