对美军空空导弹雷达导引头技术体制的推测

引用格式：张江华.对美军空空导弹雷达导引头技术体制的推测［J］.航空兵器，2023，30（1）：31-36.

ZhangJianghua.SpeculationsonUSAirforce’sAirtoAirMissileRadarSeekerTechnicalScheme［J］.AeroWeaponry，2023，30（1）：31-36.（inChinese）

摘要：近几十年来，世界各军事强国竞相发展隐身技术，战机典型RCS已经从0.1～1m2下降到-40dBm2，隐身目标探测成为空空导弹雷达导引头领域亟待解决的难题，有源相控阵导引头技术被广泛认为是最有可能解决空空导弹对隐身目标探测的先进技术，但成本高，且对隐身目标探测能力提升有限。本文结合美军近年来中距空空导弹改进项目以及从平台中心战转向网络中心战、体系中心战的大背景，通过对机载雷达、TVM（TrackviaMissile）雷达导引头以及Ku和Ka波段主动雷达导引头在晴天和雨天条件下对典型隐身目标探测距离计算分析的基础上，认为美军可能在发展TVM雷达制导与主动雷达制导复合的制导方式。X波段TVM雷达导引头技术可以充分利用机载雷达资源，提升导引头对隐身目标探测能力，相比有源相控阵导引头技术成本大幅度降低。

关键词：相控阵雷达导引头；主动雷达导引头；TVM雷达导引头；隐身目标；空空导弹

中图分类号：TJ765.1

文献标识码：A

文章编号：1673-5048（2023）01-0031-06

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0199

0引言

隐身技术的飞速发展给空空导弹、防空导弹带来了巨大的挑战，研究显示［1］，F-35战斗机的RCS大约为-25～-39dBm2，不排除最小值低到-50dBm2的可能性，如何解决隐身目标探测已成为空空导弹雷达导引头技术领域迫切需要解决的难题。中距空空导弹要求导引头能够全天候、全天时探测目标，并测量弹目距离信息以优化制导律，雷达导引头几乎是唯一的选择。不断提高雷达导引头发射功率是弥补目标RCS降低的重要手段，常规机械扫描雷达导引头功率容量的增加受到电子真空器件的限制，提升空间十分有限，国内外研究人员纷纷把目光投向了相控阵雷达导引头技术，研究利用相控阵天线实现分布式大功率空间合成，从而提升雷达导引头的功率孔径积，提高作用距离［2］，日本AAM-4B导弹［3］、法国“麦卡”导弹的改进计划都采用有源相控阵技术［4］。毋庸置疑，采用相控阵天线技术的雷达导引头对隐身目标探测能力，相比传统的机械扫描体制雷达导引头将会提高，特别是毫米波相控阵雷达导引头，更有利于提高空空导弹的作用距离。另一方面，相控阵技术的应用也给导弹带来两个压力：（1）成本大增，仅天线动辄就需要百万元人民币；（2）功耗大增，发射功率高达数千瓦，而新一代隐身战机内埋携弹又迫切需要导弹进一步减小体积。更为致命的是，当雷达导引头平均功率增大到千瓦量级以后再往上增加就变得越来越困难，典型目标RCS在过去几十年内减小了30dB以上，雷达导引头发射功率需要提高到百千瓦甚至兆瓦级以上，才能弥补目标RCS减小导致的探测距离下降，工程上很难实现。在这样的背景下重新审视美军空空导弹导引头技术的发展历程，对于发展空空导弹导引头技术有着重要参考价值。美军AIM-120导弹自装备以来不断进行改进优化，最新的AIM-120D导弹相对于基本型射程增加了50%，导引头仍然采用机械扫描体制［5］。

美军中距空空导弹的升级改进中是否考虑过发展有源相控阵导引头技术？新一代主流战机F-35采用单引擎，机动能力已不是战机首要追求，转而强调隐身性和远程交战能力，雷达导引头是中距空空导弹的主流制导技术，不发展有源相控阵导引头技术还有其他选择吗？

1美军空空弹雷达导引头技术改进情况

1.1AIM-120系列导弹导引头技术

美国先进中距空空导弹（AIM-120）是当今世界上最先进、生产数量最多的现役雷达型中距空空导弹［6］，自装备以来就不断进行改进。该导弹最早是由休斯公司与雷神公司竞标研制，后期休斯被并购，由雷神公司负责后续的改型和保障。

导弹采用主动雷达导引头制导体制，工作在I波段，行波管发射机，具有中高重频设计，高重频用于尽早发现远距离目标，中重频用于下视探测低飞目标，雷达导引头的作用距离约为10km，扫描视场角范围为±25°，波束宽度为10°，天线增益约25dB。改进里程碑如下：

AIM-120A，1976年研制，1991年服役；

AIM-120B，1989年启动，1994年服役，制导控制系统由A型的WGU-16升级到WGU-41B，使导弹可以实现在线软件升级；

AIM-120C-3，1996年主要进行内埋升级，减小了翼展尺寸；

AIM-120C-4，1998年改进软件，减小战斗部；

AIM-120C-5，2000年减小了控制系统尺寸，升级抗干扰模块，增大发动机；

AIM-120C-6，2002年升级了象限目标检测设备（QuadrantTargetDetectionDevice）及软件；

AIM-120C-7，2005年改进导引头抗干扰软件和飞行控制系统，增加射程；

AIM-120D，2007年改进导引头，提高了抗干扰能力。重大升级包括使用双向数据链，增大离轴角，最大射程增大50%，达到180km。

2021年，AIM-120C-7首次完成实弹飞行试验，值得注意的是在文献［7］中同时披露：增程AMRAAM是一个复合拦截系统，把AIM-120C-7的前端（包括雷达导引头与战斗部）与RIM-162改进型“海麻雀”导弹的后端（火箭发动机与控制舱段）相结合实现，并于2016年8月完成验证试验。RIM-162采用半主动制导模式，导弹后端应该包含尾部直波接收机。

2021年，AMRAAM的另一次试验中，美国空军宣称成功进行了世界上最远射程空空导弹飞行靶试。“第28试验与评估中队在第83战机武器中队的配合下进行了这次最远距离空空导弹靶试，F-15C战机发射AIM-120导弹命中BQM167靶机。”第28中队少校AaronOsborne说，53联队内部之间的关键协作使在役装备系统能力得到扩展，进而使战机获得更好的武器系统运用包线［8］。

直到AIM-120D型产品之前，导引头大致保持一致，最大作用距离约10km，工作在I波段，行波管发射机，具有中高重频设计，功能与A型类似［9］。有消息称，AIM-120D企图采用双模导引头，同时具有被动射频寻的和主动寻的两种模式，但项目办官员予以了否认［10］。

1.2AIM-260导引头技术

AIM-260导弹由洛克希德·马丁公司研制。相比AIM-120导弹，这款导弹的弹径、长度基本保持不变，射程约150km，导引头有可能采用主动雷达导引头或双模复合导引头［11］。

1.3Peregrine/CUDA导弹导引头技术

Peregrine由雷神公司负责研制，CUDA由洛克希德·马丁公司负责研制。相比AIM-120导弹，这两款导弹尺寸减小了一半，并强调了低成本特性［12-13］，由此可以推测导引头多半没有采用有源相控阵技术。

迄今为止的报道中，还看不到在AIM-120导弹及其后续新研产品中有使用相控阵导引头的迹象。

2探测距离分析

在AIM-120D的改进中首次引入了双向数据链，对于雷达制导导弹来说，双向数据链意味着什么？有没有可能引入了TVM制导呢？

TVM导弹不仅需要接收目标指示信息，还需要把导引头接收到的目标信息回传到载机，不仅有利于提高导引头的探测距离，还能提高机载雷达跟踪距离。TVM制导与主动雷达制导复合，远距离采用TVM制导，近距离采用主动雷达制导。该技术已在美国PAC-3反导系统中使用。F-35的机载雷达APG-81工作在I波段（8～12.5GHz），具有一个激光波束（LaserBeam）模式用于对特定的一个或多个目标进行瞄准照射，该模式的照射功率比EA-6B“咆哮者”电子战飞机的照射功率还要大10倍！这样的大功率照射波束对于有源相控阵雷达来说不存在任何困难，这也是美军在AIM-120导弹改进项目中可能采用TVM制导模式的前提和基础。APG-81雷达有1200个辐射单元［14］，每个GaAS单元按美国20年前的技术水平，完全可以保证10W峰值的发射功率，因此预计APG-81雷达的峰值发射功率至少可达12kW。根据上述参数还可以进一步估计出天线增益约37dB，波束宽度约2.5°。

AIM-120导弹的最近发射距离为2km，这意味着，最小转比距离为2km，雷达导引头最大探测距离必须大于2km，导弹才有可能完成闭环飞行。考虑到必要的设计余量，要求导引头探测距离在3km以上才能保证导弹闭环飞行。

依据上述参数进行分析计算。根据雷达方程［15］：

R4m=PavtfGtGrλ2σF2pF2tF2rF2rdr（4π）3kTsDx（n′）LtLα（1）

为了兼顾TVM雷达导引头探测距离的计算，式（1）可改写为

SN=PavtfGtGrλ2σF2pF2tF2rF2rdr（4π）3kTsLtLα（RtRr）2（2）

式中：SN为目标回波信噪比；Pav为平均发射功率，机载雷达的Pav设定为3kW，主动雷达导引头的Pav统一设定为1kW；tf为相参积累时间，统一为10ms；Gt为发射天线增益，对于TVM雷达导引头来说，发射天线增益即为机载雷达天线增益，对于机载雷达和主动雷达导引头来说，收发共用天线可以近似认为收发增益一样（实际上接收天线一般需要进行加权处理增益较低，由于差异不大，可以忽略）；Gr为接收天线增益；λ为波长；σ为目标RCS，设定为-40dBm2；Fp为极化匹配因子，本算例中忽略此项影响；Ft，Fr分别为天线发射和接收方向图因子，对机载弹载雷达也可以忽略此两项影响；Frdr为距离相关影响因子，Frdr=FeclFstcFbdFlens2，由遮挡因子、STC控制因子（在中高重频雷达系统中一般没有STC控制，可不予考虑）、天线方向图损失（与雷达工作模式相关，搜索模式下损失较大，一般空空导弹雷达导引头可不考虑搜索模式，截获模式损失相对较小）、双程透镜效应因子（机载、弹载平台可不考虑此项影响）的乘积确定，此项因子随弹目相对距离变化而变化；k为玻尔兹曼常数；Ts为系统噪声温度，为289K；Rt为发射机与目标的距离；Rr为接收机与目标距离；Lt为系统损耗，包括传输线损耗0.5dB、信号处理失配损失3.5dB、天线罩损耗1dB等；Lα为大气传输损耗。

Lα按如下公式计算：

Lα=10－0.2αR/1000（3）

式中：α为大气传输衰减因子；R为距离。

考虑以下几种体制：

（1）主动雷达体制：包括机载雷达和雷达导引头；

（2）半主动雷达体制：TVM雷达导引头。

工作波段和典型气象条件下大气衰减考虑见表1。

对于16GHz与34GHz工作频段，只考虑主动雷达导引头的作用距离计算。

根据ITU统计，全球绝大部分地区一年中降雨量大于3mm/h（中雨）的时长约175h，降雨量10mm/h（大雨）以上的时长为45h，概率低于0.5%。