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“永恒的海之星”详解346系列舰载相控阵雷达系统(上)

资讯 /  军事科技 /  原作者: MDC军武狂人梦 /  著作权归作者本人所有

军事博士  2019-6-6 10:43

(上与下)中国海军052C导弹驱逐舰首舰兰州号(170)。052C是中国海军第一种具备相控阵雷达系统、垂直发射区域防空导弹系统的高性能防空驱逐舰,船艛四周共装置四面346型有源相控阵雷达的阵面。346型是中国海军第一种实用化的多功能舰载相控阵雷达。

 

 

 052C导弹驱逐舰济南号(152)的346相控阵雷达近照。346相控阵采用气冷设计,天线外面有一层弧形外罩来包住冷空气。气冷的缺点是万一雷达罩出现破损倒制冷空气流失,就可能使阵面温度升高而不得不停止工作。

中国首艘航空母舰辽宁号(16)也装置四个346有源相控阵。

(上与下)中国海军052D导弹驱逐舰首舰昆明号(172)。052D052C的改进型号,改用346A相控阵,其阵面不仅比346型更大,而且改用内建的液冷系统,不再需要346型的弧形外罩,因此天线阵面外部是平坦的。

 

052D导弹驱逐舰银川号(175)的346A相控阵近照。其阵面外观是平坦的。

 

一艘052D导弹驱逐舰的船艛,可以看到朝前与朝后的346A相控阵面。

中国第一艘自行建造的国产航母(001A型),舰岛上部装置四座346A相控阵。

 

(上与下)346A雷达出厂后在中国电子科技集团的测试场地进行测试,完成测试后就交付中国海军。此为20196月初中国中央电视台新闻联播画面。

052C舰桥两侧的346型相控阵特写,弧形外罩内充满了用来冷却天线的冷空气。外罩中间鼓起是因为中间的T/R组件最多,需要更大的通风量。

 

1990年代末期,中国开始加大力道进行军事事务现代化;而海军方面的一个重要发展,就是研制具有多功能相控阵雷达、垂直发射区域防空导弹系统的高性能防空舰(性能类似美国海军宙斯盾舰),为水面舰队撑起防空保护伞。中国海军推出的第一种高性能防空驱逐舰,是在20034月底首度下水的052C型导弹驱逐舰。052C最引人注目之处,就是艏艛四周加装了四具大型的固定式 相控阵天线;这就是中国研制的第一种舰载相控阵雷达系统,由南京电子部第14所主导研发,一开始被中国网友称为「板砖」。

 

346相控阵概述

 1998年,中国电子学会推荐时任南京第14研究所(南京电子技术研究所)副所长周万幸角逐第六届中国青年科技奖并成功获奖,其记载如下: 「现担任H/LJG346舰载有源相控雷达总设计师,这套雷达的技术水准在国际前沿,国内领先。作为中国舰载相控雷达领头人的周万幸, 担任一段时间相控阵雷达总师以后,转为项目总指挥,并成为南京第14所副所长,领导该所探索世界雷达前沿技术」。这段记载证实「板砖」就是H/LJG 346有源相控阵 此外,中国又称346型雷达为舰载有源相控阵系统(Shipborne Active Phased Array Radar SystemSAPARS)。在2003年,346型相控阵雷达装在中国海军毕升号(891)实验舰上进行海上测试。

 

依照中国电子科技集团公司第十四所(即南京第14电子所)网站在20161024日的撰文,「中华神盾」在1997年立项,是中国第一部全固态三坐标相控阵雷达;由于当时中国国内相关基础薄弱,研制难度极大,一段时间都没有突破性的进展。在2000年,14所内任命邢文革担任346相控阵雷达的副总设计师,在接下来数年攻克了许多研制雷达的重大问题,包括带领团队上舰出海研究克服海上背景杂波以及船舰摇晃影响侦测等问题(约花费三年时间)。在2007年,346相控阵顺利完成研制工作,此雷达具有对空搜索、对海搜索、对空引导(配套舰上的海红旗-9防空导弹)、目标指示、同时多目标跟踪等功能,是中国海军有史以来技术水准最高、功能最强、系统组成最复杂的雷达系统,不仅是中国海军电子装备发展史的重要里程碑,也列于世界先进水平。由于346相控阵雷达的研制成功,邢文革也因此获得国家科技进步特等奖。在346相控阵的开发过程中,邢文革首次深入研究倾斜波束低角测高技术,使此型雷达具备「探测距离远、测量精度高、抗干扰能力强、可靠性高、自动化程度好」等特性,在当时荣获电子工业部科技进步特等奖。

 

依照20195月科技日报的报导,在1989年,在南京14所举行一场海军舰载雷达研讨会,会中14 所人大胆提出了全新体制构想,「被不少专家认为难以实现」。在为期八年的方案论证工作期间,包括先进T/R组件的实现,天线阵面的减重等,技术难题被14所一一攻破。最终,中央军委副主席刘华清视察14 所时表示,「14 所已经具备研制该产品的条件」,于是「舰载多功能相控阵」正式立项(1996117日)。在2003年,「舰载多功能相控阵」在海上测试阶段遇到海面杂波干扰的问题,每一朵浪花都会反射回波形成假目标;14所雷达总师张亚朋等人轮番出海,率领研发团队在现场大量搜集并分析数据,冒着前期试验成果被颠覆的风险,从「试验还原」 中杀出一条血路。最终,海面杂波的问题获得解决,费时六个月。

 

根据200511月加拿大汉和信息的报导,346型是一种有源相控阵,其技术来自于乌克兰Kran-Radiolokatsiya公司,该公司先前已经推出几种 有源 相控阵的 设计,不过本身不负责制造 。此一消息表示,中乌之间早在1999年便已针对此一系统展开合作,由量子研究所(Kran-Radiolokatsiya)设计,并转移技术给中国制造;俄罗斯工业界称此雷达为「海狮」,由Kran-RadiolokatsiyaC波段 有源 相控阵衍生而来,有效侦测距离为150~160km,能同时追踪150个目标。 然而,根据日后公布的文献,南京第14所早在19891990年就开始发展有源相控阵的技术,显然不会是乌克兰成套技术转移的仿制品。

 

根据日后乌克兰军方高层的透露, 中国曾在20014月派出由曹刚川上将率领的军方高层访问团,访问乌克兰几家主要的大型军工企业,包含Kran-Radiolokatsiya等机构,当时双方很快便达成多项军事技术协议, 其中便包括「海军防空系统」的开发,这很可能关系到346 相控阵的项目;此外 中国从2002年开始,每年都向Kran-Radiolokatsiya订购价值数千万美元的基础设备。

 

除了052C之外,中国在2009年开始动工改建从乌克兰购入的瓦良格号航空母舰船体(之后成为辽宁号),也装备346型相控阵雷达系统。 进入服役后,中国仍持续346型相控阵的性能,装在2010年代服役的第二批052C(四艘)导弹驱逐舰以及辽宁号航空母舰的346型相控阵,在抗干扰、抗海面杂波等性能上又有提升。

 

技术分析

 

(上与下)在毕升号试验舰(981)上的H/LJG346相控阵原型,天线座下方与两侧有许多外露的管道。后方是YJ62反舰导弹的发射器。

 

早期外界曾热议346型相控阵是有源相控阵或无源相控阵;随着相关资料的逐渐披露,346型雷达被证实是有源相控阵。操作波段方面, 外界早期多半推测346型雷达采用C波段, 这是因为过去推测HHQ-9沿用SA-N-6TVM导引机制(见下文),故346型雷达需兼具搜索与射控能力, 使用C波段为较合理的推测;不过实际上HHQ-9弹道终端阶段采用主动雷达制导, 因此346型采用的波段也可能是波长较长、侦测距离较远的S波段。依照日后逐步公开的数据,346型相控阵应以S波段操作,具有广区域搜索、精确追踪目标,并支持HHQ-9防空导弹的中途指引作业(包括追踪在空中的HHQ-9导弹,并透过C波段天线将修正的飞行指令传输给HHQ-9)。

 

最早透露346型是有源相控阵的相关记载是天线阵面的冷却散热系统;由于有源相控阵的发射源是天线阵面上的T/R组件, 因此阵面产生的热量远高于由后端发射机供应射频能量的无源相控阵;而346型雷达阵面使用了回流通风式气冷系统,显然是有源阵面的明显迹象。346型雷达天线表面的冷却系统为静压箱孔板送风方式,天线阵面与弧形外罩之间的空间是一个静压箱 ,天线反射面上开有许多通风口;一个风机透过管道,将空气由阵面四个角落的进气口引入静压箱并形成静压层,气流透过阵面上的通风口将阵面组件的热量带走。照片显示在 中国毕升号(891)实验舰上的346型雷达原型系统基座周围设有不少管路,可能包括送风管路。在实际测试中,阵面以大功率运转时,阵面出风口的最小风速达到9m/s,超过原始要求的8.1m/s,且出风口处的最大温差值仅有摄氏3.5度,十分均匀,显示阵面工作环境的气温相当稳定;在恶劣的外在环境下,风冷系统也能将阵面工作温度控制在设计标准以下。这套气冷系统散热效率比以往高4.6倍,重量减轻且成本降低,为此开发此冷却装置的 南京第14所还获得电子工业部科技进步二等奖。

 

 200612月,衢州市科技局的网站进一步披露 H/LJGXXX多功能相控阵雷达」(显然就是H/LJG-346)的冷却系统细节,包括可为四个天线阵面提供一定温度、湿度、流量的干冷循环空气,为四个天线阵面内部的子阵功放/波控电源及后端舱室内的2组发射电源机柜提供具备一定温度、流量的冷媒水(蒸馏水),以及为26个密闭电子机柜提供一定温度和流量的冷媒水(淡水);此系统在研制过程中突破了多项技术关卡,包括冷却系统的全天候稳定运作、不同水温/风温的供给技术、PLC软件控制技术、防海水与乙二醇腐蚀技术、防电磁干扰技术、可靠性分析设计技术等等。此冷却系统于20033月安徽省科学技术委员会的鉴定会议中,被认为填补了国内相关领域的空白,并达到国际先进水平。这些数据不仅介绍了冷却系统,更提供此型 相控阵的部分硬件线索,尤其是从天线数组子阵的功率放送/波控电源及位于后端舱室内的二组电源发射机等,明显展现了有源相控阵的技术特征。

 

如同前述,346型雷达的回流通风气冷系统利用天线罩形成通风道;这种设计最大隐忧在于,万一天线罩因战损而出现大破洞(小破洞影响还不大),就会彻底破坏冷空气循环的静压风道,即使相控阵本身还能运作(就算一部分单元损坏也能继续运作),也会因为阵面失去冷却而过热,不得不停止工作。而阵面外罩采用弧形也是因为阵面中央T/R组件最多,为了增加静压通风风力,天线罩中间只能鼓起来,这增加了天线罩被击中的机率。当时南京14所也曾研拟冷板或内循环液冷等方案,然而 早期的设计要点在于减轻整个阵面的体积重量、T/R组件小型化等,加上结构工艺限制,实在没有余力在阵面中再加入其他冷却装置。

 

052C之后再下一型的052D导弹驱逐舰(2010年代出现)使用的346A相控阵,天线外罩就是平板型,显示不再使用原本的静压风冷系统,可能已经改用凝冷板或循环液冷系统;加上346A的阵面又比346型加大,显示南京14所在T/R组件小型化、轻量化等方面又有了进一步突破。 

 

一艘建造中的052C导弹驱逐舰(首舰兰州号或二号舰海口号),此时相控阵的弧形外罩尚未安装,可以观察阵面的T/R组件排列;阵面角落的四个开口则是风冷系统的进气口。注意到主阵的上、下各有一组长条天线数组,这是用来与海红旗-9防空飞弹进行上/下链传输应答的C波段天线。

 

052C的相控阵正在安装弧形外罩。

 据称346型雷达在早期研制阶段面临的最大障碍之一,是单一微波集成电路(MMIC)生产技术不成熟,导致相控阵所需的T/R模块的单位生产成本高达1.25万美元,是同时期美国产品的25倍,根本无法量产。中国透过管道引进以色列半导体产制技术(可能也包括乌克兰Kran-Radiolokatsiya的协助),大致解决了T/R组件的量产问题;不过整体而言,346型雷达系统的价格仍十分昂贵(与南京14所签署的合约价值约为每套5亿人民币),占全舰价格的1/6 依照2009年的文献,中国专家表示虽然透过研制空警2000/空警200等预警机,中国已经掌握机载有源相控阵的技术,但由于制造成本还是太高(是美国同类产品的58倍)、机载大功率直流电源问题没有解决、发热量过大,还不能应用到战斗机上。


“永恒的海之星”详解346舰载相控阵雷达系统(下)

http://www.makertime.org/article-51-1.html


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