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    戰鷹如何變得“耳聰目明”,工程師為您揭秘雷達的原理與應用

    大連某航修廠工程師嚴家興為您揭秘雷達的原理與應用——

    讓戰鷹變得“耳聰目明”

    雷達示意圖。制圖:侯繼超

    說起雷達的起源,要追溯到二戰時期。

    英德之間的不列顛空戰,成為雷達大顯身手的歷史舞臺,也拉開了雷達快速發展的序幕。

    時至今日,雷達早已不再是軍事領域的專利。隨著科技進步,雷達在機載、艦載、星載、車載等各個領域大放異彩,起到不可或缺的作用。

    獨門絕技

    現代戰爭早已告別短兵相接、近距廝殺的冷兵器時代,作戰距離超過肉眼可見的范圍。能否在戰斗中料敵于先、占據主動,決定著空戰勝負。

    為了在超視距作戰中決勝千里之外,雷達系統成為戰機的親密戰友,起到了關鍵作用。

    之所以能夠擔此重任,是因為雷達有著獨門絕技——能夠快速發現、跟蹤、截獲目標,并在戰斗中選擇合適的武器進行攻擊,實現“先敵發現、先敵發射、先敵命中”,掌握作戰的主動權。

    世界上最早的雷達誕生于二戰時期。當時,英國的“本土鏈”雷達投入使用,開創了雷達在軍事領域應用的先河。

    隨后幾十年的發展歷程中,戰機為了躲避雷達探測不斷升級。就像“矛”與“盾”之間的較量,為了在戰斗中占得先機,設計師們在雷達領域也從未停止探索。

    無線電研究的深入和制造工藝的進步為雷達的更新換代創造了可能?,F代雷達的探測距離超過幾百甚至上千公里,可以瞄準不同方向、不同目標,完成對多個目標的同時跟蹤和攻擊。

    不僅如此,全天候、全天時的優點,使得雷達不論白天和黑夜都能探測遠距離目標,且不受霧、云、雨等惡劣天氣影響。雷達發射的獨特波長,能夠讓千里之外的目標無所遁形,是名副其實的“千里眼”和“順風耳”。

    那么,雷達是如何實現“看得遠”“聽得清”的呢?簡單來說,雷達探測靠的是高性能發射系統和接收裝置的密切配合。

    當雷達開始探測時,雷達發射機便會通過天線發射電磁波。電磁波以天線為中心,向四周傳播,就像池塘里丟了一顆石子,產生一圈圈波紋向外擴散。為了滿足不同探測需求,雷達發射的波長也不盡相同。

    當電磁波遇到被探測目標后,便會沿著目標的形狀向各個方向反射,其中一部分返回到雷達方向,并被雷達天線捕獲,形成回波信號。

    僅僅接收到回波信號還不夠。眾所周知,地球本身就是一個磁場,就像人們經常使用的電視機、收音機會因為干擾出現“雪花屏”“吱吱聲”一樣,雷達的電磁波也會受到來自地面、空中等四面八方的電磁干擾,影響雷達的“聽力”。

    這種“雜波”的干擾,會讓回波信號非常微弱。在實際探測過程中,電磁波信號也會隨著距離的增加而衰減。

    此時,雷達接收機將發揮作用。它能夠將干擾信號過濾掉,放大微弱的回波信號,使回波信號變得清晰,并傳遞給處理機進行“翻譯”。然后,目標的距離、飛行航跡、速度等一系列信息就能通過顯示器呈現出來了。

    進化之路

    隨著科技快速發展,雷達的功能越來越強大,種類也越來越多?,F代巨型雷達直徑超過百米,微型雷達卻只有指甲蓋大小,它們的應用領域也不盡相同。

    雖然形狀各異,雷達的工作原理卻大致相同:靠電磁波的發射和回波來實現探測功能。這種方法看似簡單,但在實際應用中,電磁波的探測之旅卻一路坎坷。如何減少“雜波”干擾、提高探測距離和探測精度,推動著一代代雷達設計師進行艱難的探索。

    早在19世紀末,麥克斯韋方程組的建立幫助人類叩開了電磁理論的大門。隨后,意大利工程師馬可尼提出了無線電在遠距離探測方面的潛力。

    戰爭的爆發刺激了科技的飛速發展,也使很多曾經概念性的設計理念得到實際應用。

    事實上,雷達的最初發明來自于人類的“無心插柳”。1935年,英國科學家羅伯特·瓦特團隊希望把無線電波作為一種攻擊武器用來摧毀德軍飛機,但很快便得到了失敗的結論。

    意外的是,他們發現通過測量從機身反射回來的無線電回聲長短,可以得知飛機的飛行方向和距離。同年,該團隊為英國空軍帶來振奮人心的消息,世界上第一部雷達研制成功。

    雷達的橫空出世,讓英國人在空戰中占盡優勢。當時,英國軍隊在海岸線上架設了大型雷達天線,其提供的探測信息幫助英軍攔截了不少德軍轟炸機。雷達在實戰運用中的大獲成功,使得設計師們萌生了把雷達裝上飛機的想法。

    1937年,英國“安森”號飛機安裝了世界上第一臺機載雷達。3年后,裝備在“英俊戰士”戰斗機上的機載雷達在空戰中首次使用并嶄露頭角。

    受到雷達技術限制,這時期的雷達探測距離只有幾公里。由于位于機身外部的“犄角”天線體積龐大,影響飛機機動,雷達并沒有得到廣泛應用。

    早期雷達采用普通脈沖體制,探測能力較弱,尤其是下視探測時,微弱的目標回波信號幾乎被淹沒在雜波中,從而失去對目標的探測能力。這種探測方式很快被歷史淘汰。

    20世紀60年代,機載脈沖多普勒火控雷達研制成功并逐漸投入使用。它克服了早期雷達的缺陷,具有下視功能,抗干擾能力強,在三代機上普遍應用。

    這種機械式雷達通過旋轉天線進行掃描,發射單一波束,即靠“身體轉動”來帶動“眼睛”探測??諔鹬?,隨著戰機速度提高、數量增多,設計師發現,機械掃描方法速度慢,極易跟丟目標,多目標跟蹤時更是“力不從心”。同時,由于發射機只有1個,一旦損壞,整部雷達也會失效,可靠性難以保證。

    于是,采用電子掃描相控陣雷達應運而生,并經歷了無源到有源的發展。先進的有源相控陣雷達把整部發射機分散到數以千計的收發組件上。即使一個收發組件損壞,也不會影響整部雷達工作。這種雷達天線類似于蜻蜓的“復眼”,不僅實現了“身體”能動,“眼球”也能動,還可以瞄準不同方向、不同目標,同時進行跟蹤。

    不僅如此,通過強大的數據處理技術,雷達能夠同時實現對空、對地探測等多種功能。作用距離遠、抗干擾能力強、隱身性能好、可靠性高等一系列優勢,使其成為戰機上科技含量最高、技術最復雜的裝置之一,也成為衡量戰機戰斗力的一項重要指標。

    尖端工藝

    作為戰機的“千里眼”和“順風耳”,雷達最重要的性能之一便是要保證探測的準確性。

    要保證準確性,電磁波的發射、接收、信號轉換等一系列步驟,必須絕對可靠、暢通無阻。

    在機載雷達的眾多組成部件中,雷達天線承擔著發射無線電波的工作,天線精度決定著雷達的探測任務能否精準完成。

    以先進的有源相控陣雷達為例,其天線由數以千計的收發組件組成,是該雷達的核心部件之一。為了適應雷達的探測需要,一些收發組件的橫向尺寸必須控制在毫米大小,相當于一張微型SIM卡的尺寸,這給設計師帶來了不少難題。

    經過多年研究,設計師終于找到一種微組裝技術——采用微焊接等工藝技術將各種半導體集成電路芯片和微型化元氣組件組裝在高密度多層互聯基板上,形成高級微電子組件,這種操作如同在蟬翼上繡花。

    “微”技術卻有高科技,收發組件從制造到順利裝機并投入使用需要經過重重考驗——

    第一步是選材,給收發組件一副“好身板”。別看收發組件的體積小,內部卻集成了多種精密芯片。所以,作為多芯片和芯片間布線連接的基板選擇就尤為重要。

    為了滿足不同需求,收發組件采用由多種基板混合的組成方式,以達到高密度小體積組裝效果、減小傳輸損耗等方面要求。

    第二步是組裝,將各種芯片組裝在基板上。這種芯片組裝技術集合了超聲波清洗、共晶焊接、粘接、金絲超聲鍵合等環節,是微組裝工藝中的重要一環。

    步驟看似簡單,組裝環境、工具選擇、精度控制、時間把控等指標要求卻非??量?。實際操作甚至要在高倍顯微鏡下進行。其中,鍵合工藝是技術含量最高、難度最大的步驟之一。

    所謂鍵合,即用比頭發絲還細的金線,將芯片與外部電路聯通。這種工藝通過針尖的超聲震動,使得金線與焊盤形成分子間連接達到微焊接目的。資料顯示,1克黃金可拉出10微米直徑、661米長的金線,相當于頭發絲的八分之一,細到早已超過了肉眼識別范圍。

    第三步是封裝,即對完成組裝的收發組件進行保護,作為精密電子部件,收發組件對封裝要求非?!疤籼蕖?。隨著技術發展和工藝優化,先進的封裝技術能夠防止空氣中的灰塵、水汽等微型顆粒進入模塊內部造成污染,從而保證使用壽命和可靠性。

    完成一系列工序后,裝機完畢的雷達還需要進行信號、功率、靈敏度等幾十種參數測試,以滿足其在邊搜索邊跟蹤、邊搜索邊測距、截獲、格斗等多種戰斗狀態下正常運轉。

    近年來,科研人員始終在新材料、新工藝的應用上不斷探索研究,推動雷達迭代發展。未來,隨著更多先進技術的投入使用,雷達的應用范圍和探測能力也將變得越來越強大。(孫暢 宋茹 孟金玲

    編輯:鹿筱悅
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