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2023-01-31
中國早已搞定的半導(dǎo)體技術(shù)都讓蘇-57難產(chǎn)！要不要幫俄羅斯救場(chǎng)？
更新時(shí)間：2022-05-21 01:00:23作者：佚名
《軍武次位面》作者：血刃
▲蘇-57
5月9日俄羅斯衛(wèi)國戰(zhàn)爭(zhēng)勝利77周年閱兵當(dāng)天，軍武菌也和不少軍迷早早等著直播，然而讓人意外的是，空中方陣竟因所謂的天氣因素被取消，這著實(shí)讓軍武菌感到有些失望。據(jù)外界報(bào)道，俄軍原計(jì)劃讓4架蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)亮相，這種戰(zhàn)機(jī)此前也多次亮相衛(wèi)國戰(zhàn)爭(zhēng)閱兵式。但軍武菌說句實(shí)話，這樣的數(shù)量也實(shí)在是顯得太單薄。
▲據(jù)稱俄羅斯原計(jì)劃投入4架蘇-57參加閱兵式
俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)后，作為俄空天軍頭號(hào)王牌，蘇-57只參與了一次對(duì)地攻擊任務(wù)后就再無消息，好比一個(gè)偶像派明星在某大片中客串一個(gè)出場(chǎng)時(shí)間很短的路人甲。據(jù)估測(cè)，包括原型機(jī)在內(nèi)，俄羅斯目前的蘇-57很可能還不足20架！然而殲-20卻與之形成鮮明對(duì)比，例如去年建黨百年紀(jì)念儀式上，15架殲-20同框出現(xiàn)在北京，著實(shí)是蘇-57拍馬也趕不上的規(guī)模。
▲對(duì)比蘇-57，殲-20的陣容要闊綽多了
列裝后，殲-20在很短時(shí)間內(nèi)部署到國內(nèi)多地的多支部隊(duì)，其在東海和F-35的對(duì)峙技術(shù)含金量更遠(yuǎn)超蘇-57在烏克蘭和敘利亞，目前殲-20的產(chǎn)量已至少超過百架。而蘇-57之所以難產(chǎn)，不光因?yàn)槎砹_斯缺乏中國的數(shù)字化生產(chǎn)線、3D打印技術(shù)，其雷達(dá)系統(tǒng)必不可少的一種電子元件嚴(yán)重不足，才是更大的核心問題。
蘇-57的雷達(dá)系統(tǒng)是什么樣子？有什么問題？
自冷戰(zhàn)以來，前蘇聯(lián)戰(zhàn)機(jī)就在航電性能方面明顯遜色于西方水平，以至于現(xiàn)在俄軍戰(zhàn)機(jī)都長期使用技術(shù)門檻較低的無源相控陣?yán)走_(dá)，例如蘇-35配備的雪豹-E型，這很可能也是該機(jī)在外貿(mào)市場(chǎng)遭遇滑鐵盧的關(guān)鍵因素。相比而言，蘇-57借助2019年定型N036有源相控陣?yán)走_(dá)，技術(shù)水平自然有了很大提升。
▲目前，蘇-57在烏克蘭前線的亮相次數(shù)少之又少
在軍武菌看來，蘇-57的一大主要任務(wù)是保護(hù)俄軍戰(zhàn)略打擊武器基地/設(shè)備的安全，但同樣重視航電強(qiáng)化，其兩側(cè)和襟翼則各自配備兩部N036N側(cè)視雷達(dá)和N036L機(jī)翼雷達(dá)，這些雷達(dá)都是L波段，以便探測(cè)西方隱身戰(zhàn)斗機(jī)和低空目標(biāo)，也滿足遠(yuǎn)距離敵我識(shí)別需求。而該機(jī)的機(jī)頭，則配備了一部大口徑X波段的N036大型有源相控陣?yán)走_(dá)。
相控陣?yán)走_(dá)本身以大量負(fù)責(zé)收發(fā)的T和R單元為核心部件，并同時(shí)增設(shè)大量輻射單元排列組成的天線。一般來說，單位面積容納的T/R組件更多，雷達(dá)性能和本身的散熱能力也更好，而有源相控陣?yán)走_(dá)在綜合方面都遠(yuǎn)超過無源相控陣?yán)走_(dá)，特別是有效距離和可靠性，但技術(shù)要求較高，目前也只有中美等國可自主大量制造此類雷達(dá)。
▲俄羅斯已給了蘇-57自己能提供的最好雷達(dá)
N036的孔徑為700X900mm，配備1552個(gè)T/R晶體管組件，平均和峰值功率分別為2千瓦和10千瓦，理論最大探測(cè)距離400千米。而孔徑近似的美國AN/APG-77雷達(dá)（F-22用）有1952個(gè)T/R組件，孔徑明顯更小的AN/APG-81雷達(dá)（F-35用）也有1676個(gè)T/R組件。軍武菌深知，這種差距將導(dǎo)致隱身能力本就嚴(yán)重不足的蘇-57在遠(yuǎn)距離對(duì)決中處于絕對(duì)不利態(tài)勢(shì)！
▲目前，美俄戰(zhàn)機(jī)的雷達(dá)性能差距還在加大
自2010年以來，中國的有源相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展神速，梟龍使用的外貿(mào)型KLJ-7A雷達(dá)（孔徑600毫米）也集成了上千個(gè)T/R組件，機(jī)頭直徑更大的殲-10C甚至在雷達(dá)水平上接近F-35！至于殲-20的雷達(dá)就更不用說。俄羅斯因?yàn)槲㈦娮蛹夹g(shù)落后，因此有源相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展受到很大影響，因此盡管俄羅斯在此方面的研發(fā)時(shí)間早于中國，但目前還沒有完全實(shí)用化。
▲梟龍系列的有源相控陣?yán)走_(dá)也不可小覷
蘇-57的性能在同代機(jī)中明顯不佳，但卻讓俄羅斯解決了第一步的有無問題；而N036雷達(dá)也是同理，同樣讓俄羅斯在戰(zhàn)斗機(jī)用有源相控陣?yán)走_(dá)領(lǐng)域邁出了第一步。該雷達(dá)的主要材料是砷化鎵，這種材料本身常見于目前的不少家用電器乃至俄軍此前使用的無源相控陣?yán)走_(dá)中，但俄羅斯在開發(fā)早期也因其廢品率高且價(jià)格偏貴而制約了其雷達(dá)的發(fā)展。
氮化鎵材料有何進(jìn)步？在軍事領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)是什么？
軍武菌既然提到了半導(dǎo)體原材料，就要詳細(xì)說起了。第一代半導(dǎo)體主要以硅、鍺等元素為代表，此時(shí)的半導(dǎo)體主要解決數(shù)據(jù)運(yùn)算和存儲(chǔ)等較為初等的問題；而第二代半導(dǎo)體則以砷化鎵和磷化銦等化合物為代表，其特點(diǎn)是在光纖通信和數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用較為廣泛，F(xiàn)-22使用的AN/APG-77雷達(dá)的主要材料就是砷化鎵。
▲氮化鎵代表第三代半導(dǎo)體的主要材料
砷化鎵是目前用途最廣、最成熟且產(chǎn)量最大的化合物半導(dǎo)體材料，用它為材料的器件具有頻率響應(yīng)好、速度快、工作溫度高等特點(diǎn)，適合制作高頻高速的器件和電路。但用它制作的晶體三極管放大倍數(shù)低、導(dǎo)熱性差、不適合用于大功率器件。此外，砷化鎵在高溫狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)分解現(xiàn)象，隨著戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)載雷達(dá)的發(fā)展，這一弱點(diǎn)就愈發(fā)凸顯。
目前，氮化鎵、碳化硅和硒化鋅等原料就成為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品的主要原料。1989年，美國首次在實(shí)驗(yàn)室中合成了該化合物，并發(fā)現(xiàn)其具有很高的穩(wěn)定性，并開始將其用于發(fā)光二極管。時(shí)至今日，氮化鎵已廣泛應(yīng)用于微波功率晶體管和藍(lán)色光發(fā)光器件。簡(jiǎn)而言之，目前的照明、高清顯示和5G通訊領(lǐng)域中，氮化鎵的地位至關(guān)重要。
▲砷化鎵用于某些雷達(dá)，會(huì)暴露一些問題
相比于砷化鎵，氮化鎵器件提供的功率密度要高得多，因此就能提供更大的帶寬和更大的放大器效益，并同時(shí)借助器件尺寸的縮小而提升整體效率，在高溫狀況下的穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)則更為明顯。使用氮化鎵制作的雷達(dá)信號(hào)收發(fā)器TR組件，其發(fā)射功率遠(yuǎn)強(qiáng)于砷化鎵半導(dǎo)體材料，目前一些最好的有源相控陣?yán)走_(dá)都使用了該組件。
長期以來，西方一直在智能和電子領(lǐng)域明顯超過俄羅斯，氮化鎵半導(dǎo)體材料的運(yùn)用同樣如此，例如F-35的AN/APG-81雷達(dá)。目前，美國國防部高級(jí)計(jì)劃局、國家航空航天局和美軍多兵種都開始迅速將氮化鎵作為重要的替代品，例如雷神公司為美國海軍開發(fā)的AN/SPY-6雷達(dá)就被視為十分成功的產(chǎn)品，并準(zhǔn)備配備到伯克-3系列驅(qū)逐艦。
▲美國在氮化鎵雷達(dá)方面已取得很大成就
相對(duì)于此前的AN/SPY-1，AN/SPY-6的總功率、靈敏度和最大探測(cè)距離和覆蓋面積都有了質(zhì)的飛躍。最主要的是，它在同時(shí)間內(nèi)探測(cè)和跟蹤目標(biāo)的數(shù)量也大幅增加，并能探測(cè)到截面更低的目標(biāo)，也能同時(shí)制導(dǎo)更多發(fā)射后的導(dǎo)彈。此外，諾格公司研發(fā)的AN/TPS-80雷達(dá)系統(tǒng)也趨于成熟，該雷達(dá)可用于地面和空中任務(wù)。因此軍武菌認(rèn)為，美國的底蘊(yùn)絕不能被忽略。
▲最上級(jí)等日本艦艇的雷達(dá)也采用了氮化鎵技術(shù)
此外，日本摩耶級(jí)驅(qū)逐艦和最上級(jí)護(hù)衛(wèi)艦配備的雷達(dá)也采用了氮化鎵技術(shù)，因此其整體效能必然得到較大提升。而瑞典也為本國預(yù)警機(jī)配備了新一代氮化鎵有源相控陣?yán)走_(dá)，理論上可探測(cè)到現(xiàn)役的隱身戰(zhàn)斗機(jī)。從目前的發(fā)展趨勢(shì)來看，2020年代開始世界各國將普及有源相控陣?yán)走_(dá)，而氮化鎵也將在2030年開始徹底取代砷化鎵。
俄羅斯在氮化鎵項(xiàng)目的落后，直接導(dǎo)致蘇-57難產(chǎn)
有報(bào)道稱，俄羅斯目前甚至連二代半導(dǎo)體材料砷化鎵都難以實(shí)現(xiàn)真正的自產(chǎn)，以至于只能依靠從他國引入。但軍武菌發(fā)現(xiàn)，早在解體前蘇聯(lián)就開始研究砷化鎵半導(dǎo)體，而俄羅斯也曾建立多家生產(chǎn)廠進(jìn)行生產(chǎn)，并成為美國之后第二個(gè)掌握砷化鎵微光增速管的國家，同時(shí)將其用于自己的第三代夜視儀。因此在砷化鎵方面，俄羅斯問題還不算大。
▲盡管在俄羅斯戰(zhàn)斗機(jī)家族中實(shí)現(xiàn)突破，但蘇-57的不足依舊難以回避
本世紀(jì)初，俄羅斯就想為米格-29使用甲蟲系列有源相控陣?yán)走_(dá)，但該計(jì)劃最終并未完成。而蘇-57使用的N036雷達(dá)雖早在2008年就開始測(cè)試，但受制于多方面不足，因此即便俄羅斯將自身能力范圍內(nèi)的所有先進(jìn)技術(shù)都用于該雷達(dá)，也難改變其性能落后的地位。拼光家底卻還是慘敗，軍武菌都為俄羅斯感到可悲。
早在6年前，俄羅斯就表示該國將啟動(dòng)基于氮化鎵的晶體管研發(fā)工作，將為此運(yùn)用世界最好的科學(xué)技術(shù)解決方案，當(dāng)時(shí)的計(jì)劃是在2017年研發(fā)出試驗(yàn)樣品。盡管在此方面技術(shù)積累薄弱，但俄羅斯很清楚半導(dǎo)體領(lǐng)域的新技術(shù)如果完善，就會(huì)極大提升自身裝備的作戰(zhàn)效果，因此俄羅斯電子公司等參加項(xiàng)目的企業(yè)不可謂不賣力。
▲對(duì)氮化鎵技術(shù)的重要性，俄羅斯也有正確認(rèn)識(shí)
然而幾年過去了，俄羅斯在此方面并未有什么實(shí)質(zhì)性的發(fā)展，2020年夏時(shí)俄羅斯相關(guān)代表甚至表示用于機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)的氮化鎵自主化生產(chǎn)項(xiàng)目甚至還未立項(xiàng)，該項(xiàng)目需要的是從原材料的生產(chǎn)線的全套技術(shù)鏈。在這方面，中美兩國已處于絕對(duì)領(lǐng)先位置，而俄羅斯要想在此方面使其達(dá)到實(shí)用化標(biāo)準(zhǔn)，顯然還需要相當(dāng)長時(shí)間。
軍武菌發(fā)現(xiàn)，雖然俄羅斯多個(gè)機(jī)構(gòu)早已在數(shù)年前表示他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中成功生產(chǎn)了氮化鎵材料和相應(yīng)組件，但大量配套廠商的倒閉卻使俄羅斯在最基本的獨(dú)立生產(chǎn)線建設(shè)能力上陷入停頓。而砷化鎵材料則價(jià)格明顯偏高，以俄羅斯的經(jīng)濟(jì)條件來看完全自主化生產(chǎn)必然肉疼。這樣一來，俄羅斯還是難免要在半導(dǎo)體原材料方面大量引入。
▲實(shí)驗(yàn)室合成顯然不等于能成熟量產(chǎn)
按理說，在此類關(guān)系重大的材料上依仗他國，本就隱患巨大。更讓軍武菌無語的是，俄羅斯8成以上半導(dǎo)體材料都依靠部分西歐國家和日韓一些民企，而這些國家要么是北約成員國，要么是美國的重要盟友。拜登上臺(tái)就恢復(fù)了奧巴馬時(shí)代對(duì)俄羅斯的強(qiáng)硬態(tài)度，俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)后，美國主導(dǎo)的全面制裁更是前所未有，因此一些國家的民企都不得不中止了貿(mào)易。
▲無疑，蘇-57難產(chǎn)的問題會(huì)隨著西方制裁加劇而擴(kuò)大化
這樣一來，蘇-57的雷達(dá)元件就徹底無法得到保證。軍武菌覺得，此時(shí)就算在紙面上提升蘇-57的產(chǎn)能，但也只能做到在閱兵式上把場(chǎng)面搞得漂亮些，而這些形如空殼的戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)俄空天軍戰(zhàn)力實(shí)質(zhì)提升就顯得意義不大。這就好比只要合格的小型反應(yīng)堆一天不搞定，中國就難以造出核動(dòng)力航母，哪怕造船廠的產(chǎn)能早已超過美國也是枉然。
中國氮化鎵技術(shù)發(fā)展世界頂尖，也許能讓蘇-57起死回生
軍武菌發(fā)現(xiàn)，中國早年間處境的不妙程度顯然更超俄羅斯，然而就在國外高度技術(shù)封鎖的不利條件下，中國很快認(rèn)識(shí)到氮化鎵微波射頻器件的重要性。數(shù)年來，西安電子科技大學(xué)、中電科13所和55所、蘇州能訊、國聯(lián)萬眾和中興通信等科研結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)公司就不斷在該領(lǐng)域深耕并作出大量貢獻(xiàn)。
▲在俄羅斯看來難以搞定的技術(shù)，在中國卻迅速“白菜化”
2017年11月，英諾賽科（珠海）科技有限公司解決了高溫環(huán)境下氮化鎵薄膜冷卻時(shí)容易發(fā)生破裂的問題，進(jìn)而讓中國首條8英寸級(jí)硅基氮化鎵生產(chǎn)線成功投產(chǎn)。2019年觀察者網(wǎng)報(bào)道稱，中電科13所和55所聯(lián)手推出的新一代射頻芯片項(xiàng)目獲得了“國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)”。據(jù)澎湃新聞2020年報(bào)道，國產(chǎn)三代半導(dǎo)體研發(fā)團(tuán)隊(duì)又獲得全國創(chuàng)新爭(zhēng)先獎(jiǎng)。
目前，氮化鎵技術(shù)已隨著手機(jī)充電器和移動(dòng)通信5G基站實(shí)現(xiàn)普及。在軍用領(lǐng)域，基于氮化鎵技術(shù)的T/R陣列也全部由國內(nèi)材料和設(shè)備制造，并使多種有源相控陣?yán)走_(dá)都成為受益者。據(jù)中電科14所介紹，在2021年補(bǔ)辦的珠海航展上，該所展示的YLC-8、YLC-12、SLC-7、YLC-18四種覆蓋多波段的雷達(dá)也都悉數(shù)采用氮化鎵技術(shù)。
▲中芯國際等企業(yè)可謂功不可沒
中國的數(shù)字陣列雷達(dá)也大量應(yīng)用了氮化鎵技術(shù)，據(jù)國防時(shí)報(bào)報(bào)道，曾助力殲-20在東海大顯神威的空警500預(yù)警機(jī)就是受益者。它采用直接數(shù)字合成、數(shù)字波束形成和數(shù)字收/發(fā)單元技術(shù)，大幅提升了探測(cè)精度和可靠性，成本也得以控制。有評(píng)論表示，數(shù)字陣列雷達(dá)相對(duì)有源相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)勢(shì)一如有源相控陣?yán)走_(dá)對(duì)無源相控陣?yán)走_(dá)，也引領(lǐng)了未來雷達(dá)發(fā)展方向。
▲珠海航展上亮相的多種中國雷達(dá)都實(shí)現(xiàn)了氮化鎵技術(shù)
目前，055系列萬噸級(jí)驅(qū)逐艦也擁有采用氮化鎵器件的數(shù)字陣列雷達(dá)，其功率得到充足保證。加上其雷達(dá)天線孔徑較大，因此探測(cè)距離和綜合管控水平也得以提升。相對(duì)于伯克-3，055級(jí)在覆蓋面積和指揮能力上具有優(yōu)勢(shì)，因此無論防空還是反導(dǎo)能力都將出類拔萃，進(jìn)而讓中國航母的安全系數(shù)直線提升，甚至還能為中國本土撐起?；鶓?zhàn)略反導(dǎo)的又一柄保護(hù)傘。
▲空警-500讓殲-20在東海成功震懾強(qiáng)敵
早在去年珠海航展相關(guān)新聞不斷發(fā)布后，軍武菌就發(fā)現(xiàn)一個(gè)讓人振奮的知識(shí)點(diǎn)：即便是YLC-8E這樣用于外貿(mào)的雷達(dá)，也完全采用了氮化鎵技術(shù)，這就說明中國早已攻破這個(gè)原本看似高大上的技術(shù)，并迅速將其白菜化。不少軍迷都和軍武菌有一樣的想法：中國人必然應(yīng)對(duì)此喜悅，今天的俄羅斯也應(yīng)從此察覺福音。
▲當(dāng)初和法國的兩棲攻擊艦合作項(xiàng)目失敗，俄羅斯應(yīng)當(dāng)對(duì)西方加深認(rèn)識(shí)
對(duì)俄羅斯而言，氮化鎵依舊難以自給，但西歐和日韓等原先可能暗中合作的國家開始站在徹底的對(duì)立面上。但近年來中俄兩國的各方面合作卻在不斷加深，以氮化鎵技術(shù)為例，中國無論技術(shù)還是產(chǎn)能都世界領(lǐng)先，外貿(mào)版氮化鎵雷達(dá)更屬于“性能不足，可以展示”的產(chǎn)品，因此如果俄羅斯務(wù)實(shí)一些，蘇-57的一大病根就很可能迅速被祛除，俄空天軍也將迅速獲益。
軍武菌迄今依舊記得多年前，中國軍迷每每談及某些當(dāng)時(shí)看來無比高大上的尖端軍事技術(shù)時(shí)，都只能和世界杯賽場(chǎng)上站隊(duì)不同強(qiáng)國的中國球迷一樣，其內(nèi)心深處的酸楚自不必多說。以至于中國可能從俄羅斯購入某種先進(jìn)武器或技術(shù)，都會(huì)成為軍事期刊的專題。而今風(fēng)水輪流轉(zhuǎn)，誰又能想到中國技術(shù)具有如此影響力呢？
蘇-57作為俄羅斯近年來為數(shù)寥寥的還算高性能的新型常規(guī)武器，落得如此境地的確令人唏噓。對(duì)此中國更應(yīng)當(dāng)居安思危：關(guān)鍵核心技術(shù)，永遠(yuǎn)要掌握在自己手中。每一項(xiàng)看似不起眼的技術(shù)，都是一座座小金字塔；而無數(shù)這樣的小金字塔，才是尖端武器這樣的大金字塔的基石。因此，中國就更需要以絕對(duì)認(rèn)真的態(tài)度投入到一項(xiàng)項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)的不斷升級(jí)中。