我国机载雷达为何一下就从极端落后跨越到世界领先?zt

中国的机载火控雷达在很长的一段时间里是一个老大难问题,我国最早的战斗机起点其实直接就是喷气式飞机,很快就过渡到2马赫级的超音速战斗机,起点很高,但是由于苏联本身机载雷达技术就比较落后,所以中国当时输入的飞机都缺乏靠谱的雷达,为战斗机研制和配置先进的火控雷达,从60年代开始就是我国空军最头疼的事情。

歼6战斗机,生产了3000架,没有雷达,只能做白天炮战机


俄罗斯米格21战斗机国产叫歼7战斗机,机头太小,造成雷达尺寸受限,性能低到地板

按早期工业模式,机载火控雷达主要是航空体系下的607所和780厂的工作,607是中航机载雷达所,原在四川内江,780厂就是我们现在比较熟悉的长虹电子。1964年启动的SL-4是歼8战斗机的配套雷达项目,这是国内真正意义上的第一种独立自主的机载火控雷达,采用单脉冲体制,设计指标一贯的大跃进,要求能探测三万米高度三马赫速度的100公里外的目标。双三其实没多大难度,100KM距离就很可怕了,歼8是机头进气的飞机,雷达口径不超过270毫米,这么小的天线要实现上百公里的探测,本身就是个天方夜谭。单脉冲体制的雷达对于我国是第一次,雷达的工作机理虽然很清楚,但是如何实现可靠的读取滤波,如何实现动目标过滤等,都是首次面对,这部雷达1965年就完成了样机,1971年装上飞机试飞,但是一直无法正常工作,迫使歼8只有装原米格21的SL-3雷达测距器,只能作为白天战斗机使用。一直搞到1978年都还是几乎停留在原点,最后被迫1980年时从头来过,这个时候已经有西方的技术和元器件可以参照了,终于在1983年勉强完成了研制,但指标不及原计划的1/5.大部分歼8最后换装为歼7三研制的JL-7雷达,最大探测距离30Km,跟踪距离15KM,但这已经是1988年的事情了。


JL-7雷达,个头很小指标很差,但是也是中国80年代最高水平了

一个单脉冲就这么困难了,更困难的是研制单脉冲多普勒雷达,就是一般说的PD雷达。普通的单脉冲雷达只能上视,平视都必须在高空,而且地面还要基本为平原,海面,即便如此高度3000米以下就基本没用了。美国50年代的雷达开始使用单脉冲,然后60年代初加入固定信号源相参动目标滤波,到70年代开始大规模普及PD雷达。PD雷达在空中可以完全无视地杂波的影响,即便在地形复杂的山区,都能从山沟里精确的发现移动目标,这种雷达对战斗机而言,是一个巨大的进步。我国从1972年起开始研制PD雷达,但长期以来,连PD雷达的基本方向都不清楚。这也难怪,在单脉冲雷达时代,雷达大多还是模拟电路为主,数字化都在雷达信号实现测距或者测角滤波以后。




歼8战斗机的单脉冲雷达,指标也同样的差,原定打中距拦射导弹,最后雷达和导弹都扑街

而PD雷达则完全不同,它滤波利用的是快速傅里叶变换,必须是全数字雷达,但是我们的雷达工作者们不知道啊,国外资料也保密的很好,607一直在模拟电路上折腾,连方向都找不到,整个80年代,我国的雷达工作者都还在为PD雷达的工作原理和算法犯愁。实际上,这一时期国内研究人员主力还是50,60年代受教育的那一拨,基本都只熟悉模拟电路,对数字电路非常陌生,80年代全民电子热,大部分人都还只是在模拟电路的圈子里学习,到了90年代初期,教育的转变和民间电脑的异常高速的发展,对数字电路的人才培养才算有了一定的基础和数量,80年代初一个研究所懂数字电路的人不到2%,到了90年代中期,几乎90%的人都只在数字电路上设计工作。社会背景和人力资源,以及教育和科学发展的环境多方面相互影响,我国的PD雷达实际上是90年代中期才开始起步。而1980-1995年这段时间研究的PD雷达无一成功。

90年代初期是我国雷达的智力震荡阶段,这个时期,几个引进的科技产品对中国机载雷达产生了非常深远的影响,第一个产品是美国的AN/APG-66V2,这个雷达是和平珍珠计划中装备歼8B战斗机的,中国订购了52套 ,虽然这些产品在1989年以后就暂停交易,最终没有交付给中国,但是前期的技术和资料工作上,我们第一次清晰地完整的观察到现代PD雷达的完整原理,性能机理,功能和硬件软件的相互关系,组织架构,结构和关键性元器件以及电路基础。


美国F16战斗机专用雷达AN/APG-66,让中国人打开了PD雷达的大门

第二个产品是以色列的EL/M-2032 雷达,以色列人的雷达说不上多么先进,但是他们向我们展示了一种在当前商用货架产品中攒出一台性能说得过去的雷达的思路,就是这台雷达打破了我国传统雷达设计思维。


EL/M-2032 雷达是当时我国第一种能买得到的PD雷达,对我国空军作用非凡

第三个产品是意大利的Grifo-7/s雷达,这是一个极端轻量化的简易PD雷达,它告诉了我们PD雷达必不可少的东西是些什么,也告诉了我们如何小型化轻量化产品,最关键的是,它告诉了我们PD雷达在发射机功率小,天线尺寸增益小的情况下如何提高性能。最后一台雷达则是随苏27进来的N001雷达,这台雷达是个矛盾综合体,总体上来说这是一台非常落后的东西,但是这么一个落后的产品,也攒出了基本实现当初7,80年代我军最初要求的雷达的性能,俄罗斯雷达具有非常优异的发射机设计,很简洁高效的接收机和数字处理,但是有非常愚蠢的天线设计,和非常愚蠢的电源设计,还有异常落后的数字计算机。

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意大利的Grifo-7雷达,个头小,指标不像个头那么小


苏27战斗机原配N001雷达,重量高达980公斤,指标却很一般,超级坑爹的货


有鉴于机载雷达的发展困难,80年代末空军打破我国原工业规划的基本架构,向电子部所属的第14研究所求援,14所是当时我国雷达方面最强的研究所,也是产品和技术实力最强的研究所,攻克PD难关从此就两条腿走路,航空部的607和电子部的14所。

经历了引进来走出去,我国在雷达设计思路上终于走上正轨,但是由于人力培养,数字电路的学习,应用过程还是很漫长艰难的,在摸清PD雷达的基本设计原理,基本设计构架以后,我国还是花了近10年的功夫,才搞出第一台实用的PD雷达。即便是最强大的14所,从1471到1473,这其中的努力,失败,再努力的艰辛也是不为外人所知的。而技术更弱的607所,则花了更长的时间才搞出了JL-10.


JL10雷达,个头很大,指标并不太如人意,PD雷达真是很难很难

在机载雷达的发展道路上,我国起步晚,但是系统的学习和分析了前人的成功与失败,掌握了正确的发展方向,提前理清了性能提高的正确方向,所以,虽然突破很困难,但是一旦突破了,PD雷达的发展领域一下就变得很迅速了,这其中几个关键性技术和元器件是起了决定性作用。

首先,我国发展PD雷达一直坚持研发平板缝隙天线,其实中国在50年代末的JL-2A中就第一次自行设计了原始的平板缝隙天线,但是由于现代化的超精密机械加工能力在80年代时严重不足,一直搞不定平板天线的波导管集成和加工,1471,1472的设计过程中,甚至采用过地面雷达那种使用多根单独波导管焊接拼接到一个平面的天线。在90年代我国疯狂进口国外高精密机械加工设备和加工技术的背景下,天线加工技术在97年以后才基本突破,98年以后生产才稳定下来,而天线水平达到美国80年代初水平时都已经到了2000年了。

但是平板天线带来的好处是巨大的,以苏27为例,它采用的倒置卡塞格伦天线直径1米,天线增益小于32分贝,而当时给J7G配套的SY80雷达,天线尺寸在350毫米时,增益就达到32分贝,而如果做一个同样1米直径的雷达,增益高达50分贝。每3DB表示信号功率差一倍,18分贝几乎等同于功率差了超过50倍,所以,当歼10战斗机以不到700毫米直径的雷达对抗苏27,苏30时,往往能先敌发现。而俄罗斯雷达从倒卡换成平板以后,探测距离直接从不到100提高到超过185KM。


谁说飞机机头粗,发现敌机距离就一定远,雷达指标和机头不是直线关系,技术水平最关键

第二个关键性技术则来源于民用高速发展的数字处理器,80年代,要做出每秒百万次浮点处理的CPU简直是天方夜谭,90年代中期,法国的RDY雷达拥有每秒1000万次浮点处理就让PD雷达性能大增,远优于美国80年代初期那些APG63,66,68.而中国雷达成熟在2000年以后,大把每秒运算10亿次的CPU和DSP,高速运算能力可以允许雷达计算机大量反复运算快速傅里叶变换,不仅大大提高了雷达分辨率,还极大的提高了从杂波中提取目标的能力。


中国男人犯了错都在家跪地板跪搓衣板跪榴莲壳跪CPU,我国跪CPU几十年,现在刚刚有点起色,非常的艰难

第三个关键性元器件是高速ADC转换器,模拟——数字转换对于数字雷达的采样有至关重要的作用,美国F14的AN/AWG-9雷达,因为研制年代太早,模数转换能力较低,采样率低,所以只有低重复频率,中重复频率,到了80年代初,高速高频率模数转换芯片出现,才有了第一台全波形的PD雷达,90年代模数转换水平提高了10倍以上,新一代的RDY,APG71,73这类雷达采样率比之前的APG63,69大幅度提高,以前看不清楚的目标就看得清楚了,以前在杂波中检索不出来的信号就能检索出来了,下视水平,抗干扰水平大幅度提升,从微弱信号,干扰信号中检索出目标的能力也成倍提升。

我国第一台成功的PD雷达是配置于歼8F和歼10早期批次的1473,因为研制之初尚在80年代末,制定的军标所规定采用的元器件比较古老,性能比较落后,当时雷达仅相当于美国80年代初的水平,而服役时已经是2004年了,有10几年的跨度,14所利用最新的数字处理芯片和高速模数转换芯片重新更换了接收机和数字处理器,雷达的性能几乎翻翻。在国内所有军事演习中都以压倒性的雷达探测距离,跟踪距离优势对抗引进的苏27部队。



FC1使用的JL-7A雷达,是14所在PD雷达小型化上的成果,它发射机功率并不大,平均仅300W,天线口径也只有600毫米,但是这个雷达的数字端水平极高,均采用了2000年时的主流数字处理芯片和ADC芯片,巴基斯坦一直以来都对我国雷达不太信任,原本是期望用意大利Grifo-S雷达来装备,同时也接触了法国泰利斯,用RDY的简化型RC400雷达备用竞争,但是实际竞争下来,JL-7A雷达性能远超对手,甚至比法国RDY雷达本身性能更好,所以,尽管三种雷达中JL-7A是最贵的,巴基斯坦最后仍然选择了中国雷达。而中国雷达也不负众望,原指标要求70KM最大探测距离成功提高到超过100KM,跟踪距离从50提高到80,下视距离从38提高到56,FC1的雷达优势在面对巴基斯坦的F16时特别明显,巴军内部演练时FC1部队取得的优势战绩绝大部分和雷达优势有关。


FC-1的JL7A雷达个头很好但是指标很吓人,当然也受到了用户的疯狂追捧,虐原版苏27很轻松

在2000年以后,我国机载雷达的研制就全面转向AESA,这时,俄罗斯还在极力向我国推销PESA雷达,AESA雷达的研制难度也是非同小可的,我国起步虽然早,但是进展一直不是特别理想,这种情况下,607和14所都依据引进的俄罗斯雪豹雷达,进行了PESA雷达的设计,作为备用手段,但是PESA雷达天生信号劣势,在重量比原来的PD增加一倍多,发射机功率提高近2倍的情况下,探测距离仍然不如原PD雷达,作为J10B的雷达,雷达厂要求飞机厂把机头直径扩到1米以上,导致飞机阻力急剧上升,性能迅速下降,最后探测距离还无法达标,要想达到设计要求,需要飞机雷达直径再增加30%。这是基本不可实现的,因此空军在J10B拖尾不决,原定只有4年研制期的J10B拖了10几年,最后611不耐烦了,干脆用已经研制好了的AESA雷达替代了PESA,结果10B和10C几乎同时定型服役。

在AESA方面,我国发展的决心是非常坚定地,电子部的38,14,50所等几乎是倾家荡产的打造AESA生产线,在单片微波芯片研制有困难的情况下,我国第一代AESA把发射和处理芯片各自分开设计制造,在较短的时间里形成了能用的TR,然后利用通讯工业的发展迅猛,砷化镓电路制造能力的进步,逐渐解决了单片MMIC的生产,TR的生产成本和体积都大幅度缩小,前不久央视宣传14所的出口AESA就是实现了三代瓦片式AESA的产品,整机重量仅100多公斤,雷达性能极为优异,官方表列最大探测距离170KM,实际上200Km的战斗机目标也能实现探测,可以在很大范围内对数十个距离超过100Km的目标进行跟踪和识别,并同时或者分别打击其中几个目标,这是PD雷达不能想象的。而这样水平的雷达还不能代表我们目前最先进的水平,采用最新氮化镓芯片的MMIC组成的新一代AESA,重量更轻,功率更大,具有特殊的信号发射和处理能力,目前的飞机无法侦测这种雷达的搜索与跟踪电波,是我国为隐身战斗机装备的产品,性能已经达到国际领先的一线水平。


这个口径550mm左右的AESA雷达很可能装备在FC-1的改型上,指标170公里+,虐苏30问题不大

纵观这几十年机载雷达的发展,摸清发展规律,找准发展道路,下定决心拼命钻研,不做封闭吃独食的垄断思想,就必然会取得巨大成就,我国从极端落后跨越到世界一流,不仅仅是很多人在背后默默努力那么简单,哪里弱,就把哪里做成最强,这才是中华复兴的希望。

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