為什麼有源相控陣雷達是四代機的標配?

以太創世鏈


本文可能涉及較多技術問題,會有一些晦澀,此外糾正題目中的一個錯誤,根據美中俄最新的戰機劃代方法,文中將F-22、F-35、J-20、蘇-57這一類稱為五代機,F-15、F-16、蘇-27、J-10、鷹獅等稱為四代機(不再做4代半的細分),所以有源相控陣,甚至是無源相控陣雷達不是四代機的標配,到了五代機才標配有源相控陣雷達,但是例如F-15、F-16和歐洲雙風等飛機都有或者已經升級有源相控陣雷達AESA的項目。

上圖為美國F-22戰機使用的AN/APG-77有源相控陣雷達天線。要說為何現役五代機和四代機升級計劃要普遍採用有源相控陣雷達,當然是技術進步的體現和現實性能的需求共同作用的結果。

機載雷達概述

隨著戰爭形態、技術和思想不斷進步,空軍戰機裝備的發展要求也越來越來高,僅說機載雷達這一項,從早期僅需具備簡單對空搜索和測距功能,發展到今天的遠距離發現、大範圍搜索、目標跟蹤與火控、合成孔徑成像、抗干擾甚至電子戰能力的機載雷達性能要求,不僅在技術指標要求與當年不可同日而語,在機載雷達多功能性上,恐怕也是當初人們所想不到的,所以機載雷達從早期的拋物面雷達天線發展到如今的有源相控陣雷達天線,也就是順應了時代的發展潮流而已。

上圖是前蘇聯蘇-15“細嘴瓶”截擊機上安裝的“鷹”機載雷達卡塞格倫天線。

機載雷達的要求和發展

要作為機載雷達使用,要具備以下幾個最基本的技術特徵:首先,為了提高增加測角精度,需要雷達天線具備“窄波束”特點;其次,為了具備較強的抗干擾能力,需要雷達天線具有較低的“副瓣”;最後,為了獲得更遠的探測距離,要求機載雷達天線具備“高增益”特點。


早期的拋物面雷達天線,在當時的技術條件下已經是能夠獲取“窄波束”、“高增益”、“低副瓣”特性的最好機載雷達天線形式。但是,一開始的拋物面雷達都是單反射面天線,這種形式具有體積大、旋轉掃描時佔用過多機頭空間等缺點。

為了解決單反射面(拋物面)雷達的缺陷,人們又發明了卡塞格倫雷達天線,其實就是在機載雷達主拋物面前面增加一個“副反射面”,也稱為“雙反射面”拋物面雷達,如上圖蘇-15戰機雷達天線主拋物面(大弧形面)前面增加一個小反射面(三角架下面的小圓面)。這樣做的技術原理就不說了,篇幅有限,而卡塞格倫天線的優點就是,可以增加雷達的天線的口徑效率,減小雷達的體積,但是這樣引入一個副反射面,會對主天線弧面形成遮擋,對於雷達副瓣和增益有一定影響。

基本上再往後的“倒置卡塞格倫”(倒卡)雷達天線、平面陣列雷達,以致於後來的無源相控陣雷達、有源相控陣雷達(屬於平面陣列雷達的一種)都是為了解決前一代雷達存在的固有缺陷,並隨著技術進步應運而生的。

機載有源相控陣雷達特點和優勢

簡單來說,相控陣雷達與普通的機掃平面陣列天線在外觀上沒有太大區別,只不過是將機掃平面雷達的饋電裝置進行改進,如果加入移相器就變成無源相控陣雷達天線,如果是改為加入TR組件則變成有源相控陣雷達天線。

有源相控陣雷達具備的優點就是以更小的體積獲得更大的發射功率、更靈敏的掃描波束、更低的副瓣、更遠的探測距離,同時在抗干擾和多功能化方面具備獨特的優勢。以F-22使用的AN/APG-77有源相控陣雷達來說,其具備以下功能和特點:

1、遠距離和遠距提示搜索能力;2、多目標跟蹤能力;3、全向中距搜索能力;4、先進中距彈制導修正指令發送能力;5、目標識別和群目標威脅判斷能力;6、氣象探測能力;同時該雷達還具備合成孔徑地圖測繪、擴大工作區和改進目標識別等擴展功能,具備有源相控陣雷達典型的多功能能力,這些是以前的機載雷達無法實現的。至於有源相控陣雷達的性能指標,網上已經多有論述,肯定要比前幾代雷達要好的多。


衛青點兵


是因為三代機雷達和四代機雷達的差異性。

首先你這裡也沒有說明是美國標準的四代機還是俄國標準的四代機,如果以俄國標準來看搭載無源相控陣雷達的也可以是四代機標配,而如果是以美國標準的四代機來說,那麼有源相控陣雷達是四代機的標準配置。

既然你在這裡說的是有源相控陣四代機,那麼我默認你為美國標準的四代機,因為俄國標準中四代機標配不一定是有源相控陣雷達。

自二戰中雷達被髮明以來雷達雖然說精度、多目標、和分辨率大大提升,但是雷達經過這麼多年始終沒有變動的一項就是機械掃描,也就是通過雷達天線的旋轉來實現雷達視野的擴展。但是自從相控陣雷達發明出來之後,可以說對雷達長期依賴的掃描方式實現質的飛躍,雷達的天線發射的雷達波總是中間強兩邊弱的一個扇區,而為了獲取360度視野讓雷達360度選擇,而雷達波隨著旋轉的天線向四周輻射,這樣目標的更新速率就跟旋轉速度有關。

而相控陣摒棄了以往的機械掃描,它採用了移相器實現了電子掃描通過改變波束的方向,可以實現雷達波能量的集中,將有限的雷達波能量集中到威脅較大的目標上,並且由於是點掃描更新速率取決於顯控臺的處理速度。並且由於有源相控陣的每一個RT組件都集成了一個發射單元一個接受單元,所以整部雷達的功率得到非常大的提升,要知道雷達的探測距離影響最大的就是功率。

所以有源相控陣看的更遠、更新速率快、功率更高,所以是新一代戰機的標準配置因為美標四代機要求超級信息感知,如果你還是三代機的雷達你能叫超級信息感知嗎?


李曉偉


作為一個參與設計過相控陣系統的人來說,我可以簡單的回答一下上面的問題。相控陣雷達是現代第五代(之前稱第四代)標配,而且是必不可少的配置。

雷達是作為戰機的眼睛,負責發現和引導攻擊目標,現代空戰已經不是之前的目視作戰方式了,誰先發現誰就佔了先機,獲勝可能性就大一些。所以機載雷達發展很有必要。

普通機載雷達的弊端

不過雷達也有好壞和先進落後之分,老式的戰機雷達一般採用的都是拋物面或者反射面天線,體積龐大不說,探測的範圍還小(探測角度小),距離不遠,探測精度還不高,一開始雷達的天線是固定的,後期天線變小,然後天線可以在一定的角度內轉動,來擴大探測角度。現在來說,這樣的老式雷達落後,但是在當時已經很先進了,畢竟當時戰機還不隱形,目標也大。下圖就是老式的機載雷達,天線很大:

相控陣雷達的優勢

相控陣雷達是美國最先開始研製的,早期的應用場景還是陸地海上預警之類的,後來隨著集成電路的發展,優化後,減少了體積,才開始裝備在飛機上。一經推出,就火了起來,畢竟效果好,各國爭相研製推出自己的機載相控陣雷達。

相控陣雷達簡單的來說,就是成百上千上萬個的雷達組合在一起,每個雷達都能夠獨立工作,擁有自己的天線和TR組件等,每個雷達受中央處理器控制,相控陣雷達是固定不動的,計算機控制相位來控制雷達波束的的方向。下圖就是一個機載相控陣雷達,可以看到密密麻麻排列了許多天線單元,每個天線單元背後就是一個小型雷達:

這裡我們做一個比喻,就是把相控陣裡面的每一個小雷達比喻成我們生活中常見的手電,手電的光就是雷達的波束,一千個手電組合在一起,就是一個相控陣雷達,可以全部打開,也可以部分打開,可以朝著同一個方向照射,也可以分成幾個小組,照射不同方向的不同的目標。即使壞了一些,整體也可以繼續工作。下圖就是相控陣雷達的工作效果圖,同時照射不同目標。

相控陣雷達的優點有很多,總結起來就是遠距離、角度大、高精度、多目標、抗干擾和小型化等特點,當前的世界上所有的五代機,無一例外裝備了相控陣雷達,俄羅斯的蘇57、美國F22和F35,還有我國的J20戰鬥機。其實很多的第四代戰鬥機,也早就已經裝備了相控陣雷達系統,比如F15戰鬥機。

目前限制機載相控陣雷達的一個很重要問題就是天線的佈置,即使是相控陣雷達,它的探測角度也不能實現360度覆蓋,下一步的研究熱點就是使用共形天線,使得天線與機身融合,這樣就能實現360度覆蓋。
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資訊所長


相控陣雷達不一定是四面,一,二,三,四,五,六都行。一面兩面的轉起來,三面就夠用,每個面120度,乘以以3,正合適但。是為了有一點重疊,為了一個多餘度。英國的驅逐艦就是兩面雷達,安在桅杆頂上,需要旋轉。

其實我也有一個問題。相控陣雷達為什麼做成一個平板兒?為什麼不做成一個凸面呢?雷達外觀上看上去像一個凹面。我覺得應該是,電磁波需要聚集,如果做成凸面,就成了發散了,就做成了隱形,這是最不合算的。如果做凹面,範圍會變小。所以,不論探測還是回波都是平板。

至於平板的樣子,中國是正方形,美國是六邊形,還有長方形的,至於最終什麼樣子,要看怎麼用,客戶喜歡什麼了!