AFAR—L主动相控阵雷达性能研析

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  AFAR-L是第四代多用途无线电系统的一部分、设计安装于前缘襟翼的L波段AESA雷达,在T-50上除了两侧前缘襟翼外,在进气道可动前缘处似乎也有安装,未来苏-35S也可能会采用(目前在外销型上使用的是4238E主动相控阵敌我识别天线)。AFAR-L集火控雷达、敌我识别、通信、空中管制等复杂功能于一身。这种系统是俄罗斯依据米格-31的敌我识别系统使用经验逐步改进与演进而来,至今已成为一种多用途雷达,拥有非常惊人的战术价值。
  发展缘起与技术数据
  在现代战机上,L波段微波常用在敌我识别(IFF)系统与短程警戒,这一方面是L波段不会影响作为探测主力的X波段的运作,且波束通常较宽,对敌我识别功能来说刚好适合“广播”识别信号,对导弹预警来说则能快速扫描。俄制米格-31在主雷达天线上寄生了一组L波段敌我识别相控阵天线,开机载L波段相控阵之先河,然而该设计限制了L波段的性能:一是天线总口径受限于机鼻尺寸,二是针对X波段优化的雷达罩多少限制了L波段的性能。由此产生了将L波段移植到前缘襟翼的想法。前缘襟翼的尺寸动辄数米,因此可以让L波段拥有足够的口径,俄罗斯开发的前缘襟翼L波段阵列拥有2-3米口径,确保了超远程敌我识别能力。老苏-35与苏-30MK上便可能安装了这种敌我识别天线。
  前缘襟翼L波段相控阵天线被赋予以下要求:
  1)敌我识别。得益于更大的总口径,识别距离与精度都更大,AFAR-L能确保400千米的敌我识别;
  2)用于航空管制,甚至要能兼容于北约的航空管制信号;
  3)担任”第二监视雷达”,即北约规范的“S模式”;
  4)接受火控系统的指示进行对空、对地、对海通信;
  5)最新的AFAR-L还增添了火控雷达的功能,在这方面还因为L波段的使用而增强了对树下目标的探测能力。
  除此之外,还可以推测AFAR-L可能具有对L波段范围内的各种电磁波进行被动预警与主动干扰的能力。
  AFAR-L的“发射一接收”模块由NPP Pulisar研发,采用“共享窗口多频谱设计”,每一个”发射一接收”单元内整合了4个独立发射通道与2个独立接收通道,每个发射通道的峰值达200瓦,能量效率40%-60%(依频率而定,最高接近70%),频率1-1.5GHz,接收机噪声系数小于4dB。供电与稳定装置位于收发模块的中间,能确保持续30微秒的照明。系统采用流体冷却以确保大功率。每一个收发单元本体尺寸为60×174×214立方毫米,在2007年莫斯科航展上展出的成品包含12个天线,故总口径达2.08米。但另有16单元版本,总口径约2.78米。这种一维阵列仅用于水平方向扫描,能接收水平方向±60度,与主频误差超过30%的信号(换言之其主动模式频率在1-1.5GHz但被动模式超出此范围)。
  性能分析
  使用配置
  由于每个“发射一接收”模块整合了4个独立发射通道与2个独立接收通道,故每一组AFAR-L(指整个lx12或lx16阵列)至少相当于2套完全独立运作的火控雷达,“剩余”的2个发射通道则可用于纯粹发射信号或较少接收信号的用途,如发射识别信号等。实际上,由于接收通道可以分时工作,因此这里视之为2套完全独立的雷达是估计其下限,若将其视为4套独立系统亦无不可。此外,以上是假设12或16个天线单元共同使用,此乃性能最佳的状况,实际上约4-6个天线已可达成相当于以往寄生在主雷达上的敌我识别天线的功能(波束较宽距离较短).因此AFAR-L实际上等效于更多套独立设备。
  一对AFAR-L相当于4-8套L波段无线电设备。而由照片观之,T-50在进气道可动前缘也装设了AFAR-L.这样一来便相当于8-16套L波段无线电设备。由于AFAR-L实际上相当于好几部独立运作的雷达,这可能有助于提升探测概率,例如假设一部雷达对某种目标的最大探测距离是L,这通常表示有50%的探测概率,则两部雷达在L距离探测到该目标的概率便是75%,三部一起则概率高达87.5%,这便相当于增加了最大探测距离。此外,当然也可能用好几个发射通道同步工作以加大发射功率,例如采用2、3、4个通道一起进行探测则分别可提升18%、31%、41%的最大探测距离。
  AFAR-L本身的电子扫描角度为±60度,安装于前缘襟翼后总视野受掠角影响。装设在掠角约40度的传统战机上,总视野可达±100度:T-50掠角约50度或以上,则AFAR-L可提供超过±110度的视野。这种宽广的视野让AFAR-L也可用来进行导弹预警,并且在剧烈的战术机动中保持对目标区的接触(探测、识别)以及与友军的联系。
  以下将探讨AFAR-L的战术技术优势,这些优势主要来自两大方面:
  1)波束的高指向性:关系到操作距离以及隐身性;
  2)操作频率:赋予其威胁Link-16、JTIDS等西方战术数据链甚至探测隐身飞机的能力。
  相当于X波段的方位精度与其影响
  AFAR-L的许多独特功能实乃得益于其大口径。以较小的12单元版本看,其总口径约为7-10个波长,内含12个发射单元,该数据与小型X波段雷达相当。例如Tikhmirov-NIIP的Epaulet-A微型相控阵雷达最大口径也相当于10倍波长,内含约10个天线。又如米格-21所用的X波段雷达的口径为30-40厘米,也约为波长的10倍。因此,理论上AFAR-L的水平方向波束指向性与上述小型X波段火控雷达相同,故能以X波段火控雷达的数据预测其指向性能:约0.5度级的方位精确度。需注意的是,这款L波段雷达只在横向构成阵列,所以仅用于测方位,在垂直方向上并无指向性可言。
  相比之下,传统的敌我识别天线几乎无指向性可言:如俄系N-011M、Zhuk等附加L波段天线的雷达,总口径不超过1米。美制F-16等则将敌我识别天线安置在风挡前方,总口径甚至仅约50厘米。上述各式敌我识别天线的天线数通常约5个左右,其指向性自然远不如这种安置在前缘襟翼的大口径阵列天线。米格-31的敌我识别天线也由于阵列数较多,因此在识别距离与精确度上应优于其他战术战机,但限于口径的限制,其方位精度无法达到AFAR-L的等级。   这种X波段级精度的L波段雷达带来了一系列优势:
  1)更精良的敌我识别能力:事实上敌我识别器本身并无指向性的需求,其只需发送信号,待友机收到信号后发出标示自身位置的信号以供确认,因此友机的精确位置其实可由其响应的识别信号得知,因此不需要敌我识别器有多强的指向性。不过,敌我识别器具备高指向性自然更具优势:首先,高指向性表示能将大部分能量集中在小角度内,即在相同发射功率下能有较大的操作距离,或是用较小的功率满足所需的操作距离:其次,高指向性使战机能仅对目标区发送信号,从而大幅降低暴露自身电磁信号的概率。据厂商介绍.AFAR-L可支持400千米远的敌我识别工作,这为KS-172、izdeliye-810等超远程空空导弹提供了使用前提:
  2)保密宽带通信:高指向性以及大操作距离使其具备作为高保密性宽带通信天线的条件。现有苏-27系列的通信天线,VHF/UHF波段操作距离约400千米.HF波段约1 500千米,而这种新的“L波段雷达”通信操作距离与VHF/UHF相当,故若能作为通信用途,理论上可部分取代后者。由于L波段波长比VHF/UHF短得多,故理论上通信频宽可以更大,加上这种L波段雷达能发出指向性波束,隐蔽性自然优于不具备指向性的传统通信天线,相当适合战术数据的保密传输。可能正因为如此,AFAR-L也被赋予对空、对地、对海通信的使命。事实上,如Link-16、MIDS、JTIDS、卫星通信等许多先进的宽带通信早已使用L波段。AFAR-L操作范围1-1.5GHz.相当于Link-16、JTIDS的1-1.2GHz.因此有潜力达到后者的2Mb/s传输速度上限:
  3)精度相当于X波段的火控雷达:既然精度达到小型X波段雷达的等级,就表示AFAR-L不只可以用来警戒,还有潜力用来火控。虽然其仅能用于测方位,但如果飞机滚转后再探测,便可获得三维坐标(这与船舰上的“顶版”3D雷达工作原理类似),而这种推测也得到了Tikhmirov-NIIP资深专家的确认。在苏-35BM上,旋转台使主雷达的视野完全不受飞机滚转的影响,因此AFAR-L若要实施滚转后定位,并不会影响主雷达的工作。
  4)更精准的前半球被动侦查:AFAR-L也可用来进行被动侦查。被动侦察系统的精度通常也随频率的减少而降低。如俄制SP0-32(1-150)雷达预警接收器侦测范围在1.2-18GHz,其中对8-18GHz的最高定位精度为2-3度.4-8GHz时降低为5度,对1.2-4GHz者精度降低为15度。AFAR-L对1-1.5GHz定位精度达X波段级意味着有可能发展出对此波段的反辐射硬杀伤能力。由于西方现代化的宽带通信系统正好操作在此波段,因此AFAR-L的此一潜力有极高的实战价值。
  1~1.5GHz波段带来的其他优势
  除了敌我识别之外,许多宽带数据链与预警雷达也是操作在L波段,如部分预警机雷达、Link-16/MIDS/JTIDS等数据链(1-1.2GHz).敌我识别信号、卫星导航信号、导弹数据链信号等。
  换言之,可以合理判定AFAR-L能用来对这些通信行为进行被动预警与定位,甚至不能排除主动干扰的可能。这种被动警戒的操作距离可以由敌我识别距离作为参考(因为电磁波都是单向行进,而非探测波束要一来一回),印400千米左右。第四代雷达系统MIRES的设计目标便是将所有无线电功能集中整合在几个AESA天线上,其中便包括电子侦察,加上AFAR-L的接收频谱很广,能接收与主频误差超过30%的信号(即被动侦测范围超过1-1.5GHz).甚至要能兼容于北约的空中管制信号,因此与范围不那么大的AFAR-X(能接收与主频误差小于30%的信号)有不小的差异。在T-50战机上,AFAR-L甚至可能增加至4套(根据照片分析),如果真是那样则更暗示AFAR-L有着不凡的多功能性。
  在作为被动侦测系统方面,AFAR-L将有助于侦测以战术数据链通连的隐身战机。一般而言,现代俄制战术战机的RWR(雷达预警接收器)探测频率下限为1.2GHz.西方系统则为2GHz(升级后才能下探至0.5GHz).因此Link-16、JTIDS相当于“静默”的。然而.AFAR-L的操作波段正好涵盖Link-16、JTIDS的工作范围,因此除非后两者的信号复杂到AFAR-L无法解读,否则以这类数据链通信中的隐身战机将可能被AFAR-L发现甚至定位。需注意,现代雷达预警接收器早已发展成电子情报系统,即使收到的信号是“不认识的”也都会记录下来以供日后研究,因此除非Link-16、JTIDS的信号特殊到让AFAR-L误以为是杂波,否则应难逃被侦测的命运。同时,未来也不能排除AFAR-L对战术数据链进行干扰的可能。此外,如前文所述,由AFAR-L对1-1.5GHz的高定位精度可推测其在未来可能支持对此一波段的反辐射硬杀伤技术。
  在作为主动探测与火控系统方面.AFAR-L的频率范围只有一部分在俄制RWR侦测范围内(1.2-1.5GHz).而完全在西方升级前的主流RWR探测范围(大于2GHz)外。因此,在以AFAR-L侦测目标时,绝大多数战机将无法察觉,相当于“隐形波段”。
  主动探测距离估算
  AFAR-L的主动探测距离并未公布,不过总结现有的数据已足以进行数量级计算。在估计AFAR-L的探测距离之前,必须先对阵列天线的物理特性有基本的认识。有别于最早的抛物面天线是以反射面将发散的雷达波聚焦,阵列式天线应用了光学中的“多狭缝干涉”原理。每一个天线单元相当于一个点波源,不同天线发出的波发生干涉而产生集束现象。多狭缝干涉公式相当复杂,但从中可以找出几个最关键的参数:波长一孔径比、波源间距、波源数目。波源间距决定干涉后的峰值数目,当其小于波长时便只存在中央峰值,因此阵列天线单元间距总会小于波长。“波长一孔径比”决定波束宽,比值越小则波束越窄。波源数越多则主轴相对强度越强,且其影响甚至比单纯加强功率更为剧烈,例如在固定距离下10瓦波源的辐射强度是1瓦的10倍,若改成10个1瓦的波源,则尽管总功率还是10瓦,但主轴强度却达1瓦时的100倍。有了以上概念便可轻易通过对比法估算出AFAR-L的探测距离。以下以12单元版本的AFAR-L与AFAR-X、lrbis-E交叉比较后进行计算。   在主轴上.lx12阵列的辐射强度为12 x12阵列的1/144,而AFAR-L天线单元功率为AFAR-X的200/12,故lx12的AFAR-L主轴方向强度为12x12的AFAR-X的0.11倍,换算探测距离约0.58倍。
  对AESA天线而言,口径增为n倍,功率增为nz倍,主波束立体角减为1/n2倍,即主轴强度增为n4倍,探测距离于是与口径成正比,或与天线单元数的平方根成正比。依现有数据.AFAR-X主动相控阵雷达天线单元的峰值发射功率10-12瓦,能量效率30%.天线总数约1526个,据此计算峰值功率约15-18.5千瓦,小于lrbis-E的20千瓦。但考虑PESA雷达有传输损耗而AESA雷达几乎没有,则lrbis-E真正发射出去的功率约是16-18千瓦(假设传输损耗为10%-20%),即在处理能力相同的情况下探测距离相当。由此估计AFAR-X对RCS=1平方米目标的探测距离约300千米,12x12数组的AFAR-X探测距离则降为92千米。
  由此得知AFAR-L对RCS-1平方米目标的探测距离约53千米。这项推论(50-70千米)也获得Tikhmirov-NIIP资深专家的认同。除此之外,知名的”澳洲空中武力”网站的雷达专家也发表了对AFAR-L的分析文章,据其计算12单元版本的AFAR-L对RCS-1平方米目标的探测距离至少达73千米,甚至可能达90千米或110千米。即使只取笔者粗估的53千米计算,对空空导弹探测距离也约在15千米,故AFAR-L也具有最后阶段的导弹预警能力。
  值得注意的是,笔者的估计是由物理特性模拟得来,该网站专家的估计则是由更精确的无线电技术知识而来,两种不同的估计方式最后得到相当接近的结果,可说是互相间接证实。此外,笔者的估计值比该网站估计的下限略低也是可预料的:在笔者所用的估计模型中.AFAR-L被考虑为理想的“线波源”,其传递特性是朝±90度均匀散开因而在垂直方向上完全没有指向性。然而AFAR-L毕竟是真实天线,有限尺寸的天线使雷达波传递范围小于±90度,即在垂直方向仍有一定的指向性,特别是在特殊设计的波导管甚至天线罩的影响下,指向性可以进一步提高。所以真正的探测距离会比笔者估计的更大,例如若实际发散角为±60度、±45度、±30度时探测距离会比笔者估计的多出10%、18%、31%.换算后在58-70千米之间,基本上已与该网站估计值相同。本文取用笔者估计的下限是为了探索苏-35BM与T-50的积极反隐身距离下限。
  对于这种线性AESA而言,天线单元数变为n倍,则总功率与口径都变为n倍,相当于波束强度变为n2倍,故探测距离变为倍。因此16单元版本的主动探测距离(被动探测距离较无影响)会比12单元版本提升约15%。例如若12单元版本的探测距离在53-70千米,则16单元版会在60-80千米。
  探测隐身目标的可能性
  接下来的问题是,隐身目标对L波段的RCS几何?虽然这个问题相当复杂,但仍可用简单方法得到其数量级。当物体的尺寸远大于雷达波长时.RCS与波长无关,回波遵守反射定律,即RCS由外形决定。当物体尺寸与波长相当或略大于波长时,因为绕射等关系.RCS随波长而变,忽大忽小,甚至有RCS达到横截面积数倍的状况(球状物体)。对于波长在20-30厘米左右的L波段而言,战机绝大多数部位的尺寸都远大于波长,因此隐身外形依然有效,对于理想的隐身外形而言,可以假定这些部位造成的RCS为O。但飞机的边缘就有尺寸或曲率半径与L波段波长同级(波长的1/10-10倍)的部分,例如机翼边缘等,因此这些地方的横截面积可能就是飞机对L波段的RCS的量级。以双发重型战机而言,主翼与垂尾的前缘横截面积便在1-5平方米,取1平方米计求得AFAR-L的探测距离约53千米。接着考虑吸波涂料的使用,大部分吸波涂料据称都能将RCS减至原来的1/10,有的甚至达到1/100。这些数据主要是对X波段而言,但假设也有类似的用于L波段的涂料,则AFAR-L的探测距离降至约30千米或17千米。
  以上估计非常粗略,仍有很大的修正弹性。RCS也与表面的曲率半径有关,若战机某部分的表面曲率半径相当于L波段波长,其RCS也会有放大作用(但如果边缘都设计成尖锐状,当然L波段RCS也可以很小,但那样一来气动效率可能会降低而尖锐边缘却又刚好与X波段隐身相冲突)。以上仅计算边缘部分所造成的L波段RCS其实只适用于非常理想的隐身外形设计,且1平方米又是取前缘截面积下限,故隐身战机对L波段的RCS实际上可能更大。另外在吸波涂料的性能方面,以上估计考虑了吸收90%与99%的涂料的影响,分别求得约30千米与17千米。然而实际上以当代隐身技术而言,一般不具备隐身外形的飞机在小幅修改外形与使用涂料的情况下RCS也只能降低至原来的1/10,再者,前缘襟翼之类的地方可能设置波长与L波段相近的VHF通信天线等,故在这种地方使用吸收能力绝佳的吸波涂料恐有影响自身性能之虑,因此在实际因素的考虑下,应可假设隐身战机在边缘部分对L波段只有90%吸收率。因此在一消(吸波涂料)一长(实际上应有更大的RCS)之下,可用RCS-1平方米作为采用吸波涂料后的RCS概略值。如果再考虑笔者估计的探测能力实乃下限,实际上仍有十至数十百分比的上修空间,与目标RCS降低90%减少的探测距离幅度相当,则可以推断“隐身飞机RCS=1平方米.AFAR-L对其探测距离53千米”的估计大约在各种影响下的平衡点附近,是相当值得参考的数据。
  尽管以上估计有非常大的修正空间,但从中可知,即使对于具有完美隐身外形设计而能将X波段RCS降至O的隐身战机,其边缘绕射效应仍使得AFAR-L可望在中距空空导弹的有效射程附近发现之。相比之下,F-22据称可让X波段雷达对其探测距离降至视距内。据此粗略估计,以AFAR-L测距来支持OLS-35并进行40千米以上的视距外火控具备可能性,而以AFAR-L自行取得火控数据的操作距离甚至可望达到50千米以上。   值得继续追踪的是,本文探讨的AFAR-L之特性仍不是同类系统的极限。例如莫斯科航展上展出的成品有12个收发单元,总口径约2米,这在前缘襟翼只占很小的部分因此理论上总口径可以做得更大,那样就可以进一步提高精度与探测距离。例如,若采用16单元版本,则探测距离与方位精度可再分别提升15%与30%。此外,同一公司还有发射功率500瓦的L波段发射单元,以这种组件建造约2米×2米左右的防空雷达,对RCS=1平方米目标的探测距离将可达230千米,并拥有小型X波段雷达精度,可能会是很有效的反隐身火控雷达。2009年莫斯科航展上展出的”反抗者”(Protivnik)雷达便是一种尺寸略大于2米×2米的L波段雷达,其不但拥有数百公里的探测距离,而且精确度高于0.5度。这种雷达机动性相当高,与X波段雷达一样天线向下一“盖”便可机动。至此可窥见俄制机动型反隐身火控雷达其实已悄悄问世。
  AFAR-L在T-50与苏-35BM上的运用状况
  AFAR-L最早在2007年莫斯科航展上展出,当时Tikhmirov-NIIP的参展人员便表示这是给苏-35BM使用的。直到2009年莫斯科航展,Tikhmirov-NIIP参展人员仍表示,lrbis-E上没有敌我识别天线的干扰,其功能已由AFAR-L达成。然而2010年.Tikhmirov-NIIP总经理尤里·贝利在访谈中指出,苏霍伊方面尚未提供AFAR-L的天线罩外形参数,因此仍无法做进一步的测试。
  2011年莫斯科航展上的苏-35BM902号机的前缘襟翼天线布局与之前相比有重大变化,其天线布置与苏-35S相同。902号机的主翼最内侧有一段相当长的天线罩,外形正好与航展上公开的AFAR-L天线罩相符。因此俄军苏-35S不无可能率先采用AFAR-L。
  T-50的主翼内侧与进气道可动前缘都有很长的天线罩,其中进气道可动前缘上的天线罩也与AFAR-L相符。另一组天线罩(主翼内侧者)虽与展出的AFAR-L不同,但长度却类似,有可能是另一种无线电设备,或是另一组AFAR-L。
  总结
  AFAR-L的波段与指向性特性,使其刚好适合破解隐身外形设计与绝大多数主流的高速通信系统。其除了能胜任远距敌我识别功能外,在对敌方数据链的被动侦测甚至对隐身目标的主动侦测方面也具有不可忽视的潜力,可以说是俄制第四代战机反隐身系统中的重要一环。
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