军民共建,市场扩大,人才和技术大融合,中国相控阵雷达大有可为。
正解局出品
中国制造一旦发力,很多高科技产品将变成白菜价。
比如石墨烯,曾经高达5000多元每克,几年前宁波新建了一条生产线后,成本端价格瞬间降为1元每克……
22年,一款重量仅有30斤的民用有源相控阵雷达在国内上市,不仅可以监控移动目标,还能自动识别分类。
有农民买来监控野猪。
曾经只有航母和战斗机上才有的高端装备,也被中国做成了白菜价?
雷达是典型的仿生学应用,最初的灵感来自蝙蝠。
蝙蝠在移动中,从喉咙发射超声波,通过对反射回波的接收和处理,就能准确判断前方目标是昆虫还是障碍物,并精准测出相对距离。
雷达的基本原理类似,只是雷达发射的是传播速度更快的电磁波,探测范围更大,距离更远。
雷达 图片来源:pixabay网站
游戏和影视作品中常见的雷达,大多都在摇头晃脑地进行旋转扫描,这种雷达是传统雷达。
传统雷达发射电磁波的角度很小,盲区大,为了扩大探测范围,只好安装在舵机上转动。
但转动总有时间差,所以侦察能力不强。
后来的相控阵雷达,其实就是许多小号传统雷达的集合体,里面每一个小号传统雷达就是一个阵元。
相控阵雷达原理图
一台相控阵雷达就好比一个雷达阵地,不仅响应时间短,追踪精度高,还能同时监控多个目标。
大名鼎鼎的美国宙斯盾系统,就能同时监控200个以上的目标。
与传统雷达相比,相控阵雷达省去了机械驱动系统,体积更小更轻,可靠性更高,平均无故障的时间远高于传统雷达。
再加上抗干扰能力强、波段切换速度极快、智能程度高,军事强国都在加大相控阵雷达的研发和应用。
中国电科在某次展会展出自己制造的小型相控阵雷达
以技术更迭来看,相控阵雷达一共进化出无源、有源、数字三种基本类型。
歼10B搭载的有源相控阵雷达 图片来源:凤凰军事
目前最高级的是数字相控阵雷达,利用数字信号处理技术在基带进行处理,确保每个单独阵元步调一致,这样不仅功耗更低,稳定性和精度都更高。
雷达技术诞生后,相控阵雷达的理论就出现了,受限于相关元器件的制造技术很落后,一直未能落地。
直到1969年,在计算机技术、半导体技术等诸多技术的催生下,美国空军才成功研制出首部大型相控阵雷达AN/FPS-85。
AN/FPS-85相控阵雷达 图片来源:外媒报道截图
这个庞然大物足有11层楼那么高。
舰载的相控阵雷达AN/SPY-1系列也是在上世纪60年代后期开始研发,是宙斯盾的重要组件,能提供强大的侦搜和射控能力。
测试中的美军SPY-6相控阵雷达 图片来源:美国雷神公司网站
中国的相控阵雷达,起步也很早。
1964年,毛主席在“两弹”研制成功时,提出了著名的“有矛必有盾”理论,并成立了“640”工程。
在这个大系统中预警雷达系统是核心技术,项目代号为“640-4”,“640-3”研究的就是之前聊过的激光武器。
1970年5月,陆基远程相控阵雷达立项,代号为“70”。
1975年,70雷达正式开机探测。
次年,这个宽40米高20米的“大墙”全面投入运转,并于1977年11月22日检飞成功。
在之后的近20年时间里,70雷达多次完成我国导弹和卫星的观测任务,是“两弹一星”中最可靠的“眼睛”。
有人认为科幻作家刘慈欣的《三体》中提到的“红岸基地”就源自70雷达。
当年的70雷达
可惜的是,陆基雷达的成功并没有延续,我国的舰载相控阵雷达是上世纪90年代在外军的威胁下才开始研制的。
上世纪80年代末90年代初,国际局势剧烈变化。
美苏争霸的格局结束后,中国成为美国的首要对手。
我国周边国家和地区纷纷装备了先进的美式军武,给我国带来相当大的军事压力。
比如,海军方面,日本自卫队列装了多艘金刚级宙斯盾驱逐舰,台湾当局也千方百计地想从美国采购“宙斯盾”系统。
尤其是在台海危机爆发后,在美军先进的军事装备面前,我军常规作战几乎毫无胜算。
彼时,我国的机载雷达技术可怜到了想为给歼-8Ⅱ型歼击机配套脉冲多普勒雷达,却连原理都没搞明白的地步。
加上国内材料及加工精度达不到要求,我们只好花钱从英国买来整套的阵列天线精密加工技术。
而以所谓的“和平典范”工程,和美国一起搞脉冲多普勒雷达的事,也以失败告终。
直到1998年,经过多年技术积累和实践摸索,我国才独立研制成功了性能接近美国AN/APG-68的机载雷达,具备跟踪15个,打击6个的多目标攻击能力,在当时只有F-14战斗机的AWG-9雷达有这个能力。
中国雷达可算是扬眉吐气了一回。
同期,舰载相控阵雷达也有技术突破。
1997年,在前八年充分论证的基础上,舰载多功能相控阵雷达正式立项。
20年,在中国海军“毕昇号”试验舰上,346型相控阵雷达成功完成测试,同年即装备在2C型兰州舰上。
从技术上看,346型相控阵雷达属于有源相控体制,比宙斯盾系统的AN/SPY-1系列领先一个代际,是当时世界水平最先进的相控阵雷达。
24年,更先进的346A型相控阵雷达列装,性能远超过美国现役的AN/SPY-1D宙斯盾雷达。
346A雷达主要配备在2D型昆明舰和我国航母上,并且采用了更合理更隐身的安装方式。
2D舰载的346A型有源相控阵雷达 来源:HSH发烧友论坛的视频截图
在半个多世纪里,中国相控阵雷达从无到有,从弱到强,领跑世界。
中国的相控阵雷达不但技术领先,而且成本还很低——这与氮化镓的产业化发展有很大的关系。
在有源相控阵雷达的成本构成中,核心部件就占去超过60%的成本,而核心部件的贵贱又与材料有很大关系。
氮化镓(GaN)是一种非常坚硬且在机械方面非常稳定的宽带隙半导体材料。
与上一代砷化镓材料相比,氮化镓器件具备功率大、高频性能好、效率高,成本还低30%,是新一代有源相控阵雷达的首选。
氮化镓产品的成本能够降低,是因为中国首先开发出以硅为衬底的氮化镓器件外延片技术。
这一突破,让氮化镓器件与现有的硅半导体工艺兼容性增强,半导体器件的集成更加容易,在不必新增加工设备的前提下,大大提高了器件的性能和成品率。
技术普及后资本进入,氮化镓的产品和产业链迅速建立起来。
下游的雷达产品结构从“砖块”发展为“瓦片式”,减少了印制电路板和连接器的数量,再通过封装工艺,减少了体积和重量。
成本进一步降低,应用面更广,产品出货量大增,应用拉动需求,回馈产业链,正循环健康发展。
现代工业的特征之一就是量产摊薄成本。当中国人把氮化镓做出了白菜价,相控阵雷达的价格就变成白菜价,成为中国军备出口的卖点。
近几年,我国为孟加拉国制造了多艘C-13B轻型护卫舰。
这种舰艇总吨位仅1300吨,最大航速25.5节,适合近海巡逻和作战的需求。
而且卖价不到1亿人民币,出厂时却“高配”国产有源相控阵雷达。
要知道,不算军舰不算武器,任何一个版本的宙斯盾系统(不含导弹),成本都在2亿美元以上。
陆基的更贵,29年,美国卖给日本两套陆基“宙斯盾”,总售价21.5亿美元!
能给1000吨出头的舰艇装上相控阵雷达,目前只有中国军工独一份。
成本降下来,相控阵雷达技术很快军转民,用途超乎想象的广泛。
除了开头提到的农业领域,在气象研究领域,我国也发展出扫描更快速、对强对流天气探测功能更强大的相控阵雷达技术。
比如,X波段双偏振有源相控阵多普勒气象雷达。
在安全防范领域,国内工作频段最高、分辨率最高的安检仪T-safeX2,采用相控阵雷达技术,不仅灵敏可靠,而且对人体没有伤害。
在民航领域,C波段全数字有源相控阵气象雷达于20年8月在北京大兴机场启用。
这是世界上首部在民用领域业务化的C波段相控阵雷达,也是世界上首次在民航领域业务化应用的相控阵天气雷达。
北京大兴机场C波段全数字有源相控阵气象雷达进入试运行阶段
截图来源:央视新闻频道朝闻天下节目
还有高端智造领域的机械臂动作模拟,相控阵雷达技术让机械臂完美复制人手动作。
至于成本,跟军事用途比起来,那就更是白菜价了。
比如搭载相控阵三坐标雷达的探鸟驱鸟设备,30万就能拿下。
而这远不是极限。
搭载前后两组有源相控阵雷达系统的大疆T50农业无人机,整机旗舰版也就6万出头。
更有甚者,小型相控阵周界防范雷达能做到价格只有40多块钱。
小型相控阵周界防范雷达在某平台的价格
军民共建,市场扩大,人才和技术大融合,中国相控阵雷达大有可为。
用领先世界的科技,造亲民接地气的产品,大概也只有中国做得到吧。
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