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中国早已搞定的半导体技术都让苏-57难产!要不要帮俄罗斯救场?

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《军武次位面》作者:血刃



▲苏-57

5月9日俄罗斯卫国战争胜利77周年阅兵当天,军武菌也和不少军迷早早等着直播,然而让人意外的是,空中方阵竟因所谓的天气因素被取消,这着实让军武菌感到有些失望。据外界报道,俄军原计划让4架苏-57战斗机亮相,这种战机此前也多次亮相卫国战争阅兵式。但军武菌说句实话,这样的数量也实在是显得太单薄。


▲据称俄罗斯原计划投入4架苏-57参加阅兵式

俄乌战争爆发后,作为俄空天军头号王牌,苏-57只参与了一次对地攻击任务后就再无消息,好比一个偶像派明星在某大片中客串一个出场时间很短的路人甲。据估测,包括原型机在内,俄罗斯目前的苏-57很可能还不足20架!然而歼-20却与之形成鲜明对比,例如去年建党百年纪念仪式上,15架歼-20同框出现在北京,着实是苏-57拍马也赶不上的规模。


▲对比苏-57,歼-20的阵容要阔绰多了

列装后,歼-20在很短时间内部署到国内多地的多支部队,其在东海和F-35的对峙技术含金量更远超苏-57在乌克兰和叙利亚,目前歼-20的产量已至少超过百架。而苏-57之所以难产,不光因为俄罗斯缺乏中国的数字化生产线、3D打印技术,其雷达系统必不可少的一种电子元件严重不足,才是更大的核心问题。

苏-57的雷达系统是什么样子?有什么问题?

自冷战以来,前苏联战机就在航电性能方面明显逊色于西方水平,以至于现在俄军战机都长期使用技术门槛较低的无源相控阵雷达,例如苏-35配备的雪豹-E型,这很可能也是该机在外贸市场遭遇滑铁卢的关键因素。相比而言,苏-57借助2019年定型N036有源相控阵雷达,技术水平自然有了很大提升。


▲目前,苏-57在乌克兰前线的亮相次数少之又少

在军武菌看来,苏-57的一大主要任务是保护俄军战略打击武器基地/设备的安全,但同样重视航电强化,其两侧和襟翼则各自配备两部N036N侧视雷达和N036L机翼雷达,这些雷达都是L波段,以便探测西方隐身战斗机和低空目标,也满足远距离敌我识别需求。而该机的机头,则配备了一部大口径X波段的N036大型有源相控阵雷达。

相控阵雷达本身以大量负责收发的T和R单元为核心部件,并同时增设大量辐射单元排列组成的天线。一般来说,单位面积容纳的T/R组件更多,雷达性能和本身的散热能力也更好,而有源相控阵雷达在综合方面都远超过无源相控阵雷达,特别是有效距离和可靠性,但技术要求较高,目前也只有中美等国可自主大量制造此类雷达。


▲俄罗斯已给了苏-57自己能提供的最好雷达

N036的孔径为700X900mm,配备1552个T/R晶体管组件,平均和峰值功率分别为2千瓦和10千瓦,理论最大探测距离400千米。而孔径近似的美国AN/APG-77雷达(F-22用)有1952个T/R组件,孔径明显更小的AN/APG-81雷达(F-35用)也有1676个T/R组件。军武菌深知,这种差距将导致隐身能力本就严重不足的苏-57在远距离对决中处于绝对不利态势!


▲目前,美俄战机的雷达性能差距还在加大

自2010年以来,中国的有源相控阵雷达发展神速,枭龙使用的外贸型KLJ-7A雷达(孔径600毫米)也集成了上千个T/R组件,机头直径更大的歼-10C甚至在雷达水平上接近F-35!至于歼-20的雷达就更不用说。俄罗斯因为微电子技术落后,因此有源相控阵雷达的发展受到很大影响,因此尽管俄罗斯在此方面的研发时间早于中国,但目前还没有完全实用化。


▲枭龙系列的有源相控阵雷达也不可小觑

苏-57的性能在同代机中明显不佳,但却让俄罗斯解决了第一步的有无问题;而N036雷达也是同理,同样让俄罗斯在战斗机用有源相控阵雷达领域迈出了第一步。该雷达的主要材料是砷化镓,这种材料本身常见于目前的不少家用电器乃至俄军此前使用的无源相控阵雷达中,但俄罗斯在开发早期也因其废品率高且价格偏贵而制约了其雷达的发展。

氮化镓材料有何进步?在军事领域的优势是什么?

军武菌既然提到了半导体原材料,就要详细说起了。第一代半导体主要以硅、锗等元素为代表,此时的半导体主要解决数据运算和存储等较为初等的问题;而第二代半导体则以砷化镓和磷化铟等化合物为代表,其特点是在光纤通信和数据传输中应用较为广泛,F-22使用的AN/APG-77雷达的主要材料就是砷化镓。


▲氮化镓代表第三代半导体的主要材料

砷化镓是目前用途最广、最成熟且产量最大的化合物半导体材料,用它为材料的器件具有频率响应好、速度快、工作温度高等特点,适合制作高频高速的器件和电路。但用它制作的晶体三极管放大倍数低、导热性差、不适合用于大功率器件。此外,砷化镓在高温状态下会出现分解现象,随着战斗机机载雷达的发展,这一弱点就愈发凸显。

目前,氮化镓、碳化硅和硒化锌等原料就成为第三代半导体产品的主要原料。1989年,美国首次在实验室中合成了该化合物,并发现其具有很高的稳定性,并开始将其用于发光二极管。时至今日,氮化镓已广泛应用于微波功率晶体管和蓝色光发光器件。简而言之,目前的照明、高清显示和5G通讯领域中,氮化镓的地位至关重要。


▲砷化镓用于某些雷达,会暴露一些问题

相比于砷化镓,氮化镓器件提供的功率密度要高得多,因此就能提供更大的带宽和更大的放大器效益,并同时借助器件尺寸的缩小而提升整体效率,在高温状况下的稳定性优势则更为明显。使用氮化镓制作的雷达信号收发器TR组件,其发射功率远强于砷化镓半导体材料,目前一些最好的有源相控阵雷达都使用了该组件。

长期以来,西方一直在智能和电子领域明显超过俄罗斯,氮化镓半导体材料的运用同样如此,例如F-35的AN/APG-81雷达。目前,美国国防部高级计划局、国家航空航天局和美军多兵种都开始迅速将氮化镓作为重要的替代品,例如雷神公司为美国海军开发的AN/SPY-6雷达就被视为十分成功的产品,并准备配备到伯克-3系列驱逐舰。


▲美国在氮化镓雷达方面已取得很大成就

相对于此前的AN/SPY-1,AN/SPY-6的总功率、灵敏度和最大探测距离和覆盖面积都有了质的飞跃。最主要的是,它在同时间内探测和跟踪目标的数量也大幅增加,并能探测到截面更低的目标,也能同时制导更多发射后的导弹。此外,诺格公司研发的AN/TPS-80雷达系统也趋于成熟,该雷达可用于地面和空中任务。因此军武菌认为,美国的底蕴绝不能被忽略。


▲最上级等日本舰艇的雷达也采用了氮化镓技术

此外,日本摩耶级驱逐舰和最上级护卫舰配备的雷达也采用了氮化镓技术,因此其整体效能必然得到较大提升。而瑞典也为本国预警机配备了新一代氮化镓有源相控阵雷达,理论上可探测到现役的隐身战斗机。从目前的发展趋势来看,2020年代开始世界各国将普及有源相控阵雷达,而氮化镓也将在2030年开始彻底取代砷化镓。

俄罗斯在氮化镓项目的落后,直接导致苏-57难产

有报道称,俄罗斯目前甚至连二代半导体材料砷化镓都难以实现真正的自产,以至于只能依靠从他国引入。但军武菌发现,早在解体前苏联就开始研究砷化镓半导体,而俄罗斯也曾建立多家生产厂进行生产,并成为美国之后第二个掌握砷化镓微光增速管的国家,同时将其用于自己的第三代夜视仪。因此在砷化镓方面,俄罗斯问题还不算大。


▲尽管在俄罗斯战斗机家族中实现突破,但苏-57的不足依旧难以回避

本世纪初,俄罗斯就想为米格-29使用甲虫系列有源相控阵雷达,但该计划最终并未完成。而苏-57使用的N036雷达虽早在2008年就开始测试,但受制于多方面不足,因此即便俄罗斯将自身能力范围内的所有先进技术都用于该雷达,也难改变其性能落后的地位。拼光家底却还是惨败,军武菌都为俄罗斯感到可悲。

早在6年前,俄罗斯就表示该国将启动基于氮化镓的晶体管研发工作,将为此运用世界最好的科学技术解决方案,当时的计划是在2017年研发出试验样品。尽管在此方面技术积累薄弱,但俄罗斯很清楚半导体领域的新技术如果完善,就会极大提升自身装备的作战效果,因此俄罗斯电子公司等参加项目的企业不可谓不卖力。


▲对氮化镓技术的重要性,俄罗斯也有正确认识

然而几年过去了,俄罗斯在此方面并未有什么实质性的发展,2020年夏时俄罗斯相关代表甚至表示用于机载有源相控阵雷达的氮化镓自主化生产项目甚至还未立项,该项目需要的是从原材料的生产线的全套技术链。在这方面,中美两国已处于绝对领先位置,而俄罗斯要想在此方面使其达到实用化标准,显然还需要相当长时间。

军武菌发现,虽然俄罗斯多个机构早已在数年前表示他们在实验室中成功生产了氮化镓材料和相应组件,但大量配套厂商的倒闭却使俄罗斯在最基本的独立生产线建设能力上陷入停顿。而砷化镓材料则价格明显偏高,以俄罗斯的经济条件来看完全自主化生产必然肉疼。这样一来,俄罗斯还是难免要在半导体原材料方面大量引入。


▲实验室合成显然不等于能成熟量产

按理说,在此类关系重大的材料上依仗他国,本就隐患巨大。更让军武菌无语的是,俄罗斯8成以上半导体材料都依靠部分西欧国家和日韩一些民企,而这些国家要么是北约成员国,要么是美国的重要盟友。拜登上台就恢复了奥巴马时代对俄罗斯的强硬态度,俄乌战争爆发后,美国主导的全面制裁更是前所未有,因此一些国家的民企都不得不中止了贸易。


▲无疑,苏-57难产的问题会随着西方制裁加剧而扩大化

这样一来,苏-57的雷达元件就彻底无法得到保证。军武菌觉得,此时就算在纸面上提升苏-57的产能,但也只能做到在阅兵式上把场面搞得漂亮些,而这些形如空壳的战斗机对俄空天军战力实质提升就显得意义不大。这就好比只要合格的小型反应堆一天不搞定,中国就难以造出核动力航母,哪怕造船厂的产能早已超过美国也是枉然。

中国氮化镓技术发展世界顶尖,也许能让苏-57起死回生

军武菌发现,中国早年间处境的不妙程度显然更超俄罗斯,然而就在国外高度技术封锁的不利条件下,中国很快认识到氮化镓微波射频器件的重要性。数年来,西安电子科技大学、中电科13所和55所、苏州能讯、国联万众和中兴通信等科研结构和产业公司就不断在该领域深耕并作出大量贡献。


▲在俄罗斯看来难以搞定的技术,在中国却迅速“白菜化”

2017年11月,英诺赛科(珠海)科技有限公司解决了高温环境下氮化镓薄膜冷却时容易发生破裂的问题,进而让中国首条8英寸级硅基氮化镓生产线成功投产。2019年观察者网报道称,中电科13所和55所联手推出的新一代射频芯片项目获得了“国家科技进步一等奖”。据澎湃新闻2020年报道,国产三代半导体研发团队又获得全国创新争先奖。

目前,氮化镓技术已随着手机充电器和移动通信5G基站实现普及。在军用领域,基于氮化镓技术的T/R阵列也全部由国内材料和设备制造,并使多种有源相控阵雷达都成为受益者。据中电科14所介绍,在2021年补办的珠海航展上,该所展示的YLC-8、YLC-12、SLC-7、YLC-18四种覆盖多波段的雷达也都悉数采用氮化镓技术。


▲中芯国际等企业可谓功不可没

中国的数字阵列雷达也大量应用了氮化镓技术,据国防时报报道,曾助力歼-20在东海大显神威的空警500预警机就是受益者。它采用直接数字合成、数字波束形成和数字收/发单元技术,大幅提升了探测精度和可靠性,成本也得以控制。有评论表示,数字阵列雷达相对有源相控阵雷达的优势一如有源相控阵雷达对无源相控阵雷达,也引领了未来雷达发展方向。


▲珠海航展上亮相的多种中国雷达都实现了氮化镓技术

目前,055系列万吨级驱逐舰也拥有采用氮化镓器件的数字阵列雷达,其功率得到充足保证。加上其雷达天线孔径较大,因此探测距离和综合管控水平也得以提升。相对于伯克-3,055级在覆盖面积和指挥能力上具有优势,因此无论防空还是反导能力都将出类拔萃,进而让中国航母的安全系数直线提升,甚至还能为中国本土撑起海基战略反导的又一柄保护伞。


▲空警-500让歼-20在东海成功震慑强敌

早在去年珠海航展相关新闻不断发布后,军武菌就发现一个让人振奋的知识点:即便是YLC-8E这样用于外贸的雷达,也完全采用了氮化镓技术,这就说明中国早已攻破这个原本看似高大上的技术,并迅速将其白菜化。不少军迷都和军武菌有一样的想法:中国人必然应对此喜悦,今天的俄罗斯也应从此察觉福音。


▲当初和法国的两栖攻击舰合作项目失败,俄罗斯应当对西方加深认识

对俄罗斯而言,氮化镓依旧难以自给,但西欧和日韩等原先可能暗中合作的国家开始站在彻底的对立面上。但近年来中俄两国的各方面合作却在不断加深,以氮化镓技术为例,中国无论技术还是产能都世界领先,外贸版氮化镓雷达更属于“性能不足,可以展示”的产品,因此如果俄罗斯务实一些,苏-57的一大病根就很可能迅速被祛除,俄空天军也将迅速获益。

军武菌迄今依旧记得多年前,中国军迷每每谈及某些当时看来无比高大上的尖端军事技术时,都只能和世界杯赛场上站队不同强国的中国球迷一样,其内心深处的酸楚自不必多说。以至于中国可能从俄罗斯购入某种先进武器或技术,都会成为军事期刊的专题。而今风水轮流转,谁又能想到中国技术具有如此影响力呢?

苏-57作为俄罗斯近年来为数寥寥的还算高性能的新型常规武器,落得如此境地的确令人唏嘘。对此中国更应当居安思危:关键核心技术,永远要掌握在自己手中。每一项看似不起眼的技术,都是一座座小金字塔;而无数这样的小金字塔,才是尖端武器这样的大金字塔的基石。因此,中国就更需要以绝对认真的态度投入到一项项基础技术的不断升级中。

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