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    中华神盾20年来几大谜团:S波段和C波段两派为何吵架

    2016年2月29日 来源: 雷曼军事现代舰船

    这几天,网络上广泛传播的一篇中华神盾设计者所写的回忆文章,这篇文章对为什么研制中华神盾,为什么大部分舰载相控阵雷达系统是S波段,相控阵和防空导弹是如何匹配的问题进行了通俗的科普回答,雷小曼特地将这几个问题整理出来,供大家参考,原文用粗体标识。

    原文最早发表于某论坛,后被微博等媒介广泛转载。

    本文源自发表于微博的一篇文章,标题为“关于052C舰载相控阵雷达背后的故事”,地址为http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309403947493393103923

    1 为什么要研制中华神盾?

    海军高层很早就对作用距离远的相控阵雷达价值有清晰认识,贺鹏飞部长曾对设计人员提出殷勤期望:

    “看 看我们的舰载雷达,作用距离才几十公里,而台湾,日本的舰载雷达,作用距离都有200-300公里。我们怎么与他们打?现代战争是视距以外的战争,我们还 没看到他们就被他们消灭了。 我们怎么能够解放台湾?非常希望你们这些设计师们能给我们研制出先进的舰载相控阵雷达,提高海军的战斗力。”

    2为什么052B没和052C一样使用宙斯盾?

    “舰载相控阵迟迟定不下来,国防部又要有相控阵的舰艇,没办法,只能采用过度的办法,先引进俄国的背对背相控阵雷达,将它装到052B舰上。”

    这种雷达我们都知道就是顶板,顶板是苏联海军在冷战后期研制的成熟型号,当时已经列装,引进这种装备肯定可以迅速形成战斗力。

    为什么不能等国产相控阵定下来再造?因为形势所逼,大家着急了。着急的根源是96年台海危机期间发生的事情。

    “为 了打击台独气焰, 向台湾附近的海域发射了4枚导弹。结果,两枚打到了指定的海域,两枚打得却不知到了哪里。”不能掌握弹着点信息,无论军事斗争还是外交斗争都可能闹出大乱 子,这是完全无法接受的,所以中国必须要“有制导的相控阵雷达”。按当时的情况,“唯一的办法就是先引进,同时再造自己的雷达”。

    救急归救急,大家对顶板还是有清晰认识的,“它的最大缺点是数据率低。原因是它是由两个背对背差分阵面组成,靠水平旋转来获取数据。故此这种雷达是无法真正适应多弹互打的海战的。但有总比没有要好。”

    3为什么中华神盾选择S波段

    美国的AN/SPY-1雷达采用S波段,如果中华神盾也采用此波段,按照装舰“允许的阵面面积(4米宽x 4米高),搜索距离应该可以达到300公里”。

    海军“最初提的雷达距离指标也就是200公里, 那是按照航天部的C波段方案,结合海红旗-9 (简称海红-9 或HH-9)导弹的制导要求”,同时考虑装舰时“对雷达的重量,高度及阵面面积限制,及国内的材料与工艺水平和条件等提出的。”

    相控阵设计是项非常艰难的工作。

    “舰 载相控阵雷达是4个面阵同时三维多功能工作(每个面阵都要保证在仰角0-90度,方位+/-120度无漏警搜索的情况下完成多目标截获与跟踪,同时还要考 虑舰的+/-20度的摇摆情况,以及对HH-9导弹的导引等特殊工作模式)。只要任何一点有欠考虑,打仗时,对舰艇而言,就是毁灭性的灾难”

    中华神盾由一个S-波段相控阵主阵面加上一个小小的C-波段的HH-9信标应答阵面组成,S波段无法进行指导,因此必须加上那个小的C波段阵面。

    3.5 这就有了一个问题:干嘛不直接让整个雷达用C波段呢?

    首先,C波段作用距离不足,“S波段雷达在任何情况下,都能保证320公里以上搜索覆盖距离 (而且除+/-60度低角保证320KM外, 其余范围都在350KM以上,中心甚至达到375KM左右)”而“C-波段雷达,搜索覆盖距离在大部分情况下,不到120公里,根本无法满足军方的指标要求。”

    有人说“S-波段比C-波段的波长长, 因此低角跟踪性能不如C-波段好。

    那么舰上的“C-波段雷达只管跟踪,搜索任务由另外的雷达来担任”,这样如何?

    这方案非常不怎么样。

    “就 抗海浪杂波而言,C-波段对S-波段只是五十步笑百步。因为S-波段的波长是10公分,C-波段的波长是5公分, 两个在同一数量级上,只是C-波段的波长略短一点而已。更重要的是S-波段雷达采用的是固态有源阵,雷达中心高度会比C-波段的集中发射加波导的阵面中心 要高(因为波导阵面太重,放高了,舰要翻,只能放低),对低角跟踪性能提高是有好处的。”也就是说C波段低角跟踪性能并不会好。”

    “这种方案是明显不适和装舰的,理由是:

    1)052舰的发动机(乌克兰的)决定了舰的吨位,也限制了每个相控阵阵面的重量不可以超过4吨。但是C-波段相控阵雷达只能采用集中式发射机,阵面将必然由铜波导组成。因此阵面重量将会远远超过4吨;

    2)由于C-波段阵面口径小而且重量又重,装舰时,若将阵面装高,会引起052舰队重心不稳,碰上风浪,或舰急转弯时,舰会翻掉。若将它装低,舰的重心是稳的,但由于舰上还有其他设备,必然会被遮挡,低角目标根本看不到;

    3)搜索任务若由另外的雷达完成,那么舰上就又多了个设备。052舰本来就动力有限,多个设备就又多了份重量。而且搜索雷达的阵面不会小,必然会增加风阻。这对舰的速度将带来较大影响(052舰要求在大风浪情况下,撤退速度要能达到29节);

    4)搜索雷达和跟踪雷达分开,数据交换实时性会受很大影响,在舰摇摆时,会引起目标丢失。这就是为什么美国的导弹驱逐舰一定采要用多功能相控阵的一个重要理由。”

    实际上,S波段和C波段搭配才是完美系统,C波段的作用非常重要,阵面小了也无法完成制导任务,大了则会影响舰艇的重量限制和稳性。

    中国神盾的设计者最终巧妙解决了阵面布置问题,“高 和宽各是4米的S-波段八角阵面,在S阵面上下各画有一0.2米宽4米长的长条,这两个长条都可被用来安装C-波段应答天线,选用哪条关键是看有没有遮 挡。假定就用上边那一长条,其天线面积约有0.8平方米。这比原来放在S-波段八角阵右下角的C-波段应答天线的面积(直径约0.6米,面积只有约0.3 平方米)大了2.5倍多。如果S-波段八角阵面的中心再可被允许或上或下移动0.1米,那么C-波段天线的面积还可以大。这样,HH-9导弹上信标信号弱 的接收问题就解决了。因为C天线面积增大后,增益也就大了,自然就可接收弱信号了。”

    “虽然长条C-波段天线放在一边不一定好看(不对称),但管用。反正将来S-波段和C-波段天线都是用一个天线罩罩着的,谁也不知道里面天线是怎么安排的。”

    4 T/R组件是相控阵雷达的核心,突破不易

    “T/R组件就是收发组件(T- Transmitter,R- Receiver), 每个组件包括天线,发射模块,接收模块,环流器,收发开关,和移相器等。可以说每个T/R组件就是一个小雷达。”

    “T/R 组件是固态有源阵的关键部件。“固态”就是发射管是固态晶体管(寿命长,可靠性高),“有源阵”就是发射管在阵面上(发射损耗小,效率高)。采用T/R组 件的方式,不仅大大降低了收发损耗和提高了功率有效性,而且也大大提高了阵面的可靠性和可维护性。是目前世界上最先进的雷达技术。”

    固态有源阵这种最先进的相控阵方案的特点是:

    1)能量有效率最高(发射效率和接收效率都高);

    2)阵面可靠性高。个别单元坏了, 阵面照样能正常工作;

    3)单元可更换性好。 某个单元坏了,只要将对应的T/R组件换掉即可。”

    然而, T/R组件的研制并不容易。 中华神盾采用是S-波段,“要求T/R的体积组件的体积更小(因为按天线理论,要形成波束,天线单元间隔要求在半波长附近);重量更轻;各单元之间的干扰隔离能力更强。”

    为了减体积降重量,采用了4个单元做在一起的4单元T/R组件方案。“按 波长要求,必须在20cm宽,5cm厚, 45cm长的体积内,并排放入4个各自能独立工作的T/R组件单元。由于4个单元满功率工作时最大功率达到近100W,就带来了散热,重量,相互之间的各 种物理干扰等搅在了一体的难题。同时大功率发射, 不仅带来了发射管可靠性和自激的问题,同时收发开关和环流器隔离度要求也大大提高。”

    最终T/R组件完成研制,“不论是电讯指标,结构指标,还是电磁兼容性等指标不光是全面满足了雷达总体要求,是国内一流的,达到了国际先进水平(4单元T/R组件于1994年获得了国家电子工业部科技进步二等奖)。”

    5 中华神盾为什么是大波形的?

    那是为了解决散热问题,中华神盾设计采用“阵面通风散热”,“采用玻璃钢天线罩形成静压风道循环的风冷方式,”“其他方式(如液冷)就舰艇而言困难更大”。

    但这种设计仍然可能存在问题,具体来说:

    “1)052C装相控阵的舰墙不够高。虽然阵面也装在了基本是45度的测面,但舰的栏杆会对低角有影响,特别是在舰的中轴线上,设备很多,对雷达的低角能力影响就更大;

    2) 采用天线罩的回流通风方式。这种方案有两个问题:一大一小。大问题是万一打仗时,天线罩给打出个大窟窿(小洞还影响不大),那么风道就彻底破坏了,即便有 源阵没坏(或部分坏,但还可工作),由于阵面发热,当时就不得不停止工作。小问题是阵面中间的T/R组件最多,为了加大静压通风风力,天线罩必然要中间鼓 起来,除了不好看外,也增加了天线罩受攻击的概率。”

    对于第一点问题“只有指望将来舰艇的动力有了解决方案,舰自然就会造高造大,低角遮挡问题也自然解决”。按照设计师回忆,第二个问题,暂时没有好办法解决。不过从中华神盾后续舰的外观,我们可以注意到大波没了,这说明散热问题已经得到很大程度解决了。

    6 航母的武备设计是围绕相控阵雷达展开的

    “理由是相控阵雷达是航母的眼睛,武备设计要很大程度根据相控阵雷达的性能和要求来进行配置。”

    八五期间,海军曾“设想是希望造出一艘类似于美国“小鹰”号的航母。当时的大致预算是144亿(这在当时绝对是个天文数字!因为我们052C舰载相控阵的当时预算也就是2.1亿)。”

    至于中华神盾,设计师回忆到“舰载052C舰载相控阵雷达由电子部14研制,雷达正式型号为H/LJG346,经费由2.1亿增加到2.8亿。”

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