專家點評各國機載相控陣雷達技術

專家點評各國機載相控陣雷達技術
美空軍F-16C戰機上安裝的AN-APG-68(V)9機載雷達,屬於脈衝多普勒雷達
記:日本在研製F-2戰鬥機時,外界對其相控陣雷達的技術渲染得很厲害,認為它用砷化鎵製造的T/R模組成本很低,美國也是學它的技術等等。事實怎樣?
張洋:在技術層面上,美國是日本不能比的。日本F-2的J/APG-1雷達有750個T/R模組,天線孔徑為橢圓形,短軸長600多毫米,長軸長700多毫米,孔徑比F-16的機掃雷達大些。據報道,它每個T/R模組功率為3瓦。而美國早在1964年就開始了"微電子用於雷達"計劃,透過這個計劃試驗了有604個T/R模組的I波段機載有源相控陣天線,驗證了可行性。1970-1973年又進行了"可靠的機載固態雷達計劃",製造出有1048個T/R模組的機載有源相控陣天線,並解決了散熱問題,驗證了可靠性。因為T/R模組是要發熱的,它們緊密地靠在一起,散熱是一個關鍵設計。這個時期美國的技術就已超過J/APG-1的水平。美國第三階段是從1983年開始,1987年結束,驗證了機載有源相控陣的工作效率和經濟性,並研製出有2000個T/R模組的有源陣列,且首次採用了砷化鎵器件。所以說日本的J/APG-1雷達在世界上首次使用砷化鎵器件、並被美國所吸收引進的說法是站不住腳的。
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F-22上的APG-77雷達裝有2000個T/R模組,而且天線孔徑比J/APG-1大很多,每個T/R模組功率10瓦,重量才14.88克,所以在探測距離上,APG-77比J/APG-1優勢明顯,因為雷達的探測距離很大程度上是由它的有效功率和孔徑大小決定的。而且這些還是比較早的資料,最近APG-77的改型APG-77(V)1已完成了試飛鑑定。
F-2的J/APG-1雷達在2000年時單價400萬美元。而APG-77雷達的單價現在約為400多萬美元,也有說300多萬的,和其它國家機載相控陣雷達相比,應該說不貴,就是俄羅斯"甲蟲"機掃雷達,出口要價也要3000萬元人民幣。
記:有源相控陣雷達的成本中,哪幾部分是主要的?
張:一臺雷達除了天線,還包括資料處理機、訊號處理機等。F-22的訊號處理和資料處理已綜合到全機的一個綜合處理機中去了,這個綜合處理機處理許多感測器和功能系統的資訊,不止是雷達的。不過天線始終是雷達一個主要的成本構成,對相控陣雷達來說尤其是這樣。
前面說過,美國的機載有源相控陣在90年代初就已達到很低成本。後來一系列雷達的研製,包括F-18E/F的APG-79、F-16E/F的APG-80、F-35的APG-81,尤其是諾.格公司透過APG-77/80,雷神公司透過APG-79都驗證了新一代低成本模組,所以美國若再搞一個有2000個T/R模組的雷達,成本只能更低,且效能是日本不能比的。
記:美國對日本F-2的先進技術有何評價?
張:日本在研製F-2時,按照美日雙方的協議向美國提供了4萬份技術文件,內容主要是講美國技術在這個飛機上怎麼使用,所以美國對F-2的水平非常清楚。另外在1991-1996年,美國國防部、商務部和十幾家企業對F-2進行了12次專項考察,做出了一些評價。
(1)機載有源相控陣火控雷達:美方採購了5個T/R模組,送空軍萊特實驗室評價。美國國防部一些官員的看法是:F-22的APG-77在技術上比J/APG-1先進一代;這個雷達的水平並沒預期的那麼先進,而且其模組封裝方式的成本相對於美國當時的做法來說就太高。(2)慣性參考/導航系統:與當時F-16所採用的相比沒任何顯著的技術進步,而且未綜合GPS系統,在能力上不會超過F-16。(3)任務計算機:能力與當時F-16的任務計算機類似。(4)吸波材料:未及美國水準。(5)共固化整體複合材料機翼製造技術:用這項技術造機翼成本極高,但F-2的美方合作者洛.馬公司表示,這項加工技術用於F-35的複合材料機艙壁板製造,對降低成本有幫助。總之,F-2的綜合作戰能力沒能超越F-16後期批次。
所以對F-2的技術水平和作戰能力不宜高估。但這是和美國比,日本很多技術還是特別值得重視的。
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記:日本雄厚的電子工業水平是否有助於其火控雷達的研製?另外像臺灣、韓國的電子工業都很強,為什麼它們在雷達上無優勢?
張:雷達和軍用電子系統上的很多東西是民用電子中用不上的,如可程式設計行波管發射機、一些訊號處理演算法等。這裡面有一些如單片微波積體電路是靠電子工業的基礎,但你這個功能模組為什麼要那樣做、怎麼做,這是要有戰鬥機火控雷達的技術基礎、工程實踐和經驗才能做好的,這與一國的電子工業沒什麼直接關係。也就是說,你先要會做這個了,然後才能談本國工業基礎給你做好、用好這個東西可能帶來的好處。
比如J/APG-1雷達,它確實體現了日本先進的電子器件技術,強大的電子工業基礎,不過實際效能就未必很高,因為以前它沒有實際做過機載火控雷達。當然,這樣的評價主要是相對於美國、歐洲、俄羅斯等強國來說的。必須重視的事實是,J/APG-1是一臺已投入實際使用的機載有源相控陣火控雷達。
韓國和臺灣雖然也有較發達的電子產業,但它們更沒有這些技術和經驗,所以做不出好的機載雷達。
記:日本的武器對很多新技術的採用效果不理想,是什麼原因?
張:很難講。從客觀表現上來說,日本比較習慣於為技術而技術,而不是站在一個嚴謹的需求分析和系統設計上。比如說複合材料機翼。一般說,複合材料機翼可透過運用氣動彈性剪裁設計,如不同的鋪層,用一層層纖維的不同走向來最佳化機翼力學效能,提高機翼顫振速度。我國就曾透過區域性採用複合材料提高了殲8B在某些外掛條件下的顫振速度。但日本為F-2採用共固化的整體複合材料機翼,不但沒達到這種效果,反而不如普通機翼。它在掛空艦導彈時為防止顫振,最大飛行速度和飛行包線都將受到限制。又比如H-2火箭,用的技術都很先進,但就是毫無商業競爭力,因為它發射1次的費用夠"長征"2號發射8次了。
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所以說做工程應該根據要實現的目標來選擇首選和備選技術,同時要看到我做的東西最後整體上要滿足什麼要求,不要因為有了某個技術我就一定要用。日本的AAM-5新型近距彈可能也是個例子。它的佈局跟德國的IRIS-T差不多,但彈體更細長,這樣做很可能是為了在保持近界效能的同時打遠點,也就是打算結合IRIS-T和英國AS-RAAM的特點。但德國和英國的這兩個彈,為什麼要採用各自的設計思想,都是經過嚴格論證的。比如德國的BGT公司在做了論證和模擬後認為,近距彈增大遠界只會與中距彈的攻擊區近界重疊,並不能使戰鬥機在從超視距空戰到格鬥的過程中,提高對敵方目標的殺傷率,但是進一步提高近界效能就可以。IRIS-T就是在這樣的思想下研製出來的。所以,AAM-5這種兼顧的做法,到底能在多大程度上接近IRIS-T和ASRAAM,並不好下結論,這樣做的效費比,甚至在實際空戰中的有效性都還不好說。
記:那麼一個國家電子工業的水平在哪個層面上能對研製雷達有幫助?
張:應該明確,一個雷達從研製到服役要經過三個層次。一是技術,二是工程,三是產業。電子工業水平通常只對第三層次起作用。比如美國從F-35起,飛機設計中開始系統地採用COTS即商用現貨,用市場上現成的器件、部件甚至功能模組來開發自己的雷達。我國出口巴基斯坦的"梟龍",其機電系統也採用了民用產品。在這時,一個戰鬥機的研製在很大程度上就會受到你這個國家產業的影響。如果你的單片微波積體電路產業很薄弱,又想做批次生產的機載相控陣火控雷達,就只有兩條路。第一條路就是自己把這些都開發出來,但這需要技術和工程上的突破,需要建立產業鏈,需要大量的投資和時間。第二條路,就是你從器件到功能模組都大量靠進口,但這可能要受人家出口管制,即使人家賣你可能也非常貴。走第二條路還有一個問題就是,如果你進口器件和部件,由你自己把它生產成模組的話,還是會由於沒有成熟的產業,而面臨生產成本高和廢品率高等種種問題。而且這樣做,以後要自己搞升級改進也比較被動。
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美國至今已為機載有源相控陣雷達開發出8代T/R模組,後面幾代都大量採用民用技術。美國新一代導彈的導引頭、F-35的綜合航電系統處理機,從電路板到匯流排標準很多都是民用標準轉化過來的。你這個國家要沒這方面的產業基礎,器件要進口,協議標準要照搬人家的,那搞出來的就很貴。而且這樣的東西用於軍用還好,用於民用的話現在還面臨專利費風險。大家都知道中國是電視大國,不是電視強國,因為沒自主創新的技術標準。如果你賣一臺電視,人家向你收一臺的高畫質映象管技術專利費怎辦?這方面也有好的例子,海爾產品在美國市場賣得不錯,從電視新聞中還可以看到美國大兵在伊拉克運送海爾冰箱。海爾在美國要僱當地工人,人力成本很高,但它在很多專案上有自己的智慧財產權,一樣有競爭力,而且誰會去找它打官司?
另一個典型例子是GPS。美國GPS接收機很便宜,民用的才5美元一個,換在國內,你看市場上有低於300元的麼?因為這在美國有非常大的民、軍用市場,而且智慧財產權也是它的。美國JDAM制導炸彈裝了GPS,每顆炸彈價格不超過15000美元,至少有24000枚的訂貨。換成別的國家,GPS星座不是自己的,國內沒產業規模,那你要為彈藥裝GPS就很貴,且精度不能保證。這樣你為保證彈藥的精度,就還得在彈上加一套高階的慣導,但高階的慣導很不容易做,成本非常貴。這樣就能明白美國的機載有源相控陣可以比其它國家的T/R模組多很多,價格卻低得多。你的國家再搞重型五代機,有可能出廠單價比F-22低不了多少。另外,美國的飛機、任務系統及功能部件的可靠性比較高,可靠性設計水平也高,所以整個壽命週期費用會更低。
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記:"梟龍"不是用了民用產品麼?這是否是一個良性開端?
張:"梟龍"採用了民用的機電產品,但它目前是個出口機。航電的關鍵部分,包括雷達、座艙顯示與控制、顯示控制處理機和匯流排等等,都是用的國內現成的軍研成果,這個可以叫它"官方現貨",因為這些東西大都是國家投資研究出來的,經過改進用到了"梟龍"上。
記:機電和航電有什麼區別?
張:機電主要是指機械和電氣方面的,通常是用來維持飛行,包括第二動力裝置,液壓系統,作動裝置,環境控制等等。航電一般是指飛機的任務電子裝置,例如感測器系統、通訊/導航/識別、電子戰、座艙顯示與控制、任務計算機等等。
不過"梟龍"的航電也用了一些商業的東西,例如採用摩托羅拉的PPC處理器,作戰飛行軟體採用C/C++編寫等,規模也超過百萬行程式碼了。總的來說,國內在這些方面缺乏強大的產業基礎支撐,這樣許多先進的標準,包括硬體的和軟體的,都沒法用上來,而且成本和保障性方面的效果也不明顯。
美國的國防工業巨頭都是比較多元化的,只是下面的部門分工比較專業化。比如說洛.馬公司,這麼一個防務巨頭,它可以做航電總體,但它也能生產空中交通管制雷達。諾.格公司是搞電子對抗的,但它也生產很多民用電子產品。當你的武器想大量採用民品,或者需要產業支撐來提高可靠性和降低成本時,你就能清楚與美國的差距了。所以現在和今後一段時間內,國內的高技術武器便宜不了。人力成本在武器的發展中已非主要成本,現在很多輿論認為美國打不起仗,那實際上其它國家更打不起仗。
記:從上述三個層次看,俄羅斯有技術和工程實踐經驗,產業基礎薄弱,日本正相反,兩種畸形相比,誰更有希望些?
張:從軍事角度看,我認為最重要的還是技術積累和工程實踐經驗。先得做出來才談得上規模生產和降低成本。F-35的航電固然得益於美國的電子產業,但它的先進設計概念也是降低成本的關鍵。F-35的航電系統結構是基於美國空軍研究實驗室兩個計劃:"寶石臺"和"綜合感測器計劃"。前者是在F-22的基礎上提出一個更綜合、更先進的航空電子系統構架,後者是將原來飛機上60多個天線合併成十幾個天線,這樣飛機的重量成本都會大大降低。這種技術基礎和工程實踐能力,日本差距還比較大。
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記:俄相控陣的水平與日本相比?
張:俄羅斯在火控雷達上的設計水平是日本無法比的,就是很大很重,成本高,可靠性也有問題,這是產業支撐的不足。以蘇聯走的路不太一樣,它認為鍺比矽好用。再一個它認為電子管抗核爆電磁脈衝的能力比半導體器件強,功率又容易做大,所以它選了一條電子管小型化的道路。但美國和西方都選擇了以半導體為基礎的超大規模積體電路道路。西方可以把器件做得小巧,用功率合成的方式達到大功率,一般只在很需要大功率的情況下才用微波管。實際上對於抗電磁脈衝,積體電路可用別的方式加固,另外若真發生核戰爭,電子管也很難抗得住電磁脈衝。這不是電子干擾,它是形成像閃電一樣的能量脈衝,直接燒燬你的電子線路。以前電磁脈衝殺傷用核爆方式實現,現在有專門的電磁脈衝彈,不大,但一引爆,可能10千米半徑範圍內的電子裝置全都完了。
所以,蘇聯的電子工業不如日本,但它在機掃平板縫隙陣及無源相控陣的經驗上都是後者無法攀比的。目前俄有源相控陣雷達已開始試飛,有1500個T/R模組,天線孔徑比日本大很多。這個T/R模組俄羅斯已實現國產化。而日本第一次搞機載火控雷達就搞出一個有源陣,使用中出現什麼問題,怎麼解決,怎麼和其它系統綜合等都還缺乏經驗。我們的各種機掃脈衝多普勒雷達現在為什麼改進改型這麼快,因為前些年我們把技術問題基本都突破了,這樣你就能用新的硬軟體技術不斷去嘗試,越做膽子越大。沒做過這些,你就不知道是怎麼回事。
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記:目前,美國戰鬥機的軟體化程度越來越高,而它的軟體業薪酬又很高,它是如何應對這項成本之重的?
張:談這一點必須瞭解現代戰鬥機的軟體規模有多大,以及控制成本在當前的環境下受重視的程度。美國防部原來用Ada語言,F-22的飛行軟體關鍵功能就用它編的,但F-35在設計時就把費用作為獨立變數。以前設計飛機時都把設計定下來後再去計算成本,現在設計時直接考慮費用,如不達標馬上改設計。F-35當時就考慮找商業上的程式設計公司去做,因此它的軟體主要是用C++編的,這除了保證經濟性外,同時也是開放式思想,對今後升級很有好處。F-22的地面測試加上機載軟體總共有500萬-600萬行原始碼,而F-35達到了1900萬行。這樣大的軟體規模必須是F-35在設計時考慮的中心。在第五代戰鬥機上,航電系統的成本已佔到全機60%-80%,而軟體系統就是航電系統的關鍵組成。有人統計過,F-35要完成的功能有80%以上都透過軟體來完成。這樣大的軟體規模,要想在成本合理的範圍內完成開發和保證質量,就只能用C++這樣有廣泛商業應用的語言來程式設計。這就是一個產業支撐問題,而和硬體一樣,美國有大量的商用軟體開發公司。
記:F-35的軟體規模為何這麼大?
張:一是它比F-22年代晚,技術先進,二是它主要用於對地攻擊。F-22沒裝光電系統,而F-35裝的是360°環視光電系統,並要透過軟體功能把多個光電感測器結合成一個無縫的環檢視,這就需要大量軟體處理。F-35的雷達一開始就有很強的對地功能,如合成孔徑對地成像,而F-22到現在還沒有。F-22以後也要改進,軟體規模也會增加。第三,F-35的航電綜合程度比F-22高,更多的功能要靠軟體完成,包括感測器的管理和控制、感測器資料的融合。第四,F-35是世界第一個一開始就考慮與外界資料交換和網路中心戰的戰鬥機。比如,研製時英國就對F-35提出了94個資訊交換需求,其中50個被列為關鍵性的。這些都是導致F-35軟體規模擴大的原因。第五,F-35在後勤保障方面也是革命性的。比如F-22沒采用機載健康監測系統。它的自檢模組能監測很多如發動機、液壓、航電系統等的故障,但是它不能監測如機翼結構疲勞情況和計算剩餘壽命等。世界上第一種採用這種監測系統的戰鬥機是"颱風",F-35也裝了這種系統,但遠比"颱風"完善。F-35用的是革命性概念,比如它在戰鬥飛行中就能檢測並預測故障,然後把資料傳給地面。地面在它落地之前就已經把該更換的部件和地勤人員都準備好了,這樣F-35一落地就可更換,再出動率很高。這樣對機載軟體就提出了更多的要求。
F-35的許多技術要遠高於F-22,但並不能說它的作戰能力就超過後者。作戰能力更多的是看需求和平臺設計。任務軟體只是達到更多的功能如對地攻擊等,但完成某一種任務的效能還要看平臺的其它技術。如F-35的雷達和隱身技術與F-22比就是低成本的。F-22的超音速巡航、大載彈量、大航程也是F-35不能比的。F-35在航電系統怎麼去實現綜合與融合、怎麼去實現訊號處理和資料處理、怎麼實現作戰與控制等方面可能比F-22先進很多,但這是"怎麼實現"的問題而不是"要實現什麼功能"。要實現怎樣的功能是由設計要求決定的。比如說要迎頭髮現蘇-27這樣的目標,F-22的雷達要求能達到360千米,而對F-35的雷達,設計時就有可能只要求達到200千米。所以F-35的雷達可以採用比F-22更先進的技術,但探測距離卻要更近。這是思想和需求的問題,簡單比較誰更先進沒意義。
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記:通常,數學應用水平在火控軟體上起重要作用。那麼原東歐國家如波蘭、羅馬尼亞等數學水準都很高,但它們的火控雷達軟體水準高麼?
張:數學只是一個理論化的工具。火控雷達要採用什麼樣的數學模型,要怎樣處理訊號和資料,還要大量工程實踐。如雷達的海上雜波和陸地雜波都是怎麼樣的,怎麼對抗干擾,怎麼分選目標等都要大量實驗。解決方案也靠大量實驗,這樣才能總結出實際上好用的演算法。
記:您談到很多技術和工程之間的關係,那麼它們如何區分?
張:技術是相對理論化的,包括概念、原理、理論、效應等。但我怎麼把這個技術用到一個型號中並達成我的目標,這是工程。也可以把工程看成技術開發的最高階階段,美國和英國的技術成熟度評價標;隹就包括了這整個過程。
光有技術還不行。搞成一種裝備需要解決許多工程問題。不同戰鬥機可能技術相似,但不能簡單定義為互相模仿抄襲,根本原因就是工程。工程需要結合技術和實際需求,也就是說,要看我最後要的是什麼東西是什麼效能,然後再看我該用什麼技術,怎麼去實現。所以你要說"紅旗"-2是仿製"薩姆"-2還可以,但你不能簡單地看到兩個外形有點相似的武器裝備,就是誰抄誰的,這往往是說不通的,因為需求和工程實際的差別有可能都很大,怎麼抄?
拿F-22和蘇-37來講,兩者都有推力向量,但F-22的推力向量是和全機一體化設計的,隱身、超音速巡航、超機動性、敏捷性全都有考慮,蘇-37是後來加的,至多考慮到超機動和敏捷性,這在工程上就會很不一樣。蘇-37的推力向量如果與氣動效能有了衝突,該怎麼解決?控制與飛行載荷怎麼分配?這不是二元矩形還是軸對稱噴管的技術問題,這是工程問題。如果以後其它國家搞了軸對稱推力向量,可能有人要用蘇-37的類比,但如果我在新機設計時就考慮了隱身、氣動的影響,和蘇-37又怎麼能一樣?技術上很多東西可以從公開的論文中看到,而工程的東西不容易看出來。就算兩個都是五代機,都用二元噴管,但實際的控制律可能完全不同。比如我這個考慮在60°迎角的時候推力向量往下轉一個角度,把機頭壓住,然後再依靠平尾低頭或滾轉;而另外一個在這時根本不用推力向量,就用平尾加上其它操縱面綜合控制,推力向量仍然用來提高俯仰敏捷性,這在工程上就是不同的東西。怎麼把技術表現出來,怎麼用,這都是工程上的事。再如,綜合式航電系統是一門技術,但你把美、俄、法、中等國的綜合航電系統構架圖拿來,它們的思路和解決方案都不一樣,就是第三代戰鬥機的聯合式航電,P/A-18和F-16的構架區別也是很大的。
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記:系統和工程之間怎麼區分?
張:對於單一的飛機來說,系統也是工程的一部分。只是說工程可以針對具體的一項技術、一個部件;當你站在一個功能模組,一個子系統的角度,去考慮工程實現時,就需要考慮它們內部組成之間的相互關係,這就是系統。比如雷達的波束掃描怎麼實現,這是工程,但不叫系統。什麼是系統?我有源相控陣雷達的技術水平比別人差點,但我可搞個好的電子戰系統,用無源雷達和雷達告警接收機甚至有源對消來和別人對抗,我兩個東西結合起來就可能比你強,這就是從系統的角度來談工程。
記:您以前提過"有所為有所不為"已行不通了,是否針對這方面來講的?
張:是的。因為現在講裝備體系,講網路中心戰。你要是看到美國搞了一個什麼體系,但只從中挑你認為有用的,而看到哪部分太貴太難搞了不想用,這是不行的。你知道缺了這部分會有什麼影響?所以以後,你如果還主要靠跟蹤跟進,要有所為有所不為也可以,但你必須首先構建自己的體系和網路,要明白這個系統是怎麼整體運作的。以前工程層面的內容被包在飛機裡面,不易看到,只能看到是用了什麼技術。但實現網路中心戰後,以前深藏的工程上的東西浮到表面上來了。這個體系搭建的思路是什麼樣,怎麼協同和指揮控制,2架和4架編隊作戰運用有什麼不同,這都是系統工程解決思路的表現。
記:最後談點題外話。對於"陣風"和"颱風"的水準比較,很多人認為"颱風"遠遠勝出,您如何看?
張:在空戰上,"颱風"的平臺更好,超音速飛行能力和超音速機動性更好。但航電技術上,"陣風"在歐洲首屈一指。
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記:我怎麼感覺正相反,"陣風"的氣動外形給人的直覺就非常自然,動感很足,"颱風"的外形始終感覺不順。
張:達索總裁的那句話也許沒錯,但至少不能倒過來說,外形不好的氣動就一定不好。而且"陣風"推重比處劣勢。
記:似乎法國人不願在動力上追求極限,這在汽車工業也有體現。法國的雷諾、標緻、雪鐵龍至今沒有量產3.0以上的汽油機,和動輒V10、V12的賓士寶馬大眾相比,法國的發動機始終是弱項,它似乎總願意靠底盤和操控上的優勢以小博大,來和後者競爭。另外法國在人機工程上想法總很獨到。
張:是這樣。"陣風"的顯示器佈局就很獨到。F-22是一平六下,其實這麼多顯示器未必好。F-35是兩大下,比F-22的資訊顯示要集中很多,但它的平顯等於做到頭盔裡了,當飛行員轉頭、視線離開正前方時仍能看到即時資訊,這是世界一絕。"颱風"和"陣風"的都是一平三下,前者沒什麼特色,"陣風"的則是中間的下顯是準直的,就是聚焦到無窮遠,因此在來回觀察平顯和下顯時,眼睛不易疲勞,飛行員對這點評價很高。這是除F-35外的世界另一絕。另外,"陣風"的綜合電子戰系統也很好。
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