机载雷达和隐身技术，会不会演变成兵器发展上的一对宿敌？ 第1页

作者：王孟源

发表日期 : 2014-08-05 20:16

我曾在前文《一架F22戦机完胜中共空军？》里简单提到了现代隐身飞机与反隐身雷达之间的发展兢赛，在本文我将补充一些细节。

一般讨论雷达对飞机的探测，用的单位是截面积（σ）。以Su-27为例，报章杂志上常称其正面的雷达截面积为5平方公尺，这是什么意思呢？在下面的简单示意图里，我们可以看出雷达的波束是锥状的，这个锥形的截面通常是圆形，而这圆形截面的大小（C）会与距离（r）的平方成正比，也就是C=s×r^2，这里的s是锥形顶端的三维空间角。如果我们做以下的两个假设：1）雷达波的功率（P）平均分配在这圆形截面上；2）目标拦截了一部分（σ/C）雷达波并将之向四面八方均匀散射，那么反射波的总功率就是P×σ/C，而既然四面八方的圆周总面积是4πr^2，则雷达接收天线（假设其有效面积Effective Area=A）将收到其中的A/4πr^2，所以雷达收到的反射波功率是两者的乘积，即P×σ×A/(4πr^2C)=P×σ×A/(4π×s×r^4)。所以雷达的探测能力与发射功率P成正比，与波束寛度s成反比，与雷达接收灵敏度A成正比，与距离的四次方成反比，而与σ成正比。这里的σ就是一般所谓的雷达截面积。

既然雷达截面积σ并不是真正的截面积，只是代表雷达波被散射回原方向的一个等效变数，那么不同的形状就会造成不同的σ。可是原本雷达截面积只能用测量飞机模型对雷达波的反射来决定，对设计师来讲，要如何减低σ这个问题是千头万绪，无从着手。但是在1964年，一个默默无闻的苏联数学家Pyotr Ufimtsev向一个很不重要的大学的内部学术期刊Journal of Moscow Institute of Radio Engineering投了一篇论文，叫《Method of Edge Waves in The Physical Theory of Diffraction》（《如何计算边界波的绕射》），给出了从飞机表面形状来计算雷达截面积的方程式。苏联的保密审查员有外国的月亮比较圆的偏见，以为本国的基础研究成果没什么了不起的，就让那篇论文发表了，而且还可以寄到美国。十年后，洛克希德（Lockheed）的一名工程师在图书馆里偶然翻到这篇论文，认出它是稀世珍宝，由此开发出了世界第一架隐身飞机，也就是F117。

因为40年前的电脑还很原始，F117的设计师们不能探索太多不同的形状（连曲面都不能算，只好用平面拼出一个好似刀削斧切出的形状），所以只好专注在隐身性能上，结果气动效率很低，超音速是不可能的了，只能做为攻撃机（Ground Attack Aircraft）使用。到了1980年代，美国的隐身技术进步了，才做出隐身和气动性能兼顾的B2轰炸机；到了1990年代，才做出世界第一架超音速隐身飞机，也就是F22。

B2和F22都号称将雷达截面积降低了四个数量级，也就是雷达截面积降到了类似其大小的非隐身军机的万分之一，所以敌方雷达对它们的探测距离就应该缩减为十分之一（因为雷达的探测能力与σ成正比，而与距离的四次方成反比）。以台湾的F16装备的AN/APG-66雷达为例，其对戦斗机的最大探测距离为140公里，如果降到十分之一，也就是14公里，那么F22自然可以轻易地在80公里外发射AIM-120中程空对空飞弹将它撃落，自己则轻松掉头飞走。

可是隐身技术真有这么神吗？苹果每一代的iPhone都号称比前一代快三到四倍，你相信吗？其实新的iPhone在几百个测试里只要有一个加快了三四倍，苹果就会高高兴兴地用这个数据，那怕用户的实际经験是只快了30%。要是所有的测试都快不到三倍也不要紧，苹果把作业系统稍改一下，让旧的iPhone慢下去，三倍的比率自然就出来了。隐身技术也有点像iPhone：有些人认为所谓的四个数量级是作弊吹牛出来的（这涉及高度机密的技术资料，结论无法确定）；就算没有夸大，这个数据的确是只有在最理想的条件下才可能达成。

有哪些条件呢？雷达波并不是只有一种，做为电磁波，其最重要的特症就是有不同的频率（f）；由于电磁波在空气中的速度基本上等同于真空光速（c=3×10^8公尺/秒），其波长（λ）便自然与频率成反比，即c=f×λ。一般来说，军用雷达波依频率/波长分为以下几个波段（UHF在雷达行业里的定义和通讯用的略有不同）：

波段 频率 波长

HF 0.003-0.03 GHz 10-100公尺

VHF 0.03-0.3 GHz 1-10公尺

UHF 0.3-1 GHz 30-100 公分

L Band 1-2 GHz 15-30 公分

S Band 2-4 GHz 7.5-15 公分

C Band 4-8 GHz 3.75-7.5公分

X Band 8-12 GHz 2.5-3.75 公分

Ku Band 12-18 GHz 1.7-2.5 公分

最早的对空雷达是1936年英国的AMES（Air Ministry Experimental Station，空军部实験站）Type 1，用的是25MHz/12公尺的HF（High Frequency，高频）波段。但是雷达设计师们马上就开始研究频率更高的雷达，到二次大戦初期，絶大部分的雷达已经改用VHF（Very High Frequency，甚高频）波段；这主要是因为收发天线的尺寸都必须与半波长类似，波长越小，天线也可以做得越小（这对动辄有上千单元的现代阵列天线尤其重要）。因为电视广播用的也是VHF，台湾人应该对其天线很熟悉，它是鱼骨形，学名叫“八木天线”（Yagi Antenna），因为它是在1926年由东京帝国大学的两名教授八木秀次和宇田太郞所发明的。日本人也相信外国的月亮比较圆，所以根本不知道这发明有多重要；到1928年。八木教授在美国的学术会议给了演说，八木天线立刻传徧英美。日本军方要到1942年攻下了新加坡，才第一次看到这种天线，在雷达的说明书里读到Yagi Antenna，不明就里，还特别把被俘的英军雷达技师从戦俘营里找了出来询问，这才知道Yagi是“八木”的英文翻译。

改用频率更高的波段还有一个好处，就是可以分辨目标的形状。波的反射性质和一般人（其实不只是一般人，牛顿也曾犯过这个错误）熟悉的子弹式轨迹大不相同，也就是有绕射现象。这可以分成三个类别来讨论：1）当障碍物远小于波长时，以绕射为主，能量向四面八方均匀散射，也就是前面我们定义雷达截面积时做过的假设；2）当障碍物大小约略等于波长时，绕射反射皆有，能量主要向入射方回头散射，但是方向性不明显，此时雷达接收到大约两倍于基于均匀散射假设所预测的反射波，所以有些人说反射波因“干涉”而增强；3）当障碍物远大于波长，亦即在波长的八倍以上时，可以视为纯反射，此时障碍物的表面形状决定各部位如何反射雷达波，雷达接收的信号可以经由电脑计算来反推目标的大致形状，尤其是引擎风扇叶片数特别容易分辨，现代雷达经常由此而确认目标的机型。

此外，高频率波段也比较容易做出较窄的波束，这様不但功率密度增加，而且在方位角的定位精度也会大幅提高。尤其是雷达导向飞弹的出现，对雷达定位精度做出史无前例的要求，以当时的技术，只有X Band以下才能勉强满足。由于以上的种种因素，再加上阵列天线的发明与普及，苏联，西欧和美国的军工厂商自1970年代起，基本上除了超大型的战略警戒雷达（如台湾近年出銭请美国建造管理的“铺路爪”，选用了VHF）外，不再使用L Band以上的波段。不幸（对雷达使用者而言）的是，这个现代化的步骤不经意地鼓励了隐身技术的发展；理由很简单：S Band以下的波段其波长在15公分以下，八倍波长只有不到1.2公尺；而F117的外形基本上由至少一公尺长的直线构成，像镜面一様把这些新式雷达的电磁波集中反射到几个特定的方向，散射回入射波方向的功率微乎其微。这恰是隐身技术的学理基础。

战斗机用的雷达，因为空间有限，更是全面採用了X Band以下的波段，其波长在3.75公分以下，八倍波长也只有不到30公分。有了新式电脑的F22设计团队（包括了洛克希德，波音和通用动力）便有了更大的自由来满足气动方面的要求。最重要的是F22可以採用常规布局，带边条的主翼在前，平尾在后，外形虽然多了不少长度颇小于一公尺的边线，但是不像F117和B2的飞翼机形在超音速飞行时阻力那么大。此外例如弹舱门缝原本是个大反射源，现在可以设计成锯齿形边缘；只要锯齿每一边都大于30公分，那么雷达波仍然会被安全地集中反射到旁边去。又如最新的F35战斗攻撃机所用的F135喷射引擎喷射口，还是做了这种锯齿形处理。不过这些隐身设计既然都是针对短波长的雷达而做的，F22和F35对旧式的长波长雷达的截面积就反而与非隐身战机差不多了。但是到了F22出现的1995年，F22设计时的假想对手-苏联-早已分崩离析，至今俄国国力仍旧衰弱，虽然对反隐身雷达的研究做了些投资，美国根本不把他放在心上。要有系统有效率地开发出能撃破F22的隐身盾的新长矛，还是只有中共。

既然形状是隐身技术的主要环节，反制它的最自然的手段就是回头用L Band以上的大波长雷达波，尤其是VHF，其波长在一公尺以上，F22的许多一公尺上下的边线，刚好因“干涉”现象而呈现特强的反射。不过VHF天线实在太大了，连预警机都装不下，只有海军舰只才适合装备。在1980年代，中共的军工技术还只相当于美苏1950年代的水准，恰好有从苏联引进的旧VHF雷达做様本，用现代的积体电路换掉了真空管之后，居然就是一型反隐身能力极强的警戒雷达，这就是H/LJQ-517 。经过将近30年，中共的军工技术已经开始超越俄国，可以望美国的项背；但是今年三月才刚服役的最新型052D驱逐舰，仍然装备了H/LJQ-517系列，可见其藉着大波长的物理性质在反隐身任务上所具有的独特优势是很难以工程手段来复制的。

VHF雷达的波束太寛，虽然可以在远距离侦测到隐身战机，却不能进行精确定位，也不能做目标识别。做为警戒雷达，寛波束不是太大的问题，它仍旧可以及早发现可疑的隐身目标，但是接下来的跟踪，鎻定和飞弹制导还是必须由波长较短的雷达来执行。为了祢补波长上吃的亏，必须用工程上的手段来加强雷达的功率密度和增益（Gain），而这就必须从天线的设计上着手。

远在1960年代，所有UHF波段以下的雷达天线还都是抛物面式的；当时最尖端的科技是脉冲多普勒雷达（Pulse－Doppler Radar），也就是根据反射波的相位改变来分辨目标的速度，从而把高速运动的军事目标和背景分离出来；这就是所谓的下视下射（Look-Down Shoot-Down）功能的基础。在此之前，因为地面的反射波太多太杂，飞机上的雷达是不能向下看的。那个年代开发出来的雷达，现在还在国军序列中广泛使用，例如E2T预警机上的AN/APS-145雷达用的就是UHF频道的抛物面天线（美国最新的E2D将升级採用的AN/APY- 9 ，还是UHF波段，但是改为AESA天线，不过还没服役）。

1960年代开始的新一代阵列式天线的研究，到1970年代之后逐步开花结果，到现在已经全面取代了抛物面式天线。

最简单的阵列式天线是缝隙阵列天线（Slot Array Antenna），早在1938年就发明了，但是到1970年代微电子技术成熟以后才获得普及。它利用电磁波相位干涉的原理加强波束中心（“主瓣”）的强度并抑制浪费到其他方向（“副瓣”）的能量。套用在本文前部的公式，就是藉缩小波束寛度s来增加雷达的探测能力；因为s与阵列单元的数量n成反比，而雷达的探测能力也与波束寛度s成反比，所以探测能力与n成正比，不过每个缝隙单元的功率和效率基本等同于双极天线，一对一比较时是远远比不上抛物面式天线的，因此缝隙阵列天线只有在波长较短的X Band以下时有足够大的n，才最有竞争力。

缝隙阵列天线基本上仍是一种机械装置，波束只能向垂直于天线的方向射出，因此与抛物面式天线一様，必须依靠机械转向。而转向用的机械必然有重量大，结构复杂，容易故障等缺点；而且机械转向很慢，对波束寛的警戒雷达来说还不​​要紧，对搜索雷达而言，完成一次扫瞄需要较长的时间，在敌情千变万化的现代战场环境里，实在是个缺点，也因此使得缝隙阵列雷达的海军使用比较有限，其应用以1970年代服役的美军战斗机为主；主要是因为其探测距离长的优点，对制导当时刚出现的半主动雷达空空导弹甚为重要。如F14，F15和F16的原装雷达都是缝隙阵列。又如英国制的EF2000第一版CAPTOR雷达，用的也是缝隙阵列；不过在21世纪，这是已经明显落后的装备，只因西欧的军用雷达技术远远落后于美国，不得不为之。俄国的雷达技术更加糟糕，SU-27的N001雷达原本计划使用缝隙阵列天线，但是苏联在1980年代做不出来，只好仍用抛物面式天线。等到1990年代Tikhomirov设计所终于在Bars N011雷达上用了缝隙阵列天线，结果性能太差，没有顾客，所以又等了十年，有了印度当冤大头，才有銭改进为採用PESA（Passive Electronic Scanning Array）的N011M和N035。

PESA就是针对机械转向很慢这一缺点而改进的；它和缝隙阵列一様都由全阵列共用一个微波幅射產生器，但是（依接受方向的顺序）加入了移相器（Phase Shifter）和1级与2级馈电装置（Level 1 & Level 2 Feed），然后才经过缝隙阵列也有的双工器（Duplexer），波导（Waveguide），接收机保护装置（Receiver Protection）和放大器（Amplifier）。其主要的新功能在于每一个天线单元都可以有它自己不同的相位，如此一来波束可以偏离垂直方向，不需机械转向就能扫瞄大片的空域，这便是所谓的电子扫瞄（Electronic Scanning）。电子扫瞄比机械扫瞄快得多了，完成一次搜索只需几毫秒。 PESA的缺点在于其电磁波通路最长，移相器和馈电装置对增益有负影响（单程大约-2.1dB），浪费了部分功率。不过PESA的快速扫描能力对全自动高速掠地飞行和非目视精确轰炸至关重要，而且轰炸机的电力供应远比战斗机充裕，一点额外的损失无伤大雅，所以总体来考虑，PESA特别适合低空轰炸机和其他大型军机。最早的空用PESA是1977年服役的E3预警机所用的AN/APY-1（增加对海搜索能力后，改名为AN/APY-2）和1983年开始服役的B1B所用的AN/APQ-164（同年，Ticonderoga号巡洋舰服役，其所装备的AN/SPY-1神盾雷达也是PESA）。随后的B2所用的AN/APQ-181原本也是PESA，在2010年改进成了AESA。俄军的SU-34战斗轰炸机用的V004雷达也是PESA。至于空优战斗机用PESA的就不多了，只有AESA技术有问题的俄国（SU-30MKI和SU-35）和法国（Rafale，阵风）才不得已而为之。

最新的雷达天线技术是AESA。英文的“Active”一般翻译为“主动”，它的真正涵义是指阵列的每个单元都有自己的驱动逻辑，可以独立工作。而“Passive”（“被动”）当然就是指很多单元共用一个驱动逻辑。这个技术性的辞汇定义和15年前用在LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示）萤幕的所谓Active Matrix（主动矩阵）和Passive Matrix（被动矩阵）是一様的。用在雷达天线阵列上，主动阵的每个单元有它自己的T/R Module（发射/接收组件），而被动阵必须共用一个微波產生器。

AESA相对于PESA的优点在三个方面：首先，AESA的电磁波通路比缝隙阵列还要短，虽然T/R Module的效率稍低于PESA和缝隙阵列用的TWT（Traveling Wave Tube，行波管） ，但是整体来说，AESA的效率还是最高的。其次，现代的T/R Module用的是固态（Solid State）的砷化镓（GaAs）晶片，可靠性要远高于TWT。但是最重​​要的差别还是在于AESA可以数位化，以软体程式来控制波束，所以有许多以前想都想不到的新功能，例如它可以同时发射好几个波束，这些波束甚至可以用不同的频率等等。又如雷达干扰器的工作方式之一是在接受到敌方雷达波后，立刻送回一个和反射波相似但是频率稍变的波束，用以困惑对方的相位多普勒电路，这个功能可以整合进AESA雷达里面。

最早实用化的AESA是瑞典Ericsson在1985年开始研发的Erieye空用预警雷达（AEW&C，Airborne Early Warning & Control）。 Ericsson是世界微波通讯的领头企业，完全有能力独力发展全新一代的微波探测技术。而当时美国的军用雷达制造商已经花了20年的心血和资金在老技术上，把缝隙阵列的技术潜力发挥得淋漓尽致，第一世代的AESA看来就并不是特别有吸引力。 1993年Erieye服役之后证实了AESA雷达的革命性优势，AESA成为所有新雷达的标凖，除了破產的俄国和欢欣享受和平红利的英法没有积极发展AESA之外，世界上主要的军工国家都全力投入，也就是以色列，美国和中共。

苏联解体之时，军工企业忽然断炊，连薪水都发不出来，絶大多数犹太裔的专家因而移民以色列，以色列一夕之间跻身一流军工国家之列，在雷达方面他们的杰作就是Phalcon（Phased Array L-band Conformal Radar）空用预警雷达。 Phalcon採用L Band，比用S Band的Erieye抗隐身能力更胜一筹，是1990年代世界最佳的空用预警雷达，比美军的E3用的PESA先进了一代。

中共在1994年签约引进Phalcon，但美国强迫以色列于2000年撕毁合约，拆下已装好的雷达，于是中共加速投资自主开发的L-Band AESA。 2005年，首艘052C驱逐舰服役，舰上装有四面H/LJG346阵列，是世界第一部大型舰用AESA雷达。 2013年，052D驱逐舰服役，装有更先进的H/LJG346A雷达，改用更大功率的T/R module和内建液冷系统，因而外表不再是为气冷而设计的曲面。在空军方面，空警2000预警机于2007年加入中共空军序列，性能超过了Phalcon。随后又发展了小号的空警200。去年，第二代的空警500开始露面。如今共军预警机的开发瓶颈不在雷达，而在载机，这必须等到C919客机在2016年服役之后才能完全解决。

美国在苏联解体之后，也享受和平红利，并没有急着换装已有的缝隙阵列和PESA雷达；只有为全新的F22开发X-Band AESA，这就是AN/APG-77，2006年服役，它是世界第一部实用的战斗机用AESA（之前日本F-2装备的J/APG-1性能并不比同时代的缝隙阵列雷达有明显的优势），至今仍是所有其他战机雷达的标竿。到2010年后，升级F15，F16和F18用的AESA雷达先后完成，不过美国目前财务困难，全面换装遥遥无期。

AN/APG-77和后续为F35而衍生的AN/APG-81虽然技术先进，功能强大，其反隐身的能力仍然受X-Band波长的限制，远不及共军装在预警机和区域防空舰的L -Band和S-Band AESA。这当然不是巧合。美国独霸隐身技术有30年之久，他自己没有迫切的反隐身需求，而中俄则相反。尤其是中共，其军用电子技术经过20多年的精心培育，已经发展到几乎赶上美国的地步，不但在大型低频AESA领先美国，连X-Band雷达也只有5-10年之遥，例如前年定型的J-10B配有中共第一代X-Band AESA（有人说J-10B原本装了PESA，生產很小的数目后AESA就出来了，从此改用新雷达；不论这传言真假，2014年下线的J-10用的确是AESA），相当于美国正在兜售给国军F-16A/B升级用的SABR（Scalable Agile Beam Radar）；而J-16所配备的中共第二代X-Band AESA则基本等同美国海军为F-18E/F升级所开发的AN/APG-79。

F-117的雷达截面积（纵轴）对雷达波频率（横轴）的关系。只有在5-15GHz（即C，X和Ku-Band）才完全隐身，对L-Band其截面积高达0.6平方公尺，空警2000可以在250公里外轻松截获其反射讯号。F-117的飞行性能基本上像一只装了印擎的猪，执行任务全靠隐身，一旦遇到L-Band预警机就只有等被烧烤的份。难怪空警2000一出现，美军就急忙在2008年把F-117提前淘汰，还嘴硬说是为F-35让道；其实F-35计划毛病丛生，到现在还不能真正量產。

希望有耐心读完全文的读者到此了解为什么F22和F35对共军已经没有压倒性的优势。美军因此必须依赖B2和B3这些隐身轰炸机。它们因为採用了飞翼形设计，外形折线尺寸在十公尺以上（如B2翼展每边26.2公尺，其前缘就是一条直线），对L-Band仍然具有极为有效的隐身能力。当然共军也在开发HF频道的大波长雷达阵列，由于电离层的反射，HF电磁波甚至可以越过地平綫前进，因此又叫“天波雷达”，其波长则刚好对隐身轰炸机有最佳的探测效果。像这様的道高一尺魔高一丈的攻防技术竞赛是军事歷史上的常态，在可见的未来，仍将继续下去。