揭秘美國海軍下一代防空反導(dǎo)雷達(dá)

李 源

AMDR是美國海軍下一代綜合防空和導(dǎo)彈防御雷達(dá)，是為計(jì)劃在2016年開工建造的“Flight III”型阿利·伯克級（DDG-51）驅(qū)逐艦而設(shè)計(jì)的。作為先進(jìn)的高能主動陣列雷達(dá)，能對空中和水面襲擊同時執(zhí)行遠(yuǎn)程外大氣層偵察、跟蹤、識別彈道導(dǎo)彈以及區(qū)域性防御和自我防御。讓我們一起揭開它的神秘面紗。

為什么開發(fā)AMDR

作為美國海軍下一代艦載防空反導(dǎo)雷達(dá)裝備，AMDR是固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)，可以有效地對抗各類現(xiàn)役及未來的戰(zhàn)機(jī)、彈道導(dǎo)彈及超聲速反艦導(dǎo)彈。AMDR雷達(dá)將采用先進(jìn)的雙波段模式，完整的AMDR套包括：一部用于大量搜索的四面S波段雷達(dá)AMDR-S、一部用于地平線搜索的三面X波段雷達(dá)AMDR-X、以及一臺雷達(dá)控制器RSC，后者為S波段和X波段雷達(dá)提供資源管理，協(xié)調(diào)與宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)的交互關(guān)系。

美國海軍對AMDR的要求是具備開放的構(gòu)架，采用可升級的設(shè)計(jì)和模塊化的硬件和軟件，可部署于不同艦船平臺，能在雷達(dá)系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)實(shí)施技術(shù)插入并提升性能。另外要求具備兩種功率狀態(tài)，當(dāng)驅(qū)逐艦未部署，不要求完全能力時，雷達(dá)可在較低的功率狀態(tài)下操作，減少燃料消耗，提高艦船的能效，但在高功率狀態(tài)時，所有雷達(dá)資源必須全部可用，以執(zhí)行戰(zhàn)區(qū)任務(wù)。

圖1 AMDR概念圖

美國海軍開發(fā)新一代雷達(dá)主要目的是，為了對抗面臨的更復(fù)雜的空中和彈道導(dǎo)彈襲擊。據(jù)美國海軍的說法，宙斯盾彈道導(dǎo)彈防御能力需要在現(xiàn)有的雷達(dá)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加雷達(dá)靈敏度和波寬，能偵察、跟蹤并能在一定范圍內(nèi)支持對先進(jìn)彈道導(dǎo)彈襲擊的作戰(zhàn)。同時，防空戰(zhàn)任務(wù)也需要更高的靈敏度，并具備抗干擾能力，能在惡劣陸地、海上和風(fēng)雨干擾中挑選出觀察性極低和超低空飛行的襲擊目標(biāo)。而現(xiàn)有的SPY-1D（V）雷達(dá)配合宙斯盾系統(tǒng)，即使進(jìn)一步的改進(jìn)也無法滿足這些要求。

AMDR計(jì)劃取代的是AN/SPY-1雷達(dá)，后者是美國研制的世界上第一部四面陣艦載相控陣?yán)走_(dá)，已有40年歷史，也是美國海軍宙斯盾防空反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)的核心，裝備在“阿利·伯克”級（DDG-51型）驅(qū)逐艦及“提康德羅加”級巡洋艦上。

AN/SPY-1在它那個時代毫無疑問是非常先進(jìn)的，工作在S波段，使用四個固定式定相陣列天線，能同時執(zhí)行搜索、偵察、跟蹤、控制和制導(dǎo)，對目標(biāo)的最遠(yuǎn)探測距離為1000km，穩(wěn)定跟蹤距離為150km。另外，該系統(tǒng)在過去40年的時間里不斷發(fā)展，將雷達(dá)和宙斯盾系統(tǒng)作為一個整體進(jìn)行改進(jìn)。早期的SPY-1、SPY-1A型號只是單純的防空雷達(dá)，而SPY-1B/D則通過雜波抑制技術(shù)，除了可以探測和跟蹤掠海飛行的巡航導(dǎo)彈外，還具備了有限的戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈防御能力。隨著SPY-1雷達(dá)性能的不斷改進(jìn)，現(xiàn)在的“阿利·伯克”級驅(qū)逐艦上裝備的已是SPY-1D（V）雷達(dá)，該雷達(dá)是宙斯盾雷達(dá)發(fā)展史上的一個重要里程碑，除提高遠(yuǎn)海作戰(zhàn)性能外，還提高了探測和跟蹤掠海飛行的巡航導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈等目標(biāo)的能力，在雜波和嚴(yán)重干擾條件下具有很高的數(shù)據(jù)率。最新的宙斯盾基線9C版本引進(jìn)了多任務(wù)信息處理器，擁有宙斯盾防空戰(zhàn)和彈道導(dǎo)道防御雷達(dá)信號處理能力，具備防空和反導(dǎo)綜合防御能力。

然而，美海軍內(nèi)部一致認(rèn)為AN/SPY-1已達(dá)到其潛力上限。作為被動陣列雷達(dá)，該型雷達(dá)能力上有諸多限制。主要表現(xiàn)在：從傳輸器組獲取的功率有限，很大一部分功率損失在陣列面上；能量管理、重量和可靠性方面均有不足；在維護(hù)工時和雷達(dá)故障修理成本上花費(fèi)巨大等方面?？梢杂幂^少的時間成本和經(jīng)濟(jì)成本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級，延長綜合壽命。

圖2 AN/SPY-1D（V）雷達(dá)

二是可升級的系統(tǒng)。AMDR天生具備完全可升級性， 雷達(dá) 系 統(tǒng) 基 于 一 個2×2×2英 尺（0.61×0.61×0.61米）的雷達(dá)組裝模塊，該模塊能堆疊，根據(jù)任務(wù)要求組成大型雷達(dá)或小型雷達(dá)。目前美海軍對AMDR的要求是SPY+15dB，但是也可以將雷達(dá)制造成SPY+25dB或SPY+10dB。

冷卻、校準(zhǔn)、功率和邏輯界面是完全可升級的，該雷達(dá)系統(tǒng)能適合無數(shù)種應(yīng)用，并非僅適用于AMDR，同時具備實(shí)用性、可靠性和可維護(hù)性。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，采用可重新編寫的程序，基于商用成熟技術(shù)，這樣可根據(jù)將來面臨的威脅靈活改進(jìn)，不容易過時，同時允許有多個供應(yīng)商來源，降低成本，提供更強(qiáng)的競爭力。NAVSEA估計(jì)按照該方法在2012 ～2018年財(cái)年將共節(jié)省2.71億美元的資金，同時AMDR的生產(chǎn)成本也將減少約4.5億美元。

AMDR的優(yōu)勢

一是采用開放式體系結(jié)構(gòu)和模式化設(shè)計(jì)。AMDR的開放式體系結(jié)構(gòu)與SPY-1使用的體系結(jié)構(gòu)將形成完全不同的兩代。開放式體系結(jié)構(gòu)也是當(dāng)前艦載雷達(dá)的一個重要發(fā)展方向，這樣可以用較低的成本實(shí)現(xiàn)新雷達(dá)的制造或舊雷達(dá)的升級，這種體系結(jié)構(gòu)將徹底改變雷達(dá)的結(jié)構(gòu)形式，并提高系統(tǒng)內(nèi)處理單元的運(yùn)算能力。模塊化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則使得

圖3 AMDR可以升級成不同的尺寸滿足不同艦船使用

三是采用新型材料，體積小功率高。在傳輸/接收模塊中，使用氮化鎵半導(dǎo)體技術(shù)加強(qiáng)AMDR的性能是另一個創(chuàng)新。氮化鎵的主要優(yōu)勢是具備更高的功率容量和更高的功率密度，相比上一代的砷化鎵設(shè)備，雷達(dá)在保持較小尺寸的同時具有更寬的工作頻帶、更大的輸出功率、更高的信噪比以及更好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。這些設(shè)備在較高的工作溫度下仍能保證較好的技術(shù)指標(biāo)，其平均故障間隔時間提高了一個數(shù)量級，其他性能指標(biāo)也都有了較大程度的提高。

AMDR工程化和制造開發(fā)合同商雷神公司在氮化鎵開發(fā)方面已經(jīng)投入了大約1億美元資金，整個研發(fā)和系統(tǒng)整合早在1999年就已經(jīng)開始，在這15年的時間里，該公司與國防部長辦公室和國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目辦公室一起就氮化鎵技術(shù)的性能、可靠性和可生產(chǎn)性進(jìn)行研究。因此該技術(shù)的制造目前已經(jīng)具備相當(dāng)高的可靠性。

四是采用數(shù)字波束形成技術(shù)，靈敏度更高。AMDR是美國海軍第一部專門用于同時執(zhí)行防空和反導(dǎo)任務(wù)的一體化雷達(dá)系統(tǒng)，通過應(yīng)用數(shù)字波束形成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)AN/SPY-1無法比擬的高靈敏度和靈活的時間資源管理能力。相比AN/SPY-1D（V），靈敏度提高了30倍。

另外，AMDR涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及面臨的挑戰(zhàn)主要包括以下三個方面，首先數(shù)字化波束形成。先進(jìn)的軟件運(yùn)算法則，將雷達(dá)信號數(shù)字化，能同時產(chǎn)生和處理多種波寬，增加用于多種任務(wù)的雷達(dá)資源。能夠有效消除電磁環(huán)境中的干擾。如果沒有這項(xiàng)技術(shù)，對雷達(dá)的要求將不得不降低，在瀕海或密集電磁干擾環(huán)境下雷達(dá)效率降低。但該項(xiàng)技術(shù)在AMDR這樣的尺寸和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中從未被論證過。

其次，傳輸/接收模塊?？砂l(fā)射雷達(dá)信號的獨(dú)立單元。相比DDG1000的大量搜索雷達(dá)中的模塊，AMDR傳輸/接收模塊必須產(chǎn)生高得多的無線電頻率功率，效率提高10%以上以實(shí)現(xiàn)AMDR的能力要求。要達(dá)到要求的增長水平，合同商需要使用氮化鎵半導(dǎo)體，該材料產(chǎn)生的功率和效率高于目前的材料。氮化鎵是一種新型材料，長期可靠性還未知。從未被用于該等級的雷達(dá)中。若不能使用氮化鎵材料，而必須使用目前成熟的材料，則需要增加艦船功率和冷卻。替代方法是，可降低功能要求，采用螺旋形的開發(fā)計(jì)劃，以期在今后達(dá)到目標(biāo)功率水平。過去雷達(dá)的項(xiàng)目（大量搜索雷達(dá)和“Cobra Judy”號艦替代雷達(dá)）在傳輸/接收模塊的試驗(yàn)和成熟化方面花費(fèi)的時間比預(yù)估的更多，導(dǎo)致成本增加，計(jì)劃延后。

還有就是作戰(zhàn)系統(tǒng)整合。為了容納和使用AMDR增加的能力和任務(wù)套件，宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)需要進(jìn)行改裝。軟件整合和試驗(yàn)是一個長期的過程，通常也是軟件開發(fā)中最具挑戰(zhàn)性的階段，需要專業(yè)技能和進(jìn)行綜合試驗(yàn)。美國海軍目前還未完全識別哪些界面將被影響，也未對需要開展的工作進(jìn)行評估。雖然成立了作戰(zhàn)系統(tǒng)整合工作組，但目前為止職能有限。多個技術(shù)開發(fā)商和兩個項(xiàng)目辦公室需要密切配合，協(xié)同工作，整合工作將會很有挑戰(zhàn)性。項(xiàng)目早期缺乏試驗(yàn)和評估資產(chǎn)可能導(dǎo)致各種艦上整合的問題。

圖4 美國海軍下一代雷達(dá)AMDR

AMDR的采購計(jì)劃和項(xiàng)目時間表

2009年6月～12月，AMDR-S/RSC概念研究階段。因?yàn)锳MDR-X暫被擱置，所以當(dāng)前的采購主要集中在AMDR-S波段雷達(dá)和雷達(dá)控制器上。洛克馬丁公司、諾普吉曼公司和雷神公司在2009年6月分別與NAVSEA簽訂合同，進(jìn)行為期6個月的AMDR-S/RSC概念設(shè)計(jì)研究。

2010年9月～2012年9月，技術(shù)開發(fā)階段。上述三家公司被授予價(jià)值1200萬美元的技術(shù)開發(fā)合同，對在概念研究階段提出的設(shè)計(jì)概念進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化。在該階段，要求三家公司論證四個關(guān)鍵技術(shù)：基于氮化鎵的高能放大器和傳輸/接收模塊、主動陣列物理結(jié)構(gòu)、數(shù)字收發(fā)機(jī)以及大孔徑數(shù)字波束形成和校準(zhǔn)，驗(yàn)證這些技術(shù)已處于節(jié)點(diǎn)B所要求的準(zhǔn)備就緒級別。該階段也包括帶大孔徑數(shù)字波束形成的S波段主動相位陣列原型的生產(chǎn)和雷達(dá)運(yùn)算法的功能試驗(yàn)。這是技術(shù)驗(yàn)證階段，在這個階段找出該項(xiàng)目真正的難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，然后進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)劃用兩年時間的固定價(jià)格合同將這些難點(diǎn)全部解決。

針對多任務(wù)的時序安排和識別的軟件開發(fā)是技術(shù)開發(fā)階段的另一個重要方面。對雷達(dá)的一個要求是可以同時偵察和跟蹤彈道導(dǎo)道和空中目標(biāo)。雷達(dá)須在一定的時間內(nèi)將所有工作進(jìn)行時序安排。這是雷達(dá)開發(fā)的一個新領(lǐng)域，也是一個關(guān)鍵技術(shù)，美國海軍稱之為綜合防空和反導(dǎo)防御。

2012年6月，發(fā)布EMD階段招標(biāo)書。隨著技術(shù)開發(fā)合同即將結(jié)束，針對AMDR-S/RSC的工程化和制造開發(fā)（EMD）階段，NAVSEA發(fā)布了招標(biāo)書，另外還有初步生產(chǎn)的選擇權(quán)。在該階段，要求合同商建造一個單面的AMDR-S工程化開發(fā)模型（EDM）和兩個RSC EDM，用于在先進(jìn)雷達(dá)偵察實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。另外還需要交付一臺AMDR-S/RSC界面模擬器（交付給海軍水面作戰(zhàn)中心）和一臺AMDR-S仿真器。

2012年4月，美海軍宣布首批12艘DDG-51“Flight Ⅲ”艦將裝備現(xiàn)有的機(jī)械掃描AN/SPQ-9B X波段地平線搜索雷達(dá)，后繼艦裝備AMDR-X雷達(dá)。實(shí)際上海軍還有足夠的時間確定AMDR-X的最佳開發(fā)路徑?，F(xiàn)階段美海軍需要對多個方案進(jìn)行審核，并在2019 ～2020年開始綜合試驗(yàn)，這樣才能滿足計(jì)劃的時間要求。

2013年9月，完成節(jié)點(diǎn)B的全部工作，進(jìn)入EMD階段。2013年9月AMDR成功地完成了節(jié)點(diǎn)B的審核，并被批準(zhǔn)進(jìn)入EMD階段。隨著對已完成方案的詳盡全面的評估和一系列復(fù)雜的篩選，雷神綜合防御系統(tǒng)公司成為最終合同商，執(zhí)行美國海軍水面系統(tǒng)司令部下一代防空和反導(dǎo)防御雷達(dá)（AMDR）S波段雷達(dá)的開發(fā)和小批量試生產(chǎn)（LRIP）任務(wù)。NAVSEA于2013年10月 授 予雷神公司價(jià)值3.86億美元的EMD合同，要求在45個月內(nèi)設(shè)計(jì)、開發(fā)、整合、試驗(yàn)和交付AMDR-S波段雷達(dá)和雷達(dá)控制器。合同中還包含采購9套雷達(dá)系統(tǒng)的選擇權(quán)，加上選擇權(quán)，合同總價(jià)值為16.3億美元。在該合同下，AMDR套裝將與現(xiàn)有的AN/SPQ-9B X波段雷達(dá)整合。

隨后由于另一競爭對手洛克馬丁公司的抗議，海軍下發(fā)了停止工作命令，但很快，2014年1月14日，停工命令撤消，雷神公司重啟雷達(dá)系統(tǒng)的開發(fā)工作，主要內(nèi)容為確定功率、靈敏度、動態(tài)范圍、功率管理和信號處理等，并計(jì)劃2023年投入使用。

在小批量試生產(chǎn)情形下購買9臺雷達(dá)是美海軍采購戰(zhàn)略的一部分，目的是通過EMD競爭獲得雷達(dá)系統(tǒng)的報(bào)價(jià)，首艘裝備AMDR的艦只將是第一批33艘DDG-51“Flight Ⅲ”艦中的首艘DDG-124，該艦計(jì)劃于2016年投資建造，并計(jì)劃2023年AMDR在DDG-124艦上取得初步操作能力。

首批9臺雷達(dá)僅為小批量生產(chǎn)，轉(zhuǎn)化為大批量生產(chǎn)還需通過初步操作試驗(yàn)和評估（IOT＆E）。余下的13套AMDR系統(tǒng)計(jì)劃采用競標(biāo)的形式。對此雷神公司認(rèn)為他們在競爭中占有很大的優(yōu)勢，但是仍需要盡力降低系統(tǒng)成本使其維持良好競爭力。他們在系統(tǒng)的制造和組裝方面進(jìn)行了大量設(shè)計(jì)以確保系統(tǒng)能在很短的時間周期內(nèi)具備可生產(chǎn)性。

雷神公司最大的AMDR開發(fā)分承包商是通用動力先進(jìn)信息系統(tǒng)公司，于2014年1月與雷神簽訂合同，在工程化和制造開發(fā)階段中承擔(dān)部分任務(wù)。在整個技術(shù)開發(fā)階段中，該公司是一個關(guān)鍵供應(yīng)商，負(fù)責(zé)提供開放式結(jié)構(gòu)技術(shù)以及提供數(shù)字收發(fā)機(jī)和數(shù)字波束形成子系統(tǒng)。其他分包商包括Anaren公司（射頻部件）、Major Tool & Machine公司（結(jié)構(gòu)）、TTM技術(shù)公司（底板和冷卻器）、CGR技術(shù)公司（雷達(dá)模塊組裝底盤制造）。

另外，為了將AMDR裝備至DDG-51“Flight Ⅲ”型艦上，還需要對該艦進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，初步設(shè)計(jì)工作開始于2012年5月，原計(jì) 劃2014年4月 完 工。 隨 著 將4個4.27米 孔 徑 的AMDR-S天線引入到主甲板室（當(dāng)前的AN/SPY-1D（V）天線孔徑為3.66米），“Flight Ⅲ”型艦也需要在服務(wù)功率上有一個提升，因此用3臺4 MW/4160V的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)取代目前“Flight ⅡA”上用的3臺3MW/450V發(fā)電機(jī)組。同時要確保在不影響上層建筑設(shè)計(jì)的前提下，DDG-51艦的甲板能容納該型雷達(dá)。

圖5 AMDR-S雷達(dá)將裝備在DDG-51“Flight Ⅲ”艦上

通過了解美國下一代雷達(dá)系統(tǒng)的研制可以發(fā)現(xiàn)，采用開放式的結(jié)構(gòu)體系和模塊化的設(shè)計(jì)是美國眾多海軍裝備研制的一個重要特點(diǎn)。例如，美國海軍的下一代綜合電力系統(tǒng)也采用了開放式的結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)被分為六個子模塊，可以分別由不同的公司單獨(dú)研制。這樣的模式有效地減少了研發(fā)成本，縮短了研發(fā)時間。另外可升級的特點(diǎn)使得系統(tǒng)的通用性和適應(yīng)性大大增加。

美國軍用裝備合同商重視對關(guān)鍵材料、關(guān)鍵技術(shù)的前期儲備，比如AMDR項(xiàng)目中采用的新型材料氮化鎵，對提高雷達(dá)系統(tǒng)性能具有十分關(guān)鍵的作用，實(shí)現(xiàn)了高功率雷達(dá)的裝艦使用。而該材料的研制工作開始于上世紀(jì)末，充分的技術(shù)儲備對促進(jìn)該項(xiàng)目的成功可以說起到了至關(guān)重要的作用。

新型裝備，特別是具有劃時代意義的新型裝備的研制是一項(xiàng)耗時長、成本高的系統(tǒng)性工作，充分的技術(shù)儲備、科學(xué)規(guī)范的管理和嚴(yán)格的論證缺一不可，而裝備的成功研制也確保了艦船能力提升至一個新的等級。