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猛禽的第二雙利眼:淺談F-22戰機的電戰次系統

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〈猛禽的第二雙利眼:淺談F-22戰機的電戰次系統〉

文/RSHopper



  F-22的電戰次系統稱為「整合電戰系統」(Integrated Electronic Warfare System,INEWS),由桑德斯公司(Sanders)【註1】和奇異公司(GE)團隊研發,除了具備基本的電戰功能外,還扮演著被動偵測系統的角色。因此,稱其為猛禽的第二雙利眼也毫不為過。

  「整合電戰系統計畫」最早可以追溯到美國空軍萊特實驗室(Wright Laboratory )自1979起贊助的電戰系統整合研究。根據研究的結果,在1983年啟動了整合電戰系統計畫(以下簡稱INEWS計畫)。同年9月,美國空軍開始了「先進戰術戰機」(Advanced Tactical Fighter,ATF)計畫的概念發展調查(Concept Development Investigation,CDI),遂將INEWS計畫和ATF連結,以期INEWS能為ATF提供支援。隨後在隔年的4月,從五組競標團隊【註2】中選出桑德斯公司/奇異公司,以及TRW公司/西屋電氣公司(Westinghouse Electric)【註3】兩組團隊進入展示與驗證階段(Demonstration and Validation,Dem/Val)。1988年,美國空軍正式將INEWS計畫的管理納入ATF計畫底下,讓INEWS正式成為ATF轄下的電戰次系統發展計畫。最後,隨著ATF計畫的結標,美國空軍也選出選出桑德斯公司/奇異公司團隊做為INEWS計畫的優勝者,進入全尺寸發展階段(Full Scale Development ,FSD)。

  F-22的電戰次系統採用可更換模組(LRM)的整合架構,使用可共享的通用硬體元件,除了提供自衛電戰所需的威脅預警及反制功能外,還能將偵知的信號源資料傳送到後端,與機上其他感測器獲得的資料做整合,為飛行員建構更完整的態勢認知,例如:雷達預警系統能夠做為電磁信號源監視與追蹤、飛彈發射偵測器能夠用於光學偵測與追蹤。值得一提的是,基於匿蹤考量,F-22的電戰次系統並沒有配置主動雷達干擾機,以免讓發射的電磁波洩漏這些隱形空中殺手的行蹤。

  F-22的電戰次系統主要具備三大功能:雷達預警(Radar Warning,RW)、飛彈發射偵測(Missile Launch Detection)及熱焰彈(Flare)/干擾絲(Chaff)灑佈反制措施。

● 雷達預警

  雷達預警主要由洛克希德.桑德斯公司(Lockheed Sanders)【註1】的AN/ALR-94雷達預警接收系統負責,能夠對雷達發射源進行偵測、追蹤、識別及定位,並將這些發射源的資訊提供給F-22的任務軟體,與機上其他感測器獲得的資料做整合,以利目標追蹤。

  F-22全機總共配置156組接收天線單元,分成Band 3、Band 4兩大類,分別嵌在主翼前、後緣的4個天線陣列內,可涵蓋機身周遭360度方位、0.5~18GHz頻段的信號截收。


F-22在機身表面嵌上的各種天線和偵測器。

  值得一提的是,AN/ALR-94被前洛馬集團F-22專案負責人湯姆.伯爾巴格(Tom Burbage)形容為「F-22全機最具科技複雜性的設備」。ALR-94能夠在遠達250海浬外分析、追蹤其感測到的信號源。而距離拉近到100海浬時,AN/ALR-94就能引導F-22的AN/APG-77雷達偵測敵機:AN/ALR-94隨時更新的追蹤資料能夠提前指引雷達搜索的方位,讓其可以以非常窄的波束偵測目標。一位洛馬集團高層也曾經表示,在被稱為「窄頻交織搜索與追蹤」(Narrow-Band Interleaved Search and Track,NBILST)模式中,AN/ALR-94能及時提供敵方戰機動態,AN/APG-77雷達僅需負責建立精確距離及速率數據,就能夠導引AIM-120空對空飛彈發起攻擊。而如果敵方過於貪婪地使用雷達,AN/ALR-94幾乎能提供所有必要參數,不須開啟雷達就能導引空對空飛彈攻擊目標,成為名符其實的「反輻射空對空飛彈」。「敵人會在毫無知覺、完全放鬆的情況下被消滅。」該名高層如此形容。從此令人不寒而慄的例子,足見AN/ALR-94的高超。


F-22發射AIM-120先進中程空對空飛彈。

● 飛彈發射偵測


AN/AAR-56飛彈發射偵測器(Missile Launch Detecter,MLD)。

  飛彈發射偵測工作由洛馬飛彈與射控分部(Lockheed Martin Missile and Fire Control)的AN/AAR-56飛彈發射偵測器(Missile Launch Detecter,MLD)負責,利用被動紅外線感測器對飛彈發射進行偵測及追蹤,並向任務軟體回報飛彈發射追蹤訊息,用於資料資料整合與目標追蹤。

  除了利用紅外線被動偵測做為飛彈接近預警器外,AN/AAR-56採用的凝視焦平面陣列感測器還能將外界環境以紅外線成像呈現,搭配擴展的演算法軟體,就能夠扮演紅外線搜索與追蹤系統(Infrared Search and Track,IRST)的角色,做為輔助雷達的被動感測器。


AN/AAR-56的紅外線影像成像。

  F-22在機首與前機身上下總共佈置了6組飛彈發射偵測感測器。和AN/ALR-94的接收天線單元一樣,考量到匿蹤需求,這些感測器都平滑地嵌在機身表面,能夠提供涵蓋機身周遭360度範圍的紅外線訊跡偵測。得利於此,AN/AAR-56在扮演IRST的角色方面,能夠為飛行員提供360度的紅外線影像視野,和一般選擇在機首配備單具IRST的戰機相比來得寬廣得多。


F-22嵌在機身表面的飛彈發射偵測感測器。

  關於F-22最後未配備專門的IRST一事,其實是美國空軍當初為了權衡ATF戰機的重量、造價及技術風險的結果。其實最早在1984年時ATF的《作戰需求說明》(SON)中,曾經要求裝備多色型IRST為「基本門檻需求」,而在1987年的《系統作業需求文件》(SORD)中則改為要求必須配備單色型IRST,多色型被調整為「目標」(Objective)。到了1989年,單色型IRST也被改為「目標」而非必備。1990年又再次修改需求成「雖不立即裝備,但須預留裝設餘裕」(除了預留空間、電力、冷卻系統的餘裕外,航電處理系統也須預留在座艙顯示器上將紅外線信號資訊與其他資訊交互提示與融合呈現的能力)。

● 熱焰彈/干擾絲灑佈反制措施


F-22投放熱焰彈,注意開啟的灑佈器艙門。

  熱焰彈/干擾絲灑佈反制措施由BAE系統公司的AN/ALE-52反制措施灑佈器執行,具備可程式化能力,擁用全自動、半自動、手動模式。F-22在主輪艙前後兩側總共配置了4組灑佈器,裝填美國空軍標準的MJU-7、MJU-10熱焰彈,或是專為F-22開發的MJU-39、MJU-40熱焰彈,以及RR-170、RR-180雷達干擾絲綑束。這4組灑佈器平時由艙門遮蔽,進行投放時才開啟,以維持機體的匿蹤性。


AN/ALE-52反制措施灑佈器與其艙門。

  整個電戰次系統的基本架構方面,由AN/ALR-94雷達預警接收系統的接收天線陣列和AN/AAR-56飛彈發射偵測器的飛彈發射偵測感測器構成最前端,將信號後送到後端的通用整合處理器( Common Integrated Processor,CIP)進行後續的信號整合與處理,最後由AN/ALE-52反制措施灑佈器根據偵測到的預警情況,自動或是由飛行員手動控制熱焰彈及干擾絲的投放。值得一提的是,由於AN/ALR-94和AN/ALE-52兩種系統的信號種類不同,因此在通往後端CIP時的處理路徑也不同:AN/ALR-94的信號屬於射頻類型,接收陣列在收到信號後,會先經由AE陣列電子單元以及RAIU遠端天線介面單元將信號送到電戰系統的IAR射頻整合航電機櫃,將信號進行預處理之後再經光纖匯流排(FOTR)送往CIP的FNIU光纖介面模組,再傳送給其他信號處理模組進行信號分類、特徵量測、識別以及信號源追蹤等工作;而AN/AAR-56的信號屬於光學影像類型,偵知信號之後會直接送到CIP,由機櫃裡的NRSP非射頻信號處理器模組進行影像處理。



◎註釋

【註1】桑德斯公司在1986年併入洛克希德公司,成為洛克希德.桑德斯公司。在1995年洛克希德與馬丁.馬里塔公司合併後,桑德斯被轉入洛馬集團的航電電子系統事業群。而此事業群又在2000年被洛馬賣給BAE系統集團,成為BAE系統資訊與電子戰(IEWS)分部。而2005年BAE系統進行改組之後,目前合入BAE系統電子與整合解決方案部門。

【註2】五組競標團隊分別為:桑德斯/奇異團隊、TRW/西屋團隊、休斯(Hughes)/羅拉(Loral)團隊、ITT/立頓(Litton)團隊,以及雷神(Raytheon)/諾斯洛普(Northrop)團隊。

【註3】西屋公司也是F-22所使用的AN/APG-77雷達的開發商,其和德州儀器公司(Texas Instruments,IT)在ATF戰機的雷達次系統競標中打敗休斯/奇異公司團隊脫穎而出,在1991年8月正式獲得AN/APG-77的工程製造發展(EMD)合約。值得一提的是,ATF計畫的雷達承包商並非由美國空軍所遴選,而是由參與ATF戰機計畫的兩組競標團隊——也就是洛克希德與諾斯洛普——各自去決定,而最後兩組團隊都選擇了西屋/德州儀器團隊,也讓他們順理成章成為ATF雷達次系統競標案的贏家。不過在1996年,西屋電氣把自己的軍用電子業務賣給了諾斯洛普.格魯曼集團(Northrop Grumman)、德州儀器也在1997年將其防衛系統部門出售予雷神公司,因此AN/APG-77此後便成為諾格與雷神的產品了。


F-22的AN/APG-77雷達。

參考資料:

● 《International Air Power Review, Vol. 5》,David Donald,2002年
● 《空中王者:F-22猛禽制空戰鬥機》,張明德,2012年11月
● 《軍事連線 第105期》 <新世紀航電系統典範:美國空軍F-22戰機的航電次系統(上)>,張明德,2017年5月
● 《軍事連線 第106期》 <新世紀航電系統典範:美國空軍F-22戰機的航電次系統(下)>,張明德,2017年6月
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