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锐鹰利眼-浅析歼-20的综合光电系统  

2011-05-04 11:19:52|  分类: 四代专题 |  标签: |举报 |字号 订阅

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锐鹰利眼-浅析歼-20的综合光电系统 - 小飞猪 - 小飞猪的博客
歼-20的机身可能是分布式光电窗口的东东
原载军事文摘第2期

 新年伊始,我国第四代作战飞机歼-20试飞成功,让国人兴奋不已,不过许多人发现该机没有装备鼓包形红外搜索系统-IRST,发出了歼-20有没有装备的疑问.

实际上这是个好事情,这表达歼-20装备的可能是分布式综合光电系统,根据航空报刊载我国洛阳光电系统车宏同志的先进事迹,其中报道车宏同志为首团队研制的综合光电系统项目。他精心组织,开拓创新,突破一系列关键技术,经过几十架次的验证试飞,多项指标已达到国际先进水平,而目前堪称世界一流的光电系统就是分布式综合光电系统。

为什么歼-20不象俄罗斯T-50那样要用鼓包形红外搜索跟踪系统,笔者认为这表达我国歼-20的隐身能力强于T-50,我们知道第四代作战飞机的最大的特点就是隐身性能,对于战斗机来说,主要用波束控制来降低飞机的雷达散射面积-RCS,波束控制采取的措施包括;飞机的主要边缘平行,这样就可以把雷达反射波束控制在少数几个固定方向,其他方向的反射波很弱,这样在这些方向的雷达接收到只是闪烁的信号,不容易识别,然后飞机的突出物、鼓包和缝隙等,这些虽然不是飞机的主要反射源,雷达电波反射波束强度较弱,但是当飞机外形采用隐身措施降低RCS,这些对飞机RCS的影响就不容忽视了,所以对于隐身飞机来说,要尽可能的消除飞机表面各种突出物、鼓包,并把缝隙设计为锯齿形,让其锯齿形边缘平行于飞机的主要边缘,以尽可能把飞机的雷达波纳入到几个反射波束中去,以最大限度的减少作战飞机的RCS。

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苏-27装备有传统的鼓包形的IRST 

隐身飞机这个要求对于安装IRST造成诸多的麻烦,因为红外线的波长较短,方向性较好,因此难以象微波那样在蒙皮下面就可以得到全方位的覆盖能力,所以在多个方向布置红外器件窗口以得到全方位的图像,特别是最重要的正前方,战斗机需要在机头安装机载雷达,因上占据了大部分机头空间,所以IRST的安装只好向后退,加上红外线无法透过蒙皮探测目标,因此其红外器件要突出于机体,这也是为什么传统鼓包形IRST基本上安装在座舱前的主要原因,但是这样布局的缺点就是增加了飞机的RCS和阻力,所以对于隐身飞机来说,IRST的布置就是个挑战。解决的办法就是分布式综合光电系统。

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T-50仍旧采用传统形的IRST,会对其隐身产生相当不利的影响 

目前国外采用的分布式光电系统的作战飞机只有F-35一种,根据有关资料35的分布式综合光电系统由两部分组成:而即光电瞄准系统(EOST)和光电分布式孔径传感器系统(EODAS),其中EODAS系统的6个光电传感器分别安装在机身的6个特定部位,采用先进信号编码来搜集360度范围内的各种信息.由于EODAS具有导航、导弹告警和红外搜索与跟踪(IRST)以及态势感知能力,为飞行员提供更高的视觉灵敏度,并能实现夜间近距编队飞行以及在复杂的气象条件下执行作战任务.通过后台数据的融合可以为飞行员提供一个球形视野,高灵敏度的传感器让它拥有强大的态势感知、导弹告警以及红外搜索与跟踪能力,由于目前EODAS探测器精度还无法满足对地攻击使用的要求,因此F-35还装备了一个EOST系统专门负责对地攻击,EOST是F一35的重要的被动式红外探测手段。该系统集成了前视红外成像(FLIR)、红外搜索和跟踪(IRST)和激光指示瞄准(LTD)等功能,相当于将传统的光电雷达、前视红外成像吊舱和目标指示瞄准吊舱的功能融合为一体,这样就省去了传统的传感器设备舱/吊舱,EOST位于机头下,设备舱采用类似于宝石的复杂平面,这样可以散射雷达电波,降低对飞机RCS的影响,EOST可以提供窄视场,高分辨率成像、自动红外搜索和跟踪激光指示、测距和激光点跟踪功能,具有对防区外目标进行精确探测和识别能力、远距离导弹告警能力、激光定位和瞄准能力,引导激光制导武器精确打击地面目标的能力等。

 

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不仔细看,很难看到F-35机身上的DAS

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 DAS功能强大  

分布式综合光电系统的好处在于其本身结构相对简单,一个基本的红外传感器系统现在可以只包括红外探测器阵列及某些简单的电路,而无需结构复杂、价格昂贵瞄准与稳定机构与光机扫描机构,从而降低了单个器件本身的重量和体积,同时可以和一套系统来替代原来飞机的多种设备,可以有效的简化飞机航电系统的结构,提高可靠性,并且还便于器件本身的布置,如F-35的最主要的前视探测器件就布置在座舱前,由于器件本身体积较小,因上突出蒙皮较少,对飞机RCS影响也相对较小。分布式综合光电系统虽然性能优良,但是实现起来也不是件容易的事情,首先每个探测器件固定平面安装,因此视野受到限制,基本上每个器件的视野在90度以下,这样保持对战机空域的覆盖至少需要4个器件,但考虑到要做到探测视野的重叠和系统冗余度,就需要6个器件,对于“寸土寸金”的战斗机来说,想找到合适的地方安装这些器件是一件令人头疼的事情,同时每个器件需要控制、线号线路等也增加了飞机结构的复杂程度,并且这些设备也不象光电吊舱那样可以在不需要的时候取下以降低飞机的重量,从而增加飞机的重量和成本,就分布式综合光学系统本身来说,大面积红外焦平面阵列和信号/数据处理系统是两大挑战,对于战斗机来说,它不但要发现目标,还要对目标进行识别和跟踪,因此需要较高的灵敏度和空间分辨率,以保证足够的探测距离和采样率以确保高机动性能目标的探测能力,这些都意味着要产生大量的信号需要处理,从中抽取有用的信息并实现各种功能,其信息处理与存储要求很高,因此必须采用高速大容量的信息处理机,传统IRST的处理能力则比较有限,比如苏-27战斗机采用的OEPS-27系统采用两个CPU对数据进行处理,根本无法完成这样海量的数据运算,所以F-35的航空电子系统采用光纤为传输介质,综合处理系统为核心的综合射频系统,可以迅速完成相关信号、数据的交换和处理。

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F- 35的DAS需要强大的后台处理能力作为支撑

我国从上世纪60年代就开始研制机载红外搜索与跟踪系统,最初研制是安装在歼-6飞机的航二甲机载红外探测系统,该系统采用单元硫化铅器件,探测距离较近,抗干扰能力差,因此没有投入实用,进入80年代我国开始研制新一代机载IRST系统,该系统比第一代系统有明显的技术进步,采用线列锑化铟阵器件,对作战飞机的尾追探测距离可以达到40公里左右,迎头则为15公里,在该系统的基础上,我国洛阳光电中心开始研制新一代机载IRST系统,以车宏同志为首的专家研制团队在克服了关键部件性能超标等多个技术难题,在新世纪研制成功我国新一代机载IRST系统,该系统目前已经批量生产替代国产歼-11型飞机的的俄罗斯系统,并且也已经安装在歼-10B等国产新型作战飞机上面,为国产作战飞机增加了新的探测手段,结束的我国机载IRST系统依赖进口的历史,提高我国空军作战能力的自主性。

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 歼-10B等国产新机已经配备国产IRST

由于我国现役机载IRST系统仍旧需要突出机体来实现对全向空域的覆盖,所以无法为歼-20配套,因此以车宏同志为首的团队又开始了新一代综合光电系统的研制,从相关资料来看,该系统是一种类似于F-35的分布式光电系统,由于歼-20是未来我国空军夺取制空权的骨干和主力,笔者认为歼-20配备的新一代综合光电系统应该和F-35的EODAS相近,也就是说采用多个光学器件来实现全向的空中覆盖,实现探测、警戒、导弹逼近系统等综合功能,考虑到控制飞机重量及对RCS影响等问题,歼-20可能不会装备EOTS这样的系统,这说明我国歼-20将隐身性能放在一个非常重要的位置来考虑,前面说过战斗机首先对外形进行波束控制设计,然后才开始考虑飞机表面的突出物,歼-20采用分布式光电系统表明其外形隐身已经达到一定的高度,突出的光电系统已经成为一个主要的散射源需要给予消除,另外就是表明歼-20的航电系统是与F-35的航电系统水平相近,也就是实现了综合射频概念的宝石台系统,由于分布式光电系统有大量未经处理的中间数据需要传递,因此可以推测歼-20的航电系统的传输介质应该以光纤为主,并且洛阳光电中心已经在2010年的珠海航展出了综合处理系统,从图片来看该系统与F-35的综合处理系统相近,采用多个通用数据、信号处理模块,说明其具备强大的信息处理能力,这也是歼-20采用分布式综合光电系统的物质基础。相比较之下,即使是F-22战斗机,受限于当时的技术水平,也无法采用分布式综合光电系统,而T-50则采用了传统的转塔式光电系统,这让不得不让外界对前T-50的航空电子系统的信息处理能力持保留态度,这样的转塔系统还明显增加了飞机的RCS,从T-50的整体布局来看,突出的机体的IRST、没有经过S形弯曲处理的进气道、及采用金属风档的座舱都明显增加了该机的前向RCS,从而导致T-50的隐身性能大打折扣。

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DAS的配备将大大提高歼-20的综合作战能力 

笔者认为,我国歼-20配备分布式综合光电系统,其原因在于隐身飞机空战中,光电系统的作用显著增强,这是因为由于隐身技术的运用,雷达的效能明显下降,根据雷达距离公式,雷达探测距离与目标RCS的四次方根呈正比,也就是当目标RCS下降1/10,雷达探测距离降低一半左右,如果根据海外媒体推测的数据,歼-20的RCS在0.05平方米,而F-22在0.01左右,而目前机载火控雷达对RCS=5平方米的目标探测距离大约在100-200公里左右,这样歼-20的RCS相当于其的1%,那么探测距离下降1/3左右,而F-22则在1/5左右,除此之外,电子战系统也在不断技术,尽管现代机载火控雷达普遍采用了低截获概念模式,特别是新型AESA具备猝发等模式,可以迅速完成对目标的探测与识别,但是随着射频储存技术的普及,现代电子支援系统对于AESA探测能力也在不断的提高,所以对于隐身战斗机来说,雷达开机时间越短越好,但是对于战斗机来说,不开雷达就意味着失去了对战场空情信息掌握的主要手段,而更加依赖外部信息情报支援系统,但是再先进的系统也无法保证对战场所有目标都做到有效探测,特别是在对方也有隐身飞机的时候更是如此,还有就是隐身飞机与外部信息情报支援系统进行信息交换也是个问题,隐身飞机配备的数据链一般方向性较好,但使用范围受到限制,这样就降低了与外部信息情报支援系统进行信息交换能力,这样就有可能造成对方战斗机避开我方信息系统的探测,逼近我方战斗机发起突然袭击,这时隐身作战飞机就需要另外一种探测手段,以便在雷达不开机的情况下仍旧能够维持对周围空情的掌握,光电系统属于被动探测系统,不发射电磁波,隐蔽性好就成为不二的选择。

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 尾喷口是现代喷气机一个重要的信号特征

光电系统最大的优点还在于它对隐身飞机的探测能力目前隐身飞机主要集中在雷达隐身上面,红外隐身考虑的比较少,对于喷气式发动机来说,它就是把空气加热、膨胀然后排出形成推力,因此尾喷口附近温度较高,是红外探测系统的主要目标,另外对于第四代作战飞机来说,它具备超音速巡航能力,这样在长时间的飞行过程中,由于机体和空气的摩擦生热,从而让飞机机体温度升高,此外阳光照射到机体表面也会让增加红外辐射强度,对于涂有隐身涂料的飞机来说,隐身涂料的原理就是把照射到本机的雷达电波转换成热量,从而避免电波反射,但是这个过程也会增加机体表面的温度,尽管有的隐身飞机也会采取一些隐身措施,比如用机翼或者尾翼遮挡喷口、采用二元喷管等措施,但是都没有从根本上解决问题,因为对于战斗机来说隐身虽然是一个关键指标,但是还要综合其他性能等进行全面考虑,比如采用S形喷口并且在喷流喷出前掺入冷空气,可以有效的降低喷口和尾流的温度,但是这样会造成推力的损失、并且增加飞机的重量,从而降低飞机的机动性能,所以S形喷口只在F-117型隐身攻击机采用,F-22采用的二元尾喷口以保持飞机的机动性能,这样就会红外探测系统提供了使用的空间,这也是为什么俄罗斯T-50即便付出RCS增加了代价也要使用传统的IRST的主要原因,实际上洛克希德公司也有计划在F-35综合光电系统的基础上为F-22研制一型光电系统的设想,这显示在隐身战斗机空战中,大家都更加重视光电系统的运用。

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 F-22的尾焰似乎仍然较大

对于机载火控雷达和空空导弹来说,迎头探测和发射可以确何其最大探测和攻击距离,因此迎头攻击是最佳的作战位置,所以传统超视距空战一般都是引导飞机从前方正负30长范围内进入攻击,但是在隐身战机时代发生了变化,因为隐身飞机最注重的就是前向隐身,RCS最小的也是这个方向,这样当隐身战斗机进入迎头拦射时,可能会发生谁也看不见推的情况,即使是利用长波雷达的引导勉强发现对方,其配备的主要超视距武器-主动雷达制导空空导弹也无法在较远的距离上锁定目标,目前主动雷达制导空空导弹对RCS=5的目标迎头探测距离在20-30公里左右,而对于隐身战斗机则下降到6-10公里左右,若对方施放干扰那么距离就更低,并且由于导弹直径和空间有限,难以采用较大的天线和较大功率的发射机、电源,从而达到有利的孔径功率之积来发现隐身飞机,这样意味着隐身战斗机需要长时间对导弹进行引导,这样显然非常容易暴露目标,所以有观点认为隐身作战飞机的空战应该尽可能的从侧面进入,其优点就是隐身作战飞机侧面的RCS要大于正面RCS,同时侧面进入避开了敌方雷达探测的最佳位置,从敌机雷达探测区的外侧切人,缩短了敌机截获和跟踪时间,有利于隐蔽接敌,增加攻击的突然性。本战术采用斜对头接敌,到达一定距离后再转向与目标形成交叉航向,在战术引导上也比较容易实现。但缺点在于目标侧方,由于径向速度小,雷达探测存在着盲区,可能会丢失目标,但是对于光电系统来说,从侧面探测目标,目标机体暴露面积大,红外辐射强度高,特别是尾喷口暴露在光电系统视场中,从而提高了光电系统探测目标的能力,因此作战飞机有可能凭借光电系统掌握目标,然后隐蔽接近目标,使用红外成像导引空空导弹发起攻击,但是光电系统也有自己的缺点就是无法得到目标精确的距离,从而无法控制武器的投放,一般情况下光电系统会增加一个激光测距系统来测量到目标的距离,从而为火控系统提供精确的目标数据进行火控数据的解算,但这样会增加系统的重量和体积,所以对于隐身飞机来说可能会利用机载AESA的猝发模式,来获得目标的距离,另外一方面来说如果有分布式综合光电系统,那么飞机就可以探测到靠近的目标,特别是可以探测到对方发射空空导弹,及时对飞行员告警,从而及时规避。

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 红外成像弹可能是隐身作战飞机空战的主要武器

综上所述,分布式综合光电系统的配备给予歼-20以较大的战术优势,歼-20可以在不开启雷达的情况下仍旧保持对战机周围空情的掌握能力,从而提高战机的作战效能和生存能力。特别是可以在外部信息系统支援下从侧面接近目标,然后发起突然攻击,并且对逼近的空中目标进行有效的探测和识别,以防止对方突然袭击,相比较而言,F-22在不开启雷达的上,只能凭借ALR-94电子支援系统探测目标,但是如果对方不开启电子系统,显然就无法探测到目标,这也是为什么洛马一直希望为F-22配备光电系统或者侧视阵列的主要原因。

分布式综合光电系统的配备将会让歼-20拥有一双锐利的鹰眼,作战能力更加全面,能力也更强,可以更好的适应更加复杂的战场环境。

 

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注:

参考资料

1、面向先进机载光电系统的分布式红外目标动态仿真系统 胡磊力 车宏 丁全心

 

 

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