346雷達技術方案的確立——052C型驅逐艦核心系統的研發歷程

2020-12-25 田柳Talk

夢想的種子一旦種下,在執著的環境中便會發芽。在獲得"宙斯盾"艦能力目標的問題上,中國海軍邁開的步伐要比大多數人想像中早得多。中國海軍建造類似於"宙斯盾"系統軍艦,也就是所謂的"中華神盾"艦,肇始於國產大型艦載固態相控陣雷達的研發醞釀。1984年,中國海軍代表團飛抵大洋彼岸的美國,參觀這個軍事強國的部分海軍裝備以及太平洋艦隊聖地牙哥軍事基地和海軍工廠。代表團對當時最先進的"提康德羅加"級飛彈巡洋艦上裝備的四面陣相控陣雷達和飛彈垂直發射系統豔羨不已。他們深感中國海軍裝備的落後,立志要研製出具有世界先進水平的現代化裝備!

歸國之後,旋即安排專家根據資料向海軍裝備技術部起草了相應的報告,引起了海軍決策層的高度關注。1989年11月,海軍艦載雷達研討會在秦淮河畔的電子工業部第十四研究所召開。會上,為了滿足艦載環境和使用要求,使中國海軍裝備上一個層次,十四所艦載雷達科研團隊大膽提出一個全新體制的實現構想,也就是採用不同於"宙斯盾"系統無源相控陣雷達的固態有源相控陣體制。其基本構想是將採用S波段的4面陣有源多功能相控陣雷達系統,裝在改進型的052B型驅逐艦艦體上。052B與採用美制LM2500燃氣輪機的052型驅逐艦在艦體設計上有某種延續性,但改用烏克蘭的燃氣輪機機組和引進的俄制施利基區域防空飛彈系統。

裝備吊裝裝填的海紅旗9艦空飛彈貯運發射箱

由於052B主要目的是理順艦體和烏克蘭燃氣輪機機組的關係,艦載系統實際上是簡化型的,整艦帶有試驗性質,特別是艦體噸位帶有一定的冗餘度。所以052B改進型的排水量可以做得比當時的052B方案更大一些,足以容納紅旗9遠程防空飛彈系統的某種艦載版本,甚至還能裝備較完整的反艦飛彈系統並攜帶至少一架反潛直升機。從而在全艦綜合作戰水平上,向當時美國海軍正在建造中的"阿利.伯克"級"宙斯盾"驅逐艦靠攏。14所提出的S波段有源相控陣雷達方案,正是將052B的艦體與紅旗9遠程防空飛彈系統結合起來的關鍵。

1991年,14所提供給海軍裝備部初步方案是:按照052B艦體所允許的4X4米陣面面積,採用S波段約需要4000個左右的有源單元,探測距離可達300公裡。這一指標對於海軍裝備部的影響是相當深刻的。要知道,海軍裝備部最早對改進型052B雷達系統所提出的距離指標也就是200公裡,這因為海紅旗9(HH-9)是航天系統的作品,根據其對HH-9火控制導體制的理解,他們向海軍提出的一個C波段相控陣雷達方案構想在結合了052B改進型艦體對雷達重量、高度、陣面面積以及國內的材料和工藝水平等後,認為最大探測距離也就是200公裡左右。

052B型驅逐艦首艦168號

不過,14所在加入052B改進型驅逐艦的整體論證後,在綜合考慮全艦整體設計要求的情況下,向海軍提出了一個由3456個有源單元構成,能夠滿足200KM搜索、探測要求的S波段相控陣主陣面加上一個小小的C波段HH-9飛彈信標應達陣面的方案。但是,由於研製HH-9的航天系統認為,他們在研製052B相控陣雷達方面應該更有發言權。畢竟改進型052B的相控陣雷達主要就是為 HH9飛彈服務的。所以,航天系統也組建了一個雷達團隊與電子工業部的第14研究所競爭。

他們提出的方案就是前述的那個C波段多功能相控陣雷達。與電子工業部14所的方案相比,兩個方案的差別首先在波段的不同上。眾所周知,無線電波長與雷達性能密切相關,首先就是探測距離,眾所周知,無線電頻率越低,波長越大,S波段的頻率大約是2-4GHZ,波長0.15-0.075米,而C波段的頻率大約是4-8GHZ,波長0.0375-O.075,我們知道無線電波長越長,衍射能力越強,傳播過程之中信號能量損失就越小,相應的探測距離也就越遠。

中國早期"盾艦"的基本構想是將採用S波段的4面陣有源多功能相控陣雷達系統,裝在改進型的052B型驅逐艦艦體上,用於紅旗9艦空飛彈的制導

波長也有自己的缺點,那就是波長越長,也會帶來一系列問題,首先是天線增益,天線增益也是決定雷達探測距離的一個重要參數,天線增益與波長呈反比,也就是說天線孔徑也一定的情況下,波長越長,天線增益也低,從而影響雷達的探測距離,不過天線增益與天線孔徑呈正比,所以波長越長,天線孔徑就需要增加,以提高天線的增益,來保證雷達的探測距離,波長越長也會影響雷達另外一個探測距離,那就是方位分辨能力,這是因為雷達分辨能力與波長呈反式,和天線孔徑呈正比,換句說波長越大,就會影響雷達的分辨能力,這樣就需要增加天線孔徑來平衡。

天線孔徑的增加意味著天線的重量和體積的增加,尤其是相控陣天線,它的天線結構和重量遠大於普通天線,並且平面相控陣天線的掃描範圍有一個限制,即掃描角度的增加,會造成波束的展寬和有效孔徑投影區的降低,從而影響雷達的探測距離,因此平面相控陣天線的探測範圍大約是 /-60度,這樣一個天線只可能覆蓋120度,三塊天線才能實現全向的覆蓋,對於水面艦艇來說,考慮到運動造成的掃描空白,還需要增加一個天線,所以我們看到宙斯盾艦艇一般需要四塊天線才能保證全向的空域就是這個原因,天線重量的增加,由於它的距離艦艇的重心較遠,力矩較大,這樣會導致艦艇重心的上升,從而影響艦艇的穩定、快速和機動性能,所以這需要降低雷達的天線位置,因此我們看到宙斯盾艦艇的天線位置一般較低。

發射海紅旗9遠程艦空飛彈的052C首艦

天線位置低則會產生另外一個問題,那就是雷達的視距,特別是對於低空目標的探測距離,我們知道現代反艦飛彈多採用低空突防,末段掠海攻擊目標,而雷達視距有兩個參數,天線高度和目標高度,因此雷達天線高底越小,對於掠海目標的探測距離就越低,所以宙斯盾對於高空目標的探測距離達到300公裡,但是對於掠海反艦飛彈則只有30公裡左右,只有前者的1/10。

由此我們知道,14所選擇S波段,最關鍵的就是保證探測距離,考慮到防空艦艇是為了海軍機動作戰編隊提供防空屏障,自然是探測距離越遠越好,但是這樣做就需要採用更大的天線,來保證天線增益和雷達解析度,為了保證艦艇的性能,相應的就需要降低天線的安裝位置,增加艦艇的排水量,航天系統選擇C波段的原因也非常簡單,那就是控制天線的體積和重量,從而降低對於艦艇噸位的要求,這在當時國家實力還比較有限的情況下顯然有著非常現實的意義,不過付出的代價也就是整體性能受到限制,尤其是探測距離降低。

不過,航天系統的雷達團隊是搞跟蹤雷達出身,對多功能多目標相控陣雷達的研製缺乏經驗,也缺乏理解。所以14所指出,航天系統提出的C波段雷達在多功能多目標情況下,連200KM的搜索距離都保證不了,更不用說跟蹤了。經兩次論證後,海軍裝備部負責052B艦的項目組傾向於14所的方案。並且表示對14所有信心, 因為14所是國內唯一的曾經成功研製出多功能多目標相控陣雷達的單位。擁有一個龐大的,各專業健全的,並具備實際經驗的系統團隊。從1991年10月開始,14所也開始抽調精兵強將進行全面的雷達總體設計調整和詳細論證,利用計算機對雷達的各種可能的工作模式和各項指標要求進行計算和仿真模擬,找出最合理的能量分配(時間分配和功率分配)方案,力爭在最短的時間裡突破關鍵技術。

按照海軍當時的構想,雷達方案應該儘可能快的確定下來,並在3-5年後就能夠達到裝艦狀態。海軍在21世紀前就有可能獲得第一艘性能接近於美國海軍"阿利.伯克"級"宙斯盾"艦的驅逐艦,從而在裝備性能上獲得一個躍進。可惜,好事多磨。由於各種錯綜複雜的原因。此後052B改進型的相控陣雷達方案選型論證,仍然在航天系統團隊的C波段方案和電子工業部14所團隊的S波段方案間徘徊了好幾個月的時間,直到1992年7月才正式結束。

第三論證正式認可了14所的S波段有源相控陣雷達方案,並對方案指標進行了重新調整:比如,從雷達的實戰要求出發,將雷達搜索覆蓋距離定在了大於等於300Km的指標;陣面有源單元由3456 個增加到4768個;並對陣面的重量,散熱,可靠性,可維護性,及將來生產工藝的國產化率都進行了嚴格的審核。此後,14所雷達團隊又與052B改進型艦的整體設計單位進行了對接,對改進型052B型驅逐艦的結構和重心,要求抗風浪的能力,艦艇發動機的能力,艦艇進攻,轉彎和撤退的速度要求等進行了了解。

特別是對艦艇抓總單位預計分配給4面陣的面積,重量,厚度,及雷達艙內的大致安排情況進行了溝通。一起討論了將來陣面在艦上的擺放位置和角度、冷卻系統的設想,電磁幹擾的影響,以及與其他武器裝備(簡稱"武備")系統效能發揮的影響等等的細節。此外,14所雷達團隊還與其他艦用設備相關單位進行了溝通,對雷達的艦用計算機(海上的振動,腐蝕強度是極大的),羅經儀(精度,相應時間)等設備進行了調研,這些都與雷達系統的設計有密切的關聯。

傳統上,中國海軍的新艦設計中,艦體、動力設計是主導,作戰系統只是一個關鍵子系統。但052B改進型驅逐艦的艦載系統卻高度複雜,整個軍艦的設計必須要圍繞艦載系統展開

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