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电波悍将:F-35“闪电Ⅱ”歼击机综合航空电子系统详解(组图)

2006-12-01 09:22:12|  分类: 装备科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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首架F-35A生产型原型机进行地面发动机推力试验



通常认为美国F-15和F-16是典型的高低搭配的第三代战斗机,而F-22和F-35则分别是它们的后继机,因此从辈分上讲F-22和F-35 当属第四代战斗机。但从研制和进入服役时间看,F-35要远远晚于F-22。经过了近20年的努力,F-22最近才刚刚进入初始作战状态(IOC),而F-35 要到2010年以后才能进入现役。由于电子技术发展迅速,更新换代周期远远短于飞机本身,这就注定了在F-35战斗机上的电子系统要比F-22更先进和具有更高的性价比。

  F-35“闪电Ⅱ”联合攻击战斗机(JSF)是一种多用途、并能服务于空军、海军和海军陆战队的多军兵种作战飞机。它最具特点的进步是研制和使用了高度综合化的航空电子系统,因而,使歼击机具有全新的作战模式。

  为了满足21世纪作战需要,战斗机所最需要性能特征是什么?简而言之,就是大量采集飞机内部和飞机外部的各种数据、并对其进行融合处理,形成对战场环境的正确感知,以及实现对飞机和武器系统的智能化控制。

  研制F-35的目标是取代F-16、A-10、F/A-18A/B/C/D、F-14和AV-8B,以及英国的“鹞”GR-7和“海鹞”等现役歼击机和强击机。美国空军计划采购1763架、海军和海军陆战队680架、英国皇家空军90架和皇家海军60架。F-35“闪电Ⅱ”共分三种型别:常规起降型(CTOL)、短距离起飞/垂直降落型(STOVL)和舰载型。这三种型别的航空电子设备的90%以上是通用的。

  虽然JSF飞机是由多国开发,但是高水平的探测传感器和电子信息的综合处理则由美国掌控。在任务系统软件控制下的有源相控阵(AESA)将能执行电子战(EW)功能,同时, 还将执行部分通信、导航和识别(CNI)的功能。 JSF的红外传感器将采用通用设计的红外探测和冷却组件。所有关键电子系统,其中包括综合核心处理机(ICP)大量采用通用模块和商用货架产品(COTS)。在ICP和每个传感器、CNI系统和各显示器之间的通信采用速度为2Gigabit/s的光纤总线。




F-35的战场态势感知想像图


  在对飞机的作战环境和态势的显示方面,F-35已经取得了突破性的发展。从雷达、光电系统、电子战系统和CNI系统以及从外部信息源(预警机和卫星等)的各种信息通过任务系统软件进行融合,最终通过直觉的大屏幕座舱显示器向飞行员显示。同时,在飞行员的头盔显示器(HMDS)上显示各种投影信息,其中包括红外图像、紧急的战况、飞行和安全信息。

  共有6个分布式孔径系统(DAS)传感器用来实现围绕飞机360o的红外探测保护,为飞行员提供更高的视觉灵敏度,并能实现夜间飞机近距编队飞行。还可在夜间和烟尘覆盖情况下为飞行员在头盔显示器上显示飞机下方目标图像。飞机内部安装的光电目标定位系统(EOTS)对DAS的导弹来袭告警能力进行了增强。EOTS提供窄视场,但距离较远的目标探测能力。根据任务软件的指令,EOTS可以在雷达不开机的情况下提供目标信息。



在BAC111电子试验机上进行飞行试验的AN/APG-81主动有源相控阵雷达,它是F-35综合电子战体系的重要组成部分。

  1.更为先进的机载AESA多功能雷达

  比较典型的例子是美国最新一代战斗机F-35的多功能综合射频系统(MIRFS)。它是建立在APG-81 AESA雷达的基础上的一个功能广泛的系统。它不仅能够提供雷达的各种工作方式,它还能提供有源干扰、无源接收、电子通信等能力。MIRFS 频带较一般机载AESA要宽得多,同时能够以各种不同的脉冲波形工作,保证了雷达信号的低截获概率(LPI)。同F-22的APG-77 AESA雷达相比,F-35的MIRFS在技术上又有了很大的改进。但是由于阵面尺寸较小,阵元数目有所减少,因此在作用距离上有所减小,约是前者的2/3。

  F-35的AESA雷达在成本和重量上都只是F-22的二分之一。 F-35雷达把两个T/R模块封装在一起,称为双封装T/R模块(twinpack)。雷达系统的预期寿命达8000小时,将同飞机寿命一致。

  命名为 AN/APG-81的有源相控阵雷达将为F-35 战斗机提供环境感知能力,用来攻击空中和地面目标。

  雷达具有空对地功能,可以进行合成孔径雷达(SAR)状态的高分辨率地图测绘,也可以采用逆合成孔径雷达(ISAR)技术对海上舰船进行识别分类。在空对空工作方式,雷达可以实现对指定空域的提示搜索、无源搜索和超视距、多目标的搜索和跟踪。由于雷达波束从一点到另外一点的移动只需若干微秒的时间,所以雷达可以在一秒时间内对同一目标观察多达15次。

  JSF 作为战术战斗机,它处于信息数据链的末端,接收从特殊用途传感器飞机(如预警机和电子战飞机)来的各种指令和目标信息,同时,它也是最前端信息的反馈者。

  2005年末诺斯罗普·格鲁门公司向JSF飞机主承包商洛克希德·马丁公司交付了第一部雷达,由他们在飞行实验室试飞,再将其安装在F-35上试飞。

  2.高度综合的传感器系统

  任务系统软件是F-35 战斗机实现各种传感器的数据处理、筛选、融合和向飞行员显示的关键。任务系统软件把所有的传感器纳入到一个巨大的功能结构中,使它们协调工作、相互提示,通过多传感器数据融合得到更高质量的目标数据。既提高了飞行员的判断和决策能力,也极大的延伸了飞行员的视野和对战场环境的感知能力。



位于F-35机头下方的光电跟踪系统(EOTS),其外观呈独特的宝石状。

  关键的数据融合功能已被认定为系统级的风险,F-35的研制领导层将对其开发过程进行重点跟踪,并采取多种降低风险措施。据报道,在2005年秋已在诺思罗普·格鲁门公司的试验飞机BAC-11上对最新版本的雷达和光电装置(EOTS)进行试验。国防部将推动尽早开始多传感器数据融合飞行试验,从而验证基本算法的正确性以及开发新的仿真工具和确定系统的基本结构。这种融合算法的飞行试验将至少持续6个月,最终把试验结果综合到融合算法的改进当中。

  任务系统软件程序的规模将达到450万行。早期版本的数据融合算法将在执行降低风险计划中接受考验。实际上全部传感器融合的试验验证要到2007年才能开始。到2010年中期第三批任务软件发布时,还将把机外来的有关信息加入到融合算法中。

  任务系统的功能是由"观测(observe)、定位(orient)、决策(decide)、行动(act)环路"所组成,对应的英文是"OODA Loop"。传感器和数据链进行数据采集和传输, 由综合核心处理机(ICP)进行融合处理后,为飞行员提供行动计划信息。OODA将帮助飞行员搜索和定位目标,例如,搜索所有可能出现坦克群的地方,如根据路网情况、地物地形条件、装甲车辆的速度范围,甚至是以前曾经出现过装甲车辆群的地方去搜索装甲部队的踪迹。

  但是,目前飞行员和系统软件之间的接口还远未达到成熟的程度。未来在F-35的编队飞行时,应用软件还应具有信息互通的能力,一架飞机上出现的战术情景,也可以在机队中其它飞机上复现。实现真正的作战信息共享。由Smiths Aerospace公司提供一种容量为数百Gigabytes的便携式存储装置,为飞行员存储作战任务数据,并能在飞行过程中记录音频、视频以及其他信息。

  3.功能强大的综合核心处理机(ICP)

  承载任务系统软件的载体ICP是F-35战斗机的电子大脑。它由两个机架组成,其中一个机架具有23个插槽;另一个具有8个插槽。ICP把以前的任务计算机和武器计算机,以及信号处理机的功能集于一身。在开始阶段,ICP的数据处理能力约为400亿每秒操作次数,756亿每秒浮点操作次数,2256亿每秒乘法累积次数(这是信号处理速度的度量单位)。目前的设计的ICP共有7种类型22个硬件模块:

  ·4个通用(GP)处理模块

  ·2个通用输入输出(GPIO)模块

  ·2个信号处理(SP)模块

  ·5个信号处理输入输出(SPIO)模块

  ·2个图像处理模块

  ·2个开关模块

  ·5个电源模块

  ICP的插槽具有扩展能力,可以增加8个数字式处理模块和一个电源模块。ICP采用商用货架产品(COTS),目前阶段采用Motorola G4 PowerPC 微处理器,这是128位AltiVec技术。图像处理器采用商用可编程门阵列电路(FPGA)和超高速集成电路(VHSIC)使用的硬件描述语言(VHDL)。

  通过一个光纤通道网络(OFCN)把各传感器、CNI以及显示器同ICP进行连通。连接的关键部件是两个32端口的ICP开关模块。ICP、CNI、显示管理计算机同飞机管理系统外部的连接采用IEEE1394B(Firewire)接口,它的传输速度为400 megabit/s。

  4.综合高效的电子战(EW)系统

  F-35的电子战系统是由BAE 系统公司研制的,它将形成下述能力:

  ·全向雷达告警能力,支持对各种外部辐射源的分析,对其进行识别、跟踪、工作模式确定、以及测定其主波束到达角(AOA)。

  ·威胁感知和攻击目标定位支持。对辐射源的主波束和旁瓣进行截获和跟踪,对超视距辐射源进行识别、定位和测距,对辐射源的信号参数进行测量。

  ·具有多谱对抗能力,并具有对EW系统的管理能力,其中也包括对干扰箔条和曳光弹的投放管理。

  ·雷达的AESA可以作为无源接收孔径,感知威胁信号,并可以产生相应的干扰信号,使之失去工作能力。

  EW系统将对F-35雷达的搜索范围和频率覆盖不足进行补充。使飞行员具有更强的对战场环境的感知能力。具有3个不同雷达频段的无源雷达告警系统天线孔径安装在机翼前缘、平尾和垂尾上。EW系统的MTBF预估为440小时。

  雷达警戒接收机系统总是处于开启状态,它将为飞机提供对空中和地面的电子信号的监视。系统封装在两个电子支架上,其中包括雷达告警、定向仪和ESM等分系统的插件板。分布式孔径系统(DAS)的信号直接输入到EW系统,并与从ICP来的信号进行融合。数字式处理系统易于重构和扩展,易于实现冗余结构,具有很高的可靠性。

  5.友好的人机界面―― 下视显示器和头盔显示器

  F-35的仪表板与F-22的多功能显示器不同,它采用了一个尺寸为8×20英寸的大型全景多功能显示器(MFDS)。这是迄今为止最大的战斗机显示器,它由Rockwell Collins公司的Kaiser 电子分公司研制。实际上它是由两个并排在一起的8×10英寸投影显示器组成,其分辨率分别为1280×1024。这两个显示器是完全互为备份的。当一个发生故障时,所有的功能都可在另外一个显示器上显示。

  MFDS将显示传感器、武器和飞机状态数据,以及战场环境、战术和安全信息。大范围的战术水平态势可以全屏显示,也可以在平面上分割成若干小窗口分别显示不同的信息。

  采用两种方式对系统功能进行控制:一种是触摸屏方式;另一种是通过设置在驾驶杆和油门杆上的各种开关和电位计旋钮实现的(HOTAS)。两台显示器分别由两个处理机提供对原始信息的加工处理。MFDS采用微型有源矩阵液晶显示器(LCD)作为成像源。每个显示屏的投影系统分别由3个弧光灯进行照明。Collins公司提供所有的显示驱动和第一层次的应用软件。



F-35战机用头盔显示系统

  F-35的头盔显示器系统(HMDS)将取代传统的平视显示器(HUD),不仅节约了费用,而且也显著地降低了系统的重量。HMDS是由视觉系统国际(VSI)公司研制的,这是一家由美国Collins公司和以色列EFW公司(以色列Elbit系统公司的子公司)组成的合资公司。它还为F-15和F/A-18E/F提供联合头盔提示系统。

  HMDS包括三大部分:头盔显示器、DMC-H、头盔跟踪系统。HMDS系统是光电系统和飞行员头部位置跟踪装置的组合,它将为飞行员显示关键的飞行状态数据、任务信息、威胁和安全状态信息,同时系统还可以为飞行员引导机载武器和传感器(如雷达和EOTS)指向所关注的区域;或发出视觉提示,告诉飞行员应该关注的区域。

  F-35 的HMDS采用具有高亮度背光的平板有源矩阵LCD作为光源。 双眼视场方位约为50o,高低约为30o。数字式图像发生器具有提供字符和视频图像的能力。夜间使用时,采用较透明的具有光学涂层的目镜;昼间使用时,采用较厚涂层的目镜。通过分布式孔径系统(DAS)或头盔照相机提供图像信息。F-35飞行员也可以通过"双杆"选择功能以及对图像和字符进行控制。

  6.综合完善的通信、导航、识别(CNI)系统

  CNI 为F-35 战斗机提供下述功能:超视距敌我识别能力(IFF);安全、多通道、多频段话音通信能力;内部数据链(IFDL)交换能力、对多架编队飞行飞机显示器进行同步的能力。CNI系统具有支持35种不同的通信、导航和识别的信号波形的能力。CNI系统采用软件无线电技术(software radio technology),可以提供从VHF到K波段的无线电通信。这项功能是由一系列的不同类型的通用模块支持的:

  ·宽带射频模块:完成模数转换、波形处理和数字式信号处理;

  ·双通道收发模块:在一个很宽的频带内接收波形信号,并对其进行数字化;产生用于发射的波形信号,用于激励功率放大器。该模块将支持35种信号波形的绝大部分;

  ·工作在L波段、VHF/UHF和更高频率波段的功放模块;

  ·电源模块;

  ·CNI处理器模块:执行信号处理、数据处理和通信安全处理任务;

  ·接口模块。

  F-35战斗机CNI系统的基本组合包括:VHF/UHF话音通信,HaveQuick I/II、HaveQuickIIA、卫星通信T/R 、IFF/SIF转发器,IFF(模式4)询问器,ILS/MLS/TACAN,IFDL,Link16T/R, Link4A, 战术数据信息链(TADIL-K),3-D音频,和ADS-B。

  7.高度可靠的飞机管理系统

  F-35 最重要的非ICP(non-ICP)处理功能系统是飞机管理系统(VMS),它包括:飞行控制系统以及若干功能系统,如:燃油管理系统、电源控制和液压控制系统等。BAE系统公司负责研制飞机管理计算机(VMC),事实上VMC包含3个计算机,采用IEEE1394B总线互联。每台计算机都有一个处理机插板和一个I/O以及电源插板。所有三台VMC计算机同时处理数据,并对处理数据结果进行比较,以确保数据的完整性

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