雄猫长爪——浅析F-14战斗机的远程截击武器系统

空军之翼2018-01-11 22:43:47

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  作为美军历史上最为成功的征兵广告片,《壮志凌云》不仅让阿汤哥一炮而红,也让观众对F-14“雄猫”战斗机留下了极为深刻的印象,并在全世界军迷中赢得了不少拥趸。

《壮志凌云》让阿汤哥一炮而红

  作为世界上首款三代机,F-14从1974年服役起,一直到2000年,都是美国唯一一款拥有上百千米外多目标攻击能力的机型。赋予该机如此超强空战能力的,是美国海军专为拦截苏联轰炸机编队而研发的远程截击武器系统。

  这套远程截击武器系统,最早是为F-111B而研发的。F-111B下马后,美国海军又围绕该系统,重新研发了兼顾远程截击和近距格斗性能的F-14战斗机。该系统的组成包括:AWG-9脉冲多普勒搜索、截获、跟踪和制导雷达、红外搜索跟踪装置、数字计算机、一对显示器和各种控制装置,以及AIM-54“不死鸟”导弹。AWG-9雷达和AIM-54“不死鸟”导弹构成了系统的核心。

F-14双机编队

AWG-9脉冲多普勒雷达

  脉冲多普勒雷达,简称PD雷达,是一种应用多普勒效应在强背景(地、海面)杂波下发现运动目标,并测量其位置和相对速度的脉冲雷达。

  AWG-9脉冲多普勒雷达由休斯公司研发,采用直径为910毫米的平板缝隙天线,发射功率8-10千瓦(峰值),系统体积0.78立方米,全重612千克。

  由于传统的抛物面天线不能很好地控制副瓣,因此不能用在对副瓣电平要求非常苛刻的PD雷达上。各国早期研发的PD雷达,多倾向于使用倒置卡赛格伦天线。这种天线副瓣电平较低,天线效率较高,带宽也容易做的比较大,加工要比平板缝隙天线容易得多,还使机械扫描角度减小到波束扫描的一半,同时减小轴向尺寸,有利于机头的气动设计。

AWG-9的平板缝隙天线

  AWG-9之所以在PD雷达中率先使用加工难度较大,成本较高的平板缝隙天线,是因为这种天线体积小,利于雷达作快速大范围扫荡,有利于剧烈格斗空战中快速截获目标。同时,该天线还可利用阵面照射功率幅度加权抑制旁瓣,使用比较灵活。

AWG-9脉冲多普勒雷达

  为了实现远距离搜索功能,AWG-9发射机采用了栅控行波管,从而降低了对调制器的要求,增大了输出功率。接收机中采用了微波功能块的固态组件,提高了接收机的性能。

  AWG-9雷达可做为远距和中距脉冲多普勒探测器使用,能从地面或海面杂波干扰背景中辨别和跟踪低空飞行目标;或作为远距和超近距的普通脉冲雷达使用。它有种7种工作模式:PDS、PS、PDSTT、PSTT、RWS、TWS、ACM。

  使用PDS(脉冲多普勒搜索)模式时,AWG-9只能获得前方65°空域内目标方位信息、而没有其他参数,无法引导武器发起攻击。但这种模式下,AWG-9探测距离最远。图-95之类的目标,如果在315千米开外、向F-14迎面飞来, AWG-9将有很大的发现概率。F-14在战斗巡航时,常使用PDS模式。

  使用PS(脉冲搜索)模式时,AWG-9雷达并没有利用多普勒效应,与PDS模式一样,只能获得目标方位信息,而不能获得其他参数。和PDS模式相比,PS模式的最大探测距离只有前者的一半,但却能避免前者的一些盲点,如同向同速目标、横越航迹目标等。因此,F-14使用PS模式,主要是为PDS补盲。

  PDSTT(脉冲多普勒单目标跟踪)模式,是AWG-9雷达能够发起攻击的模式里,距离最远的。PDSTT的跟踪距离,就是F-14的最远交战距离。对典型的轰炸机目标,PDSTT的跟踪距离超过200千米;对Su-27一类目标的跟踪距离,达167千米。

  PSTT(脉冲单目标跟踪)模式与PDSTT模式的关系,与PDS和PS的关系类似。虽说最大作用距离缩短了一半左右,但如果没有PS和PSTT模式,F-14就没法发现、攻击与自己同向、同速飞行的敌机。

  RWS(边测距边搜索)模式可以提供目标距离信息、距变率。该模式的探测距离比PDS模式短一些,对大型目标的探测距离超过200公里。F-14是用RWS模式来分析、确认PDS、PS模式下的搜索结果,并可以用目标参数开始导弹的瞄准。但如果想发起攻击,则需要将雷达切换到PDSTT、PSTT或TWS模式。

AWG-9雷达显示屏

  对机械扫描的AWG-9雷达来说,TWS(边跟踪边搜索)是一种兼顾“目标刷新率”与“空域扫描力”的工作模式,用扫描范围的缩小来换取目标刷新率的提升,来满足AIM-54的接战要求。这是F-14实现同时攻击多个目标所必须的雷达工作模式。在这种模式下,AWG-9可以“有条件的”跟踪最多24个目标、并引导AIM-54同时攻击最多6个目标。导弹离目标约16千米时,便用弹载雷达接替导弹控制,从而提高命中概率。

  ACM(空战机动)模式里,包含驾驶员快速截获、垂直扫描截获与手动快速截获三种亚模式,灵活性依次递增,操作复杂性也一个比一个高。其中,最后一种亚模式只有雷达操作官可以使用。在遭遇电子干扰时,AWG-9可以转换到“干扰源跟踪”的ACM模式。ACM模式下的AWG-9最远探测距离仅10千米左右。虽说ACM模式支持AIM-54以其主动雷达导引头“直接瞄准”方式接敌,但在近距格斗情况下,与其使用硕大笨重、机动性欠佳、最小接战距离3.6千米的“不死鸟”导弹,还不如使用轻便灵活的“响尾蛇”导弹。

F-14A取消了平显的反射玻璃,图像直接投射在挡风玻璃内侧,效果很好

  综上所述AWG-9雷达只有在PDSTT、PSTT、TWS和ACM四种模式下,才能使用AIM-54导弹打击目标。对图-95之类的大型目标,当从高空迎头接近时,最远接战距离大约230千米;如果大型目标从低空迎头接近,由于地面(海面)杂波干扰,最远接战距离会在100~200千米之间;对苏-27这样的战斗机目标,当从高空迎头接近时,最远接战距离大约160千米;战斗机目标从低空迎头接近时,最远接战距离下降到70~140千米之间。

  以上都是一对一的情况。AWG-9引导多枚AIM-54攻击多个目标,最大接战距离是:

  大型目标,迎头接近,高空约160千米,低空大约70~140千米;战斗机目标,迎头接近,高空大约110千米,低空约50~95千米。以上都是迎头接近的情况,如果是尾追,上述数字将缩水为1/3左右。

  对于同等大小的目标来说,AWG-9探测距离约相当于F-4J所用AWG-10雷达的2~2.5倍,远距扫描的空间立体角范围为AWG-10的15倍。AWG-9雷达在PDS模式下,可在远215千米距离上发现从高空迎头接近的战斗机;F-15虽入役稍晚,但其安装的AN/APG-63同等情况下发现距离为150千米。八十年代中期服役的苏-27所使用的N001雷达,这一数字仅为110千米。F-14对抗战斗机的实际最远接战距离,甚至比后两者的雷达探测距离都远。加之拥有同时代独一无二的多目标接战能力,因此AWG-9堪称当时世界上最强大的战斗机雷达。

  AWG-9雷达不但功能强大,而且技术先进。它采用了频率分集技术,提高了抗干扰性能。在发射部分,由于采用了宽频带的栅控行波管,雷达能在19个传输通道上发射脉冲多普勒搜索信号。这种多适应性的管子能接受不同形式的调制,既适用于普通的脉冲雷达,也适用于脉冲多普勒雷达,并在高、低脉冲重复频率下都能工作。

  AWG-9雷达拥有自检功能,它能自动隔离部件,并判断出故障部位,并告之飞行员雷达仍能使用的工作模式。从1971年到1973年,该雷达的平均故障间隔时间从28小时提高到39小时。如此先进的雷达,价格自然不菲。入役之初,其售价就高达230万美元。要知道,这可是上世纪七十年代初期的美元呀!

F-14D后座的大尺寸多功能显示器

“不死鸟”导弹(右)与其前身“猎鹰”导弹(左)

AIM-54“不死鸟”导弹

  AIM-54“不死鸟”是二战后美国研制并装备使用的第一个远距空空导弹型号,也是战后世界上最先入役的,具有发射后不管和多目标攻击能力的远距空空导弹。

  该导弹由休斯公司研制,弹长3.98米,弹径0.38米,翼展0.92米,重447千克,最大动力航程超过200千米,最小接战距离3.6千米。最高速度4.5马赫,最大使用高度25000米,最大过载22g,连续发射间隔为3.2秒。

  “不死鸟”采用正常气动布局,装有一台MK47MOD0型固体火箭发动机,弹体外壳材料为铝合金。弹体外涂有隔热涂料,使之能经受高超音速飞行时的气动加热考验。

“不死鸟”导弹

  该弹采用半主动脉冲多普勒雷达中段制导加主动雷达末制导。DSQ-26主动导引头组件由耐高温陶瓷天线罩、四象限微波平面阵列天线及其射频线路、天线伺服控制机构组成。发射∕接收机由多通道固态器件构成的电压控制的本机振荡器、发射机和接收机组成。电子组件由信号接收机、速度探测和角跟踪电路、传输网络处理器、解调器、指令译码器、逻辑电路等组成,共有8块线路板。尾部控制舱内装有自动驾驶仪、角速度传感器、液压能源及管道、4个伺服定位器,以及构成制导系统一部分的尾部天线和混频器。该天线连续接收AWG-9雷达发出的射频信号,由混频器将其转换成中频信号,传输给电子组件。该弹共有3条控制通道:俯仰和偏航控制由阻尼速度反馈的加速度指令完成,以获得稳定飞行时的最佳弹道;横滚控制由速度积分陀螺完成,以保持导弹横滚稳定并提供自适应增益控制信号。自动驾驶仪包括电子线路板、俯仰和偏航加速度计、横滚速度积分陀螺、电子线路板上的存储器和计时器提供自动驾驶仪的定时和程控功能。

  “不死鸟”导弹采用连续杆式战斗部和无线电近炸引信以及触发引信。6千克重的战斗部爆炸后,生成的环形钢杆杀伤半径约15米。无线电近炸引信的目标探测器是采用时域信号处理的K波段脉冲雷达,用来确定战斗部的最佳起爆时间和将点火脉冲传递给传爆管线路,并根据导弹与目标的接近速度计算引爆延迟时间。触发引信与无线电近炸引信有电连接。

F-14发射“不死鸟”空空导弹

  AIM-54“不死鸟”导弹的作战过程如下:导弹从载机上弹射投放后,进入初段程控飞行阶段,距离目标16千米或更近距离时转入主动末制导飞行阶段。这个阶段共有4种工作方式:连续数据半主动制导,即连续照射目标并获取跟踪信号;采样数据半主动制导,即机载雷达天线边跟踪,边扫描并获取采样控制信号;全程主动制导,即导引头自主照射目标并获取目标反射信号;跟踪干扰源,即导引头自主跟踪目标自身辐射的电磁信号。在整个制导过程中,导弹采用偏置比例导引和速度跟踪方式,导引头对准目标后,向控制舱传输控制指令,向跟踪天线传输瞄准指令,使导引头天线跟踪目标。当导弹接近目标至预设距离时,无线电近炸引信动作,引爆战斗部。若无线电近炸引信因故失效,还有触发引信作为备份。

显示器和红外搜索跟踪装置

  F-14装载的这套远程截击系统拥有两个显示器。其中一个是直径25.4厘米的的阴极射线管战术信息显示器,它将来自火控雷达、红外装置以及从数据中心来的各种信息处理后,用符号和数字的形式呈现给飞行员。另一个是12.7厘米见方的多工作状态存贮管或详细数字显示器,用来显示雷达和红外装置的原始信息。

  F-14还装有红外搜索跟踪装置,作为AWG-9雷达的补充。当AWG-9雷达由于故障或遭到对方干扰时,红外搜索跟踪装置通过被动测量获得足够的信息,以支持发射“不死鸟”导弹。由于红外搜索跟踪装置的视界并不依赖于雷达天线旋转,因此当雷达在一个方向上扫描时,红外搜索跟踪装置可通过搜索另一方向来增大机载火控系统的搜索空域。由于红外搜索跟踪装置工作在较短的波长,因此分辨率较高。一些被雷达视为集群的目标,红外搜索跟踪装置能逐一区分。

F-14D采用衍射平显,有单独的反射玻璃

远程截击系统的改进

  进入八十年代,美军F-14装备的远程截击系统进行了改进。改进的重点,自然是机载火控雷达和远程空空导弹。

  作为AWG-9的后继者,AN/APG-71其实就是前者的数字化改型,重560千克,于1988年装上F-14D进行试验。

  APG-71采用了当时最先进的电子对抗技术,增加单脉冲角跟踪、数字扫描控制、超视距目标识别、袭击判断等功能;还采用了非合作目标识别技术,对雷达目标回波进行高分辨力的精确考查,以完成敌我识别,避免了一般IFF设备中的缺陷及混乱。该型雷达远距离覆盖性能更好;下视能力得到极大改善;扩展了速度搜索范围;可以跟踪当前扫描图形范围以外的目标,然后在继续扫描被监视区域的同时,锁定跟踪目标;其拥有的可编程电子对抗与杂波控制能力可以适应不断变化的威胁及环境。

  APG-71雷达系统的LRU由AWG-9的26个减为14个。雷达天线重新设计,扫描更加灵活,消除了AWG-9扫描图形不连续的某些几何限制。由于过去那种固定的二行或四行扫描图形并非总能同时探测到垂直方向离得远的两个目标。而新系统可以中断原来的扫描图形,连续跟踪正常扫描图形以外的一个目标,然后再自动恢复扫描。有效地扩大了雷达扫描跟踪区域,提高了同时进行高/低空攻击的能力。该雷达的信号处理机拥有四个处理单元,达到每秒4000万次的运算速度。数字雷达数据处理机有两个中心处理单元,每秒钟执行320万条指令。所有数据的接收和发送都通过MIL-STD-1553B通信总线。数字频率综合器作为雷达的主振器,具有宽频带、快速频率跳变及优良的电子抗干扰能力。

F-14满载6枚“不死鸟”执行远程防空拦截任务

  不仅火控雷达性能有了一定提高,“不死鸟”导弹性能也得到了优化。

地面上的“不死鸟”导弹

  AIM-54B是“不死鸟”导弹首个改进型号。主要改进之处是省却了液压冷却系统,成为一种无液体的导弹。该型号虽改善了可维护性,但导弹性能与基本型差不多,且研制费用昂贵,故未被美海军采用。

AIM-54C的一些改进组件

  AIM-54C是第二款改进型号,于1983年1月投产。其主要改进之处是:采用数字式电子组件、新型自动驾驶仪、固态器件收∕发机、新型引领用目标探测器,以及换用航空喷气公司的MK60MOD0固体火箭发动机,从而扩大了导弹的攻击范围,提高了抗电子干扰、目标识别、引信引爆性能,增强了对付远距集群目标、低空小目标、高空大机动目标的能力。

F-14的空战武器挂载方案

  AIM-54C导引头采用线性频率调制,使导引头在杂波干扰条件下对目标有较高的分辨力。同时由于对雷达天线罩的误差进行补偿,使导引头对目标的照射跟踪能力提高。导引头电子组件采用数字式程序处理器,并采用中∕大规模集成电器。电路板容纳16层的15-20块基片的混合电路,提供自检功能,在发射前可对导弹各主要部件快速检测,提高了战备完好性。采用固态器件的收∕发机,取代了原来的电子管式速调管。将原有1500个元件减少到800个。此外,导弹还改善了隔热保温技术,加装弹载加热器和冷却器,使电子组件的工作温度范围扩大为-54-+125度。

  AIM-54C的新型自动驾驶仪是一种捷联式惯性基准装置,用于中段制导。配合半主动雷达制导,通过伺服放大器带动4个液压动作筒驱动尾翼上的四个控制舵面。改善了导弹飞行弹道性能,提高了制导精度。

  该弹采用的新型无线电近炸引信,提高了在恶劣气象条件下的可靠性和引爆精度。

长处与不足

  自从F-14服役以来,就一直以其机载远程截击系统所具备的远程多目标接战能力而著称于世。它第一次赋予了美国航母编队可靠的远程拦截能力,是苏联轰炸机挥之不去的梦魇。要知道,即便是F-15,也是到了上世纪90年代中期,才获得了同时跟踪14个目标,并同时攻击其中6个的能力。

  虽说F-14的机载雷达处于TWS工作模式时,可在不触发对方RWR(全向雷达告警设备)的情况下,在较远距离上引导“不死鸟”导弹隐藏地发起攻击。但受到70年代的技术限制,“雄猫”的远距离多目标交战能力其实是有诸多限制的。

“不死鸟”导弹是疯狂的小“神风”战斗机

  “不死鸟”导弹发射前,先以AWG-9雷达的TWS模式分别锁定多个目标,解算出目标方位、高度、速度、导弹发射区与优先攻击顺序后发射导弹,其后AWG-9波束仍以2秒1次的频率接触目标,轮流为每枚导弹提供目标位置,直到距目标16千米,开启导弹上的主动导引头为止。2秒1次的频率是保证中段指导精度的基础,而AWG-9雷达的机械扫描天线的转动速度可是有限的。AWG-9作一次范围最广的水平±65度、垂直8行的扫描,需要13秒的时间,为了保证2秒1次的接触频率,天线的扫描范围只能限制在水平±40°,垂直2行;或者水平±20°,垂直4行。显然,这只能涵盖很狭窄的空域,实战中很难有很多目标挤在这小片天空里。F-14必须将目标维持在扫描范围内,一旦目标逃出,导弹将无法及时修正弹道,当主动雷达导引头开启后,可能会找不到目标。

  事实上,“不死鸟”导弹唯一一次同时接战6个目标的公开试射,就暴露了局限性。为“配合”AWG-9的扫描范围,当时6架靶机是被挤在一个28公里宽、高6100-7300米的空域,靶机间隔不超过600米,以0.6-1.1马赫的时速以直线向F-14A接近,且未进行大幅度机动,也没有实施电子干扰。即使这样宽松的环境,6枚导弹也只命中4架靶机。

  AIM-54“不死鸟”导弹最大使用过载仅22g,适宜对付笨重的轰炸机。但战斗机目标一旦发现危险临近,只需做一个4.4g以上的机动,就有极大可能成功规避“不死鸟”的攻击。80年代初,美国曾公布一组数据:AIM-54“不死鸟”导弹攻击高空入侵,不受电子干扰的1架轰炸机和来袭的巡航导弹的命中概率分别为70%和14%;攻击1架低空入侵,采用电子干扰的轰炸机的命中概率为37%。

航母甲板上等待弹射起飞的F-14机群

  除了上述两点,系统重量过大,也是该系统的一大缺陷。由于设计年代技术水平限制,作为一款空对空导弹,AIM-54“不死鸟”的弹径居然比AGM-84“鱼叉”反舰导弹还要粗大,翼展则相当,这严重影响了导弹的适装性。1枚“不死鸟”导弹重达447千克,其配用的专用挂架重达180千克。当F-14执行远程拦截任务,挂载6枚“不死鸟”时,导弹及挂架总重达3762千克,再加上重达620千克的AWG-9雷达,如此笨重的远程截击系统,恐怕也只有F-14“雄猫”这种超级强悍的战斗机才能承载。如果说A-10攻击机是围绕着那门硕大的GAU-8∕A机炮而设计的,那么从某种程度上来说,“雄猫”也是专为承载这套远程截击系统应运而生的。即便如此,F-14的着舰重量限制,也对其携带“不死鸟”导弹带来了巨大影响:如果F-14按设计要求,携带6枚“不死鸟”导弹执行远程防空截击任务,那么它必须在着舰前,发射或抛弃2枚“不死鸟”。鉴于“不死鸟”导弹在70年代中期的采购单价就高达45.8万美元,如此毫无价值的消耗,就连财大气粗的美国海军也承受不起。这也是人们在资料照片中,较少看到“雄猫”满载“不死鸟”飞翔的原因所在。

垂直爬升的F-14

结语

  虽然F-14战斗机的这套远程截击武器系统有着这样那样的不足,但在上世纪70年代至90年代,它无疑是款傲视群雄、独步“武林”的“神器”。

  让全世界诸多“猫迷”略感遗憾的是,美国海军的F-14战机在长达30年的服役期间,从未在实战中验证过这套远程截击武器系统的有效性。美军F-14战机在历次局部战争中所取得的战果,无一是通过AIM-54“不死鸟”导弹取得的。伊朗拥有的F-14机群,虽然宣称在两伊战争中用AIM-54“不死鸟”取得了50个左右的战果,但也从未在实战中用“不死鸟”导弹同时攻击过2个以上的目标。

  不过,虽然有种种不足和遗憾,但勿庸置疑的是,“雄猫”上装载的这套远程截击武器系统,相较于同时代其它一次只能接战一个视距外目标的系统,技术水准上跨上了一个大大的台阶,不愧是“雄猫”又长又锋利的爪子。



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