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奔腾之心-我国第四代战斗机航空电子系统取得重大突破  

2010-03-14 14:28:16|  分类: 四代专题 |  标签: |举报 |字号 订阅

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航空报有关航空工业计算机所完成综合核心处理机完成测试的新闻

近日,我国航空报报载中航工业计算所,经过努力攻关“成功突破了某航电系统关键技术,完成了综合核心处理机软硬件平台调试工作,该样机的成功研制为加快新型号的研制打下了坚实的基础。”这则新闻表明我国第四代战斗机航空电子系统的研制取得了巨大的进展,完成了系统核心部分-综合核心处理机的样机的研制,即将进入整体系统的研制与测试阶段,我国第四代战斗机已经拥有自己“奔腾的心”。

有人也许多会问;廖廖数语的新闻,何以见得就是我国第四代战斗机的航电系统的核心设备?笔者提请大家注意综合核心处理机这7个字,这正是第四代战斗机航电系统的关键,和特征,即通过在航空电子核心部分进行综合和模块化设计,大大提高信号和数据处理的能力,提高系统的处理速度、可靠性,降低系统的成本,许多人在阅读有关航空系统的文章可能会碰到火控计算机、任务计算机、综合核心处理机这样的名词,这些名词实际对应不同时代的航空电子系统,也就是说当我们看到某一个名词,实际上就可以对其航空电子系统的水平做个大致的推测。

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早期飞机的航空电子十分简单

我们知道早期飞机的的航空电子系统除了基本的飞行登记表外,就是使用固定光环瞄准具来攻击目标,随着飞机性能的发展,出现可以与雷达交联的瞄准具,随着探测系统距离、精度的增加,这样就需要相应的火控运算手段以解算航炮、导弹等空战武器的攻击包线,这样就出现了火控计算机,但此时航空电子系统仍旧处于彼此分离阶段,火控计算机仅仅用于火控系统,其他功能很少,到了上世纪60年代随着惯导系统加入,飞机的航程及机动能力得到提高,同时由于飞机设备的增多,就出现了数据总线的概念,就是用数据总线将主要机载设备联接在一起,形成初期的航空电子综合系统,这时候火控计算机就成为系统的主控计算机,负责飞行员座舱信息、飞机整体状态的收集、信息处理、解法解算、各子系统的输出控制等功能,可以完成主要的飞行、作战信息、显示与控制等数据信息的获取与计算,系统以平视显示器来主要显示系统,因此也被称为平显/武器瞄准系统,第一种采用数据总线的战斗机是F-15,该机以火控计算机为核心,将雷达、惯导、大气数据计算机等有机的闻合成一起,有力的提高了飞机的作战能力,需要指出的是由于平显/武器瞄准系统采用了数据总线仍旧为单向低速数据总线,火控计算机运算速度也较低,因此只能容纳少数几个比较重要的系统和设备-主要集中在火控与导航系统,所以也有人称之为攻击/导航系统,随着飞机设备、武器数量和性能进一步增加,为了解决飞机众多设备之间的大量信号、数据传输,上世纪70年代美国提出了DAIS计划,其目标就是采用数字式数据总线网络,实现飞机设备的分布处理、集中控制,显示信息的综合显示,提高飞行员的获取战场信息的能力,实现信息的综合利用和共享,这便是以双向1553B数据总线为核心的联合式航空电子系统,在这种航电系统中以中央计算机为主控计算机,该计算机完成与作战任务计算,包括火控、导航、座舱控制与显示、各种电子设备的管理、协调,对于数据总线进行控制等。需要指的是早期联合式航空子系统结构相对简单,如F-16A/B的航电系统,采用单层双余度数据总线,以火控计算机为主控计算机,惯导计算机做为备份,而到了F/A-18则升级为多层多条数据总线,其主控计算机就更新为任务计算机,这种体积结构至今仍旧是各国现役战斗机的主流航空电体系结构,在这种体系中任务计算机是航空电子系统的核心子系统,其功能包括对探测系统采集来的信息进行处理、完成机载武器的管理及发射包线的计算以及信息的输出及显示任务等,80年代后期为满足多机协同作战的需要,进一步综合了通信导航识别子系统、电子战系统,以提供更多的目标信息对目标进行识别。

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看起来不起眼的任务计算机,实际上是航空系统的核心

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第三代联合式航空电子系统,其以任务计算机为核心,采用多层多条数据总线

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任务计算机通常安装在座舱下面

尽管有些文章中也将第三代机战斗机的航电系统称为综合合航空电子系统,但就本质来讲其只实现了数据级的信息共享,实现了命令和显示这个层次的综合,推动战斗机性能的提高,但是随着技术的进一步发展,其局限性也逐渐暴露出来;如总线传输速率低,难以完成更高层次的系统综合,航空电子系统需要的数据总线过多,增加了系统整体的体积、重量、成本及功耗,特别是带来的可靠性、电磁兼容性等问题也非常突出,模块化及标准化程度也较低,因此第四代战斗机需要更高层次的综合航空电子系统以适应不断增长的战场信息,并且第四代综合航空电子系统不仅仅要把信息显示给飞行员还要帮助飞行员进行辅助决策,

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F-22是第一种采用四代航空电子系统的战斗机

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F-22的共用综合处理器,可以看见其使用的模块较多

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F-22的CIP使用的模块

这意味着第四代战斗机航电系统需要更快的运算处理速度和网络传输能力,第一种四代航空电子系统是美国“宝石柱”结构,配备于F-22战斗机,该系统以共用综合处理器-CIP为核心,(每架F-22拥有3个CIP,每个CIP有66个插槽,使用12种不同的模块分别用于信号、数据、图像/视频及总线控制等功能),的将航空电子系统分为一个核心处理区和几个相应的综合区。为一个核心处理区和几个相应的综合区。其中核心处理区可以说是航空电子系统的大脑,它完成雷达、电子战、光电等传感器的信号处理和数据处理,并完成数据融合、导航计算、火控计算、显示控制管理等任务处理功能。由于系统综合程度前伸,需要处理的数据量急剧增加,并且总线上传输的不再是命令和状态数据,而是大量的中间状态的数据,从而要求总线具备更高的的带宽和更低的数据延迟,加上出于降低体积、重量和功耗及电磁干扰等性能的要求,第四代战斗机采用了以光纤为传输介质的高速数据总线-HSDB,宝石术结构虽然比联合式航空电子系统的性能有较大的提高,但是其毕竟以80年代电子系统为基础,综合性能仍旧不足,另外就是采用了多总线结构,需要不同的模块接口,操作系统需要用不同的驱动程序,从而带来系统的复杂性。

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F-35实现了综合射频概念

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通过综合传感/座舱系统提供飞行员以全方位的环境感知

上世纪90年代根据JSF项目战斗机的要求,美国提出了宝石台航电系统体系,宝石台与宝石柱最大的区别就是取消了功能区,取而代之是元素概念,其概念就是将探测器、飞行管理、外挂管理、电子战等探测系统通过一个高速率光交换系统,让飞机各个系统处于一个多处理器网络中,从而使航电系统更加紧凑,综合范围和深度更加广泛,如RF单元就是对飞机的射频频谱进行发射、接收和处理,特别是与机载有源相控阵雷达相结合就形成了的综合射频系统,也就是所谓的NOR-NOT A RADAR;不仅仅是雷达概念,即通过AESA上不同的天线阵元来同时完成探测、电子战及数据链通信等功能。,简单的说;就是从将系统综合程度从宝石柱的信号领域延伸到天线前端,通过多功能孔径、传感器综合管理、信息融合与处理等技术完成对机载与外部信息的数据融合,从而在更大程度提高飞行员以战场态势,并辅助做出正确的战术决策,其系统的核心就是综合核心处理机-ICP,根据有关资料F-35 ICP有两个机箱,分别具有23个插槽和8个插槽,ICP现采用7种类型共22个模块(分别用于通用处理、输入输出控制、信号、图像及视频、电源等功能),其中通用数据处理模块使用POWERPC G4处理器,数据处理速度为40.8G每秒运算次数(OPS),信号处理速度为75.6G每秒浮点运算次数(FLOPS),图像处理是用一种专用信号处理方法,其速度为225.6G每秒/加运算次数(MACS)。ICP留有9个插槽,还可插8个处理模块和一电源模块,实现“即插即扩”。

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我国早期作战飞机的航空电子系统比较简单

  我国早期的作战飞机如歼-7、8包括歼-8B(01批)仍旧采用分散式航空电子系统,每个系统都有自己的机电或者模拟式计算机,航空系统体积、重量偏大,信号交联复杂,难以完成大量的信息处理,在80年代我国开始进行航空电子综合系统的研究,在歼-8B(02批)开始配备使用ARINC429总线的平显/武器瞄准系统,实现了局部的航空电子综合,需要指出的是我国引进的苏-27SK的航空电子系统也是这个标准,80年代我国引进美国航空电子系统的82工程/和平典范计划,首次采用了1553B总线,不过其技术水平与F-16A相当,为采用单层双余度的联合式航空电子系统,在与以色列的技术合作中我国首次接触到以任务计算机为核心的多层多条总线为骨干的联合式航空电子系统,利用引进的国外先进技术和自行研制的基础上我国完成873航空电子系统的研制,该系统以任务计算机为核心,采用多条1553B数据总线,将雷达、惯导、通信、大气数据计算机、外挂管理等系统有机相联,实现系统数据的集中处理与控制、信息的统一显示等功能,在此基础上研制出多型航空电子系统为我国歼-10/-11、歼轰-7A及其他新型作战飞机进行配套。这里需要指出的是FC-1“枭龙”战斗机采用了航空电子系统比第三代联合式又有所提高,根据有关资料;其航电系统核心是任务管理计算机-WMMC,与联合式航空电子系统其用一台WMMC取代了原来的显控系统、中央控制单元、任务计算机、数字传输单元、数字地图等实现了五合一,大幅度提高了FC-1型作战飞机的作战性能。从这个介绍来看FC-1实现了数据的综合处理和综合显示,注意联合式航空电系统是统一显示,即任务计算机处理的数据还要注入到显控计算机中,而FC-1是直接通过一条互连总线管理座舱显示设备.外视频转发控制,实现数字地图显示与外视图像显示、画面切换及叠加显示控制。从而在一定程度上降低了系统的体积、重量和复杂程度。可以视为一种三代半的航空电子系统。

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歼-10采用的是典型的三代联合式航空系统

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FC-1的座舱比歼-10不仅仅体现在屏幕的大小上面,后面系统的综合程度也要高于歼-10

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珠海航展展出FC-1的任务管理计算机-WMMC

   早在上世纪90年代我国就开始以ATF为目标的背景机-第四代战斗机预研计划,其中就有包括机载综合处理计算机和高速数据总线等项目的航空电子系统研究项目,并相继研制了数据处理模块、数字信号处理模块、系统大容量存储器等设备,做为系统的骨干的高速数据总线也成功试飞,我国第一条光纤数据总线是将现有火控系统的电缆更换为光纤,也就是1773总线标准,该总线为骨干的航空电子系统成功完成火控、导航及其他课目的试飞,进入新世纪随着电子技术的发展,我国开始研制以宝石台为背景研制新一代航空电子系统,其中核心的ICP在2008年珠海航展上首次展示,由于该产品比较低调,因此许多人都未对这个东东留下太深的印象,从有限的图片来看该ICP拥有大约24插槽,目前已经拥有6个模块,一般来说分别应该是数据、信号、视频/图像、输入输出控制、电源等,从FC-1的WMMC使用POWERPC处理器来看,至少样机可能还是用的是POWERPC系列的处理器,结合我国有源相控阵雷达已经完成异机种试飞来看,我国第四代战斗机的航空电子系统至少在部分实现综合射频方面的功能,即利用AESA来同时完成探测、电子战及通信等功能,再结合我国无人作战飞机实现自动起飞、导航及攻击来看,我国第四代战斗机航电系统也应该具备一定的辅助决策功能。

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珠海航展展出的综合处理系统,(大伙以后看航展,可要注意这些小东东哟!)

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上图背景的大屏幕座舱显示系统,显现我国第四代战斗机的综合传感/座舱概念

由此我们似乎可以大致勾勒我国第四代战斗机的大致的概况;以ICP为核心,利用高速光交换系统实现高度综合的航空电子系统,利用多功能孔径/综合传感器及显示技术向飞行员提供全面的飞机状态和战场态势环境信息,并提供辅助的战术决策以提高飞机的整体作战能力。

  随着我国第四代战斗机那颗“奔腾的心”开始跳动,相信我国第四代战斗机的面世的日子也已经不远了,那时我国空军作战能力将再次飞跃!

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注:

参考资料;

1、航空电子综合处理技术研究 袁晓晗

2、国外综合航空电子系统评述 聂万福

3、机载数据总线技术及其运用

4、航空综合火力控制原理

5、先进航空电子综合技术

6、本文配图来源于网上,权利归原作者所有

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