夜鹰之眼

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  1935年,英国研制成功CH(本土链)雷达,随后英国空军就积极开展使用CH雷达情报引导空中拦截的训练。但是CH雷达探测精度太差,位置误差能达到8千米,在天气晴朗的昼间尚可实施有效引导,在夜晚或遇有能见度不良的昼间,引导成功率仍然很低。另外,CH雷达的低空探测能力也很弱,飞机高度低于914米时,雷达几乎完全看不见,经常是敌机已接近英国海岸才被目力观察哨发现。
  在获悉德军已具备夜间轰炸能力后,雷达情报精度不足骤然成为英国空军最为头疼的问题。最初的解决方案是研发AI(机载截击)雷达(详见本刊2010年8A《灵活多变的米波雷达(上)》),即直接把雷达安装在飞机上:只需要把战斗机概略引导至目标附近,之后就让战斗机上的操作员使用AI雷达自行搜索目标。从笨重的CH雷达到小巧的AI雷达,技术跨越非常大,初期研发非常艰难,几乎陷入停滞不前的境地。直到1937年8月,借助美国西部电气公司(Western Electric)新研发的316A电子管,AI雷达才取得技术突破,但距离工程实用仍有一段时间。眼看AI雷达难产,英国空军只得继续下功夫提高地面雷达探测精度。1940年初,英国空军从当时寥寥可数几型雷达中,挑选了探测精度最高的CHL雷达,试用于地面引导拦截。
  CHL雷达的来历
  CHL雷达的前身是英国陆军CD雷达。英国陆军负责海岸地带防御,把部署在海岸地带用于观察舰船和指引岸炮射击的雷达叫做CD雷达(海防雷达或对海警戒雷达)。
  在英国空军研制成功CH雷达后,英国陆军也跟着建立了雷达实验室,针对陆军需求开展研发,CD雷达即是目标之一。早期陆军实验室技术力量较弱,难以自行开发出新玩意,只能紧跟空军的技术路线。这种“紧跟”策略最直接的体现是:1936年10月,陆军把实验室设在包德西庄园,直接跟空军雷达实验室挤在一起。
  显然,不可能用精度超差的CH雷达技术开发CD雷达,所以CD雷达研发一度停滞不前。直到1938年,借助AI雷达取得的技术突破,CD雷达研发才得以加快,并在1939年春就开始观察试验。CD雷达主要参数与AI雷达完全相同,区别是CD雷达属于地面雷达,对体积、重量、功耗等条件限制较宽松,因此工程实用进展反而超过AI雷达,在1939年中期就投入部署:而实用型AI雷达直到1940年初才开始加装到充作夜间战斗机的“布伦海姆”飞机上。
  当时英国尚未研发出收发隔离器件,CD雷达只能使用两副天线分别用于发射和接收信号,两副天线需同步转动才能保证正常探测。每副天线都由5列×4层的偶极子阵列和反射网组成,可以产生横向和纵向宽度都较窄的波束(即针状波束,类似聚光灯的窄光束),使雷达测角精度大大提高——CD雷达可以通过精确测定舰船和弹着点位置来引导岸炮射击。受发射功率限制,CD雷达的探测距离只有CH雷达的一半——事实上,作为一款使用直射波探测的地面雷达,探测距离增大到一定程度后,对探测海面目标就没有意义了。CD雷达用示波器充当显示器,即A显,也叫距显(距离显示器)。从A显上可以直接读出目标距离:再从游标刻度盘上读出天线指向,即得到目标方位。
  CD雷达投入部署后,惊喜随之而来:1939年7月,雷达发现了高度500英尺的飞机,发现距离达25英里,而CH雷达网完全没有发现,从而证明CD雷达具有良好的低空探测性能。1939年8月,在沃森-瓦特(英国雷达之父)建议下,空军部决定订购24部CD雷达,增配给CH雷达站。这批雷达由派伊无线电公司(Pye Radio)生产,在1939年12月开始部署,赶在不列颠战役前全部投入使用。这种空军版CD雷达在英国本土部署时,叫作CHL(Chain Home Low,低空本土链),正式名称为“AMES.2”;在海外部署时叫做COL(Chain OverseasLow,低空海外链),正式名称为“AMES.5”。空军在部署CHL雷达时,通常把天线架在高塔上,以最大限度增加低空视距。
  为使收发分置天线能够同步转动,并最大限度的减低设计和生产难度,初期的CHL雷达采取了很多种驱动方案,其中有一批雷达被直接简化成人力驱动:操作员像骑自行车一样,坐在安装有座椅、手柄、踏板和链轮的架子上;需要转动天线时,她就狠蹬踏板,脚力经由一连串的齿轮和链条传递到达天线。以至于,当遇见身材苗条、腿部粗壮的WAAF(空军妇女辅助队)队员时,基本可以断定她是一名雷达操纵员。这种“健身型”CHL雷达在1941年4月投入使用。
  基于CHL的GCI试验
  1940年初,英国空军开始用CHL雷达开展对空引导拦截试验。
  尽管CHL雷达探测精度较高,但是若用于对空引导拦截,首先遇到的麻烦是:使用A显无法同时观察多批目标。若屈就A显,就只能采用很笨拙的方法。一种是使用两部雷达分别跟踪目标机和拦截机,把两部雷达的情报同时标绘在一张地图上,引导员根据地图上的航迹指挥拦截机接近目标机。另一种是使用一部雷达始终跟踪目标机,然后概略引导拦截机进入雷达波束,使雷达能同时看见目标机和拦截机(此时雷达、拦截机、目标机三点一线),再逐步引导拦截机沿波束接近目标机。两种方法效率都非常低,对雷达资源浪费严重。事实证明,现有的CH和CD/CHL雷达都不能满足对空引导拦截的要求,需要研发一种既具有较高的探测精度、又能提高情报使用效率的雷达,才能满足对空引导拦截的需求——这种雷达被叫做GCI(地面引导截击)雷达。
  1940年秋,在昼间轰炸受挫后,德国空军开始发动夜间轰炸,解决夜间拦截效率问题遂成为英国空军当务之急。恰好在当年6月,TRE(原包德西庄园的空军雷达实验,战争爆发后疏散至多西特,为保密改名为电信研究所,简称TRE)又研制成功一个新玩意——P显(Plane Position Indicator,平面位置显示器,简称PPI或P显),使用了非常直观的显示方式,并使雷达能够同时监视多批目标。首批P显刚造出来,TRE就赶紧拿出一套加装到部署在沃信(Worthing)附近杜灵顿(Durrington)的CHL雷达上试验。1940年10月8日晚,这部P显版雷达首次实现协助引导“勇士”战斗机(配有AI.Ⅳ)实施拦截。在当年11月29日至12月3日,这部雷达共协助完成36次实兵拦截试验——总之,试验非常成功。   尽管“CHL PPI”版GCI试验取得了成功,但距离实用仍有很大距离。CHL源自CD雷达,而CD雷达原本设计是对海探测的,从而导致CHL存在探测距离小、探测高度低、不能估测高度等问题。先天设计方向不同导致CHL只能满足应急之需,TRE还需要在此基础上做大量的改进。
  机动型和过渡型GCI——AMES.8
  受“CHL PPI”试验成功的刺激,在1940年11~12月间,TRE和RAE(英国航空研究院)把6部CHL紧急手工改造成GCI,命名为AMES.8。这批雷达的主体设备与CHL完全相同,波长都为1.5米;按照空军部的要求,雷达被设计成车载式,也被称为“机动型GCI”。
  机动型GCI的典型特征是车多:全部设备都安装在车上,随时能转移。主要组成单元是:发射天线(1辆拖车)、接收天线(1辆拖车)、发射机(1辆克莱斯勒卡车)、接收机和操作舱(1辆克莱斯勒卡车)、引导舱(1辆拖车)以及帐篷车和多台发电机(拖车)等。其中,引导舱是这批GCI比较独特的配置i另外,这批GCI也属于“健身型”雷达——引导舱内的引导员通过摇动手轮指示波束扫描方向,天线舱内的雷达操作员就得狠蹬踏板驱动天线转动。
  机动型GCI的引导舱内主要有三个战位,分别是引导员、标图员和测高员。舱内的简要工作流程是:根据本土链雷达网发送的目标概略位置情报,GCI雷达适时开机搜索:发现目标后,标图员依照P显信息将目标机航迹标绘在地图上,并量算目标速度,同时测高员不断估测高度:引导员根据目标机位置、高度、航向、航速等诸元,适时命令1~-2架战斗机起飞到预定位置(一般是信标附近)等待;标图员同时标绘两机航迹、测高员同时估测两机高度,待构成拦截条件时,引导员就根据地图上的航迹直接看P显屏幕,指引拦截机接近目标机;当拦截机报告发现目标并查明目标数量时,引导员会视情命令更多战斗机起飞。借助当时先进的超短波电台,引导员可以与飞行员通话,非常便于指挥引导。
  12月底,首部机动型GCI被正式部署在瑟普雷(Sopley)引导站,后续5部在1941年1月底投入部署(见地图)。这批GCI雷达迅速提升了夜间拦截效率:1940年12月间,德军只有2架飞机被击落,损失率仅为O.5%:到1941年5月问,就有102架飞机被击落,损失率暴增到7%0
  1941年6月,新版GCI完成设计,年底投入部署,名称仍为AMES.8。新版GCI采用落地式设计:天线用龙门木架支撑,发射天线和接收天线分别布置在塔架横梁的上下两侧:设备被布置在木板房内,改善了人员工作环境。雷达能迅速撤收,装车就走:但是组装架设很麻烦,通常需要好几天时间。这种雷达也被称为“过渡型GCI"。
  过渡型GCI的引导室内增加了一名报读员,负责紧盯P显读出目标位置,而标图员只需专心收听就能直接标绘航迹,两人配合能进一步提高雷达情报输出效率;引导室内还配置了1部机械式计算机帮助解算。标准型GCI:AMES.7
  直到1942年,型号排名靠前的AMES.7型GCI才投入使用。AMES.7经过了大量改进,功能十分完善,被称作“标准型GCI”,可见英国空军对这种雷达的期待。
  AMES.7采用加强固定式带防护设计,使用钢筋混凝土天线基座,在基座下方的“井”式掩体内布置发射机、接收机、操作台等设备。因为AMES.7是为俗称“惊喜屋”的新式防空指挥中心配套使用的,因此也被叫做“惊喜屋”版GCI。AMES.7后来还有车载高机动版本,命名为AMES.15。各种改型版本的设备规模和型号命名均有不同,但电磁参数基本相同。
  AMES.7仍然延续了CHL的许多技术,波长同为1.5米。其主要改进体现在天线部分:偶极子数量增加到32对,使天线孔径增大,可以在发射功率不提高的情况下增大探测距离;偶极子按照4层×8列的方式排列,能够产生横向窄、纵向宽的扇形波束,全面覆盖各个高度层。天线还增加了馈电控制功能:发射时,顶层4对偶极子与底层4对偶极子可以同相或反相馈电,从而获得不同形状的发射波束,以实现互补盲区;接收时,利用4层偶极子可以合成4个不同仰角的接收波束,通过比较各波束间回波强度即可估测出目标高度——切换动作都是通过馈线上的电容开关瞬间自动完成的:通常情况下,各层偶极子都以同相馈电,以集中功率获得最大探测距离;测高时,需要切换成分散的多个波束,导致功率分散、探测距离相应缩小。雷达终端配有多套PPI,可以供多名引导员同时使用。后期型还使用了火花隙型T/R开关,实现了收发共用天线,简化了天线规模。经典的对空引导站:瑟普雷
  AMES.7/8属于典型的米波雷达,具有非常强烈的地面反射效应:天线周围的地面(或水面)就像一面镜子,能够把射向地面的波束高效率的反射到空中:需要很巧妙的利用这种反射,才能把功率尽可能集中到需要的方向上,以增大探测距离。因此,需要非常小心谨慎选择米波雷达架设地点,通常都挑选十分平坦的地方——如果把雷达架设在四周高、中间低的浅碟形凹地中,角度异常的地面反射会导致功率分散,使雷达无法探测远距离目标,甚至出现探测盲区。因为周围环境的关系,同一部米波雷达架设在不同地点、或同一地点的不同季节,探测性能都不会完全一样。
  经过缜密的勘查,1940年圣诞节,一支空军车队来到英格兰南端汉普郡埃文(Avon)河谷的瑟普雷(Sopley)村,很快就在村子北面的一大片平坦空地上架设起AMES.8机动型CCI雷达。这部雷达是英国空军第一部投入部署的GCI雷达;以这部雷达为支撑,建立了英国空军第一个对空引导站——瑟普雷引导站,并启用了著名的无线电呼号“星光”(Starlight)。
  在GCI雷达的帮助下,刚到1941年初,瑟普雷就已经成为最高效的引导站,成功引导“勇士”夜间战斗机完成一百多次夜间拦截,共击落27架敌机,超过其他任何引导站的2倍。
  因为距离TRE和ADRDE的疏散地多西特(Dorset)较近,在1941-1942年间,经常有最新版的GCI雷达被部署在瑟普雷试用,并且常有科学家光临。1941年下半年,瑟普雷先后换装了过渡型的AEMS.8F和AEMS.8C雷达。   从1942年开始,空军在瑟普雷大兴土木建设永久性建筑,以容纳AMES.7型雷达和更多的通信设备及人员。到1943年,瑟普雷已经建设成为完善的新式防空指挥中心——俗称“惊喜屋”。以BBC广播电台的一档滑稽喜剧音乐节目命名。节目的特点是你知道这里面会有笑料,但是不知道它会什么时候突然冒出来。与防空作战类似:你知道敌机会偷袭,但是不知道敌机什么时候突然出现。AMES.7则被布置在地下掩体中,只有天线露在外面;从雷达终端输出信号被引入防空指挥中心,连接引导室内的多套P显和测高器。
  按照功能,“惊喜屋”防空指挥中心内布置有综合情报厅、主指挥室、高炮引导室、拦截引导室、电话交换机房、无线电机房等。就像一些不列颠战役电影里表现的那样,综合情报大厅中有两张标图桌和一张竖放的状态板;标图桌上覆盖着标准的航空地图,大桌用来标示大区域总体态势,小桌用来标示本防区详细空中态势,状态板则标示各战斗机部队状态及无线电通讯状态。在大厅的二层:一名指挥官俯瞰标图桌和状态板,随时掌握空中态势和兵力状态;一名任务分配官协助分配拦截任务,用电话通知某个机场的战斗机起飞,同时将引导该机拦截的任务通知拦截引导室。拦截引导室内的情况则与机动型GCI的引导舱差不多。“惊喜屋”防空指挥中心还可以通过发达的有线电话网指挥探照灯、高炮等防空部队。
  在1940年底瑟普雷引导站开始运行的时候,只有8名飞行员(担任引导员)和4名WAAF队员,而运转起来则至少需要6人同时值班。换装过渡型GCI雷达时,总人数增加到40人。到1942年“惊喜屋”状态时,飞行员和WAAF队员总共有144名,运转起来需40人同时值班;通常分为3个班组,按照8~13点、13~17点、17~23点、23~次日8点的顺序轮流值班;由于专业多、岗位多,保持人员整齐非常困难。
  根据资料,瑟普雷引导站可能从初建时就配备了IFF。IFF能够帮助雷达操纵员和引导员区分哪个回波是目标机、哪个回波是拦截机:特别是当两机靠近又分开时,如果没有IFF的帮助,引导员可能会好一阵费神才能分清谁是谁。后记
  由于波长1.5米的雷达太多,很容易造成相互干扰,英国TRE又开拓了全新波段的GCI雷达——AMES.11,于1942年底开始服役。AMES.1 1的工作波长被设计成0.5米/600兆赫,恰好与德军“玉兹堡(Wuerzbug)”系列雷达相同,这也是从抗德军干扰角度考量的结果。盟军轰炸机开始投放箔条后,不仅严重干扰德军雷达,也对英国当时的CH、CHL和GCI雷达造成严重干扰。在1944年6月诺曼底登陆之前,英军又部署了AMES.21.Mkl型厘米波GCI雷达,以期用极窄波束将箔条干扰影响降到最低。而“惊喜屋”版AEMS.7雷达历经多次改进,一直服役到冷战初期。
  1941年5月中旬后,德军开始转向进攻苏联,就再也无力对英国发动大规模空袭了。但是,作为英德之间战争持续的象征,德军飞机仍不断对英国发动小规模夜袭,一直持续到战争最后一年,迫使瑟普雷一直保持着极高的战备状态。瑟普雷引导站后来成为英国南部的大型航空管制雷达站,直到1974年彻底关闭。“惊喜屋”也成为现代对空指挥中心的模板,其功能设计一直为各国所借鉴。
  链接1:关于A显A显也叫距离显示器。其结构与常见示波器基本相同,只有一条固定不动的扫描基线,通过观察扫描基线上回波的幅度来确认目标,通过回波距离基点的长度确认目标距离。早期雷达多使用人工操控天线,扫描速度很慢,通常配用这种简单显示器表现回波距离和强度,同时使用指针或码盘仪表来表现天线指向。这种显示方式很不直观,需要先读取距离和方位信息,再标绘在地图上,才能完整展示目标具体位置。显然,当空中目标数量较多、速度较快时,这种显示方式就难以应付了。A显的优点是能够清晰展示目标回波形状和结构,有经验的操作员可以据此判断目标的大小、数量等。
  链接2:P显P显也叫平面位置显示器,或简称PPI。与A显相比较,相当于让扫描基线围绕基点转起来,且与天线的转动同步。通过观察扫描基线上回波的亮度来确认目标,距离信息仍然通过回波距离基点的长度来确认,方向信息则通过基线的指向确认,这样就形成了直观的极坐标显示方式。雷达不仅可以同时显示多批目标,而且通过附在屏幕上的地图,还可以直接展示目标具体位置。
  P显还把雷达测量误差对引导拦截的影响降到了最低,引导拦截只关注飞机之间相对位置,使用同一部雷达的数据,就可以大大降低相对误差。借助P显,高水平的引导员甚至可以同时引导多次拦截。P显也是大部分雷达的标准显示终端。
  链接3:国王视察瑟普雷瑟普雷引导站是第一个地面对空引导站,又因为战绩卓越,很快就成为英国的明星部队,一拨接一拨的大臣、议员、外国使臣、军方高官前来视察参观,包括国王乔治六世、首相丘吉尔和副首相克莱门特·阿特利。
  据回忆,乔治六世国王在引导舱里观摩了空军王牌飞行员约翰·坎宁安驾驶勇士夜间战斗机拦截一架德军飞机的战斗,德机被击落在Ring-wood以北6英里的地方。据说国王在引导舱看完拦截后,就出来踱步,恰好看到了德机坠毁时升起
  的火焰。 [编辑/王瑾]
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