聊聊韓國新一代戰鬥機KF-21的雷達和電子對抗系統(全)

2021-12-17 電波之矛

二十年前,時任韓國總統的金大中在韓國空軍學院畢業典禮上宣布開發國產戰鬥機,在經歷技術封鎖和經費不足的種種曲折後,2021年4月,韓國終於迎來了從藍圖變成了現實歷史性時刻:首架自行研製的戰鬥機KF-21下線。相比於對F-X首鼠兩端的日本人、對AMCA紙上談兵的印度人,韓國人對新一代戰鬥機的魄力還是值得誇讚的。如果不發生意外,KF-21將在明年完成首飛,2026年開始裝備。

圖片來源:https://www.zhihu.com/question/453649499

最初,韓國人樂觀的認為金錢可以解決一切技術問題,但是,作為其軍事同盟的美國卻給他們一記悶棍,拒絕了其對雷達、電子戰、紅外搜索/跟蹤系統和光電瞄準系統這4項關鍵技術的轉讓。不得已韓國本土的韓華等企業,通過引進以色列等國技術,在本土實現了生產。據不完全統計,在項目研發過程中,韓國一共動員了16所大學、11個實驗室和553個供應商參與KF-X項目。這其中:

F414發動機來自美國通用電氣;

座艙蓋來自美國Texstars公司,韓國尚無生產隱身座艙蓋的能力;

緊急制動系統由西班牙CESA公司負責研製;

環境控制系統由美國聯合技術公司提供;

Mk18彈射座椅來自英國馬丁·貝克(Martin-Baker)公司;

飛彈彈射發射架、通信天線、副油箱和氧氣系統由英國科漢姆提供;

機輪制動、備用飛行顯示以及火災探測系統由Meggitt公司提供;

飛行測試儀器(FTI)系統由美國寇蒂斯-萊特公司提供;

...

儘管後來KF-X項目的雷達、電子戰、紅外搜索和跟蹤系統和光電瞄準吊艙由韓國的企業生產,但它的國產化率還是有限的。

KF-X紅外搜索和跟蹤

KF-X光電瞄準吊艙 

下面來看看KF-21的雷達和電子對抗系統。

KF-21的雷達主要有對空/對地/對海等工作方式。

KF-21的AESA雷達主要由天線裝置、供電裝置、雷達處理機、收發設備和熱交換裝置等幾部分組成。

KF-21雷達的研發最早可以追溯到2006年,其間最大的變化是參與研製的單位從最初的LIG Nex1公司變成最後中標的韓華系統公司。LIG Nex1公司的研發過程可以概括組件研發、初樣、原型、測試等幾個階段,具體如下圖。

在2000年左右,韓國國防科學研究所就開始著手研究未來戰鬥機的AESA雷達。但是,機載AESA雷達的技術壁壘非常高。為此從2006年開始韓國就進行最初的TR組件研製,韓國國防科學研究所開發了X波段GaAs MMIC(單片微波集成電路),LIG Nex1公司研製了TR組件,同時開發了微型AESA天線並對其進行了測試。經測試,TR組件在X波段、帶寬10%範圍內為10W或更高,重量為35g。TR組件模塊是條式的,由16個TR組件組成。每個TR組件模塊都有一個波束控制器,一個電源和一個RF分束器,用於控制TR模塊的幅度/相位。天線設計為通過使用雙槽饋電微帶圓形貼片天線和極化開關來實現雙極化。

2009年,韓國國防科學研究所聯合LIG Nex1開發了一個測試模型,其中集成了536 GaAs(砷化鎵)T / R組件,其輸出功率為10W。該雷達用于波束掃描、功率和冷卻有關的基本測試。這個測試模型採用在TR組件應用研究中獲得的技術,並對戰鬥機AESA雷達所需的技術進行了初步研究。經過設計,可以配置536個GaAs T / R模塊,單個輸出功率為10W,但是僅安裝了19%的模塊,在此基礎上進行了基本的波束掃描測試。T / R組件的重量為每個通道15克,並且單元模塊設計為「平板型」。單元天線使用Vivaldi天線實現了寬帶特性。

在上述研究的基礎上,2010年,LIG Nex1公司通過「機載有源相控陣雷達技術」項目研製了規模超過1000元的多模AESA雷達,並首先使用10W 的GaN(氮化鎵)T / R組件,對空對空模式進行了測試。這個原型雷達具有504個雙通道GaN T / R組件,T / R組件的重量為單通道10g,並且仍採用「平板型」設計。方位角/仰角波束掃描範圍為±60°。在地面進行了部分空對空模式的測試。通過這個項目的研究,驗證了雷達系統的集成技術、硬體技術、雷達信號處理軟體技術和雷達資源管理軟體技術。

LIG Nex1開發的原理樣機採用如下所示的功能框圖,指標如下表所示。 

指標名稱

參數

頻段範圍

X波段

發射脈寬

40us(最大)

PRF

150KHz(最大)

組件功率

10W/每個模塊

噪聲係數

<4dB@TR組件

發射波束寬度

3.73°±10 % / 4.68°±10 %

發射增益

32.9dB

發射波束寬度

4.3°±10  % / 5.49°±10 %

發射增益

31.9dB

接收信道數

4

耗電

天線裝置

2.243kW

雷達處理器

440W

冷卻水循環

800W

尺寸

天線裝置

590mm*25mm

雷達處理器

254mm*230mm*457mm

冷卻水循環

275mm*350mm*500mm

 

AESA天線如下圖所示。 

採用的Vivaldi天線,布陣方式為三角布陣。

T / R組件模塊是天線裝置的核心組件,採用如下圖所示的「平板型」,主要由天線單元、T / R組件和波束控制、控制/功率分配器,冷卻通道以及殼體組成。T / R組件模塊有20列(如下圖)、16列、12列、8列等不同規模的。 

雷達處理機內部總共有12個模塊,共用一塊母板,機箱採用6U尺寸,並且採用標準化、模塊化設計以便未來的擴展。信號處理器採用商用計算機。

冷卻採用如下圖所示的冷卻方式。

設備供電裝置如下圖。

該公司研製的原理樣機實物圖如下。

測試的部分結果如下圖。

STC的測試

產生信號的測試

發射方向圖測試

接收方向圖測試

儘管LIG Nex進行了大量的研究工作,在此T / R組件、散熱、電源、饋電、波控以及信號產生等技術方面取了不少成果,但對於對於雷達信號處理的核心算法,如目標檢測/跟蹤,以及相控陣的校正算法上,LIG Nex還是經驗不足。

2014年,韓國發布了「AESA雷達測試開發Ⅰ」項目,該項目旨在選定KF-X戰鬥機AESA雷達的天線陣列和電源的硬體供應商。最初,韓國國防科學研究所和LIG Nex公司合作,基於2013年研製的原型AESA雷達,在C-130運輸機上開展測試,薩博的SAAB公司作為技術合作夥伴也參與其中。主要測試了雷達的一些空對空模式(AAST,NAST,ACM,CST,RA,HPTT)和空對地模式(RBGM,DBS)。

正當LIG Nex公司躊躇滿志,準備大顯身手,卻被潑了一盆冷水。出於技術壟斷等多方面的考慮,在韓國議會授意下,韓國國防科學研究所轉而聯合韓華系統公司。2016年4月,韓華系統公司在競標中獲勝,贏得了AESA雷達的天線陣列和電源的硬體供應商。這個決定出乎很多人的意料,在當時引起軒然大波,畢竟,此時韓華系統公司的原理樣機和測試場地等條件均不具備。直到2017年7月,韓華系統公司終於研製了992 元的天線陣列,如下圖所示,同樣採用基於GaN的T / R組件。

其後,韓華系統公司又根據機載平臺的特點,進行了適裝性改進,最終裝機版如下圖所示。

在完成天線陣列和電源的硬體研製後,2017年,韓國發布了「AESA雷達測試開發Ⅱ」項目,該項目旨在選定KF-X戰鬥機AESA雷達的雷達處理機和收發設備的軟體供應商,這個項目主要進行AESA雷達空對空NCTR模式,空對地/海模式(SAR,GMTI,SSS,AGR,FTT)和武器射擊支持(GUN)模式,制導飛彈數據連結(MDL)模式和交錯模式的測試。韓華系統公司和LIG Nex公司均獲得的經費進行各自的研究。韓華系統公司選定的外援為以色列的埃爾塔公司。目前該項目正在進行中。

韓國國防科學研究所在2019年10月表示,KF-X戰鬥機AESA雷達演示機安裝在以色列航宇工業公司埃爾塔系統分布的波音B737試驗平臺上,在以色列進行了10次試飛,在韓國進行了6次試飛。該雷達演示機採用了國防科學研究所、韓華系統公司提供的天線和軟體,以及埃爾塔系統分部提供的信號處理機和軟體。2019年11月,韓華系統稱雷達演示機硬體評估已完成。2019年12月,國防科學研究所與韓華系統籤訂合同,增加雷達地形跟隨功能。在此之前,公開展示的KF-X戰鬥機圖片或模型顯示,飛機裝備了與美國「藍盾」AAQ-13類似的導航吊艙,似乎暗示該雷達先前不具備低空飛行地形跟隨功能。在2019年,國防科學研究所和韓華系統公司完成了KF-21雷達的研發工作,該雷達是由1,088個T / R組件組成的多功能雷達。它以15度角安裝在機身上,以減少RCS。T / R組件由歐洲UMS的CHA8610-99F GaN高功率放大器MMIC的4個通道組成,可在X波段單通道輸出功率超過13W,並具有6位數字相位/幅度控制功能。平均故障周期(MTBF)為660小時。掃描範圍為-45˚至+70˚俯仰角和±70˚方位角。對於RCS1㎡的目標,探測/跟蹤距離為123 km。它支持同時空對空/空對地搜索模式,空對地SAR模式,空對空跟蹤模式和LPI模式。

韓華系統針對LIG Nex1在AESA雷達天線陣列設計中採用條狀布局帶來的標準化困難且擴展性較差等問題,採用將4個組件封裝到一個標準化的模塊裡方法,這樣在維護性和經濟性方面都非常出色,並且具有很高的可擴展性。

此外,韓華系統還計劃提高雷達硬體的性能,採用SIP技術和柔性PCB技術的16通道小型T / R塊比瓦塊T / R塊輕了30%,比傳統的T / R塊小30%,它將取代傳統的T / R塊。

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下面聊聊KF-X的電子戰系統,KF-X的集成電子戰系統由RWR,ECM和CMDS(炸彈/火炬發射器)組成,能夠識別並幹擾各種脈衝雷達,包括AESA雷達,脈衝都卜勒雷達和連續波雷達。

KF-X的集成電子戰系統相關技術基於ALQ-200K電子戰吊艙的研製經驗。使用最新技術形式設計,例如可精確測量高速的寬帶數字接收機以及用於存儲和恢復/生成寬帶信號的DRFM,可以接收和分析C〜J波段上的寬帶RF信號信息,並產生有效的輻射輸出。此外還能產生E〜J波段的幹擾信號以及欺騙/噪聲/複雜幹擾。

ALQ-88K電子戰吊艙,ALQ-200K電子戰吊艙是從它發展起來的

展覽中的電子戰模塊

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