2022年5月23日 星期一

戰艦「反掠海飛彈」難如登天

「攻擊」與「防衛」是人類歷史最古老的矛與盾之爭。一旦矛尖了,專家就想方設法建造更堅固的盾;盾安全了,專家又絞盡腦汁研磨更尖銳的矛。這場「飛彈」與「反飛彈」之爭,目前勝出的是飛彈,而且可預見的未來五至十年,艦艇無法扭轉這一劣勢。

反飛彈的第一道關卡是「反應時間緊迫」。尤其是高度僅35公尺的掠海飛彈,當它越過地平線進入艦艇雷達偵測範圍,距離僅810公里。這時艦方擁有的反應時間,即使「次音速」飛彈也不到一分鐘,遑論如今動輒3馬赫以上的超音速飛彈,時間只有十幾秒。如間如此緊迫,艦方必須正確地做出一連串處置,諸如搜索雷達偵測來襲飛彈、追踪雷達建立追踪、系統解算目標航向航速以求取「前置攻擊位置」、武器指令、武器轉向對正威脅方位,以及最終發射反制武器。

反飛彈的第二道關卡是「難以偵測」。試想飛彈的外形與體積,當它對著戰艦而來,彈頭與彈翼形成的「雷達橫截面」有多小!再假如來的是緊貼著海面的掠海飛彈,浪花與水氣會干擾雷達偵測效果,又因「搜索雷達」的解析度不佳,想要在緊迫的時間內鑑別出目標是一枚來襲飛彈,難度十分的高。

傳統戰鬥系統的處理過程冗長費時,對緊迫的反飛彈作戰根本束手無策,專家這才研發出「結合『搜索』與『追踪』雷達於一體」的相列雷達,再配以神盾系統,反應時間可壓縮到23秒。然而就算使用神盾系統,相列雷達對掠海飛彈的偵測能力同樣受限於解析度,因而又研發出「兼具遠、近偵測能力」的雙頻相列雷達。

雙頻相列雷達說穿了就是安裝2部、各自獨立運作的相列雷達,一部是低頻(S波段),負責偵測遠距離、高角度、大型目標;另一為高頻(X波段),負責偵測近距離、低角度、小型目標。

                         X波段的解析度強,可以鑑別小型目標。S波段解析度差,但傳播距離較遠。

 

針對反掠海飛彈,除了配備雙頻相列雷達的神盾系統,其餘都力有未逮。可以預見,「雙頻神盾」未來會成為海軍主力戰艦的標配,但目前因技術困難且價格高昂,全球僅中、美少數新造艦艇安裝了這套系統。

若缺少雙頻神盾,艦艇應付掠海飛彈的「硬殺手段」就得依靠方陣炮與公羊飛彈之流的「近迫武器」。這類武器的特色是全自動、獨立作業、集「偵測、打擊」於一體,如此才能省去複雜的「射控解算」,反正看到什麼,就朝著那個方位與仰角攻擊。

 

方陣炮()與公羊飛彈(),它的偵測雷達就在武器的正上方(圓形罩之內),再輔以紅外線追踪儀,只要發現在射距內的目標,就朝著目標的「方位」與「仰角」攻擊,完全省去傳統的射控解算。

 

近迫系統看似完美無缺,其實存在兩個隱憂。一是得休息,不可能24小時開機;二是敵我不分,管他目標是什麼,只要符合攻擊條件就「殺無赦」。為了避免誤擊友軍,只要區域內存在空中活動,例如起降直升機、無人機,艦方的第一個動作就是關閉近迫武器。

此次俄烏戰爭中被繫沉的莫斯科號,攻擊力十分強大,防衛力卻顯薄弱,因為艦上安裝的是40年前老舊的戰鬥系統,雖然擁有多道保護措施,但所有保護始自「偵測」。若未偵測來襲飛彈,再多的保護皆是惘然。


2021年5月15日 星期六

匿蹤戰機的剋星

                                                                                雙基被動雷達

最近海軍中平艦事件引起軍事迷關注,相信許多讀友好奇:為什麼「雙基被動雷達」是匿蹤戰機的剋星?

這得先介紹匿蹤的原理。

現今匿蹤主要靠兩個途徑:

一、塗料

外殼塗上一層能夠「吸收」電磁波的油漆。

然而不管什麼油漆,只可能吸收「一部分」「某特定頻段」的電磁波。

不可能全部吸收,也不可能涵蓋全頻段。

二、反射角度

「入射角 = 反射角」是物理學的基本定理。

雷達之所以能夠接收回波,是因為電磁波的入射角與反射面垂直;若反射面向上傾斜,電磁波就會反彈到天空。


      因而匿蹤設計首先要考慮「角度」――外殼盡量圓滑,如果能設計成「球狀」是最理想的狀況。

另外,電磁波碰上「金屬柵欄物」會形成類似「共振」的效應,那是標準的「強波器」。

如何避免?

把載台「包」起來。

最典型的例子是美海軍朱瓦特軍艦。 


反之看到航母外觀,想都不必想,那是大剌剌的設計,完全不考慮匿蹤。

 

匿蹤戰機對外殼的要求登峰造極――若不是圓弧形,就設計成尖銳的細角,總之盡可能減少「正向」反彈波。

 

中共第五代戰機殲20就是典型匿蹤設計。

 

為了徹底「包起來」,殲20的飛彈與發射架都藏在機肚裡面。

 

看完殲20,再看F-16掛彈的外觀,你應清楚F-16不符匿蹤的條件。

 

至於雙基被動雷達為什麼可以破解匿蹤,看看下圖: 


這張圖清楚地說明,電磁波雖沒有「正對」雷達反射,但還是反射到別的地方。也因此,幾十年前就有人想到:如果在別的地方擺一台接收機,不是同樣可以接收到匿蹤戰機的信號?

這就是雙基被動雷達的工作原理。

下圖是三個「發射源」,一個「接收機」的雙基被動雷達示意圖。 


雙基被動雷達有以下五個特性:

1.      「雙基」是概念,代表發射機與接收機可以分開在兩個地點,至於發射機與接收機的數量則依需求而改變。

2.      發射機/接收機越多,目標位置越精確。

3.      被動雷達的本質是ESM,不發射任何電磁波,所以又被稱為「隱形雷達」,不會被「反輔射飛彈」攻擊。

4.      發射機發射電磁波,雖存在被攻擊的危險,但可藉以下兩種手段迴避:

(1)  系統擁有多台「機動」發射機,一次只有一台對目標照射,輪值結束就關閉,並移至新陣地。

(2)  利用現成「發射源」,無需專屬發射機。現成發射源如電台與電視的無線電波,或衛星電視、GPS訊號等。

5.      雙基被動雷達的硬體不難,難的是數學運算。不同發射源與接收機,事先都必須將座標精確地輸入系統,因而雖號稱「機動」,其實「戰備位置」有限。

雙基被動雷達是現今空中偵測的趨勢,一旦突破運算瓶頸,未來匿蹤戰機將無所遁形!

2021年3月9日 星期二

雙波段雷達

       研究雷達的入門知識,是了解電磁波「波長」與「波束」的關係。這關係非常簡單,兩句話、八個字:波長越長,波束越寬。

又由於Cfλ (C:光速;f:頻率;λ:波長),所以這兩句話也等於:頻率越低,波束越寬。

接著請看艦用雷達最常使用的四個波段:

由於頻率越低,波束越寬,因而此四種波段的波束示意圖如下:

 

波束的寬窄代表什麼意義?

一、    動能

不妨把波束看成鐵球。兩顆大小不一的鐵球,以相同「初速」往前滾,哪一顆滾得遠?

當然是大顆鐵球。

鐵球越大,動能越大,滾得就越遠。

二、    解析度

兩架戰機併飛,使用以下波束偵測,系統會誤判只有1個空中目標。

 

假如波束變窄,多次發波後會收到2個不同回跡,系統會清楚這是2個空中目標。

 

波長越長,偵測距離越遠,但解析度變差;反之,波長越短,偵測距離雖近,但可以提升解析度。

早期艦用雷達,LS波段運用於「遠程對空預警」,C波段在平面搜索,X波段則提供精確追蹤。至於近代相列雷達,基本上仍遵循此原則,然可透過「鄰近饋送角」波束的「重疊區域」,改進目標位置的精確度。

例如下圖,鄰近2個饋送角發射的波束,會形成「123」三個區域:  


若只有波束1得到回跡,表示目標在第1 區;兩個波束都有回跡,目標在第2區;只有波束2有回跡,目標在第3區。

這現象告訴我們什麼?

相列雷達可藉「增加饋送角的數量」,提升目標精確度!

例如下圖,16道波束將這塊小空間區分成多少區! 


相列雷達饋送角的「數量越多」,目標位置就越精確。例如神盾系統使用S波段,五千個饋送角,能夠將精確度壓縮到1以內;但假如饋送角的數量減半,精確度可能會膨脹到1.6゜~ 1.8

前述理論對「使用者」(海軍)並不重要,因為使用者講的是「結果」;或是更正確地說:作戰需求!

針對相列雷達,典型作戰需求如下:偵測距離大於400公里,仰角覆蓋不小於602秒掃描全空域1次,可建立500筆目標資料,並對其中128個目標追蹤,以及同時攻擊18個目標。

海軍提出作戰需求,廠商便會依此要求從事相關設計。

例如某廠商選用S波段,五千個饋送角,掃描全空域需要1.4秒。

也有可能,另一家廠商選用C波段。由於C波段的波束較窄,因而必須安裝八千個饋送角才能含蓋作需要求的空域,掃描一圈,時間因饋送角的增加而延長到2.2秒。

2.2秒不符作戰需求,這時廠商該怎麼辦?

最直覺的作法是採用「雙波」系統――兩套雷達,各負責一半偵搜空域,如此便可將時間縮短到1.1秒。

講到這先岔開話題,介紹軍火圈的一個特色:天下武器一大抄!

好比說研發雄二飛彈,何苦煩惱彈徑該多大、長度該多少?

美國研發魚叉飛彈已經試了又試、改了又改,之所以成為現在的魚叉飛彈,必然有它的原因。也因此,不必煩惱雄二的尺寸,直接比照魚叉飛彈的彈徑、彈長,十之八、九準沒錯!

同樣的早期神盾系統,由於AN/SPY-1採用S波段,後續所有「類神盾系統」的相列雷達全為S波段。

S波段配上垂直發射,明顯曝露「超音速掠海飛彈」的致命傷!特別是S波段的波束太寬,解析度不佳,很難識別貼海而來,雷達橫截面(RCS)極小的彈頭。

如何解決這問題?

三十年前我還在海軍服役,曾投書《海軍學術月刊》,建議使用X波段相列雷達。

這想法如今已實現,就是現今最先進的雙波段雷達(DBRDual Band Radar ),而解放軍055大驅已使用SX波段雷達。 


雙波段雷達顧名思義,是一艘軍艦同時配備兩種波段的相列雷達,我們不妨稱為「大盾」和「小盾」。兩種盾可以達到優勢互補的結果――大盾低空探測能力差、精度偏低的缺陷,可以由小盾彌補;小盾探測距離近,易受惡劣天候影響的缺點,又可由大盾來補救。

大盾與小盾搜索空域示意圖如下:

 

軍事裝備的研發永遠充滿矛與盾之爭。

一旦發現某缺陷,工程師便苦思解決之道;等到解決了問題,幾年或十幾年之後,更具殺傷力的裝備又製造新的威脅。

看到上圖,你能想像軍艦未來的致命傷在哪兒嗎?

從天而降的攻擊!

截至目前為止,艦用戰鬥系統無法偵測「從天而降」的目標;更不幸的是,「正上方」是所有軍事裝備最脆弱的部位。

有源相列雷達

        前一週談《相列雷達》,朋友詢問「有源相列雷達」與「無源相列雷達」的差異。今天我再度試著以淺顯的文字,簡要介紹有源與無源相列雷達。

首先請參考圖一,這是6 X 4矩陣組成的相列雷達。 

圖一:6 X 4相列雷達。

雖然只有24個饋送角,然而同樣是相列雷達。

相列雷達工作時如何發出波束?

上週《相列雷達》文內有這張示意圖: 

圖二:相列雷達發波示意圖。

看到圖二,或許你會想像圖一的相列雷達,發波狀況如圖三: 

圖三:相列雷達發波示意圖。

倘若真如圖三,發射機的輸出功率必須足夠高,可以同時提供給24個饋送角。

同理可推,第一代神盾系統發射機的功率,必須同時提供給五千個饋送角――能夠想像那會是多麼高的功率嗎?

功率高到嚇人,當年根本不可能。

也因此,圖一相列雷達實際發波狀況如圖四。 

圖四:相列雷達發波狀況。

從圖四可知,任何一瞬間,相列雷達只能發射1道波束!

縱然如此,由於「電子切換」的速度以「毫秒」甚至「微秒」計算,所以神盾系統搜索整個空域的時間僅約1 ~ 2秒鐘。

以上工作模式稱「『單波』相列雷達」(single beam phased array radar)

既然有「單波」,自然就有「雙波」相列雷達(double beam phased array radar)

單波和雙波的差異在哪裡呢?

端視雷達系統擁有幾套「發射機+接收機」。

簡單看,「發射機+饋送角+接收機」三者組成「1部雷達」,而1部雷達可以發出1道波束。

不過,別想歪了,以為「雙波相列雷達」的工作狀態如圖五。 

圖五:1面天線同時發出2道波束。

事實上單波相列雷達工作簡圖如圖六,雙波如圖七。

圖六:單波相列雷達示意圖。

 

圖七:雙波相列雷達示意圖。

雙波相列雷達其實擁有2部獨立的雷達,各負責監偵一半空域,而不是1面天線可以同時發出2道波束。

看到這,有野心、反應快的網友可能會聯想:為什麼不能讓每1個饋送角都擁有自己的「發射機+接收機」?

非常大的野心!

試想神盾系統擁有近五千個饋送角,五千部「發射機+接收機」……,撇開價格,這得占據多大的空間,重量又有多麼可怕!

不過,再想想如今輕巧的手機,性能勝過五、六十年前如汽車大小的電腦,這等野心似乎有實現的可能吧?

的確,每1個饋送角都擁有自己的「發射機+接收機」,這就是「有源」相列雷達,或稱「主動」相列雷達(APARActive Phased Array Radar)

為何如此命名?

從饋送角的立場看,它擁有自己的發波電源(有源),能夠自行接收並處理「反彈波」,再及時「主動」發出波束。

至於先前介紹,1面天線僅能發出1道波束的稱為無源相列雷達,或被動相列雷達(PPARPassive Phased Array Radar)

有源是相列雷達的發展趨勢。它的波束指向非常靈活,1面天線可以形成多個獨立波束,同時實現搜索、識別、跟蹤、導控等功能,多目標接戰能力強,抗干擾性能好,裝備妥善率高。

最有名的無源相列雷達,是四十多年前神盾系統使用的AN/SPY-1

解放軍大約在十年前,陸續在艦艇安裝有源相列雷達,如今使用者包含052C052D055,以及三艘航空母艦。

看起來解放軍略勝一籌。

其實未必。

有源相列雷達美軍發展得更早、更成熟,然而當它的體積與價格都達到「實用」地步,神盾艦已普遍使用無源相列雷達。這時美軍面臨一個難題:是否要全面更換神盾艦相列雷達?

相列雷達是神盾系統的核心,想要更新,硬體工程猶如開膛剖腹,整個軟體也須重寫,如此巨大的投資,值得嗎?

值不值得,全看神盾系統能否滿足現代化作戰所需?

如果可以,何需更換?

「好」是永無止盡。對於軍事投資,「夠好」就好,無需過度超標。

倘若美軍要建造新一代戰艦,相信他們也會使用有源相列雷達。

從這例子告訴我們什麼?

軍事科技存在一個不公平的現象,那就是:後發先至!