刘永坦院士:为祖国海疆装上千里眼
发布时间:2019-01-10
出品:科普中国
制作:荆博
监制:中国科学院计算机网络信息中心
  • 外挂有多强大,雷达就有多重要

  玩过即时战略游戏的小伙伴都知道有一种可以让地图全部显示的外挂,虽然没有修改游戏数据,但会对游戏平衡性产生巨大的影响,将即时战略游戏变为操作类游戏。外挂使用者知晓另外一方的一切动向,没有外挂帮助的一方将彻底失去战斗先机,唯一的方法就是正面硬刚。 

   

  在现实军事活动中,如果我军通过某种设备侦察出敌军的各种动向,就会产生料敌先机的效果,如同游戏里的外挂一般,赋予我方降维打击的能力。提到侦察,大家一般就会想到卫星,卫星的优势在于可以从高空观测地面,且与侦察机不同,可以威胁到它的武器也很少。 

  但卫星在反应战场现势性上有着巨大短板:首先,卫星有自己的运转轨道,其观测范围是固定的,频发的变轨会耗费大量能量,直接影响卫星的寿命;其次,不是所有的卫星都具备侦察功能,即便是侦察卫星上的观测设备也都是固定的,可能是全色彩,也可能只针对某个波段,同时受制于轨道高度,不能调节倍率;最后,退一步讲,即便使用同步卫星,同样要受制于数据传递以及对影像结果的判定,所得数据对于一场战争基本上只能满足复盘的需求,无法实现预判。 

  《全民公敌》里那种男主被侦察卫星追着跑的情形真的很科幻,所以,现实战争中,卫星的实际功能远不及千里眼(望远镜的雏形)有用,而真正充当了超视距下望远镜功能的则是各种型号的雷达。 

在二战中名声赫赫的德军甚高频雷达(来源:Pixabay.com CC0 

  “雷达看多远,国防安全就能保多远。这样的雷达别的国家已经在研制,中国决不能落下,这就是我要做的事。”这是刘永坦院士在学成归来后就发下的宏愿,可以说刘永坦院士的一辈子只做了一件事,但这一件事,让中国的雷达水平有了三次重要的飞跃: 

刘永坦院士(图片来源:人民网) 

  • 第一次飞跃:新体制雷达研制成功打破技术封锁

  在上世纪70年代,随着多种军用飞机和导弹技术的成熟,曾经陆战利器火炮的地位岌岌可危:美国对越战争中,其空地导弹“百舌鸟”将越军的火炮和雷达阵地死死地钉在地面;一时间,传统的相控雷达阵地反而成为了黑夜中的一盏灯。 

  在这种情形下,但凡有能力的国家都开始研制载无源雷达、低获率雷达、双(多)基地雷达等新体制雷达。我国也是在这种情形下开始新体制雷达的试水,在上世纪70年代中期,我国科学家对其进行过突击性的会战攻关,但由于难度太大、国外实行技术封锁等诸多因素,最终未获成果。 

曾经名声在外的苏联DUGA-3远程警戒雷达(来源:Pixabay.com CC0 

  1982年初春,刘永坦向当时的航天工业部预研部门领导汇报,详实介绍了当时发达国家新体制雷达发展的动态,并大胆谈了自己的设想,得到预研部门领导的一致肯定,此后又进行了4年多的技术积累,新体制雷达才从预研项目被列为国家科技应用与基础研究项目。 

  1986年,刘永坦开始主持“新体制雷达研究”,然而新体制雷达的困难程度还是远远超出预期,就连航天部的专家们在论证时也低估了其工程化的难度。批复的经费在采购完必要的仪器设备之后已经所剩无几。 

  关键时刻,刘永坦与同事经过反复讨论,决定自筹资金并争取国家有关部门的大力支持。终于在1989年,中国第一个新体制雷达站建成。次年4月,雷达站完成了整机调试,并且其研究成果居国际领先水平。1991年,该项目还荣获国家科技进步奖一等奖。 

  • 第二次飞跃:我国雷达信号和成像理论的提出和成熟

  第二次重要成果则是通过九十年代承担国家“863”计划中“逆合成孔径实验雷达”(即ISAR)重大研究项目获得的,此成果极大地推动和发展了运动补偿理论,并针对大带宽信号与系统提出了新的补偿理论。 

刘永坦院士关于雷达成像的理论的教材(图片来源:教材封面) 

  这个理论有多重要?简而言之雷达有两项重要的指标,一是看得远,二是看得准,而这个理论则是在尽可能看得远的情况下还要看得准发展而来的。该理论的直接促成了我国第一台实验ISAR的诞生,意义和影响极为深远,为我国ISAR技术乃至此后精细图像雷达技术的进一步发展奠定了坚实的理论基础,也一举打破我们曾长期受制于苏制雷达技术的尴尬局面,使得我国最终在机载雷达等专项雷达技术上有反超苏联的资本,更有了此后中国新式战机的“魔武双修”。 

我国自行研发生产带有巨大雷达天线的空警2000(作者:Danny Yu 

  • 第三次飞跃:海探雷达为祖国海疆雷达打造“火眼金睛”

  雷达探海有多难?可以这样说,理论上,探空可以实现无限远的探测距,所以即便是使用第五代战斗机的机载雷达,也可以实现超过百公里的超视距战斗,而不用说配备大型机载雷达的预警机了。 

  舰载雷达的探空能力可以因其巨大的装载量而达到相当远的有效距离,但其探海能力却只有几十公里(一般小于40公里),原因正是地球曲率。 

由于地球曲率而造成雷达盲区的示意图 

  雷达对于近地面(海面)单位的探测颇显无力,一旦超过一定距离,就会位于地平线以下,要想探测得远,就要把雷达摆得更高。所以为什么现代战舰在重心允许的情况下都尽量把雷达放得更高,有些甚至直接把雷达放在桅杆顶上,原因就是为了尽可能增大对低空以及海面目标的探测距离。 

桅杆顶上的雷达(来源:Pixabay.com CC0 

  一旦战机进行低空掠行,就会进入雷达的盲区,同时由于地面(海面)会对雷达发出的探测信号进行漫反射,对雷达探测结果产生干扰,增加雷达对低空飞行器探测的难度。从这个角度来看,在探测距离方面,飞机对于舰船有着天然的优势,“以空制海”是二战后海军发展的重要思路,也是二战后大型战列舰没落的一个重要原因。 

  因此,航空母舰作为飞行单位的海上基地,不仅没有成为海上活棺材,反而成为二战后海上乃至空中话语权的代表。庞大的航母战斗群,一旦进入无线电静默状态,就化身为一个方圆上千公里的黑洞,吞噬一切来犯之敌,如果没有强而有力的主动雷达进行制约,就会出现知道未必找的着,找的着未必打的中的尴尬境地,让敌军的整支航母舰队在自己的领海横行无忌。 

  说到这里,你就会明白,航空母舰、战略轰炸机以及空中预警机对一个国家的战略意义,而实现这些战略意义的关键,一是自己有相应的雷达控制体系,二是有相应的雷达反制体系,否则,即便再强大的武力也会不堪一击。 

  刘永坦院士团队攻克的地波超视距雷达等技术,利用高频电波碰到波浪时会发生的绕射现象,使电波沿着富含盐分的海面向前“爬行”,进而突破地平线的限制,探测到目标。同时,由于其不需要电离层的折射,工作介质离天线较近,因此地波超视距雷达工作状态比较稳定,设备体积也相对较小,更适合作为舰载雷达,加上探测距离适中,有效距离可以达到100公里以上,虽然不能直接引导导弹作战,但是已经可以作为战役战术级的预警雷达使用。 

  当然这种雷达的意义不仅限于此,技术进步为整体布局提供了无限可能,一旦水面舰艇数量达到一定程度,利用该种雷达和岸基(岛基)雷达等进行综合组网,就可以实现对中国全部海域实现无死角监控。届时,中国完善的雷达系统,不仅能在军事用途中大展拳脚,在海洋监测、科学考察、远洋航行、海监护航、打击走私等民用领域,将有更多作为。 

 

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