空警600世界最强舰载预警机:气动布局、数字阵列雷达、反隐形

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空警600是由西安飞机工业、中国电科14所和38所联合设计制造的舰载固定翼空中预警机。长度为18.14米,翼展为25米,空重约25.4吨,总重约30.5吨,服役时将采用2台自主研发的AEP500涡轮螺旋桨发动机,每台功率5103马力,最大速度693公里/小时,航程2500-3000公里,实用升限为10000米,续航时间不低于6小时。采用了背负式圆形雷达罩,装备了比美军E2D领先的S和UHF双波段的氮化镓数字阵列雷达,具备强大的反隐形能力。对于长期以来只能使用预警直升机的中国海军而言,空警600对于中国航母作战能力的价值不言而喻。
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预警机的研制,需要飞机设计与制造、雷达与探测、导航与通讯、信息融合与数据处理、先进电子元器件等多领域先进技术与能力的支持。毫不夸张地说,预警机反映了一个国家飞机与电子技术的最高水平,也是体现国家综合实力和科技水平的标志性装备,目前只有美国、中国和俄罗斯可以独立研制预警机。预警机之难反映在平台与系统这两个方面,也可以形容为“体”之难与“眼”之难。
首先是“体”之难。
在载机的气动布局上,空警600采用了和美军E2D几乎一样的大展弦比平直翼布局,展弦比高达9.3,在亚音速条件下具备较大升阻比,续航能力和起降性能非常适合在空间有限的航母上使用。空警600也采用了和E2D一样的标志性4片垂尾设计。雷达天线罩固然可以产生额外升力,但也会让飞行阻力增加23-30%,航向稳定性也会降低60%,同时雷达天线罩距离垂尾又太近,影响了垂尾的气动效率,而为了保证垂尾不能遮挡雷达波,垂尾又不能加高,如果不增加垂尾,选择增加类似空警500那样的腹鳍,在航母上起降又非常容易蹭地,所以只能增加垂尾的数量,以弥补控制效率的不足。如果用3片或者5片垂尾,总会有一片在中间,由于雷达支架的遮挡,效果会大受影响,徒增死重,所以采用4片垂尾是明智的选择。而前苏联的舰载预警机雅克44采用了更高的双垂尾,所以只能采用升降式雷达支架,进机库前降低雷达罩高度,出机库后升起雷达罩,保证雷达高于垂尾,不影响探测效果。当然,空警600的四片垂尾安装刚好和“鹰眼”相反,是上长下短,能保证从滑跃航母上大仰角起飞的安全性,不会剐蹭甲板。
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空警600气动布局是可以保证滑跃起飞的。2005年,美国海军工程试验中心曾做过试验,一架E2C在25节甲板风,24.9吨起飞重量时,可以通过12度滑跃甲板的165米滑跑跑道起飞,起飞轨迹保持2.5米/秒的爬升率,符合美国海军安全起飞标准。试验还显示,“鹰眼”在进入甲板上翘段前就已经达到可离舰速度,这表明即便这架预警机的起飞重量再大一点,或者滑跑距离再短一点,在滑跃甲板“加持”下其仍然可以安全起飞。辽宁舰和山东舰的远点起飞位的跑道长度约为200米,全速行驶可提供足够强度的甲板风,空警600可以无弹射起飞。
在天线布局上,空警600和E2D一样,采用转动圆盘的双阵面背靠背结构,布放于圆盘内部的直径轴线处,整流罩内部空间的利用达到最大,相对于空警600大尺寸的圆盘整流罩三面阵雷达,空警600的阵面的长度也能做到最大,从而最大限度提高整部雷达的发射功率和探测距离,多目标处理能力也会带来一定的提升,但只好牺牲实时全向探测能力。
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空警200和E7则采用“平衡木”布置方式,雷达纵置于机背,对飞机气动影响小,阵面的长度更有保证,天线面积容易做得更大,也意味着更强的发射功率、更远的探测识别距离。比如E7在最大起飞重量70吨级的飞机平台上,实现了10.82米的天线长度,比起飞重量150吨级E3预警机的天线尺寸更大。“平衡木”结构的雷达通常可覆盖两侧各120度左右的范围,这意味着在机头和机尾方向各有约30度的盲区。而E7通过加高天线,增加位于顶部的端射天线,形成了T型阵,可以用于对预警机头尾方向进行探测扫描,进而弥补探测盲区,实现360度的全覆盖。
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在中国的“神雕”无人预警机上,还采用了不破坏飞机气动外形的更先进的共形天线,也可以带来更全面的探测角度。
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因为空警600的机体外形像素级仿制了E2鹰眼预警机,外媒总是习惯性地将它当作E2D的仿制品或者“雅克44二世”。毕竟后者是西方推论中国装备来源时习惯性的“苏联遗产考古”模式,前者则是典型的在“中国山寨一切”想法下的“瞪谁谁怀孕”。这两种思维模式的核心共同点,都是“不如西方原品”的先入为主的判断。
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必须承认,E-2系列预警机作为上世纪60年代美军开始发展的装备,持续升级了机载雷达、电子战系统、机载航电设备等,凭借革命性的计算机战场管理系统以及更有效的数据链,首次赋予了舰载预警机强大的战场指挥、控制、管理能力。其核心性能在当代预警机中位居前列,在服役的舰载预警机领域更是没有敌手。但是中国已经拥有全世界最强大的反隐身先进低频雷达体系以及最全的预警机谱系,后来居上的空警600很快会成为美军最棘手的对手。
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预警机的“眼”之难的焦点是预警雷达和数据处理能力。从预警机雷达的发展我们就可以一窥端倪。
美军的早期预警机装备是通用电气研制的AN/APS-20雷达。雷达工作在S波段,峰值功率1兆瓦,天线采用抛物面形式,口径达到2.4米,波束扫描方式为机械扫描,具有最原始的杂波滤除功能,但是恶劣海况下无法工作。
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第二代预警雷达以装备于E2系列预警机的雷达为代表,比如AN/APS-120雷达硬件上运用了大规模集成电路,提高系统的数据处理能力;运用了动目标检测技术,对每一距离单元上的信号进行多普勒频率滤波,以区别杂波和飞行目标,提高了杂波系数20dB,运用副瓣对消技术改善了天线性能。
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第三代预警雷达以装备于E3系列预警机AN/APY-1和AN/APY-2两种型号的预警雷达为代表,均采用S波段PD体制,雷达数据处理能力显著增强,工作方式多样化。方位扫描时可以把监视空间分成24个扇区,各扇区可以根据情况自选工作方式,并可以随时更换。方位覆盖360°,小型低空目标探测距离300公里,大型高空目标探测距离600公里,可在复杂背景中同时跟踪600个目标,引导己方上百架飞机实施拦截。
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第四代预警雷达以格鲁曼公司的E2D雷达、费尔康预警机雷达、空警2000的雷达等为代表。其中费尔康预警机雷达最大的特点是采用L波段共形相控阵天线,改善雷达安装平台的空气动力性能,增大天线有效口径并提高天线增益。空警2000则首次采用了背负式三面阵有源相控阵双频雷达。
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第五代预警雷达以空警500和空警600的数字阵雷达为代表,发射和接收波束全部采用数字波束形成,从中频信号开始全数字化,具有多功能、可重构、智能化、集成度高的特点。
毫无疑问,预警机上装载的电子系统构成复杂,性能水平要求极高,由雷达探测、数据处理、敌我识别、电子侦察、导航、通信、显示与控制等分系统组成,是一个极其复杂的大系统工程,还有特定环境下能量、体积、重量等的严格约束。中国预警机之父王小谟院士在回顾预警机研制历程时,就指出电子系统的最重要和最为关键的技术是“两高一低”,即高纯频谱发射机、高性能信号处理器和超低副瓣天线。我国从70年代起,经过持续20余年的攻关,终于掌握了这些关键技术,为预警机研制奠定了坚实的技术基础。
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由于舰载机能量和体积限制,空警600没有采用类似空警2000和空警500的三面阵雷达,而是采用旋转电子扫瞄天线,所以必须采用机扫与电扫相结合的定速回转模式,这点与E2D类似。根据E2D的技术指标,可以大致推测空警600的天线本身的波束能涵盖120度的水平扇区,配合水平旋转基座便能涵盖360度的全方位,天线的水平旋转速率为每分钟4.5或6转,最大探测距离超过650公里,最大探测高度超过3万米,而E2D的最大探测距离为500公里。雷达机械扫描的同时进行电扫,比如说,在机扫转动到某一角度时,“抢先”电扫到更大的角度;然后在继续机扫的同时,电扫同步补偿反向电扫;甚至在机扫已经转过去之后,继续“回望”。这样就可以在机扫中,对同一目标保持凝视。凝视能力对提高探测距离、捕捉隐身目标非常有用。
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空警600和空警500一样,采用了比普通相控阵更前沿的新体制数字阵雷达,进而可以实现软件定义雷达。休斯公司早在1989年就提出了采用数字波束形成技术实现多个独立发射波束的方法,而中国最早完成了数字阵列雷达的实用化。1998年,中国华东电子工程研究所就研制出4单元数字波束形成发射阵,2006年研制成功产品化的数字阵列雷达。而空警500的雷达总设计师吴曼青是我国数字阵列雷达理论和技术体系的奠基人和引领者,推动了世界范围内预警机雷达体制的持续创新。
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我们知道,传统相控阵雷达是依靠移相器、衰减器和微波合成网络来实现波束在空间扫描,其本质还是一种在模拟域的基于射频器件和馈电网络构建的运算处理方式。而数字阵列雷达是一种接收波束和发射波束均采用数字波束形成技术的全数字有源相控阵雷达。
发射信号时,由控制处理器形成频率、幅度和相位控制,经数字波束形成器进行幅度加权、波束扫描的方位加权和信号分配后,控制数字TR模块产生一定频率、幅度和相位的发射信号,这种方式将传统的相控阵雷达发射波束形成所需的幅度加权和移相器从射频部分转移到数字部分来实现,可形成单个或多个可控的波束而不损失信噪比,波束特性由权系数控制,灵活多变;接收信号时,每个TR组件接收各天线单元的微波信号,经下变频形成中频信号,再经直接中频采样处理后输出数字信号至信号处理器,完成自适应波束形成和数字信号处理。实际上,按照洛克希德的资料,E2D采用比传统相控阵雷达先进半代的体制,其接收端采用了数字接收器和激励器,可提供最大的波形灵活性、低噪声系数和更高的灵敏度,但是发射端不具备数字化波束形成能力。
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数字阵列雷达容易实现高动态范围,以获得足够大的探测距离;在具有窄波束宽度以保证测角精度的同时,具有快速的空域搜索能力,还保证了雷达波的低截获概率;在强杂波和干扰背景下,确保有良好的目标检测能力。最最关键的是由于数字化程度的提高,使得雷达的主要功能都可由软件编程实现。可在无需更换硬件平台的情况下通过软件算法升级来改变雷达的功能,或提高雷达系统的探测能力。
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以舰载预警机最基础功能:下视探测掠海低空目标为例。由于地球曲率和地形影响,地面雷达的探测距离和范围受到很大限制,地面雷达架高100米,对100米低空突防飞机,最大探测距离83千米;而预警机由于自身飞行高度,可以大幅提高探测范围,提供更多的预警时间。典型预警机巡航高度9000米,对100米高低空目标探测约435千米远,增加了5倍预警时间。而舰载预警机探测低空目标最大的障碍就是海杂波。
相对于陆地杂波,海杂波具有显著的非平稳性和非高斯性,海杂波的内部复杂运动特性使得杂波空-时谱发生严重展宽现象,导致杂波多普勒频率与空间锥角不再保持一一对应关系,从而影响杂波抑制效果,影响目标的检测性能。
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太平洋海战中为了对付日本鱼雷机和俯冲轰炸机,还有飞蛾扑火般的神风特攻机或“樱花”自杀炸弹,1944年春,通用电气公司研制的AN/APS-20雷达安装在TBM-3W“复仇者”舰载鱼雷机上,“复仇者”在海况平静的情况下能在100至120公里距离上发现150米高度低空飞行的飞机,也可在320公里距离发现舰船。但如果遭遇恶劣海况,该系统无法正常工作。
1958年服役的E-1“追踪者”是世界上第一款专门研制的舰载固定翼预警机,其AN/APS-82预警雷达初步解决了困扰舰载预警机的难题——杂波滤除,因此其可以在高海况下执行远程目标探测和识别任务。
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不仅是舰载预警机,架高的陆基防空雷达为了对付超低空突防的战机也必须具备优秀的过滤杂波能力。比如1987年5月,西德青年鲁斯特驾驶一架“塞斯纳172”轻型飞机长驱直入,突破了强大的苏联雷达防空网,成功着陆莫斯科红场南面的瓦西里大教堂前。戈尔巴乔夫撤职了包括国防部长索科洛夫元帅、国防部副部长兼防空军总司令科尔杜诺夫大将、国防部副部长卢舍夫大将在内的300多名高级将领。鲁斯特的冒险能够成功,除了各种阴错阳差的巧合,一个最重要原因就是鲁斯特采用的是超低空飞行。
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同年年底,中国预警机之父王小谟研发了JY-9低空补盲雷达,并成功出口多个国家,之后JY-9雷达获得国家科技进步一等奖。毫无疑问,下视去杂波低空探测正是预警机的核心能力之一。
在数字阵雷达和人工智能的加持下,空警600的下视探测能力相比前几代预警机更是扶摇直上,可以实现灵活的去杂波策略。空警600可以轻易实现空-时自适应处理STAP,利用杂波空-时2维耦合特性进行杂波抑制,通过杂波协方差矩阵得到自适应杂波抑制权,在保留目标的同时有效滤除杂波分量。其中,子空间投影法通过计算杂波子空间正交补上的投影矩阵,得到杂波抑制权。这一方法具有较低的运算复杂度,适用于机载雷达动目标检测的实时处理,且无需训练样本的挑选。基于人工智能,通过建模仿真和机载实测数据研究不同海况下的海杂波的空-时谱、特征值谱、通道间相关性,可以基于广义内积的训练样本挑选法,来剔除非均匀海杂波,从而可以更有效检测海杂波背景下弱小目标。
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在雷达波段选择上,E2D频段是UHF的低频段400~500兆赫兹,而空警600是频率更高的2500兆赫兹的S波段和UHF频段的双波段,结合了UHF的探测距离优势和S波段的探测精度优势。非相控阵单雷达条件下,高频短波长的波段一般定位更准确,但作用范围短;低频长波的波段作用范围远,发现目标距离大。但是基于相控阵,数字阵,稀布阵等先进雷达体制,最优波段的选择已经突破传统的约束,而更多受不同的载机平台的功率,天线口径等限制,需要根据最大作用距离、高度覆盖和测角精度三者综合权衡,比如大型预警机空警2000采用L波段,中型预警机空警500是采用S/L双波段,美军老旧的E3是S波段,最新的E7则刚用到了L波段。
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尽管UHF波段存在精度缺陷,但其优点是其它波段比不了的。
首先是抗杂波能力,UHF频段海杂波后向散射系数是各波段雷达里最小的。相对于宙斯盾舰/中华神盾使用的S波段雷达,UHF的后向散射系数低了15dB~20dB,这对水面目标的探测是非常重要的。其次,UHF波段雷达收发通道均比宙斯盾/中华神盾所使用的S波段和空警500所使用的L波段雷达少很多,这就意味着UHF波段对载机的供电要求非常低。要知道L波段雷达的收发通道约有200个,S波段雷达的收发通道约有1200个,UHF波段雷达的收发通道仅为20个。最后在相同功率下,UHF波段大气损耗更少,探测距离比S波段提高了15%,作为舰载预警机,看得远是第一要务,而供电量和看得远本身很矛盾,所以UHF波段是不二之选。针对UHF波段的精度问题,空警600和E2D都通过器件技术手段、信号算法等,把UHF波段精度提升到足以引导中距导弹攻击的火控雷达级别。
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UHF和VHF波段一样也是典型的反隐形米波波段,其波长介于0.1米~1米。当前,采用传统隐身材料的隐身战机主要是针对厘米波段进行优化,但是在米波雷达的频率内,大部分目标的散射波都处于瑞利区和谐振区。在瑞利区,目标的RCS与形状无关。在谐振区,RCS成几何倍数放大。比如飞机垂直尾翼的翼尖部分,短于某个波长的八分之一时,全方位谐振效应就会引起“步进变化”的现象,会显著增大飞机的RCS数值。美国宣称E2D对于F22猛禽的发现距离在300~400公里。仿真估算也认为,其对UHF波段下RCS为0.5平方米的典型战术隐身战机的有效探测距离达到300~360公里,具有相当程度的反战术隐身目标能力。不过中国的歼20和歼35都是大量采用超材料进行隐身,超材料能对电磁波的频率、幅度、相位和极化等基本物理特征进行调控,从而可以优化战机的电磁谐振结构,所以E2D对付中国隐形战机可不像对付自家的F22那么轻松,反而空警600可以轻松探测传统隐身涂料的F22和F35。
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而B2、B21此类大型战略隐身轰炸机的机体体型巨大,B21更是放弃低空突防把尾部的双W取消从而取得了更大的电大尺寸,所以其外形可以应对更低频段的雷达波探测,对长波具备更好的隐身性能。而且这种级别的大型飞机已经足够支持大尺寸的RAS阻抗渐变吸波结构,而不是像战术隐身飞机那样只能依赖薄薄的一层隐身涂料来吸波,B-2有些地方是厚达数分米甚至米级的吸波结构。吴剑旗院士认为B2在VHF的米波波段也能达到-20db以下级别的LO特性,美国军方也吹嘘B21可以穿透世界最严密的防御系统进行精确攻击。毫无疑问,B2和B21携带远程隐身反舰导弹,对于中国航母是巨大的威胁。
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MIMO稀布阵米波雷达是吴剑旗团队研制的先进低频雷达的一种。先进低频雷达通过使用全数字化相控阵架构,通过先进的算法与波束自适应调整,MIMO多输入多输出分集技术来解决传统低频雷达的空域覆盖不连续问题。数十米高的多个发射和接收全向天线单元分散布置,散布在几十米到几百米的范围内,雷达可以同时接收到来自各个方向的回波,从而实现连续覆盖天空。同时采用阵列超分辨算法,空间平滑多重信号分类算法等来改善测角精度。
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早在2013年,中国第三代米波雷达JY-27,在450公里外探测并跟踪美国F-22隐形战机。陆基稀布阵米波雷达的反隐形频段优势加上功率孔径积优势,更让米波雷达的整体优势达到了4个数量级以上,不但可以抵消隐形飞机RCS减少3个数量级的影响,还能进一步增大探测距离近1倍,而且探测精度还足以进行火控引导。实际上,中国的先进低频反隐身雷达早已经实现了由陆向海,由陆向空的发展,技术积淀远远超过美国。不过对于舰载预警机,受功率和天线孔径限制,既无法采用反隐形效果更好的VHF波段,也无法采用稀布阵,空警600是如何反制B2和B21呢?
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空警600通过三个层次不同深度的雷达组网,能够让整个雷达探测体系效能成倍数提升,让B2和B21无处遁形。
第一个组网层次是雷达自己处理自己发射的回波信息,生成的探测数据互相共享,进行航迹数据融合。这样多架预警机可以从不同角度探测,还可以避免重复探测,优化整体的雷达资源分配,从而使用凝视模式调整波位驻留时间,增强雷达群整体的探测能力。
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第二个组网层次是多部雷达进行MIMO工作,本机雷达不仅接收自己发射的信号回波,还接收其他雷达发射的正交信号回波,然后雷达数据统一进行处理,做非相参累积,这种工作模式能够让雷达获得N的平方的探测信噪比增幅,N是处于MIMO工作的雷达节点数量。
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第三个组网层次是收发全相参工作,对雷达节点的位置,协同精度时空协调都有着非常严格的要求,发射相同的波形,实现发射和接收全相参工作。这种模式下的雷达信噪比提升可以达到N的立方。
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其中第二,第三组网层次依赖在数字阵列雷达基础上引入单元级计算赋能,实现灵活的软件定义雷达。将分布式天线、收发通道与本级计算单元融为一体, 从集中处理向分层分级计算赋能发展, 构建空间、时间、波形、波束去级联的、高度统一和灵活的计算阵列雷达系统架构。以越来越高的自由度在更全维度上获取越来越精细的信息, 达到对目标特征、杂波环境及干扰特征的表达与有效区分, 从而实现了远场/近场统一、主被动探测统一、分布式/集中统一、探测/跟踪/成像识别统一, 以及多目标的多尺度/变尺度灵活探测。
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同时全数字阵雷达还能够实现陆、海、空预警雷达的有机协同,通过预先设置陆基机动雷达的阵位,可以让陆基雷达进入阵位后快速校准达到多站协同工作的基础条件,然后进行多站协同工作,这样能够将整个雷达系统的探测性能指数提升!预计到2028年,我国的海陆空先进低频雷达体系能够全面组网建成,拥有神雕无人预警机,空警600预警机在内的空中单位,将支持进攻型空中作战和国土防空。任何隐身战机在这种分布式雷达配合面前,也基本上完全丧失了隐身能力。
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空警600除了主动雷达探测能力外,还具备电子战能力。包括能够应对各种电磁干扰,保持态势感知的准确性,能够被动侦察各种电磁辐射源并进行测距测向,能够实施自卫性主动电磁干扰,有助于提高整个舰队的防御能力。这些特性都是现代预警机在复杂电磁环境中不可或缺的。
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空警600必然是海上/空中杀伤链的中心节点,将配备全军数据链系统与卫星通信系统,不但能为海军航母编队提供战场预警信息,同时也能将战场信息实时共享至其他各军种。空警600不但能对海军的歼15、歼35提供作战指挥引导,也同样能为空军的歼20、轰6等战机提供战场目标信息。远程空空导弹、高超声速导弹、远程巡航导弹和防空导弹将由空警600进行中继引导,这将大大提高解放军的联合作战能力。
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回望2013年1月18日,时年75岁的王小谟因对中国预警机事业的杰出贡献,荣获2012年度国家最高科学技术奖。20世纪90年代,他作为中方总设计师,与以色列合作预警机期间,在世界上首次提出基于二维有源相控阵体制的三面阵背负罩新型预警机工程方案,并带领和组织国内同步研发,组建了“老头+娃娃”的科研队伍,为我国自行研制预警机奠定了坚实基础。空警2000正式立项后,他主动推荐优秀年轻专家陆军担任总设计师,倾心指导年轻的总师们开展工程研制。他还率先提出研制轻型预警机空警200,让弟子曹晨一展身手。他提出利用国产飞机实现预警机出口的设想,主持完成了ZDK-03预警机原型样机设计与制造。他还主持完成了数字阵列雷达预警机地面样机技术攻关,为研制新型预警机奠定了基础,最终由吴曼青接续主持空警500的设计。
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从最初的探路者图-4预警验证机,到中途被毁约流产的中外合作预警机,再到如今空警大家族的繁花似锦、族丁兴旺,中国的空中预警机已形成由5种型号、3种构型、3种平台组成的大家族,堪称全球最全预警机系列,新概念预警机也步入高速发展的阶段。相信随着共形天线、智能蒙皮以及量子技术的不断突破与成熟,未来中国在空中预警领域还会杰作迭出、惊艳世界。
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