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美军祁观︱美军不差钱?—— 反导雷达更新计划与战略取舍
美国2020财年军费申请于近期推出,美国媒体表现总体冷静,国内媒体则比较兴奋。笔者在本专栏的军费系列中讨论过:“美国军费出台过程漫长,涉及部门利益复杂,且极易受到不同机构乃至个人的意识形态和政策偏好影响。”
当前这一步只是军费出台过程十余个关键节点中的一个,具有参考性却没有决定性。再者,虽然特朗普的扩军意图很强,但是考虑到通胀率等因素,军费实际增长有限,而由于政党政治、程序政治、债务水平等等,进一步增长的压力也很大。
此次军费申请中,导弹防御局便属于出现了削减的部分(美国的一体化防空反导体系还有其他经费由各军种申请),从2019财年实际到账的100亿回落到90亿水平。导弹防御局具体打算怎么花这笔钱不在本文讨论范围。承接反导系列上一篇所谈的卫星系统建设,本文将继续讨论美国反导传感器网络的建设。
为了提高中段反导的预警水平和制导能力,美国正在建造和部署一系列新型陆基反导预警雷达,并重点覆盖亚太方向,包括:远程识别雷达(LRDR),夏威夷国土防御雷达(HDR-H),太平洋国土防御雷达(HDR-P)和日本引进陆基宙斯盾所使用的洛克希德•马丁固态雷达(SSR)。
在执行和实现这些计划过程中的取舍与权衡,体现了美国维持其全球军事霸权和领先地位的决心与挑战。而任何武器系统、作战体系和战略谋划,都是在能力要求、实现条件与成本代价之间取舍与平衡的系统工程。
天地联动的反导预警网络
美国反导预警体系由天地一体的传感器(雷达、卫星)网络构成,共同支撑着跟踪、识别、制导、拦截和评估链条:
首先,由天基传感器网络提供早期预警信息,通过反导指挥控制、作战管理与通讯系统(C2MBC)向地面预警雷达发出引导信息,由美导弹预警中心、巴克利地面站通过C2MBC统一掌握各种信息、统筹反导任务;
接下来,由陆基远程警戒雷达根据早期预警信息对目标进行探测和跟踪;
根据远程雷达收集的信息,C2MBC对目标弹道和落点进行估算;
在此基础上不同位置的预警雷达对目标弹道进行精确计算,并对弹头和诱饵进行识别区分;
C2MBC在这些信息基础上进行威胁评估,判断是否需要拦截;
拦截尝试后对杀伤效果进行评估,并根据评估结果决定是否需要再次拦截。
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这一链条的每一环都非常关键。而能否打到首先取决于能否看得到、看得清、跟得住,陆基大型雷达是实现这些目标不可缺少的部分。
陆基雷达网
美国目前的陆基预警雷达系统包括“铺路爪”系列远程警戒雷达(PAVE PAWS)、“丹麦眼镜蛇”预警雷达(COBRA DANE)、这些雷达的升级版本“升级型早期预警雷达”(UEWR)、海陆基X波段雷达(海基X波段雷达SBX、前沿模式部署的AN/TPY-2雷达),此外还包括拦截系统的制导雷达如舰载“宙斯盾”的AN/SPY-1雷达、“爱国者”的AN/MPQ-53/65雷达、“萨德”的终端部署模式AN/TPY-2雷达。
由于以上的固定大型远程警戒雷达工作在频率较低的P、L波段,带宽有限,无法对目标进行识别与区分。它们只能对威胁与否进行粗糙分类,但达不到区分、识别目标所需的距离分辨率(两个目标处在雷达同样方位角却距离不同时,可以被雷达区分的最小距离)。由于距离分辨率与带宽成反比,带宽与频率成正比,因此频率越高的雷达其距离分辨率的值越小,也就是能够区分更小的目标。因此,在目前的反导陆基雷达网络中,识别目标的任务主要依靠X波段雷达。但是SBX与AN/TPY-2都有自身的局限。
SBX本质上是个实验品,主要目的是技术测试,问题非常多,可靠性不足,其中一个大问题是其电子扫描的视场(FOV)非常有限。雷达识别目标通过三个信息 —— 方位角、俯仰角、距离,对于战术级别、作战对象为大气层内空气动力目标(飞机、巡航导弹等)的监视和预警任务而言,俯仰和方位角的要求范围较小,但是对付弹道导弹和未来的高超声速载具这种空间高速目标时则不然。由于后者的高仰角再入特点,预警雷达视场角需要足够大,还要对大仰角观测时的天线增益损失而导致作用距离降低进行弥补。SBX看得足够远,但其视场角仅有0~25度,相比美国其他陆基预警雷达的0~120度。SBX的“眼光”过于“狭隘”,无法处理再入大气层时大角度分开的多弹头或弹头与诱饵分离后的多目标。
AN/TPY-2是非常好的雷达,无论是部署为终端模式(作为“萨德”的火控雷达)还是前沿模式(全球中段反导传感器网络一部分),都是美国战区、战略反导体系中的优质资产。美国在日本、土耳其、以色列和卡塔尔以前沿模式部署了五部该型雷达,相对于终端模式,以前沿模式部署的AN/TPY-2可以对目标“多看两眼”,也就是延长其照射目标的驻留时间(波束驻留时间是雷达工作的最小不可分时间单元),因此能够看得更远更清楚。但是在美国全球远程警戒网络中,它看得还是不够远。
由于SBX和AN/TPY-2的局限,导弹防御局在2015财年预算申请中开始启动LRDR的研发和部署计划。但是,LRDR却有着名与实不够相符的尴尬。
差强人意的识别能力
用一个词来形容LRDR,那便是差强人意。东西绝对是好东西,但不是最理想的,是权衡、取舍不同要求和限制的产物。
LRDR计划于2020年部署在阿拉斯加,耗资10亿美元,任务定位是补强反导传感器网络的精确跟踪与识别能力,正如它的名字那样“远程识别雷达”。但是由于LRDR工作在S波段,频率范围为2-4 GHz,识别能力是要打折扣的。X波段加多普勒模式是加强美国全球中段反导识别能力的最理想拼图,而LRDR则是折中产物。
关于这方面的内容,国内媒体及自媒体近年来已经关注到了一些较新的公开信息与分析渠道,例如康奈尔大学研究员刘易斯和马里兰大学研究员桑卡兰的博客(笔者与刘易斯在反导与地缘问题上也保持着沟通和学习)、约翰•霍普金斯大学应用物理实验室的文摘简报(洛•马公司在反导方面的合作方)等。不过在这些渠道的分析中有些内容也是存在春秋笔法的。基于雷达的基本原理、国内军地对此问题的研究和美国反导的需要与条件,我们可以有一个更加清晰的判断。
根据洛•马官方信息,LRDR将有两面280平方米左右的天线阵列,每一面由十个阵列板面组成。这个面积比宙斯盾系统的SPY-1雷达大20余倍,大于SBX、小于UEWR。LRDR天线采用新的氮化镓芯片(GaN)收发组件(T/R组件),而AN/TPY-2雷达则是较老的砷化镓(GaAs)组件。在相同孔径下,氮化镓组件具有更大的发射功率、更强的抗干扰能力、更稳定的可靠性,在实现同样性能的基础上减小了成本。
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省钱也的确是LRDR开发中的一大考虑。在该项目上与洛•马公司合作的约翰•霍普金斯大学曾明确承认LRDR选择S波段是一种妥协,希望在保持灵敏度和视野基础上,通过S波段达到“可接受”的性能,而其成本要比X波段系统低得多。如果采用X波段,这种新型雷达的识别性能固然会更好,但是在性能与成本的平衡中,美军选择牺牲一部分性能。
无论是LRDR还是没有被实施的X波段雷达方案,都是不便宜的。贵在哪里?在T/R组件。其实对于所有相控阵雷达来说,成本主要都在T/R单元上。
LRDR的氮化镓组件在一定程度上抵消了一部分成本,保证S波段上的平均功率大于SBX以及AN/TPY-2的砷化镓组件。而雷达波长越短、频率越高,在同样孔径条件下所需的单元数量便越多。若是要保证同样水平的信噪比、灵敏度和视场,X波段雷达需要的T/R组件数量对比S波段会成倍增长。
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反过来说,如果T/R组件数量不够、间距过大,便会造成雷达扫描角度减小。角度不到正负60度被称为有限视场(LFOV)雷达,能够达到正负60度可称为全视场(FFOV)雷达。当然,雷达并不是看得越宽越好,扫描角度增大会带来更大损耗,因此战役战术雷达如SPY-1雷达的较新型号便需要能够从FFOV转变为LFOV。
SBX也是一种有限视场雷达。但是导弹防御局希望新的预警雷达拥有全视场能力,因此如果工作在X波段上,T/R组件的数量是省不下来的。S波段与X波段相比,如果固定T/R组件数量要求,前者可以成为全视场雷达,而后者则要么做不大要么只能拥有更小的孔径。这样的话,在同样组件数量下,S波段看得更远、信噪比更高,并能达到同样水平的波束宽度和天线增益。
这是美军可以接受这种取舍的原因。但无论如何,X波段雷达的距离分辨率要优秀得多,能够达到15-25厘米级别,而S波段雷达只能够实现50-100厘米。
美军不差钱是真的。同时美军也是真的差钱。摊子铺得太大,面面俱到无法实现。美国反导陆基导弹网的更新计划体现了其在维持全球霸权方面的决心与能力。有舍才有得,有取必有舍,小到一个装备构型,大到国家安全战略规划,都是这样运行的系统工程。
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