机载雷达和电子扫描革命

文摘   2024-11-03 07:49   贵州  

几十年来,大多数陆地、海洋和机载雷达的主要特性之一是使用移动天线。需要机械运动来勘测地形、海洋或天空区域,或者将雷达引导至特定目标。

对于机载雷达,这种移动天线要么安装在天线罩中,要么安装在缓慢转动的旋转球罩中。尽管许多现代机载雷达仍然保留这种类型的天线,但代表最新技术的设计使用能够形成和控制雷达波束的电子扫描阵列。

机械扫描雷达的高功率发射器和接收器部分通过波导或类似的馈电系统连接到天线,这些馈电系统包含某种形式的柔性部分,以允许天线移动。当发射器输出传输到天线时,这种技术会施加信号损耗,而当接收信号从天线传输到雷达接收器时,会进一步损耗。

该图显示了电子扫描雷达(如 GRIPEN JAS-39 E/F 的 ES-05 Mk 5)相对于传统机械扫描雷达的优势。(图示:Saab)

以模块阵列的形式构建天线可以让波束以电子方式控制。起初,这是通过创建一个连接到传统发射器和接收器子系统的无源扫描阵列来实现的。但是,使用无源电子扫描阵列 (PESA) 技术的雷达仍然存在信号损失,并面临传统上与高功率发射机相关的可靠性问题。
在 PESA 阵列中,模块的主要功能是产生创建光束所需的相位延迟。在有源电子扫描阵列 (AESA) 中,每个发射/接收 (TR) 模块都处理其能量产生和接收功能,从而消除了信号进出天线造成的信号损失。

在某些情况下,AESA 雷达是“从头开始”设计的全新项目,但另一种方法是用新的 AESA 硬件替换现有雷达的天线、发射和接收部分,但保留处理接收信号的“后端”子系统。

电子扫描天线的一个潜在问题是,它们可能充当反射面,从而增加战斗机的雷达横截面。一种解决方案是将阵列倾斜定位,但由于电子扫描阵列对离视线目标的性能较低,因此雷达对从正前方接近的目标的性能会下降。一些雷达,如 CAPTOR-E(在欧洲战斗机 TYPHOON 上)和 ES-05 Mk 5(在 JAS 39 GRIPEN E/F 上)安装在重新定位机构上,该机构可以将阵列转向感兴趣的区域,包括远离飞机中心线的大角度。

AN/APG 雷达

第一批拥有 AESA 雷达的作战战斗机是 1999 年底部署在埃尔门多夫空军基地的一批 16 架 F-15C。它们配备了雷神 AN/APG-63(V)2,这是一种天线有 1,000 多个 T/R 模块的雷达,其性能与 AIM-120 中程空对空导弹的能力更匹配。它还提供了非合作目标识别 (NCTR) 功能。

通过使用为 AN/APG-79 开发的改进型 T/R 模块,加上新的阵列电源,后续的 AN/APG-63(V)3 雷达可以比 (V)2 更轻。系统开发始于 2008 年,(V)3 现已在一些美国空军和空军国民警卫队 (ANG) 的 F-15 上服役。其他用户包括沙特阿拉伯和新加坡。(V)3 也将用于卡塔尔订购将于 2022 年交付的 F-15QA 战斗机。

洛克希德马丁 F-22 搭载的诺斯罗普·格鲁曼/雷神 AN/APG-77 基于具有 1,500 个 T/R 模块的天线阵列,使用主机飞机的计算机硬件,而不是专用的雷达安装 LRU 来实现其信号和数据处理功能。该雷达仅具有空对空模式,但 SAR 和 MTI 空对地模式是由 Lot 77 飞机上的 AN/AGP-77(V)1 雷达引入的。

F/A-18E/F 超级大黄蜂最初交付的是机械扫描的雷神 AN/APG-73 多模雷达,但该飞机的 Block 2 版本引入了增强型前机身 (EFF),旨在容纳雷神公司的 AN/APG-79,它使用由 1,100 个 T/R 模块组成的 AESA 阵列。-79 在比 AN/APG-73 更宽的带宽上工作,具有高水平的频率捷变。2005 年宣布的 AN/APG-79(V)X 版本旨在与 F-18C 和 -18D 兼容,可用于升级这些旧飞机。它具有更大的空对空航程,可从飞机的原始 AN/APG-65 获得,并且可以同时处理空对空和空对地任务。

2014 年,Raytheon 宣布推出 AN/APG-79(V)4。该版本具有较小直径的 AESA 阵列与旧型号 F-18 的机头兼容,但保留了全规格雷达的成熟“后端”。飞行测试于 2015 年结束,并于 2019 年获得在美国海军陆战队的 F/A-18C/D 战斗机上安装 (V)4 的合同。

为阿拉伯联合酋长国开发的 F-16E(单座)和 F-16F(双座)DESERT FALCON 版本的飞机配备了诺斯罗普·格鲁曼公司 AN/APG-80 AESA 雷达。据 Northrop Grumman 称,与机械扫描雷达相比,这种雷达的探测范围要大得多,可靠性提高了两倍。

用于 F-35 的诺斯罗普·格鲁曼 AN/APG-81 双模雷达是包括诺斯罗普/洛克希德光电瞄准系统 (EOTS) 在内的集成传感器套件的一部分。其集成的射频系统/多功能机头阵列具有 1,200 个 T/R 模块,并充当多功能孔径 (MFA),可处理传统的空对空和空对地雷达功能,以及一整套电子战功能。后者可能是战斗机搭载雷达被赋予电子攻击功能的第一个例子。

AN/APG-63 的彻底现代化导致了基于 AESA 的配置,最初称为 AN/APG-63(V)4,但随后重新命名为 AN/APG-82。预计将取代美国空军 F-15E 现有的 AN/APG-70 雷达,它将 AN/APG-63(V)3 的天线和电源与雷达接收器/激励器和基于 AN/APG-79 使用的类似硬件的通用集成传感器处理器相结合。新的雷达频率可调谐滤波器旨在允许飞机同时操作其雷达和电子战系统,并且雷达应允许一些空对空和空对地雷达模式几乎同时交织。

可扩展波束雷达

为印度 TEJAS 飞机开发的 UTTAM 雷达有源天线阵列单元 (AAAU) 在 2019 年印度航空展上首次展出。(照片:通过作者)

诺斯罗普·格鲁曼公司的 AN/APG-83 可扩展敏捷波束雷达 (SABR) 着眼于 F-16 改装市场推出,旨在与 F-16 的现有电气和物理接口以及飞机的现有功率和冷却能力水平兼容。

2013 年,该雷达被选为美国空军和台湾的 F-16 进行改装,2015 年被新加坡选为计划的 F-16 升级。2017 年,该雷达被选为希腊 F-16 升级到 Block V 配置的一部分,巴林宣布 AN/APG-83 将作为 Block V 升级的一部分改装到其 F-16 机队中,并安装在一批同样正在采购的新建 Block V 飞机上。2017 年 5 月授予了一份价值 244M 美元的合同,将 AN/APG-83 改装为 72 架美国 ANG F-16

雷神 AN/APG-84 高级战斗雷达 (RACR) 旨在作为 F-16 和 F/A-18 的直接升级。为了使该装置与现有的机载电源和冷却系统兼容,其天线 T/R 模块由液-气热交换器而不是传统的液冷系统冷却。2013 年,AN/APG-84 被韩国选为其 F-16 机队进行改装,但由于成本上升,最终订单于次年被取消。

CAPTOR-E 雷达

在欧洲 AMSAR(机载多用途固态有源阵列雷达)计划下探索了 AESA 技术后,Euroradar 联盟开发了 CAPTOR-E 雷达,它将 AESA 天线和前端与早期 ECR-90 CAPTOR-M 机械扫描雷达的后端相结合,该雷达是为欧洲战斗机台风开发的。直径约为 600 毫米的天线由大约 1,400 个液冷 T/R 模块组成。它安装在万向节重新定位系统上,能够将阵列指向较宽的离轴角度。2014 年签订了 CAPTOR-E 最后开发和集成阶段的合同。新雷达将在飞机的第 3 批生产阶段推出。

德国和西班牙已同意资助开发改进的 AESA 雷达,用于各自的台风舰队。这将涉及新的硬件,包括数字多通道接收器和重新设计的天线 T/R 模块。该项目将由 Hensoldt 领导的西班牙-德国工业财团实施。

当达索 RAFALE 于 2001 年投入使用时,它配备了泰雷兹 RBE2(Radar à Bayalage Electronique deux plans)。这使用了被动的电子扫描阵列,但AESA的研发工作在2002年就开始了。由此产生的 RBE2-AA 的飞行测试最初使用美国制造的 T/R 模块,直到泰雷兹开发的硬件可用。

N011 BARS 雷达最初使用机械扫描天线,但这个后续版本使用了 PESA 技术。(照片:Irkut)

RBE2 AESA 的基本版本于 2013 年投入使用,次年,法国采购机构 DGA 签订了后来成为 RAFALE F3R 标准的合同。此版本将具有针对飞往法国、埃及、印度和卡塔尔的飞机的雷达的改进变体。RBE2 的生产预计将持续到 2020 年,如果 RAFALE 有更多订单,可能会延长生产时间。
莱昂纳多的 GRIFO-E 是一个相对较新的产品。该雷达于 2018 年发布,目前处于开发阶段,预计将于 2021 年结束。它由一个基于 AESA 的天线和大约 600 个基于氮化镓技术(而不是更常见的砷化镓)的 T/R 模块和两个子组件组成——一个接收器/激励器/处理器和一个电源。

目前萨博 JAS39 GRIPEN 的 PS-05 Mk 4 雷达使用机械扫描天线,但萨博电子防御系统公司已经为 GRIPEN JAS-39 E/F 以及未来的 GRIPEN 升级开发了 ES-05 Mk 5 AESA 雷达。基于氮化镓技术,这也借鉴了早期 Not Only a RAdar (NORA) 示范计划的经验。

IAI / Elta Systems EL/M-2052 是以色列开发的第一台用于战斗机的 AESA 雷达。2006 年,在波音 737 测试台上开始了飞行试验。天线阵列中的 T/R 模块被封装成“砖块”,每个模块由 24 个模块组成。这种配置允许创建天线阵列,该阵列由飞机机头中可以容纳的最大数量的 “砖 ”组成。这使得为新建或改造应用重新配置雷达变得相对容易。

2015 年,Elta 和印度斯坦航空有限公司 (HAL) 签署了一项协议,开发 EL/M-2052 的改进版本,用于 HAL 的 TEJAS 轻型战斗机。到 2017 年,一架 EL/M-2052 在印度空军的 Jaguar 攻击战斗机上飞行,这是为印度大约一半的 JAGUAR 机队改装雷达的计划的一部分。次年,据报道,为 TEJAS 1A 供应进口和本地制造的雷达的合同。

对于计划中的 HAL TEJAS Mk2 战斗机,LRDE India 正在开发 UTTAM 多模 AESA 雷达。这将与其他传感器(包括红外搜索和跟踪装置以及导弹接近警告系统)配合使用,以创建一个数据融合系统。

俄罗斯的发展

早期俄罗斯战斗机的电子扫描雷达,例如用于 MiG-31 FOXHOUND 的 V Tikhomirov 仪器设计科学研究所 (NIIP) N007 ZASLON PESA 雷达使用了 PESA 技术。从 ZASLON 开发中获得的经验使该组织能够将 PESA 阵列用于印度 Su-30MKI 采用的 N011M 杆。第一台使用 AESA 天线的俄罗斯雷达可能是 2005 年首次展示的 Phazotron Zhuk-AE。

俄罗斯最先进的 AESA 雷达是 NIIP 为苏霍伊 Su-57 PAK FA 战斗机开发的 Sh-121。主要的前瞻性阵列是基于砷化镓 T/R 模块的 N038 X 波段天线。侧翼安装的辅助阵列用于扩展方位平面的角度覆盖范围,而至少还有一个阵列提供向后覆盖,可能允许“过肩”导弹交战。飞机机翼前缘内置的 L 波段阵列的功能尚不清楚。它们可能具有 IFF 功能,或者可能旨在提供针对低可观察性飞机的有限能力。

南京电子技术研究院 (NRIET) KLJ-7 有时被称为 1478 型,使用机械转向平面阵列天线,专为 JF-17 战斗机而开发,而 KLJ-7V2 是据报道由 JF-17 Block 2 携带的更高功率型号。后续的 KLJ-7A 使用单个机械转向 AESA(该版本被认为适用于 JF-17 Block-3)或一个正面天线和 2 个横向阵列。两种型号的 KLJ-7A 都具有边扫描边跟踪功能。

这些 WEDGETAIL 机载预警和控制飞机已交付给澳大利亚,但该型号现已在土耳其和韩国服役,并已由英国订购。(照片:波音)

美国空军和海军率先提出了机载预警 (AEW) 飞机的概念,因此,波音 E-3 和诺斯罗普·格鲁曼 E-2 鹰眼与机械扫描雷达一起投入使用。然而,E-2D 高级鹰眼引入了 AN/APY-9 雷达,其天线在仰角上进行电子扫描,并结合使用机械和无源电子扫描来实现方位角覆盖。

当澳大利亚在 1995 年发布对下一代 AEW 飞机的要求时,波音公司以其 737 AEW&C 双引擎机载预警和控制飞机作为回应。被选为E-7A WEDGETAIL进入澳大利亚服役,该雷达搭载诺斯罗普·格鲁曼电子系统公司L波段多用途电子扫描阵列(MESA)雷达。它使用安装在机身顶部背鳍中的 7.3m x 2.7m AESA 阵列,在飞机两侧提供 120 度覆盖,而“顶帽”支撑阵列覆盖面向前后的 60 度扇区。除了用作雷达传感器外,这些阵列还可以用于无源 elint 角色。

技术问题使飞机的首次亮相推迟了三年。2009 年开始交付,并于 2012 年 11 月实现初始运营能力。土耳其是第一个出口客户,在 2015 年底收到了一批四家出口中的最后一个。韩国订购了 4 辆,并于 2011-12 年收到了这些。英国在 2019 年订购了 5 辆,交付将于 2026 年结束。

在接收其最后一架 SENTINEL R1 ASTOR 飞机仅一年后,英国宣布该机型将停止服役。它的提前退役后来被推迟到 2021 年,但国防资金短缺意味着英国将无法支付更长使用寿命的运营成本,更不用说中期升级了。(照片:英国国防部)

俄罗斯的 E-3 SENTRY 相当于 BERIEV A-50 AEW 飞机。它使用在 S 波段工作的脉冲多普勒 SHMEL 雷达。该天线安装在背侧安装的旋转穹顶中,在方位角上使用机械扫描,在仰角上使用电子扫描。升级后的 SHMEL-M 随后作为 A-50U 升级的一部分被开发出来。据报道,为第二代 A-50 变体开发的 SHMEL-2 版本与美国 APY-1/2 雷达系统的性能相匹配。基于 AESA 的 SHMEL 雷达新版本正在为 Ilyushin A-100 开发,Ilyushin A-100 是 PS-90 发动机 II-476 运输机的 AEW 变体。

在 S 波段运行的双面平板 AESA 阵列构成了萨博电子防御系统 Erieye PS890 背装雷达的基础,该雷达搭载瑞典空军萨博 S-100B AEW 飞机。来自飞机的数据被下行传输到瑞典的防空系统。巴西的 EMB-145SA AEW 飞机也携带 ERIEYE 雷达。为基于 Saab GlobalEye Bombardier Global 6000 公务机的 ISR 平台开发了一种增程 ERIEYE ER 雷达。据报道,这比早期版本的 70 公里续航里程增加了 250%。

Elta Systems 制造了一系列基于平板阵列的 AEW 雷达。已知至少存在三种变体。EL/M-2075 是智利在其波音 707-385C CONDOR 上使用的第一代系统。它有三个 L 波段 AESA 阵列——一个在飞机的机头,一个在前机身的另一侧。这三者协同工作,可提供总共 280 度的方位角覆盖。

对于 EL/M-2085,Elta 选择了基于机头和尾部安装天线罩的更轻配置,带有用于远程检测的 L 波段天线,以及用于更高精度的双侧机身 S 波段天线。该系统安装在以色列和新加坡运营的湾流 G550 平台上,包括处理密集型“探测前跟踪”模式,旨在用于对付隐蔽的低可观察空中目标。在开发用于印度空军 BERIEV A-50Ehl 飞机的 EL/M-2090 时,该公司采用了三个阵列,以三角形配置安装在飞机后机身上方的背旋转罩内。

最低价的 萨博GlobalEye Bombardier Global 6000 使用改进的 ERIEYE ER 雷达。(图示:Saab)

美国空军的 E-8 联合 STARS 地面监视飞机使用 AN/APY-7 X 波段雷达,其天线安装在飞机前机身下方的独木舟整流罩中。波束在方位角上采用电子转向,在仰角处采用机械控制。虽然仍在开发中,但该飞机在 1991 年的沙漠风暴行动和 1995 年的联合奋进行动中投入使用。生产飞机的交付始于 1996 年,该机型已用于支持 1999 年的科索沃战争,然后用于持久自由行动、伊拉克自由行动和新黎明行动。E-8 是使用前航空公司的波音 707 飞机(加上一架军用 707)建造的。2012 年完成的一项研究着眼于潜在的替代品,但美国空军无法提供所需的资金。

目前在英国皇家空军运营的雷神系统有限公司 (RSL) SENTINEL R1 ASTOR 系统基于一支由五架改装的庞巴迪 GLOBAL EXPRESS 飞机组成的机队,该飞机配备了 AESA SAR/MTI 雷达。后者使用安装在机身下方独木舟形结构中的 4.6m 天线阵列。该雷达由三名任务专家组成的团队操作,其生成的数据被传输到专用地面站进行全面分析。

该系统于 2008 年投入使用,最后一架飞机于 2009 年交付。尽管该系统已成功部署以支持阿富汗的作战行动,但在 2010 年,英国政府宣布,尽管 SENTINEL 几乎是新的,但将退出服务。在实践中,需要这种飞机来支持中东和利比亚的作战行动,因此它的提前退役被推迟到 2021 年。

相控阵雷达技术专题技术报告包括相控阵雷达行业报告、相控阵雷达专业书籍、相控阵雷达仿真代码、相控阵雷达设计、相控阵雷达论文、相控阵雷达PPT、相控阵雷达技术理论等书籍+代码等资料300余份文件,来源于国内外多行业的成果,从多维度、多方面、代码+文档的资料。


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系统技术交流
利用目标信息和环境信息,在预定条件下引爆或引燃弹药战斗部装药的控制装置(系统)。根据不同炮弹弹种和对付目标的需要选择不同的引信。爆竹的火药捻子即是最早的引信。
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