對美軍空空導彈雷達導引頭技術體制的推測

引用格式：張江華.對美軍空空導彈雷達導引頭技術體制的推測［J］.航空兵器，2023，30（1）：31-36.

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

摘要：近幾十年來，世界各軍事強國競相發展隱身技術，戰機典型RCS已經從0.1～1m2下降到-40dBm2，隱身目標探測成為空空導彈雷達導引頭領域亟待解決的難題，有源相控陣導引頭技術被廣泛認為是最有可能解決空空導彈對隱身目標探測的先進技術，但成本高，且對隱身目標探測能力提升有限。本文結合美軍近年來中距空空導彈改進項目以及從平臺中心戰轉向網絡中心戰、體系中心戰的大背景，通過對機載雷達、TVM（TrackviaMissile）雷達導引頭以及Ku和Ka波段主動雷達導引頭在晴天和雨天條件下對典型隱身目標探測距離計算分析的基礎上，認為美軍可能在發展TVM雷達制導與主動雷達制導復合的制導方式。X波段TVM雷達導引頭技術可以充分利用機載雷達資源，提升導引頭對隱身目標探測能力，相比有源相控陣導引頭技術成本大幅度降低。

關鍵詞：相控陣雷達導引頭；主動雷達導引頭；TVM雷達導引頭；隱身目標；空空導彈

中圖分類號：TJ765.1

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5048（2023）01-0031-06

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0199

0引言

隱身技術的飛速發展給空空導彈、防空導彈帶來了巨大的挑戰，研究顯示［1］，F-35戰斗機的RCS大約為-25～-39dBm2，不排除最小值低到-50dBm2的可能性，如何解決隱身目標探測已成為空空導彈雷達導引頭技術領域迫切需要解決的難題。中距空空導彈要求導引頭能夠全天候、全天時探測目標，并測量彈目距離信息以優化制導律，雷達導引頭幾乎是唯一的選擇。不斷提高雷達導引頭發射功率是彌補目標RCS降低的重要手段，常規機械掃描雷達導引頭功率容量的增加受到電子真空器件的限制，提升空間十分有限，國內外研究人員紛紛把目光投向了相控陣雷達導引頭技術，研究利用相控陣天線實現分布式大功率空間合成，從而提升雷達導引頭的功率孔徑積，提高作用距離［2］，日本AAM-4B導彈［3］、法國“麥卡”導彈的改進計劃都采用有源相控陣技術［4］。毋庸置疑，采用相控陣天線技術的雷達導引頭對隱身目標探測能力，相比傳統的機械掃描體制雷達導引頭將會提高，特別是毫米波相控陣雷達導引頭，更有利于提高空空導彈的作用距離。另一方面，相控陣技術的應用也給導彈帶來兩個壓力：（1）成本大增，僅天線動輒就需要百萬元人民幣；（2）功耗大增，發射功率高達數千瓦，而新一代隱身戰機內埋攜彈又迫切需要導彈進一步減小體積。更為致命的是，當雷達導引頭平均功率增大到千瓦量級以后再往上增加就變得越來越困難，典型目標RCS在過去幾十年內減小了30dB以上，雷達導引頭發射功率需要提高到百千瓦甚至兆瓦級以上，才能彌補目標RCS減小導致的探測距離下降，工程上很難實現。在這樣的背景下重新審視美軍空空導彈導引頭技術的發展歷程，對于發展空空導彈導引頭技術有著重要參考價值。美軍AIM-120導彈自裝備以來不斷進行改進優化，最新的AIM-120D導彈相對于基本型射程增加了50%，導引頭仍然采用機械掃描體制［5］。

美軍中距空空導彈的升級改進中是否考慮過發展有源相控陣導引頭技術？新一代主流戰機F-35采用單引擎，機動能力已不是戰機首要追求，轉而強調隱身性和遠程交戰能力，雷達導引頭是中距空空導彈的主流制導技術，不發展有源相控陣導引頭技術還有其他選擇嗎？

1美軍空空彈雷達導引頭技術改進情況

1.1AIM-120系列導彈導引頭技術

美國先進中距空空導彈（AIM-120）是當今世界上最先進、生產數量最多的現役雷達型中距空空導彈［6］，自裝備以來就不斷進行改進。該導彈最早是由休斯公司與雷神公司競標研制，后期休斯被并購，由雷神公司負責后續的改型和保障。

導彈采用主動雷達導引頭制導體制，工作在I波段，行波管發射機，具有中高重頻設計，高重頻用于盡早發現遠距離目標，中重頻用于下視探測低飛目標，雷達導引頭的作用距離約為10km，掃描視場角范圍為±25°，波束寬度為10°，天線增益約25dB。改進里程碑如下：

AIM-120A，1976年研制，1991年服役；

AIM-120B，1989年啟動，1994年服役，制導控制系統由A型的WGU-16升級到WGU-41B，使導彈可以實現在線軟件升級；

AIM-120C-3，1996年主要進行內埋升級，減小了翼展尺寸；

AIM-120C-4，1998年改進軟件，減小戰斗部；

AIM-120C-5，2000年減小了控制系統尺寸，升級抗干擾模塊，增大發動機；

AIM-120C-6，2002年升級了象限目標檢測設備（QuadrantTargetDetectionDevice）及軟件；

AIM-120C-7，2005年改進導引頭抗干擾軟件和飛行控制系統，增加射程；

AIM-120D，2007年改進導引頭，提高了抗干擾能力。重大升級包括使用雙向數據鏈，增大離軸角，最大射程增大50%，達到180km。

2021年，AIM-120C-7首次完成實彈飛行試驗，值得注意的是在文獻［7］中同時披露：增程AMRAAM是一個復合攔截系統，把AIM-120C-7的前端（包括雷達導引頭與戰斗部）與RIM-162改進型“海麻雀”導彈的后端（火箭發動機與控制艙段）相結合實現，并于2016年8月完成驗證試驗。RIM-162采用半主動制導模式，導彈后端應該包含尾部直波接收機。

2021年，AMRAAM的另一次試驗中，美國空軍宣稱成功進行了世界上最遠射程空空導彈飛行靶試。“第28試驗與評估中隊在第83戰機武器中隊的配合下進行了這次最遠距離空空導彈靶試，F-15C戰機發射AIM-120導彈命中BQM167靶機。”第28中隊少校AaronOsborne說，53聯隊內部之間的關鍵協作使在役裝備系統能力得到擴展，進而使戰機獲得更好的武器系統運用包線［8］。

直到AIM-120D型產品之前，導引頭大致保持一致，最大作用距離約10km，工作在I波段，行波管發射機，具有中高重頻設計，功能與A型類似［9］。有消息稱，AIM-120D企圖采用雙模導引頭，同時具有被動射頻尋的和主動尋的兩種模式，但項目辦官員予以了否認［10］。

1.2AIM-260導引頭技術

AIM-260導彈由洛克希德·馬丁公司研制。相比AIM-120導彈，這款導彈的彈徑、長度基本保持不變，射程約150km，導引頭有可能采用主動雷達導引頭或雙模復合導引頭［11］。

1.3Peregrine/CUDA導彈導引頭技術

Peregrine由雷神公司負責研制，CUDA由洛克希德·馬丁公司負責研制。相比AIM-120導彈，這兩款導彈尺寸減小了一半，并強調了低成本特性［12-13］，由此可以推測導引頭多半沒有采用有源相控陣技術。

迄今為止的報道中，還看不到在AIM-120導彈及其后續新研產品中有使用相控陣導引頭的跡象。

2探測距離分析

在AIM-120D的改進中首次引入了雙向數據鏈，對于雷達制導導彈來說，雙向數據鏈意味著什么？有沒有可能引入了TVM制導呢？

TVM導彈不僅需要接收目標指示信息，還需要把導引頭接收到的目標信息回傳到載機，不僅有利于提高導引頭的探測距離，還能提高機載雷達跟蹤距離。TVM制導與主動雷達制導復合，遠距離采用TVM制導，近距離采用主動雷達制導。該技術已在美國PAC-3反導系統中使用。F-35的機載雷達APG-81工作在I波段（8～12.5GHz），具有一個激光波束（LaserBeam）模式用于對特定的一個或多個目標進行瞄準照射，該模式的照射功率比EA-6B“咆哮者”電子戰飛機的照射功率還要大10倍！這樣的大功率照射波束對于有源相控陣雷達來說不存在任何困難，這也是美軍在AIM-120導彈改進項目中可能采用TVM制導模式的前提和基礎。APG-81雷達有1200個輻射單元［14］，每個GaAS單元按美國20年前的技術水平，完全可以保證10W峰值的發射功率，因此預計APG-81雷達的峰值發射功率至少可達12kW。根據上述參數還可以進一步估計出天線增益約37dB，波束寬度約2.5°。

AIM-120導彈的最近發射距離為2km，這意味著，最小轉比距離為2km，雷達導引頭最大探測距離必須大于2km，導彈才有可能完成閉環飛行。考慮到必要的設計余量，要求導引頭探測距離在3km以上才能保證導彈閉環飛行。

依據上述參數進行分析計算。根據雷達方程［15］：

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

為了兼顧TVM雷達導引頭探測距離的計算，式（1）可改寫為

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

式中：SN為目標回波信噪比；Pav為平均發射功率，機載雷達的Pav設定為3kW，主動雷達導引頭的Pav統一設定為1kW；tf為相參積累時間，統一為10ms；Gt為發射天線增益，對于TVM雷達導引頭來說，發射天線增益即為機載雷達天線增益，對于機載雷達和主動雷達導引頭來說，收發共用天線可以近似認為收發增益一樣（實際上接收天線一般需要進行加權處理增益較低，由于差異不大，可以忽略）；Gr為接收天線增益；λ為波長；σ為目標RCS，設定為-40dBm2；Fp為極化匹配因子，本算例中忽略此項影響；Ft，Fr分別為天線發射和接收方向圖因子，對機載彈載雷達也可以忽略此兩項影響；Frdr為距離相關影響因子，Frdr=FeclFstcFbdFlens2，由遮擋因子、STC控制因子（在中高重頻雷達系統中一般沒有STC控制，可不予考慮）、天線方向圖損失（與雷達工作模式相關，搜索模式下損失較大，一般空空導彈雷達導引頭可不考慮搜索模式，截獲模式損失相對較小）、雙程透鏡效應因子（機載、彈載平臺可不考慮此項影響）的乘積確定，此項因子隨彈目相對距離變化而變化；k為玻爾茲曼常數；Ts為系統噪聲溫度，為289K；Rt為發射機與目標的距離；Rr為接收機與目標距離；Lt為系統損耗，包括傳輸線損耗0.5dB、信號處理失配損失3.5dB、天線罩損耗1dB等；Lα為大氣傳輸損耗。

Lα按如下公式計算：

Lα=10－0.2αR/1000（3）

式中：α為大氣傳輸衰減因子；R為距離。

考慮以下幾種體制：

（1）主動雷達體制：包括機載雷達和雷達導引頭；

（2）半主動雷達體制：TVM雷達導引頭。

工作波段和典型氣象條件下大氣衰減考慮見表1。

對于16GHz與34GHz工作頻段，只考慮主動雷達導引頭的作用距離計算。

根據ITU統計，全球絕大部分地區一年中降雨量大于3mm/h（中雨）的時長約175h，降雨量10mm/h（大雨）以上的時長為45h，概率低于0.5%。

根據AIM-120導彈天線波束寬度和增益，可以推算出天線口徑約150mm，該尺寸將用于計算Ku和Ka波段導引頭天線增益。

首先利用式（2）計算X波段機載雷達作用距離，如圖1所示。

圖1中機載雷達在0mm/h、3mm/h降雨量下的探測距離約為13km，10mm/h作用距離下降到約11km。圖中發射平均功率按3kW，方向圖損失設定為4dB，其余計算參數同上文及表1。圖1的計算表明，如果載機僅利用APG-81機載雷達，即使0mm/h的降雨量對F-35的攔截距離也將小于13km。

圖2中，Ku波段雷達導引頭平均發射功率按1kW，在目標指示精度足夠的情況下，雷達導引頭的作用距離計算中方向圖損失約2dB。從圖中可以看出，導引頭作用距離只有大約2.5km。

Ka波段主動雷達導引頭目標信噪比隨距離變化曲線如圖3所示。可以看出，這時探測距離受天氣影響嚴重，即使3mm/h的降雨量也會顯著影響導引頭探測距離。

如果采用TVM雷達導引頭，雷達導引頭目標回波信噪比隨機載雷達與目標距離變化曲線如圖4所示。圖中，導彈與目標距離恒為3km。這時導彈在3mm/h以下降雨量情況下可以在距離載機16km處截獲目標，在10mm/h降雨量時截獲距離下降到12km。

如果要求TVM導引頭對目標的捕獲距離提高到5km，目標回波信噪比隨導彈與載機之間距離變化曲線如圖5所示。在降雨量為3mm/h或晴天，導彈可以在距載機約11km捕獲目標，降雨量10mm/h時下降到約8.5km，但導引頭對目標的捕獲距離提高到5km。相比之下，主動雷達導引頭的捕獲距離卻沒有增加的潛力。

從以上算例可以看出，Ka波段易受天氣影響，即使降雨量僅為3mm/h也足以顯著影響導引頭的作用距離；Ku和X波段雷達導引頭受天氣影響相對較小。

3波段和技術體制選擇

空空導彈采用TVM制導技術時，需要依靠機載雷達大功率、高增益波束照射目標，因此，采用這種體制要求導引頭工作波段與機載雷達保持一致。目前國外中距空空導彈雷達導引頭大多工作在Ku波段，如“流星”、“麥卡”、R-77導彈等。在這個波段很難實現TVM制導，畢竟大部分機載雷達需要工作在X波段。單純采用主動雷達導引頭技術，即使采用有源相控陣天線技術實現分布式大功率發射，當平均功率提升到千瓦級以后，功率進一步提升的空間也很小。但是，如果利用機載雷達照射，充分發揮機載雷達發射功率大、天線增益高的優勢，可以進一步提高導引頭探測距離，同時還可以提升機載雷達對隱身目標的跟蹤距離。

美軍AIM-120導彈導引頭工作在I（X）波段存在顯著優勢：

（1）即使大雨天氣，美軍空空導彈作戰所受影響也很小；

（2）戰斗機機載雷達幾乎全是工作在X波段，如F-15，F-16，F-35平臺使用的APG-63，APG-81，APG-82均為X波段，雷達導引頭工作在X波段有利于共享機載雷達資源。

可能會有人質疑導引頭工作在頻率較低的X波段是否存在以下缺點：

（1）抗多路徑能力較差

抗多路徑能力主要發生在攔截低空目標時。實際上即使采用毫米波導引頭也難以避免多路徑效應，都需要通過對彈道約束予以回避［16］。

（2）制導精度差

根據雷達理論，導引頭的測角精度與波束寬度線性相關，波束越寬，測角精度越差，X波段導引頭波束寬度比Ku波段大，測角精度也相對較差，進而影響視線角速度精度。實際上，引起導引頭的測角精度變差的主要因素并不是波束寬度，而是末端角閃爍影響，無論是X、Ku波段，抑或是Ka波段，只要解決了末端角閃爍都可以實現直接撞擊殺傷的制導精度。

（3）不利于提升作用距離

在式（2）中，由于天線的收發增益均和雷達工作波長的平方成反比，即

Gt≈4πAeλ2，Gr≈4πAeλ2（4）

式中：Ae是天線等效面積。

把式（4）代入式（2），可以發現回波信噪比與波長的平方成反比，即波長越短，導引頭探測距離越遠。這一關系式成立的前提是雷達導引頭有準確的目標指示信息，不需要進行搜索。實際上，空空導彈多數工作在這種情況下，即導引頭不需要進行波束掃描即可發現目標。

據此，有人可能認為空空導彈雷達導引頭工作波長越短，作用距離越遠。這是一種誤解：導引頭工作波長越短，波束越窄，指示精度影響也就越大。例如，3dB波束寬度5°的導引頭在指示誤差2.5°時，天線收發增益損失就高達6dB，而對于3dB波束寬度10°的導引頭同樣的指示精度可能只會引起3～4dB的方向圖損失。因此，提高導引頭工作波段對提高作用距離意義不大，特別是當工作頻段提高到毫米波以后還會有相反的效果：易受天氣影響，很小的降雨也可能導致探測距離大幅度降低。

AIM-120導彈在實戰中發射13枚導彈擊落10架戰機的紀錄，已經很好地證明了X波段研制空空導彈雷達導引頭的可行性。

TVM制導與半主動雷達制導方式類似，最受詬病的是需要機載雷達持續照射目標。在早期機載雷達以機械掃描為主。平臺中心戰模式下，機載雷達是飛機上最重要的傳感器，機械掃描雷達的多目標處理能力十分有限，TVM/半主動制導需要長時間占用寶貴的機載雷達資源，這種制導模式對于平臺中心作戰模式以及使用機械掃描雷達的飛機來說，都是不可接受的。

機載有源相控陣雷達技術的應用，特別是美軍提出網絡中心戰、馬賽克戰概念后，戰機對機載雷達的依賴有所降低，有源相控陣雷達的應用大幅度提升了機載雷達多目標處理能力，TVM制導的缺陷就顯得不那么突出了，同時，TVM制導也有利于提升機載雷達的探測距離。

根據以上算例分析，結合AIM-120改進計劃的公開報道情況，美軍采用TVM制導結合載機有源相控陣雷達或其他平臺目標指示、照射，是一種可能的選擇。這樣的導引頭方案回避了昂貴的相控陣天線，仍然可以繼續沿用機械掃描天線，TVM雷達制導與主動雷達制導相結合，對雷達導引頭成本的增加也很少。

TVM雷達制導也是防空導彈領域最重要的制導方式之一，俄羅斯的S-300，S-400，S-500系列防空導彈一直沿用TVM雷達制導體制［17-20］，而且特別強調突出其隱身目標攔截能力，這與地面雷達等效輻射功率有很大的關系。

與主動雷達導引頭相比，TVM雷達導引頭技術具有以下優點：

（1）抗干擾能力更強

由于導引頭自身不輻射信號，敵方偵察干擾設備釋放的干擾信號一般都是針對輻射來波方向，難以對導引頭發揮作用；而機載雷達可以綜合利用空-時-頻-極化等資源綜合提高抗干擾能力，這些技術的使用在空間受到極大限制的空空導彈雷達導引頭上是難以想象的。

（2）目標雙基地RCS增大

常規隱身設計多是針對單基地雷達系統，旨在減少后向RCS，TVM雷達導引頭回波信號與雙基地RCS相關，研究顯示照電尺寸較大時，雙基地RCS的極大值和均值更大，若其工作在前向散射區，更利于目標探測［21］。

（3）易于和主動雷達導引頭復合

從已公開的AIM-260和Peregrine等可能采用雙模復合制導技術的導彈圖片來看，都是采用尖錐頭罩，這種頭罩很大程度上排除了光學導引頭的可能性；與單純被動（反輻射制導）復合有效性受到敵方戰機雷達關機影響，在技術上實現兩種模式的復合難度也很大。TVM雷達制導模式的工作頻段與主動雷達導引頭工作頻段一致，易于實現雙模復合。

TVM制導的主要不足之處在于：

（1）多目標攔截時，目標容量受到機載雷達發射功率的限制，但這個限制在很多情況下并不致命；

（2）對追尾目標的探測能力

理論上，采用TVM制導是難以探測追尾目標的，這可能也是美軍在AIM-120導彈的改進中仍然保留主動雷達制導的原因。

TVM雷達制導屬于半主動雷達制導的一種，早期空空導彈如美軍的AIM-7F和AIM-9C等就采用半主動雷達制導技術。與傳統的半主動雷達制導相比，TVM雷達制導技術有助于提升照射雷達跟蹤能力，在防空導彈上有廣泛應用，移植到空空導彈上使用不存在技術上的障礙。

文獻［8］則進一步暗示，美軍TVM制導空空導彈可能在利用第三方機載雷達進行目標指示與照射，實施遠程打擊。利用他機照射代替本機照射是對文獻中使在役裝備獲得更好武器運用包線的一種可能解釋。如果不是利用他機目標指示與照射取得靶試成功，美國空軍或許也沒有那么自豪宣稱是世界上最遠距離空空導彈飛行靶試，畢竟文中明確提到了試驗是兩個中隊協作的結果。

早在20世紀70年代，美軍F-16戰機上即已裝備半主動雷達制導的AIM-7F“麻雀”空空導彈，當時的機載雷達APG-66為機械掃描體制。因此，TVM制導應用于空空導彈技術上是完全可行的。但是，采用TVM/半主動制導以后，機載雷達需要大功率長時間照射目標，機械掃描雷達體制在發射空空導彈期間難以同時保證對戰場態勢的有效監測，而現代戰機已經普遍采用有源相控陣雷達體制，同時多任務能力大大提升，從技術上來說比早期機械掃描雷達更加適合實現半主動/TVM復合制導。為了充分發揮TVM制導體制遠距離攔截的優越性，需要采用他機（或者星載）雷達照射，要求載機武器系統和他機雷達系統能夠通過無線網絡實時共享戰場信息，這或許也正是美軍孜孜追求網絡化作戰的一貫目的之一。

4結論

Ku波段雷達導引頭天氣適應性與X波段大體相當，但是卻難以利用機載雷達的照射資源。美軍中距空空導彈雷達導引頭工作在X波段，利用TVM雷達技術對其進行升級改進，對于他們來說是一件很自然的事情：機載雷達和空空導彈雷達導引頭本來都是工作在X波段，導引頭只需要進行很少的改動就可以利用機載雷達提升對隱身目標的探測距離，與相控陣導引頭技術相比有明顯成本優勢。盡管短期內甚至相當長時間內都難以證實美軍是否采用這一技術，但根據本文的典型算例推測，空空導彈雷達導引頭，尤其在配備了有源相控陣機載雷達的戰斗機上，利用TVM制導可以顯著提高雷達導引頭對隱身目標捕獲距離，有什么理由放棄嘗試這種導引頭與機載雷達協同工作帶來的顯著優勢呢？

分析給出以下啟示：

（1）在波段選擇上要重視X波段。機載雷達基本都是工作在X波段，空空導彈雷達導引頭如果希望利用機載雷達資源，就需要工作在這個X波段；

（2）發展TVM制導與主動雷達制導復合可以提升導引頭對隱身目標探測能力，且成本增加很少；也可以考慮取消主動雷達制導，以進一步降低導引頭成本，減小體積、重量。

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SpeculationsonUSAirforcesAir-to-AirMissile

RadarSeekerTechnicalScheme

ZhangJianghua*

（XianElectronicEngineeringResearchInstitute，Xian710100，China）

Abstract：Inrecentseveraldecades，stealthtechnologyhasbeendevelopedquicklyamongthemilitarycountries，thetypicalRCSoffighterplanehasdroppedfrom0.1～1m2toaround-40dBm2，andthedetectionofstealthytargetisaurgentproblemneedstosolve.Activephasedarray（APA）radarseekertechnologyiswidelyconsideredasthemostlikelysolutiontothedetectionofstealthytargetsformediumrangeairtoairmissile（AAM），butthecostofAPAradarseekerishigh，andtheimprovementofstealthytargetsdetectionrangeisstilllimited.InordertofindawaytoimprovethestealthytargetscapturecapabilityofAAMradarseeker，theimprovementprojectofUSairforcesmediumrangeAAMaswellasthebackgroundoftransformationsfromplatform-centricwarfaretonetwork-centricwarfareandSoS-centricwarfare（SCW）arebothconsideredinthispaper，basedonthedetectionrangecalculationofairborneradar，track-via-missile（TVM）radarseekerandtheKu，Kabandradarseekertotypicalstealthytargetsinclearatmosphereorrainconditions，itisspeculatedthattheUSairforcearelikelynowdevelopingthecompositeguidancemodeofTVMandactiveradarseekertechnologyindealingwithstealthytargets.TVMradarseekertechnologyinXbandcanmakefulluseofairborneradarresources，andcanimprovethedetectioncapabilityofstealthytargets，alsothecostisgreatlyreducedcomparedwithactivephasedarrayseeker.

Keywords：phasedarrayradarseeker;activeradarseeker;TVMradarseeker;stealthytarget;air-to-airmissile

收稿日期：2022-09-22

*作者簡介：張江華（1973-），男，安徽阜陽人，博士，研究員。