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王孟源的部落格

事實與邏輯

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  • 2017-05-16 07:12

【海軍】地效反艦飛彈的原理

美國的《Popular Mechanics》雜誌在五月4日刊出一篇文章(參見http://www.popularmechanics.com/military/weapons/a26382/china-sea-skimming-anti-ship-drone/ ),討論了最近泄露的一張據稱是共軍新式地效反艦飛彈的照片。五天後,《觀察者》登出了一篇評論(參見http://www.guancha.cn/military-affairs/2017_05_09_407411.shtml ),反駁了美國人的一些論點。但是就如同前文《共軍的超級大炮》一樣,中美兩邊的評論員都沒有說到癥結,所以我在此做個澄清。

這是引起評論的那張照片。從這個角度,並不能確定機翼的翼展。從彈頭上的空速管可以看出它還在早期測試的階段。

如同上次一樣,美國人有些十分離譜的論點,似乎是直接抄錄中國軍事論壇上的胡猜。他說這枚地效反艦飛彈的飛行高度只有18英寸,亦即半公尺左右;這代表著只有在0級和1級海況下,這枚地效反艦飛彈才能作戰。換句話説,在西太平洋,99%以上的日子都不能使用,這當然是個大笑話。

在冷戰期間,蘇聯在裏海實驗了幾個不同型號的地效飛行器,最大的一個,外號叫“裏海怪物”,長92米,翼展37米,重達500噸,但是即使在裏海這樣風平浪靜的内海,原型機還是因爲大浪而損毀。正因爲地效飛行器的抗損性太差,蘇聯認爲它作爲登陸艇沒有實用價值,轉而開發同樣噸位的氣墊船,也就是後來的野牛級。

共軍現役的YJ-62飛彈,助推火箭才剛引燃。它被設計來全程以500+節飛行,所以翼展只有2.9米。

傳統的地效飛行器的飛行高度與翼展成正比;既然照片裏說它“載荷重量大”,那麽這枚新飛彈應該不小於共軍現役的重型反艦飛彈YJ-62,也就是至少7米長。它的翼展從側面角度的這張照片很難確定,就算比長度還大,也不太可能超過10公尺。裏海怪物的翼展比它大了近4倍,飛行高度也就高了接近4倍,還因爲不耐風浪而不能實用化,所以這枚地效反艦飛彈必然不可能只是一個傳統的地效飛行器。

美國人說它的飛行速度是每小時600英里,亦即約530節,這比裏海怪物的極速270節還要高出一倍。YJ-62的速度是600節,反而和它相似。那麽問題就來了,速度和載重都和已經快淘汰的現役裝備差不多,尺寸卻寬大了許多,很難塞進發射筒裏,爲什麽還要開發呢?美國人就因此很高興地做了結論,這枚飛彈唯一的好處就在於飛得比YJ-62更低,但是美軍航母戰鬥群的E-2D預警機就是專門設計來探測低空目標的,就算飛行高度只有18英寸,一樣能在215英里(344公里)外偵測到,其後的成功攔截是例行而且必然的。

對於上面這一論點,《觀察者》的文章針鋒相對地說,他們剛好最近才采訪了該導彈方案的航天科技集團某研究院負責人,一方面證實了照片的真實性,另一方面卻宣稱“這種導彈的設計目標主要就是突破E-2D預警機和標準6導彈的攔截”。這當然是很奇怪的:《觀察者》說這型飛彈的飛行高度是6米,雖然比18英寸合理的多,但是與YJ-62的10米飛行高度更沒有根本上的差別,它的翼展又比YJ-62大得多,外形也完全沒有隱身處理,怎麽可能會有更小的雷達截面呢?

《觀察者》的文章還說這枚飛彈的飛行速度是每小時965公里,這剛好是600英里,所以應該是沿用美國人的説法。然後文章基本上一再重複說它有神奇的隱身能力,而這個能力就來自於飛行高度降低了4米。那麽問題又來了,YJ-62降到6米的飛行高度並沒有技術困難,主要只是爲了避免風浪才設定到10米的高度,爲什麽不乾脆只把YJ-62的進氣口改到上面以避免進水就成了呢?

要解答以上這些謎題,必須對雷達和地效飛行器的原理做比較深入的分析。我們先從雷達談起。

地面和軍艦上的防空雷達,一般是直接往上看,沒有什麽背景雜波的問題,但是受地球曲率限制,對巡航導彈這類低飛的目標,探測距離非常有限。所以上個月美軍用戰斧導彈攻擊敘利亞的空軍基地,俄軍的S400防空系統雖然也在敘利亞,卻根本看不到也打不著。當時我評論說,能對抗巡航導彈的,只有以先進預警機為核心的完整防空體系。上周俄軍就趕緊亡羊補牢,派了一架預警機進駐敘利亞。

但是預警機固然居高臨下,不受地球曲率阻擋,地面和海面背景卻都會產生大量的回波,即使有現代的高速計算機,也不可能準確地完全過濾掉。E-2D作爲一種艦載機,在尺寸和載重上更有額外的嚴格限制,別説不能用上共軍KJ-500那樣的三面陣列,連一面L波段的AESA陣列都載不動,爲了維持足夠的探測距離和反隱身能力,只好進一步犧牲解析度,而選用波長更長的UHF波段。但是如此一來,E-2D對背景雜波,就比戰機上的X波段陣列還要敏感得多。

其實這基本上就是如何讓雷達具有下視能力的問題,1960年代美軍的解決方案是利用多普勒效應:當雷達波碰到目標反彈時,如果目標正在向雷達波源飛近,雷達反射波的頻率會變高;反之,如果目標正在遠離,反射波的頻率會降低。既然一般的地面/海面背景(如車輛、飛鳥、風吹的樹葉和波浪等等)的速度都很有限,只要專注在頻率變化了很大的信號上,就自然把背景雜波通通過濾掉了。這個簡單粗暴的辦法,至今仍是機載防空雷達下視能力的基礎。

但是這個辦法(叫做Pulse-Doppler Radar,脈衝-多普勒雷達,不能用連續波,必須用脈衝才能精確測距)有一個先天上的缺點,就是只能偵測到有足夠徑向(直面或直背)速度的目標,所以躲避敵機探測的一個基本戰術,就是繞著它轉個大圈,那麽速度主要成爲切向(側面),自己會被敵機雷達因徑向速度不足而直接過濾掉,從它的熒幕上消失。

E-2D的UHF陣列,天生就對傳統的隱身外形有若干剋制能力(這也是爲什麽共軍一直沒有開發像美軍AGM-129那類的隱身導彈的原因),但是對背景雜波很敏感,必須依靠多普勒原理在頻率上做嚴格的限制。它對徑向速度的偵測下限是個大機密,但是我認爲不可能低於200節,有可能高達300節。這在實戰中,一般並不成問題:一方面它的探測距離遠,對方的戰機和導彈如果老是繞圈子,還沒有飛進防禦核心油料就用完了;另一方面,飛行器的升力,也就是載重能力,隨速度的降低而很快減小,一般的軍機和飛彈都必須至少以高次音速(即上面美國人猜測的530節,這是馬赫0.8)飛行,才能輕鬆携帶足夠威脅大型戰艦的彈藥和燃料。

所以要對E-2D隱身,有一個很簡單的辦法,就是以慢打快。只要把飛行速度降低到明顯低於200節的地步,即使直對著E-2D飛去,它的AN/APY-9雷達仍然只能是睜眼瞎子。這裏我猜測一些參數,然後看看它們是否合理。假設這枚飛彈全重2.5噸(YJ-62重1.4噸),全長9米,翼展8米,巡航速度140節,最大速度530節,動力來源是一座小型渦扇發動機。我們可以拿一架小噴氣機來比較,例如Honda Jet,最大重量4.8噸,全長13米,翼展12米,巡航速度370節,最大速度440節,裝備了兩個一噸級推力的渦扇發動機。可以看出這枚飛彈除了巡航速度特別低之外,基本上就是Honda Jet一半大的一架中規中矩的噴氣機。

那麽怎麽讓飛機的巡航速度降下來呢?必須找到額外的升力來源,而地面效應就正是一個很好的額外升力來源。所謂地面效應,就是當飛機的飛行高度等於或低於翼展的時候,地面與機翼之間會形成一個高壓氣墊,因而給予飛機額外的升力。地面效應並不是地效飛行器的特權,一般民用飛機在降落的過程中,都會運用地面效應,先在跑道上空幾公尺拉平,慢慢讓空氣阻力減低航速,然後平穩地輕輕觸地。所以一架飛機在地面效應下的巡航速度,就是它的正規降落速度(嚴格來説,是稍高於正規降落速度,一方面這是因爲降落時油料已經用得差不多,所以重量減輕了;另一方面降落時會放下襟翼),而遠低於空中的巡航速度,例如Honda Jet的正規降落速度就是115節。所謂的地效飛行器,指的是不能在地面效應以外的空中正常飛行的飛機,換句話說,它們的極速很低,只比地效巡航速度高一點,例如前面提到的裏海怪物,地效巡航速度是230節,極速卻只有270節。

總之,這枚地效反艦飛彈其實並不是地效飛行器,而是一架小型無人機,正常的高空巡航速度可能在450節左右,但是它的機翼和下機身被針對地面效應而優化了,可以平穩地以140節的地效巡航速度飛行三個、甚至四個小時以上。如果海面平靜,那麽就依6米高度飛行;如果風浪大,則可以升到10米,增加航速到略低於200節以彌補升力。在最後幾公里,再以最大速度衝刺(有可能類似YJ-18,即抛棄機翼和渦噴發動機,以火箭發動機進行短程超音速飛行),以減低被近迫防禦系統攔截的機率。

論證完畢,我在此藉機閑扯一段有關140節空速的陳年往事。1991年,我還在哈佛博士班,同時也抽空開小飛機。那時我常租的小飛機是Cessna 172,它是最容易開的入門機,但是速度很慢。有一天,我從波士頓往西飛,到了麻省中部,這裏剛好有一個大機場,叫Bradley International Airport,是康州首府Hartford和麻省的Springfield市共用的國際機場。小飛機一般沒事不會到國際機場去找麻煩,但是那天我興致來了,看到好像沒有什麽班機在排隊起降,就請求降落。機場管制員一開始也不在意,把跑道方位給了我,叫我按照例行方案進場。於是我慢慢地轉入Downwind Leg,然後發現這個跑道比我習慣的長了很多,飄了半天才準備要左轉進入Base Leg,忽然機場管制員發聲道,你有一架波音737排在你後面,請提醒我你們Cessna 172的降落速度是多少。我說是70節,他說737的降落速度是140節,你看著辦吧。我的副駕駛是哈佛物理系的美國同學,他說機場管制員是在暗示我們必須加速,但是又不願意明白叫我們違反駕駛常規,否則要是出了事他會有法律責任。我說我不在乎自己負責,就呼叫機場管制員,說我請求以極速降落,他馬上准了。Cessna 172的極速是多少呢?不多不少,就正是140節。那是我唯一一次駕機在真正的(即常有民航班機來往的)國際機場降落,也是唯一一次高速降落(襟翼到即將落地才放下),而且後面還有一架737追來,刺激十足。

【後】有老同學寫電子信件來更正,Bradley那個經驗並不是我唯一一次駕機在國際機場降落,他晚一年來波士頓找我玩的時候,我帶他飛到Portland International Airport(緬因州的小Portland,不是Oregon州的Portland)降落吃飯。那次的降落也很刺激:我們在巡航高度已經快到機場正上空了,機場管制員卻叫我跳過一般的Pattern,直接落地,所以我關掉油門,做了一個急轉彎側俯衝,就像二戰的戰鬥機脫離編隊準備俯衝掃射一樣(那個動作叫做“Skid”,我的乘客或許覺得驚心動魄,其實它是個很安全的基本技術,是小飛機必須很快降低高度時的標準程序)。他記得我的地效拉平沒做好,飛機在跑道上蹦了一下,這點我倒不記得,哈哈。不過Portland沒有什麽交通,不像Bradley那樣有民航班機來給真正的壓力;正因爲它的國際機場名頭有點名不符實,所以早先忘了提。

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  • 迴響:15
  • 作者:王孟源

引用

迴響(15)

# re: 【海軍】地效反艦飛彈的原理
//1960年代美軍的解決方案是利用多普勒效應:當雷達波碰到目標反彈時,如果目標正在向雷達波源飛近,雷達反射波的頻率會變高;反之,如果目標正在遠離,反射波的頻率會降低//

天體物理學知識已經落下多年,若我沒有記錯,天文觀察上有個"紅移"和"藍移"效應,原理與此相近。

舉此一例,是順便呼應一下,即使是在常人眼中高來高去的天體物理學/高能物理學,亦有緩急輕重之分。例如,這一項研究就很有實用價值,即使砸大錢進去也值得;至於之前所述超弦學/對撞機之類,砸了天量的銀子進去,即使找到"聖杯",亦是得物無所用。

又,王兄的科普很精彩,將幾個問題的關鍵(預警機破解來襲飛彈的原理/以往飛彈規避預警機的方法/現在飛彈提升規避效率的可能方法),寫得條理分明,言簡意賅,下大功夫了。
我想超弦的問題在於,不論你投資多少,得到的只是一堆假話。科學是求真的學術,實用價值倒是次要的(公家的投資卻應該專注在實用價值上)。

大家能看懂,我很高興。
# re: 【海軍】地效反艦飛彈的原理
科普寫得精采,寫被737追,也很精采,這段我還看了兩遍。孟源每篇文章都值得好好拜讀,受益良多。之前提過寫書的事,進度如何?迫不及待想買,想珍藏,想送人啊!至少我三個孩子,一人要有一本。
一年多來,家事分心,倒沒有再想出書的事。

我自己回想起當年年少輕狂的日子,恍如隔世。
# re: 【海軍】地效反艦飛彈的原理
Can you design this to carry a torpedo instead? or would that be impractical? Sounds like it's got heavy payload.
Theoretically, yes; practically, probably not.

Active sonar homing has very limited ranges. If the missile drops the torpedo payload as soon as it pops up above the horizon, the distance is still some 30 km, and yet there is no submarine to provide intermediate guidance. If it waits until the last 10 km, it is already halfway through the close defense zone and flying at max speed. Dropping a torpedo into water will be quite risky and not very rewarding.
# re: 【海軍】地效反艦飛彈的原理
先生好!您提到的2篇報導先前都曾看過了,但都不知所以然,直到看了先生寫的這篇才恍然大悟!這大概就是老祖宗常講的:開竅了!
在錯綜複雜的資訊中爬梳剔抉出重點,又能言簡意賅讓人開竅,顯然是先生的長才!我能想像在求學生涯中若能遇見這樣的導師,是多麼幸福的事。
想就教先生一件題外事,看您部落格1年來一直想問的問題:作為一個家長,如何訓練孩子或教導孩子讓他們有敏銳的思維?或者該具備甚麼樣的條件才能讓孩子自己快點開竅,領悟真道理?
感謝!
世事看得太清,不但擋自己的財路,而且永遠都面對著失望與孤獨。Ignorance is a bliss,無知就是歡樂,你確定你願意讓你的子女失去這個自我感覺良好的歡樂嗎?

我自己的兒子,只要是我說的,就聼不進去,連中文這種課題都拿他的老師來壓我,雖然他明明知道他那個猶太裔的中文老師基本上每周都有問題拿來向我求教。

兩年前,楊世光請我上電視,我事後特別感激。倒不是因爲那滿足了我的虛榮,而是因爲我兒子從此不再確定我只是一個胡吹大氣的家庭主夫。

邏輯能力是很難教的。你可以試試讓他們參加辯論社,至少能引發一些興趣。
# re: 【海軍】地效反艦飛彈的原理
观察者网军事栏目的水平确实下降的很厉害,这最近几篇军事栏文章多半不得要点,内容肤浅。我看看主要作者,发现多半都是新面孔,连编辑都换了。后来我自己了解了一些信息,发现前观察者网的军事栏部分作者和编辑在一个网名叫yankeesama的老兄的领导下自己合伙搞了一个军事类短视频,叫帧察,您有兴趣也可以看看,其质量非常高,对一些消息的掌握和分析比cjdby这些论坛要严谨的多。
Yankee已經換了好幾個窩了,他的水準相當不錯的,可是喜歡做視頻而不是寫文章。我個人覺得還是文字討論比較嚴謹些。
# re: 【海軍】地效反艦飛彈的原理
//there is no submarine to provide intermediate guidance//

若提供 guidance 還有其他手段如該地效應機或其他飛行器、衛星甚至是反艦飛彈的話, 感覺上 torpedo payload還是有些可能的應用場域?
電磁波在海水裏衰減很快,魚雷只能綫導。
# re: 【海軍】地效反艦飛彈的原理
转吧友提问:想问一下王先生,美国的最新亚音速反舰导弹是不是也是为了不被舰载预警机发现,还是因为其他原因才亚音速的?
不是,它們是高次音速飛彈,航速600節。

美國不搞超音速反艦飛彈,一是因爲傳統上沒有技術儲備,二是因爲他們偏重射程。

美國的反艦飛彈有隱身外形,但是飛彈原本就比飛機小,這些外形改動只對波長很短的X波段有較大的效果。共軍似乎認爲沒有必要。
# re: 【海軍】地效反艦飛彈的原理
債券通這是這幾天人行出台的新政策
我想跟人民幣國際化有關
請王博士能仔細分析
會對人民幣國際化有何幫助跟衝擊
還有很久沒看到王博士對大陸金融問題
有深入的文章了
謝謝回文
留言放錯地方了,這是有關飛行器的文章。

金融自由化在過去兩年暫緩,債卷通只是延續既有的建立海外人民幣交易中心的政策,兩年前都已經詳細討論過了。
# re: 【海軍】地效反艦飛彈的原理
请教王先生。我记得反潜巡逻机主要靠雷达侦测潜艇的通气管。按照这篇文章的说法,潜艇速度慢,通气管目标小,还有海面杂波,长波长的雷达肯定发现不了。如果用超短波的X波段雷达,那通气管如果做了隐形修形,是不是也发现不了啊?通气管做隐形修形难度应该不高吧?
這個問題又更複雜一點,所以我在正文裏沒有提。

反潛機用的不是預警機的對空下視雷達,而是對地雷達的一種,一般是X波段,軟件則包含一種對靜止目標的特別分析技術,叫做合成孔徑,利用數學分析,可以從雷達本身的運動,對靜止目標做不同角度的掃描,能夠達到信號的大幅增益。

海上的波浪永遠在隨機起伏,潛艇的通氣管是唯一(幾乎)靜止的目標,所以在合成孔徑的分析下,十分醒目;尤其是低海況背景下,甚至會產生所謂的潛望鏡波紋,反潛雷達的軟件也會特別對其識別。

總之,現代柴油潛艇的通氣管和潛望鏡都已經盡量做小,在不妨礙功能的前提下,形狀也已經為隱身優化,但是一般仍然可以被反潛機在合理的距離外(探測距離視機型和海況而變,確實的數據也是軍事機密)輕鬆偵測到。
# re: 【海军】地效反舰飞弹的原理
"E-2D作为一种舰载机,在尺寸和载重上更有额外的严格限制,别説不能用上共军KJ-500那样的三面阵列,连一面L波段的AESA阵列都载不动,为了维持足够的探测距离和反隐身能力,只好进一步牺牲解析度,而选用波长更长的UHF波段。"

请教博主,不应该是发射的电波波长越长,需要天线尺寸越大么?
你想得細,很好。

天綫罩的空間是固定的,波長越短,天綫單元越小,但是陣列裏的單元數就越多,所以重量隨波長變化不大。L波段和S波段的陣列都是極重的,X波段稍微輕一點。

UHF的微波發生器和天綫單元的原理和L波段以下的雷達是不一樣的,不是單純的放大,所以可以節省重量。

AN/APY-9的天綫單元數也是機密,但是我估計為低於100個,所以它的解析度是非常差勁的,只適合做預警。為標準6這樣的主動導彈做中段制導還勉勉强强,半主動的標準2就絕對不行了。

至於國軍的E-2T,根本就沒有陣列,落後了兩代,60年代的雷達+90年代的電子系統,那性能就不用提了。
# re: 【海軍】地效反艦飛彈的原理
先生介绍合成孔径那一段我很有兴趣,之前多次听说,只是不知所云。大概三年前台湾中央大学有位研究合成孔径技术的教授跳槽到北京的中科院遥感所,这件事当时很轰动
合成孔径是針對地面固定目標,把機載雷達從不同位置照射所得的囘波資料,用計算機合成起來,使得雷達的有效孔徑(孔徑=天綫的尺寸)增加到幾百米,甚至幾千米。因爲雷達信號的增益與有效孔徑成正比,而探測距離與增益平方根成正比,所以合成孔徑效果顯著,是現代對地雷達必有的技術。

合成孔径雷達一般是側視,也就是向飛行方向的兩側掃描。

美軍最新的反潛機是P8,它上面的反潛雷達是AN/APY-10,是X波段的AESA,本身的性能就已經不錯,加了合成孔徑如虎添翼。
# re: 【海軍】地效反艦飛彈的原理
雖然離題, 但不得不提一下美日對於中國科技突破上的判斷總是有一廂情願低看的傾向, 近年來更是有鴕鳥心態假裝中國的發展成就不是現實, 例如前幾日在德國的Nürburgring Nordschleife由中國蔚來汽車的NIO EP9創下了最新的單圈紀錄6:45.90, 不但如此, 這還是人類有史以來第一輛在性能上全面擊敗石化燃料車的電動車. 為此,我特地去找了美日網民的評論觀看,結果看到了滿地的玻璃碎片, 相較之下, 歐洲媒體及歐洲網民的評論就公正客觀多了, 畢竟論玩車歐洲人的文化底蘊深, 深知能在Nürburgring Nordschleife創下紀錄的車種都不是泛泛之輩. 而由這些小地方也能看出, 為何歐洲在戰略上會願意拋棄成見選擇跟中國合作了.
新霸主會先在新科技上展露頭角。

歐洲核心的德法兩國,文化成見很深,對中國稱不上友善。法國的新總統似乎會比較親中,Merkel應該在選舉之後也會轉向。
# re: 【海軍】地效反艦飛彈的原理
厲害!!!

視頻網址:https://www.youtube.com/watch?v=c4MRydmz86E

王兄若有空,不妨專題談談電動車?
我沒有比一般評論者更深刻的見解。
# re: 【海军】地效反舰飞弹的原理
原来如此,谢谢博主,我原以为天线长度是那个蘑菇的大小。既然X band的单元很小,美军要想反制也很容易吧,做一个升级型号配备x band的unit不就行了?
X波段不適合做預警,回頭看看我以前的文章吧。
# re: 【海軍】地效反艦飛彈的原理
哈哈,今年的朱日和好看了。观网消息,2017年第一场由原38集团军113师改组而来的中部战区某顶级信息化合成旅对抗蓝军,这一仗真是要天昏地暗了。
這個留言可以放在以前有關朱日和的幾篇文章下面,我一般仍會注意到舊文章的新留言。

朱日和不只是訓練,更重要的是探索。2015年研究演習本身的最佳模式;2016年就是檢驗二綫部隊的戰力,準備裁撤的清單;今年應該是驗收軍改第一階段的成果,所以會有很多一流的部隊上陣。

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