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日志

 
 

【引用】解读俄罗斯研发先进武器装备的设计思想  

2012-05-02 21:59:46|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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航天科工集团二院 郭衍莹

更多信息请访问“老郭的博客http://blog.sina.com.cn/guoyanying01

或“yanyguo31的博客” http://blog.ifeng.com/2437359.html

    (作者注)俄罗斯是当今世界上唯一有能力在军事上向美国叫板的大国。也是唯一能使日本(右翼)在军事上畏惧的大国。其实俄罗斯2010年的GDP总值(以国际汇率计算)只有中国的四分之一。它的科技人员的数量也少于美国和中国。上世纪90年代苏联解体后俄罗斯经济休克时期,不少科技部门连科技人员的工资都发不出。但它研发先进武器的能力却经久不衰。本世纪以来它继续研发出一代又一代新型尖端武器。这中间有没有可供我们借鉴的东西?为此我根据国内外公开资料写了些科普文章,还应邀为一些部门作过普科报告。《俄罗斯研发先进武器装备的设计思想》一文已在《现代军事》杂志2011年第6p.68上发表。

       俄罗斯是军事大国,它研发和生产了很多先进武器装备,有不少在系统性能指标和作战效能方面体现了其世界领先水平和独特的设计思想。虽不能说件件世界第一,但至少可说门门不缺,足以在各个方面与超级大国美国抗衡。例如它研发的Kh-31反辐射导弹,专门针对美国的“爱国者”防空导弹,即将服役的S-400防空导弹系统可以拦击美国的“战斧”巡航导弹。因此有些西方媒体认为,它是当今世界上唯一敢于在军事上向美国叫板的大国。其实俄罗斯在经济上相对而言比较落后,它在2010年的GDP总值(以国际汇率计算)只有美国的1/10,中国的1/4。其科技人员数量也远少于中,美两国。但它能不断地研发出一代又一代新型尖端武器,这就不能简单用“军备竞赛”、“军火商”之类理由来解释了。它研发先进武器的能力何以能经久不衰?它研发的武器装备到底有哪些特点?俄罗斯科技人员在研发武器装备时的指导思想和设计思想是什么?有哪些值得我们借鉴?这些都是我们应该调查研究的课题。

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俄罗斯Kh-31 KRYPTON / AS-17反辐射导弹

  遗憾的是,首先对这些俄罗斯武器装备进行全面考察、系统研究,并提出看法,做出总结的,常常是美国一些专家和科技人员。例如在防空导弹系统及其制导雷达领域,美国有几位著名专家,如斯克尔尼克(SkoInik)——《雷达手册》和《雷达系统导论》作者、巴顿(Barton)——《雷达系统分析》和《雷达评估手册》作者、科雷等,都为中国雷达科技人员所熟知。他们在为美国研发武器装备的同时,从不放松对其他国家,尤其是俄罗斯武器装备研制情况的调查研究,从中找出可以借鉴之处。在每次莫斯科航展和其他航展中,这些老先生们都不辞辛苦,混迹于参观群众中,仔细观看俄罗斯的雷达和其他武器装备的特点。如从1993-2005的历次莫斯科航展中,俄罗斯都展出了S-300系列、S-400系列和“道尔”系列等俄罗斯几乎所有著名的相控阵制导雷达。他们参观后做了大量分析研究工作,并写出一些论文,分析和介绍俄罗斯第三代防空导弹系统中的相控阵雷达的系统特点,性能指标,关键技术、设计思路。他们认为,俄罗斯相控阵雷达的特点可概括为“高性能,低成本、低损耗”,并采用了“独特的设计方法”。所谓“独特的设计方法”,笔者认为就是从本国实际出发,发挥自己国家的技术优势,做到“扬长避短”。

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美国雷达专家斯克尔尼克及其主编的《雷达手册》一直是国内雷达科研人员的“圣经”

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美国雷达专家巴顿,他的著作《雷达系统分析与建模》已由电子部14所翻译出版 

       巴顿(David K. Barton)是一名雷达系统顾问,现生活于美国新罕布什尔州的汉诺威。他于1927年生于康涅狄格州的格林威治市,1944年到1949年在美国哈佛大学学习,其间有两年因在美国陆军白沙试验场服役而中断学业。在1949年获得物理学学士学位后,他作为一位民间工程师回到了白沙试验场。1953年,他调到位于新泽西州Fort Monmouth的信号实验室,启动了第一部单脉冲测量雷达——AN/FPS-16的研制。1955年,他加入RCA公司,进行雷达的研制并参与系统的测试和评估。由于此项工作,1958年RCS授予他首届W. Sarnoff杰出工程成就奖。他还于1960年将该雷达按比例扩大建造了AN/FPS-49雷达,用于弹道导弹预警系统。该系统在阿拉斯加和大不列颠经过40年的运行后最近才被更换。从1963年到1984年,他是马萨诸塞州Wayland和Bedford的雷声公司的一名顾问科学家。在此,他为美国空军提出了AN/TPS-19雷达控制着陆系统的雷达方案,并对大量其他雷达和导弹的研究和工程项目做出了贡献。他于1984年加入ANRO工程公司,从事雷达和导弹系统的研究,直至2004年退休。David K. Barton于1972年被推选为IEEE会士,并于1997年成为美国工程院院士。2002年,他获得了IEEE Dennis J. Picard关于雷达技术和应用奖章。他还曾服务于美国空军科学咨询委员会、防御情报局和陆军研究实验室。
  俄罗斯强调高性能是基于与超级大国美国抗衡的要求,要求雷达系统能适应现代战争实战的需求,尤其是能拦击马赫数10以上的各种战术导弹的入侵,并能与反导系统相衔接。强调低成本和低功耗,是出于俄罗斯国土辽阔,需要大量防空武器来保卫领空:而实现低的微波损耗就可最大限度提高雷达作用距离,其意义与前两条是一致的。
  众所周知,俄罗斯的基础工业远逊于美国。在雷达和电子产品领域,俄罗斯的软肋是微电子技术(包括微波微电子技术),因此它的数字电路和计算机技术水平不高,如武器装备中很多中低频电路仍不得不采用模拟电路。但它也有它的独特优势:
  第一是武器装备的系统设计能力很强有一支优秀的总体设计师队伍,有明确的系统设计指导思想。
  第二是在某些电子技术领域,如微波电真空技术水平很高,有些方面甚至在世界上首屈一指。
  第三是俄罗斯基础科学研究实力雄厚,可以作为研发武器设备的有力后盾。
  本文想在参考上述美国雷达专家们见解的基础上,结合一点实践经验和感性认识,谈谈个人的看法。希望这些看法对武器系统其他专业领域的同志也能有所启示。
俄罗斯武器装备的系统设计水平和技巧堪称世界一流   
  俄罗斯有一支优秀的(和非常敬业的)总体设计师队伍。早在前苏联时期,地空导弹防空系统总设计师拉斯普列京(А.А.Расплетин)院士就领导当时的设计局设计出S-25(“萨姆-1”)、S-75(“萨姆-2”),S-125(“萨姆-3”),S-200等系列高水平地空导弹武器系统,被誉为“地空导弹之父”。其实他或他们的聪明才智也非天上掉下,而是来自实践,也是前苏联国情之所迫。作为系统总师,他不得不在所要求的各种性能指标之间进行平衡和取舍,抓住主要矛盾,扬长避短。他的指导思想是利用系统的观念,把苏联各个生产或研发部门提供的性能并不算高的部件,组合成主要性能突出,综合技术水平较高的防空导弹武器系统。上世纪90年代,尽管苏联解体后经济经历一段“休克”时期,据说有些科研部门连工资都发不出。但拉斯普列京当年这一设计思想一直延续下来,已成为俄罗斯武器装备研发人员遵循的准则,西方有的文献甚至称这是“金科玉律”。拉氏以后几位总师,如本金、列曼斯基等都是这一准则的优秀继承人。

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拉斯普列京院士和他的防空导弹。他是著名的无线电电子专家,在苏联早期防空导弹系统研制中起到了重要作用

   列曼斯基(А.А. Леманский),是S-300到S-400的总设计师,被俄罗斯人尊为防空导弹系统之父,或“凯旋”导弹(即S-400)之父。不幸的是,2007年9月,他因心脏衰竭猝死于S-400试验靶场。列曼斯基着手负责S-300系统设计时,防空导弹武器已进入以拦击高速战术导弹为目标的第三代。他果断地对导弹和地面雷达进行了大胆和革命性的变革。在导弹方面,首先在世界上采用先进的垂直发射方式,使导弹具有全方位快速射击能力。在地面雷达方面,让相控阵雷达专门负责照射和制导,而将搜索目标任务交由另一台三坐标雷达负责,而不是像美国“爱国者”那样由一部相控阵雷达来完成多种功能。之所以采用这样的设计,是因为经过仔细论证,俄罗斯2部雷达的研制费用反而小于美国1部多功能雷达:而且让相控阵雷达专职于制导可以充分发挥其功能,能同时引导12枚导弹弹拦击6个目标,从而提高武器系统整体作战水平。同时还大胆采用了脉冲重复频率高达几百千赫兹(远高于美国类似型号的重复频率,所以也可称之为准连续波雷达)的脉冲多普勒体制,使其雷达能在大空域内对付高速机动目标和杂波干扰。美国专家认为,这些设想和改进是符合俄罗斯国情的。

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列曼斯基和他的骄子——S-400防空导弹系统

  俄罗斯这些大师们在贯彻上述系统设计指导准则时,当然也要求各研发部门发挥“扬长避短”的设计思想,把各部件(分系统,分机等)的水平尽可能达到最高。在导弹武器装备这一领域,俄罗斯的优势是飞行力学和导弹气动布局设计,惯性制导和器件(尤其是陀螺),大推力固体发动机,材料和工艺,微波电真空器件,以及微波和天线基础技术等。它的软肋(指硬件方面)是微电子技术,计算机(尤其是弹上计算机)和数字技术,以及各种集成器件尤其是高速芯片。例如上面所说要提高雷达重复频率,但俄罗斯缺乏高速微电子器件,甚至缺乏高速收发开关。按常规来想象,其提高脉冲重复频率的潜力是很有限的。这就依靠俄罗斯科技人员发挥扬长避短设计思想,克服了很多技术难题。下面以导弹和雷达天馈分系统为例,介绍他们在设计中如何体现扬长避短设计思想,使研发出的部件达到系统总体要求。
在研发导弹方面是如何体现“扬长避短”设计思想的   
  在讨论导弹研发时,不得不提到与拉斯普列京院士齐名的另一位设计大师,就是当时苏联火炬机械设计局总师格鲁申(П.Д.Грушин)。S-300系统所用的导弹,从5V55到48N6,都是在他领导下完成的。5V55弹用于S-300,而48N6弹是格鲁申在去世前对前者的改进,用于S-300-1。其改动处主要是压缩了仪器舱空间,增加了发动机推进剂,使作战距离增大约一倍,战斗部威力也相应增大。俄罗斯的文献中称,“他能绕过一般思维必需的数学概念阶段而理解物理过程的实质,这促使他研制导弹时,不顾已确立的固有概念而勇敢提出新颖的设想和结构。他设计出的导弹都是世界一流的,他从不设计二、三流的产品”。格鲁申的继承者在48N6基础上又推出48N6E和48N6E2,后者的射程高达200千米。有趣的是,这些改进型都没有对电子仪器方面作实质性的改动。
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苏联火炬机械设计局总师格鲁申,一生研制数十种导弹,装备了五十多个国家,从中东、越南到中国,都有过辉煌战绩

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 格鲁申研制的5V55弹主要用于早期S-300
格鲁申的继承者在48N6基础上又推出48N6E和48N6E2

       格鲁申等人非常清楚俄罗斯在气动力学和惯性制导方面的优势,所以垂直发射中的一些关键技术,如冷弹点火(实际上是燃气点火器点火)技术,初始段燃气舵控制技术、控制导弹滚动至最大升力面技术、陀螺平台控制倾斜转弯技术等,解决起来都比较顺手。但他们也清楚俄罗斯在制导电子仪器方面的劣势,所以不使用弹上计算机,也不使用捷联惯导体制,而将计算控制任务交给地面计算机。导弹电路中只采用速调管。磁控管、脉冲调制管等电压高、体积大的电真空器件和一些分立元器件电路,由于数字化程度差、体积大,其频率稳定度等指标要通过发射前准备阶段的检测校正来保证;其指令接收机、测向仪、应答机、引信等所采用的体制以及抗干扰性能都不能说是很先进的,但大体上都能满足系统的要求;末制导的精度估计会稍差,引信的脱靶量也要比美国的大很多,不过其战斗部威力大,对目标的动态杀伤区自然也大,可以弥补上述的不足,所以直到S-400系统,48N6E2弹仍被采用。

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S-300系列目前是俄罗斯军火出口的中坚,S-400/500更是俄罗斯防空/导弹防御系统的骨干

在研发相控阵雷达的天馈分系统方面是如何体现“扬长避短”设计思想的   
  天馈分系统指天线和其馈线,是雷达的关键部件。据国外文献报道,相控阵雷达天馈系统的成本大约要占雷达总成本的1/3,而天馈系统总的微波损耗一般约为5dB。5dB的概念是指天馈系统要消耗总的微波功率的2/3,只有1/3的功率传播至空间,成为有效功率。而在实际上据斯克尔尼克介绍,西方相控阵雷达天馈系统的损耗可能高达7~12dB。理论计算表明,微波损耗每降低1dB,就可使雷达作用距离增加6%,为了使雷达“低成本,低功耗”,俄罗斯专家们在设计天馈系统时可谓绞尽脑汁。

      设计中首先遇到一个大问题是收发隔离问题。懂点雷达工作原理的同志都知道,制导雷达的接收机和发射机共用一副天线,因此两者之间必须要有收发开关作“隔离”装置,以避免发射机的高脉冲功率泄漏至接收机而将其高放管等击穿。这个收发开关必需在雷达发射时将接收机通道短路,发射信号直接送至天线并发射至空间。而在雷达接收时,回波信号则直接输入至接收机而不会到达发射机。传统上,雷达接收机用气体放电管作收发开关,靠雷达发射时发射机高功率脉冲信号使气体放电装置被击穿和电离,通向接收机被短路,保护它不被烧毁。但当脉冲重复频率太高,达到几百KHz后,脉冲与脉冲间间歇时间仅几个微妙,气体放电管击穿后还来不及恢复,下一个脉冲又接着到来,放电管无法跟上雷达工作,这时相当于接收机长期封闭,因此在高脉冲重复频率时如何解决收发隔离问题是个技术难题。相控阵雷达的脉冲发射功率可高达几百KW,欧美等国传统上用砷化镓微波晶体管作高放,但它只能耐1W以下泄漏功率,也就是说收发之间必须有60dB以上隔离。而且收发开关的反应速度要快,插入损耗要小,这就很难找到理想的器件。俄罗斯利用它微波电真空器件的优势,用回旋加速波静电放大器(CWESA)作接收机高放。这种静电管最早还是美国人发明的,后来因低噪声微波半导体管兴起而弃之不用。俄罗斯人在此基础上做了改进,降低了噪声(X波段时噪声系数约2.4dB,略高于砷化镓晶体管高放的1dB),而发挥其耐高功率特点(X波段时能经受输入超过5KW的峰值功率和150W的平均功率),也就是说把对收发隔离的要求降至25dB以下,它的恢复时间约20ns,远小于放电管。将其用作高放,这在全世界恐怕都是独一无二的。俄罗斯的这种雷达刚问世时曾使欧美学者大感困惑,但经琢磨分析后,明白它是有道理的。

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       回旋加速波静电放大器是一种电子束横波器件,电子束横向调制的特点是不出现疏密相间的空间电荷波,调制的根源是洛伦兹力,在电子束中不出现空间不均匀的电荷分布。横向调制的优点是(1)在非相对论情况下,不存在因空间电荷群聚引起的非线性效应;(2)与电磁场能量交换的选择性大,器件的效率高;(3)具有微波或直流过载自保护功能;(4)微波输入功率比电子束的初始功率大得多。目前,俄罗斯伊斯托克公司已制造销售了上10000 个不同的电子束横波器件产品,在该领域处于世界领先水平。

  再一个措施是利用极化变换技术使天线收发波不同极化,从而达到增加收发隔离的效果,并且加快了雷达工作节奏,有利于脉冲重复频率的提高。此外,对接收馈源,俄罗斯科技人员设计出五喇叭多模馈源,它兼具多元喇叭天线和多模喇叭天线的优点,提高了效率,进一步降低了损耗,这些都体现俄罗斯在微波学科方面雄厚基础和扎实功底。

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       五喇叭馈源是因为比较器的简易性,对每一种极化它仅仅只需要两个魔T(或混合T)。两个线性极化分量都形成和、差信号,在雷达中,它们在用于选择极化的波导开关中进行合成,开关选择垂直或水平输入分量或者以90度的相对相位对它们合成以得到圆极化。因为和喇叭占据了差信号所需的空间,所以这种馈源并不提供最佳的和、差信号电场。通常使用一个较小尺寸的和信号喇叭以进行兼顾。在复杂性和有效性之间,五喇叭馈源是一个切合实际的选择。许多美国的测量雷达,如AN/FPQ—6,AN/FPQ—10,AN/TPQ—18,AN/MPS—36及在AN/TPQ—27战术精确跟踪雷达上都使用了它。

   俄罗斯独特设计的这种天馈系统,基本上同时解决了收发隔离、高重复频率、低功耗、低成本的要求,是扬长避短设计思想的范例。如在功耗方面,据斯克尔尼克的著作称,其微波损耗仅3dB,远小于欧美同类产品的7~12dB。当然它也非尽善尽美,但它是符合俄罗斯的国情的。
俄罗斯基础科学研究实力雄厚,科研作风扎实,可以作为研发武器设备的有力后盾   
  俄罗斯科研部门和高校,基础科学研究实力雄厚,如对电子电路包括模拟电路的研究就很扎实,而且有很多巧妙的构思和设计,可在一定程度上弥补常规模拟电路的不足。俄罗斯雷达在中频以下电路和信号处理电路中还保留很多用分立元器件的电路。俄罗斯数字技术水平虽低,如缺乏像美国德州公司生产的单片高速信号处理器,因此它用分立元件组成的FFT机柜就比较庞大,但其模拟电路技术却使欧美科学家刮目相看。一些复杂的信号处理任务他们能用构思巧妙的模拟电路,再配合微处理器做数字运算(如加减乘除等)来完成。这种例子很多,以下仅简要列出两个典型例子:

LEMZ 96L6-1/96L6E远程监视雷达

  (1)相控阵雷达在搜索状态时,其测距功能不是用常规典型电路,而是用“二次积分技术”来完成。先算出回波信号x(t)的一次积分曲线和二次积分曲线。二者交点P到回波质心距离D(用延时tD来表示)显然可求解下面的方程而得。式中K为可预置的常数。

∫tx(τ)dτ=[∫∫tx(τ)dτ]/K

       在具体电路中,是以数字累计求和来代替积分,精度较高:而此数字累计求和是由微处理器来完成的,电路其它部分则都用分立元件构成。
  (2)俄罗斯的雷达也采用中频相参积累技术。但它不用数字技术,而是用较简单的模拟电路——中频积分器来完成。所谓中频积分器实际上是一个外激晶体振荡器,它平时不振荡,但自身谐振频率调谐在中频频率附近;只要输入中频信号,它就会被激励而振荡。如果外加的是中频脉冲,在脉冲持续期间,晶振工作并做增幅振荡。而在中频脉冲间歇期间,由于晶振的Q高,其输出维持为一等幅振荡。待下一个脉冲到来时,振荡幅度进一步增大。然后又维持在更高的等幅振荡。如此晶振输出随脉冲不断到来而不断上升,就实现了中频脉冲积累。由于目前晶体振荡器可达很高水平,这种中频积分器的主要性能指标可与数字积分比美。
  顺便提一句,据了解,即使是俄罗斯的S-400,仍保留不少分立元件构成的模拟电路和模块。他们认为,武器装备主要追求稳定,可靠,而不刻意追求先进元器件和先进技术。只要稳定可靠,对非关键部件,就不要轻易更新换代。当然对关键部分,他们还是不惜花大力气,不断改进和更新。而且每次这种更新,就使整个武器型号升了一级:即从S-300型到S-300-1、S-300-2直到S-300-3型。即使是S-400型,据俄方公开资料宣称,“为了确保研发工艺的继承性和最大限度节省研制经费,除了装备1部新型超视距雷达和3种新型防空导弹外,S-400防空导弹系统基本上沿用了S-300防空导弹系统的指挥控制系统、导弹发射系统和战斗单元编成等”。

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 Kh-31 反辐射导弹Л-112Э导引头,采用了俄罗斯此类型制导头特有的螺旋天线,以及俄罗斯电路和分立器件

一些启示   
  上面介绍俄罗斯这些系统和电路的构思,绝非说明它们十全十美,它们自然也会带来新的问题甚至缺点。举这些例子只是想说明俄罗斯科技人员如何发挥扬长避短思想来解决主要矛盾。通过从上面粗浅讨论,我认为是否能得到这样一些有益启示:
  (1)武器装备的发展水平,除了经费因素外,看来也与该国基础科研是否扎实,科研人员是否发挥聪明才智,能否从本国实情出发,设计中能否大力发挥扬长避短设计思想有很大关系,俄罗斯科技人员扬长避短的设计思想值得我们借鉴。
  (2)要发展现代武器装备,一些基础技术和基础工业不可轻视,更不可轻易放弃。拿电真空技术来说,美国与俄罗斯始终一直不遗余力发展微波(包括毫米波)真空器件,水平很高是促使这些国家雷达技术快速发展的一个重要因素。而我国的微波电真空产业由于相当一个时期不予重视,有关企业纷纷下马,大专院校这一专业纷纷停办。现在我们与国外比恐有相当大差距,已成为发展雷达技术的一个重要瓶颈。而欧美的中大功率微波发射管,以及毫米波电真空器件,对中国是严格禁运的(相对讲,对小功率的微波微电子器件的出口却比较放松),其目的就是要制约我国尖端武器的发展。
  (3)基础研究必须加强,大学里基础课程不要随便偏废,停办。现在很多单位匮乏微波人才,而在大学里听说愿学这个既非热门,又对健康不利(纯属误解)的微波专业的学生越来越少,这是个很使人担忧的信息。另外我认为,模拟电路作为一种基础技术,在相当长一段时间内不能说它已“穷途末路”。现在毕业大学生到单位工作后常常遇到大量模拟电路问题,而这些毕业生解决这类问题的能力实在太差,更不用说有所创新,有所发明了。

 

作者简介:

老郭

       郭衍莹,研究员,1952年北京大学毕业后一直在国防、航天部门从事科研工作。多次获科研进步一、二等奖。曾先后获全国青年社会主义建设积极分子、航天部有突出贡献专家、国务院特殊津贴专家等称号,已退休,现聘为北京航天测控中心顾问。
主要著作:
《相控阵雷达测试维修技术》
《空间跟踪和通信用地面发射机系统设计》
《现代电子设备的频率稳定度》
个人经历:
1952年8月至1958年12月:总参通讯兵研究所
1959年1月至1965年12月:航天一院12所(研究室主任)
1966年1月至1982年2月:航天二院23所(副研究员)
1982年2月至1992年5月:航天二院203所(研究员)
1997年1月至1998年12月:科工委银河公司(应聘总工)

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