海上千里眼“相控阵雷达

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海上千里眼“相控阵雷达
“相控阵雷达”属电于扫描雷达,它通过改变天线中各阵列的电流相位来改变输出雷达波束的方向。一部这样的雷达即可同时满足对空/海搜索、跟踪及火控指示的不同需求,且数据更新速度快、波束灵活多变、抗干扰能力强,能在提高雷达战技指标的同时大大简化繁杂的舰载雷达及其天线的配置,改善电磁环境,提高隐身性能。相控阵雷达的关键部位是负责改变电流相位的移相器,早期的移相器采用亚铁盐元件制造,成本过高且性能也不太可靠,每面天线仅能覆盖90-120°的方位角,如果要实现360°全向监视便需要3-4面天线阵列,如此则进一步增加了成本。到了20世纪70年代末期,伴随电子工业的进步及固态电子技术的引入,雷达天线移相器的制造技术终于能满足降低成本和可靠性的要求,这使得开发配备舰载相控阵雷达成为可能。而率先安装在舰艇上的相控阵雷达便是作为美国海军“宙斯盾” (Aegis)作战管理系统核心的AN/SPY-1型雷达,该型雷达还可用于导弹的中段制导,与飞行末段以分时方式指示的火控雷达相配合。由于1艘“宙斯盾”型战舰相当于过去4-6艘防空主力舰(以每艘平均3部火控雷达计算)的区域防空能力,由此引发了新一轮世界范围的相控阵雷达装舰竞赛。

“老”而弥坚的“山姆盾牌”
AN/SPY-1 其最初的研制方为美国无线电(RCA)公司,AEGIS之名源自“机载预警陆基综合系统”项目(Airborne Early-warning Ground Integrated system)的缩写,也恰与希腊神话中的“宙斯盾”拼写相同,后来通用电机航空航天公司并购了经营不善的RCA,其后又把雷达电子分部转售给了现在的洛克希德•马丁公司。AN/SPY-1是一种被动式相控阵雷达,其天线阵列由4面覆盖90°方位角的天线组成,在最初装备的“提康德罗加”级巡洋舰前后两座桥楼内,有64台总功率5兆瓦的并联发射机组成的机组分别向2面天线发送射频能量,而后续的“伯克”级驱逐舰则减为l座发射机组,并把4面天线全部集中在前部桥楼。AN/SPY-1对高空目标最远侦测距离可达450公里,能同时跟踪200多个目标。该系列中最早的A型装备1983年开始服役的“提康德罗加”级的前10艘(CG47-CG56), 而其后的17艘舰则装备了减重版的B型。两型雷达均使用AN/SPYK-7型计算机来控制天线的发射/接收单元。有意思的是当初美国海军对新型雷达的可靠性并不十分放心,又在CG47-CG51号舰额外加装了l部D波段机械扫描的AN/SPS-49搜索雷达,以备“应急”。20世纪90年代初再度减重的 AN/SPY-1D陆续装上“伯克”级以及日本海上自卫队仿制的“金刚”级驱逐舰,日舰改用了新的AN/UYK-43/44计算机,比UYK-7型速度更快,所占的体积和重量也有所改善。
外贸型 为了扩大海外竞争力,增强对4000-5000吨级驱护舰的吸引力,AN/SPY-1系列还衍生出了FARS和ADAR-2N两型外贸雷达。前者的目标是北约的通用护卫舰计划(NFR),后者则原打算升改台湾海军的“成功”级,但均未如愿。两型雷达性能相近,以FARS为例,其在设计时将天线尺寸缩小至2.5×2.5米,侦测距离也仅为“宙斯盾”的6成,可制导SM- 2“标准”及ESSM“北约海麻雀”改型防空导弹。而说起欧洲的相控阵雷达舰的起步计划也可谓一波三折,NFR 计划取消后,德国、荷兰、西班牙三国转而联合开发安装“阿帕”( APAR)主动式相控阵雷达的TFC通用护卫舰,英、法两国则另行合搞AFFF计划,后来意大利也加入了进来,顶替再度中途退出的英国,于是计划改称 CNGF,这就是即将于明年开始服役的“地平线”(Horizon)型防空导弹驱逐舰。而为了巩固对海外市场的影响优势,美国方面则开放了限制“宙斯盾” 系统出口的政策,洛•马公司也及时推出了比前两型外贸雷达测距和分辩率均有所提高的“正宗”的AN/SPY-1F型。其成功出口案例是1996年西班牙海军退出TFC后自制的F10O型“巴赞”级6000吨级防空导弹护卫舰(计划建4艘,2006年将全数服役)以及挪威海军的“南森”级( F310)选择了该型雷达。

AN/SPY -1系列雷达“标准”导弹为提供中段制导后交由X波段的MK-99火控系统的AN/ SPG-62雷达提供末段半主动制导,这样的搭配可同时提高系统快速反应多目标的能力和交战个数。比如“提康德罗加”级4座、“伯克”和“金刚”级为3 座、“巴赞”和“南森”级则搭载2座火控雷达,分别可同时攻击16、18及12个目标。1998年,洛•马公司为了配合美国海军“由海及陆,纵深攻击”的战略转变,又推出了AN/SPY-1D(V)型,提高了对付低空陆地目标及抗电磁干扰能力,该雷达已装备“伯克”Ⅱ型(DDG-78之后)各舰。据称, “宙斯盾”雷达在对弹道导弹的监测能力方面也曾有过上佳表现,这也是美国海军今后重点需要提高和加强的方向。
欧罗巴百舸争流
“阿帕”(APAR) 主动与被动式相控阵雷达的区别在于前者的每一个天线阵列单元都配有一个独立的发射机,只要增加天线的发射/接收单元就能增加发射功率,所以APAR(主动式相控阵雷达的缩称)又被称为“有源相控阵雷达”;而被动式相控阵雷达(如AN/SPY-1)天线的所有子阵单元都由共同的发射机负责发射雷达波,所以又称“无源”雷达。APAR天线直径约l米,有3200个接收/发射单元,每套系统的4 面天线负责360°全方位覆盖,工作频率使用分辨率较高的高频X 波段操作,该波段雷达存在大气衰减问题,雷达的探测距离因此受到限制。APAR雷达还负责导弹的中段制导及末段指示,X 波段的APAR的精度能满足武器指控要求,所以无需火控雷达就能同时引导32枚导弹攻击目标;S波段的AN/SPY-1的较远测距却牺牲了一部分分辨率,所以才需要额外火控雷达的末段辅助指示,这也算是不同的设计思路在技术与需求之间的“中庸之道”吧。目前德国海军的“萨克森”级、荷兰海军的“七省”级(LCF)护卫舰均已进入全面服役期,加拿大海军的CPF (“哈利法克斯”级的改进计划)也选中了APAR雷达。

“桑普森”(SAMPSON)
由英国航空航天防御公司(BADS)研制的该型雷达也属于主动式相控阵雷达,起源于“地平线”计划,仅采用了2面每分钟30转的机械式旋转天线和基座,在减重和降价的同时,由于更新速度较固定天线慢而对高速或近距离目标的侦测能力有所不足。另外,SAMPSON仍沿用MESAR(多用途电子扫描适配雷达)的“自适应”功能,可随外界操作环境自行校正并提高精度,其每面天线上有2500个10瓦的接/发单元,平均总功率25千瓦,最大侦测距离250公里,可同时跟踪500个目标并迎战其中12个。SAMPSON还兼作PAAMS(主力防空导弹系统)的火控雷达用于制导“紫箢”-15/ -30型末端主动雷达制导导弹。“紫莞”-15对飞机和超音速反舰导弹的有效拦截距离分别为10-15公里和5-10公里;具有区域防御能力的“紫箢”- 30则各为35- 45公里及10-15公里(从后一项指标可见对低空高速目标的拦截距离并不理想)。未来计划发展X波段具备NCTR技术的高精度衍生型来弥补,而暂时在 45型(“果敢”级)舰上装备了GEC-马可尼公司的S1850型D波段远程搜索雷达作为辅助,“果敢”号估计于2009年前服役,由于其前身MESAR 具备了较强的探测弹道导弹的能力,所以未来SAMPSON雷达也具有开发欧洲版“海上TMD”的潜力。

“埃姆帕”(EMPAR)
该型雷达的名称取自“欧洲多功能相控阵雷达”的英文缩写,是由意大利阿莱尼亚公司研制的C 波段被动相控阵雷达,其四方形的天线尺寸为1.5×1.5米,有2160个子单元,与垂直方向呈30°角的单面天线能覆盖120°的高低角和90°的方位角,虽然避免了4面天线配置的高成本,但却影响了数据更新速度,所以只能用60转每分钟的机械式旋转基座来弥补不足。最大侦测距离180公里(飞机120 公里),对小型导弹和掠海飞行目标则各降为50和23公里,能同时跟踪300个目标(优先168个)并引导24枚导弹攻击12个目标。EMPAR现正装备于“龙骑兵”号(F-581) 护卫舰海试。2006年,首批意大利版的6艘“地平线”驱逐舰“贝尔戈米尼”级将开始服役,法国的4艘“福尔班”级也将同步进行相同的建造工作。
“阿拉贝”(ARABEL)
法国在FSAF/SAMM中使用的是汤姆逊-CSF公司研制的ARABEL雷达,采用与EMPAR相同的单面旋转式天线配置和每分钟60转的旋转基座,工作频率为更高一些的X波段,其分辨率比C波段的EMPAR高,侦测距离较短,主要制导“紫箢”15近程防空导弹,天线与垂直方向间有30°的倾斜角,每面覆盖90°方位角及75°的高低角,共由4000个统一发射雷达波的单元组成(被动式)。对反射横截面0.5平米目标的有效探测距离为50公里,大一些的则可达100公里;ARAEEL能同时跟踪最多60个空中目标(监视120个)并制导16枚导弹攻击其中的10个以上目标。目前该型雷达已装备“戴高乐” 号航母,还计划装备出口沙特阿拉伯的“沙瓦利”Ⅱ型护卫舰。
第三方之选
三菱FCS-3
由日本防卫厅技术研究本部继FCS-1、-2之后开发,由三菱电机公司具体负责研制,1995年FCS-3装备当年完工的“鸟海”号武器试验舰(ASE- 6102)进行海试。该型雷达为舰载主动相控阵雷达,在权衡了性能与经济性的兼容利弊之后,仍选择了4面固定式天线的配置,天线尺寸约为1.6×1.6 米,每面有约1800个发射/接收单元,还采用了先进的砷化稼半导体技术。据推测FCS-3的工作频率可能为C波段工频,可引导近程防空导弹或舰炮同时对抗多目标的饱和攻击,配用的导弹可能是目前仍在研制中的XAAM-4空空导弹的舰载垂直发射防空型。试验舰上相关配套系统的测试估计已近尾声,联想到日本海上自卫队主力战舰大半已实现垂直发射,有利于快速提高战斗力,因此,日制相控阵雷达今后的装备走向值得密切关注。
“望天”(Sky Watch)
1987年服役的前苏联海军“基辅”级4号舰“戈尔什科夫上将”号(原名“巴库”, 2007年转役印度海军)首次安装了与“宙斯盾”类似的大型相控阵雷达,北约称之为“望天”。该系统由直径约为6 ×6米的天线阵组成,每面天线约有5110个移相单元,工作频率为E/F(S)波段,使用6台高速数字式计算机控制全系统的操作,能同时跟踪上百个空中目标并引导己方防空导弹精确攻击其中的15-18个目标。至于其他技术细节目前仍为“不详”。而其装备的现役战舰也只剩1991年服役的“库茨涅佐夫”号航母孤零零一艘,其落漠情景似乎与当前各国轰轰烈烈的“大跃进”形成了鲜明的反差。
除了欧美先进国家海军围绕相控阵雷达战舰的一系列如火如荼的竞争外,随着澳大利亚未来防空舰“宙斯盾”雷达选型的尘埃落定以及韩国海军KDX-Ⅲ型防空导弹驱逐舰的开工建造,亚太地区相控阵雷达战舰的发展也进入了高歌猛进的快车道,澳大利亚CEA公司也不失时机地推出用于改造其“安扎克”级护卫舰的CEA-FAR普通版主动相控阵雷达,该雷达对反舰导弹的防御能力较为突出,每个独立接/收子单元面积仅为332毫米2,重9公斤,将是一款性价比较佳的相控阵雷达战舰。在可预见的未来数十年里,相控阵雷达战舰将更有一番龙争虎斗!