王孟源:地效反艦飛彈的原理
2017-05-18 17:21:47






這是引起評論的那張照片。從這個角度,並不能確定機翼的翼展。

如同上次一样,美国人有些十分离谱的论点,似乎是直接抄录中国军事论坛上的胡猜。他说这枚地效反舰飞弹的飞行高度只有18英寸,亦即半公尺左右;这代表著只有在0级和1级海况下,这枚地效反舰飞弹才能作战。换句话说,在西太平洋,99%以上的日子都不能使用,这当然是个大笑话。

在冷战期间,苏联在里海实验了几个不同型号的地效飞行器,最大的一个,外号叫“里海怪物”,长92米,翼展37米,重达500吨,但是即使在里海这样风平浪静的内海,原型机还是因爲大浪而损毁。正因爲地效飞行器的抗损性太差,苏联认爲地效飞行器作爲登陆艇没有实用价值,转而开发同样重量的气垫船,也就是后来的野牛级。



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。

传统的地效飞行器的飞行高度与翼展成正比;既然照片里说它“载荷重量大”,那么这枚新飞弹应该不小于共军现役的重型反舰飞弹YJ-62,也就是至少7米长。它的翼展从侧面角度的这张照片很难确定,就算比长度还大,也不太可能超过10公尺。里海怪物比它大了近4倍,飞行高度也就高了接近4倍,还因爲不耐风浪而不能实用化,所以这枚地效反舰飞弹必然不可能只是一个传统的地效飞行器。

美国人说它的飞行速度是每小时600英里,亦即约530节,这比里海怪物的极速270节还要高出一倍。YJ-62的速度是600节,反而和它相似。那么问题就来了,速度和载重都和已经快淘汰的现役装备差不多,尺寸却宽大了许多,很难塞进发射筒里,爲什么还要开发呢?美国人就因此很高兴地做了结论,这枚飞弹唯一的好处就在于飞得比YJ-62更低,但是美军航母战斗群的E-2D预警机就是专门设计来探测低空目标的,就算飞行高度只有18英寸,一样能在215英里(344公里)外侦测到,其后的成功拦截是例行而且必然的。

对于上面这一论点,《观察者》的文章针锋相对地说,他们刚好最近才采访了该导弹方案的航天科技集团某研究院负责人,一方面证实了照片的真实性,另一方面却宣称“这种导弹的设计目标主要就是突破E-2D预警机和标准6导弹的拦截”。这当然是很奇怪的:《观察者》说这型飞弹的飞行高度是6米,虽然比18英寸合理的多,但是与YJ-62的10米飞行高度更没有根本上的差别,它的翼展又比YJ-62大得多,外形也完全没有隐身处理,怎么可能会有更小的雷达截面呢?

《观察者》的文章还说这枚飞弹的飞行速度是每小时965公里,这刚好是600英里,所以应该是引用美国人的说法。然后文章基本上一再重複说它有神奇的隐身能力,而这个能力就来自于飞行高度降低了4米。那么问题又来了,YJ-62降到6米的飞行高度并没有技术困难,主要只是爲了避免风浪才设定到10米的高度,爲什么不乾脆只把YJ-62的进气口改到上面以避免进水就成了呢?

要解答以上这些谜题,必须对雷达和地效飞行器的原理做比较深入的分析。我们先从雷达谈起。

地面和军舰上的防空雷达,一般是直接往上看,没有什么背景杂波的问题,但是受地球曲率限制,对巡航导弹这类低飞的目标,探测距离非常有限。所以上个月美军用战斧导弹攻击叙利亚的空军基地,俄军的S400防空系统虽然也在叙利亚,却根本看不到也打不著。当时我评论说,能对抗巡航导弹的,只有以先进预警机为核心的防空体系。上周俄军就赶紧亡羊补牢,派了一架预警机进驻叙利亚。

但是预警机固然居高临下,不受地球曲率阻挡,地面和海面背景却都会产生大量的回波,即使有现代的高速计算机,也不可能准确地完全过滤掉。E-2D作爲一种舰载机,在尺寸和载重上更有额外的严格限制,别说不能用上共军KJ-500那样的三面阵列,连一面L波段的AESA阵列都载不动,爲了维持足够的探测距离和反隐身能力,只好进一步牺牲解析度,而选用波长更长的UHF波段。但是如此一来,E-2D对背景杂波,就比战机上的X波段阵列还要敏感得多。

其实这基本上就是如何让雷达具有下视能力的问题,1960年代美军的解决方案是利用多普勒效应:当雷达波碰到目标反弹时,如果目标正在向雷达波源飞近,雷达反射波的频率会变高;反之,如果目标正在远离,反射波的频率会降低。既然一般的地面/海面背景(如车辆、飞鸟、风吹的树叶和波浪等等)的速度都很有限,只要专注在频率变化了很大的信号上,就自然把背景杂波通通过滤掉了。这个简单粗暴的办法,至今仍是机载雷达下视能力的基础。

但是这个办法(叫做Pulse-DopplerRadar,脉衝-多普勒雷达,不能用连续波,必须用脉衝才能精确测距)有一个先天上的缺点,就是只能侦测到有足够径向(直面或直背)速度的目标,所以躲避敌机探测的一个基本战术,就是绕著它转个大圈,那么速度主要成爲切向(侧面),自己会被敌机雷达因径向速度不足而直接过滤掉,从它的荧幕上消失。

E-2D的UHF阵列,天生就对传统的隐身外形有若干剋制能力(这也是爲什么共军一直没有开发像美军AGM-129那类的隐身导弹的原因),但是对背景杂波很敏感,必须依靠多普勒原理在频率上做严密的限制。它对径向速度的侦测下限是个大机密,但是我认爲不可能低于200节,有可能高达300节。这在实战中,一般并不成问题:一方面它的探测距离远,对方的战机和导弹如果老是绕圈子,还没有飞进防御核心油料就用完了;另一方面,飞行器的升力,也就是载重能力,随速度的降低而很快减小,一般的军机和飞弹都必须至少以高次音速(即上面美国人猜测的530节,这是马赫0.8)飞行,才能轻鬆携带足够威胁大型战舰的弹药和燃料。

所以要对E-2D隐身,有一个很简单的办法,就是以慢打快。只要把飞行速度降低到明显低于200节的地步,即使直对著E-2D飞去,它的AN/APY-9雷达仍然只能是睁眼瞎子。这里我猜测一些参数,然后看看它们是否合理。假设这枚飞弹全重2.5吨(YJ-62重1.4吨),全长9米,翼展8米,巡航速度140节,最大速度530节。我们可以拿一架小喷气机来比较,例如HondaJet,最大重量4.8吨,全长13米,翼展12米,巡航速度370节,最大速度440节。可以看出这枚飞弹除了巡航速度特别低之外,基本上就是HondaJet一半大的一架中规中矩的喷气机。

那么怎么让飞机的巡航速度降下来呢?必须找到额外的升力来源,而地面效应就正是一个很好的额外升力来源。所谓地面效应,就是当飞机的高度等于或低于翼展的时候,地面与机翼之间会形成一个高压气垫,因而给予飞机额外的升力。地面效应并不是地效飞行器的特权,一般民用飞机在降落的过程中,都会运用地面效应,先在跑道上空几公尺拉平,慢慢让空气阻力减低航速,然后平稳地轻轻触地。所以一架飞机在地面效应下的巡航速度,就是它的正规降落速度(严格来说,是稍高于正规降落速度,一方面这是因爲降落时油料已经用得差不多,所以重量减轻了;另一方面降落时会放下襟翼),而远低于空中的巡航速度,例如HondaJet的正规降落速度就是115节。所谓的地效飞行器,指的是不能在地面效应以外的空中正常飞行的飞机,换句话说,它们的极速很低,只比地效巡航速度高一点,例如前面提到的里海怪物,地效巡航速度是230节,极速却只有270节。

总之,这枚地效反舰飞弹其实并不是地效飞行器,而是一架小型无人机,正常的高空巡航速度可能在450节左右,但是它的机翼和下机身被针对地面效应而优化了,可以平稳地以140节的地效巡航速度飞行三个小时以上。如果海面平静,那么就依6米高度飞行;如果风浪大,那么可以升到10米,增加航速到略低于200节以弥补升力。在最后几公里,再以最大速度衝刺,以减低被近迫防御系统拦截的机率。

论证完毕,我在此藉机闲扯一段有关140节空速的往事。1991年,我还在哈佛博士班,同时也抽空开小飞机。那时我常租的小飞机是Cessna172,它是最容易开的入门机,但是速度很慢。有一天,我从波士顿往西飞,到了麻省中部,这里刚好有一个大机场,叫BradleyInternationalAirport,是康州首府Harford和麻省的Springfield市共用的国际机场。小飞机一般没事不会到国际机场去找麻烦,但是那天我兴致来了,看到好像没有什么班机在排队起降,就请求降落。机场管制员一开始也不在意,把跑道方位给了我,叫我按照例行方案进场。于是我慢慢地转入DownwindLeg,然后发现这个跑道比我习惯的长了很多,飃了半天才准备要左转进入BaseLeg,忽然机场管制员发声道,你有一架波音737排在你后面,请提醒我你们Cessna172的降落速度是多少。我说是70节,他说737的降落速度是140节,你看著办吧。我的副驾驶是哈佛物理系的美国同学,他说机场管制员是在暗示我们必须加速,但是又不愿意明白叫我们违反驾驶常规,否则要是出了事他会有法律责任。我说我不在乎自己负责,就呼叫机场管制员,说我请求以极速降落,他马上淮了。Cessna172的极速是多少呢?不多不少,就正是140节。那是我唯一一次驾机在国际机场降落,也是唯一一次高速降落,而且后面还有一架737追来,刺激十足。