呂禮詩專欄:美國「山寨」中國的反匿蹤米波雷達?

呂禮詩 發自台灣

洛克馬丁公司TPY-X陸基防空監視雷達。圖片來源:Lockheed Martin

洛克馬丁公司TPY-X陸基防空監視雷達。圖片來源:Lockheed Martin

日前《詹氏國際防衛評論》(Jane's International Defence Review)披露,全球首屈一指的軍火商洛克希德馬丁公司(Lockheed Martin;以下簡稱為「洛馬公司」),將推出能因應「下一代威脅」的「下一代」TPY-X陸基防空監視雷達。惟此一雷達的外型及天線結構與中國電子科技集團有限公司(China Electronics Technology Group Corporation, CETC;以下簡稱為「中國電科」)於2014年在珠海航展陳展的JY-26米波三維相位陣列雷達(中國稱為:JY-26米波三坐標相位陣列雷達)極為相似,因而引發「山寨」的論戰。洛馬公司究竟是看到了什麼商機,還是美軍在空防目獲上面對什麼新挑戰,與中國只有海峽之隔的我們,必須持續的關注並尋求因應之道。

雷達可概分為兩種,搜索雷達及射控雷達;搜索雷達作為研判目標存在、進行敵我識別及威脅等級排序之用,射控雷達則是鎖定目標後,提供導引飛彈或火砲砲令的精確數據來源。無論是洛馬公司的TPY-X陸基防空監視雷達(以下簡稱為「TPY-X雷達」)或是中國電科的JY-26三維米波相位陣列雷達(以下簡稱為「JY-26雷達」),都是搜索雷達的一種。

雷達天線的設計,決定於有利目標偵蒐的極化方式。對於電磁波而言,極化的定義是藉由觀測空間中一個固定位置,其瞬間電場向量(instantaneous electric field vector)隨時間變動的關係。當電場向量的頂點隨時間變化時,在平面上所繪製出的圖形為一直線時,此電磁波可以定義為線性極化(linear polarization)。電場向量振盪的方向若為對水平面的振動,是「水平極化」(horizontally polarized);電場向量振盪的方向若為對垂直面的振動,為「垂直極化」(vertically polarized)。最常見的線性極化天線是偶極(dipole)天線,當電磁波由偶極天線輻射時,其電場方向便是和偶極天線長度的方向相同,八木天線陣列(Yagi-Uda array)即為一例。

空間中兩個振幅大小相同、相位相差90度的正交向量,此時的極化狀態為圓極化(circular polarization)。最基本的圓極化天線則是利用天線結構本身的特性來達成圓極化場形輻射,螺旋天線(spiral antenna、helix antenna)為圓極化天線的一種,使用金屬線繞製而成的行波天線。其導線尺寸和螺旋節距不致發生干擾,各個單元間的阻抗幾乎可以忽略不計,因此易於組成陣列。

TPY-X雷達及JY-26雷達,其圓柱型的天線結構,顯示其為使用螺旋天線而具有圓極化的輻射特性。螺旋天線組成陣列後,以相位偏移(phase deviation)改變輻射方向,故不必旋轉天線,而能長時的監視威脅空域。圓極化的電場向量又可分為順時針旋轉的右旋圓極化,或逆時針旋轉的左旋圓極化;無論右旋或左旋,現有的電戰機天線陣列都難以進行「電子攻擊」(electronic attack, EA),僅以硬體而言,即為一種極佳的「電子防禦」(electronic protection, EP)設計。

搜索雷達要能偵獲匿蹤戰機,使用的頻段非常重要;因為雷達波長對目標雷達截面積(radar cross section, RCS)的影響甚鉅。電磁波散射的特性,與目標特徵尺寸大小的參數(ka值)相關。ka可依其範圍區分為 ka< 0.5的瑞利區(Rayleigh region)、0.5 ≤ka≤ 20的諧振區(resonance region)及ka> 20的光學區(optical region)。

若以現有具有匿蹤能力的美軍F-22及F-35戰機、俄羅斯的Su-57戰機,與解放軍的殲-20戰機,以其特徵尺寸遭米波雷達搜索時,其目標散射將處於瑞利區或諧振區,其RCS會遠大於一般搜索雷達使用L頻段以上的光學區,使原本的匿蹤設計功虧一簣。故此,中國及俄羅斯反匿蹤雷達使用的頻段皆以米波為主。

JY-26雷達有限的公開資料中,僅知其使用UHF頻段;然而為能進行匿蹤戰機的偵蒐,JY-26雷達僅能使用UHF頻段的最低頻率運作,亦即頻率必須接近300MHz,雷達波長大於1公尺以上。然而根據《詹氏國際防衛評論》的報導,TPY-X雷達仍使用搜索雷達常用的L頻段,顯然與JY-26雷達的設計並不相同;唯因側重於圓極化輻射抑制「電子攻擊」的特性,故採用與JY-26雷達相仿的圓柱型天線結構。

被譽為「科技創新強國」的以色列,面對第五代戰機匿蹤設計的空防挑戰,近日傳出向烏克蘭進口偵測半徑長達800公里的Kolchuga-M預警雷達系統,足見各國都在積極尋求偵測匿蹤戰機的方法。國軍自2017年《四年期國防總檢討》(Quadrennial Defense Review, QDR)及2017年《國防報告書》中,一再強調針對解放軍的戰力提升,必須以「創新/不對稱戰法」作為因應,但以近年來「台北國際航太暨國防工業展」及「高雄國際海事船舶展暨國防工業展」的陳展內容,國軍對於匿蹤戰機的偵蒐,仍無確切的雷達構型進行測評與投產;相對於解放軍殲-20戰機去年在珠海航展中展現的「初始作戰能力」(Initial Operational Capability, IOC),怎不令人憂心!

(呂禮詩,前新江艦艦長)


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