预警无人机:预警机发展的未来

1. 预警雷达的主要发展阶段传统雷达通常相当面积的天线,并将其安装在固定或移动的平台。远程雷达预警无人机概念的出现主要是为了获取更远的雷达探测距离。E-2预警机是世界上首架较为成功的舰载远程雷达预警机,距今已有60年多年的历史。1.1 “蘑菇盘”雷达罩当时所有关于预警机的设计理念都是将外形酷似蘑菇盘状的雷达天线罩固定在飞机机背上,借由飞行高度,自空中搜索各类空中、海上或者是陆上目标,提供较佳的预警与搜索效果,延长容许反应的时间与弹性。雷达通过测量距离目标物的距离和方位角及仰角,确定目标物的坐标系。一般的地面雷达站发送和接受的侦察/搜索信号因为收到地球曲率的限制,探测距离都十分有限。而预警机由于有一定的飞行高度,所以在安装了相应的探测设备后,其搜索和侦察的距离/半径将大大增加。在此基础上,就能更早的发现敌人的战术动作,从而为己方策划和采取应对措施赢得更多的时间。雷达角度测量误差通常比正常数值大得多。角度误差的大小由雷达波束的宽度决定,通常约为0.1波束宽度。对于扁平天线,其宽度可由公式α=λ/ D(1)确定,其中:α是波束宽度,以弧度表示;λ是雷达波长;D是沿相应坐标(水平或垂直)的天线长度。在选定的波长下,为了使波束尽可能窄,必须根据飞机的综合性能确定雷达天线的尺寸。但是,天线尺寸的增加必将导致“蘑菇”体积的增加,从而将更大气流的影响。1.2 “煎饼”状雷达罩的缺点E-2预警机最重要的技术有数据链传输技术、雷达探测技术、控制管理系统。其中的雷达探测技术是E-2 预警机上的主要预警手段,在E-2预警机的机背上驮着一个直径7.3米的大盘子,这个大盘子就是E-2预警机的雷达天线罩,采用能够透过电磁波的材料制成,具有良好的透波性。早期的E-2预警机采用的是AN/APS-96型雷达,为机械扫描雷达天线,采用单延迟线固定目标对消技术。后来,研发人员在改进E-2预警机时采用“波道”型电视天线技术,这种天线由纵向杆组成,在该纵向杆上安装有多个振动管。天线部件仅位于水平面内,从而雷达罩从“蘑菇盘”变成了水平“煎饼”状,大大降低了高空气流的影响。无线电波的辐射方向保持水平,并与吊杆方向一致,“煎饼”状雷达罩的直径也缩短为5 m。E-2预警机当然,这种天线也具有严重的缺点。当波长70cm时,方位角波束宽度为可以接受的7°,而当仰角为21°时,则无法测量目标物的高度。如果瞄准战斗机或轰炸机时,由于机载雷达本身不能够测量目标的高度,那么这些数据不足支撑执行以发射导弹的指令。通过减小波长不可能使光束变窄,因为“波道”在短波下的效果更差。1.3 预警机探测距离和精度的提高要求美国开发新一代的远程预警机。在此背景下,波音公司在707客机的基础了着手新型远程预警机的工作。波音公司在的“蘑菇盘”形雷达罩里安装了7.5×1.5 m的扁平垂直天线,将波长减小到10 cm,波束宽度减小到1°-5°。这样以来雷达探测精度和抗干扰性大大提高。而雷达的探测范围由原来的250-300km增加到350 km。总体上看E-2预警雷达都是UHF波段,易于数据处理的低脉冲重复频率体制,比较适合小型低速的E-2平台,但下视性能差是低重频的弱点。从关键的处理技术看,先是APS120的动目标指示MTI,后来又发展为APS125的动目标检测MTD,之后APS138、APS145引入了相位中心偏置天线DPCA,最后发展为ADS18的时空二维处理STAP。1.4 有源相控阵天线技术有源相控阵天线技术的应用极大的提高了雷达的探测距离和精度。有源相控阵雷达大部分是三坐标雷达,即方位(水平方向)机械扫描、仰角(垂直方向)电扫描的一维相位扫描雷达,以此获取目标的距离、方向和高度信息。为了提高雷达性能,二维相位扫描的三坐标雷达采用了固态有源相控阵雷达天线。这类雷达在水平和垂直方向上均进行相位扫描,同时天线阵列还可进行机械转动,这样不但克服了平面相控阵雷达天线观察空域有限(如限制在±60°范围内)的缺点,而且大幅提高了雷达数据率,改善了对多目标的跟踪性能。2. 预警无人机概念与载人预警机相比,预警无人机的经济性好、费效比低且生存能力强。预警无人机与载人预警机一样,集预警、指挥、控制和通信功能于一身,可起到活动雷达站和空中指挥中心的作用。平时可用来进行空中值勤,监视敌方行动,战时可加大预警距离,扩大己方的拦截线并且可以通过它统一控制战区内的所有防空武器,有效指挥三军作战。2.1 “天哨”预警无人机从世界范围看,我国是目前世界唯一一个公开无人预警机的国家。根据2018年我国媒体的报道,我国自主研发的“天哨”传感器无人机在陕西蒲城机场首飞成功,可以自主起降、巡航飞行、空地协同以及地面控制能力。“天哨”无人机是一款空中无人预警监视平台,也即是全球唯一的一款无人预警机。“天哨”预警无人机“天哨”无人预警机不仅采用了翼身融合技术,以增加机内燃油,更可以获得更好的气动性能,雷达设施为有源相控阵雷达。预警能力强大,自主起降设备也非常先进。更为值得关注的是雷达设施,无人机和雷达设施一体化设计,为扫描预警能力的提升提供可能。2.2 “天哨”预警无人机雷达装置相比一般的大型预警机的机顶“蘑菇盘”天线,“天哨”无人预警机采用了保形天线,能最大限度增加天线孔径面积,提高探测性能。“天哨”号无人机使用先进的共形天线是一类能与特定载体表面形状相吻合的天线,其设计目的是为了使天线能够方便地集成于载体表面,而不至于成为载体的拖累,在其被应用于军事制导领域时,共形天线由于能够与飞机、导弹以及卫星等高速运行的载体平台表面相结合,将共形天线安装在飞机、导弹和卫星的表面,其能够有效避免受到不良信号的干扰并完成对目标的追踪,且其安装过程不会破坏载体的外形结构及空气动力学等特性,目前其已成为军事领域的一个研究热点。“天哨”预警无人机雷达“天哨”无人预警机的设计使得飞行阻力小、航行时间长、载荷威力大等的特点。3. 结语预警无人机的概念最早是由美国空军实验室提出的,从上世纪90年代开始,美国进行了多项技术验证,但并没有推出最终的试验型号机。相比传统的“蘑菇盘”式的预警机,预警无人机载荷一体化设计具有阻力小,航时长,载荷重量大等优势,代表着未来空中预警系统的发展方向。1. 预警雷达的主要发展阶段传统雷达通常相当面积的天线,并将其安装在固定或移动的平台。远程雷达预警无人机概念的出现主要是为了获取更远的雷达探测距离。E-2预警机是世界上首架较为成功的舰载远程雷达预警机,距今已有60年多年的历史。1.1 “蘑菇盘”雷达罩当时所有关于预警机的设计理念都是将外形酷似蘑菇盘状的雷达天线罩固定在飞机机背上,借由飞行高度,自空中搜索各类空中、海上或者是陆上目标,提供较佳的预警与搜索效果,延长容许反应的时间与弹性。雷达通过测量距离目标物的距离和方位角及仰角,确定目标物的坐标系。一般的地面雷达站发送和接受的侦察/搜索信号因为收到地球曲率的限制,探测距离都十分有限。而预警机由于有一定的飞行高度,所以在安装了相应的探测设备后,其搜索和侦察的距离/半径将大大增加。在此基础上,就能更早的发现敌人的战术动作,从而为己方策划和采取应对措施赢得更多的时间。雷达角度测量误差通常比正常数值大得多。角度误差的大小由雷达波束的宽度决定,通常约为0.1波束宽度。对于扁平天线,其宽度可由公式α=λ/ D(1)确定,其中:α是波束宽度,以弧度表示;λ是雷达波长;D是沿相应坐标(水平或垂直)的天线长度。在选定的波长下,为了使波束尽可能窄,必须根据飞机的综合性能确定雷达天线的尺寸。但是,天线尺寸的增加必将导致“蘑菇”体积的增加,从而将更大气流的影响。1.2 “煎饼”状雷达罩的缺点E-2预警机最重要的技术有数据链传输技术、雷达探测技术、控制管理系统。其中的雷达探测技术是E-2 预警机上的主要预警手段,在E-2预警机的机背上驮着一个直径7.3米的大盘子,这个大盘子就是E-2预警机的雷达天线罩,采用能够透过电磁波的材料制成,具有良好的透波性。早期的E-2预警机采用的是AN/APS-96型雷达,为机械扫描雷达天线,采用单延迟线固定目标对消技术。后来,研发人员在改进E-2预警机时采用“波道”型电视天线技术,这种天线由纵向杆组成,在该纵向杆上安装有多个振动管。天线部件仅位于水平面内,从而雷达罩从“蘑菇盘”变成了水平“煎饼”状,大大降低了高空气流的影响。无线电波的辐射方向保持水平,并与吊杆方向一致,“煎饼”状雷达罩的直径也缩短为5 m。

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