看:先敌发现的亮眼

文\/武为   2016-11-25 03:37:27

船舶大约有7 000年的悠久历史,在时空的长河中,散落在地球上的不同文明在越洋渡海中所发生的激烈碰撞将战争的硝烟带到了水面。如今,已无法考证人类历史上首次水面战争发生在何时何地,但可以肯定的是,当高等智慧生物认识到四通八达的水流能够将自己带往蓝色星球上的任意角落时,欲望就如同在森林中点燃的星火般一发不可收拾。为了争夺更好的生存条件,水上的冲突变得愈趋频繁和激烈。于是,专门用于水面作战的船舶在鲜血的巨压下诞生。从加固舰体强度到优化隐蔽效果,从提高火力强度到提升火力精度,从加快航行速度到追求航行性能……在千年的海水磨洗中,水面作战舰艇逐渐形成了“看、打、走、藏”四类基本能力要素,即侦测能力、打击能力、机动能力与隐身能力。

◎ 舰艇桅杆上处于最高处红圈部分的网状雷达就是苏联海军舰艇装备的对空警戒雷达

◎ 传统的远程对空警戒雷达,注意其能够旋转的机械底座。由于功率大并且为了在一次扫描中尽可能覆盖更大的角度,其天线阵面做得比较大,易成为重点攻击或干扰的目标现代水面战舰早已跨过了肉眼观测敌情的阶段,舰载雷达与声呐的出现将战舰的安全距离和火力范围拓展到了视距以外。看,就是利用舰载雷达和声呐对周边敌情进行侦测的行为。所谓“知己知彼,百战不殆”,对于主要用于防空反潜的水面舰艇来说,“看”的目的是“防”,先敌发现就是“防得住”的先决条件。因此,“看得见、看得远、看得清”已成为衡量一艘战舰作战性能的首要指标。

看得见:目标发现能力

看得见,指发现各类作战对象和目标的能力。在空中和水下反舰武器高度发达的今天,水面作战舰艇面临的威胁已呈现“空中-水面-水下”的立体分布态势,这就要求舰载探测设备能够对舰艇周边各个空间层次的目标进行搜索探测。具体来说,对于空中和水面目标,采用舰载雷达进行探测;对于水下目标,则使用声呐进行探测。

对空警戒雷达:转动速度跟不上天空的轨迹 对空警戒雷达主要用于发现和监视空中目标,与敌我识别系统相配合判定目标的敌我属性,给导弹制导雷达和炮瞄雷达提供目标指示等。其工作原理实际上很简单,即通过向指定方向发射电磁脉冲并监听该频率脉冲的回波来判断在这个发射线上障碍物的距离,通过扫描多点连成面得到物体形状,通过多次扫描得到相对速度。简单来说,就是快速连续扫描,以点成面,发现目标。

这种工作原理就要求雷达要尽可能快地向其要探测区域的各个方向进行照射,以便得到尽可能多的回波资料进行数据合成或成像。要达到这一效果,就必须用机械方式驱动雷达天线转动或者俯仰,以改变扫描波束的指向,这就是为什么在许多水面舰艇的桅杆上经常能见到不停转动的雷达天线的原因。传统的对空警戒雷达(脉冲或多普勒雷达)多采用上述单阵面机械扫描方式。

对空警戒雷达探测距离较远,一般超过150千米,能够对舰艇周围360°的空间进行监测。在空中威胁日益严重的今天,对空警戒雷达的地位至关重要,可以说位居所有舰载雷达之首。因此,对空警戒雷达一般多配置在视野良好、位置最佳的主桅顶部,但体积重量过大时,也可能配置在上层建筑顶部或在舰艇中后部为其单设一座后桅。

随着空中反舰武器越来越多、越来越复杂、越来越快,传统对空警戒雷达的有效发现距离被大幅缩短,雷达的转动速度已跟不上反舰武器在天空上划过的轨迹,持续恶化的态势促使水面作战舰艇急于寻求一种效率更高、探测距离更远的新型对空警戒雷达以撑起舰队的空中大伞。

对海警戒雷达:折翼地平线 对海警戒雷达主要用于发现和监视海上和低空目标,与敌我识别系统相配合判定目标的敌我属性。受地球曲率限制,其最大探测距离一般不会超过40千米。也正因如此,对海警戒雷达工作功率要小于对空警戒雷达,天线尺寸也相对较小,多架设在较高位置。

对海警戒雷达是最早出现在战舰上的雷达,但在空中反舰力量快速发展的今天,对海上目标的攻击已不再是舰载武器的主要使命,因此不少新型驱护舰已经不再单设这种雷达,其任务大多由多功能对空警戒雷达或导航雷达兼任。不过,受限于自身重量和体积,大型多功能对空警戒雷达一般难以架设在舰艇较高位置,而由于雷达的探测距离和天线高度的平方根、目标高度的平方根呈线性关系,因此,绝大部分对空警戒雷达都存在一定的视界盲区。那么,这一片盲区就是如今对海警戒雷达的生存空间。

◎ 舰艇中部红圈部分为517型远程对空警戒雷达,采用米波,发现隐身目标的能力较强

◎ 俄罗斯海军装备的“音乐台”对海警戒雷达(在球形天线罩内),由于具备超视距能力,它同时也是“日灸”反舰导弹的制导雷达

◎ 干船坞中的美国“伯克”级导弹驱逐舰,可以看出其球鼻艏尺寸很大,其内配备的声呐基阵直径也应很大实际上,低空、掠海反舰武器一直以来就是水面舰艇的“克星”,英阿马岛战争中被“飞鱼”击溃的“皇家骄傲”已经充分证明了这一点。这样来看,设置一部对海警戒雷达可以有效弥补对空警戒雷达“下视不足”的问题,即专门用于发现低空、超低空飞机和掠海飞行目标。然而,地平线的阻隔让上述目标依然能够四处肆虐,40千米的距离在以亚音速掠海飞行的反舰导弹眼里只是一个呼吸间的距离,折翼地平线始终是对海警戒雷达过不去的坎。

舰载柱面阵声呐:简单而不简配 舰载声呐主要用于探测潜艇和水下反舰武器。声呐探测的原理与雷达相似,只是发射的是声波而不是电磁波。由于作战环境不同,水面作战舰艇的声呐系统比潜艇要简单一些,大体按照一前一后的布局配置。“一前”指首部声呐导流罩内的综合声呐,“一后”则是指位于舰艉的拖曳声呐。

首部声呐位于龙骨以下并做成流线型,又称为舰壳声呐或球鼻艏声呐,例如美国海军装备的SQS-53C声呐。首部声呐采用柱面阵作为布阵形式,同一个基阵上集成了收发功能,柱面阵的孔径根据舰体大小不同而差别较大,中小型水面舰艇如1 000~2 000吨级的护卫舰直径可能只有1~2米,但大型水面舰艇如5 000~9 000吨级的驱逐舰的综合声呐基阵直径可能达到4米以上。首部声呐一般具有主被动两种工作方式。顾名思义,主动方式就是通过主动发射声波并根据回波探测目标,探测精度较高但易暴露;而被动方式则是通过接收和处理水中目标发出的辐射噪声或声呐信号,而获取目标参数,探测精度较低但更隐蔽。在良好水文条件下,大型舰艇正常速度航行时,首部声呐对一般噪声潜艇的被动探测距离不大于10千米,主动探测距离可达20千米。

拖曳声呐位于舰艉,早期采用拖曳变深声呐,即利用与舰艉特定装置相连的拖缆拖行装有声呐基阵的拖曳体,对潜艇进行探测,并可以通过调整拖缆长度来调节声呐深度。这种声呐实际上是首部综合声呐的自然延伸,一般也采取柱面阵的布阵形式和主被动的工作方式。其最大的优势在于:一是工作位置距离舰艇较远,背景噪声较低;二是可以通过调节深度来匹配海洋水文条件,环境适应性较好。不过,由于在孔径方面与首部声呐大体相同,因此在良好水文条件下其作用距离也不会比首部声呐更远。

水面作战舰艇采用首尾结合的简单方式最大化利用了声呐的特性,形成了以自身为圆心、半径最大达20千米的探测范围,使反潜效果并未因结构简单而简配。实际上,虽然世界各国海军都在大力发展航空反潜力量,但水面舰艇的反潜能力依然不许小视。原因在于,水面舰艇噪声一般远高于同时期的潜艇,而且降噪比潜艇困难的多,在同样采用被动声呐的情况下,潜艇将先于水面舰艇发现对方。既然如此,水面舰艇就不用担心主动声呐易暴露的问题,反而可以肆无忌惮地使用主动声呐,这种优势是显而易见的。

看得远:先敌发现能力

信息的急速流转使现代战争的节奏变得越来越快,攻防态势可能就在一瞬间发生剧烈转变。“首战即决战”成为了每个国家军队必须面对的残酷现实,美军在20多年前提出的“发现即摧毁”发展到现在已真正实现了“秒杀”,时间要素在战场上显得愈发弥足珍贵。对于水面作战舰艇来说,高超声速武器、反舰弹道导弹等近乎瞬移的武器装备将急剧压缩舰载防空系统的反应时间。早一秒发现就多一分安全,先敌发现就能先敌打击、先敌摧毁,“看得远”渐渐成为水面作战舰艇遂行作战任务和提高生存能力的必备能力。

◎ 蜻蜓的复眼,将其中的小眼睛换成天线阵元就成为了相控阵雷达

◎ 俄罗斯海军装备的“顶板”对空警戒雷达,采用了相控阵雷达的天线阵面,在垂直方向上采用电扫描,在水平方向仍采用机械扫描,对高空目标探测效果较好

◎“提康德罗加”级巡洋舰是世界上首型安装了相控阵雷达的水面舰艇,图中红圈部分即为SPY-1型相控阵雷达,一共安装四面,前后各两面

◎ 中国海军新型导弹驱逐舰上装备的是有源相控阵雷达,相对于美国海军SPY-1型无源相控阵雷达,优势明显,是未来舰载多功能相控阵雷达的发展方向蜻蜓复眼的奥秘——相控阵雷达 传统对空警戒雷达在高速发展的空中反舰武器面前显得漏洞百出,在百年舰队岌岌可危的关键时刻,一种日常生活中常见得不能再常见的昆虫——蜻蜓,扮演了“救世主”的角色。

人们在研究中发现,蜻蜓视力极佳的原因在于其每只眼睛由许许多多个小眼组成,称为“复眼”,每个小眼都能成完整的图像,这样就使得蜻蜓所看到的范围要比人眼大得多。首次启发,科学家发明了具有划时代意义的革命性装备——相控阵雷达。

电扫效率更高。相控阵是“相位控制阵列”的简称。相控阵雷达的天线阵面由许多个辐射单元和接收单元(称为阵元)组成,类似蜻蜓复眼,单元数目根据雷达的功能设计决定,可以从几百个到几万个不等。这些单元有规则地排列在平面上,构成阵列天线。利用电磁波相干原理,通过控制每个单元的发射波电磁相位,在不同单元之间造成规律的相位差,产生干涉,以此改变电磁波扫描方向,这种方式称为电扫描。显然,电流所造成的相位变化显然要远快于机械底座转动的速度,因此相控阵雷达较传统雷达工作效率更高,也是两者的根本区别。

多目标跟踪能力更强。相控阵雷达的扫描波束来源于单元间的相位差,因此天线的单元数目越多,波束在空间可能的方位就越多,那么雷达可同时探测跟踪的目标就越多,这就解决了大集群、高速度空中目标的的远程探测与跟踪问题。实际上,远程多目标跟踪能力是相控阵雷达较传统雷达的最大优势。美国海军装备在“伯克”级导弹驱逐舰上的SPY-1型雷达可同时跟踪200个以上的目标,而上一代远程对空警戒雷达SPS-48仅能同时跟踪100个左右。

有源相控阵性能更佳。相控阵雷达包括无源和有源两类,两者的工作原理基本相同,区别在于无源相控阵雷达仅有一组中央发射机和接收机,采用统一发射分配、统一接收放大的工作模式;而有源相控阵雷达的每个发射/接收单元都能自己产生、接收电磁波。显然,在频宽、信号处理和冗度设计上,有源都比无源相控阵雷达更具优势,是未来舰载雷达的发展趋势。前面提到的SPY-1型相控阵雷达是世界上最早服役的舰载相控阵雷达,属于无源阵。而有源相控阵雷达的代表则是中国海军装备在052D型导弹驱逐舰上的相控阵雷达。

相控阵不一定都是“大板子”。由于“宙斯盾”系统所引领的“盾舰”潮流实在太过耀眼,因此提到舰载相控阵雷达,人们总是首先想到贴在桅杆上的“大板子”,例如SPY-1和052D的相控阵雷达都是采用固定阵位,每阵扫描角度在90°~120°,因此一般配置3~4阵。虽然这种固定阵位的相控阵雷达功能多、性能强,但由于功率、体积、重量都较大,一般部署于中大型水面舰艇上。对于同样渴望拥有新技术的小型水面舰艇来说,边扫描边跟踪的相控阵雷达是最优选择。这种雷达实际上是用传统机械雷达的底座配上相控阵天线,通过高速旋转实现360°覆盖,相对于固定阵面的多功能相控阵雷达,功能较少,数据率较低、目标容量也小。英国45型驱逐舰上装备的“桑普森”雷达和意大利“地平线”级护卫舰装备的EMPAR雷达就是边扫描边跟踪的相控阵雷达。

◎ 舰岛上方红圈部分近似正方形的雷达就是装备在CVN-65上的SPS-48型对空警戒雷达,与SPY-1相控阵雷达相比,其能够同时跟踪的目标只有后者的一半,因此,一般装在对自身防空性能要求并不高的航母上

◎ 红圈部分是“提康德罗加”级导弹巡洋舰装备的SPS-49远程对空警戒雷达,采用传统设计。由于相控阵雷达功耗大,并不是24小时开机,所以日常的对空警戒战备值班都是由安装在中部较高位置的SPS-49来完成

◎ 英国最新的45型驱逐舰封闭式桅杆顶部上装备的是“桑普森”相控阵雷达(在球形雷达罩内)。其天线阵面那侧采用透波设计(上图),采用机械旋转的方式进行扫描,类似的还有EMPAR雷达。与SPY-1多功能相控阵雷达相比,这类相控阵雷达功率较小,体积较小,功能较少用备份确保万无一失。为了保证看得远,有的战舰还会配置两部对空警戒雷达,目的是作为备份,或完成某些特殊要求。例如德国的“萨克森”级护卫舰,除了一部APAR多功能主动相控阵雷达外,还在后桅模块顶部配置了一部探测距离为400千米左右的SMART-L远程三坐标对空警戒雷达,用于弥补APAR雷达探测距离不足的问题。

体系缺陷下的无奈——超视距对海警戒雷达 在解决对海警戒雷达“看得远”的问题上,大多数国家海军采用的是“站得高看得远”的方式,即利用舰载直升机或预警机雷达作为中继节点,增大探测距离。例如美国海军通过“伯克”级驱逐舰上搭载的SH-60B直升机为舰载SPS-67(V)型对海警戒雷达提供中继,可将对海上目标的探测距离扩充数倍甚至更大。但对于战场感知体系存在缺陷,特别是空中预警能力不足的国家来说,这种方式显得有些遥不可及。于是,一些国家就另辟蹊径地研制出了超视距对海警戒雷达。这里面的代表当属苏联(俄罗斯)海军装备的“音乐台”超视距对海警戒雷达。值得注意的是,这里提到的“超视距”与平常我们熟知的概念不同,是指最大探测距离超过海平面一线的雷达。

超视距对海警戒雷达实现“跨越地平线”的原理在于充分利用了大气的波导效应。在某些特殊气象条件下,离地表最近的对流层温度会随着高度而增加(一般为降低),形成逆温层(Temperature Inversion Layer),而通过此区域的电磁波会在逆温层的上下边界之间不断折射的过程中向前传播,从而超过地球表面曲率传递到数百千米以外。实际中,波导现象通常发生在海上,且具有季节性,在波斯湾、阿拉伯海、波罗的海、东地中海、印度洋和南中国海比较常见,这也从另一角度解释了为什么苏联海军专门研制这样一款的雷达,因为上述大多数海域是其经常活动的区域。

装备了超视距对海警戒雷达的水面舰艇,能够仅仅依靠自身能力直接实现对海上、低空和超低空目标的远距离探测和跟踪,但缺点是探测精度不佳和识别耗时。在强调体系作战能力的今天,未来很难出现水面作战舰艇单打独斗的场景。可以说,采用超视距对海警戒雷达是海上作战体系存在缺陷的无奈之举。

◎ 超视距雷达的工作原理,即通过电磁波折射完成对地球表面曲率的跨越

◎ 拖曳线列阵声呐因为探测范围广,是目前世界各国海军采用最多的拖曳声呐。其声呐基阵成线状布置在密封的导管内,平时缠在特制绞盘上,执行反潜任务时从舰尾放入水中

◎ 德国“萨克森”级护卫舰安装在桅杆上部的APAR多功能相控阵雷达,采用四面固定阵位,中间呈圆形凸起状。由于舰体吨位和作战需求的原因,APAR尺寸明显较SPY-1要小。注意画面近景处,安装于舰艇后部上方的黑色矩形雷达是SMART-L远程对空警戒雷达,用于弥补APAR探测距离不足的弊端长尾巴造就长距离——拖曳式线列阵声呐与主被动拖曳声呐 水面作战舰艇的首部声呐和拖曳变深声呐由于孔径限制,最大探测距离有限,而且潜艇的噪声在不断降低,扩大探测范围势在必行,于是就产生了拖曳线列阵声呐。这种声呐是将有一定间隔的水听器,以线列阵形式布置到透声保护导管内,并将管内充油调节密度到与水基本相同,再通过拖缆拖曳在舰艇尾部,犹如一条长长的“尾巴”。

拖曳线列阵声呐的阵孔径可长达数百米,较采用柱面阵布阵形式的拖曳变深声呐的探测范围大幅扩充,当然,也正因如此,拖曳线列阵声呐的摆动幅度较大、收放工序较为复杂,影响了舰艇机动。例如美国海军“伯克”级导弹驱逐舰(Flight IIA型之前)上装备的SQR-19型声呐就是拖曳线列阵声呐,其长达244米,拖缆长1 700米,拖曳深度可达366米。

拖曳线列阵声呐解决了水面舰艇对水下目标探测距离不远的问题,但由于只能采用被动工作方式,探测精度不算太高。于是,出现了将拖曳变深声呐和拖曳线列阵声呐各自优点结合起来的主被动拖曳声呐。这种声呐一般采用拖体主动发射声波,线列阵接收的方式,同时线列阵也可以单独的以被动方式工作。在主动工作方式下,主被动拖曳阵声呐对潜艇的探测距离远超过20千米,甚至可以达到40~50千米。举个简单的例子,假设上述主被动拖曳声呐对潜艇的发现半径为40千米,那么水面舰艇在航速18节的情况下,单舰每小时的扫海面积将达到7 600平方千米左右,多艘舰艇配合更可实现大区域无缝扫海,效果显著。因此,主被动拖曳阵声呐是未来水面舰艇声呐的发展方向。

◎“伯克”级装备的SPG-62导弹火控雷达(红圈处)采用“一前两后”的布局配置,用于为“标准”、“海麻雀”舰空导弹制导

◎ 红圈部分为“伯克”级装备的SPQ-9B炮瞄火控雷达,由于“密集阵”近防系统已将火控系统整合,因此该雷达仅配置一部,用于为主炮提供制导

◎ 美国海军水面舰艇发射Mk46型鱼雷,开启定向发射模式的SQS-53C型主动声呐能够为其提供制导看得清:目标定位能力

看得清,指对作战对象和目标的定位能力。如果说“看得见”和“看得远”是为了优先发现和识别目标,那么“看得清”就是为了瞄准并打击目标。这就需要雷达和声呐具有较高的探测精度,以实现对目标的准确定位。

舰载武器的标尺——火控雷达 众所周知,雷达的波长越长,探测距离就越远,但精度越差,反之亦然。显然,采用米波或分米波的警戒雷达是达不到为火力提供精确指引所需的探测精度的,而采用厘米波或更短波长的舰载火控雷达就成为了“看得清”的重要支撑。

易被攻击的“暴露狂”。火控雷达一般采用带有喇叭馈源的圆形反射天线,采用纵倾横倾稳定或波束指向校准,通常根据警戒雷达指示的目标位置截获目标,无需 360°旋转,工作时始终指向目标。为了给警戒雷达让出最佳的布置位置,火控雷达多布置在相对较低的位置,造成其探测距离相对有限。但由于水面舰艇的主要作战任务是编队防空和反潜,对目标的拦截距离要求并不高。由于火控雷达总是主动发射电磁波,因此极易成为敌方干扰和攻击的目标,为此,现代火控雷达一般与光电设备(电视、激光或红外装置)组合一体使用,以提高抗干扰能力。

“防”字当头。火控雷达一般包括炮瞄雷达和导弹火控雷达。前者为舰炮和近防炮提供目标指引,后者为导弹提供目标指引。需要指出的是,舰载导弹火控雷达的主要目的是“防”,即为舰空导弹提供目标指引。例如美国海军“伯克”级导弹驱逐舰上装备的SPG-62型火控雷达,主要是为“标准”2和“海麻雀”防空导弹提供目标指引。而对于带有攻击性的反舰导弹则一般由对海警戒雷达、多功能相控阵雷达、导航雷达或自主引导。最典型的当属俄罗斯海军使用“音乐台”对海警戒雷达为SS-N-22“日炙”反舰导弹提供超视距制导。

渐行渐远的专业火控雷达。未来,单独的舰载导弹火控雷达将逐渐退出历史舞台。一方面,对于具有主动制导能力的舰空导弹来说,舰载导弹火控雷达无存在必要,代之以对空警戒雷达(通常为多功能相控阵雷达)提供目标指引即可。另一方面,多功能相控阵雷达集成火控功能已成为可能。例如美国海军将在“伯克”级导弹驱逐舰Flight Ⅲ型中,以最新研制的双波段有源相控阵雷达(AMDR)替代目前使用的SPY-1D型雷达,AMDR雷达的X波段系统可兼顾火控功能,SPG-62型火控雷达将被淘汰。

水下千里眼——具有定向发射模式的主动声呐 随着现代潜艇的噪声不断降低,被动探测越来越难以探测到远距离上的低噪声潜艇,但由于物理因素限制,潜艇目标强度却不可能有大幅下降,因此主动声呐在现代反潜作战中的优势越发明显。实战中,水面作战舰艇对水下目标进行精确探测和定位的装备一般是具备主动工作方式的声呐,具有全向发射和定向发射两种模式,定向发射声源级更好,定位精度更高,能够为反潜武器提供引导。例如美国海军装备的SQS-53C型声呐就能够为“阿斯洛克”反潜导弹以及MK46型鱼雷制导。

[编辑/山 水]

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