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从Irbis_E看机电复合扫描相控阵雷达设计

2017-2-17 11:32| 发布者: 00d44| 查看: 861| 评论: 0

摘要: 相当重视武器信息自主权的俄罗斯人在后苏联时期便开始尝试建立球状雷达视野。在20世纪90年代已经出现前视x波段相控阵雷达,口径较小的x波段后视雷达,以及可安装于前缘襟翼的微型X波段相控阵雷达。至此,以高精度的X ...


相当重视武器信息自主权的俄罗斯人在后苏联时期便开始尝试建立球状雷达视野。在20世纪90年代已经出现前视x波段相控阵雷达,口径较小的x波段后视雷达,以及可安装于前缘襟翼的微型X波段相控阵雷达。至此,以高精度的X波段雷达建立球状主动雷达视野已具备可行性,甚至在老苏-35上已开始测试前后视雷达的共享。但这种设计使得主雷达视野以外的部分探测距离难免较小,为此俄罗斯人想到以机械辅助扫描来拓展主雷达视野。Irbis_E便采用两级机械辅助扫描,首先安装在往复摆动的机械上,而后整个装置再安装在旋转基座上。   

 除了俄制Irbis_E外,瑞典JAS-39NG改进方案以及EF-2000所采用的AESA雷达都有采用机电辅助扫描的设计。英国的早期方案有只采用单轴机械辅助扫描(只用旋转台)的,但后来公布的却与Irbis_E一样为双轴式。可见双轴式机械辅助扫描在未来的重要性。    

本文旨在探讨这种独到设计的特性。另一方面,未来不能排除AESA雷达仅搭配旋转台的单轴机械扫描设计,因此本文最后也对之进行了分析。    



机械辅助扫描的用途 

  

  双轴机械辅助扫描装置包括一个可往复摆动的机械与一个旋转基座。在Irbis_E上,摆动机械与旋转基座的活动速度都约是120度/秒。   

 

摆动式机械    


Irbis_E搭配能够左右60度摆动的机械扫描装置使水平视野扩大到±120度,垂直视野±60度。若进一步搭配类似FARANON“法老”(或译“警察”)类的小型相控阵雷达(视野±70度),则水平方向视野达360度,但在上下半球各有一小块“盲区”(至多60度)。以超视距作战以及充当预警管制机等任务而言该视野已完全够用,这是因为对上述任务而言,主要考虑远方目标,较不具有“突发性”:目标大致位置已知,因此可以机械装置将雷达面向所需区域,而后完全以电子扫描对120x120度区域进行实时监控。这样,来自机械装置的惯性便不会制约战机的数据更新能力,甚至即使持续使用机械扫描以致获得240×120度的视野,则由于仅在水平方向有机械摆动,因此数据更新率仍高于传统机械雷达,一般机械雷达全空域扫描周期约10秒,Irbis_E搭配水平机械扫描的全空域(240×120度)扫描周期约2秒,在此期间一般飞机至多飞行约1千米。对于约30千米外的飞机目标,这种距离造成的视角差有限,因此雷达数据更新的实时性仍足够。

采用电子扫描搭配水平机械扫描时,上下半球的60度锥形内为盲区,不过盲区范围很小,约在视距内,故问题并不大


    是否要考虑盲区  

  

 在飞机平飞状况下,存在的盲区约是在铅垂方向上下半球的圆锥形区域,其最大半径通常不到5千米,几乎可以不用考虑,而隐身飞机若要进入该盲区便不可避免会被Irbis_E以高仰角或高俯角在不到20千米距离内探测到,因此在进入盲区之前,其较大RCS的方向可能已暴露而提早被Irbis_E捕获。因此在平飞状态下,上下半球的盲区其实可以忽略。    

注意上述优点仅成立于战机平飞时,在战机进行滚转时上述宽广视野有一部分会“跄”到目标较少的铅锤方向去。例如当平飞中的战机滚转了90度,则这个相对于战机的“水平±120度,垂直±60度“视野实际上成了”地平线方向±60度,铅锤线方向±120度”的视野,这时飞机的大视野等于用在威胁较少的铅锤线方向,而丢失大量的地平线方向的目标。换言之,战机滚转后相当于自己把许多目标“放到”上下半球(相对于飞机)的盲区中,这不论在对付传统战机还是低可视度与隐身战机时都相当不利。    


旋转基座功能之一:消除飞机滚转的影响    


 为了消除上述问题,研发人员将整个天线与扫描机械安装在一旋转基座上。由于雷达天线与后端系统之间有波导管和各种线路,所以为了避免管线纠缠,旋转基座并不能持续360度旋转,而是绕主轴做左右120度旋转,转速约120度/秒。     

有了旋转基座以后,240x120度的机电复合视野便不受战机滚转的影响,例如战机向右滚,旋转台便施加向左滚的力矩以使雷达相对于外界而言与战机滚转前无异。如此一来,战机对战区的监视便不会受到自身滚转的影响,相当于没有盲区,而仅剩理想隐身战机借机械往复摆动的时间差发动奇袭的可能。此外,这种让雷达视野不受战机滚转影响的特性也能简化雷达处理程序的设计。    

 摆动机械与旋转基座搭配电子扫描除了能维持不受战机滚转影响的超大视野外,也可以让战机机动过程中雷达的120x120度电扫视野都对着固定的方向,从而增强对高威胁区域的信息接触。     



旋转基座功能之二:超大近球状视野扫描     


双轴机电复合扫描还可以让Irbis_E获得上下左右各120度的视野,已经近乎球状。前面提到旋转台并不能持续旋转,而只能±120度旋转。当旋转台还没有转到尽头时,只要将天线往另一个方向偏,再让转台往回转,如此周而复始,便可建构上下左右各120度的视野。

例如: 

    1)先将天线向正上方偏转60度,旋转台向左旋180度,约需1.5秒,雷达就完成垂直方向±120度,水平方向-120度范围内的扫描,此时天线已面向下方60度;    

2)将天线往上摆,回到向上60度的姿态,此过程需时约1秒;     

3)旋转台右旋180度,约需1 5秒,完成垂直方向±120度,水平方向+120度的扫描。此时天线又再次面向下方60度,而旋转台已回归本位;    

 4)再将天线向上摆动到向上60度,需时1秒,并回到步骤1).如此周而复始。   

 据此初步估算,以机电复合扫描获得上下左右各120度的超大视野的更新周期约5秒。依据Irbis_E的型录,这种模式的视野甚至可以稍微扩大到“上下左右各125度”,但此模式仅适用于监视模式,追踪即扫描模式的视野则为水平±120度与垂直±60度。   


 预警能力的实时性分析    


 由以上分析可知,Irbis_E的240×120度视野的更新周期约2秒.240×240度视野的更新周期约5秒。这当然没有纯电子扫描快,但就预警用途而言,重要的是目标在这段时间差里会飞越几道波束宽度。如果在更新周期内目标横越的视角小于或等于探测波束宽,那么其相对于雷达而言便几乎等于静止不动。以下取lrbis-e远程模式的波束(约是10x10度)计算。     

以现有空空导弹最大速度马赫数4来计算,5秒内约可飞行6.6千米,如果完全以横越方式飞行,则只有约40千米以内的导弹可飞行超过一道波术的宽度:当数据更新周期是2秒时,则需要在15千米以内完全以横越方式飞行的马赫数4的目标才能飞行超过一道波束宽度。     

在真实情况下,目标不会刚好都是横越,而且完全横越的目标通常比较不具威胁。例如正对我方直奔而来的导弹威胁当然比较大,但这时它的横越速度很低,因此在雷达的数据更新周期内对我有威胁的导弹是很难飞越一道波束宽的。     

而对战斗机目标而言,速度通常不超过马赫数2,以这样的速度,5秒内飞行3.3千米,要在距离约20千米以内才有机会飞越一道波束宽度:当雷达的数据更新周期是2秒时,要在8千米内才有机会飞越一道波束宽度。特别是绝大多数飞机巡航速度都低于马赫数1,那么基本上除非飞到10千米的视距内,否则都没有机会趁空当飞越一道波束宽度。因此Irbis_E的机电复合扫描视野虽然有着2或5秒的数据更新周期,但其意义几乎等于是实时的。    

值得注意的是.f-22战机发射武器时,弹舱开启到关闭的整个过程约为2秒,这个期间其实是隐身战机很容易暴露行踪的时期。由于Irbis_E的机电复合扫描周期约为2秒,因此除非f-22发射武器的时间点控制得恰到好处,否则其在武器发射期间很可能被Irbis_E捕捉到。     


机械辅助与AESA雷达的搭配     


AESA天线比PESA天线更为厚重,因此像t-50所用的AESA天线若采用Irbis_E的双轴机械辅助扫描又要维持一样的机械扫描速度,必然需要增强制动机构的强度与机械功率。所以,首度实现双轴机械辅助扫描的俄罗斯tikhmirov-niip公司目前并不打算在AESA雷达上采用机电复合设计。为Irbis_E设计机电辅助装置的设计师甚至说“主动的要这样做,等十年吧!”   


 不过,欧洲国家的EF-2000与JAS-39NG的AESA雷达就有采用双轴机械辅助扫描的设计。这可能让人联想到是不是欧洲的AESA技术比较先进因而更加轻巧?当然这种可能性不是没有,但还有其他的可能性    

 1)这些欧洲战机的雷达本来就比较小,因此就算采用同样的技术,本来就会比较轻:  

  2)t-50的afar-X的天线单元功率10-12瓦,所以需要在冷却上下功夫,而有的轻巧的AESA雷达只用5-10瓦组件,冷却需求较少。如果采用的是低功率组件而不需要冷却,那当然可以比较轻。    

 其实对AESA雷达而言,由于与后端系统只有电线等相连而没有波导管相连,因此或许有机会实现360度旋转。若真是如此,便可采用“电子扫描+旋转台”设计,也就是天线固定向一个方向偏转,然后旋转台持续旋转。例如,若天线固定偏转60度,则搭配旋转台360度旋转后便可获得上下左右各120度的视野。如果能采用这样的设计,便可以省掉往复摆动机械的空间与重量,而持续旋转的旋转台由于没有往复运动,因而天线惯性较小,所需功率也较低。在EF-2000的改进方案中便曾出现这样的构想,只是后来还是换成双轴式设计。笔者在2011年莫斯科航展上曾询问tikhmirov-niip的设计师是否可能对afar-X采用这种设计,对方表示“这只是一种思路,但目前没有做”。   


  不过,需要考虑到相控阵雷达在大角度时由于等效口径减少,会使得探测距离降低。如果纯粹考虑等效口径的影响,则离轴40度与60度时探测距离分别是0度时的93%与84%。因此若天线固定偏转60度,固然可以获得最大的视野(±120度).但对正前方的目标探测距离却不尽理想。因此偏转角度也不宜太大。可仅偏转30-40度,这样对正前方目标的探测距离衰减较小,总视野却仍可过半球(±90度~±100度)。     

另一方面,单纯使用”相控阵天线+旋转台”的设计又带来另一符合潮流的附加价值:隐身。当前许多相控阵雷达都稍微向上偏转安装,目的是为了让迎面而来的雷达波不要正面反射回去。这种设计的偏转角度通常不大,因为偏转太大的话会失去很多必要的视野(例如太往上偏,则几乎无法俯视)。采用旋转台后本来失去的视野可以靠旋转而复得,因此允许使用大偏转角,如此一来雷达天线正面的rcs便可以显著降低。

转载:《航空世界》 2015年05期 

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