波束控制

使用電傳操縱系統可以縮短設計和安裝時間,這是不言而喻的。 雷達系統採用最先進的AESA天線、高性能的接收機/激勵器、商用的處理機(貨架產品)。 APG-79AESA雷達極大地降低了載機的雷達可觀測性,即提高了飛機的隱身特性。

電傳操縱(FlyingByWire)系統是將飛行員的操縱信號,經過變換器變成電信號,通過電纜直接傳輸到自主式舵機的一種系統。它去掉了傳統的飛機操縱系統中布滿飛機內部的從操縱桿到舵機之間的機械傳動裝置和液壓管路。電傳操縱系統的主要組成部分包括運動感測器、中央計算機、作動器和電源,它相當於動物的感覺器官、大腦和肌肉。

由飛機操縱系統的發展我們可以體會到,任何事物的發展都是由需要和可能這兩個因素決定的,電傳操縱系統的發展也是如此。它是隨著飛機(包括某些飛行器)的飛行控制技術的不斷提高以及科學技術的發展而逐漸發展起來的。

電傳操縱的重要性在於打破了飛機設計中需要保持靜穩定性的布局,設計師們可以為戰鬥任務選擇和最佳化最有效的布局,然後由儲存在飛行控制計算機軟體中的相應控制律增加人工穩定性。現役戰鬥機中已經有多種飛機採用電傳操縱系統,例如F-16、幻影2000、“狂風”戰鬥機、F-15、Su-27、F/A-18等等。
電傳操縱的優缺點

電傳操縱系統克服了傳統的機械操縱系統存在的一繫到缺點:重量大、占據空間大、存在非線性(摩擦、間隙)和彈性變形,為了保證飛機合適的操縱性的機械機構相當複雜。電傳操縱系統與機械系統相比卻簡單得多,它不受溫度變化而引起的膨脹和收縮的影響,不需要潤滑,去掉了百餘個鉸支點,更重要的是可為主動控制技術的實現作出重要貢獻。

電傳操縱系統的優點概括起來有下述幾點:

減輕操縱系統的重量。按飛行操縱系統的重量百分化來考慮,使用電傳操縱系統可減輕的重量是相當顯著的。據研究估計在戰鬥機上使用電傳操縱系統可使飛行操縱系統的重量減輕58%,如F-16減少181公斤;通用動力公司估計在大型、高性能戰略轟炸機上使用電傳操縱系統的話,可使飛行操縱系統重量減輕84%,即242.7公斤左右;洛克希德公司估計在大型運輸機上使用電傳操縱系統可使飛行操縱系統重量減少317.5公斤;在直升機上套用電傳操縱系統也能使重量減少很多。在類似現在使用的那些直升機上套用電傳操縱系統可使操縱系統重量減少86%。

減少體積。在高性能飛機上使用電傳操縱系統使操縱系統的體積大為減少。在戰術戰鬥機上可減少體積24,000立方厘米;對於戰略轟炸機來說,體積的減少更為驚人。通用動力公司估計,使用電傳操縱系統,由於去掉安裝操縱鋼索、鋪設管道和機械聯動機構的空間,體積可減少4.39立方米。

節省設計和安裝時間。使用電傳操縱系統可以縮短設計和安裝時間,這是不言而喻的。據北美洛克威爾公司估計,大批生產時,大型、高性能戰略轟炸機飛行操縱系統設計和安裝時間,每架飛機差不多可節約5000個工時,使每架飛機生產總成本降低8萬美元。

提高飛行操縱系統的可靠性和生存性。由於電傳操縱系統都採用冗餘技術,例如三餘度或四餘度設計,可使系統可靠性大大提高,這種可靠性的提高除了增加飛行操縱系統本身結構可靠性外,還可從排除像維護疏忽、自然界的影響或是飛行中機務人員或乘客的動作之類的因素造成的不能予知的故障影響,這些故障在一般機械操縱系統中是災難性的故障。所謂三餘度或四餘度就是飛機的感測器、計算機和舵機採用三或四套,以確保一套發生故障時,能夠有另一套繼續完成相應工作,確保飛機的安全。

減少維護工時。採用機內自檢裝置可從很快發現故障並加以隔離,恢復工作狀態,就不需要進行現在必須完成的花錢多、費時間的定期維修。電傳操縱系統由於採用余度技術,部件多了可能故障次數有所增加,但是由於故障隔離和維修簡便完全可從抵消故障增加的影響。北美洛克威爾公司估計,對於高性能戰略轟炸機來說,使用電傳操縱系統,每飛行小時的維護工時大約減少10%,這樣可從使飛機在地面停機時間減少3.5%。伏托爾公司估計,對於直升機和其他垂直短距起落飛機上所使用的複雜操縱系統來說,採用電傳操縱系統後可使操縱系統的維護工時減少50%或者更多。

改善飛機的操縱品質。使用電傳操縱系統剔除了諸如靜摩擦和遲滯等機械系統的非線性,因此很容易調整飛機回響和桿力的函式關係,使其在所有飛行狀態下滿足操縱要求。

對撓曲,彎曲、熱膨脹等引起的飛機結構變化的影響不敏感。機械操縱系統對於飛機結構的變化是非常敏成的,設計師必須盡最大努力力求使這種影響減到最小,採用電傳操縱系統這些影響就自然清除了。電傳操縱系統甚至可能套用某種結構模態穩定措施有效地提高飛機構架的剛度,從而增加系統的疲勞壽命。

座艙布局員活性大電傳操縱系統可用側桿控制器和其他小型控制器。因此,駕駛員觀察儀表的視線再不會受到很大的中央駕駛桿的影響。

自動飛行和著陸系統的結合方便。電傳操縱系統不需要串、並聯的伺服作動器以及自動飛行控制系統和自動著陸系統的複雜混合和綜合裝置,因為全部輸入量是電信號而且在伺服助力器前面採用電子方法綜合。

使設計具有更多的靈活性。電傳操縱系統受在生產階段可能引起的飛機外型或系統性能變化的影響很小。這是因為電傳操縱系統的設計固有的靈活性,實際上控制的變數是感受飛行器的運動而不是控制操縱面的位置。一旦電傳操縱系統在飛機基本設計階段加以考慮,而且飛機的飛行安全完全可依賴於它的連續工作,飛機機體的靜穩定就已經不那么重要了。因此,飛機設計師和氣動力專家將得到全新的設計自由,這種設計以前一直受到飛機機體在沒有任何控制信號輸入時是穩定的這一要求的限制。這種新的設計方法可從設計出機動性更好、重量更輕、阻力更小和執行特殊任務的飛機。這種技術對未來飛機所產生的影響將遠遠超出用電傳操縱系統簡單地取代機械操縱系統所能得到的好處。

降低用戶的費用。因為電傳操縱系統具有上述諸優點,因而可從使用戶的使用費用大大降低,這對政府和民用航空公司都是頭等重要的。

電傳操縱雖然具有如此眾多優點,但是由於它採用了大量的電氣設備,所以在使用過程中會有可能受到電磁干擾以及雷擊,這對電氣設備的可靠性威脅很大。特別是現代先進戰鬥機採用了越來越多的複合材料,飛機機體對電磁波的禁止作用越來越小,這個問題就越來越嚴重。因此,現在美國已經開始了光傳操縱系統的研究和試飛,它將電信號轉化為光信號,利用光纖來傳輸,從而徹底避免了電磁干擾的產生

近50多年來,機載雷達不斷注入新的技術成果,性能大幅度提高。新技術是提高雷達探測能力的原動力。在單脈衝跟蹤體制未獲使用前,圓錐掃描體制的雷達很難對付敵方施放的角度欺騙干擾;沒有相參體制的脈衝都卜勒雷達,就無法對付借著強大的地雜波掩護的低空入侵的飛機和飛彈;沒有頻率捷變體制的雷達,就很難同現代戰爭中廣泛採用的各種雜波干擾相抗衡。相控陣技術是近年來正在發展的新技術,它比單脈衝、脈衝都卜勒等任何一種技術對雷達發展所帶來的影響都要深刻和廣泛。進入上世紀80年代,機載相控陣雷達才初獲套用。先進的機載有源相控陣雷達是近期,即本世紀初才進入服役。AESA的成功套用是對傳統機載雷達的一次革命,她極大地擴展了雷達的套用領域和提高了雷達的工作性能,進而提高和豐富了作戰飛機執行任務的能力和作戰模式。

採用AESA技術的機載雷達將會至少在以下方面實現巨大的性能突破:

·雷達作用距離大幅度增長:由於AESA雷達T/R模組中的射頻功率放大器(HPA)同天線輻射器緊密相連,而接收信號幾乎直接耦合到各T/R模組內的射頻低噪聲放大器(LNA),這就有效地避免了干擾和噪聲疊加到有用信號上去,使得加到處理器的信號更為"純淨",因此,AESA雷達微波能量的饋電損耗較傳統機械掃描雷達大為減少。

·解決了可靠性的瓶頸問題:由於信號的發射和接收是由成百上千個獨立的收/發和輻射單元組成,因此少數單元失效對系統性能影響不大。試驗表明,10%的單元失效時,對系統性能無顯著影響,不需立即維修;30%失效時,系統增益降低3分貝,仍可維持基本工作性能。這種"柔性降級"(gracefuldegradation)特性對作戰飛機是十分需要的。

·解決了同時多功能的難題:所謂同時多功能,即指有源相控陣能在同一時間內完成一個以上的雷達功能。它可以用一部分T/R模組完成一種功能,用另外的T/R模組完成其它功能;也可用時間分隔的方法交替用同一陣面完成多種功能。如雷達在進行地圖測繪(SAR/GMTI)、地物迴避、地形跟隨、威脅迴避的同時,還可實現對空中目標的搜尋和跟蹤,並對其進行攻擊。由於AESA是由多個子陣組成,而每個子陣又是由多個T/R模組組成,因此,可以通過數字式波束形成(DBF)技術、自適應波束控制技術和射頻功率管理等技術,使雷達的功能和性能得到極大的擴展,可以滿足各種條件下作戰的需要。並能因此而開發出很多新的雷達功能和空戰戰術。

·隱身飛機和現代空戰需要相控陣雷達:隱身飛機配裝相控陣雷達(PESA或者是AESA)幾乎是唯一的選擇。迄今為止還沒有出現使用機械掃描雷達的隱形飛機,也說明了這一點。低攔載機率(LPI)和低觀測特性(LO)是隱身飛機能否實現隱身和順利完成作戰任務的關鍵。在當前極為嚴峻的電子干擾環境中,"LPI",即機載雷達輻射的電磁波被敵方攔截機率的高低是一項重要的性能指標。在攻擊有專用電子干擾飛機掩護的機群或單機時,強烈的電磁干擾將使傳統的雷達無法正常工作。AESA天線口徑場的幅度和相位都可以隨意控制,可使天線旁瓣的零值指向敵方干擾源,使之不能收到足夠強度的雷達信號,從而無法實施有效干擾。通過數字波束形成(DBF)技術,可以使主波束分離成兩個波束,使其零值對準敵方干擾源;若干擾源位於雷達旁瓣方向,則在該方向也可以形成零值,使敵方收不到雷達信號,從而無法實行有效干擾。AESA的自適應波束形成能力是機載雷達在複雜的電磁環境中得以保持其作戰能力的重要因素。

目前正在研製和開始裝備的有代表性的戰鬥機AESA雷達主要有:

(1)F-22機載雷達(AN/APG-77):人們常常問什麼是第四代戰鬥機F-22令人印象最深的特性?它在什麼領域具有最重要的技術突破?通常的回答是它的隱身和超音速巡航特性。但這些特性實際上在以前的戰鬥機上已經分別在F-117和SR-71上實現了。談不上突破。業內人士和F-22飛行員們則普遍認為F-22最大的突破是它的航空電子系統實現了更高程度的綜合,AESA雷達首次在戰鬥機上採用。它使飛機具有更為銳利的眼睛,更為豐富的作戰功能。對戰鬥機目標的作用距離超過200km。可以實現"先敵發現、先敵發射、先敵命中"。F-22雷達可以進行脈間變頻、快速掃描,敵方很難檢測和定位。同時還可以用時分的方法進行電子情報蒐集、實施干擾、監視或通信。這些是以前戰鬥機雷達所無法實現的。下圖為F-22的雷達AESA陣面照片。

F-22雷達採用AESA體制,它由美國諾·格公司(NorthropGrummanCorp)和雷神公司(RaytheonSystemsCompany)共同研製。該雷達將用於21世紀初在美國空軍服役的F-22先進戰術戰鬥機,目前F-22是世界最先進的戰鬥機。F-22能在多種威脅環境下,以低可觀測性、高機動性和高靈活性對超視距敵機進行攻擊,也能進行近距格鬥空戰。1998年4月,諾·格公司已交付第一套APG-77雷達硬體和軟體給波音飛機公司F-22航空電子綜合實驗室,對F-22的航空電子設備進行系統綜合測試和鑑定試驗。作為APG-77計畫的工程發展(EMD)階段的首批11部雷達已交付給諾·格公司馬里蘭州測試實驗室進行系統級綜合與測試。全尺寸雷達自1999年開始生產,預計到2004年11月具備初步作戰能力(IOC),2005年開始服役。AN/APG-77雷達是一部典型的多功能和多工作方式的雷達,其主要的功能有:

●遠距搜尋(RS)

●遠距提示區搜尋(cuedsearch)

●全向中距搜尋(速度距離搜尋)(velocityrangesearch)

●單目標和多目標跟蹤

AMRAAM數傳方式(向先進中距空空飛彈傳送制導修正指令)

●目標識別(ID)

●群目標分離(入侵判斷)(RA)

●氣象探測

雷達可能擴展的功能有:

●空/地合成孔徑雷達(SAR)地圖測繪

●改進的目標識別

●擴大工作區(通過設定旁陣實現)

(1)F-35(JSF)機載雷達(AN/APG-81):2000年,美國國防部JSF項目辦公室授予諾·格公司4200萬美元契約為JSF設計、開發和試飛AESA雷達,它是多功能綜合射頻系統/多功能陣(MIRFS/MFA)計畫的一部分。雷達系統採用最先進的AESA天線、高性能的接收機/激勵器、商用的處理機(貨架產品)。由於採用了最新的技術成果,大量減少了元器件和內部連線器數目,所以JSF雷達的成本和重量都較其前輩(F-22雷達)有大幅度地降低,重量和價格降低了約3/5,製造和維修也比較簡單。MIRFS/MFS計畫要求T/R模組能夠實現全自動化生產;可靠性比傳統的機械掃描雷達提高一個數量級;後勤保障和全壽命費用降低50%。APG-81採用開放式結構,為將來性能增長提供極大空間。JSF的AESA雷達設計的一條重要原則是必須滿足JSF對隱身特性的要求。同時強調必須滿足軍方提出對JSF的"四性"要求,即:經濟承受性、致命性、生存性和保障性。

(3)F/A-18E/F雷達AESA改進型(AN/APG-79):

F-18D/C/E/F原來配裝雷達APG-65/73,其AESA改進型編號為APG-79。該雷達仍由APG-65/73雷達的製造商雷神公司研製。APG-79採用先進的AESA體制,於2003年7月30日在美國中國湖(ChinaLake)海空作戰中心配裝在F/A-18上進行成功首飛。新雷達可以同現有F/A-18機載武器相匹配,同時,設計留有日後充分擴展的餘地。APG-79AESA雷達極大地降低了載機的雷達可觀測性,即提高了飛機的隱身特性。雷達的可靠性和維護性也得到了根本的改善。雷神公司將於2005年向波音正式交付裝機的APG-79雷達。APG-79AESA雷達具有下述功能和特點:

空對空:

·攻擊遠距目標

·通過資源管理器減輕飛行員工作負荷

空對面:

·防區外遠距高解析度地圖測繪

·同時具有多工作方式工作能力

可靠性和成本:

·系統可靠性增加5倍

·自檢系統可以把故障隔離到外場可更換模組(LRM)

·通過T/R模組的特殊設計實現系統"完美"降級

·運營成本大幅度降低

裝備F/A-18E/F的3部AESA雷達系統於2004年6月份開始在中國湖的海空作戰中心進行新一輪的試驗,並通知試飛小組制定一個有特種作戰部隊、埃格林空軍基地等單位參與的試驗計畫。還要求演示試驗飛機和指揮船之間的通信鏈路,研究F/A-18E/F和EA-18G可以向指揮船提供什麼信息。海軍已經建立了一個工作小組,目前要做的是同空軍的F-15和JSF方面的人員接觸,深入討論聯合試驗和性能鑑定等問題以及建立一個工作小組評審有關標準、結構和規約。美國海軍和空軍目前都在研究AESA究竟能為未來戰爭帶來一些什麼變化和收益?他們正在尋求幾個關鍵問題的答案:

·目前,AESA雷達的作用距離已經是傳統機械掃描雷達的一倍,可供選用的雷達功能已極大地豐富,這樣我們可以創造一些什麼新的戰術?

·一個雙機或4機編隊怎樣分工完成空對空和空對地的攻擊任務?

·如何由一架裝有AESA的戰機引領一批沒有裝載AESA的普通戰鬥機提高他們的戰鬥能力?

(4)F-16(UAE)雷達AESA改進型(AN/APG-80):

F-16原來配裝APG-66/68,APG-80為其AESA改型,仍由諾·格公司研製。該公司還同時為F-16UAE研製電子戰系統。F-16UAE是為阿聯研製的F-16第60批產品,計畫生產80架。2004年到2007年完成交付。由於諾·格公司在此期間幾乎同時得到了F-22和F-35的配套雷達研製契約,因此大部分AESA技術和模組都可以移植到APG-80中來。這使其研製周期可以大為縮短。預計2004年7月,雷達可以交付到飛機承包商洛·馬公司進行雷達的驗收試驗。APG-80雷達具有先進的對空和對地兩種工作模式,這也是採用諾·格公司第4代發射/接收機模組化技術的第一種產品。APG-80可以連續搜尋和跟蹤出現在它掃描範圍內的多個目標。此外飛行員還可以同時進行空對空的搜尋與跟蹤、空對地的目標瞄準以及地形匹配飛行。

新的波束捷變技術帶來了雷達能力的巨大增長,擴展了飛行員對態勢的感知能力,使雷達對目標探測距離更遠,並具有高清晰度合成孔徑雷達成像能力。雷達的可靠性也比傳統的機械掃描雷達高數倍。

(5)F-15改進型雷達(AN/APG-63V2)

F-15原來配裝AGP-63/70,APG-63V2為其改進型,採用有源相控陣體制。雷神公司已完成向波音飛機公司的最後18架F-15C的APG-63(V)2AESA雷達的交付。這是世界上首次進入空軍服役的戰鬥機AESA雷達。該雷達消除了原來F-15雷達笨重的液壓天線驅動系統,雷達的快速掃描和多目標跟蹤能力都得到了數量級的增長。提高了飛行員對戰場環境的認知能力。該型雷達能夠同現有的飛機武器系統很好地兼容。由於作用距離的增加,使得增程的AIM-120的性能得到充分的發揮,並能在更大的視場範圍內(方位和俯仰)制導多枚空空飛彈,同時攻擊多個目標,包括雷達截面積很小的隱身目標,如巡航飛彈等

脈衝都卜勒雷達是利用都卜勒效應製成的雷達。1842年,奧地利物理學家C·都卜勒發現波源和觀測者的相對運動會使觀測到的頻率發生變化,這種現象被稱為都卜勒效應。
脈衝都卜勒雷達的工作原理可表述如下:當雷達發射一固定頻率的脈衝波對空掃描時,如遇到活動目標,回波的頻率與發射波的頻率出現頻率差,稱為都卜勒頻率。根據都卜勒頻率的大小,可測出目標對雷達的徑向相對運動速度;根據發射脈衝和接收的時間差,可以測出目標的距離。同時用頻率過濾方法檢測目標的都卜勒頻率譜線,濾除干擾雜波的譜線,可使雷達從強雜波中分辨出目標信號。所以脈衝都卜勒雷達比普通雷達的抗雜波干擾能力強,能探測出隱蔽在背景中的活動目標。
脈衝都卜勒雷達於20世紀60年代研製成功並投入使用。20世紀70年代以來,隨著大規模積體電路和數字處理技術的發展,脈衝都卜勒雷達廣泛用於機載預警、導航、飛彈制導、衛星跟蹤、戰場偵察、靶場測量、武器火控和氣象探測等方面,成為重要的軍事裝備。裝有脈衝都卜勒雷達的預警飛機,已成為對付低空轟炸機和巡航飛彈的有效軍事裝備。此外,這種雷達還用於氣象觀測,對氣象回波進行都卜勒速度分辨,可獲得不同高度大氣層中各種空氣湍流運動的分布情況。
機載火控系統用的主要是脈衝都卜勒雷達。如美國戰機裝備的APG-68雷達,代表了機載脈衝都卜勒火控雷達的先進水平。它有18種工作方式,可對空中、地面和海上目標邊搜尋邊跟蹤,抗干擾性能好,當飛機在低空飛行時,還可引導飛機跟蹤地形起伏,以避免與地面相撞。這種雷達體積小,重量輕,可靠性高。
機載脈衝都卜勒雷達主要由天線、發射機、接收機、伺服系統、數位訊號處理機、雷達數據處理機和數據匯流排等組成。機載脈衝都卜勒雷達通常採用相干體制,有著極高的載頻穩定度和頻譜純度以及極低的天線旁瓣,並採取先進的數位訊號處理技術。脈衝都卜勒雷達通常採用較高以及多種的重複頻率和多種發射信號形式,以在數據處理機中利用代數方法,並可套用濾波理論在數據處理機中對目標坐標數據作進一步濾波或預測。
脈衝都卜勒雷達具有下列特點:①採用可程式序信號處理機,以增大雷達信號的處理容量、速度和靈活性,提高設備的復用性,從而使雷達能在跟蹤的同時進行搜尋並能改變或增加雷達的工作狀態,使雷達具有對付各種干擾的能力和超視距的識別目標的能力;②採用可程式序柵控行波管,使雷達能工作在不同脈衝重複頻率,具有自適應波形的能力,能根據不同的戰術狀態選用低、中或高三種脈衝重複頻率的波形,並可獲得各種工作狀態的最佳性能;③採用都卜勒波束銳化技術獲得高解析度,在空對地套用中可提供高解析度的地圖測繪和高解析度的局部放大測繪,在空對空敵情判斷狀態可分辨出密集編隊的群目標。

三角翼鴨式布局設計在保證短距起降性能的前提下兼顧高速性能;鴨翼翼面上產生的脫體渦在主翼上不僅可以產生附加升力,還可以抑制大迎角機動時的氣流分離,大大提高格鬥機動性能;前置固定鴨翼的後緣襟翼可以提高飛機的低速性能,特別是短距起降性能。三角鴨翼布局設計如今已被眾多先進戰鬥機採用,如歐洲“颱風”戰鬥機法國“陣風”戰鬥機等等,這些新型戰鬥機採用全可動前置鴨翼,性能獲得進一步提升。

相關詞條

相關搜尋

熱門詞條

聯絡我們