导弹界的四只碗:油盐酱醋、赵钱孙李
图一来自英国天空闪光半主动雷达制导中距空空的技术说明书,显示该弹半主动雷达位标器具有独特的天线结构:主体为四个碗状子天线。图二是俄罗斯R-27R半主动雷达制导中距空空导弹,其雷达天线除了没有加强框体与天空闪光几乎一样,也是四个正圆形碗状子天线。两者可谓是半主动空空导弹界的油盐酱醋、赵钱孙李,天线设计原理一摸一样。
天空闪光空空导弹是美系近战麻雀的下一代产品,用于英国空军及海军的鬼怪战斗机。七十年代末英国人经设计上的综合评估,考虑技术复杂度、制造成本等多个因素,确定沿用近战麻雀的弹体,更换麻雀的圆锥扫描半主动雷达位标器,并且不使用平板缝隙天线、数字计算机等高端部件,通过引入固态集成电路提高导弹技术水平,以相对较低的成本实现导弹技战术性能的显著提升。
R-27R空空导弹是苏联七十年代为苏制第三代战斗机研制的主力空战武器,是上代R-24R空空导弹的迭代产品。R-27R与天空闪光设计上相似,两者均采用比幅单脉冲测角与倒置接收机技术。单脉冲测角相比圆锥扫描测角,最重要的优点是雷达抗角度欺骗能力质的提升,圆锥扫描原理易受目标有源干扰机振幅干扰的缺点不复存在,这对依靠测量弹目视线角速率实现比例制导的空空导弹极为重要。
倒置接收机是七十年代末得益于机载雷达、导弹雷达晶体本振工艺改良,载波频率杂散少后发展起来新技术。目的是消除因导弹高速运动引起的目标回波多普勒展宽,把弹载雷达接收机中频带宽压缩到只有一两千赫兹,大大减少接收机寄生杂散、有源干扰等噪声,提高测角精度、抗干扰能力。除上述两种导弹外,八十年代服役的麻雀M、阿斯派德、超530D均采用倒置接收机。
两种导弹上的“四只碗”正是单脉冲天线上的四个象限。上下左右四个象限构成比幅单脉冲测量的基础,因接收角度差异每个子天线上的回波幅度都是不一样的,通过比较四个子天线的回波幅度差异,就能得出目标方位角信息。四个碗实际都是反射形抛物面,接收的回波信号被分别送至和通道、方位差通道以及俯仰差通道,求出信号比值确定目标偏离天线轴的角度,为比例制导律提供视线角速率。
单脉冲测角是现代火控雷达的基础。它是一种维度最低的空时自适应法,角跟踪精度能达到三分贝波束宽度的几十分之一,而只需处理四个象限的回波。当雷达不受主瓣或副瓣杂波困扰,无需通过其他手段就能测量目标时,单脉冲仍是最简便最可靠的方法。只有在雷达受主瓣或副瓣杂波影响无法探测远距离目标,或遇到杂波对消也没有办法解决的强干扰,雷达才需要复杂的多维空时自适应技术作空间滤波,确定目标方位角。
不过碗状抛物面天线副瓣电平高,导致后半球性能不佳。导弹雷达探测前半球目标不受副瓣杂波影响。后半球目标多普勒频谱位于副瓣杂波区,雷达下视、天线副瓣触地形成片状回波,向窄带滤波器连续输入假信号,真实目标回波被掩盖。许多半主动雷达制导空空导弹对前半球目标的抗杂波性能可以达到负六十分贝,后半球低空发射只有前半球发射的十几分之一射程。
比较直接的解决方法是改善天线副瓣杂波。适用于各种阵面加权的平板缝隙天线就有了用武之地。精加工平板缝隙天线经幅度加权,可将第一副瓣电平降到主瓣的负三十几分贝,大大降低了馈入窄带滤波器的杂波能量,提高了导弹下视攻击距离。不过出于成本考虑,半主动中采用平板缝隙天线的型号很少,有图片考证的目前就AIM-7M一个,该弹亦采用倒置接收机,并且是世界上第一个应用数字制导计算机的半主动制导空空弹。