正在进行的乌克兰战争凸显了未来冲突中战术边缘空域的激烈争夺。

虽然 2019 年英国官方出版物《联合防空》提供了一些有用的阈值,但对超短程防空(VSHORAD)或短程防空(SHORAD)并没有明确的定义。该文件指出,SHORAD 系统通常攻击距离低于 18.5 千米的目标,而 VSHORAD 系统攻击距离低于 5.6 千米的目标。然而,防空分析人员和工业界的一种非正式的通用做法是,将最大射程小于 10 千米的效应器称为 VSHORAD,而将射程大于 10 千米至 20 千米(有时甚至达到 25 千米)的效应器称为 SHORAD。

VSHORAD 效应器通常包括地对空导弹(SAM),包括便携式防空系统(MANPADS)子类别,以及大炮或枪基高射炮(AAA)。相比之下,SHORAD 系统只使用防空导弹作为其效应器。未来,激光等定向能武器(DEW)可能会补充 VSHORAD 射程段的典型效应器组合,并可能进一步补充 SHORAD 射程段的效应器组合。美国国会研究服务部于 2023 年 6 月发布的一份题为 "美国陆军机动短程防空系统 "的报告强调,陆军正在为此寻找一种 50 千瓦的激光器。

联合(V)SHORAD 波段本质上是战术性的。防空导弹和 AAA 等武器及其相关传感器通常用于保护点目标。营部或旅部是点目标的两个例子,具有重要战术意义的桥头堡也可能是点目标。鉴于(V)SHORAD 的战术性质,它还将为处于战术边缘的单元提供保护。从条令上讲,(V)SHORAD 资产必须具有机动性,因为它们必须能够随着陆军的机动而移动,继续提供空中威胁防护。由于在战术单元移动和交战时,空中情况会不断变化,因此资产在移动时必须能够交战或感知。

图:拉达电子工业公司的 S 波段(2.3 GHz 至 2.5 GHz/2.7 GHz 至 3.7 GHz)MHR 多任务半球雷达装备了美国陆军通用动力公司的 "斯特赖克 "系列轮式装甲战车,并与动能效应器和光电技术相结合,提供了移动 VSHORAD 能力。 资料来源:DRS RADA 技术公司

(V)SHORAD指挥与控制(C2)系统必须考虑到这一点,短程防空资产的通信网络也必须考虑到这一点。然而,在战术边缘的 SHORAD 资产之间提供有线链接可能不切实际。相反,战术无线电链路必须能够在敌方坚决的电子干扰下生存。此外,链路还必须有足够的容量来传输与潜在密集空中图像有关的数据。数据可能包括视觉图像、识别空中图像(RAP),包括航迹、地形图和敌友识别(IFF)信息。同时还将提供语音、地图和文本信息。

使问题更加复杂的是,机动部队必须应对大量的空中威胁。从广义上讲,这些威胁包括无人驾驶飞行器(UAV)以及有人驾驶的固定翼和旋转翼飞机。除了无人机和常规飞机外,还有地对地和空对地导弹(SSM/ASM)以及空射弹药。反火箭和反火炮往往是专门的反火箭、反火炮和反迫击炮(C-RAM)资产的任务,并不经常被纳入 VSHORAD 任务,因为许多 VSHORAD 系统无法有效执行 C-RAM 任务。然而,专用的 C-RAM 系统通常能够有效地发挥 VSHORAD 的作用。

传感器

SHORAD 部队通常使用光电和雷达来探测、识别、跟踪和帮助对付空中威胁。被动射频(RF)能力的作用也越来越大。被动射频系统(如测向仪)将仅利用飞机发射的无线电信号来探测和跟踪飞机。有人驾驶飞机采用一系列依赖电磁的系统,而无线电、雷达和敌我识别系统都发射射频信号。电子支援措施(ESM)可以侦听到这些传输信号。通过使用两个或两个以上的天线,ESM 可以通过空中目标的传输信号对其进行三角测量。

图:泰雷兹公司的 GM-200 系列 S 波段地基空中监视雷达可支持 SHORAD 以及中程空中监视。泰雷兹最近向丹麦军方提供了 GM-200MM/C 型雷达。 资料来源:泰雷兹公司

ESM 内部的无线电信号 "指纹 "库甚至可以将信号与飞机类型相匹配。例如,如果确定雷达信号来自泰雷兹 RDY-3 X 波段(8.5 GHz 至 10.68 GHz)火控雷达,则表明飞机是达索幻影-2000 系列战斗机。ESM 在探测无人机方面也特别有用。后者必须在飞机和飞行员之间保持射频链接,以便进行 C2。C2 射频链路使用分布在 27 MHz 至 5.8 GHz 波段的各种频率。这些波段由联合国国际电信联盟(ITU)保留,用于无人机指挥和控制。国际电信联盟负责管理全球无线电频谱的使用。

网络化 (V)SHORAD 带来了自身的挑战。电信业的一般经验法则是,1 比特数据占用 1 赫兹的带宽。在网络中移动的信息越密集,占用的带宽就越多。如果要共享密集的雷达图像或可视图像和视频,数据吸收就是一个关键问题。在战术边缘,对手咄咄逼人的电子攻击会使问题更加复杂。干扰会影响 SHORAD C2 网络所依赖的无线电链路。用于空战指挥的数字作战管理系统也很可能受到网络攻击。

设计理念

战术边缘的需求要求 (V)SHORAD 雷达必须足够轻便,能够安装在车辆上,为机动部队提供支持。雷达性能必须使系统能够探测、识别和跟踪机动部队预计会遇到的各种目标。雷达信号还必须具有低探测/拦截概率(LPI/D)的特点。此外,数据共享必须经济。如上文所述,战术边缘空域是一个高度动态的环境。为使(V)SHORAD 尽可能有效,空中防御者需要详细的战术图像。然而,这也带来了挑战。红军电子战(EW)将竭尽全力干扰 SHORAD 通信网络并攻击 SHORAD C2 系统。干扰会减少可用于共享雷达和其他战术数据的无线电带宽。

图:亨索特公司的英国子公司于 2021 年推出了 Spexer-600 X 波段地基空中监视雷达。该雷达采用了 Kelvin Hughes(现为亨索公司的一部分)SharpEye 雷达系列所使用的技术。 资料来源:亨索德公司

(V)SHORAD雷达的性能要求给雷达工程师带来了挑战,可以通过假想的(V)SHORAD雷达来说明这一点,并演示其对不同大小目标的有效射程。在演示中,雷达发射频率为 566 MHz(UHF 频段),信号强度为 7 kW(每毫瓦 68.5 分贝),雷达天线提供 28.5 分贝的各向同性增益。各向同性天线理论上可以同时向所有方向发射相同的功率。然而,雷达的设计是将特定的功率集中到特定的方向。增益是衡量天线能向特定方向集中多少信号强度的指标。

(V)SHORAD雷达面临的挑战是,它必须在合适的距离上探测和跟踪一系列截然不同的目标,以便让战术边缘的短程防空单元有足够的时间与这些目标交战。苏霍伊 Su-27(北约报告名称:"侧卫")的雷达截面(RCS)可能在 10 至 15 平方米之间(相当于 10 至 11.75 分贝)。相反,一枚来袭的 227 毫米火箭弹的雷达截面积可能小到 0.018 平方米(相当于:-17.45 分贝)。以苏-27 为例,对于 RCS 为 10 平方米的目标,理论上 SHORAD 雷达可在 106 千米的距离上探测到它。如果苏-27 的 RCS 为 15 平方米,则探测距离稍远,为 117 千米。不过,随着目标变小,探测距离也开始大幅缩短。一枚 0.018 平方米 RCS 的火箭可在 22 千米处被探测到,而一架 0.001 平方米 RCS 的小型无人机可在 11 千米处被探测到。

假设雷达天线直径为 7 米,因此在战场上移动以支持战术边缘的(V)SHORAD 是不切实际的。此外,566 MHz 的频率相对较低,可能无法以丰富、精确的细节描绘目标,而这正是 AAA 和防空导弹单元需要的武器级航迹。其他参数保持不变,但将天线尺寸减小到 2 平方米,探测距离就会缩小。现在,10 平方米 RCS 的目标探测距离为 38 千米,15 平方米 RCS 的飞机探测距离为 42 千米。在探测火箭时,探测距离缩短到 7 千米,小型无人机则缩短到 4 千米。探测距离缩短意味着 (V)SHORAD 效应器的预警时间缩短,严重影响其反应时间。提高雷达的发射频率也有助于提高探测距离。保留 2 平方米的天线,但将频率提高到 2 千兆赫(S 波段)可增加探测距离。现在,10 平方米 RCS 的目标可在 20 千米范围内探测到。对于 RCS 为 15 平方米的飞机,探测距离增加到 22 千米。然而,雷达对其他目标的探测性能却有所下降。0.018 m2 RCS 火箭和 0.001 m2 RCS 无人机的探测距离分别缩短到约 4 千米和 2 千米。

图:洛克希德-马丁公司的 AN/MPQ-64 Sentinel-A4 雷达正在装备美国陆军。这种 X 波段系统是雷达设计趋势的典型代表,它将 SHORAD 和中程监视结合在一起。 资料来源:洛克希德-马丁公司

一种解决方案是将 (V)SHORAD 雷达的频率进一步提高到无线电频谱;让我们假设将天线的尺寸缩小到 1 平方米,但将发射频率提高到 33.4 千兆赫(Ka 波段),并保持其他雷达参数,特别是 120 瓦的发射功率。因此,应该可以在 15 公里处探测到 0.018 平方米 RCS 的目标。RCS 为 0.001 平方米的无人驾驶飞行器可在 7 千米处探测到,而 RCS 为 10 平方米和 15 平方米的大型目标,如飞机,则可分别在 73 千米和 82 千米处探测到。

演变

Blighter Surveillance Systems 公司创始人兼首席技术官马克-拉德福德(Mark Radford)说,采用更高的频率表明了 SHORAD 雷达的发展方向: "鉴于与冷战时期相比,威胁类型更加多样化,如纳米无人机和制导弹药,现代雷达系统将受益于采用更高的工作频率,如 X 波段(8.5 千兆赫至 10.68 千兆赫)和 Ku 波段(13.4 千兆赫至 14 千兆赫/15.7 千兆赫至 17.7 千兆赫)"。

使用这些和其他相对较高的频率,将有助于减少SHORAD雷达的物理尺寸。Radford补充说:“这种向更高频率的转变,因此波长更短,也使雷达更加紧凑,这反过来又为移动操作提供了机会。”拉德福德强调说,虽然(大多数)SHORAD 效应器在移动时可能无法攻击目标,但 "设计用于在高速行驶时工作的雷达系统可以在移动时提供一定程度的保护,并且在车辆停止时可立即提供全面的 SHORAD 能力"。此外,SHORAD 雷达无需使用传统的旋转天线。相反,可在车辆侧面安装平板,每个平板可提供 90° 的空中监视。这些面板组合在一起,可使雷达 360° 覆盖其所在空域。为此配备的多辆车辆可在战术边缘提供重叠覆盖。无需在飞行器顶部安装旋转天线,也有助于减少飞行器的视觉特征,提高生存能力。

采用更高的雷达频率和非旋转天线是改进(V)SHORAD 雷达监视的两个重要方面,但其他因素也同样重要。首先,雷达的射频发射使其具有可探测性。LPI/D 技术可以减少敌方以电子或物理方式探测和攻击雷达的机会,但无法消除风险: "拉德福德指出:"最大且日益严峻的挑战可能是,有源雷达很容易被远程地面和小型机载电子监视设备探测到,从而导致敌方快速反应瞄准目标。"拉德福德补充说:"在乌克兰已经观察到这种情况,并正在导致替代威胁探测技术的发展。

图:拉斐尔的 I-Dome 是一种一体化 VSHORAD 系统,由雷达和发射器组成,目前正在研制中。该飞行器使用四个固定面雷达面板,据称是 DRS RADA 公司的 exMHR 型号。 资料来源:DRS Rada 技术公司

无源雷达是 SHORAD 技术中备受关注的一种,它可以监测范围内的空中物体对当地无线电频谱造成的干扰。我们不断被电磁能量所包围,尤其是在城市地区,广播和手机信号是电磁能量最无处不在的两个来源。其他无源雷达的工作是探测来自空中目标的雷达和无线电信号。在这两种情况下,这些信号和信号干扰都被用来探测、定位和跟踪目标。无源雷达的主要优点是不发射任何电磁能量。

拉德福德认为,无源雷达 "在战术上的应用还不够成熟",但有望成为传统 SHORAD 雷达的替代品。从现实情况来看,在未来战争中,陆军不太可能从其机动区域上空无争议的空域中获益。空中威胁将以各种形式和规模出现,收集情报、监视和侦察信息并投送弹药。无人机战争的出现--乌克兰战争的生动例子--表明,无人机的危险只会增加。(V)SHORAD雷达的设计需要不断发展,以提高其生存能力,并能应对一系列传统和新出现的威胁。同时,防空部队需要考虑如何利用无源雷达等技术来保护机动部队。

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