F-35六大关键技术均被中国掌握 歼-20成为当今世界五代机集大成者

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导读:原文:   F-35战斗机是目前世界上最先进的第五代战斗机之一,由于采用了一系列世界领先的最新航空技术,F-35成为当今战斗机技术的领导者,除去F-135大推力发动机之外,DSI进气道设计、以“宝石台”为代表的先进综合航电构架、先进综合射频和先进电子战系统、机载有源相控阵火控雷达、EODAS和EOTS光电系统和轴对称矢量喷管AVEN等六大技术成为成就F-35战斗机强大性能的支柱。   我国自上世纪90年代开始,对以上六大技术进行了技术跟踪研究,为了配套正在方案研制的第五代战斗

原文:http://sd.people.com.cn/n/2014/0718/c172839-21701707.html


F-35六大关键技术均被中国掌握 歼-20成为当今世界五代机集大成者

F-35战斗机是目前世界上最先进的第五代战斗机之一,由于采用了一系列世界领先的最新航空技术,F-35成为当今战斗机技术的领导者,除去F-135大推力发动机之外,DSI进气道设计、以“宝石台”为代表的先进综合航电构架、先进综合射频和先进电子战系统、机载有源相控阵火控雷达、EODAS和EOTS光电系统和轴对称矢量喷管AVEN等六大技术成为成就F-35战斗机强大性能的支柱。

我国自上世纪90年代开始,对以上六大技术进行了技术跟踪研究,为了配套正在方案研制的第五代战斗机研究,并于本世纪初开始立项研制,目前,我国已经完全掌握以上六大关键技术,成为继美国之后完全掌握以上先进技术的国家,目前,随着歼20 2011号原型机的露面,我们得以证明中国在航空先进技术上的巨大进步,这是中国航空人引以为傲的底气,一些分析人士指出,作为后来者,歼20继承和发展了F-22、F-35以及T-50等美俄五代机的先进技术成果,成为当今世界五代机的集大成者。

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一、DSI进气道技术

DSI进气道,即无附面层隔道超音速进气道。这种进气道设计是美国洛克希德 马丁公司耗时 10 年开发的新概念超音速进气道,其突出特点是取消了传统超音速进气道上面的附面层隔道以及其他一些复杂机构,也因此减少了生产和维护费用。在 JSF 竞争中获胜的F-35 战斗机就采用了 DSI 设计,它是世界上首架采用DSI进气道设计的战斗机

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二、“宝石台”综合电子系统构架

“宝石台”综合电子系统构架是美国空军继为F-22研制的“宝石柱”系统之后,研制的新型综合电子系统构架,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。

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。但从开发时间和进入服役时间看,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。

我国上世纪90年代开始研究F-22的宝石柱系统之后,又在本世纪初开始研究和研制最新一代综合航电系统架构,这套系统已经在歼10B战斗机上应用,歼20已经采用该系统的完整版。

F-35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兵种作战飞机。他最具特点的进步是开发和采用了高度综合化的航空电子系统,因而,使战斗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。

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据悉, F-35的综合航电系统是全数字式的,因此其设备尺寸、重量和耗电量都比 F-22 上的同等设备要减小很多,同时其综合核心处理器(ICP)的运算速度和准确性也比 F-22A 上的 CIP 更高。

F-35 上的综合核心处理器的运算速度高达 1 兆次/秒(F-22A 上的共用综合处理器的运算速度为 105 亿次/秒,也就是说F-35 战斗机上核心处理器的运算速度是F-22A 上处理器运算速度的十倍),并且在F-35 形成战斗力时,其ICP 内存保留有容量扩大一倍的能力。

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。

我们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。

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三、先进综合射频和先进电子战系统

F-35 的机载综合电子战系统的综合化水平是世界上所有战斗机中最高的,通过 F-35 的综合核心处理器(ICP),其综合电子战系统不仅和 APG-81 雷达相交联,还和其它的机载任务传感器相连通。当电子战系统的综合化程度达到了这个水平的时候,其机载光电分布式孔径系统(EODAS)传感器也可支持电子战系统的对抗措施。虽然基于射频(RF)信号的电子战系统和基于红外(IR)信号的分布式孔径系统是在不同的电磁波频率范围内分开地运作的,但是,通过功能强大的机载综合核心处理器,它们也可以交联在一起进行工作。以前,在老旧的战斗机上,电子战系统的传感器和红外光电侦测系统的传感器是互相独立工作的,飞行员要分别操作电子战系统和光电侦测系统的传感器来探测到的威胁目标,并在座舱内不同的显示器上读取不同传感器的探测到的不同信息,其工作量过大。而 F-35 上的高度综合化的电子战系统可以将各种不同的传感器交联起来,并自动对比各种传感器探测到的威胁目标,经过信息过滤后,自动将最佳结果显示给飞行员,这极大的减轻了飞行员的工作负担。如此高的自动化水平使飞行员更为高效地掌握战场态势,从而大大缩短了飞行员实施电子对抗措施的决策和反应时间。

洛克希德.马丁公司 F-35 航电系统负责人艾利克.布朗杨(Eric Branyan)说道:“虽然 F-35 并不是第一种装备综合式电子战系统的战斗机(在它之前,F-22A 就拥有了综合式电子战系统),但是 F-35 战斗机上的电子战系统带来了一次技术上的革命,它使得战斗机上各种电子战子设备可以联合起来运作。F-35 上先进的光纤高速数据总线系统和共用综合处理器(ICP)可以处理大量的信息,并将经过过滤的信息以最简洁的方式显示给飞行员,从而大幅度地减小了飞行员的工作量,使他们能够将更多的精力集中于空战中的战略和战术运用上,这就是 F-35 战斗机最大的优势。”

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编号“728”的国产运-8电子试验飞机正在测试我军下一代航空电子设备,一些航空爱好者认为该机正在为歼-20战斗机的机载电子系统和火控系统进行飞行测试。其中最让人感兴趣的是机头模拟战斗机的加长机鼻测试机载主动相控阵雷达和前机身伸出来的两个小翼,这个两个小翼是干什么的?一些网友猜测它就是中国战斗机首次采用的L波段机翼前缘AESA雷达天线,另一些网友则认为这是歼-20战斗机的综合射频系统,性能类似于F-35。不管怎样,这些设备让人为之一振,中国的军用航空电子设备和装备发展确实是日新月异。

我国对于CNI系统的关注是非常早的,早在上世纪70年代末,相关部门就将CNI列为重要的预研课题进行攻关,由空研究院组织成立CNI系统方案组,航空电子所为组长航空单位,负责CNI系统的总体、系统联试和时分多址扩频通信机的研制,并明确各参加单位的任务和分工。1980年7月,航空电子所参照有关资料制订出CNI系统研制方案,在方案初审会上通过后,各单位即按分工进行关键技术的研究。1981年10月,三机部在上海召开规划调整会议,明确CNI系统作为航空电子综合系统的一个分系统,整个研究工作分3个阶段进行。翌年6月,三机部在上海召开的工作会议上,进一步明确CNI系统的第一阶段目标是研制出时分多址、扩频通信(包括数字话音和数据传输)兼有无源测距功能的原理样机。

1984年7月,方案通过审定后,各单位即开始研制原理样机的分机,上世纪80年代末,各单位先后将研制的分机集中到航空电子所。完成系统联试和性能测试,证明各分机间的连接正确,主要技术指标与方案要求基本一致。同年8月,CNI系统第一阶段原理样机通过技术鉴定。专家们认为样机具有时分多址、全双工话音、数据通信和在有源校时基础上测距功能,具有一定的抗干扰和反截获能力,达到CNI系统第一阶段预定的技术指标,在此基础上我国开始了CNI工程样机的研制,并且制订了我国CNI相关的军用标准,也就是国军标GJB 2719-1996。

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从运-8航空电子试验飞机的相关图片来看,我国此次试飞的机载CNI系统可能与F-22的ICNI相近,采用综合射频系统、通信/导航/识别通用信号处理系统,系统安装方式可能也基本相同,都是安装在机翼里面,因此需要对相关结构进行试飞,以了安装了天线以后,对于机翼气动参数、结构是否有影响,机翼内的环境对于相关电子系统是否有影响,所以相关的测试机翼我们同样也能在F-22的波音757和F-35的波音737的试验机上面看到。所以机载CNI系统的测试表明我国歼-20的设计对于隐身要求较高,而CNI的埋入式天线的确提高了歼-20的隐身能力,增加了其整体作战能力,同时还可通过移植到现役的歼-10、歼-11等作战上面,同样可以有效的提高它们的作战能力。机载CNI系统的空中测试,表明我国歼-20隐身作战飞机的研制正在有条不紊的推进之中,为早日设计定型装备部队打下了坚实的基础。

F-35 的综合电子战系统可以为飞机提供全向、宽频的保护。如果你绕着 F-35 飞机走一圈的话,你不会发现任何外凸的电子战天线,因为我们将 6 个低可视度电子战天线内嵌入飞机结构之中,它们分别被嵌入主翼的前、后缘和水平尾翼的后缘。这 6 个电子战系统天线对于 F-35 战斗机的雷达隐身特性非常重要,其中一个天线能够识别敌方雷达的工作模式,还有两个天线则可以确定敌对雷达辐射电磁波的入射方向,而另外三个电子战天线是为四通道宽频电子战接收机(four-channel wideband EW receiver)工作的。

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四、机载有源相控阵火控雷达

APG-81有源相控阵机载雷达是美军研制的第四代有缘相控阵雷达, F-35上的APG-81 AESA雷达阵面尺寸较小,而且仅拥有1200个发射/接收模块,另外,APG-77的功率(据说达到16.4KW)要远大于APG-81,因此。F-22A的雷达对于空中目标的探测距离比F-35远大约1/3。APG一81的优势在于其对地工作模式,其合成孔径雷达地图测绘(SAR)/地面移动目标指示(GMTI)/海上移动目标指示能力等空对地/空对海工作模式上的性能则超过APG一77。

APG-81的一个重要特点就是拥有同时进行合成孔径雷达地图测绘(SAR)和地面移动目标指示(GMTI)的能力,虽然其对空中目标的探测距离远小于F-22A,但是APG一81的对空中目标的探测能力要远强于F/A一18系列和F-16系列战斗机的机载脉冲多普勒雷达。

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五、EODAS和EOTS系统

F-35上的EODAS光电系统是指光电分布式孔径系统。它能为飞行员提供一个围绕飞机机身的全景视野,飞行员能够“看透”飞机的底部和侧面,主要用途范围是对空作战。

F-35上的光电跟踪系统(EOTS)不仅可以用来探测空中目标,还可以用来探测地面目标。其在对地面目标的前视红外成像可将目标放大 4 倍,以求得到分辨率较高的红外图像。另外 EOTS 系统还具有激光定位和标准的能力,并引导激光指导武器打击地面目标。

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歼20的 EODAS 在红外范围内工作,它能识别并跟踪逼近飞机的有危险目标,比如敌方的导弹或者战斗机,它极大地增强了飞行员对战场的全方位感知能力。虽然 EODAS 并不是歼20综合电子战系统的一个组成部分,但是其强大的探测功能有助于电子战系统发现敌方危险目标,由于电子战系统的雷达告警器探测的是射频雷达信号,而 EODAS 探测的是红外信号,因此 EODAS 和电子战系统结合使用,将使歼20拥有“射频-红外“(RF-IR)双重监视能力,这将极大地提高了歼20 的战场生存能力。

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六、轴对称矢量喷管技术

飞机推力矢量技术是通过改变发动机排气方向为飞机提供更强的转向力矩的技术。飞机推力矢量技术的应用能赋予战斗机超机动性、短距起降和低的可探测性,极大地提高战斗机的作战有效性和生存能力。美国、俄罗斯等发达国家都将其作为重要技术优先发展。 目前,F-35就采用这种技术。

在飞机推力矢量技术的研究中,改变发动机排气方向,即推力矢量喷管的研究是关键且具决定意义的一环,必须首先研究发展。轴对称矢量喷管(AVEN)是在常规机械式收扩喷管上发展出来的一种推力矢量喷管,通过喷管扩散段的偏转改变发动机排气方向。就整个飞机推力矢量技术来讲,AVEN具有简单、轻质、低风险的特点,对飞机、发动机主机的改装要求小,是实施推力矢量技术的最佳喷管方案。

据悉,AVEN能够保持国内现有发动机收扩喷管的所有功能以及相同的调节控制方式,最终完成的AVEN将可替代现有的轴对称收扩喷管,使3代半飞机具有机动优势,正在研制的某型三代机改进型号将装备采用该技术的发动机。

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小图为我国研制的某型轴对称矢量喷管试车图片。据称,AVEN可根据推比10、推比12、推比15发动机的要求进行设计,作为推比10、推比12、推比15的一种标准喷管,使我国的第4代战斗机具有更高的机动性能,增强我国的国防空中力量。飞机推力矢量技术可以应用在舰载飞机上,并可望研制出适合舰载的无尾短距起降飞机及常规布局垂直起降舰载飞机(常规布局垂直起降飞机的起降方式类似于运载火箭,可在移动式起降平台或中型舰艇直升机起降平台上起降)。

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目前,我国已经完全掌握了轴对称矢量喷管技术,已经完成了目标平台涡扇型AVEN试验件的研制和热态试车,小图为我国研制的新型轴对称矢量喷管收敛调节片。

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