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日志

 
 

潜龙腾渊-综合光电系统和我国第四代战斗机  

2010-04-13 19:49:01|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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起飞瞬间的F-35,图中有红圈标出的即是其AN/AAQ-37综合光电系统的窗口

不久前,俄罗斯乌拉尔光学联合体宣布我国歼-11机队仍旧采用该企业的机载红外搜索与跟踪系统,话音未落,航空报就报载613所车宏同志的先进事迹,他主持研制的机工红外搜索与跟踪系统已经批量生产装备。显现我国歼-11B型飞机已经换装国产系统。

更令人惊喜的是车宏同志为首研制队伍还进行新一代“综合光电系统”的研制,该系统采用了新一代技术,有效的缩短了我国与世界最先进水平的差距,获得了总装和航总的表彰。显然这个综合光电系统是我国第四代战斗机的配备。那么衍生了一个非常有趣的话题;当今最先进的机载光电系统就是F-35的分布式光电系统-DAS,DAS最大特点就是采用分布在机身上的光学窗口来维持对飞机周围的全向探测,这样的设计主要就是为了飞机隐身性能,那么我国新四代战斗机也采用这样的设计的话,是不是表达我国将隐身设计放在了一个非常重要的地位来考虑?!

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我国歼-11B使用国产光电雷达

飞机的隐身

飞机所谓的隐身实际上包括四个方面的措施;雷达、红外、可见光和声音,其中最重要的复杂就是雷达隐身,这是因为现代对空防御体系就是以防空雷达及雷达制导防空系统为骨干,随着现代技术的发展,目前的防空雷达及制导防空系统采用相控阵、高速信号/数据处理等新体制、新技术,具备探测距离远、抗干扰能力强、射程大、机动性能好的特点,并且现代战场防空系统的布置密度也空前增加,包括机载、陆地、舰载等多种平台,可以形成严密的对空探测与防御体系,根据国外的有关资料一架在现代战场的飞行的飞机可能会受到几十甚至上百部雷达的探测与跟踪,因此如果不采取必要的措施,作战飞机在如此高强度的作战环境里面生存能力是非常低的,这是隐身飞机出现的根本原因。

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现代空战指挥引导控制技术先进、体系严密

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现代防空系统射程远、威力大

雷达隐身主要设计手段就是尽量减少雷达散射截面积-RCS,RCS是代表雷达反射能量大小的一个面积参数,通常以平方米为单位,其受限于;飞机的几何面积和尺寸;雷达波的反射方向;雷达波的反射率,其中前两者受飞机外形决定,第三项取决于雷达吸波结构和材料。从这里我们就可看出飞机的隐身性能实际上在很大程度是由其外形决定的,隐身飞机研制的难点就是如何兼顾飞机的空气动力和隐身性能两方面的指标。

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早期的隐身飞机难以做到隐身与机动的兼顾

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F-22是这方面的典范

减少飞机的RCS最直接、简单的办法就是减少飞机的尺寸和体积,但是衍生的问题就是飞机的机体空间有限,从而影响飞机的载油、载弹及设备的性能,从而影响飞机的航程和作战半径以及作战效能,而隐身飞机一般造价昂贵,是各国空军的主力战机,又经常需要执行较远距离的作战任务以及应付对方战机主力,再加上内部弹舱的运用,也需要较大的机体空间,这样的话隐身飞机的尺寸和体积实际上很难降下来,那么设计的重点就放在第二项;控制雷达波的反射方向,我们知道雷达的原理是利用电波反射原理来探测目标的,因此只要控制雷达电波不反射回接收机就可以实现雷达隐身,其措施包括;减少飞机的垂直平面,特别是机身、机翼及进气道等结合部位,用曲面替代平面或者将平面倾斜到一定的角度,让雷达波偏离原来的入射方向,最明显的例子就是隐身战机用相控阵雷达天线都呈一定的上仰角,而不象原来机载雷达天线垂直安装,从而减少了飞机正面的雷达信号源,另外就是所有的隐身飞机采用了内部弹舱,这是因为外挂武器不但自身会增加RCS,并且其与机翼和机身之间还有互反射效应,所以最根本的解决办法就是用机身内部弹舱,另外还有就是将飞机的所有边缘设计为少数几个平行方向,使所有边缘的雷达发射电波集中形成几个固定方向中的反射波束,,其他方向的反射波束很弱,可以有效降低飞机的雷达信号征,我们看美国的F-22、35、YF-23及俄罗斯的T-50战斗机的图片,会有一种似曾相识的感觉,就是因为这几种飞机都采用波束控制理论来设计飞机,加上都采用了边条翼布局,所以从外形上看有大同小异之感。

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F-22的外形采用了波束控制概念,即把雷达反射波集中在少数几个固定方向

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俄罗斯的T-50

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美国的F-35

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美国的YF-23都采用了波束控制概念,所以外形上看大同小异

当飞机外形采取措施消除反射源之后,那么接下来需要做的就是消除飞机的散射源,这包括机体上的鼓包、突起、缝隙、舱门等,虽然在常规飞机这些物体的雷达信号强度较弱,但是在飞机外形经过处理后,其对RCS的影响就显现出来,这就好比白天我们看不到星星,而夜晚满天的繁星也可以做为指路的坐标,因此如果飞机对隐身性能要求较高,这些散射源也需要加以考虑,比如采用埋入式天线,飞机的窗口入舱门设计成锯齿状,边缘与飞机主要边缘如机翼平行,这样就可以将散射源也纳入到少数几个反射波束中去,可以进一步降低RCS。

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F-117的前视红外系统系统窗口,其采用的锯齿状边缘

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这架B757就在试飞F-22的航电系统,机头上的机翼里面就是整合传感器,外表一点都看不出来

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只有通过剖视图才能找到F-22机翼内系统

F-35的分布式光学系统

我们知道在机载设备中的隐身设计中,前视红外搜索跟踪系统是个难点,首先由于红外线波长较短,不能象电子设备天线一线,安装在飞机蒙皮下面,如果突出飞机机体就会影响飞机的隐身性能,并且红外系统的性能在很大程度上和系统器件面积有关,这样F-35在光学系统设计中采用了分布式概念,就是将采用尽量采用固定式光学窗口,和神盾舰一样,将雷达天线和上层建设融为一体,将光学窗口嵌入飞机蒙皮口,并对其外形进行修形,不能嵌入飞机蒙皮也要尽量减少外露面积,或者采用复杂的平面以尽量降低对飞机RCS的影响。

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F-35的空地红外传感器的复杂平面外形

但是分布式光学系统也产生了这样的问题;首先采用多个光学窗口进行全向空域探测的时候,就会产生不同光学器件探测到的目标,其参考坐标也有区别,另外也有可能一个目标被不同的光学器件同时探测,因此需要信号/数据处理系统对信息进行综合,统一坐标和过滤重复的航迹,也就是各探测器获得的图像“无缝”的缝合到一起,对于飞行员来说就好比一个探测器获得的图像,因此这就需要强大的后台信号/数据处理系统,所以F-35的ICP的信号处理达到上千亿次,数据处理超过400亿次,这似乎可以解释为什么F-22没有装备机载红外搜索与跟踪系统,其原因就是建立在上世纪80年代电子技术的航空电子系统难以完成如此巨大的信号/数据处理工作,而俄罗斯的T-50仍旧采用苏-35BM的系统,从而造成了一个明显的雷达散射源,其原因可能是对光学系统的隐身设计会提高飞机本身的复杂程度,从而增加重量和造价,俄罗斯出于降低飞机成本角度出发,只是重点控制飞机的反射源,而没有进一步消除散射源。

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T-50的IRST转塔清晰可见

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不放大仔细看,估计很难找出F-35的IRST位置

为什么突出隐身性能

这样大家就应该明白综合光学系统和我国隐身战斗机之间的联系了,如果我们尽量消除飞机机体上的散射源的话,那么显然会更加重视控制飞机本身的反射源。也就是说我国第四代战斗机似乎也会采用波束控制概念来进行机体设计,联系到俄罗斯放弃原来的MFI战斗机而重新研制PAK FA,那么我国与俄罗斯为什么都把隐身性能放在一个突出的地位来考虑,笔者认为这实际上就是反映了体系的效能在现代空战中的地位。

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越战时,由于空战指挥引导控制体系的不完善,米格-17也能战胜F-4

我们经常听到在越战中,中越空军的米格-15也能战胜比其先进的多美国空军的F-4,除了二代战斗机本身设计的缺陷之外,当时的空战体系不足是根本原因;当时美国空军、海军虽然装备了预警机,但是这些预警机的下视能力较差,难以保持对战区空情的全面掌握,因此只要中越空军飞机保持在低空,还是能够做到先发制人,因此美国空军将空战体系特别是战区空中指挥引导控制系统的改善放在突出的地位加以改进,这就是E-3A预警机,E-3A预警机最大特点就是具备较强的下视能力,可以全面掌握战区空情,另外随着LINK-16高速数据链的引入,可以在预警机与战斗机之间形成有效的联合网络作战系统,飞行员可以座舱显示屏得到较为完善的战场态势,从而做到正确的战术决策,这样即使对方采用低空隐蔽出航的战术,也难以摆脱美国空军战区空中指挥引导系统的探测与跟踪,从而也就无法摆脱美国空军战斗机的攻击,并且由于在低空,其机动的空间有限,反而处于被动挨打的地位,这也是为什么伊拉克和南联盟的米格-29就飞机本身来说与美国的F-15、F-16并没有太大的差距,甚至远小于米格-17和F-4的代差,但是在实战基本上处于被动挨打的境地,这就是体系的力量,

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E-3A的出现代表空战指挥引导控制体系的全面完善

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LINK-16进一步提高了空战指挥引导控制体系的能力

需要指出的是,随着电子技术的进步,美国战区空中指挥引导控制体系发展速度有加速的趋势,特别是其也重视对隐身目标的探测,以防止潜在对手掌握隐身技术后对其空中优势的胁,根据有关资料美国的E-3预警机的雷达升级项目被称为-RSIP计划,改进后的雷达可以较远的距离上发现隐身目标,对于RCS〈0.5的目标可以提供超过500公里的探测距离,另外随着TTNT等高速数据链系统的引入,进一步提高了美国空军网络化和体系化作战能力,根据有关资料,TTNT将是一种无基础设施的自组织网络,现在建立一个LINK-16网络需要数天的时间,而如果用TTNT可能只要数分钟,并可以提供更快的信息吞吐和传输速率,并可以容纳更多的用户,从而更好、更快的实现指挥到攻击转换,也是就所谓的C4ISRK系统的概念。这就意味着美国空军将能够迅速在战区建立完善的空中指挥引导控制体系,在这种情况下如果对方的战斗机不具备较强的隐身能力的话,那么就会象米格-29那样,还未进入格斗,就已经被飞来的AIM-120淹没了,这也是为什么俄罗斯要把MFI推倒重来,用波束控制概念重新设计T-50的根本原因。

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TTNT的高速传输及组网能力放大了空战指挥引导体系的能力

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四代战斗机要把隐身放在一个突出的地位来考虑

对于我国来说,在未来统一之战中,面临可能的外来干涉,冲绳离东南战区距离大约600公里左右,而E-3A的性能可以在距离基地1600公里的地方定点巡航6个小时,那么E-3A在东南战区可以执勤的时间在8个小时左右,如果空中加油还可以延长,这样只要在冲绳保持一支大约6架E-3A机队,再配合航母上的E-2D预警机,就能保持对东南战区不间隔的空情信息的掌握,那么对于我国空军战斗机来说可能要面对内有F-35,外有F-22的夹击的态势,在这种情况下,我国第四代战斗机肯定要具备较强的隐身能力,才能更好的执行维持空优的作战任务,这可能也是为什么我国要发展综合光电系统来消除战机的散射源的原因。实际上综合光电系统本身也是提高飞机隐身能力的一部分,我们知道不论飞机的隐身能力多好,但是肯定要使用机载雷达,一旦雷达开机,其隐身能力就大打折扣,因此在双方都是隐身战机,或者对抗非隐身战斗机的时候,综合光电系统的价值就显现出来,即战机先用光电系统来探测目标,然后利用AESA的猝发模式,迅速得到目标的距离等参数,发动攻击,最大限度的降低雷达开机次数和时间,可以进一步提高战机的隐身性能。

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经过RSIP改进后的E-3A是各国战斗机隐身性能考虑的基准

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我国新型战斗机模型的风洞试验,似乎可以看出其外形也汲取了波束控制的概念

不过以我国目前的经济技术实力,要想较好的实现隐身、机动、航程和超巡等性能的综合恐怕还是力不从心,因此可以预见国产第四代战斗机将会有一个逐步成熟的过程,在这个过程中我国的航空工业以至整个工业基础、综合国力将会迎来一个新的飞跃!

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网络出现的我国歼-11大改想像图,可以看出这个方案在外形上较多的考虑了波束控制的要求

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注:

参考资料;

1、世界飞机手册

2、战斗机气动布局设计

3、本文配图来源于网上,权利归原作者所有 

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