[航空母舰特刊] 舰载预警机

浩汉防务2021-09-22 10:33:45


    最早研制预警机是为了解决舰队的低空防御问题。在第二次世界大战的珍珠港事件及其后的中途岛等战役中,日本海军惯用鱼--雷轰炸机低空突袭,导致美国海军舰船损失惨重。如果说地面雷达还有高山可以借用,茫茫大海上,几乎唯一可以指望的便是军舰的桅杆了。即使把雷达天线架在军舰桅杆上,高度还是太低,对贴着海面飞行的目标的探测距离只有30千米左右,而且,又大又笨的雷达天线架在桅杆的顶端,会影响军舰航行的稳定性。如果将雷达搬上飞机,由于飞机的飞行高度一般都在五六千米以上,大大超过桅杆的高度,这样雷达的视距能够到200千米以上。1944年,美国海军委托麻省理工学院在缅因州卡迪拉克山进行研究试验,把当时较先进的AN/APS-20警戒雷达安装到TBM-3W“复仇者(Avenger)”鱼雷轰炸机上,世界上第一款预警机,也是世界上第一款舰载预警机诞生了。


【航母编队与舰载预警机】
    舰载预警机在航母编队作战体系中有两个重要作用:一是航母编队的低空预警,是航母编队的“鹰眼”;二是对作飞机的指挥控制,成为航母编队的“空中司令部”。特别是低空预警,与航母编队性命攸关,使得预警机成为体系作战中的核心空中枢纽,或者说网络中心战的核心节点。从低空预警方面来说,预警机几乎是解决航母编队前出作战时低空预警的唯一有效手段。地基的探测系统受限于地球曲率,敌机飞得低了就看不见了;天基的探测系统,如卫星,其数据更新率太低,作为长期侦察获得情报可以,但不能满足战场实时更新的需要。 
当然,学究一点说,解决航母编队的这两个问题可以利用陆基预警机,但必须是航母的前出距离在从陆地起飞的预警机航程内;陆基预警机起飞至作战区域后能够有足够的巡航时间:陆基预警机执行完作战任务后还能够返回基地。由于航母的前出距离可能很大,使得陆基预警机很难满足这些条件,所以,航母本身需要携带预警机。 



    舰载预警机一般在航母编队的前方数百千米处巡逻,其前出航母的距离取决于舰载预警机的航程或航时限制,以及舰载预警机的雷达探测范围。对于固定翼预警机来说,这个数值一般是400千米,对预警直升机来说,为150至200千米。在指挥控制方面,预警机指挥哪些战斗机,必须由航母编队授权,预警机本身也要处于舰上指挥系统的控制。必要情况下,预警机独立指挥战斗机。这里有一个问题,就是指挥引导需要数据链或通信系统支持,但无线电通信与雷达一样,其实际距离仍然受限于视线距离,显然,搭载无线电通信或雷达的平台,其飞行高度越高,视距就越大。所以当战斗机需要前出距航母编队较远时,可能超出地空通信的距离范围,舰载预警机也许是唯一的能与战斗机进行通信的指挥平台。


【预警直升机与固定翼】
    虽然最早的预警机都是舰载固定翼预警机,但其功能和性能非常有限,难以登堂入室。而陆基预警机允许安装更大的雷达天线、电力设备和容纳更多的人员,预警机在发展到一定阶段后开始朝陆基方向发展。但舰队远洋作战时,陆基预警机常常航程不足,这为预警直升机在舰上找到了一席之地,最典型的就是“海王”预警直升机的诞生。马岛战争中“谢菲尔德”号驱逐舰被击沉,正是因为没有预警机所致。为解燃眉之急,英国皇家海军决定在“海王”HAS Mk2上安装反潜用“搜水”远距离海上搜索雷达,构成简易预警机。 
 威力更大、功能更强的舰载固定翼预警机开发难度太大,是舰队配备预警直升机的重要理由。在预警机往陆基方向发展的同时,舰载固定翼预警机比直升机机体大,在性能和功能的增强上有着先天优势,但是在与母舰的匹配性设计上难度太大。这些难度会转嫁到电子设备上,造成现代固定翼预警机的开发雪上加霜。例如,在当今世界10个拥有航母的国家中,除了美国、法国、巴西采用蒸汽弹射技术外,其余7个国家全都采用短距起飞与垂直降落技术,而且蒸汽弹射机都是美国提供的。类似E-2C的固定翼预警机对航母的起降条件要求很高,一般只有装备弹射器的中型以上的航母才能够使用。法国海军“戴高乐”号航母为了使用E-2C不得不加长飞行甲板,排水量和甲板规格都较小的轻型航母使用固定翼预警机几乎是妄想,因为弹射器的弹射能力也是有限的。 
 相比固定翼预警机,预警直升机部署更为灵活,响应更为快速,最明显的优点是可以垂直起降和在空中悬停。不需要跑道的直升机对起降场地的依赖程度较低,即使小型航母上也可以有效使用,正是这个优势为预警直升机在拥有中小型航母海军舰队中的应用提供了前提条件。另外,由于陆基预警机从指挥关系上常常并不隶属于舰队,可能造成战场调度的灵活性较差,响应时间较长,而舰载预警直升机就是自家的孩子,指挥和控制比较容易和方便。 
 预警直升机费用低廉,开发风险低,是获得预警机装备的捷径。舰载固定翼预警机价格高昂、技术复杂,掌握与使用难度较大,自诞生近70年来,在目前拥有航母的11个国家中,只有美国形成了正式装备。预警直升机设计、制造、使用的技术难度和所需资金都比常规预警机小很多。从“海王”预警直升机的经验来看,仅用11周时间就完成了改装工作。而费用高昂、开发难度大的舰载固定翼预警机和陆基预警机必然无法短时间完成。就我国来说,已经具备开发适合预警机需要的雷达和其它电子设备的能力,但受限于合适的固定翼飞机平台,因此想拥有固定翼预警机还需要跋涉漫长的道路。为解决急需,舰载预警直升机是一个很好的选择。实际上,预警直升机经济实用,机动灵活,虽然其雷达威力较小,指挥功能也弱,但毕竟能执行预警机的大部分功能,成为获得舰载预警机的捷径。以印度为例,1999年开始订购9架卡-31预警直升机,总价值仅为2亿美元;而在20世纪80年代,美国卖给沙特的E-3预警机,单价高达2.7亿美元,几乎是卡-31的10倍。


【舰载与陆基预警机雷达的不同】
    两者虽然都是预警机,但无论是在系统设计上还是在性能上都有重大区别。从性能上说,舰载预警机雷达一般只适合在海面上空工作,而陆基预警机雷达在海面上、陆地上工作都可以。但两种雷达性能的不同不是工作环境造成的,其根本原因在于对雷达系统重量和体积要求不同。所以从设计上说,为让雷达看得足够远,必须让雷达工作在较长的波长上,因为雷达电子器件的规律是,工作波长越长,雷达发射机才能做得 较轻,器件也越容易做出来。这也就是为什么E-2预警机的工作波长为75厘米左右,远远超过陆基预警机的10厘米至25厘米。
    雷达从上舰的角度选择较长波长后,会带来性能上的重大问题,例如反杂波性能以及波束分辨力问题。在天线面积一定的情况下,工作波长越长,天线集中电波能量的性能越差,会有更多的能量打到地面上,产生更多的杂波,这对雷达非常不利。更何况,舰载预警机一般比陆基预警机小,所允许安装的天线个头更小,所以天线集中能量的性能会更差。用专业术语来说,就是波束的主瓣很宽,同时从主瓣以外的空间中射出的电波能量比较多,这些能量都会打地,从而形成更多的杂波。由于陆地上的杂波比海面杂波要强很多,所以,E-2在陆地上空不是不能使用,但下视性能比在海面上空要差。另外,波束主瓣宽了以后,雷达在探测比较接近的几个目标时,无法分辨而视为一个目标。在目前的技术水平下,虽然短波长的雷达器件水平大大提高,但是人们对预警雷达的性能要求也大大提高,相对来说,雷达的工作波长较长,器件在重量和体积方面对上舰更为有利。所以,舰载固定翼预警机工作在较长波长,仍然会是一种诱人的选择。 
    从E-2来看,通过进一步改进天线设计和采用先进的信号处理算法,它在陆地上空的探测能力会不断提高。


【舰载固定翼预警机与预警直升机雷达的不同】
    从机体的外观上看,舰载固定翼预警机体型稍大,预警直升机则小巧玲珑。对于舰载固定翼预警机来说,背负大蘑菇型的雷达天线罩是其最主要的特征之一。通过在机背这块相对比较“空旷”的地方架高雷达天线,雷达视线可以最大限度地突破机身对电波的遮挡。但对于预警直升机来说,机背的黄金位置被旋翼占据。且由于其机体太小,表面空间也非常有限,为了使雷达看得更远,需要更大的天线,预警直升机的天线罩通常采用可收放式,既尽量减少对机身表面空间的占用,又保证足够的雷达天线尺寸。雷达天线罩的安装结构不同,位列预警直升机雷达和固定翼预警机雷达的三大“不同”之首。“海王”直升机采用的是在机身右侧的外部(而不是机身表面)布置雷达天线。起降时,天线罩(呈球形)收折在平行于飞机纵轴线的存放位置;工作时,天线罩向下转90度,回复到垂直于机身纵轴线的工作位置,所需时间14秒。卡-31预警直升机则把天线布置于机腹,起降时天线罩(呈平板型)紧贴机身腹部平放,工作时则翻转90度呈垂直状态。 



    由于机体大小不同,造成预警直升机和舰载固定翼预警机的雷达功能和性能都有所差异。雷达要想看得远,不但天线个头要大,供电能力也要很强,能为雷达发射机提供更大的电力,发射出功率更强的无线电波。但直升机上的电力要比固定翼飞机小得多,也不能安装太大的天线。这种情况下,只能让雷达电波的波长缩短来弥补,在同样的天线面积情况下,辐射出去的电波在空间更为集中,而如果电波能量在空间很分散,就传不远了。从两者的天线罩尺寸来比较,E-2天线罩的直径为7米,而预警直升机中天线罩最大的卡-31也只有6米。从雷达的探测距离来看,舰载固定翼预警机对战斗机大小的目标,一般探测距离都在360千米以上,而预警直升机只有150千米。另外,预警直升机升限较低,由此电波视距较小,既影响雷达视距,也影响通信视距。 
    预警直升机的雷达一般都是机械扫描或无源相控阵,而舰载固定翼预警机已开始采用先进的有源相控阵体制,如E-2D。这是两者的第三大不同。这首先是因为有源相控阵雷达造价很高,如果在预警直升机上采用,显然会抵消预警直升机比较廉价的优势。二是每一个收发组件必需要紧贴天线后面放置,上千个收发组件和天线在一起重量会非常之大,天线重量可能增加1倍,导致天线罩翻转机构设计难度很大。


【舰载固定翼预警机起飞方式】

    虽然目前世界上唯一的舰载固定翼预警机——E-2是弹射起飞的,但如果固定翼舰载预警机有足够大的推重比,也就是发动机的推力同飞机的重量之比足够大,就有可能滑跃起飞。苏联搞过一款雅克-44预警机的方案,想在第三代核动力航母“乌里扬诺夫斯克”航母上滑跃起飞,但由于苏联解体后航母停止建造,雅克-44并未能真正从航母上起降,预警机在航母上是否能够以滑跃方式起飞也就未能验证。 
 固定翼舰载预警机之所以选择弹射方式起飞,重要原因在于发动机采用涡轮螺旋桨式,比较省油,有更多的留空时间,但推重比较小:如果采用涡轮风扇发动机,推重比可以提高,则有可能实现滑跃起飞,但比较耗油,难以有足够的航程航时。雅克-44的方案之所以能够滑跃起飞,在于它采用比涡桨发动机推力更大、比涡扇发动机更省油的桨扇式发动机。 
    舰载武器军事评论12年04期上透露,美帝2005试验结果,E-2C-2000在25吨起飞重量时,无需弹射器和拦阻索,就可在CVF上正常使用。
    美国海军工程试验中心在2005年试验过E-2C-2000飞机滑跃12度斜板,当时是验证在英国CVF及其类似STOVAL类航母上不使用弹射和拦阻,只凭借飞机自身动力,能否正常使用E-2C-2000飞机。试验结果发表在美国《海军工程师》杂志上, 在25节甲板风下,使用E-2C飞机在55000磅(24948千克)起飞重量时,可以通过CVF设置的165米滑跑跑道起飞,飞机起飞轨迹可以保持2.5米/秒的爬升率,符合美国海军单发安全起飞标准。结论还显示,飞机还在进入斜板时就已经达到可以离地的速度,离开斜板时的抛物线对飞机提升离开甲板后的初段率有较大贡献,飞机操纵无明显负担。当航母甲板风速为零时,在距离240米处,可以正常起飞,英国CVF航母甲板长度只有280米,240米距离满足足够的操作空间;而降落方面,E-2C-2000借助螺旋桨反距,可以在100米以内的距离停下来,长度200米的斜板跑道即便没有拦阻索,仍然有可能正常降落。


【圆盘、平衡、共形阵】
    在目前现役的舰载固定翼预警机 E-2上,采用的是圆盘构型。苏联在开发安-71和雅克-44的时候,也是采用的圆盘构型。这有历史原因。在E-2开始搞的时候,相控阵原理刚刚提出来。虽然相控阵技术在地面雷达中得到了应用,但是在机载雷达应用中有它特殊的难点:由于机载条件下空间限制更为严格,在天线尺寸较小的情况下,为了得到较好的天线性能,只能采用较短的波长。但在20世纪80年代中期之前,较短波长下的有源相控阵雷达关键设备——收发组件的设计和生产能力仍然不能满足机载需要,更何况是需要工作在更为严格限制条件下的舰载固定翼预警机上。所以,在舰载固定翼预警机只能采用机械扫描的前提下,圆盘型天线罩自然是最好的选择,因为它是中心对称的,最适合于360度旋转的雷达天线,气动性能也是各方位上均衡的。 
 在相控阵技术的机载应用突破之后,舰载固定翼预警机有没有可能采用“平衡木”或“共形”形式呢?这两种天线罩形式都是不能旋转的,只能供相控阵天线使用。平衡木相比圆盘,对飞机气动性能的不利影响更小,因此更适合在小飞机包括舰载机上采用。飞机翼展方向上相比头尾方向上的天线罩尺寸,对飞机气动性能影响更大,如果要做成圆盘型,翼展方向所能允许的天线罩长度成了限制整个圆盘直径的短板,因为圆盘必须是全方位对称的。而天线罩的尺寸又会限制雷达天线的尺寸。“平衡木”天线罩是细长型的,在翼展方向没有布置雷达天线,只是在“平衡木”两侧分别布置了两块,一块相控阵天线只能覆盖120度,机头机尾各有60度盲区。但是,“平衡木”充分利用头尾的尺寸可以把长度做得很大,远远大过圆盘的直径,这样,虽然机头机尾方向有盲区,但在机身侧面的雷达探测距离却可以做得很大而较远。例如,E-3在最大起飞重量为150吨的飞机上,天线罩直径才9.1米,而萨博-340的“平衡木”长度在18吨的飞机上就能做到9米。在萨博-340这样的小飞机上做出9米直径的圆盘是不可能的。共形天线对飞机气动性能的不利影响更小,在大型和小型飞机上都适合安装,并且能够全方位覆盖。只是由于机头和机尾的空间相比机身两侧的空间要小得多,机头和机尾的天线罩尺寸要小得多,即使机头和机尾的雷达天线相比两侧的雷达天线采用更短的波长也难以弥补,因此,全方位覆盖不够均衡。



    总的说来,圆盘的特点是,对飞机气动性能影响更大,不论是采用不转的三面天线还是采用旋转的一面天线,全方位覆盖都是最为均衡的。考虑到“平衡木”的方位盲区,如果圆盘或共形天线能够满足要求,就不要用“平衡木”。共形阵对飞机气动性能的影响最小,但方位覆盖不太一致。未来的舰载固定翼预警机在气动构型上可能会在圆盘和共形之间做出选择。到底选择哪一种,首先与作战需求有关。如果为了满足用户提出的探测距离要求,圆盘和共形都可以,那么选择圆盘是合适的,因为其全方位探测性能比较均衡,而且现在的载机改装水平已经能够使得载机多加一个圆盘的飞行性能与不加圆盘差不多。如果探测距离要求较高,在载机规模的限制条件下,进一步把圆盘做大不太可行,采用共形天线就能够获得更大的天线尺寸,但必须以牺牲全方位探测性能的一致性作为代价。