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成大軍研社基礎課程 軍用機概論 楊政衛製作
軍用機的演進
相傳在中國戰國時代，工匠之父公輸班就設計過飛行器。歐洲文藝復興時代天才達文西則留下飛行器設計手稿，為有紀錄的最早飛行器設計圖。兩者雖然都沒有付諸實現，但在在顯示了人類對飛行的嚮往--像鳥一樣在空中自由飛翔--。 1903年12月，萊特兄弟實現人類首次動力飛行。飛機終於被發明了！ 飛機用在軍事上始於一次大戰，用於偵察敵情，是偵察機的始祖。接著，出現了一種雙座機，由一個人開飛機，另一個人拿炸藥往下丟，是最早的轟炸機。轟炸機越來越大也越專業化，人員配置也增多如架使員、領航員、轟炸手等。漸漸的，轟炸機普遍了，交戰國之轟炸機往往在空中遭遇，駕駛員以外閒閒沒事幹的機員開始了〝空戰〞，雙方的人員一開始在機上叫罵，後來把機槍搬上去互射，所以轟炸機後來裝上了機炮，用於與敵方相遇時的空戰及自衛用。最後乾脆設計一種只裝機炮的飛機，可以更加靈巧且更輕易的擊落敵人的轟炸機，戰鬥機於此正式出現。 冷戰為各種武器帶來革命性發展，軍用機也不例外，在冷戰以至後冷戰時期，軍用機發展突飛猛進，不論是在技術上還是任務上。在技術上，各機種性能出現了驚人的飛躍，在任務上，為了適應越來越複雜的空戰而衍生出其他輔助機種。以下就蓋擴的介紹各機種之用途及發展，並於現代戰機部分多著筆墨，因為•••看了就知道了。
相控陣雷達(及雷達簡介) 功能 相控陣雷達又稱作相位陣列雷達，是一種以改變雷達波相位來改變波束方向的雷達，因為是以電子方式控制波束而非傳統的機械轉動天線面方式，故又稱電子掃描雷達。相控陣雷達有相當密集的天線陣列，在傳統雷達天線面的面積上目前可安裝一千多個相控陣天線，任何一個天線都可收發雷達波，而相鄰的數個天線即具有一個雷達的功能。掃描時，選定其中一個區塊(數個天線單元)或數個區塊對單一目標或區域進行掃描，因此整個雷達可同時對許多目標或區域進行掃描或追蹤，具有多個雷達的功能。由於一個雷達可同時針對不同方向進行掃描，再加之掃描方式為電子控制而不必由機械轉動，因此資料更新率大大提高，機械掃描雷達因受限於機械轉動頻率因而資料更新週期以秒計，電子掃描雷達則以微秒計。因而它更適於對付高機動目標。此外由於可發射窄波束，因而也可充當電戰天線使用，如電磁干擾甚至是構想中發射反相位雷達波來中和探測電波等。 原理 相控陣雷達何以有此功效呢？在做進一步認識之前，筆者先簡單介紹雷達原理及其演進。雷達是高科技產物，但其基本原理是很簡單的。 雷達是一種發射電磁波，藉由解算回波之種種數據來達到探測目的的一種裝置。隨著年代的演進而增加新的功能，但都不脫離兩個基本步驟：發射雷達波以及解算回波。 電磁波的發射，是利用正負電荷之往返震盪而發出的，在雷達上是在天線上產生正負電荷並使之震盪如圖一。發出電磁波之強度分佈如圖二，為一〝橫躺〞在x軸上的〝8〞字繞y軸轉動後所產生的立體形狀，類似紅血球一般，天線指向y軸而以橫躺的8字中心為中心。設由原點向任一方向畫直線與此〝紅血球形〞交於p點，則原點到p點的長度代表該方向電磁波強度。也就是說在垂直於y軸之平面上電磁波最強，隨著與此平面之夾角增加電磁波隨之減弱，在天線方向上則沒有電磁波。以上所提對相控陣雷達原理之理解並不是那麼重要，不過將有助於我們觀察雷達天線的陣列情形。 當然，單一天線發射的雷達波依然是以球面擴散的，強度與距離平方成反比，所以當然不可能只用一個天線就能做成雷達啦，一定要有其他方法的，除了增強功率外，就是讓雷達波盡量平行發射啦。為了達到此目的，目前主要有拋物面雷達以及平面陣列雷達，兩者都是機械掃描雷達，但後者之原理與相控陣雷達有些相近。 拋物面雷達在拋物面焦點處安裝發射天線，經拋物面反射成近乎平行波束，目前直昇機用雷達以及陸基防空雷達、機場雷達等多使用這種雷達。 平面陣列雷達則是在一個平面上佈上許多天線，藉由波的干涉原理來製造近平行波束，基本原理與相控陣雷達相近故留待稍後解釋之。西方標準的第三代戰機以及俄國第四代戰機(除了MiG-31)多用這種雷達，中國自行研發的殲雷十也是平面陣列雷達。不論是拋物面或平面陣列式雷達，皆屬於機械掃描雷達，靠機械轉動天線面來改變波束方向，因此其資料更新率與機械轉動週期有關，這受到機械結構等問題影響而不會太快，一般更新週期以秒計。 相控陣雷達之波束產生原理與平面陣列雷達其實是相同的，但多了相位控制功能因而可不必借助機械而改變波束方向。在解釋此原理前先介紹幾個波的專有名詞：波前、相位。波前定義為與波行進方向垂直之曲線或曲面，例如平行波波前即為垂直於波束之平面，球狀發射波之波前為球面•••等，換言之可以用波前的擴散來想像波的行進。相位就是相角，與位置、波長、週期、時間等有關，相位差就是相位的差異。如果撇開數學，純粹定性的話，在雷達天線面上，各天線同時發射電磁波，則各電磁波就是同相，如果各天線發射電磁波有先後次序，則各天線發射之電磁波有相位差。這麼解釋較容易體會吧！現在來考慮同相的情況，我們在x軸上等間格安置一模一樣的點波原，點波原在平面上傳波方式為圓形平面，現在只要考慮x軸以上，因為他與x軸以下情況是一樣的。今假設過了一段時間，各波原產生的波行進的距離是一樣的，因此可以各波原為圓心取相同半徑畫半圓，如此可得到各波波前交織在一起的圖像，如果繼續畫下去，不論裡面交得多亂，最前端的形狀幾乎是一樣的，即許多圓弧交線的最前端，事實上這就是其巨觀之波前。現在，我們在每兩點中間再加一個點波原，趙相同方法作圖，會發現最前端曲線，也就是合成波前，更加平滑，所以說，當點波原距離越近，合成波前就越接近與這些點波原連線平行之曲線(在此為直線)，這就是〝海更士原理〞，只不過海更士是倒過來說的：〝波前可視為無線多個點撥圓的連線。〞經由實驗可以知道這是成立的。對了，有沒有注意到，這就是平面陣列雷達產生近平行波束的原理！接著，討論有相位差的情況了，這就是相控陣雷達控制波束的原理了。同樣的，我們在x軸上等間格安置一模一樣的點波原，為了方便說明，由左到又依次編號1，2，3....，並假設由1開始每格一個週期T的時間間隔下一個點波原才開始發射(時間間格可以自己挑，不過選擇一個週期最好畫)。好，開始畫圖吧：t=0時，1號開始發射。t=T時，2號開始發射，因為經過了一個週期，所以1也開始發射下一個波。t=2T時，以1號為圓心有兩個半圓，以二號為圓心有一個半圓，同時1,2,3同時發射下一個波。•••照這樣畫下去，就會發現跟先前同相時的例子一樣的圓弧交線，而且是朝著右上方傳遞的，當波原很接近時，該曲線就接近直線了。波就是這樣往右偏折的。同樣的道理，可以知道波如何往左、往上、往下偏。這就是電子掃描雷達的原理。當然要提升其效能就有其他複雜的工程問題了，如天線的密集度、處理資訊的能力等等。 因此相控陣雷達可選擇雷達面上相鄰的數個天線來當一個雷達用，或選用多個區塊構成多組雷達來偵查同一目標以增加解析度，有的書籍上說相控陣雷達的每一個天線都相當於一個雷達，這會造成相當大的誤解：如果每個都是雷達，何必選用一組去照射目標？每個天線固定在那裡，要怎麼去轉向？了解其原理，就能避開誤解了。由於是使用電子控制相位差掃描而不用機械，再加上可針對性的掃描，因此資料更新率以微秒計，遠優於機械式雷達。此外由於相控陣雷達可製造窄波束，因此也具有電戰功能，當然波束能多窄式取決於其他技術的，像美國APG-77雷達就可發射發散角僅2度(最外側波行進方向與中央線之夾角)的窄波束。具有更好的反探測即電戰能力。 相控陣雷達又分有源/主動、無源/被動兩種，像筆者這種外行人看了會誤解成能自己發射雷達波與只能接收雷達波。因此在這要多做解釋，所謂有源無源是針對天線而言的。有源相控陣雷達的〝天線〞是一種稱為T/R模組的接收與發射裝置，每一塊都能自己產生電磁波。而無源相控陣雷達則是使用統一的發射機與接收機，外加具有相位控制能力的相控陣天線而成，即天線本身不能產生雷達波。兩者在功能上無太大差別，不過在體積、重量、生存能力上，有源者優於無源者，因此有源相控陣雷達是軍機雷達的發展趨勢之一，目前只有美國與日本具有此技術，分別用在F-22、JSF與F-2上，其他各國都將跟進，如EF-2000、Rafale、JAS-39都將在後續改良型中換裝有源相控陣雷達。目前美國的T/R模組一個約600到800美元，預計在下一批量產後(F-22與JSF等之雷達)因產量及成熟度提升，而可降至200美元上下，與剛問世時之8000美元相比簡直是•••！ 光電、被動搜索 被動探測技術是21世紀初期的趨勢，不論是空軍亦或是海軍。因為被動探測能避免因自己發射雷達波而暴露行蹤，避免打草驚蛇。其中紅外線被動探測裝置因為發展已久，技術日趨成熟可靠，加上飛機運動時摩擦空氣無可避免的會發出紅外光譜，因此是目前的一項重點技術。21世紀初的紅外探測裝置不但要能探知位置，還要能進行熱成象，這一性能除了增加對敵探測精度、增加紅外導彈精度，還使得戰機有意想不到的自衛能力--攔截空空導彈。 事實上把光電探測裝置說成是21世紀初的趨勢，是很對不起北方那位朋友--俄羅斯--的，早在1980年代的SU-27與MiG-29起，光電探測器就成了其必備裝備，西方國家直到新世代戰機(西方第四代)才開始使用，一方面可能是德國統一後前東德MiG-29帶給歐洲國家的衝擊使之重視該技術。
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