雷达入云端

文/马岩   2016-05-07 12:05:27


作战飞机在二战中迅速成长为一款划时代的武器平台,而同属尖端武器的雷达与飞机的强强联合,在技术进步的推动下也成为了现实。战争初期,英德两国在雷达领域的研究成果可谓各有千秋,就技术而言,德国雷达设计紧凑、功能齐全、频段丰富,一度独领风骚,但随着战事发展,英国的雷达技术奋起直追,在与德国的竞争中逐渐占据上风。在机载雷达的发展之路中,两国科学家推出了两款功能迥异的产品,它们就是德国夜间战斗机上安装的截击雷达“列支敦士登”与英国轰炸机上装备的地形扫描雷达“H2S”。

文/马岩


◎ 值得一提的是,H2S的生命周期长得惊人,其改进型直到1982年马岛战争时,还被皇家空军的“火神”轰炸机使用

寻找“埃米尔-埃米尔”

1941年末,英国的无线电监听站侦听到德国夜间战斗机与地面站的联络中使用了“埃米尔-埃米尔”(Emil-Emil)的新密语。此后,英国人时常能监听到德国空军指挥员向战斗机飞行员询问“埃米尔-埃米尔”的工作状况,飞行员往往简单地回复“是”。而且,英国监听人员注意到,德军地面站通常在将夜间战斗机引导至英国轰炸机500米到2千米的距离时,就要求飞行员使用“埃米尔-埃米尔”,下面是一段典型的对话——飞行员:“英国轰炸机已逃离!”地面站:“注意!观察你的埃米尔-埃米尔,敌轰炸机距你2千米。”

不难推测出,这个神秘的“埃米尔-埃米尔”是安装在飞机上的一种截击引导装置,可能是某种红外探测器,也可能是一种雷达,而后者的可能性更大,因为之前曾有战俘招供过有关德国机载雷达的只言片语。

1942年秋,“埃米尔-埃米尔”在德军夜间战斗机通信联络中的出现频率大幅增加,几乎可以肯定这种装置已经批量装备部队。此时,英国人已掌握了德国“卡姆胡贝尔防线”中几种地面雷达的技术细节和部分雷达站的部署位置,甚至通过大胆的联合突袭虏获了一部货真价实的“维尔茨堡”雷达,但对于德军夜间战斗机上的这种探测装置仍旧不甚了了。为查实“埃米尔-埃米尔”的工作原理,英国电信研究院在诺福克海岸专门设立了一个监听站。一般来说,为了克服地球曲率与地物遮挡等影响,监听站应尽可能设于高地,这样才能最大限度地接收到远方的无线电信号。然而这座新建的监听站却开设在一片洼地之中,因为侦收来自空中的信号才是它的首要任务,设于地平线之下可以避免绝大部分地面雷达和通信设备发出的电波对监听造成干扰。几天之后,一段前所未见的490兆赫兹的脉冲出现在接收机的屏幕上。而且,信号源方位变化的速度也从侧面证实,它来自一架在空中飞行的飞机。

英国技术人员认为,这种490兆赫兹的信号来自于德军飞机是毋庸置疑的,因为皇家空军没有使用工作在相近频段的无线电设备,但仍然无法确定它就是夜间战斗机的“埃米尔-埃米尔”装置所发出的信号。为了进一步查清事实,只能派出电子侦察机去“会一会”这神秘而危险的信号源。

因为“卡姆胡贝尔”防线中的每架夜间战斗机都只接受自己防区的雷达引导,纵然英国飞机在沿海如何引诱也绝不会贸然飞离防区,所以英国的电子侦察机只能跟随轰炸机编队深入危机四伏的敌占区领空,这样做的危险性不言而喻:无异于自己孤身跳入狮笼,等狮子张开大口的那一刻去摸摸它的牙齿。这一行动的策划人是R.V.琼斯博士,他极力呼吁轰炸机司令部调配2架“蚊”式轰炸机来执行此项任务,因为一旦遭遇追击,“蚊”式飞机可凭借其优异的机动性摆脱敌人,然而这个要求被无视了,琼斯苦等了2个月也没见到“蚊”式的影子,所以不得不改装一架老旧的“惠灵顿”式飞机去冒险。

1942年12月3日凌晨,空军少尉鲍尔顿驾驶着这架编号为DV-819的“惠灵顿”飞机起飞了,在寒冷的夜空中,他与执行轰炸法兰克福任务的机群会合,毅然决然地向欧洲大陆的方向挺进。

德国空军似乎并没有发现他们,两小时后,鲍尔顿驾机转弯,开始返航。就在这时,负责操作侦察接收机的乔丹少尉在耳机中听到了一段490兆赫兹的信号,他迅速草拟了一份电报交给报务员发回英国,电报称已发现目标信号,初步判断来自敌夜间战斗机。在乔丹监听的十分钟内,这个微弱的信号变得越来越强,他迅速通过机内通话器提醒机组人员注意敌机正在接近。很快,来自德国战斗机的雷达信号完全淹没了接收机的接收电平,乔丹大声提醒战友做好战斗准备,几乎与此同时,“惠灵顿”的机身猛地一震——它被击中了。

好在这次攻击没有命中飞机的要害部位,飞行员驾机做了一个俯冲转弯,尾炮手认出攻击者是一架容克-88夜间战斗机,并开始奋力还击。乔丹少尉在手臂负伤的情况下拟制了第二份电报,确认信号来自德国夜间战斗机。当“惠灵顿”飞机终于飞出那架夜间战斗机的防区时,机体已经遍体鳞伤、摇摇欲坠,6名机组成员有4名身负重伤。由于收信机被打坏,无法确认基地是否能收到电文,所以报务员在随后的两小时内顽强地敲着电键,反复拍发第二封电报的内容。

DV-819号“惠灵顿”飞机最终因受损严重而迫降在海面,6位英勇的空勤人员被及时赶来的救援队员全部救起。“埃米尔-埃米尔”的秘密终于揭晓,英国人已了解到“卡姆胡贝尔防线”所有的关键环节。



◎ 装备“列支敦士登”B/C雷达的JU-88夜间战斗机,注意机头32根偶极子组成的“弹簧床垫”天线阵


◎ 经过改进的“列支敦士登”SN2的波束更宽,不会轻易丢失目标,“列支敦士登”B/C与SN2的探测角度范围示意图


◎ Bf-110夜间战斗机的座舱模拟图,位于左上方的两块圆形屏幕即“列支敦士登”SN-2的显示装置


◎ “列支敦士登”SN2雷达早期存在近距盲区过大的问题,所以不得不使用B/C型雷达进行补盲,图中可见垂直安装的大型“鹿角”天线与机鼻中央的小型补盲天线


◎ 在盟军获得SN2雷达实物后,很快开始对其进行干扰,德军则通过改变天线的安装角度来对抗干扰的影响,图中的Bf-110机头的天线都呈45度角安装


对抗“列支敦士登”

“埃米尔-埃米尔”实际上是代表机载雷达“列支敦士登”的无线电密语。1939年,德律风根公司就已经开展了机载雷达的预研,并将试验装置安装在一架容克-52运输机上进行试飞,但崇尚进攻的纳粹空军对其并不感兴趣,所以德律风根公司将该装置的发射方向调转了90度,把它改成一款无线电高度表。1941年初,逐渐增加的夜间空防压力让机载雷达有了市场,德律风根公司的技术人员迅速行动起来,当年夏天,“列支敦士登”原型机开始试飞,次年3月,FuG202“列支敦士登”B/C型机载雷达开始正式装备夜间战斗机部队,它的工作频率是490兆赫兹,波长75厘米,最初被英国人截获到的正是改型雷达的信号。“列支敦士登”B/C的实际探测距离大约在150米至2.5千米的范围内,雷达视角约为±20度,采用复杂的“弹簧床垫”式天线,是由4组、每组8个偶极子天线组成的阵列。1943年,德律风根开始生产探测距离更远、视野更宽的FuG212“列支敦士登”C-1,它工作在420~480兆赫兹的频段上,采用的天线与旧型号相同。

1943年5月9日,一个变节的德国机组驾驶一架容克-88R-1型夜间战斗机降落在苏格兰。这令英国人大喜过望,几个月之前他们还不知道德国的“埃米尔-埃米尔”究竟是什么,而现如今一部完好无损的“列支敦士登”B/C雷达实物竟然就这样自己飞了过来,真是令人唏嘘不已。这架容克-88后来被编入英国空军的敌机评估单位进行模拟对抗,英国飞行员发现,“列支敦士登”固定的窄波束不适于捕捉大幅机动的目标,继而摸索出了能够摆脱其追踪的“开瓶器”机动动作。

道高一尺,魔高一丈。1943年末,德国空军的夜间战斗机开始装备经过大幅改进的FuG220“列支敦士登”SN-2型机载雷达,其工作在90兆赫兹的频率上,这一频段更容易制造出大功率的发射机,最大探测距离达到了8千米,而且视界达到±60度。但是,更长的工作波长使其不得不采用更为笨重的天线,这种由8根偶极子组成的“鹿角”天线严重影响了载机的飞行性能,最大飞行速度降低了50千米/小时之多。同时,早期的“列支敦士登”SN-2近距盲区过大,无法探测到距离500米以内的目标,为弥补这一缺陷,不得不再安装一套“列支敦士登”B/C或C-1型雷达来补盲,1组8根偶极子构成的补盲天线安装在机头的中央。直到1944年初,SN-2的改进型缩小了近距盲区,才让老式设备和天线彻底淘汰。

“列支敦士登”SN-2由于工作频率低,所以不受当时盟军的电子干扰和“窗口”箔条的欺骗,在服役初期帮助纳粹空军取得了巨大的战果。而且,它所使用的频率与改进型“弗雷亚”警戒雷达非常接近,很难通过无线电监听寻找它的信号,盟军是在一架战斗机照相枪拍摄的照片中偶然发现这种新型雷达天线的。戏剧性的是,1944年7月13日,德国空军第二夜间战斗机大队的一架容克88G-1,在飞过导航信标台时鬼使神差地搞反了方向,居然降落在了英国的一座机场,机上安装的最新型“列支敦士登”SN-2雷达也随之落入盟军之手,纳粹空军这种新型雷达入役8个月来未受干扰的历史很快便宣告结束。



◎ 磁控管可以在微波波段产生较大功率,也是如今家用微波炉的核心元器件,但在二战中,这是一种绝密装置


◎ H2S雷达的分辨率虽然远不能和今天的SAR雷达相提并论,但是可以从屏幕上清晰地辨认出水体、陆地和城市等明显地貌,这在当时对于辅助导航和轰炸瞄准有着重要意义


◎ 皇家空军V9977号“哈利法克斯”轰炸机是首批搭载H2S进行试飞的验证机,不幸的是,该机于1942年6月7日坠毁,搭乘该机的技术人员全部遇难,对H2S的研制带来了灾难性的影响


◎ 性能优秀的H2S地形扫描雷达成为了二战后期英美轰炸机的标配,注意这架“兰开斯特”轰炸机机腹上的“鼓包”


“硫化氢”与“温暖的家”

1940年2月,英国科学家发明了大功率磁控管,这种元件解决了更高频段电磁波的功率源难题,为研制厘米波雷达打下了基础。同年7月,经过改进的磁控管已经可以在10厘米的工作波长上产生10千瓦的功率。8月,以磁控管为核心的厘米波雷达样机成功探测到11千米处的飞机和7千米处的潜艇指挥台。

相对于分米波和米波雷达而言,厘米波雷达的分辨率更高,哪怕是地上的一个小土丘也会在雷达屏幕上显示出来,而且,城镇建筑、乡村田园、河流湖泊在雷达上的回波强弱是不同的,而轰炸机的目标大多是回波明显的城镇,英国人由此产生了借助厘米波雷达为轰炸机部队进行全天候导航的想法。

1941年11月,在2 400米高度上,基于导航用途的机载试验装置的有效距离达到了50千米,该装置最初的代号是“BN”,即“非目视导航”(Blind Navigation)的首字母缩写,但由于这个代号保密性很差,很容易就让人联想到它真正的用途,所以几天之后就被改成了“H2S”。

关于“H2S”这个代号的由来,还有这样一段故事。在该装置研制的最初阶段,丘吉尔的首席科学顾问弗雷德里克·林德曼教授曾听取过有关这一新型装置的汇报,当时他的反应冷淡,技术人员以为他不喜欢这个主意,于是搁置了研制计划。几个月后,当林德曼教授再次问及新型雷达的研究进展时,研发团队面面相觑,不知如何答复。得知项目几乎陷于停滞后,林德曼大发雷霆,反复说了好几遍“it stinks”,字面意思是“它臭了”,在这里其实有“糟透了”的意思。林德曼教授的怒斥深深印在了技术人员的脑子里,所以在为地形扫描雷达更改代号时,他们选中了具有恶臭气味的“硫化氢”(化学式为H2S)。但他们没有想到,林德曼教授批准了这一代号,并饶有兴趣地询问其由来,现场又一次陷入了尴尬的沉默,一个脑袋灵光的技术人员答道:“先生,这很简单,它的含义是——家,温暖的家(Home,Sweet Home)。”

当时英国采用的“前进”、“双簧管”无线电导航系统的覆盖范围都不能涵盖柏林,H2S由于不用接收本土地面站的信号,机组人员只需要将雷达屏幕上显示的图像与地形图比对就能够判断飞行路线。所以,尽管厘米波在对空和对海探测方面仍有极大的潜力可挖,但转入战略攻势的英国迫不及待地将厘米波雷达发展的优先权授予了H2S。1942年1月,英国空军订购了1 500套H2S雷达设备。1942年4月23日,H2S装在一架“哈利法克斯”轰炸机上进行试飞,雷达天线位于气泡型的整流罩内,安装在原机腹炮塔的位置,这成为了英国轰炸机后来的标配。

林德曼教授一直担心尚属绝密的磁控管会随着飞机的损失落入德国人之手,所以极力主张用一种速调管来替代。但是速调管在厘米波波段产生的功率只有磁控管的20至30分之一,根本无法使用。后来,英国技术人员希望在H2S上安装雷管、强酸等自毁装置,但因为可操作性太差而放弃。

1942年7月3日,丘吉尔召集会议,向技术团队下达了在10月15日前必须生产出200套H2S雷达的死命令。承受巨大压力的同时,H2S团队也被授予了各种资源调配的优先权,H2S迅速定型,包括使用速调管的替代方案在内,一切影响生产进度和战技性能的争论都结束了。即便拼尽全力,技术人员也没能完成丘吉尔布置的任务,到1943年1月1日,皇家空军安装有H2S雷达的轰炸机总共只有二十余架,但它们很快就会给德国人一个巨大的“惊喜”。


◎“兰开斯特”轰炸机上安装的H2S雷达,近处的平台是领航员的工作台


◎ 最初,H2S的雷达天线为固定式安装,但试验中发现,当载机改变飞行高度和方向时会影响信号的稳定,所以后期改为陀螺稳定安装。图为拆除整流罩后,H2S的雷达天线


◎“前进”与H2S是欧洲战场上英美轰炸机标配的无线电导航装置,二者可以互为补充,“前进”的导航较为精确,尤其在返航寻找机场时能够发挥很大作用,但由于发射台在地面,所以存在有效距离的限制,而H2S可以让领航员在屏幕上看到前方的大致地形地貌,雷达装在飞机上,完全不受距离的限制。图中左侧箭头所指为“前进”显示器,右侧箭头所指为“H2S”显示器


令戈林大惊失色的“鹿特丹”

1943年1月30日,H2S首次投入作战使用就打了个开门红,当晚的目标是汉堡潜艇基地,对于地形扫描雷达来说,这个海岸边的建筑群是个再明显不过的目标了。然而,林德曼教授的担忧很快变为了现实。仅在三天之后,皇家空军第二次使用H2S进行空袭时,其中1架“斯特林”轰炸机被炮火击中,坠毁在了荷兰鹿特丹附近。2月3日,德国技术人员在对这架飞机的残骸进行检查时,发现了H2S的惊天秘密。

德国人获得了全套H2S设备8个分机之中的6个,没有找到它的显示装置。但这已经足以让技术人员判断出这是一种首次被发现的厘米波设备,而英国此前从未披露过这一领域的进展。对于该设备的用途,专家们各执己见,有的认为这是一种夜间战斗机搜索和告警装置,有的认为这是一种导航和目标定位设备,还有的则认为这是一种遥控起飞装置。该机2名幸存下来的机组人员在面对德军的提审时守口如瓶,更让德国人坚信该装置必定非同一般。

德国人将缴获的H2S设备命名为“鹿特丹”,并将其交给德律风根公司进行研究和仿制。1942年3月1日,这套宝贵的“鹿特丹”设备在皇家空军对柏林的空袭中被彻底摧毁,然而当天晚上,1架装有H2S的“哈利法克斯”轰炸机在荷兰被击落,德国人又获得了一套新的“鹿特丹”设备,但依旧没有找到显示器。几周后,皇家空军的俘虏向德军招供了H2S的真正用途。

英国战俘的供词让德国人大致了解到H2S的功用,这种设备能显示出地物的轮廓,建筑物和森林会呈现为一块明显的亮斑,对城市的探测距离可达到40千米,通过它可以确认其它导航设备指引的航向是否正确。比如在轰炸柏林时,先要寻找勃兰登堡附近的湖泊,再发现波茨坦附近的湖泊,而后出现在屏幕上硬币大小的亮斑就可以确定是柏林。很快,德律风根公司的工程师将缴获的H2S安装在柏林一座混凝土防空堡垒内,并将其接在自制的显示器上,当电路接通的那一刻,他们第一次在闪烁的荧光屏上看到了周围地物的雷达图像,给在场的技术专家带来极大的心理震撼。连骄横的戈林在批阅有关“鹿特丹”设备的一份报告之后都不得不承认:“我揣测他们(英国和美国)在不断进步,但坦率地讲,我从未料到他们会超越我们如此之多。”

随着战事的不断发展,戈林的这种无奈开始体现在战线的方方面面,纳粹将很快意识到自己正在打着一场不可能打赢的战争。交战双方在电子领域的技术差距还在不断拉大,德国完全陷入了被英美牵着鼻子走的被动局面,在无线电干扰的交锋中,正轮番上演着一幕幕好戏。欲知详情,请关注下期文章——《干扰全面升级》。

[编辑/何 懿]

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