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第四代歼击机的航空电子系统  

2007-04-19 10:48:17|  分类: 装备科技E |  标签: |举报 |字号 订阅

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歼击机是实施空中打击的重要作战平台,其性能水平的高低代表了一个国家的国防实力。世界主要国家都非常重视歼击机的发展,争相投巨资开发研制新一代歼击机。预计在未来20年内,各军事强国将相继装备第四代歼击机或具有第四代歼击机部分特征的新型歼击机。第四代歼击机的主要特征是,具有超声速巡航能力、良好的隐身和短距起降性能、超视距和多目标攻击能力、高机动性和敏捷性,以及多任务、大载荷、远航程、高可靠和可维修性。

歼击机的作战效能与机载航空电子系统(avionics systems)的技术水平密切相关,也可以说,机载航空电子系统的技术水平标志着战斗机的先进程度。世界主要军事大国在发展先进作战飞行平台的同时,尤其注重发展作战飞行平台上用于夺取信息优势的电子信息装备,第四代歼击机航空电子系统正是紧紧围绕着综合化和信息化这两条主线而不断发展的。美国的F-22和F-35歼击机是世界上第四代歼击机的典型代表,本文将以它们为例,对第四代歼击机航空电子系统的技术和结构特点及主要技术加以分析。

四代机航空电子系统的技术特点

航空电子系统是由各种机载信息采集设备(传感器/数据链)、信息处理设备、信息管理和显示控制设备以及相应软件组成的网络。随着飞机的发展,机载航空电子系统分系统和设备的数量不断增多,大体经历了分立式航空电子系统、联合式航空电子系统、综合航空电子系统、先进综合航空电子系统等几个发展阶段。F-22飞机采用的是综合航空电子系统,其主要技术特点是:

系统高度综合化

信息对抗归根到底是电磁频谱的对抗。随着电磁对抗频谱的扩展,现代战斗机的航空电子设备不断增加,而飞机的安装空间和布局方式又受到严格限制,因此,对相关电子设备进行综合,以充分利用资源的航空电子系统综合化设计思想就被提了出来。综合化设计不但可以在简化设备、节省安装空间、减轻战斗机负荷上取得显著效果,还可使不同设备、不同频谱的信息实现最优综合、融合和无缝链接。

航空电子系统的综合化,首先体现在系统结构的综合上,即运用先进的航空电子技术,将系统中传统的雷达、通信、导航、电子战、敌我识别、武器火控等分系统及传感器综合设计在一起,构成一个多频谱、多手段,自适应的综合一体化航空电子系统;二是体现在系统功能的综合上,即系统的功能按层次划分,采用多种传感器的综合及信息处理、融合、显示技术和驾驶员辅助决策技术,使飞行员获得全面的战场态势,把精力集中在高层的战术决策上。

航空电子系统的综合化,还充分考虑到电子技术发展迅速的特点,使系统拥有二次开发能力。目前世界上多数国家采取了“一代平台、多代航电”的做法,以持续提升系统的性能。因此,综合化航空电子系统不仅是第四代战斗机的一个重要特征,也是航空电子系统的一种崭新设计方法和发展方向。

系统高度信息化

信息化程度高是综合化航空电子系统的一个显著特征。四代机装备有源相控阵火控雷达,新型数据链通信系统、综合核心处理机、高速数据总线以及高度综合的座舱显示系统,不仅提高了机内外信息的获取、处理和传输能力,而且大大增强了机内外信息的交互、利用和共享能力。四代机将成为未来网络中心战的节点,可方便地获取卫星、预警机、地面指控中心、友邻部队等各种机外信息资源;飞行员则通过座舱显示器随时掌握战场态势,做出正确判断和决策。

飞机的作战能力提升

综合化、信息化的航空电子系统大大提升了四代机的超视距空战、单机多目标攻击、近距格斗,对地攻击、电子战、夜战和协同作战等能力。由于装备有源相控阵火控雷达,并通过数据链与飞机外部信息源相交联,四代机可在更远的距离上实现先敌发现,以及超视距、多目标先敌攻击;由于采用先进的头盔瞄准显示系统、分布式红外探测系统、有源相控阵火控雷达,可以实现空空导弹±90。的大离轴发射;由于雷达对地合成孔径成像在100千米距离上的分辨率高达1米,可以实现中、近程防区外对地精确打击;由于装备新型电子战系统,具备了对相控阵体制和红外成像体制实施有效干扰的能力;由于装备分布式红外探测系统和先进头盔瞄准显示系统,提高了飞机的夜战能力;由于具有高度综合的信息处理和信息融合功能,增强了飞机的协同作战能力,使飞机可以在信息化战场条件下完成作战任务。

飞行员的工作负担减轻

四代机航空电子系统采用触摸式屏幕显示、先进的头盔瞄准显示等系统,为飞行员提供了更加舒适的工作环境。飞行员不必再搬动数量众多的开关、旋钮,也不必上下左右检查各种仪表显示,只须轻触屏幕或点击鼠标就会立即得到所需信息,更多的时间和精力可以去思考战术决策等问题。四代机航空电子系统还采用了驾驶员辅助决策技术。一旦出现新的情况,系统会自动提示飞行员,并生成多种备选对策、辅助飞行员进行决策,大大减轻了飞行员的心理压力和工作负担。

飞机的使用维护方便

四代机航空电子系统具有高度的模块化结构和自检测功能,可实现故障的快速定位和隔离,甚至将故障定位到某个可在外场更换的模块(LRM),维护人员只需更换故障模块即可排除故障。这样就大大方便了系统的维护,提高了飞机的可维修性和再次出动能力。

四代机航空电子系统的结构特点

从F—22飞机看,航空电子系统的结构特点是:系统按功能区划分,采用高度模块化设计,采用高速数据总线,采用高度综合的座舱显示系统,采用大规模软件技术,采用先进传感器并进行多传感器信息融合,实现了系统容错和重构功能。

功能分区

F-22的航空电子系统采用了“宝石柱”计划提出的功能分区概念,将系统划分为传感器区、任务处理区、座舱显示控制区和飞行控制区。这与三代机航空电子系统采用的总线对各分系统互连相比,大大提高了系统的综合化程度。

高度模块化的设计

F-22的航空电子系统由许多可在外场更换的通用和专用模块组成,在物理结构上实现了高度的模块化。这些模块是超高速集成电路技术发展的成果,具有低故障率、高故障检测和隔离能力,为提高系统的可靠性、降低系统的使用维护费用奠定了基础。高度模块化还是实现系统容错和重构功能的前提条件,这种结构打破了传统航空电子系统按功能划定分系统的任务处理方式,通过软件的动态加载,将任务动态地分配给某个外场可更换模块执行,这样就从结构上使系统容错和重构得以实现。

高速数据总线

采用高速数据总线是F-22航空电子系统的一个重要特征,也是实现系统高速大容量数据传输,以及容错、重构

和资源共享的关键。高速数据总线采用“令牌”环网访问控制协议,每个终端都有获取“令牌”的机会,实现对总线的存取访问。F-22飞机采用的高速数据总线是50兆比特/秒的光纤网络,比联合式航空电子系统采用的1553B总线的传输速度(1兆比特/秒)高50倍。

高度综合的座舱显示系统

F-22飞机采用了高度综合的座舱显示系统,座舱显示由1个平视显示器和6个下视显示器组成,可为飞行员提供全面的战场态势信息和相关飞行信息,具有良好的人机界面和较高的人机工效。平视显示器是视场为20°× 30°的广角全息显示器,6个下视显示器分别显示通信导航识别、飞行、战场态势、攻击、防御,外挂武器及投放物等信息。

系统容错和重构

系统容错和实时动态重构技术,是四代机综合航空电子系统的关键技术之一。F—22航空电子系统通过资源共享、功能分区和采用模块化结构设计,实现了系统的实时动态重构,使单个故障的影响被系统所包容而不会危及多个功能。这样,既改善了系统故障容错特性,又较好地解决了系统在性能、可用性及成本之间的矛盾。

采用大规模软件

F-22飞机航空电子系统软件由170万行源代码编写而成,这是首次在战斗机上大规模地使用软件,成为区别于联合式航空电子系统的又一个典型特征。软件系统沿用了为“宝石柱”计划研制的航空电子实时操作系统,由系统执行程序、核心执行程序、分布执行程序组成。现代航空电子系统对软件的需求量越来越大,这标志着综合航空电子系统已由电子机械密集型向软件密集型过渡;同时,系统软件的大规模增长,也是航空电子系统成本占飞机总成本的比例不断增大的主要原因之一。采用综合核心处理机(ICP)替代共用综合处理器(CIP),提高了数据、信号,和图像的处理速度;采用AN/APG-81有源相控阵雷达替代AN/APG-77,降低了价格、增强了对地功能;采用软件的规模是F-22飞机的3倍;采用当前最先进的触摸式大屏幕座舱显示和头盔瞄准显示等系统,进一步提高了飞机座舱的人机功效;采用大量商用货架产品,降低了系统的开发成本和价格。新技术、关键技术的研究和应用,例如孔径综合、射频综合、多传感器信息融合,以及飞机对目标及战场态势信息的获取、处理、传输及应用;系统对飞机综合作战效能影响的分析;系统模型的研究、建立及验证;系统各种试验理论、方法及设备的研究和鉴定,以及相应技术标准的制定。

航空电子系统综合技术

航空电子系统综合是对系统中所有分系统和设备的高度集成,是充分利用系统资源、提高系统性能、降低系统成本、减少安装空间,减轻飞行员负担的发展途径。系统综合需要重点考虑战技指标的分配、系统的配置、功能的匹配、结构的选择、资源的共享、信息的统一调度、容错和系统重构、系统自监测和维修支持等问题。

传感器综合技术

传感器的综合是航空电子系统综合的关键技术之一,主要包括射频传感器综合和光电传感器综合。它将系统的通信导航识别、电子战、雷达、红外搜索跟踪、前视红外、激光测距/照射等各自独立的传感器,按射频和光电两个频段综合为一个系统。射频传感器综合主要是孔径综合,即把飞机上的几十根天线按频段功能,归并、重构成数量尽可能少的天线,并对天线和模拟电路、控制电路、连接网络进行综合处理;光电传感器综合主要是对红外搜索跟踪、前视红外、激光测距/照射等光电传感器进行功能综合,组合成不同功能的标准模块。

智能化座舱显示控制技术

座舱显示控制是通过驾驶员与飞机及机载设备之间的人机界面来实现的。第四代战斗机的智能化座舱显示控制技术,主要包括全息广角平视仪、大屏幕有源触摸屏式液晶显示器、语音告警/控制器、握杆操纵控制器、正前方控制器等技术,以及多平台、多传感器数据融合技术和驾驶员辅助决策人工智能技术。

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