YST漫談隱形戰機（XIII）：各國的有源相控陣雷達

上接「漫談隱形戰機（XII）：有源相控陣雷達」

 

（二十二）各國的有源相控陣雷達

 

最 早的「有源相控陣雷達」（AESA）是使用在空中預警機上，譬如以色列的費爾康、英國的Wedgetail、中國的空警-2000等等，美國的E-3目前 用的是平面雷達，但是有計畫在未來升格為有源相控陣雷達。這些空中預警機使用的AESA頻率為L波段（1.2~1.4GHz），波長大約21~25公分。

 

隨著電子技術飛躍的進步，X波段（頻率8.5~10.7GHz，波長大約3公分）的AESA在上個世紀末成功研發出來，T/R module 可以製作成拇指大小的晶片，這就掀起機載火控雷達的革命，AESA開始大量走入戰鬥機。

 

甲. 日本的AESA

 

在戰鬥機中，最早裝備AESA的是日本的F-2（一種日本與美國聯合研發的戰鬥機，是將F-16稍微放大的戰機），代號為J/APG-1，時間是2000年。

 

 

圖30：全球第一個戰鬥機「有源相控陣雷達」（AESA），日本F-2的J/APG-1。

 

日 本雖然憑藉著強大的電子工業搶先拔得戰鬥機AESA的頭籌，但是日本在雷達上的基本功夫不行，屬於勉強出手搶頭彩。雷達的系統工程不是這麼簡單的，無論理 論還是經驗日本和美國有相當大的距離，差的不是一點點。日本單憑電子元件優秀就要搞雷達還是不行的，更何況在T/R組件上日本的研發也比美國落後，所以 F-2的J/APG-1整體性能不佳。

 

F-2的AESA除了拔得頭籌沒有什麼值得說的。

 

乙. 美國的AESA

 

Ａ. F-15C的AESA

 

第二個裝備AESA的是美國的F-15C，時間大約是2003年，裝備的型號是AN/APG-63(V)2，有1500個T/R組件，見下圖：

 

 

圖31：全球第二個裝備「有源相控陣雷達」（AESA）的戰鬥機，美國的F-15C。

 

上 面F-15C裝置的AESA與YST的想像稍有不同但還算比較接近，那就是「有源相控陣列」被固定在正前方的位置。我們都知道，在所有空對空的模式雷達工 作的範圍無論高低方向（elevation）還是左右方向（azimuth）天線的掃瞄都限制在正負30度，所以除了四個角落損失稍微高一點，天線有效面 積的損失都被控制在小於14％，這是可以接受的。

 

F-15的雷達應該都有對地模式，這時候電子轉動的角度很可能大於30度，所以天線有效面積的損失肯定會增加，有可能達到50％。

 

F-15C是搶奪制空權的空優戰機，對地攻擊的能力弱一點也就算了，這可以諒解。

不過如果F-15E的AESA也是這樣安置就很難令人接受了，至少如果YST是軍代表就不會同意。

 

Ｂ. F-22的AESA

 

美國戰機第二個裝備AESA的就是具有隱身能力的F-22，時間是2004年。

 

F-22裝備的AESA美軍代號是AN/APG-77，有多少個T/R組件眾說紛紜，YST看到的資料是1500個，每個的發射功率是４瓦特。

 

在第七篇文章我們有一張照片展示F-22的有源相控陣列（圖22），下面這張照片則是展示它在F-22上的安裝：

 

 

圖32：F-22裝備的AESA，美軍代號AN/APG-77。

 

從上面這張照片我們清楚地看到F-22的AESA不但位置是固定的而且是向上斜置，其目的就是降低雷達艙的RCS。

 

Ｃ. F-16的AESA

 

F- 16的AESA跟F-22的AESA一樣都是諾索普-格魯曼（Northrop-Grumman）生產的、時間也非常相近。不過有趣的是這個全世界最先進 的F-16不是美國自用的，而是特別為外銷給阿拉伯聯合大公國（United Arab Emirates簡稱 UAE）設計和製造的。

 

這個外銷給UAE的F-16編號為F-16E/F Block 60，裝備了編號為AN/APG-80的AESA，有1000個T/R組件，這就比美軍自用的F-16C/D Block 52高了半代，見下圖。

 

 

圖33：F-16裝備的AESA，美軍代號AN/APG-80。注意，它是固定和斜置的。

 

阿拉伯聯合大公國首批訂單是80架F-16E/F Block 60，暱稱「沙漠之鷹」（Desert Falcon），簽約的時間是2000年初，首架交貨則是2004年。

 

F-16E/F Block 60在外銷上被稱為「F-35的經濟版」。

 

裝 備了AN/APG-80的「沙漠之鷹」比裝備AN/APG-68（平面天線）的F-16雷達功率更高、探測距離更遠、旁瓣更低（更不容易被干擾）、妥善率 更高，當然最重要的是有著電子轉動無與倫比的速度和準確以及形成多波束的靈活與變化多端，這些都是機械轉動的AN/APG-68完全無法相比的。

 

YST 有一個預感，美國在大陸強大的壓力下不會出售F-16CD給台灣，但是在提升台灣F-16AB性能的包裹中會包括有源相控陣雷達AN/APG-80。美國這麼做台灣得了實惠（電子性能比F-16CD還高），大陸的面子也顧到了，刀切豆腐兩面光。

 

Ｄ. F/A-18的AESA

 

F/A-18是美國海軍的主力戰機，其重要性不亞於F-15，換裝有源相控陣雷達是一定的。F/A-18EF裝備的AESA由美國雷神公司（Raytheon）設計和製造，美軍代號AN/APG-79，其設計隊伍是老牌的雷達設計製造商，前休斯公司。

 

 

圖34：F/A-18EF裝備的AESA，美軍代號AN/APG-79。

 

AN/APG-79有1100個T/R組件，單位價格兩百八十萬美元。首部APG-79在2005/01/13 送達波音公司，2006年09月裝備首架F/A-18EF，目前已經進入低速量產。

 

我們看得很清楚APG-79是固定和斜置的，而且雷達的下部和側面都經過隱形處理呈光滑的多平面體防止外來電波的窺視。

 

Ｅ. F-35的AESA

 

F-35是美國下一代的主力戰機，也是美國外銷盟國的主力戰機，不論是軍事、經濟或政治都是一個重要的產品和棋子，影響之大非同小可。

 

美國對F-35的宣傳重點就在它的機載電子系統，聲稱比F-22的電子系統更先進。雷達是機載電子系統中的重中之重，F-35的雷達自然是AESA，美軍編號AN/APG-81，性能的先進可想而知，見下圖。

 

 

圖35：F-35裝備的AESA，美軍代號AN/APG-81。注意，它是固定和斜置的。

 

F- 35是偏重對地攻擊的戰鬥機，AN/APG-81有1200個T/R組件，工作的模式有空對空、空對地、合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，簡稱SAR）、地面移動目標的探測與識別（Ground Moving Target Identification，簡稱GMTI）等等，還有電子作戰，堪稱是無所不能、盡善盡美。

 

根據最新的消息，F-35入役美軍的時間是2018年。這個時間有點太晚，如果J-20按照預定計畫在2017年成軍，那麼美軍至少有一年的時間處於理論上的空中弱勢，這種情形在美軍近代歷史上從未出現過。

 

丙. YST 的考慮

 

在上一篇文章YST就說過在系統工程上自己是非常保守的，對天線有效面積的損失容忍度非常低。YST不能容忍F-15的大頭裝上AESA後就變成F-16的小頭，如果這麼搞那麼還製造重型戰機做什麼？

 

Ａ. 機械轉動的裝置不能放棄

 

YST始終認為雖然ESA是電子轉動的，天線可以不動，但是為了維持天線的有效面積不致過度損失，保留機械轉動的裝置還是有必要的。YST考慮的理由有二：

 

1. 校正（calibration）

 

像雷達這種複雜和精密的電子儀器在使用前都需要經過校正（calibration）。現代的電子儀器各種「校正」工作都已經自動化，雖然使用者並不知道，但是實際上它們已經被執行。

 

不比機械轉動，電子轉動是看不見和摸不著的，戰機起飛前我們怎麼知道電子轉動沒有問題？我們怎麼知道每個T/R組件和移相器都會正常工作？

 

如果AESA仍然保留機械轉動的裝置，那麼我們就可以用「機械轉動」來校正「電子轉動」，很快就能夠把有問題的移相器找出來。

 

那些認為AESA不需要機械轉動裝置的網友們也許有天線專家，那麼請問你們AESA是怎麼校正的？或者你們認為AESA永遠不需要校正。

 

2. 對地模式和對空模式的巨大差異

 

「校正」的問題也許是YST孤陋寡聞，AESA也許有什麼不為外人所知的校正方法，或者AESA也許真的神奇到永遠不需要校正。真正使YST堅信AESA仍然有必要保留機械轉動的裝置是因為雷達對地模式和對空模式在天線的要求上差異過大。

 

在 對地模式中有一個非常重要的模式叫「合成孔徑雷達」（Synthetic Aperture Radar，簡稱SAR），它是雷達地面成像解析度最高的，即使像F-15這樣的戰鬥機解析度都可以達到一米（大面積成像可以達到10米），這對攻擊戰略 性的目標（譬如跑道和橋樑）有非常關鍵的幫助。如果戰機沒有SAR的能力那麼攻擊地面的能力將會大打折扣。

 

「合 成孔徑雷達」的作業需要側視（side looking），也就是說雷達天線的照射方向與飛行方向需要成90度，否則解析度就會降低，這是物理性質，不能改變。我們看到，除了F-15是固定在正 前方，美國的F-22、F/A-18EF、F-35都是把AESA不但固定在正前方而且是向上斜置的，斜置的角度至少20~30度。這樣的安排是不可能進 行「合成孔徑雷達」模式的，因為有效天線面積已經損失殆盡了。

 

美國很多武器廠商所作的宣傳廣告有很多不實的地方，譬如下面這張為F-35宣傳的圖片：

 

 

圖36：諾索普-格魯曼（Northrop-Grumman）為F-35所做的宣傳圖片。

 

上面這張圖至少有兩個不實之處：

1. 雷達照射正前方對敵人的機場跑道進行高解析度的「合成孔徑雷達」（Synthetic Aperture Radar）模式，這是不可能的。戰機進行SAR的時候，雷達必須側視（side looking）。請觀看上一篇文章中的圖29，天線至少要轉到這種程度才能有效進行SAR模式，以目前美國所有的AESA固定的位置，當電子轉動到這個 角度時有效天線面積幾乎是零，不可能有任何探測能力。

2.F- 35有一束電波向下照射坦克，波束標示「地面移動目標探測」（Ground Moving Target Detection），但是照射角度早已超過電子轉動極限的九十度（讀者必須記得F-35的AESA是向上斜置的），此時F-35雷達的有效天線面積為 ０，已經失去所有的探測能力。

 

YST的結論是：

如果戰機想同時具有對空和對地的能力，那麼雖然使用的是「有源相控陣雷達」（AESA），但是機械轉動的裝備仍然必須保留，否則SAR和GMTI的能力是不可能的。

 

Ｂ. 設計背後的哲學不可取

 

我們看到美國戰機AESA的安裝都是固定和斜置的（只有F-15沒有斜置，但也是固定的）。

 

YST個人非常不認同這種安置，因為雷達天線有效面積的損失太大了，為了獲得隱身上的微小利益這麼做完全不值得。

 

F-22隱身掛帥，為了隱身不惜犧牲一切，甚至犧牲雷達性能，即使天線的有效面積損失一半以上也不在乎。這在YST看來非常的不智，為什麼？

回答：科技在不斷地進步，探測飛行物體的手段日新月異，在今天複雜的電磁環境中F-22過度依賴雷達隱形是得不償失的。

 

想想看，為了讓敵人變成近視眼，不惜自己也成了近視眼，忘記作戰的目的是什麼？這是甚麼軍事指導哲學？

 

戰 爭的目的就是摧毀敵人，令敵人屈服，這中間的過程說白了就是殺人。所以軍人必須有血性，而且還不是一點點，要會殺人同時也肯犧牲，這樣才能打仗。高科技戰 爭絕不等同於打電動玩具，照樣要準備付出血的代價。回顧歷史，美軍也不是全靠武器打贏二戰的。奧馬哈海灘是諾曼底最險峻的部分，美軍為自己選擇了最難進攻 的奧馬哈海灘是何等英雄氣概，美軍在硫磺島浴血奮戰的勇猛和不怕犧牲的精神那裏去了？

 

YST並不鼓勵美軍飛行員有「黃繼光堵槍眼」的精神，但是「零傷亡」的作戰哲學如此發揚光大而又無處不在與無孔不入，軍人的血性何在？

 

如果美國設計高科技武器的目的就是要把戰爭變成像打電動玩具一般地安全，這仗就不要打了，美軍必敗無疑，因為美國的財政負擔不起。

 

美國的軍費就是在這種「科技至上」和「零傷亡」無限上綱的指導原則下惡性膨脹，終於拖垮了國家的財政。

 

丁. 美國戰機雷達艙的RCS

 

我們現在再回到雷達艙的RCS問題，因為這是隱形戰機最關鍵的地方，也是美國神化F-22的地方，所以不能輕輕放過。

 

YST 知道有些網上“大神”看過一些有關F-22的天線罩的神奇報導，號稱F-22的天線罩有Band Pass Filter的功能，只容許本身發射的電波進出，其他的頻率則一律被被阻擋在外。“大神”因而故作神祕，自以為懂得很多，輕易地就相信F-22 RCS的神話。

 

其 實，工程上的東西沒有什麼神祕的，任何filter，不論是high pass、low pass還是band pass，都有某種filter frequency responce可追尋，不可能是滴水不漏的完美濾波器。“大神”有本事就畫出attenuation的曲線，大家討論；若是畫不出來，就不要宣傳神話。

 

YST 認為上面 Band Pass Filter 的說法乃無稽之談，因為有三點是說不通的：

1.F-22的雷達罩如果真能夠只容許本身發射的電波通過，那麼何必把天線斜置？

2.F-22宣傳它的雷達有電子戰的功能，電子戰最基本的功夫就是從事非常寬頻的噪波干擾（white noise jamming），這個噪波如何通過F-22神奇的雷達罩？

3.F-22號稱可以被動探測敵機，也可以收集電子情報，如果F-22的雷達罩是很窄的 Band Pass Filter，那麼這些訊號都被雷達罩過濾掉了根本接收不到，哪還有甚麼探測與收集的能力？

 

讀者難道看不出來美國宣傳這些神話的內容是處處互相矛盾的嗎？

不要告訴YST F-22有一個電鈕，飛行員按一下雷達罩就是 band pass filter，再按一下就不是 band pass filter。

做為知識分子要有獨立分析和判斷的能力，而不是胡亂接受訊息或相信什麼權威，更糟的是故作神祕假裝知道什麼“內情”而高人一等。

美國的科技先進，但不是神，軍事科技沒有神話。

 

我 們如果比較圖29的平面天線和圖30~34中的AESA就可以發現AESA凹凸不平的程度遠勝於平面天線，所以AESA散射的程度也遠超過平面天線，斜置 天線能夠收到多大的效果值得懷疑。從下面圖片中國設計和製造的AESA來看，AESA的外表形狀幾乎都是一樣的，材料也都是用砷化鎵（Gallium Arsenide）製造的晶片，沒有任何理由F-22的AESA的RCS就比別國的產品低兩個數量級（20dB），這是怎麼也說不通的。

 

美 國空軍的報告明白宣稱F-22正前方的RCS為0.0001~0.0002平方米。這個數字是不可能的，屬於欺騙性質的宣傳或是玩弄詐術的心理戰，反正不 是什麼光明磊落的正道，不該是一個處處以領導者自居的大國所做的事。這種行為看似小事，其實不然，它正在不斷侵蝕美國極力塑造的全球無敵的可信度，因為真 正有自信的國家是不會浮誇和虛張聲勢的。

 

F-22處處都有問題，當初大肆吹噓、到處嚇人，如今全面無限期停飛，所有製造的神話不攻自破。

 

空中武力是非常重要的軍事指標，美國的空中優勢也就剩下二十年。

美國的軍事霸權正隨著它的自信在消逝，退出亞洲的勢力範圍是遲早的事，新加坡已經開始恐慌，美國自己也知道。

 

戊. 日美歐俄戰機裝備AESA的時間

 

全球目前已經或預計裝備AESA的戰機有：

 

日本的F-2（2000年）；

 

美國的F-15C（2003年）、F-22（2004年）、F-16EF（2004年）、F-18EF（2005年）、F-35（2018年）；

 

歐洲的戰機目前沒有裝備AESA，未來預計是法國的「陣風」（2013年），德國和英國的「颱風」（2015年），「颱風」的AESA號稱將有1500個T/R組件，這也許太樂觀了一點；

 

俄國準備在2014年為Su-35裝備「無源相控陣雷達」，這和「有源相控陣雷達」相比有顯著的差距。

 

己. 中國大陸的AESA

 

「有源相控陣雷達」是第四代戰機（俄國的第五代）的要求之一，中國大陸也為她的四代機J-20研發了AESA，而且提前用在J-10B上鍛鍊。

 

YST知道的訊息是J-10B的AESA有1000~1200個收發單元，對3平方米RCS目標的發現距離是160~180公里。如果是真實的，YST認為這個數據相當先進，完全跟上當前美國最先進的雷達。

 

所 以我們看得很清楚，中國大陸的雷達技術緊跟美國，把其他國家都拋在後面。雷達技術是電子技術的指標，中國在軍用電子技術上應該相當先進，與歐美在同一梯 隊，尤其是電子戰的技術應該也是緊跟美國，不會有太大的落差。YST不願意談電子戰，一方面這屬於機密範圍，另一方面這玩意兒也沒個標準，可以各說各話， 只有打起來才知道。

 

最近有網友公布下面的照片引起一番討論，質疑J-10B的雷達相控陣天線不是有源而是是無源的。

 

 

圖37：J-10B和他外露的雷達天線

 

 

圖38：J-10B雷達天線近照（特寫）

 

圖38上面中間那一排八個紅色物體是「敵我識別」（IFF）天線。質疑的網友聲稱這是無源相控陣天線因為有源的上面都不會裝IFF天線。

 

YST不能回答這個問題，也看不出來IFF天線和無源相控陣天線有什麼必然的關係。有天線專業的網友請補充說明。

 

YST知道機載有源相控陣雷達大陸的南京電子研究所在2008年就做出來了，沒有理由今天在J-10B裝無源的，性能降低太多了。如果這麼做，YST能夠想到唯一可能的理由是省錢，不過省這點錢對今天的中國而言意義實在不大。

 

YST個人認為PESA可以用在FC-1（梟龍）上，但是不適合用在J-10B上，即使不為了幫助J-20提早成軍也不適合這麼做。

J-10是一線戰機，任何一線戰機，譬如J-10、J-11、JH-7等等，都應該裝備有源的相控陣雷達，不能為了省錢而降低關鍵性能，否則會因小失大。

 

 

（未完待續）

 

漫談隱形戰機（XIV）：「科普文章」和「軍事網壇」