摘要：
主動雷達導引為當前中遠距離空對空飛彈之主要導引形式，其性能往往受限於雷達尋標器。晚近高功率雷達尋標器之發展使主動雷達導引飛彈性能更進一步，但也伴隨更高之熱管理需求。本文之目的在於闡述現行主動雷達導引空對空飛彈可運用之熱管理系統，並針對當前飛彈尋標器熱管理系統發展之可行方向進行探討。
【前言：主動雷達導引飛彈發展】
對於現代國防而言，各類型的飛彈無疑為用於摧毀、反制敵方目標之最佳手段，而各型飛彈導引系統中，現代最為重要、應用廣泛的則是主動雷達導引飛彈。最早的主動雷達導引系統可追溯至1940年代由美國海軍軍械局（Bureau of Ordnance）開發的ASM-N-2蝙蝠（Bat），該型滑翔炸彈透過彈載雷達進行導引，並在1945年4月創下擊沉數架日軍艦船的戰果，開創主動雷達導引系統發展與運用之先河[1]。
而後在同年6月，由美國海軍航空局（Bureau of Aeronautics）提出最初設計，並由康維爾公司（Convair）改良之SAM-N-2雲雀防空飛彈（Lark）則首次將連續波主動雷達導引系統運用於飛彈，並在1950年12月21日的試射中首次擊落靶機。連續波雷達係由美國雷神公司（Rytheon）的羅伊．桑達斯（Roy Sanders）提出，這種在當時可謂之開創性設計的新系統成為日後數十年間各型半主動、主動雷達導引飛彈發展之基石[2]。
在空對空飛彈發展方面，儘管麻雀飛彈（Sparrow）早期的三種構型中涵蓋了採用主動雷達導引的Sparrow II，但囿於當時的科技發展，雷達及真空管的尺寸難以塞入空對空飛彈的尺寸較小的彈體，導致該計畫在1959年遭到取消。
與此同時，因考量到採用核彈頭的需求，美國空軍提出具更長射程的GAR-X計畫，該計畫要求休斯公司發展一款具更長射程、主動雷達導引的空對空飛彈，並將之命名為GAR-9（1963年後改為AIM-47），該型飛彈同時也是當時世界最大空對空飛彈[3]。儘管AIM-47最終因YF-12A計畫的取消而消逝，但其努力並未付諸東流，而衍生出日後第一款實用化的主動雷達導引空對空飛彈：AIM-54。
AIM-54鳳凰飛彈的威名自不必多言。儘管以現今的眼光看來，該飛彈囿於1960年代科技的諸多缺點，如龐大的彈體限制住其機動性，在遠距離下僅能應付如轟炸機等機動性較差的目標等，但無人能質疑其160公里以上的射程與射後不理帶來的優勢，以及作為首枚實用化主動雷達導引飛彈的開創性。
時至1980年代末，得益於電子元件發展，使飛彈尋標器等元件尺寸大幅縮小，主動雷達導引飛彈外型變得更為纖細苗條。以1990年代初服役的美國AIM-120為例，彈徑相較於AIM-54的380mm大幅縮小到178mm，下降達53%；重量也自AIM-54的443公斤下降至161公斤，更是大幅減輕了63%的重量。阻力、彈重的減少使得AIM-120等新一代主動雷達導引飛彈的機動性獲得顯著提升，不可逃逸區（No-Escape Zone，NEZ）也大幅增加。此外，尋標器的性能相較於AIM-54也有所提高。
而至21世紀前半，主動相位陣列天線雷達（Active Phase Array Antennas Radar,下稱 APAA）技術的發展使尋標器性能的進一步提升獲得可能。傳統飛彈尋標器，或者說，傳統雷達，大多是借由機械式旋轉平面天線以控制雷達波束，轉向天線會受到慣性限制，限制其探測目標能力與抗干擾能力；而由T/R模組（T/R modules）組成的APAA則可透過改變T/R模組相位的方式控制波束，能更靈敏的追蹤目標，且具更優異的抗干擾能力。[4]而APAA可快速掃描、追蹤目標與高目標更新率等特色除裝配於傳統載具上，也極為適合應用於需要在更短距離追蹤、快速更新目標的空對空飛彈。
2008年，日本三菱公司提出世界首款採用APAA尋標器的AAM-4B空對空飛彈，在其後如中國的PL-15、俄羅斯的K-77M、美國的AIM-120D[5]等皆採用了APAA尋標器，以確保飛彈可摧毀越發常見的低可偵測度（Low Observable）目標。
然而，在更好的性能下，APAA的功率密度也相較於傳統雷達有顯著提高，使得散熱需求也不斷提升。相同的挑戰也出現在新一代採用APAA尋標器的主動雷達導引飛彈上，且因飛彈彈體空間與機動性上的多方面限制更為嚴峻（如圖1所示。）[5]。有鑑於此，主動雷達導引飛彈之熱管理系統發展極為重要，本文將針對當前主動雷達導引飛彈之尋標器熱管理系統進行分析，探討過去、當前發展與未來可行之彈載尋標器熱管理系統。
圖1.不同載台APAA之特性。[5]可發現彈載APAA之散熱需求更為嚴峻，且具較高的天線密度。
【雷達及飛彈尋標器熱管理概述（上）】
對於任何電子元件而言，其功率密度的不斷提升除帶來更高的性能外，也帶來更高的廢熱，使其散熱需求不斷提高。而配套的熱管理系統如無法滿足散熱需求，將使系統故障率提升，每升溫20度故障率便可能呈倍數增長[6]，而美國空軍在1989年的avionics integrity program計畫也表明，熱管理問題是航空電子系統故障主因[7]。此外，溫度場的變化更可能導致APAA的T/R模組出現電磁性能嚴重下降[8]。
而航空雷達——無論是機載或彈載——相較於地面或海面上的同行所面臨的熱管理問題又更為嚴峻。除雷達天線及電子元件本身產生的熱之外，飛行途中飛機或飛彈的玻纖雷達罩會不斷與流經表面的氣流產生摩擦，造成雷達罩溫度升高，高溫會進一步透過輻射傳遞至彈體內部。因此，除雷達或尋標器本身的熱管理問題外，飛機或飛彈還需進一步的考量玻纖雷達罩表層的熱防護材（Thermal Protection System, TPS）設計。其中，飛彈由於大多具有四馬赫乃至極音速之極速，故具更為嚴峻的熱防護材需求，但往往在採用適宜熱防護材下，尋標器熱管理問題得以回到尋標器本身產生的廢熱進行探討。
如前所述，主動雷達導引飛彈尋標器即是將雷達安裝於飛彈彈體，故在討論尋標器熱管理問題前，本文將一併探討現行的機載雷達熱管理系統。一般而言，APAA雷達主要元件可以分為三大類：電源供應單元（Power Supply Unit）、雷達處理單元（Radar Processing Unit）及陣列天線（Array Antenna），三者在運作時都會產生廢熱。
一般來說，機載APAA雷達的輸出功率與冷卻方式息息相關，而採用的冷卻方式可粗分為空冷與液冷兩種。所謂的空冷，又可稱為直接空氣冷卻，其原理乃飛機在飛行時會引入外部的冷空氣（如圖2），並透過機身內部的管路分配到陣列天線等三種單元。三種單元的廢熱會直接透過冷空氣進行冷卻，而吸走廢熱的熱空氣則會排入戰機的機艙內或直接與外界進行熱交換[9]。
圖2.機載雷達直接空氣冷卻示意圖。[9]
直接空氣冷卻長期做為戰機雷達冷卻方案，具有結構較為簡單的優點，與此同時，卻也受限於空氣本身較低的比熱容（Specific heat），在相同的質量流率與溫度差下能帶走的廢熱較少，故而冷卻效率遜於液冷。
因此，在早期APAA雷達發熱量較高的情況下，傳統採用空冷系統的戰機往往難以安裝APAA雷達，如早期採用APAA雷達的F-16E Block60便是改採液冷系統，而後續傳統的空冷系統的F-16則待科技進展與限縮雷達功率，才可在安裝空冷的情況下採用APG-83。但APG-83的天線功率也因此受到嚴格的限制，如文獻[4]預估在其餘REP等組件產生約1.5kW的廢熱的前提下，考量到整體空冷系統有限的散熱能力僅約5.5kW，T/R模組的輸出功率被迫限制在1kW左右，以確保廢熱不大於4kW。
圖3.機載雷達液冷示意圖。[9]
如F-35、F-16E Block60等戰機採用的液冷系統又稱為氣液交換冷卻系統（如圖3），與空冷系統相同，戰機飛行時同樣會引入氣流進行冷卻，但空氣僅會流經冷卻單元（Cooling Unit）。而冷卻單元的泵（Pump）則會將冷卻劑輸入到如雷達天線等系統單元進行熱交換，並將廢熱帶走，再回到冷卻單元與外部氣流進行熱交換，恢復為低溫液體後再度往其他系統輸送。冷卻劑往往具有較空氣更高的比熱容與熱傳係數，因此相較於傳統的空冷具備更好的熱傳效果。
值得一提的是，依據冷卻流道設計的不同，冷卻單元也會具備不同的性能。一般的液冷系統如圖4所示，當GaAs單元輸出功率時，產生的廢熱會透過封裝蓋（Heat Spreader）擴散，並進一步的傳導到T/R模組底部的殼，再傳導到冷板中的流體進行熱交換。而當前較為先進的研究中，已經有部分研究提出將流道進行設計，如增加微米等級的細小孔徑，使流體流過時產生射流，使流體呈紊流流動以確保更高的熱傳性能的噴射衝擊冷卻（Jet Impingement）等[10]。前述冷卻方式的提出，將使雷達功率受限於溫度的情形獲得進一步的改善，但大多仍處於研議階段。
圖4.機載雷達液冷流道示意圖。[9][10]
-待續-
【參考資料】
[1]. Lund, F. (2003, January). Evolution of Navy Air-to-Surface GuidedWeapons. In 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (p. 291).
[2]. Fossier, M. W. (1984). The development of radar homing missiles.Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 7(6), 641-651.
[3]. O'Connor, S. (2011). Arming America’s Interceptors: The HughesFalcon Missile Family (No. APA-TR-2011-0601, pp. 1-1). Air Power Australia.
[4]. Gaitanakis, G. K., Limnaios, G., & Zikidis, K. C. (2019). On theuse of AESA (active electronically scanned array) radar and IRST (infraredsearch&track) system to detect and track low observable threats. In MATECWeb of Conferences (Vol. 304, p. 04001). EDP Sciences.
[5]. Xu, P., Wang, Y., Xu, X., Wang, L., Wang, Z., Yu, K., ... &Wang, C. (2023). Structural-Electromagnetic-Thermal Coupling Technology forActive Phased Array Antenna. International Journal of Antennas and Propagation,2023.
[6]. Strutt, S.; Kelley, C.; Singh, H.; Smith, V. Data Center Efficiencyand IT Equipment Reliability at Wider Operating Temperature and HumidityRanges; The Green Grid Technical Committee: Oregon, OR, USA, 2012.
[7]. Avionics integrity program, 1989.
[8]. Wang, Y., Wang, C., Lian, P., Xue, S., Liu, J., Gao, W., ... &Xiao, S. (2020). Effect of temperature on electromagnetic performance of activephased array antenna. Electronics, 9(8), 1211.
[9]. Wang, C., Zhan, D., Qian, J., & Zhang, Y. (2022, July). Researchon Transient Thermal Design Method of Airborne Radar for Combat Requirements.In Proceedings of the Eighth Asia International Symposium on Mechatronics (pp.1270-1281). Singapore: Springer Nature Singapore.
[10]. Park, J. S., Shin, D. J., Yim, S. H., & Kim, S. H. (2021).Evaluate the cooling performance of transmit/receive module cooling system inactive electronically scanned array radar. Electronics, 10(9), 1044.
