台灣的「海劍二」中程防空飛彈為何這麼難研發?

·17 分鐘 (閱讀時間)

台灣中科院自力研發的海劍二(TC-2N)防空飛彈系統,預計成為康定級巡防艦升級防空火力,以及新造塔江級巡邏艦、玉山級兩棲船塢登陸艦的制式防空武器,相當重要!其性能與研發進度,到底困難點在哪,隨著前述中華民國海軍新型艦艇陸續下水,更值得國人關切。

我國海軍的長程防空飛彈

台灣的海軍艦艇,很早就擁有了區域防空能力,1986~1991年間即將美國提供的二戰火炮型基靈級驅逐艦(Gearing-class destroyer),加裝H-930 MCS戰鬥系統,以及10具傾斜發射的標準一型(SM1-MR)防空飛彈(射程46km),成為現代化的「武進三型」區域防空驅逐艦。

武進三型驅逐艦雖然標準一型的備射彈僅10枚,但已能應付當時台海情勢的需求:同時對24個空中/水面目標進行精確識別與追蹤,並指揮飛彈同時攻擊其中4個(標準飛彈可攻擊水面目標),整體反應時間只需要8秒,是當時解放軍海軍望塵莫及的區域防空/反水面作戰能力。

雖然標準防空飛彈射程遠,威力強,但需要配套的設備也很龐大,例如陽字級因為發電系統過於老舊,裝上戰鬥系統與標準飛彈後電力不足,以及桅杆設計老舊載重不足,根本無法裝設原本的SPS-49大型對空搜索雷達,只能改用DA-08(2)中型對空搜索雷達,探測距離(2平方公尺小型目標)從280km縮短到170km。射控雷達也是相同原因,從原版AN/SPG-51照射雷達縮小成STIR-180射控雷達。

其後成功級巡防艦也採用標準一型防空飛彈,但單艦備射彈增加到40枚。隨後我國海軍又購得美國紀德級驅逐艦(Kidd class destroyer),隨之引進射程達166km的標準二型(SM-2MR Block 3A)防空飛彈,單艦備射彈更達到68枚。

我國海軍的短程防空飛彈

由武進三型改裝的例子,可以看出大型區域防空飛彈不是想裝就裝,艦艇的噸位與結構、發電設施、甚至電磁相容性都要考慮。因此我國還引進了不需要大幅改裝艦體,就能操作的MIM-72C海叢樹短程防空飛彈。

但海欉樹飛彈只能於日間接戰,而且目標的追蹤和鎖定距離不能超過射手的目視追蹤和搜索的距離,有效射程僅有8km,又不具備攔截低空掠海而來的反艦飛彈之能力,在現代化海上防空作戰效率不彰,安裝於部分二線艦艇(武夷號快速戰鬥支援艦)都被嫌不好用…安裝在主戰艦艇康定級巡防艦上,更從安裝起就被質疑「只有心理安慰功能」!

不過由於我國大部分主戰艦艇都有安裝負責攔截已逼近船艦2km內的反艦飛彈或無人機之「近迫防衛系統」(Close-In Weapon System,CIWS)如方陣快砲,因此尚可勉強暫代短程防空飛彈的功能。

我國海軍購得美國紀德級驅逐艦後,隨之引進射程達166km的標準二型(SM-2MR Block 3A)防空飛彈,單艦備射彈更達到68枚。(維基百科)

我國海軍欠缺的中程防空飛彈

美國海軍在1960年代就已經發現,長程防空飛彈的發射系統與後端雷達、射控系統體積都相當龐大,除了價格昂貴,操作上還需要龐大的發電量支撐,故只能安裝在中大型軍艦上。

美國海軍於是希望研發一種體積小、重量輕、發射與後端射控系統價格更為便宜的防空飛彈系統,能普及化的安裝在只需要基本的防空自衛能力,不需要掩護其他友軍船舶的軍艦上,稱為「點防禦」(Point Defense)防空飛彈此需求大至航空母艦這樣的高價值一線軍艦,小至護航驅逐艦(DE)、巡防艦(FF)等二線艦艇。

要便宜的解決方案,又要能儘快服役,當然是採用已驗證的技術來改良最快,美國從空軍的麻雀中程空對空飛彈修改後,裝入八連裝發射箱,並將飛機上的射控雷達與電子系統搬到軍艦上,稱為海麻雀(Sea Sparrow)防空飛彈,僅僅研發三年就全部測試通過,1967年開始服役。

海麻雀飛彈服役後經過不斷改進,目前以海麻雀進化型(Evolved Sea Sparrow Missle,ESSM)的型態(後詳)一直服役至今。

而我國研發的天劍二型(Sky Sword II)中程空對空飛彈,於1999年就已經在IDF戰鬥機上服役,照理說可以按照美國將空對空的麻雀飛彈修改為艦對空的海麻雀飛彈案例,很快修改成「海劍二型」防空飛彈。

這樣的思路沒錯,在天劍二型服役的前一年,也就是1998年,中科院就已經啟動艦射型的研發計畫,沒想到海劍二飛彈的研發卻一直難產,已經過去超過20年,才傳出終於要定型服役,究竟艦載防空飛彈,研發的難處在哪裡?致使我國海軍20年來一直沒有適合的中程防空飛彈?

艦載中程防空飛彈難點:打飛機是副業

一般人甚至部分軍迷的眼中,艦載「中程防空飛彈」要對抗的目標是什麼?「當然是飛機!」他們會這樣說,但事實卻並不是這樣!

在海麻雀剛剛服役的1967年,兩艘埃及海軍以滿載排水量66噸的飛彈快艇,在遠超過目標艦火砲射程的20km外發射反艦飛彈,以三發俄製SS-N-2飛彈連續命中的破壞力,輕易擊沈了以色列滿載排水量1720噸的艾拉特號(INS Eilat)驅逐艦,創造海戰史上第一次以反艦飛彈擊沈敵艦的戰例。(實際上發射四發,第四發到達時因為艾拉特號已迅速下沉,掠過船體上空未引爆)

世界各國海軍都發現,反艦飛彈的射程非常遠(初期型的SS-N-2就有40km),讓發射單位能遠在中程防空飛彈的射程外,就發射反艦飛彈(當時就預料反艦飛彈很快將會由飛機攜帶),結果中程防空飛彈要對付的頭號目標,明顯轉變成反艦飛彈。

畢竟反艦飛彈比較大顆,可以裝載的燃料多,射程輕易就能超過中程防空飛彈,只有體型碩大的「長程」艦載防空飛彈,才「有可能」打到發射反艦飛彈的敵機。

攔截反艦飛彈的難度

攔截反艦飛彈與打中高空的飛機,作戰情境明顯不同,反艦飛彈通常是以低空甚至超低空掠海迎面來襲,而「地球曲率」與「海面雜波」則延遲了艦載雷達發現反艦飛彈的時機, 以致於發現目標時,反艦飛彈往往已經十分接近。(關於地球曲率如何掩護攻擊機,參閱:美國硬塞AGM-88舊貨給台灣?並非如此!那軍售台灣的高速反輻射飛彈性能如何?)

原本設計發射後一直爬升,攻擊高空目標的防空飛彈,變成必須在升空後「迅速轉向」,俯衝飛向海面,才能攔截的到貼海而來的反艦飛彈。此外與幾乎「空無一物」的天空不同,艦載防空飛彈本身搭載的雷達,也要能從低空與海面上的一堆雜波中,分辨出正確目標,才能有效攔截。

較新的反艦飛彈還使用低雷達反射性材料來製造彈翼與天線罩,甚至外型優化強調匿蹤性能,進一步降低雷達反射截面積,也就是降低被雷達發現的距離。

反艦飛彈:傻子才直球對決!

而且反艦飛彈的設計者,也知道要反制防空飛彈的攔截,所以飛行路徑不再是直線,可以設定好幾個轉折點,終端彈道更是五花八門!

有由掠海飛行突然變成超低空掠海攻擊水線;或由掠海突然爬高再俯衝往下攻擊艦體上層建築;或有鎖定目標後突然迂迴轉向飛行,改由另一個角度攻擊;或由次音速飛行突然加速到2倍音速衝刺;或全程都用2-3倍音速狂奔…等等,反艦飛彈種種怪異的終端彈道,再加上飛彈不用載人,迴避動作可高達15G過載,都增加防空飛彈攔截的難度。

其實道理很簡單,就跟棒球比賽中,投手不會笨到只投慢速直球跟打者對決是一樣的道理,中間一定會夾雜許多的快速球或變化球。以上幾項技術關卡,都讓中程”艦載”防空飛彈的設計難度,遠超過中程”空對空”飛彈。

更糟糕的是,由艾拉特號被擊沉的案例可以發現,攻擊方可以朝同一個目標,連續甚至同時發射多發反艦飛彈(數量飽和攻擊),或是反艦飛彈會拐彎,同時從不同方向發動攻擊(方向飽和攻擊),現代電子科技進步下,飽和攻擊也不用集結大量艦艇,一艘艦艇就能發動射擊4~8枚反艦飛彈的飽和攻擊。

因此提升艦載中程防空飛彈系統的「連續發射速率」與「多方向接戰能力」,以及改良飛彈本身的靈活度與電子系統的探測能力,都成了當務之急。

海劍二飛彈需攻克的難關

由前述的眾多困難點,可以知道為何天劍二型空對空飛彈都已經服役了超過20年,甚至展開提升性能的「奔劍計畫」,海劍二防空飛彈卻剛剛準備量產。其研發難點根據公開資料,舉例如下:

克服垂直發射的難題

要應付反艦飛彈同時多枚、多方向攻擊的飽和攻擊,採用垂直發射的防空飛彈,在各國海軍驗證後,幾乎都認為是最佳解。(近迫系統的需求則不同,限於篇幅不詳述)

垂直發射指飛彈發射管垂直布置於艦艇中,飛彈發射前不用任何機械動作,直接由垂直發射管內飛出,其優點是指要射控系統能負擔,連續發射(甚至同時發射)多枚完全不成問題。

但垂直發射的技術難度,比傾斜發射高多了,首先要解決,就是飛彈升空後,迅速轉向的問題。

初代垂直發射系統,飛彈在升空後都會先爬升至數百公尺高空,這是為了累積到足夠的速度,使飛彈的控制翼面有足夠速度的氣流能發生作用時,才扭頭轉向目標的方向飛行,但是如前述現代反艦飛彈都以高速低空掠海飛行,且艦艇的反應時間很短,傳統垂直發射等飛彈開始轉向,掠海反艦飛彈可能都已經命中爆炸了。

所以以美國ESSM先進海麻雀中程防空飛彈為例,在彈體後段增加一個具有「向量推力噴嘴」或側向噴嘴的固態火箭推進器,俗稱為燃氣舵,使飛彈射出後立刻轉向目標方位,節省寶貴的反應時間,該推進器在燃料耗盡後即可拋棄,減少重量與阻力。

海劍二型應該也採用相同的機制,而且增加固態火箭推進器,就不用把飛彈本身續航發動機的燃料浪費在升空轉向階段,延長了有效射程。

硬體上解決了轉向的問題,但還有軟體難關要克服,因為飛彈垂直發射升空後,到轉向目標前,有基準起始座標校正(Initial leveling bias value update)的問題,主要原因是船艦會隨著海象而不斷改變姿態與位置,發射到空中的飛彈不一定是「垂直」的,進而影響到飛彈的射擊解算(陸地垂直發射系統則無此問題)。

美國終於在2014年同意經由商業管道,售予我國MK-41垂直發射器。(維基百科)

克服摺疊彈翼

軍艦在海上作戰時,搭載的飛彈幾乎沒有「海上再裝填」的機會,也不像飛機能夠快速飛回機場補給彈藥,起飛再戰。往返港口非常費時,飛彈再裝填作業需要起重機吊掛飛彈,也非常耗時。

所以軍艦上的備射彈數量,在噸位與船體重心許可等前提下,當然越多越好,因此艦載防空飛彈需要能夠「折疊彈翼」,讓儲存時占用發射箱內的體積縮小,例如美國ESSM先進海麻雀可以在一個MK-41垂直發射器中,裝填四枚ESSM。

四倍裝填數量讓軍艦的備彈量大增,例如同樣安裝32個垂直發射器,中國人民解放軍海軍的054A型護衛艦只能攜帶32枚HQ-16A/B防空飛彈,但美國的星座級巡防艦也是32個垂直發射器,卻能攜帶128枚ESSM防空飛彈。

海劍二傳出也要用折疊彈翼,甚至可能也將「一坑四彈」,但是其設計基礎天劍二型是空對空飛彈,根本沒有摺疊彈翼的需求,因此海劍二根本是「需要重新設計彈翼」,而需進行大量驗證工作。

克服零件商源

艦載防空飛彈由於在海上作業,時時處在複雜的腐蝕環境,因為海水本身就是一種超強的腐蝕介質,雖然飛彈密封在發射箱內,但仍難免被海水或濕氣滲入,這一樣是與空對空飛彈完全不同的作業環境,不是所有零件都能通用,部分關鍵零組件要找尋耐海蝕的新供應商。

又因為海劍二的研發至今,晚了天劍二超過二十年,許多原版天劍二的組件,原廠早已不生產(生產更新的版本)而斷貨(國軍當然有備份零件,但不可能挪去給海劍二用),或因為科技進步,例如機械式陀螺儀早被雷射或光纖陀螺儀取代,因此研發與整合新零件,也等於是從頭開始。

克服發射器相容性

中科院為了配合垂直發射的海劍二,已經自行研發艦載垂直發射器,但海軍高司單位認為,如果飛彈發射失敗,卡在發射器內時,研發單位沒有足夠的經驗,提供如何安全的排除故障飛彈,甚至消防滅火的解決方案,甚至萬一飛彈在發射器內爆炸,是否會引發連鎖反應,引爆其他飛彈,危及搭載艦艇的安全,都無法驗證。

因此海軍要求海劍二飛彈要能相容外購的MK-41垂直發射器,在經過多年的談判,美國終於在2014年同意經由商業管道,售予我國MK-41垂直發射器,但飛彈與發射器的整合、測試,仍需中研院處理,並與美國洛馬集團商談技術轉移以及授權費用等作業,到2017年才首次測試成功。(但亦有傳聞最後將採用中科院自研的垂直發射器)

此外為了配合艦體較小,或是不能挖洞安裝垂直發射器的塔江級巡邏艦、或玉山級船塢登陸艦,海劍二飛彈也能由「傾斜式發射箱」發射。詳見:國艦國造「萬噸船塢登陸艦」玉山軍艦:登陸、攻擊、救災都能包辦的海上瑞士刀!

配套的射控雷達

海劍二飛彈由於需要安裝在塔江級700噸級的小型艦艇上,因此配套的射控雷達不能太過龐大沉重,但又需要儘可能的增加偵測距離與射控性能,技術難度很高。

根據已下水測試的塔江級外觀研判,海劍二的射控雷達應為使用X波段的相位陣列雷達(PESA)「海蜂眼」,應是中科院先前曾經公開資料的MPQ-90雷達的放大與改進型號,性能有所提高。

MPQ-90雷達的性能(供參考,海鷹眼陣面有放大,探測距離等性能提高),其對戰鬥機大小目標的偵測距離60km,單面天線波束的水平掃描範圍為120度,垂直掃描範圍為90度,以機械旋轉座來達成360度搜索,目標更新速率為每2秒一次。能同時追蹤64個目標,同時指揮9枚飛彈攻擊目標。

更大型、發電量更充裕的艦艇如玉山艦,可能就搭載中科院研發更大型的「海鷹眼」雷達,採用S波段的相位陣列雷達(AESA),探測範圍350km(儀距),對戰機類目標探測距離200km ,一樣透過機械旋轉達成水平360度掃描(有每分鐘15轉與30轉兩種速率,轉速慢時偵測距離遠,轉速快時情資更新快),能同時偵測追蹤500個目標。

中程防空飛彈「射程30~50km」之謎

我國也有使用的區域防空飛彈中,標準一型射程46km,但是中程的ESSM先進海麻雀的射程可達50km,比區域防空飛彈還遠?但實際上這樣的射程是有條件的。

ESSM發動機的全動力射程只有前18km,也就是ESSM如果以直線飛行,只能打到18km的目標,但在此射程內動力充沛,ESSM飛彈有足夠的動能(3~4馬赫),攔截以高G進行閃避動作的反艦飛彈。標準一型則是全射程內都以動力飛行。

如果要攔截超過18km外的目標,ESSM就會以慣性導引加中途指令修正模式的複合導引模式,即在搜索雷達初步截獲目標後就能立刻發射,並透過慣性導航系統的參考點先爬升至空氣稀薄的高處,一方面可減低空氣阻力,另外也能儲存飛彈的位能,再通過資料鏈獲得目標更新的位置後,再俯衝而下接近目標,最後由飛彈上的終端雷達照射目標,鎖定加以摧毀。

這樣的模式除了讓飛彈的極限射程大幅度增加,也能大幅提高飛彈的反應速度(知道目標概略位置即可發射),此外艦上的射控雷達,也能以「分時照射」(雷達波”不用”鎖死在一個目標上)方式,同時指揮多枚飛彈攻擊多個目標。

但必須了解30~50km射程基本上是靠慣性飛行,發動機無動力,如目標突然高G閃避,ESSM飛彈未必有能力追擊。

從前述MPQ-90雷達能同時指揮9枚飛彈攻擊目標的性能來看,天劍二型飛彈應該也是採用類似ESSM的飛行模式,以全動力衝刺時也能達到4馬赫極速,但動力射程保密,最大射程則公布可達30km以上。

中科院研製的海劍二防空飛彈系統,2019年空射增程型劍二飛彈雖通過作戰測評並結案,但因空軍預算排擠下未列量產。圖為空劍二配置IDF射擊。(合成畫面/國防部提供)

「劍二家族」成我三軍通用飛彈

依照2021年4月12日「上報」報導,中科院院長張忠誠在立法院質詢時證實,海劍二防空飛彈系統僅剩下最終作戰測試即可結案,量產計畫(300枚)已排入2022年度國防預算中。

此外,陸射劍二防空飛彈系統也已經編列量產預算(陸射劍二轉移海劍二技術,研發較簡單),據傳將採購246枚。空射的劍二增程改進型空對空飛彈,據傳也已在2019年完成作戰驗證,空軍從2021年起編列預算,預計採購130枚。

如果量產作業一切順利,整個新世代劍二家族飛彈將生產676枚,捍衛台灣的國防安全,亦成為中華民國陸海空三軍自成軍以來,難得一見的「三軍通用飛彈」。

※本文經授權刊出,標題為編者所加,原標題:台灣「海劍二型」艦載中程防空飛彈為何這麼難做 研發20年才終於準備量產?原文出處。

更多上報內容:

【影片】米其林名廚傳授料理祕訣 春季限定的蔬菜之后—白蘆筍:餐桌篇

【松山黑衣人案】北檢定調許書桓未受上級指示 自行決定格式化影片