上接「虎年谈天下大势：弹道导弹攻击大型海面船只（II）」

（八）普通雷达无法用来搜索航空母舰

 

读者都知道由于电波走的是直线，所以雷达都是直线观察。只要在直线范围内，无论距离多远雷达都可以观测。现在问题就来了，地球是圆的，所以只要距离一远，船只低于地平线，雷达就观测不到了。当然，雷达所处的位置越高能够看到的地平线就越远，这就是为什么雷达站通常都是建在山顶上，古人说登高望远就是这个意思。

 

甲. 站多高可以看得多远？

 

那么，一个很自然的问题就是：到底站多高就可以看多远呢？

 

这个问题很容易回答，因为地球的直径科学家已经算出来了。地球并不是一个完美的球体，而是南北方向略扁的椭圆体，赤道的半径是6378.136公里，南北极的半径是6356.752公里。根据这个数据，YST 给读者准备了一个很简单的公式，只要知道高度就非常容易计算出地平线有多远。

注意这个公式的高度单位是英尺，地平线的距离单位是海浬，读者自己可以随时玩玩：

 

定理：计算地平线的公式

如果你的眼睛在 H 英尺高的地方观察，地平线的距离是 R，那么

R = 1.23 x (H)**0.5 海里

，也就是说，地平线在 1.23 乘 H 的平方根 海里外消失。

（注：1 海里 = 1.85 公里）

 

当然，上面这个定理是受到限制的，那就是 R 不能大过地球的半径，因为你无论登多高也不可能看到地球的背面，譬如你在台湾的上空绝不可能看到纽约的船。

 

乙. 例子一：

如果你身高六呎（183公分）站在大海中的一艘小船上，那么地平线在 3 海里（5.6公里）外。

也就是说，如果另外有一个身高六呎的人站在 6 海里外的一艘小船上，那么无论你们拿任何高倍数的望远镜也不可能看到对方。

 

丙. 例子二：

如果两艘船装置的雷达高出海平面100英尺（船的最高位置），那么海平面在12.3海里（22.8公里）外就消失了。它们的雷达能够看到对方船只的最大距离是25海里。

 

丁. 日本大和舰的超视距炮击

 

除了航空母舰，极少有船只的桅杆能高出海面100英尺，所以第二个例子告诉我们任何海军的舰对舰武器如果它的射程超过25海里就必须在交战时有军舰本身以外之其他探测系统 提供敌舰的位置与航速，否则这门武器的射程优势是用不上的。

 

事实上，例子二是指两艘船的桅杆都有一百英尺高，而它们的雷达都探测到对方的桅杆，但是这种探测不足以分辨是敌是友，真正的实用探测距离是地平线的距离（可以看清整个舰身，见下图）。二次大战时的军舰是没有雷达设备的，全靠水兵在桅杆或舰桥（烟囱前的高塔）的最高点上瞭望，所以军舰的探测距离就是从瞭望台观测到的地平线（horizon）的距离。我们看下面的一个实际例子。

  

 

图01：日本战斗舰大和号在1941年的试航。

 

第二次世界大战最大的战舰是日本的战斗舰太和号（Yamato），下面是它的一些数据：

满载排水量：  72,800 吨；

舰长：     863 英尺；

桅杆高：      121 英尺（大约十层楼的高度）；

动力：     148,000 匹马力；

最高速度：    27 节；

主炮口径：    18.1 英寸（460毫米）

炮弹重量

穿甲弹：      3,218 磅 （1,462 公斤）

高爆弹：      2,998 磅 （1,362 公斤）

最大射程

穿甲弹：      45,276 码（22.34 海里 = 41.44 公里）

高爆弹：      45,600 码（22.50 海里 = 41.62 公里）

 

依照我们的公式，站在 121英尺高的瞭望台的水兵，他的观察距离顶多是

1.23xsqrt(121) 海里 = 1.23x11 海里 = 13.53 海里 = 25 公里

，所以我们看得很清楚大和战舰的主炮射程远大于它能观测到的地平线距离，主炮射程比它能观察到的地平线超出66％。

 

日本人不是傻瓜，不会连这点算术也搞不懂。大和战舰可以在视距外就发射炮弹因为它携带了六架侦察机，大和号用吊架把它们放到海面起飞，等它们降落海面后再用吊架收回，见下图。所以是侦察机的高飞和前线观测使大和战舰具有超视距的攻击能力。日本人认为这样他们就有了先发制人的能力。

  

 

图02：日本战斗舰大和号在船尾携带的侦察机与收放它们的吊竿。

 

日本人的观念是正确的，理论上这个超视距的战术的确可行，但是实际执行却不行。日本侦察机的观测技术显然不到位，肯定存在某些技术上的困难没有完全克服导致过大的误差，因为大和战舰的战绩非常差。YST 不记得它的18英吋巨炮击沈任何军舰。

 

附带说明，德国的俾斯麦号战斗舰击沈英国战斗舰胡德号是在目视距离内，而且只经过一次修正，第二次齐射就把胡德号送入海底，如此精确的射击主要依靠德国非常优秀的光学仪器和测距技巧所提供的精确瞄准和快速又准确的弹道修正，这恐怕是日本侦察机上的观测手所不能提供的。

 

戊. 例子三：

如果一个雷达站建在海边一座一万英尺的高山顶上，那么海平面在123海里（228公里）外就消逝了。

 

第三个例子告诉我们，即使大陆在一万英尺的高山上建立雷达站也不可能探测到140海里（259公里）外的航空母舰，因为美国最大的航空母舰尼米兹级的杜鲁门号，它的桅杆高度也只有134英尺，只比大和号的桅杆高13英尺。

 

这个例子同时也告诉我们为什么现代的导弹驱逐舰都载有直升机，直升机巡航在一万英呎的高空是没问题的，所以舰载直升机除了低飞反潜还可以高飞为这些射程在两百公里以内的反舰飞弹作雷达探测和中途导引。这不是什么创新，二战时期日本就用使用了，只是现在的雷达测距和数据链传输非常的精确、迅速与安全，其中的高科技含量不是二战时期侦察机上观测员的目视和无线电的语音传输可比的。

 

己. 普通雷达不能满足反航空母舰的基本要求

 

我们再想想看，大陆沿海并没有一万英尺的高山，更何况航空母舰即使发动攻击也通常巡弋在攻击目标的300海里以外，所以无论是陆地上的雷达或是海面上的舰艇雷达都无法在航空母舰的攻击距离外发现它。要知道航空母舰战机的作战半径大约是400海浬（F/A-18E/F），如果连这个最基本的探测距离都不能克服，那么反航母是没有任何希望的，就只能挨打，不要说先下手为强了，连挨打后回手反击航母都不可能，因为你不知道它在那里。

 

现在很清楚了，反航空母舰的第一件事就是研发一种探测和追踪距离远大于400海里（740公里）的传感器。普通雷达完全没有这个能力。

 

（九）超视距（超越地平线）雷达

 

问题：有没有一种雷达它的观测距离能够超越地平线呢？

答案：有的，而且有两种，它们是「天波雷达」与「地波雷达」。

 

这个世界有很多物理现象是很奇妙的，其中有两个现象可以用来发展超视距雷达。此处我们说的「视距」不是指人的眼睛的视力距离而是指观察物体的直线距离（line of sight），所以这里所谓的「超视距」就是超越地平线的距离。

 

人类利用两种特殊物理现象，离子层与绕射，发展出两种超视距雷达，也称作「超越地平线雷达」（英文名称为 Over The Horizon radar，简称 OTH radar）。

 

本篇的主要目的就是对这两个物理现象和经由这两个现象所发展出来的特殊雷达做一个简单扼要的叙述。

 

「超越地平线雷达」对侦查远距离的海面船只产生革命性的影响。

 

甲. 天波雷达（OTH-B）

 

地球的大气层高度在80公里以上就进入离子层（ionosphere），离子层有一个特性就是只反射频率在30兆赫兹（30MHz，每秒振动三千万次）以下的电波，它们的波长在10米以上。

 

于是科学家就利用频率在3~30MHz这个波段的电磁波设计雷达，就是所谓的「天波雷达」。

3~30 MHz这个波段雷达科学家给它取了一个代号叫做HF波段，HF是 High Frequency 的缩写，意思就是高频波段。这个波段的波长是10~100米。

 

科学家在HF这个波段发射电磁波，电波被大气层中的离子层反射照射到海面，海面上如果有船只就把电波反弹回到大气层，再经过电离层反射回地面被地面上的接收器收到，经过一番计算和判定就能侦察出海面上这些船只的地址与速度。这种雷达的探测距离可以远达六千公里。

 

由于电波是透过天上离子层的折射，从天而降，所以取名「天波雷达」。

由于探测的距离超过地平线，这种雷达又名「超越地平线的折射雷达」（英文代号为 OTH-B），此处 B 代表 backscatter，意思就是折射。

比较这两个名称，YST 个人更喜欢「天波雷达」，它比较传神。

 

「天波雷达」有下面几个特性：

a. 天波雷达的理论探测距离是 800~6000公里。

b. 800 公里以内的目标无法探测，这是天波雷达的盲区。

c. 由于离子层的电子密度随着日光的照射不同，所以白天与晚上有差异，不同的季节也会产生差异，更会随着太阳黑子的活动而发生变化。除此之外，离子层的高度也会有变化。所以计算离子层的折射是非常复杂的，非一般人想象的容易。

d. 由于离子层的折射计算复杂，天波雷达的定位精度很差，大约是20~30公里。不过透过特殊的算法精度可以改进一个数量级达到2~3公里，这对搜索大型海面船只的初步定位已经足够了。

e. 天波雷达虽然定位精度不高，但是测量速度的精度却很高，这就有助于目标识别。商船的最高航速通常是20节，不可能超过25节，而航空母舰的航速超过30节，有些更达到35节所以利用速度很快就可以区分航空母舰与大型商船。除此之外，如果侦察到的这个水面目标附近还有很多每小时三百公里以上的高速目标，那么这个水面目标肯定是航空母舰。所以指挥中心用这种方式就可以初步判定航空母舰的存在和地点。

f. 天波雷达的天线非常巨大，通常高数10米，长一、两千米，见下图：

 

 

图03：美国的天波雷达

 

乙. 地波雷达（OTH-SW）

 

小时候 YST不听话，母亲生气时总是说：「妈说话，你左耳进，右耳出，一点记性都没有」。其实母亲教训 YST的话不是真的，她无论在那个方向对我说话，我两个耳朵都听得非常清楚，没有任何一只耳朵漏掉。为什么呢？这是有科学依据的。

 

在波的传送中有一种物理现象叫作「绕射」（diffraction）。「绕射」是指当波在传送时如果遇到阻碍物有一部分能量会弯曲绕过阻碍物到达它的后方，也就是说，任何阻碍物不会形成百分之百的“阴影”。

 

「绕射」的现象在声波上非常明显，我们可以很容易用实验证明声波的绕射。在一个非常空旷的空间，你把左边的耳朵塞住，然后在左耳旁边敲击物体，你的右耳可以听到敲击声，这个敲击声不会被头颅完全挡住。所以如果母亲的声音是从左方来，不但左边的耳朵能听到，右边的耳朵也能够听到，这是因为一部分声波绕过听者的头颅传达到了右耳。

 

电波的绕射和声波是类似的，科学家不但证明电波有绕射的现象，而且测量出波长越长的电磁波「绕射」的现象越显著。

哇，这是何等有趣和有用的现象，你想想，好事的科学家会放过它吗？

 

由于高频波段的波长是最长的，聪明的科学家就利用这个波段「绕射」最强的现象设计雷达来侦查地平线以外的目标，科学家用这个方法取得相当程度的成功。由于侦测电波是沿着地球表面传送的，所以称之为「地波雷达」。

 

地波雷达探测的距离超过地平线，所以也称为「超越地平线的地波雷达」（英文缩写为OTH-SW），此处SW代表 Surface Wave，意思就是地波。

 

  

图04：地波雷达工作原理的示意图。

 

上图示意建立在山上的雷达站可以在距离R1的范围内侦测到海面上的军舰，但是侦测不到距离R2的军舰，因为它已经在地平线以下了。

但是如果山上的雷达站是地波雷达，有一部分电波透过绕射现象可以照射到地平线下远距离R2的军舰，它反射的回波同样经过绕射再被雷达站接收到，经过计算就可以得出R2军舰的位置和速度。

 

电波的「绕射」是一种非常微弱的现象，通常使用的雷达波段几乎不存在，即使波长最长的高频波段它的绕射能量也很小，所以对海面船舰的探测距离不大，可以确定能够达到三百公里，没有听过超过五百公里的，要想覆盖天波雷达八百公里的盲区恐怕非常困难，除非加大发射功率和使用极长的天线数组，这些都是极费钱的，有实际的上限。

 

地波雷达因为没有离子层复杂和不稳定的物理现象，所以定位容易多了，也比较精确，只是探测距离短太多了，对反航空母舰作战来说性能不足，属于次要的手段，但是对于其他的大型水面船只还是很有用的。地波雷达相对便宜，尤其对于不宽的海面，譬如台湾海峡和黄海，非常有用。

 

读者一定会问：地波雷达能探测三百公里可以装在船上呀？

回答：是的，的确有某些国家这么做过。但是地波雷达的天线排列长达50米以上，在军舰上狭窄又宝贵的空间使用非常不方便，所以非常少见。

 

丙. 几个简单的批注

 

a. 高频（High Frequency，简写为HF）是有一点误导的，因为这个波段其实是雷达所用的电磁波中频率最低的。

一般而言，频率越高雷达的精度就越高，同时体积也越小，所发射的能量也越小。所以军用雷达，尤其是火控雷达（一种指挥炮火发射的雷达，英文称为 Fire Control Radar）要求高精度，选用波段的频率都非常高，甚至超过 30 GHz。

譬如战斗机上的火控雷达都是X波段，频率在10GHz左右，是高频波段的300倍到3000倍，波长是3公分左右。

坦克测距使用激光雷达频率高达100,000,000兆赫兹，是高频波段的三百万到三千万倍，所以测得的距离非常准确。

警察抓超速使用的测速器也是激光雷达，使用频率高达300,000,000兆赫兹，达到雷达使用频率的最高阶段，因此雷达非常小巧（可以拿在手上）、功率非常小（通常只有数瓦特），应用距离很短，顶多几百米，但是非常精确。这种精确度都不是高频雷达能够得到的。

 

b. 「天波雷达」与「地波雷达」都是使用高频波段来探测地平线以外的物体，经过大气离子层折射的叫天波雷达（OTH-B），沿着地表传达的叫地波雷达（OTH-SW），天波与地波的区分和取名非常传神。

 

c. 超视距雷达除了探测的距离非常远之外，它还有一样好处，那就是可以探测到雷达隐身的目标，譬如美国的隐形战机B-2与F-22。

这是因为所有雷达隐形物体所用的涂料主要是对付波长很短的雷达波，譬如X波段，目的是要躲避火控雷达的追踪，这对逃避飞机和导弹的火控雷达固然特别有效，但是对波长较长的L波段搜索雷达就差很多了，对高频波段的超视距雷达隐身效果就更差了。

除此以外隐形飞机的雷达截面（Radar Cross Section，简称 RCS）都设计成正前方极小化（这就像坦克的装甲在正前方最厚是一样的道理，因为正前方是攻击时遭遇敌人最可能的方向），下方也不错（躲避地面雷达），但是上方的雷达截面就大非常多了，所以无法规避天波雷达的照射与发现。

 

丁. 中国大陆的天波雷达

 

大陆在超地平线雷达的研究很早就开始，1970年就完成一座试验型的天波雷达，天线排列长达2300米。

 

根据【简氏防务周刊】的报导，中国已经在2001年研制出一套天波雷达（OTH-B），探测距离为800~3000公里，覆盖角度为60度。该系统发射与接收的地点是分开的，位置相隔100公里，天线数组尺寸为60x1100米。这座雷达的作用覆盖面见下图：

 

 

图05：中国大陆天波雷达的覆盖范围。

 

YST 个人的评论：

a. 图05箭头所指之处就是雷达的接收站的位置，也就是巨大的天线数组安放的地方。

b. 这座天波雷达的接收站位于武汉与西安之间某处，相当内陆，不设在靠近海边的原因一方面是避开盲区，另一方面是避免容易遭受空袭。

c. 图中暗红色的地区就是天波雷达覆盖的侦察范围，这是美国航空母舰进入台湾地区的主要方向。我们看到美国的航空母舰和大型水面船只只要进入距离台湾两千公里的海面就会被这座天波雷达侦测到。

d. 800~3000公里的探测距离是英国【简氏防务周刊】的报导，不知来源为何，也不知是真是假。YST 认为这个探测距离虽然勉强够用，但不够安全。如果 YST是系统工程师一定将探测距离至少达到四千公里，而且照射角度会稍微偏北一点务必覆盖包括东京湾与关岛在内的水域，这个要求非常、非常重要而且并不难办到。

e. 这座天波雷达的位置选择非常适中，完全覆盖从东部海面接近中国的任何航道。美国航空母舰如果企图从日本海经对马海峡进入黄海不被发现和追踪是不可能的，唯一剩下的可能途径是绕过菲律宾的南端或是经马六甲海峡进入南海，然后由南海接近中国大陆。

f. 南海相对东海不但非常狭窄而且到处都有岛礁，侦测航空母舰容易得多，黄海就更容易了。黄海基本上一架预警机就可以搞定，南海则麻烦一点，对预警机续航力的要求也高很多，如果单靠预警机至少需要多架。

 

戊. 中国大陆的地波雷达

 

大陆在地波雷达也做了相当成功的研发，并且至少已经在浙江瑞安市以东八公里处的海岸线上部署了一套地波雷达（OTH-SW）系统。这套系统也采用了发射地点与接收地点分离的设计，两处相隔2.65公里。

 

外界对中国大陆的地波雷达了解很少，只知道覆盖角度为90度，探测距离大概是三百公里，见下图。有关它的性能数据都是猜测，无法做进一步的讨论。

 

雷达数据都是高度机密，外面的人只能知道大概，不可能得到精确的数据。

 

 

图06：中国大陆地波雷达的覆盖范围。图中箭头所指之处就是瑞安地波雷达接收站的位置。

 

上面这个地波雷达站完全无缝地覆盖台湾海峡北端的出入口，可惜覆盖不了钓鱼台，更无法探测到琉球群岛。

 

己. 一些个人见解

 

a. 一般而言雷达使用的频率越低，雷达的体积就越大，发射的功率也越高，像超视距雷达这样的频率发射功率都在数百万瓦以上，非常耗费能量。

 

b. 南海海域不是很宽，遍布岛礁，50~100米长的天线数组建在岛礁上也不成问题，如果能源供应的问题能够解决，解放军在南海的西沙、中沙与南沙的岛礁上各建一座地波雷达站，再配上一、两架预警机填补空隙就可以无缝监视所有在南海主航道上来往的船只。但是能源供应是一个大问题，岛礁上盖一个几百万瓦的发电厂几乎是不可能的，也容易受到破坏。

 

c. 比 b 更简单、也更安全的方法是在湖南南部的山区建一座天波雷达，不但覆盖整个南海，也覆盖越南、马来西亚、新加坡、文莱、菲律宾和马六甲海峡。

 

d. YST个人认为天波雷达是反航空母舰舰队最重要的探测手段，也许单凭天波雷达就足够完成搜索、发现与长时间连续跟踪等一系列的任务，其他的侦察手段不过是辅助而已。

 

在后面论述反舰弹道导弹的操作时，YST 将对 d 项做进一步的说明。

 

 

（未完待续）

 

虎年谈天下大势：弹道导弹攻击大型海面船只（IV）