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美国海军空中早期预警系统的发展历程(一)

发布时间:2013-06-01  原作者:莱茵船长   点击数:

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   空中早期预警机(AEW)是指装备有雷达和电子侦察设备,用于搜索、监视空中或海上目标,指挥引导己方执行作战飞行任务的一种特殊军用飞机。由于尽早发现敌人并采取措施对于夺取战争的胜利而言至关重要,空中早期预警与控制系统(AWACS)正是因此应运而生的。预警机的发展历史并不漫长,其主要发展与装备服役过程都是由美国海军和空军所主导的。早在1942年,美国海军特谴部队的指挥官们就已经在作战过程中充分意识到,针对来自海上和空中的威胁,必须发展一种专用装备为美军舰队提供有效的早期预警手段。美国海军曾经利用陆基和航母舰载巡逻机试验目测搜索敌机和敌舰,但事实清楚的证明了这种手段对于舰队防御而言是完全不够的。此外,受地球曲率影响,通常雷达海平面探测距离仅30海里,因此安装在桅杆上的舰载雷达对于低空飞行的敌机、导弹以及敌水面舰艇的探测能力很差,也就无法提供有效的预警和反应时间。而早在20世纪30年代就发展起来的空中搜索雷达技术为解决这一问题提供了很好的思路和答案。不过,早期的雷达设备笨重、操作复杂,往往需要大量的电子辅助设备、冷却系统和维护设施,而且受海面背景反射杂波影响,第一代机载雷达对水面舰艇的探测能力不佳。所有上述因素都在很大程度上阻碍了空中搜索雷达技术的发展,直到战后才得到了突破性进展。

  1945年,美国海军率先装备了空中早期预警雷达系统,但如果没有目标自动跟踪和测高能力,空中雷达操作员若要手动跟踪锁定所有目标信号会是件非常繁杂的任务。因此在当时,有效探测来袭飞机和水面舰艇的问题仍未能得到很好解决。早期AEW系统的主要改进目标就是赋予雷达系统自动、稳定而有效的跟踪测高能力。出于技术上的巨大障碍,直到上世纪50年代中期才基本解决了上述问题。1964年E-2A“鹰眼”(Hawkeye)空中预警机的装备服役,使美国海军真正拥有了专用的全天候舰载海基早期空中预警飞机。E-2A“鹰眼”的出现也带动了美国空军以及其他国家空中预警系统的发展,开辟了空中预警机新的发展纪元,同时也奠定了未来陆、海基AEW系统的基础。

1964年E-2A“鹰眼”(Hawkeye)空中预警机的装备服役,使美国海军真正拥有了专用的全天候舰载海基早期空中预警飞机

  当今空中预警机被誉为“空中力量倍增器”,是现代海上和空中军事行动的有效组织者。可以确切的说,没有先进空中预警机的支援,美军指挥官们绝不会冒然投入到一场战争和冲突中去。近年来的“沙漠风暴”、“盟军行动”以及“持久自由”等重大军事行动中,美国海军和空军预警机不分昼夜的为美军提供了敌作战飞机和舰艇的关键部署与活动信息,正是这些实时的、详细的信息确保了上述行动的顺利完成。作为AEW系统的始作俑者,美国是生产和装备预警机的大国,而美国海军不仅倡导了舰载预警机的发展,而且装备和服役了当今全球为数逾300架预警机中的半数以上,其现役的E-2C预警机是世界上最畅销的预警机。同时美国海军也在不断推动AEW技术的向前发展。为了适应未来战争需要,各国均加大了对AEW/AWACS的研究、装备和改进力度。对美国海军空中早期预警与控制系统的发展历程加以分析回顾,将有助于我们充分理解认识AEW/AWACS系统的方方面面,对在信息化条件下进一步发展和完善我军空中预警和指挥控制能力也有裨益。

美国海军空中预警机的早期发展——“凯迪拉克”I/II计划

  AEW系统的发展历程与美国海军密切相关。美国海军不仅开创了AEW系统的先河,更是领导了对空中预警机的早期研究与发展。

  美国海军研究发展AEW系统的最初动机是来自战场上的切身感受——第二次世界大战中的太平洋战场上,美国海军特谴舰队的指挥官对于低空来袭的日军飞机忧心忡忡,不少日机飞行员甚至贴着浪尖驾机高速接近美军舰艇编队并发动突然攻击,因此美国海军迫切需要相应的防御手段。而受到地球曲率的影响,当时安装在舰艇桅杆上的雷达对这类飞机的探测距离仅为30至35海里。早期的侦察手段也仅仅是由巡逻机和侦察机目测识别这类目标,成功率显然太低。当然来自敌水面舰艇的攻击同样威胁着美国海军编队,但对于低空高速飞行的敌机更难在其释放攻击武器前发现和拦截。特别是在1944年10月以后,日军飞机加强了自杀式攻击的力度,更早的发现敌机以求予以有效拦截变的势在必行。理论上讲空中早期预警机应该能比现有雷达探测系统更远和更早发现敌海空来袭目标,从而为解决这一问题带来可能。安装在空中飞机上的搜索雷达系统能有效扩展雷达探测距离,因此如果能在一定安全距离之外就能探测到低飞来袭目标,那么美国海军航母上的战斗机就能及时升空拦截日机。这就是美国海军发展AEW的初衷。

神风攻击使美国海军痛下决心发展AEW

  不过,想法虽好,技术上的难度却是人们不得不面对的现实。直到20多年后,真正的全天候空中早期预警机才问世。而1942年至1946年间完成的这段早期研究对于美国海军最终发展出AEW平台是非常关键的。

  空中早期预警的概念源于1942年春。美国海军舰队总司令、海军上将恩内斯特.金(Ernest J.King)要求美国科学研究与发展局(OSRD)下属的国防研究委员会(NDRC)开发一种优于美国海军现有舰载雷达的雷达中继系统,从而确保特谴舰队指挥官们更有效的传递战场情报和信息。上世纪30年代发展起来的雷达技术尽管仍不成熟,却又极大改进了目测识别的缺陷,而雷达中继链路将综合不同作战舰艇作战系统获得的雷达信号图象,因此这种雷达和中继系统将帮助舰队指挥官们更好的理解和应对针对水面编队的威胁,更好的掌握战场态势。由于海上战役的最关键阶段是战斗中对目标的探测和跟踪识别,这一建议因此是非常关键和重要的。

海军上将恩内斯特.金是空中早期预警系统研发的有力支持者

  有鉴于此,第一代雷达中继系统NA-112于1942年6月由美国麻省理工学院辐射实验室(MIT-RL)开发完成。该雷达中继链路的设计思想是由不同的水面舰艇将各自获取的雷达信号图象捆绑在一起,从而充分扩展各自的探测能力。在此后的大战进程里,这种雷达中继链路进行了一系列持续研究与发展,但由于技术难度太大,因此进展非常缓慢。1944年初,来自美国海军航空部(BuAer)电子材料研发分部的代表提出了改变发展方向的建议。通过大量的分析和讨论,人们认为该链路开发进程大大落后于预期,因此海军航空部决定把研究重点从雷达信息共享技术转到适合飞机装备使用的空中早期预警雷达上来。显然,机载雷达要比前者更容易提前发现空中和海上来袭目标。更重要的是,这将极大的扩展美国海军特谴舰队的作战空间从而改变未来海战的样式。

  这一阶段达成的共识构成了美国海军开发AEW系统的基石。美国海军航空部认为现实存在的战术需要决定了该项目必须立即着手进行——一个名为NA-178的研究项目很快应运而生。在MIT-RL的支援下,新的研究项目以更大的热情和显而易见的更快速度得到了很大进展。在NA-178项目正式立项13个月后,第一批生产型AEW雷达顺利交付美国海军。1945年2月,项目更名为“凯迪拉克”(Cadillac,名字源于缅因州的一个山脉,不少早期航空试验在此进行)计划,MIT-RL的研发阵容和试验设施此时也得到了进一步扩充,客观上也推进了项目的进展。1945年夏,“凯迪拉克”计划已经达到了空前庞大的规模,超过20%的不同研究背景的MIT-RL研究人员参与到了这个复杂的研究计划之中,项目总负责人是韦斯纳(J.B.Wiesner)。

  为了验证AEW系统的工作,MIT-RL采用了当时可用到的美国海军飞机作为试验平台并加以相应改进。根据对飞机结构的牢固性和可靠性以安装运行雷达电子设备和容纳操作人员的要求,首个入选的空中平台是美国海军TBM-3W“复仇者”。该机是由美国通用公司TBM“复仇者”三座舰载鱼雷攻击机改进而来,其宽敞的内部空间方便容纳体积较大的雷达设备。另一方面,TBM的产量很大并且经过了实战检验,因此很快便完成了改装并投入到了MIT-RL的项目中。

TBM-3W“复仇者”,在机腹安装了庞大的雷达天线,严重影响了飞行性能

  MIT-RL为NA-178项目配备的机载雷达型号被确定为APS-20(APS是空中搜索雷达的标准军事系统命名)。简单的说,这种机载雷达主要有以下5个基本组成部分:转发器将电能转换为电磁能并发送高能脉冲信号,脉冲信号的发送和接收过程通过雷达天线进行,返回的雷达信号由接收机接收并放大,接着输入计算器和处理机转换为图象,通过显示设备(雷达显示器)显示出来。上述5个部分可以说构成了所有AEW雷达系统的基本组成。那么,AEW雷达技术发展的难度究竟在哪呢?这是由空中预警机的独特作战环境造成的。AEW雷达是为了克服陆基系统与生俱来的探测距离不足而生的,但AEW系统若想有效工作还必须解决来自地球表面杂波的干扰、补偿载机的震动、输出与冷却以及相应的计算机处理技术等一系列问题。尽管这些问题并非不可逾越,但毕竟给设计开发工作造成了很大困难并延误了交付进度。无论如何,1945年研制成功的APS-20雷达是第一代实用型的AEW雷达,是AWACS发展历程中所迈出的最重要的一步。

整流罩内的APS-20雷达天线

  该系统采用传统的1500-5000兆赫S波段雷达和安装在机腹塑料整流罩内的8.3英尺长的抛物面天线,可360°扫描。“凯迪拉克”计划阶段的APS-20雷达以10厘米波和2微秒脉冲工作,峰值功率达1毫瓦。系统安装有复杂的同步装置、先进的雷达接收机和敌我识别(IFF)装置。中继转发器可同时向舰载接收站传输雷达和敌我识别信号,由舰载接收站进行信号同步和编码。整个系统由两名操作员控制信号的相关和转发,空中预警机平台只是其中一部分,还需要舰载航电工作人员将数据处理成可用格式——舰载的战斗信息中心(CIC)负责对接收到的复杂信息进行精确解码和转发。所以任意安装有该系统设备的水面舰艇只要处于预警机中继范围内即可接收相应的数据,获取舰队位置和目标方位等重要信息,对雷达图象还可进行详细分析和判读。在TBM-3W预警机上,APS-20雷达操作台包含3台扫描显示器,其中“A”型扫描显示器对目标大小和规模进行判断和监控;中央大型4英寸显示器分20/50/100/200英里距离进行扫描;第三台4英寸显示器提供20英里航迹和速度指标中继显示。由于符号指示能力不足,早期的APS-20雷达具有的3台显示器还不足以提供所有重要信息,返回信号由黄色香蕉形荧光线标识,操作员得用油脂笔标记信号特征并跟踪,使用起来很不方便。但无论如何,APS-20雷达在当时的技术还是相当先进的。

APS-20雷达操作台的3台扫描显示器

  为了测试雷达在不同环境下的工作表现,早在载机改装工作尚未完成前,包括APS-20雷达在内的AEW机载航空电子设备在缅因州的凯迪拉克附近展开了一系列测试工作,共有40套APS-20雷达系统根据量产进度于1944年7月完成了订购。因此,当年夏天不仅仅是研发工作得到了大幅进展,TBM-3W预警机的生产也已开始。1944年8月,TBM-3W预警机在波士顿投入了机场测试,10月进行了全尺寸模型飞行模拟测试。当年冬天至次年春期间,飞机的测试和评估工作都进行的较为顺利。首架量产型飞机于1945年3月交付,此时距离项目立项仅仅过去了13个月,而且到1945年夏还将有39架该型机完成制造。

AEW雷达生成的地形图

  1945年4月,用于搭载该机的航空母舰“游骑兵”(USS Ranger)号也在加州附近海域进行了舰上飞行试验。起初的试飞较为成功,但也并非没有问题,几乎所有参加舰上试飞的人员都认为该机还有进一步改进的必要。因此直到战争结束后,MIT-RL与美国海军航空部的工程师们都一直在针对TBM-3W进行持续的测试,而且积累了大量宝贵的数据和资料。更为重要的是,根据实践证明,机载预警雷达对于单个空中目标的探测距离较舰载雷达提高了近2倍,对于空中编队的探测距离提高了2至4倍,对海面目标的探测距离则提高了至少6倍!这些数据上的改善充分证明了空中早期预警机存在和持续发展的必要性。

1946年在罗斯福号航母上弹射起飞的TBM-3W

  到了1945年春,尽管“凯迪拉克”I计划中的TBM-3W预警机已经呼之欲出,美国海军太平洋舰队对AEW系统的需求却有增无减。MIT-RL的工程师们此时已经在开始着手准备第二阶段的开发计划——“凯迪拉克”II。该方案计划采用一种装备AEW系统的四发陆基轰炸机作为载机。美国海军选择了空军的B-17G轰炸机并为其命名为PB-1W,显然军方有意令这种体积更大的预警机同时承担空中作战情报中心(CIC)的功能。其实,该计划中的PB-1W新型飞机由于可搭载更多的工作人员,因此还可在空中实时分析数据而不必将其转发回航母,从而同时成为一种空中侦察/巡逻/监视机。为了加快开发进度,“凯迪拉克”II计划同样制订了严格的时间表,美国海军要求在1945年10月前完成至少25架PB-1W的改装工作,而成本必须控制在“凯迪拉克”I计划的20%以内。

PB-1W预警机

  “凯迪拉克”I/II计划对于现代海战而言是一次重大的革新。通过将专用搜索雷达安装在飞机上,海上特谴编队指挥官们将直接看到攻击半径内所有的雷达接触信号,并选择相应的目标进行跟踪锁定。执行目测跟踪观测任务的巡逻机将从此退出历史舞台,而仅用一架AEW预警机即可不受气候和云层的影响同时发现和跟踪多个目标。尽管还存在着种种限制和不成熟,美国海军毕竟从此开始了前天候和快速部署的AEW系统的发展历程,伴随着早期海上空中早期预警机的不断发展和完善,现代战争的作战模式也随之进行着不断的革新。

 

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