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浅谈战斗机机载电子+机械扫描雷达

2017-2-17 11:31| 发布者: 00d44| 查看: 597| 评论: 0

摘要: 战斗机雷达的天线一般可分成电子扫描与机械扫描两种,前者是利用相控阵原理,通过上千个小天线以电子方式移动相位,导致雷达波束的转动;后者则直接靠机构转动天线与波束。不过近年来,两种方式混合的“电子+机械” ...


战斗机雷达的天线一般可分成电子扫描与机械扫描两种,前者是利用相控阵原理,通过上千个小天线以电子方式移动相位,导致雷达波束的转动;后者则直接靠机构转动天线与波束。不过近年来,两种方式混合的“电子+机械”扫描雷达越来越多,所以也来浅谈一下。

在雷达领域,“电子+机械”扫描其实已经有相当长的历史,例如基德级驱逐舰的SPS-48E就是一种综合扫描雷达:机械部分负责水平扫描,而电子部分负责垂直扫描,使其可达到3D扫描的效果。但在战斗机机载雷达领域却很少见,主要原因是战斗机鼻锥的空间有限,塞其中一种就够了,塞太多机构会塞不进去。不过这几年“电子+机械”扫描雷达会慢慢扩张市场当然也是有其优点,以下逐一说明。

Su-35的雪豹雷达能以电子模式进行±60度的扫描,加上机械动作可增大为±120度


首先,不论是电子扫描或机械扫描天线,其角度很少能超过±60度,而要超过±90度更是绝无可能。因此,这使得战机很容易遭到侧方敌机的奇袭,需要友机以编队战术互相掩护,或是由360度的预警机在附近照看。但天线同时有电子与扫描角度加成的话,则其扫描角度就什至可以超过±90度,等于是可以看到肩膀后方的目标。因此不管是进攻任务的飞机要担心拦截机接近,或是防空任务要阻止攻击机穿透防线,电子+机械扫描都有更高的侦测机率。

台风机Captor-E雷达的示范影片则可看到两种模式,有电子+机械扫描的超大角度模式,也有纯电子扫描模式。


但要注意的是,电子+机械扫描并不是每次都能达到±90度以上的角度。因为电子扫描天线与机械扫描方式不同,前者通常是随机取角度扫描,以避免被敌电子战系统预测到轨迹;但后者受限于机械运转速度,只能循序沿轨道扫描。所以从目前公开的资料可以发现,这类雷达的机械结构有时只提供“转向”功能,它扛着电子天线转到一定角度就会停下来,让天线用电子扫描方式自己扫瞄。

机械天线雷达受限于转动速率,通常得以固定轨迹完成扫描,这使敌机的电子截收系统也会以固定周期收到雷达波,容易预测与判断雷达的形式。

电扫雷达则通常以“乱枪打鸟”方式对随机角度打出雷达波束,以降低可预测性。

Su-30MKI的Bars雷达为电子扫描±40度加上机械扫描±30度的复合天线,但由示意图可看到它可进行多目标追踪的只有±40度的范围内。

Su-35雪豹雷达的运作画面,横轴是角度而纵轴是距离,可以看到左右扫瞄角度只有±60度而已,也就是仅在电子扫描角度内运作

由于纯电子扫描还是比较安全而有效率的,所以Capter-E雷达的一种建议用法是双机各自对不同方向进行电子扫描,通过数据链交换情报,联合成超大视角的雷达图

在Captor-E的示意图中可以发现,大于±90度执行的功能是跟踪(蓝色框),扫描(搜索)的角度则是小于±90度(红色框)。这可能表示它平常的扫描模式并不会包含扩展到电子扫描角度之外,除非原本追踪的目标逃到了电子角度以外,才用机械扫描去“追”它。


如果说,电子+机械扫描雷达只用单纯的电子扫描,并不一定使用到±90度以上的超大角度,那还有效益吗?其实,电子+机械天线最重要的用意就是其“转向”能力。说到这,就要先说雷达原理。目前雷达主要的工作原理有两类:一是“脉冲”,利用脉冲反射的时间差计算目标的距离; 另一个是“多普勒”,是用雷达波反射的频率差计算目标的速度。大部分的雷达都是综合两种,所以称为“脉冲多普勒”,或时常简称为“PD雷达”。

脉冲雷达有个问题是它打到地面时会反弹强烈地回波,如果目标与地面的距离很远(也就是高度很高)那就还好,如果距离很近(也就是高度很接近地面)就会盖过目标的回波导致目标隐形。所以我们需要多普勒模式,因为地面的速度为相对零值(实际上是战机的相对速度,但这里先当作零),跟高速敌机产生的回波会有区隔。然而,如果敌机转向直角方向飞行,则它的“径向”速度就会变成跟地面一样,让多普勒雷达也看不到目标。

脉冲雷达的问题是“看山是山,看水是水”,不管看什么都会产生回波,也就会产生巨大的杂波;多普勒雷达只看“不是风在动,是你的心在动”,只有移动的东西会产生回波。所以一般战机雷达都会用多普勒原理来抓移动中的目标。


所以,战机超视距空战的一个基本要点就是在最远的距离发射导弹,但发射完就往直角方向转,让敌机无法用雷达侦测到你。然而这里就出现一个限制:假如你的雷达只能转60度,当你转直角后,对方看不到你,你的雷达也照不到它,则发射出去的导弹只能自生自灭;如果你还需要照射目标,或是更新目标动态以提高命中率,你就不能转超过60度。但如此一来,你的“径向”速度就不为零,对手就可以侦测到你。

阵风战斗机的空战雷达图,可以发现战机必须保持目标在接近±60度的扇形角度内,但不能超过,否则就会导致自己的导弹失去中途制导

在超视距空战机,导弹发射后应该朝直角转弯以降低对手反击的机率,电子+机械天线可在这个时候让“你看得见他,他却抓不住你”

Gripen E的空战雷达图,则可发现它将雷达以机械方式转到侧面45度角,再以电子扫描方式进行大约45-105度的扫描,而能够保持对90度角目标的追踪


因此,任何扫描角度大于±90度的雷达就有一个优点:你在直角闪躲的同时还维持导弹更新。电子+机械扫描雷达这时候通常就把天线转到最大角度后固定,以电子扫描追踪目标与补偿本身的机动。但是,直角闪躲动作对于使用机械天线的第四代战机比较有效,但对于电子扫描雷达的4.5代或第5代战机则无效。因为“直角闪躲”其实只“脉冲多普勒”雷达的“多普勒”部分有效,对于脉冲”部分是无效的。机械雷达为了避免扫到低角度时会吃到杂波,通常会全程开启“多普勒”模式,但是电子扫描雷达是非常“机敏”的,它可以用不同模式侦测不同的目标,并且可以同时“锁定”多个目标。所以当它注意某个目标的“径向”速度正在缩小,它可以切换到“脉冲”模式继续追踪,除非对手正以超低空飞行才有机会用地形杂波破坏“脉冲”模式的锁定。因此,从阵风战斗机的RBE2 PESA雷达开始,就号称是无法以机动方式“脱锁”的。因此,电子+机械扫描雷达的超视距空战优势对第四代战机比较明显。

“直角脱锁”其实只有对机械天线雷达模式比较有效,电子扫描雷达可靠快速切换模式来保持对“零速度”目标的锁定。因此,“电子+机械”扫描雷达对4.5代以上战斗机就只能利用天线角度赚取些微的距离优势。


不过,电子+机械扫描雷达对于纯电子扫描雷达还是有侦测距离的部分优势:因为电子扫描天线跟所有的天线一样,最强的波束还是出现在天线的正前方,也就是0度角。随着波束角度变大,强度是会衰弱的。因此电子+机械扫描天线的好处是对于侧方目标而言,它可以将天线转向而继续正对目标,使波束强度不会衰减,也就增大了侦测距离。尤其是对于匿影战机而言,其雷达天线不能正对前方,而必须向上倾斜以降低正面的雷达截面积,就会导致它正前方的波束不是最强的。而电子+机械扫描天线,尤其是双轴形式,可以调整角度到正前方者,就反而有最远的前方侦测距离。

当波束角度变大,可用孔径会缩减,导致波束变弱

Captor-E雷达的示意图显示其即便在±60度的电子扫描角度,其侦测距离也会比纯电子扫描雷达远

至于Gripen E用的Raven雷达,由于其只有单轴旋转,会有一个固定的倾斜角而无法正对前方,所以其在0度角并没有侦测距离优势,但转到侧方时就比纯电子扫描雷达有优势了

Su-35的雪豹雷达与除了左右摆动以外,还可以“旋转”。这使得它有另一个好处是在海面扫描时可以旋转天线成为“水平极化”,以降低反射杂波


虽然电子+机械扫描天线不管对于机械天线或是纯电子天线都有侦测优势,但对于匿影化的第五代战机而言,保持自己不被侦测才是最重要的,而放任一个天线在前头乱转对此没有益处。因此俄罗斯的第五代战机仍采用了固定的倾斜天线,而不是电子+机械天线。


总归而言,电子+机械扫描雷达的特点:

1. 适用于第四代战机(雷达天线不必固定)

2. 适用于战机少的国家(一架扫描范围等于人家一架半,但代价是结构复杂,维修成本高)

3.对第四代、机械雷达战机有超视距空战优势(侧转后可以继续更新导弹,敌机却锁定不到你)

4.对第4.5代战机有少许优势(侦测距离比纯电子扫描雷达远)

5.对第五代战机没有特别优势(侦测距离比纯电子扫描雷达远,但隐身性不足)


转载:https://www.facebook.com/notes/flak聊軍事/淺談戰機用電子機械掃描雷達/502750423247030/

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