美軍祁觀︱美軍不差錢?—— 反導雷達更新計劃與戰略取捨
2019年03月19日17:52

原標題:美軍祁觀︱美軍不差錢?—— 反導雷達更新計劃與戰略取捨

美國2020財年軍費申請於近期推出,美國媒體表現總體冷靜,國內媒體則比較興奮。筆者在本專欄的軍費系列中討論過:“美國軍費出台過程漫長,涉及部門利益複雜,且極易受到不同機構乃至個人的意識形態和政策偏好影響。”

當前這一步只是軍費出台過程十餘個關鍵節點中的一個,具有參考性卻沒有決定性。再者,雖然特朗普的擴軍意圖很強,但是考慮到通脹率等因素,軍費實際增長有限,而由於政黨政治、程序政治、債務水平等等,進一步增長的壓力也很大。

此次軍費申請中,導彈防禦局便屬於出現了削減的部分(美國的一體化防空反導體系還有其他經費由各軍種申請),從2019財年實際到賬的100億回落到90億水平。導彈防禦局具體打算怎麼花這筆錢不在本文討論範圍。承接反導系列上一篇所談的衛星系統建設,本文將繼續討論美國反導傳感器網絡的建設。

為了提高中段反導的預警水平和製導能力,美國正在建造和部署一系列新型陸基反導預警雷達,並重點覆蓋亞太方向,包括:遠程識別雷達(LRDR),夏威夷國土防禦雷達(HDR-H),太平洋國土防禦雷達(HDR-P)和日本引進陸基宙斯盾所使用的洛克希德•馬丁固態雷達(SSR)。

在執行和實現這些計劃過程中的取捨與權衡,體現了美國維持其全球軍事霸權和領先地位的決心與挑戰。而任何武器系統、作戰體系和戰略謀劃,都是在能力要求、實現條件與成本代價之間取捨與平衡的系統工程。

天地聯動的反導預警網絡

美國反導預警體系由天地一體的傳感器(雷達、衛星)網絡構成,共同支撐著跟蹤、識別、製導、攔截和評估鏈條:

首先,由天基傳感器網絡提供早期預警信息,通過反導指揮控製、作戰管理與通訊系統(C2MBC)向地面預警雷達發出引導信息,由美導彈預警中心、巴克利地面站通過C2MBC統一掌握各種信息、統籌反導任務;

接下來,由陸基遠程警戒雷達根據早期預警信息對目標進行探測和跟蹤;

根據遠程雷達收集的信息,C2MBC對目標彈道和落點進行估算;

在此基礎上不同位置的預警雷達對目標彈道進行精確計算,並對彈頭和誘餌進行識別區分;

C2MBC在這些信息基礎上進行威脅評估,判斷是否需要攔截;

攔截嚐試後對殺傷效果進行評估,並根據評估結果決定是否需要再次攔截。

來源:胡磊等著《美國反導預警系統建設思考》,《飛航導彈》,2018年第9期,第61-64頁。

這一鏈條的每一環都非常關鍵。而能否打到首先取決於能否看得到、看得清、跟得住,陸基大型雷達是實現這些目標不可缺少的部分。

陸基雷達網

美國目前的陸基預警雷達系統包括“鋪路爪”系列遠程警戒雷達(PAVE PAWS)、“丹麥眼鏡蛇”預警雷達(COBRA DANE)、這些雷達的升級版本“升級型早期預警雷達”(UEWR)、海陸基X波段雷達(海基X波段雷達SBX、前沿模式部署的AN/TPY-2雷達),此外還包括攔截系統的製導雷達如艦載“宙斯盾”的AN/SPY-1雷達、“愛國者”的AN/MPQ-53/65雷達、“薩德”的終端部署模式AN/TPY-2雷達。

由於以上的固定大型遠程警戒雷達工作在頻率較低的P、L波段,帶寬有限,無法對目標進行識別與區分。它們只能對威脅與否進行粗糙分類,但達不到區分、識別目標所需的距離解像度(兩個目標處在雷達同樣方位角卻距離不同時,可以被雷達區分的最小距離)。由於距離解像度與帶寬成反比,帶寬與頻率成正比,因此頻率越高的雷達其距離解像度的值越小,也就是能夠區分更小的目標。因此,在目前的反導陸基雷達網絡中,識別目標的任務主要依靠X波段雷達。但是SBX與AN/TPY-2都有自身的局限。

SBX本質上是個實驗品,主要目的是技術測試,問題非常多,可靠性不足,其中一個大問題是其電子掃瞄的視場(FOV)非常有限。雷達識別目標通過三個信息 —— 方位角、俯仰角、距離,對於戰術級別、作戰對象為大氣層內空氣動力目標(飛機、巡航導彈等)的監視和預警任務而言,俯仰和方位角的要求範圍較小,但是對付彈道導彈和未來的高超聲速載具這種空間高速目標時則不然。由於後者的高仰角再入特點,預警雷達視場角需要足夠大,還要對大仰角觀測時的天線增益損失而導致作用距離降低進行彌補。SBX看得足夠遠,但其視場角僅有0~25度,相比美國其他陸基預警雷達的0~120度。SBX的“眼光”過於“狹隘”,無法處理再入大氣層時大角度分開的多彈頭或彈頭與誘餌分離後的多目標。

AN/TPY-2是非常好的雷達,無論是部署為終端模式(作為“薩德”的火控雷達)還是前沿模式(全球中段反導傳感器網絡一部分),都是美國戰區、戰略反導體系中的優質資產。美國在日本、土耳其、以色列和卡塔爾以前沿模式部署了五部該型雷達,相對於終端模式,以前沿模式部署的AN/TPY-2可以對目標“多看兩眼”,也就是延長其照射目標的駐留時間(波束駐留時間是雷達工作的最小不可分時間單元),因此能夠看得更遠更清楚。但是在美國全球遠程警戒網絡中,它看得還是不夠遠。

由於SBX和AN/TPY-2的局限,導彈防禦局在2015財年預算申請中開始啟動LRDR的研發和部署計劃。但是,LRDR卻有著名與實不夠相符的尷尬。

差強人意的識別能力

用一個詞來形容LRDR,那便是差強人意。東西絕對是好東西,但不是最理想的,是權衡、取捨不同要求和限製的產物。

LRDR計劃於2020年部署在阿拉斯加,耗資10億美元,任務定位是補強反導傳感器網絡的精確跟蹤與識別能力,正如它的名字那樣“遠程識別雷達”。但是由於LRDR工作在S波段,頻率範圍為2-4 GHz,識別能力是要減價扣的。X波段加多普勒模式是加強美國全球中段反導識別能力的最理想拚圖,而LRDR則是折中產物。

關於這方面的內容,國內媒體及自媒體近年來已經關注到了一些較新的公開信息與分析渠道,例如康奈爾大學研究員劉易斯和馬里蘭大學研究員桑卡蘭的博客(筆者與劉易斯在反導與地緣問題上也保持著溝通和學習)、約翰•霍普金斯大學應用物理實驗室的文摘簡報(洛•馬公司在反導方面的合作方)等。不過在這些渠道的分析中有些內容也是存在春秋筆法的。基於雷達的基本原理、國內軍地對此問題的研究和美國反導的需要與條件,我們可以有一個更加清晰的判斷。

根據洛•馬官方信息,LRDR將有兩面280平方米左右的天線陣列,每一面由十個陣列板面組成。這個面積比宙斯盾系統的SPY-1雷達大20餘倍,大於SBX、小於UEWR。LRDR天線採用新的氮化镓芯片(GaN)收發組件(T/R組件),而AN/TPY-2雷達則是較老的砷化镓(GaAs)組件。在相同孔徑下,氮化镓組件具有更大的發射功率、更強的抗干擾能力、更穩定的可靠性,在實現同樣性能的基礎上減小了成本。

LRDR構想圖(由十個陣列面板組成一面天線陣列) 來源:洛克希德·馬丁公司

慳錢也的確是LRDR開發中的一大考慮。在該項目上與洛•馬公司合作的約翰•霍普金斯大學曾明確承認LRDR選擇S波段是一種妥協,希望在保持靈敏度和視野基礎上,通過S波段達到“可接受”的性能,而其成本要比X波段系統低得多。如果採用X波段,這種新型雷達的識別性能固然會更好,但是在性能與成本的平衡中,美軍選擇犧牲一部分性能。

無論是LRDR還是沒有被實施的X波段雷達方案,都是不便宜的。貴在哪裡?在T/R組件。其實對於所有相控陣雷達來說,成本主要都在T/R單元上。

LRDR的氮化镓組件在一定程度上抵消了一部分成本,保證S波段上的平均功率大於SBX以及AN/TPY-2的砷化镓組件。而雷達波長越短、頻率越高,在同樣孔徑條件下所需的單元數量便越多。若是要保證同樣水平的信噪比、靈敏度和視場,X波段雷達需要的T/R組件數量對比S波段會成倍增長。

宙斯盾SPY-1D的T/R組件 來源:洛·馬公司

鋪路爪雷達天線組件 來源:美國國會圖書館

反過來說,如果T/R組件數量不夠、間距過大,便會造成雷達掃瞄角度減小。角度不到正負60度被稱為有限視場(LFOV)雷達,能夠達到正負60度可稱為全視場(FFOV)雷達。當然,雷達並不是看得越寬越好,掃瞄角度增大會帶來更大損耗,因此戰役戰術雷達如SPY-1雷達的較新型號便需要能夠從FFOV轉變為LFOV。

SBX也是一種有限視場雷達。但是導彈防禦局希望新的預警雷達擁有全視場能力,因此如果工作在X波段上,T/R組件的數量是省不下來的。S波段與X波段相比,如果固定T/R組件數量要求,前者可以成為全視場雷達,而後者則要麼做不大要麼只能擁有更小的孔徑。這樣的話,在同樣組件數量下,S波段看得更遠、信噪比更高,並能達到同樣水平的波束寬度和天線增益。

這是美軍可以接受這種取捨的原因。但無論如何,X波段雷達的距離解像度要優秀得多,能夠達到15-25釐米級別,而S波段雷達只能夠實現50-100釐米。

美軍不差錢是真的。同時美軍也是真的差錢。攤子鋪得太大,面面俱到無法實現。美國反導陸基導彈網的更新計劃體現了其在維持全球霸權方面的決心與能力。有舍才有得,有取必有舍,小到一個裝備構型,大到國家安全戰略規劃,都是這樣運行的系統工程。

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