硬核科普：“爱国者”防空系统用了多少稀土？

作者：张亦驰

中国关于稀土的表态引发外界高度关注，一时间“稀土”霸屏。人们常常把稀土和芯片联系到一起，实际上，稀土元素在军事领域的应用十分广泛。几乎每一件高技术装备，都离不开稀土元素。我们就以美国“爱国者”防空反导系统为例，看看稀土在现代高技术装备上的应用。

“爱国者”英文为PATRIOT，实际上是Phased Array Tracking to Intercept of Target的英文首字母（和第二个字母）凑成的，意思是“相控阵跟踪拦截目标”。那我们就先看看他使用的MPQ-53相控阵雷达。

从雷达到导弹，从通信设备到指挥控制单元，“爱国者”需要很多稀土。

这是一种典型的无源相控阵雷达。而稀土元素在雷达领域有着多种应用。比如用来产生和放大微波信号的核心器件行波管就用到了稀土元素。近年来，台湾从法国采购幻影2000战斗机的雷达行波管，一个就30万美元，足见这种器件的作用。而稀土永磁体，通常是钐钴，用在雷达的行波管中以聚焦微波能量。

行波管示意图，其中2和4部分需要用到稀土元素。

移相器是无源相控阵雷达的重要器件，雷达波束需要靠它进行扫描和空间合成。钇铁石榴石（YIG）和钇钆石榴石（YGG）用于移相器、调谐器和滤波器。这些系统用于“爱国者”防空导弹系统的制导雷达控制组合中。比如，钐钴永磁体用于“爱国者”系统的导弹和雷达系统的行波管中。YGG用于“爱国者”的相控阵元件中的环形线圈以及雷达和导弹中的射频（RF）环行器。有磁性的射频环形器主要用于控制电子信号。一般来说，钐钴永磁体用于聚焦雷达磁控管的电子束。磁控管用于空中交通管制雷达和监视雷达、搜索雷达、武器火控雷达的地面系统。

无源相控阵雷达的移相器需要稀土。

MPQ-53雷达在探测到目标后，还要把目标信息显示到显示器上。而显示器也离不开稀土。早期的“爱国者”系统显示器是典型的阴极射线管显示器（CRT），和老式的电视机一样。目标能在显示屏上显示多长时间，需要荧光粉来调节。比如长余辉显示器，就需要雷达扫过目标后，目标回波在显示器上显示的时间稍微长些，以便操纵人员能够及时发现纪录。而适合显示动态画面的显示器，则需要画面在显示器上停留的时间很短。

无论是老爱国者的CRT显示器还是新爱国者的液晶显示器，都要稀土。

自20世纪60年代早期以来，稀土一直被用于彩色阴极射线管荧光粉中。铕钇化合物长期以来一直被用作CRT屏幕中的红色荧光粉，因为其在611纳米波长处具有锐利的激发色峰。彩色超级视频图形阵列（SVGA）显示器通常使用中到短持久性磷光体。这样可以更快地更换SVGA图像并消除重影。氧化铈是CRT玻璃中的添加剂，用于减少电子发射的“褐变”，并作为CRT面板的玻璃抛光化合物使用。改进后的“爱国者”指控舱使用了液晶显示器，也得用稀土。液晶显示器等平板显示器需要用氧化铈抛光的玻璃面板或基板。

“爱国者”系统计算机也可能使用了稀土元素。因为具有钕铁硼永磁体磁盘驱动器的计算机用于许多武器装备中，其设计用于承受振动，冲击和过载，而稀土电机也用来驱动磁盘。如果“爱国者”的控制舱内需要扬声器接受指令，那也需要稀土。钕铁硼永磁体用于扬声器和磁带、硬盘以及CD / DVD驱动器。

“爱国者”系统的空情显示器，可能需要长余辉荧光屏。

“爱国者”的雷达发现目标后，可能要和上级和友军进行无线电联系，这也离不开稀土。上面谈到，用于产生和放大微波的行波管（TWT）和速调管在其波导中使用稀土磁体。行波管和速调管用于卫星通信、对流层散射通信、脉冲或连续波雷达放大器和通信链路。为了聚焦电子束，在宽带宽螺旋行波管中使用周期性稀土永磁体，而非周期性永磁体用于更高能量、窄带宽的速调管。

驱动爱国者导弹尾舵的，很可能是稀土永磁电机。目前美国的空空导弹、空地导弹基本都使用永磁电机驱动舵面作动系统。

最后，“爱国者”的拦截弹攻击目标，它尾舵的偏转需要电机控制，而其电机也是稀土永磁电机。稀土永磁以优越的磁特性，被人们称为超级永磁、永磁之王。其体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、散热和效率高。国际稀土协会前主席K·Strant曾指出，稀土永磁的出现，将引起电机的革命性变化。从上世纪70年代起，稀土永磁电机开始达到实用。1971年，美国斯特蒙哥公司研制成功了功率为400-1200伏安的稀土永磁发电机作为无人机电源发电机。而美国航天飞机的升降副翼的作动装置，则使用了重量仅为17磅的稀土永磁无刷直流电机。美国的AIM-9X、AIM-54、AIM-120空空导弹，AGM-84空地导弹、AGM-88反辐射导弹以及战斧巡航导弹都使用稀土永磁电机控制舵面，通常是钐钴永磁电机。