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台湾王孟源文章:【海軍】地效反艦飛彈的原理

日期:2017-10-6 10:56:33 人气: 标签:大连 律师
导读:美國的《PopularMechanics》雜誌在五月4日刊出一篇文章(參見http://www.popularmechanics.com/military/weapons/a26382/china-sea-skimming-anti-ship-drone/)…

   美國的《Popular Mechanics》雜誌在五月4日刊出一篇文章(參見http://www.popularmechanics.com/military/weapons/a26382/china-sea-skimming-anti-ship-drone/ ),討論了最近泄露的一張據稱是共軍新式地效反艦飛彈的照片。五天後,《觀察者》登出了一篇評論(參見http://www.guancha.cn/military-affairs/2017_05_09_407411.shtml ),反駁了美國人的一些論點。但是就如同前文《共軍的超級大炮》一樣,中美兩邊的評論員都沒有說到癥結,所以我在此做個澄清。
    如同上次一樣,美國人有些十分離譜的論點,似乎是直接抄錄中國軍事論壇上的胡猜。他說這枚地效反艦飛彈的飛行高度只有18英寸,亦即半公尺左右;這代表著只有在0級和1級海況下,這枚地效反艦飛彈才能作戰。換句話説,在西太平洋,99%以上的日子都不能使用,這當然是個大笑話。
    在冷戰期間,蘇聯在裏海實驗了幾個不同型號的地效飛行器,最大的一個,外號叫“裏海怪物”,長92米,翼展37米,重達500噸,但是即使在裏海這樣風平浪靜的内海,原型機還是因爲大浪而損毀。正因爲地效飛行器的抗損性太差,蘇聯認爲它作爲登陸艇沒有實用價值,轉而開發同樣噸位的氣墊船,也就是後來的野牛級。共軍現役的YJ-62飛彈,助推火箭才剛引燃。它被設計來全程以500+節飛行,所以翼展只有2.9米。
    傳統的地效飛行器的飛行高度與翼展成正比;既然照片裏說它“載荷重量大”,那麽這枚新飛彈應該不小於共軍現役的重型反艦飛彈YJ-62,也就是至少7米長。它的翼展從側面角度的這張照片很難確定,就算比長度還大,也不太可能超過10公尺。裏海怪物的翼展比它大了近4倍,飛行高度也就高了接近4倍,還因爲不耐風浪而不能實用化,所以這枚地效反艦飛彈必然不可能只是一個傳統的地效飛行器。
    美國人說它的飛行速度是每小時600英里,亦即約530節,這比裏海怪物的極速270節還要高出一倍。YJ-62的速度是600節,反而和它相似。那麽問題就來了,速度和載重都和已經快淘汰的現役裝備差不多,尺寸卻寬大了許多,很難塞進發射筒裏,爲什麽還要開發呢?美國人就因此很高興地做了結論,這枚飛彈唯一的好處就在於飛得比YJ-62更低,但是美軍航母戰鬥群的E-2D預警機就是專門設計來探測低空目標的,就算飛行高度只有18英寸,一樣能在215英里(344公里)外偵測到,其後的成功攔截是例行而且必然的。
    對於上面這一論點,《觀察者》的文章針鋒相對地說,他們剛好最近才采訪了該導彈方案的航天科技集團某研究院負責人,一方面證實了照片的真實性,另一方面卻宣稱“這種導彈的設計目標主要就是突破E-2D預警機和標準6導彈的攔截”。這當然是很奇怪的:《觀察者》說這型飛彈的飛行高度是6米,雖然比18英寸合理的多,但是與YJ-62的10米飛行高度更沒有根本上的差別,它的翼展又比YJ-62大得多,外形也完全沒有隱身處理,怎麽可能會有更小的雷達截面呢?
   《觀察者》的文章還說這枚飛彈的飛行速度是每小時965公里,這剛好是600英里,所以應該是沿用美國人的説法。然後文章基本上一再重複說它有神奇的隱身能力,而這個能力就來自於飛行高度降低了4米。那麽問題又來了,YJ-62降到6米的飛行高度並沒有技術困難,主要只是爲了避免風浪才設定到10米的高度,爲什麽不乾脆只把YJ-62的進氣口改到上面以避免進水就成了呢?要解答以上這些謎題,必須對雷達和地效飛行器的原理做比較深入的分析。我們先從雷達談起。
    地面和軍艦上的防空雷達,一般是直接往上看,沒有什麽背景雜波的問題,但是受地球曲率限制,對巡航導彈這類低飛的目標,探測距離非常有限。所以上個月美軍用戰斧導彈攻擊敘利亞的空軍基地,俄軍的S400防空系統雖然也在敘利亞,卻根本看不到也打不著。當時我評論說,能對抗巡航導彈的,只有以先進預警機為核心的完整防空體系。上周俄軍就趕緊亡羊補牢,派了一架預警機進駐敘利亞。
    但是預警機固然居高臨下,不受地球曲率阻擋,地面和海面背景卻都會產生大量的回波,即使有現代的高速計算機,也不可能準確地完全過濾掉。E-2D作爲一種艦載機,在尺寸和載重上更有額外的嚴格限制,別説不能用上共軍KJ-500那樣的三面陣列,連一面L波段的AESA陣列都載不動,爲了維持足夠的探測距離和反隱身能力,只好進一步犧牲解析度,而選用波長更長的UHF波段。但是如此一來,E-2D對背景雜波,就比戰機上的X波段陣列還要敏感得多。
    其實這基本上就是如何讓雷達具有下視能力的問題,1960年代美軍的解決方案是利用多普勒效應:當雷達波碰到目標反彈時,如果目標正在向雷達波源飛近,雷達反射波的頻率會變高;反之,如果目標正在遠離,反射波的頻率會降低。既然一般的地面/海面背景(如車輛、飛鳥、風吹的樹葉和波浪等等)的速度都很有限,只要專注在頻率變化了很大的信號上,就自然把背景雜波通通過濾掉了。這個簡單粗暴的辦法,至今仍是機載防空雷達下視能力的基礎。
    但是這個辦法(叫做Pulse-Doppler Radar,脈衝-多普勒雷達,不能用連續波,必須用脈衝才能精確測距)有一個先天上的缺點,就是只能偵測到有足夠徑向(直面或直背)速度的目標,所以躲避敵機探測的一個基本戰術,就是繞著它轉個大圈,那麽速度主要成爲切向(側面),自己會被敵機雷達因徑向速度不足而直接過濾掉,從它的熒幕上消失。
    E-2D的UHF陣列,天生就對傳統的隱身外形有若干剋制能力(這也是爲什麽共軍一直沒有開發像美軍AGM-129那類的隱身導彈的原因),但是對背景雜波很敏感,必須依靠多普勒原理在頻率上做嚴格的限制。它對徑向速度的偵測下限是個大機密,但是我認爲不可能低於200節,有可能高達300節。這在實戰中,一般並不成問題:一方面它的探測距離遠,對方的戰機和導彈如果老是繞圈子,還沒有飛進防禦核心油料就用完了;另一方面,飛行器的升力,也就是載重能力,隨速度的降低而很快減小,一般的軍機和飛彈都必須至少以高次音速(即上面美國人猜測的530節,這是馬赫0.8)飛行,才能輕鬆携帶足夠威脅大型戰艦的彈藥和燃料。
    所以要對E-2D隱身,有一個很簡單的辦法,就是以慢打快。只要把飛行速度降低到明顯低於200節的地步,即使直對著E-2D飛去,它的AN/APY-9雷達仍然只能是睜眼瞎子。這裏我猜測一些參數,然後看看它們是否合理。假設這枚飛彈全重2.5噸(YJ-62重1.4噸;我估算的是最終實用型的尺寸,目前的技術驗證機可能小很多),全長9米,翼展8米,巡航速度140節,最大速度530節,動力來源是一座小型渦扇發動機。我們可以拿一架小噴氣機來比較,例如Honda Jet,最大重量4.8噸,全長13米,翼展12米,巡航速度370節,最大速度440節,裝備了兩個一噸級推力的渦扇發動機。可以看出這枚飛彈除了巡航速度特別低之外,基本上就是Honda Jet一半大的一架中規中矩的噴氣機。
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那麽怎麽讓飛機的巡航速度降下來呢?必須找到額外的升力來源,而地面效應就正是一個很好的額外升力來源。所謂地面效應,就是當飛機的飛行高度等於或低於翼展的時候,地面與機翼之間會形成一個高壓氣墊,因而給予飛機額外的升力。地面效應並不是地效飛行器的特權,一般民用飛機在降落的過程中,都會運用地面效應,先在跑道上空幾公尺拉平,慢慢讓空氣阻力減低航速,然後平穩地輕輕觸地。所以一架飛機在地面效應下的巡航速度,就是它的正規降落速度(嚴格來説,是稍高於正規降落速度,一方面這是因爲降落時油料已經用得差不多,所以重量減輕了;另一方面降落時會放下襟翼),而遠低於空中的巡航速度,例如Honda Jet的正規降落速度就是115節。所謂的地效飛行器,指的是不能在地面效應以外的空中正常飛行的飛機,換句話說,它們的極速很低,只比地效巡航速度高一點,例如前面提到的裏海怪物,地效巡航速度是230節,極速卻只有270節。

總之,這枚地效反艦飛彈其實並不是地效飛行器,而是一架小型無人機,正常的高空巡航速度可能在450節左右,但是它的機翼和下機身被針對地面效應而優化了,可以平穩地以140節的地效巡航速度飛行三個、甚至四個小時以上。如果海面平靜,那麽就依6米高度飛行;如果風浪大,則可以升到10米,增加航速到略低於200節以彌補升力。在最後幾公里,再以最大速度衝刺(有可能類似YJ-18,即抛棄機翼和渦噴發動機,以火箭發動機進行短程超音速飛行),以減低被近迫防禦系統攔截的機率。

論證完畢,我在此藉機閑扯一段有關140節空速的陳年往事。1991年,我還在哈佛博士班,同時也抽空開小飛機。那時我常租的小飛機是Cessna 172,它是最容易開的入門機,但是速度很慢。有一天,我從波士頓往西飛,到了麻省中部,這裏剛好有一個大機場,叫Bradley International Airport,是康州首府Hartford和麻省的Springfield市共用的國際機場。小飛機一般沒事不會到國際機場去找麻煩,但是那天我興致來了,看到好像沒有什麽班機在排隊起降,就請求降落。機場管制員一開始也不在意,把跑道方位給了我,叫我按照例行方案進場。於是我慢慢地轉入Downwind Leg,然後發現這個跑道比我習慣的長了很多,飄了半天才準備要左轉進入Base Leg,忽然機場管制員發聲道,你有一架波音737排在你後面,請提醒我你們Cessna 172的降落速度是多少。我說是70節,他說737的降落速度是140節,你看著辦吧。我的副駕駛是哈佛物理系的美國同學,他說機場管制員是在暗示我們必須加速,但是又不願意明白叫我們違反駕駛常規,否則要是出了事他會有法律責任。我說我不在乎自己負責,就呼叫機場管制員,說我請求以極速降落,他馬上准了。Cessna 172的極速是多少呢?不多不少,就正是140節。那是我唯一一次駕機在真正的(即常有民航班機來往的)國際機場降落,也是唯一一次高速降落(襟翼到即將落地才放下),而且後面還有一架737追來,刺激十足。

【後註】有老同學寫電子信件來更正,Bradley那個經驗並不是我唯一一次駕機在國際機場降落,他晚一年來波士頓找我玩的時候,我帶他飛到Portland International Airport(緬因州的小Portland,不是Oregon州的Portland)降落吃飯。那次的降落也很刺激:我們在巡航高度已經快到機場正上空了,機場管制員卻叫我跳過一般的Pattern,直接落地,所以我關掉油門,做了一個急轉彎側俯衝,就像二戰的戰鬥機脫離編隊準備俯衝掃射一樣(那個動作叫做“Skid”,我的乘客或許覺得驚心動魄,其實它是個很安全的基本技術,是小飛機必須很快降低高度時的標準程序)。他記得我的地效拉平沒做好,飛機在跑道上蹦了一下,這點我倒不記得,哈哈。不過Portland沒有什麽交通,不像Bradley那樣有民航班機來給真正的壓力;正因爲它的國際機場名頭有點名不符實,所以早先忘了提。
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