给“闪电2”治近视眼——美F-35将换装氮化镓新雷达

摘要：本文原载于《兵器》杂志2023年06月刊，转载时重新进行了二次内容完善及编辑、补充部分插图，以与同好共同分享。个人认为《兵器》是一本专业、客观的军事杂志，推荐持续订阅，丰富自身的军事及政治知识。将家中杂志数字化保存同时进行转载的文章，虽多年份较久，但一是已经足

本文原载于《兵器》杂志2023年06月刊，转载时重新进行了二次内容完善及编辑、补充部分插图，以与同好共同分享。个人认为《兵器》是一本专业、客观的军事杂志，推荐持续订阅，丰富自身的军事及政治知识。将家中杂志数字化保存同时进行转载的文章，虽多年份较久，但一是已经足够为普通网友提供专业的军事基础知识，二是想让读者以另一种比较独特的视角审视曾经的事物和观点。

美国空军第461飞行试验中队的升级版F-35 Block3“技术更新-3”（TR-3）战斗机实现首飞。

据美国《动力》网站“战区”专栏2023年1月3日报道称，美国国防部F-35联合计划办公室和F-35总包生产商洛克希德-马丁公司（以下简称洛-马公司）正式确认，由诺斯罗普-格鲁曼公司(以下简称诺-格公司）正在为美空军、海军、海军陆战队的F-35战机开发一款更加先进的大功率有源相控阵雷达(AESA)，命名为AN/APG-85。

该雷达能够与F-35A/B/C所有型号相兼容，并显著提高F-35的空战和对地/对海打击能力。不过，AN/APG-85雷达目前计划仅安装在Block4版本的F-35A/B/C战机上，此前生产的F-35各版本暂不考虑换装。F-35最大的用户美国空军目前已经拨款，在Lot 17批次的7架F-35A战斗机上装备AN/APG-85。该生产批次的飞机可能从2025年年底或2026年年初开始交付。

图示：使用氮化镓器件的雷达已经成为当今战斗机雷达的主流，这是瑞典萨博公司为萨博-39D战斗机研制的800型相控阵雷达，有1000个氮化镓收发模块。

不再够用的AN/APG-81雷达

美军现有的F-35战机上使用的机载火控雷达AN/APG-81有源相控阵雷达，是从F-22战机的AN/APG-77雷达发展而来。诺斯罗普·格鲁曼公司官方网站上，对AN/APG-81的描述为：AN/APG-81有源相控阵雷达具有远程主动和被动空对空和空对地工作模式，支持全方位的空对空和空对地任务，辅以一系列隐身功能以及重要的电子战、情报、监视和侦察功能。

图示：美国F-22战斗机所使用的AN/APG-77型火控雷达，虽然采用了落后一代的砷化镓器件，但是数量达到1956个，比F-35的同类雷达要强一些。

在空对空作战中，AN/APG-81雷达探测距离远，允许飞行员在对手发现F-35战机之前探测、跟踪、识别和射击多架威胁飞机，具备先敌发现、先敌射击、先敌命中的能力。在空对地作战中，AN/APG-81雷达利用其对地和对海工作模式为作战人员提供了强大的态势感知和探测能力。该雷达能够探测、精确定位，并借助其超高分辨率合成孔径雷达工作模式，能够以很高可靠性识别和打击军事目标。

图示：F-35战斗机上现役的AN/APG-81型相控阵雷达。是美国现役战斗机雷达当中最先进的一种。根据下图所显示的测算方式，它一共有1626个收发组件。

此外，它集中体现了F-35战机的多用途任务需求，展示了电子战能力，可以实施电子保护、电子攻击和电子支援措施，使F-35拥有强大能力来压制和摧毁最先进的敌方防空系统。

诺-格公司表示，预计在整个项目生命周期内将建造3000多台AN/APG-81雷达。目前还不清楚该雷达是否将提供给各国F-35用户，还是仅供美国使用。然而从目前的使用状况看，美军似乎对它非常不满意，当然并不是它的性能不够强，而是对手变强了。

美国空军一度想采购3000台以上的AN/APG-81型雷达给F-35使用，但是现在看来采购计划肯定要缩水了。

据美国《防务新闻》网站2021年4月12日报道，美国空军负责战略、整合和需求的副参谋长克林特·希诺特中将称，多年以来，美国空军的官员们一直把F-35战机描绘成一种能够秘密潜入敌方领空，在不被发现的情况下，击落敌人飞机和摧毁敌方地对空导弹目标的战斗机。

然而，在2020年秋天举行的一次中美战争推演中，现有的F-35战机没能做到这一点。扮演这个角色的，是由生存能力更强的下一代NGAD战机以及F-35的未来升级版本Block4型，甚至还用上了新一代轰炸机B-21和充当传感器网格的空中无人僚机。

美国诺斯罗普·格鲁曼公司B-21“突袭者”隐形战略轰炸机

在此次战争推演中，现有版本的F-35战机只能攻击水面舰艇和地面目标，保护美国和台湾当局资产免受大陆航空兵的攻击，并负责巡航导弹防御。

这种角色变化的原因有两个，首先是现役F-35战机在没有加油机伴随的情况下无法远距离穿越太平洋海域。更重要的是，AN/APG-81雷达性能已经不算先进了。

当前F-35战机使用的AN/APG-81X波段有源相控阵雷达拥有1676个砷化镓发射/接收模块，能够跟踪空中和地面移动目标。在对空作战模式时，它可以发现150千米处雷达反射截面积1平方米大小的空中目标。

F-35不仅仅依靠雷达来实现态势感知能力，其机头下方的光电探测系统也是重要的信息获取手段。

F-22的AN/APG-77雷达拥有1956个砷化镓T/R组件，可有效识别200千米处的雷达反射截面积1平方米大小的空中目标。可以说，为了兼顾强调对空/对地/对海打击能力，AN/APG-81雷达在对空探测能力方面，远不如AN/APG-77雷达。

而据美国《大众科学》网站2014年6月9日报道，中国歼20战机使用的有源相控阵雷达拥有1856个T/R组件，可以在187千米至227千米远的地方发现大小1平方米的目标，与F-22战机相当。而最新升级版雷达，T/R组件的数量可能达到了2000个至2200个，这意味探测能力更强了。至关重要的是，西方曾经对歼20建模进行过分析，认为其正向雷达反射截面积是0.027平方米，而F-35的正面则是约0.065平方米，这意味着歼20战机的隐身性要优于美国的F-35战机。

中国空军歼20战斗机

在雷达探测距离和隐身性强于F-35的情况下，歼20能够对F-35做到“先敌发现、先敌打击”。此外，歼20战机装备有两台大推力发动机，在飞行速度和机动性都强于F-35战机。作为中美两国重点发展的两款隐身战斗机，歼20和F-35在未来战场上或许会真正较量。

而从机载雷达性能对比上明显可以看出，F-35已经落于下风。所以美军已经清楚认识到，必须尽快把F-35的机载火控雷达升级，而AN/APG-85正是在这种情况下开发的。在推演中，美军使用了F-35的Block4型战机，配用的AN/APG-85具备更强的探测范围和分辨率、锁定能力，然后再搭配上新的电子战系统和新型武器。在其它新型装备的协助下，美军判定自己在推演中获胜。

F-35 Block4最终引入的升级项目将达到至少75项之多，洛马有信心利用Block4版本升级全面增强F-35的作战能力。

氮化镓器件驱动的新雷达

要分析AN/APG-85雷达的性能，我们先要了解相控阵雷达的关键部件。一般而言，相控阵雷达T/R组件数量和功率决定了雷达的性能。目前T/R组件正朝着高性能、高可靠性、小型化和低成本的方向发展，这使得高性能高功率密度的射频氮化镓器件的需求不断升温。

氮化镓受青睐主要是因为它是宽禁带器件，与硅或者其他绝大多数半导体材料相比，氮化镓具有高压、高速、高功率、高效率、耐高温等优点，成为研究和制造微波高功率器件的重要半导体材料。

第一代半导体材料，以硅、锗等为代表的元素半导体材料；第二代半导体材料，以砷化镓、磷化铟、磷化镓等为代表的化合物半导体材料；第三代半导体材料，以碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化锌、金刚石为代表的宽禁带半导体材料。

禁带宽度是表征价电子被束缚强弱程度的一个物理量，禁带越宽，对价电子的束缚越紧，使价电子摆脱束缚成为自由电子的能量越大。禁带宽度也决定了自由移动电子的质量。氮化镓的禁带宽度是3.4eV(电子伏特），另一种宽禁带材料碳化硅是3.3eV。

对比一下，现在的射频工艺砷化镓的禁带宽度是1.4eV，而硅是1.1eV。用氮化镓和碳化硅等宽禁带材料制造的芯片能够承受更高的电压，所以与其他技术相比，输出能量密度更高，可工作环境温度也更高。

氮化镓材料能够使军用雷达的输出功率比传统雷达增大5倍，大幅提高使用雷达、电子战、导航和通信系统作战人员的战斗力，而体积却减少一半。另外，氮化镓T/R模块的模块效率也不能与砷化镓T/R模块的模块效率相比。模块效率是指单位功率输入后最终转化为辐射的电磁能量的比率。砷化镓T/R组件的组件效率只有30%左右，氮化镓T/R组件的组件效率可达48%左右。

更高的模块效率，除了意味着消耗相同的能量，氮化镓T/R模块产生的电磁辐射更强，热量更少。坦率地说，雷达效率更高，雷达的制冷设备就越小，降低结构重量。按有关专家说法，在飞机不改变机头尺寸、孔径和功率总量的情况下，理论上探测距离大约增加了一倍。

歼20与F-35机头雷达罩同角度对比

比如F-35战机换装新雷达在不降低重量和机头雷达尺寸情况下，探测距离却提升到最初试用的砷化镓技术相控阵雷达的1.7倍以上。这降低了能耗又提升了搭载其他设备能力。根据有关智库的统计，目前国防和航天应用占射频氮化镓总市场规模的40%，雷达和电子战系统是射频氮化镓的最大应用市场。

2021年6月28日，美国《航空周刊》网站报道认为：氮化镓基雷达有望使战斗机火控雷达实现自20世纪90年代末采用有源相控阵技术以来最大的一次性能飞跃。

美军此前开发的另一款雷达，即美国海军陆战队已经订购的F/A-18“大黄蜂”战机的升级雷达AN/APG-79V4也是一种氮化镓AESA雷达，是美空军首款氮化镓有源相控阵雷达，可帮助飞行员从更远的距离以更高的精度探测和跟踪敌机，且满足传统飞机的电源和冷却要求。

图示：诺-格公司研制的AN/APG-83型氮化镓器件雷达，全名叫做可变尺寸敏捷波束雷达。美国海军陆战队已经决定用这种雷达来改造F/A-18战斗机。

图示：工程人员正将雷声公司研制的AN/APG-79型雷达安装到F/A-18战斗机上，同样采用了氮化镓器件的雷达从成本上已经显示出优势。

美国还发展了多款氮化镓AESA雷达，包括AN/SPY-6“宙斯盾”双波段有源相控阵雷达、低层防空反导雷达、AN/MPQ-65A“爱国者”防空反导雷达、TPY-4有源相控阵雷达等。

同样的，全球过去几年研发的雷达，包括中国歼35、歼20B/歼20AS等战斗机上的雷达型号，都被认为采用了氮化镓。瑞典萨博公司也为JAS-39D“鹰狮”战机开发了氮化镓火控雷达。土耳其、以色列、日本、韩国、英国、法国也都正开发氮化镓有源相控阵雷达。

早在2020年，美国空军也采购了AN/APG-83雷达，用于F-16战斗机的改装。改造数量可能达到72架。

可以说，全球范围内发展机载氮化镓AESA雷达已是大势所趋，受到全球各军事强国的重视。AN/APG-81和AN/APG-77采用的是砷化镓功率器件，属于第二代半导体技术。外电称，歼20战机最新型号歼20B已经换装了新一代的氮化镓雷达，在尺寸不变的情况下，其功率可以翻倍，战机的探测能力和分辨率将有质的飞跃。F-35战机在面对歼20战机时，是相当被动的。因此，美军急迫地打算为F-35换装AN/APG-85有源相控阵雷达。

美国军方认为F-35现在的雷达和电子系统在与其他国家隐身战斗机对抗时，落在了下风，因此而调低了对它的期望

AN/APG-85的能力推测

AN/APG-85雷达的主要升级特点，也是使用氮化镓T/R组件，大大增加F-35的雷达探测距离和分辨率。与此同时，AN/APG-85雷达也将会采用更好的散热技术，确保雷达的正常稳定可靠和长时间工作。截至2023年1月，我们所了解的关于AN/APG-85雷达的信息很少。考虑到型号命名为APG-85而不是APG-81V1，或加其他后缀，因此猜测，就性能而言，它将是一种“新”雷达。

除了升级到氮化镓技术外，与雷达配套的各种计算子系统也必须升级，Block4版本的F-35战机，其机载设备计算能力将提升25倍。这将有助于具体任务，如更快地生成合成孔径雷达图像，更快地或更宽的视场执行地面和海面扫描功能，跟踪更多目标，执行低水平信号分析，并协助或执行ASQ-239发出的电子战任务。其中几个关键的能力包括增强的隐身能力，即低截获概率/低探测概率能力、多机信号处理能力以及电子攻击能力。

F-35模拟器中的座舱显示器，可以看到，这是一种可以全方位感知敌我态势的系统。

除了单台雷达的性能提升，在F-35战机的block4.1升级版本中，明确提出了“基于软件实现的多点组网雷达系统”。这就是多机编队的集成分布式合成孔径雷达，几架F-35战机雷达的后端数据采用一体化处理。在这个网络内的每一架F-35战机所搭载的射频传感器，都是这台虚拟雷达的一组收发节点，这样可以整合集成为一台由软件虚拟组成的多基地雷达。

这样，一个机队在战场态势感知方面可以完成传统预警机的任务。此外，通过软件升级，还增强了F-35操作忠诚僚机(如XQ-58A“女武神”无人机）协同作战的能力。

XQ-58A“女武神”无人机

在电子攻击能力方面，AN/APG-85为电子战能力增加了20个T/R组件，比AN/APG-81的电子战组件数增加了75%。更大的输出功率允许F-35提供更大的干扰功率。再加上高热效率，AN/APG-85能在高输出功率下持续正常工作，破坏敌方机载电子设备。

值得一提的是，AN/APG-85有源相控阵雷达和相关组件功率比AN/APG-81更大、更费电。而这些系统需要的电量都来自于发动机。要想在不影响F-35正常飞行性能的情况下提供更多的能量，只能换装新型大推力发动机，而目前F-35使用的F135发动机可能根本无法满足APG-85雷达正常工作时需要的能量。

图示：目前美国空军主导的EEP增推组件项目。这个项目的好处是EEP组件是通用化的，可以直接应用到现有的F-35 Block1/2/3版本的战机上，在现有基础上将推力和航程增大10%。

Block4版本之所以还需要等几年才会出现，正是因为适合它的发动机还没有开发出来。美军在2016年为该发动机进行了招标，通用动力和普惠公司都获得了研发这款200千牛推力发动机的合同。通用动力的称为XA100，在2020年12月完成首次成功运行，于2021年5月完成了高海拔的初步测试。预计供F-35A/C使用的A100发动机最早在2027年完成，而供F-35B使用的垂直起降的A100则要往后推迟数年。

图示：根据通用动力关于XA-100变循环引擎项目的宣传片，在引擎研发之初，通用就已经考虑过和F-35的适配问题，所以为F-35换装变循环发动机应当不存在任何的技术问题。唯一的阻碍就是成本，变循环发动机作为一种新技术相当昂贵。

普惠公司的新发动机称为XA101，与此同时，普惠公司还在升级F135发动机，使其推力增加6%至10%，油耗则降低6%至10%，预计到2027年至2029年左右才能开发完成。所以说，美军要换装新雷达，新型发动机的研制也要跟上。

Block4还将在原有空中作战能力、压制和破坏敌方防空系统能力、近距空中支援能力和对重要目标的战略打击能力之外，再扩展第5个作战能力——海上打击能力。它强化了电子战能力、传感器融合、计算能力，换装了新型挂架，内置弹舱携带的AIM-120远程空空导弹将由原先的4枚增至6枚。

小步快跑的F-35 Block3“技术更新3”

美国《防务新闻》网站2023年1月10日报道，美国空军第461飞行试验中队的升级版F-35 Block3“技术更新-3”（TR-3）战斗机实现首飞。洛-马公司表示，F-35 TR-3版配备了更先进的电脑软硬件、计算能力更强大的新型集成核心处理器、全景驾驶舱显示器和增强型存储单元等系统。这些系统可确保F-35可能搭配更多远程精确制导武器，同时拥有更强大的数据整合、跨载台作业互通性，以及更先进电子战能力。这将有效提升F-35搜索、追踪、接战，以及防御其他领域各种威胁的能力。

TR-3版本是Block4型的先导型号，它实现了计算机电子设备的升级，能存储并处理更多数据以及运行高级软件。首批接受TR-3升级的F-35归属于第15批次，该批次目前正在建造中。