穿在武器身上的“雷达外衣”

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近日的一则新闻使人们有理由相信,类似电影《特种部队:眼镜蛇的崛起》里面使用的隐身衣或将成为现实。只不过这次不是个人穿的隐身衣,而是通过采用共形天线为“战鹰”披上的新衣。在不久前举行的世界雷达博览会上,人们就目睹了机载共形天线的身影,意味着这项技术正加速从想象变为现实。
共形天线是指能与武器平台外形保持一致的天线,它如同创可贴般直接把天线阵面贴于载体表面,与平台结构融为一体。共形天线看似只是轻轻一贴,却能有效降低武器平台的雷达反射面积,对载体外形结构和空气动力学等影响也微乎其微,正在成为雷达天线领域的研究热点。
天线林立会拖战场后腿
天线是电子设备中用于发射和接收无线电信号的重要装置。信息化战场的武器装备,往往配备有多种多样的电子设备,它们的正常工作都离不开天线。以一架作战飞机为例,其身上安装的雷达、导航、通信等各种类型天线总数多达70余种,且很少安装在机身内部,绝大多数都突出在机身之外。
事实上,这些林林总总裸露在外的天线,正在拖“战场的后腿”。布置在武器平台外部的天线,会影响气动布局,还需要在安装位置上“斤斤计较”,以避免产生天线遮挡和电磁兼容等诸多问题。即便是为战机天线配备了天线罩,也不可避免地会形成鼓包,进而带来额外的雷达信号反射源,破坏了战机的隐身性能。由此,能与武器平台“完美融合”的共形天线应运而生。

资料图:图为采用共形天线的RAH-66“科曼奇”(Comanche)武装直升机剖面图,其垂尾就集成有通信系统天线,共形天线优点就是天线与直升机一体化,没有突出机身表面,既降低了直升机的RCS,也降低了阻力,但研制难度较大。(拖拽图片可查看大图)

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(中国国防报7月17日报道)据媒体报道,日前,中国航空工业集团研制出一种新型机载共形天线,并成功用于军用直升机上。无独有偶,在不久前举行的第八届世界雷达博览会上,中国电子科技集团也展示了一款机载共形天线,可安装于机身或机翼表面,在不影响气动布局的情况下,提升了无人机的探测性能。由此,共形天线再次进入人们视线。那么,什么是共形天线?

共形天线是一种覆盖于武器平台表面的雷达天线,通过天线与武器平台外形结构的一致,尽量减少对平台现有结构参数的影响。尤其对战机而言,一旦做到了天线与蒙皮的结合,或将从根本上解决天线布置的技术难题,进一步提升战机性能。
早在20世纪30年代雷达诞生伊始,人们就开始对圆环阵、圆锥阵等特形天线进行研究,这在当时也被视为是共形天线的基础和突破口。1960年,美国海军航空司令部开始着手研究用于飞机和导弹蒙皮上的共形相控阵天线。到1973年,美国研制出球形相控阵天线和圆环相控阵天线,标志着人们在共形天线研究领域的重大进展。
20世纪80年代,伴随着微电子和信息技术的快速发展,雷达天线领域一大批新技术、新工艺相继出现,为共形天线的研制运用奠定了坚实基础。美国空军于1985年首次提出“智能蒙皮”技术构想后,相继投入大量人力和物力进行基于共形天线的智能蒙皮研究,推动了将雷达天线集成在飞机蒙皮系统内部的技术发展。目前,共形天线技术已经在机载探测雷达、通信系统等部分武器平台上开始使用。
共形设计渐成大势所趋
共形天线之所以备受青睐,离不开其自身的独特优势。共形天线与载体的完美融合,使武器平台保持了较好的隐身特性和气动布局。当共形天线与导弹结合时,能在不改变导弹尺寸的情况下,进一步提升导弹对目标的适应能力和打击精度。发展完善的共形天线,事实上为武器平台披上了一身“雷达外衣”,即便是普通战斗机也能通过满身的天线实施侦察监视和电子战任务,从而节省了侦察机和电子战飞机的研发投入。
就拿近年来得到高度关注的智能蒙皮来说,以往放置在机头的战斗机雷达占据了庞大的机上空间,做成智能蒙皮后雷达可以放在机身的任何部位,使飞机性能得到大幅提升。智能蒙皮的出现还能在更大空域和更远距离实现对目标的扫描和探测。采用共形天线,对武器平台的载重、大小等几乎没有什么特殊要求,就连水面舰艇都能实现天线与桅杆、舰桥的一体化设计,应用范围极为广泛。
从2004年开始,美国空军和雷神公司就开始对X波段薄型相控阵雷达进行研究,其采用的天线技术正是共形天线。美国国家航空航天局和美国空军支持的“系统研发型飞行器”项目也在智能蒙皮技术上取得重大突破。通过超材料设计,这一项目将F-18“大黄蜂”的垂尾变身成为机载通信天线和合成孔径雷达,可实现“全方位、多任务”快速雷达波束扫描。目前,这一技术已经被应用于美军F-22“猛禽”、F-35“闪电”战斗机以及“全球鹰”无人机上。
目前,美国空军仍在支持多个共形天线项目研发。其中“结构一体化X波段阵列”项目,就曾在波音707飞机机翼上安装过64单元共形天线。在“传感器飞机共形低波段天线结构”项目中,研究人员通过在飞机机翼前缘安装有源相控阵共形雷达系统,充分研究了机翼弯曲对共形天线阵列性能的影响。美国空军的“传感器飞机”项目专门制造了一款超高频共形有源相控阵雷达天线,美国海军的协同交战系统舰载通信终端也采用了圆柱形共形相控阵天线。
此外,美国国防部高级研究计划局还专门制定了《推动智能蒙皮天线技术快速发展》计划。欧洲研究人员也在为无人机量身打造一款曲面扫描天线,相当于直接把天线贴在了无人机表面。
未来军民两用前景广阔
伴随着共形天线技术的快速发展,未来一个时期共形天线将在军事和民用领域拥有更加广阔的发展空间。诸如飞机、导弹、卫星、军舰、潜艇、坦克等武器平台,都将向着优化天线设计、实现天线与武器平台结构共形方向加速发展。预计共形天线将在无人机或导弹上实现最大化应用。尤其是小型无人机可以充分发挥共形天线的优势,将整个无人机平台外表层都作为雷达天线,实施更为广泛的侦察通信、雷达成像等任务。
在民用领域,共形天线的出现更意味着一场“头脑风暴”。就像人类感知冷暖需要有皮肤一样,车辆要想做到“智能”,同样也需要自己的“皮肤”。共形天线将为未来智能汽车提供遍布全身的雷达传感器网络,实现传感器集成的最优解。目前已经出现将5G多频共形天线“穿”在身上的未来汽车概念,将推动车辆网络化技术快速发展。
以智能蒙皮为代表的共形天线技术也属于传感器网络的一支,随着物联网在军民两用领域的推进,共形天线有望实现不同平台间的互联互通。法国军备总局此前就计划将智能蒙皮用于高空和长续航无人机项目,还计划为A-400M预警机加装远距离监视天线。人们甚至还打算把共形天线穿到身上。美国研究人员已经基于纺织制造技术研制出一款织物天线,通过在柔性布料基体中嵌入直径为0.1毫米的特殊导电材料,成功实现了织物天线功能。
未来,柔性共形天线是天线技术发展的热门方向。以大型预警机为例,采用柔性共形天线后不再需要额外背负“圆盘”或“平衡木”之类的机外天线,只需机身就能实现探测预警。同时,柔性共形天线占用机内空间少,也有助于减少武器平台体积重量,提升机动性和战场生存能力。

众所周知,天线是电子设备中用于发射和接收无线电信号的重要装置。现代作战平台为了更好地完成作战任务,往往配备有多种电子设备,它们的正常工作都离不开天线。传统的天线可安装在平台外部也可安装在平台内部,但会带来各种问题,如影响隐身性能或者造成散热难、挤占内部空间、影响载荷配置等。由此,共形天线应运而生。

共形天线是指能与武器平台的外形保持一致的天线或天线阵,它相当于贴附在平台外表面一样,与平台外形结构融为一体。相对于常规天线,尽管共形天线的优势十分明显。

首先,共形天线使平台保持了武器良好的气动布局和隐身特性。其次,贴在机身表面或者直接做成蒙皮的天线,可在更大的空域和距离上实现对目标的扫描和探测。

第三,共形天线的使用,在不改变弹体尺寸的情况下,增大天线孔径、导引头功率或者促进复合制导的应用,提高对目标的适应能力和打击精度。最后,共形天线不仅能适应运输机等大型平台,也能应用于战斗机等小型平台,使它们在执行既定任务的同时,还能开展侦察监视任务或实施电子战,从而不需要开发专门的侦察机或电子战飞机。

当然,引入共形天线后,最大的好处是彻底改变了天线突出武器表面的情况,达成了天线与机身的一体化设计,水面舰艇也实现了天线与桅杆、与舰桥的一体化设计。从而最大限度地保持了战机和战舰的隐身特性和机动能力,进而极大地提升了战力水平。

当前,共形天线发展的一个重要方向是柔性共形天线。它能弯曲成任意角度,贴合任意表面,保证与平台的任意曲面“共形”,并能自我修复或调整阵元的电磁波,让电磁波以合适的大小指向任意方向。更有吸引力的是,它有利于更好地实现可穿戴天线,带来单兵装备的革命性变革。如此看来,柔性共形天线将具有更广泛的军用前景。

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