武器試驗機建設關鍵技術研究

李向陽

(中國飛行試驗研究院 航空電子與機載設備飛行試驗技術研究所, 陜西 西安 710089)

武器試驗機建設關鍵技術研究

李向陽

(中國飛行試驗研究院 航空電子與機載設備飛行試驗技術研究所, 陜西 西安 710089)

摘要:闡述了武器試驗機建設的背景及需求,結合國內外試驗機建設經驗總結了飛機平臺選擇、機載火控系統研制、掛裝武器飛行性能和機彈分離安全性評估及機載測試測量等試驗機建設關鍵技術,對關鍵技術提取和具體應用進行了分析并提出了使用原則,明確了主要的指標要求和使用注意事項,以期對相關建設工作起到參考作用。

關鍵詞:武器試驗機; 飛行平臺; 火控系統; 飛行性能; 測試測量

0引言

試驗機是用于完成各類飛行試驗的關鍵設施,是航空技術探索和發展的重要手段。西方航空大國一直對試驗機建設非常重視,美國作為世界航空技術的引領者,在二戰以后,其國內各飛機公司、軍兵種、相關大學和研究機構競相開展試驗機的建設和試飛驗證工作,最有代表性的有新概念探索類的X系列和新技術、新產品驗證類的舊平臺改造系列飛機[1]。借助這些試驗機美國不僅完成了大量新概念、新理論的探索任務,而且為新裝備進入型號研制完成了前期技術鋪墊。不僅美國大量使用各類試驗機,前蘇聯及后繼的俄羅斯等航空強國也競相借助于試驗機平臺,大力發展本國航空技術和裝備。

近年來,隨著我國航空工業的快速發展,以新技術和新理念為基礎的各類新型武器裝備成井噴式發展,試飛試驗任務隨之突發式增加,武器試驗平臺和試驗機的任務、作用和優勢越來越突出。借助于試驗機平臺,可以完成新研機載武器的各類飛行測試和性能評估工作,包括武器的控制導航分系統測試、末制導分系統測試、遙測分系統驗證及武器總體掛載飛行和投放測試等任務。使用該試驗機平臺,不但能夠確保裝備研制進度,而且可以大大縮短研制周期、降低試驗的成本和安全風險。

本文歸納總結了武器試驗機建設中的關鍵技術,提出了包括飛機平臺選擇技術、機載火控系統研制技術、掛裝武器飛行性能和機彈分離安全性評估技術、機載測試測量技術等為代表的幾個關鍵環節,并就其具體應用原則和主要控制技術指標進行了分析提煉,以期對后續試驗機的建設和發展起到借鑒和參考作用。

1飛行平臺選擇

1.1飛行平臺發展現狀

在飛行平臺選擇和投入方面,美國不惜工本、投入巨資,其各類試驗機已經系列化,圖1為美國德萊頓試飛中心1995年前的試驗機使用情況。在武器試驗機方面,不僅有由戰斗機改裝的試驗平臺,還有采用運輸機改裝的試驗平臺,以滿足不同特殊性能指標飛行測試的需求。圖2為采用波音747飛機改裝的激光武器試驗機,圖3為采用F-15飛機改裝的反衛星武器試驗機[2]。

圖1　德萊頓試飛中心試驗機情況統計Fig.1　Test aircraft statistical results of Dryden flight test center

圖2　激光武器試驗機Fig.2　Laser weapon test aircraft

圖3　反衛星武器試驗機Fig.3　ASAT test aircraft

除美國之外,原蘇聯和后繼的俄羅斯在武器試驗機發展和建設方面也投入巨大,先后使用的機種有安系列、米格系列、蘇系列、圖系列和雅克系列各類戰斗機、轟炸機等上百架,完成了包括空地導彈、制導炸彈、火箭彈、空空近距導彈和空空中遠距導彈等上百個武器產品的原理驗證、科研試飛及設計定型等任務。由于試驗機具有很強的針對性,在機內設備、測試測量設備等方面能力突出,有力地支持了試驗任務的順利開展。圖4為采用Su-9飛機改裝的空空導彈武器試驗機[3]。

由于我國航空裝備發展較晚,且前期投入較少,技術發展和裝備研制配套的試驗機平臺資源緊缺,在一定程度上制約了技術的快速提升。目前,國內還缺少專門用于支持機載武器飛行試驗的飛機平臺,很多任務都是采用臨時調配試驗機的方式來完成,不僅存在飛行安全問題,而且常常因為平臺本身的各類不協調因素而影響任務進度;同時,由于財力有限,國內試驗機建設只能在現有條件下進行最優選擇。

圖4　空空導彈武器試驗機(攝影機安裝于機頭下方)Fig.4　AA missile test aircraft (camera installed under the head of aircraft)

1.2飛行平臺選擇技術

武器試驗機建設中飛機平臺選擇是首要的。性能優良的飛行平臺不但可以保障飛行安全,而且為武器系統的飛行測試提供最佳的驗證環境。考慮到武器試驗機是面向各類空空、空地武器的通用化飛行測試平臺,雖然不同種類武器在具體使用要求方面存在差異,但是在飛機平臺的基本需求方面又有共性。因此,可從這個角度出發選擇飛機平臺,并遵循以下原則:

(1)通用化原則,即該平臺既可以執行空空武器發射任務,也可以完成空地武器投放任務。

(2)關鍵指標優先化原則。不同飛機平臺因最初設計用途不同而導致其各項飛行性能指標各有優缺點:空優飛機強調飛機的機動能力;對地攻擊則注重低空飛行性能和載彈量。武器試驗機最優先的指標是載彈量,即飛機單個掛點的最大有效載荷，在此基礎上再考慮其他的性能指標。

(3)選擇平臺時應考慮可持續保障條件,即飛機本體有效壽命和各類機載成品件的使用維修可保障,一架所剩飛行時間不多或成品件無保障的飛機基本上沒有什么用處。

通常在已確定的幾個選擇對象中,每個對象選取其已有的典型空空、空地武器各型裝備的掛機狀態,按照下面幾項具體技術指標進行對比判定:(1) 基本性能:包括最高飛行高度、最低安全飛行高度、最大飛行速度、最小平飛速度及轉彎盤旋等,一般條件下希望高度可達500～15 000 m,速度300～1 200 km/h,轉彎坡度60°以上;(2) 操縱性良好,瞬態響應比較好;(3) 至少應有3個武器外掛點,其中2個對稱外掛點單個可承載不小于1.5 t的有效載荷;(4) 最大瞬時過載可以達到7g以上;(5) 留空飛行時間不小于2 h;(6) 備件和維修服務長期有保障。

2機載火控系統

2.1機載火控系統概述

由于電子技術和信息技術的迅速發展,機載火控系統發展迅速,已經進入到高度綜合化的航空電子時代,有“一代飛機,多代航電”之說。美國先進的JSF戰斗機的機載火控系統已經是一套智能化的高度綜合航空電子系統[4](見圖5),不僅可以完成各項任務,而且大大減輕了飛行員的工作負擔。

圖5　JSF航空電子系統Fig.5　JSF avionics system

我國經過多年的技術積累和發展,在機載火控系統研制方面也取得了很大進步。對于武器試驗機建設來說,由于其主要用途是確保機載武器能夠順利投放,而不是一般型號裝備研制要求的大而全的狀態;因此,建設中應重點針對機載武器的各類試驗需求來確定其組成結構和技術指標。

機載火控系統作為武器發射/投放過程的關鍵系統,用于完成武器投放前供電、射前各項準備、信息顯示及各種控制操作、投放及投放后控制等工作。一般由任務計算機、顯示控制、外掛物管理及其他各類傳感器組成。典型武器試驗機火控系統框圖如圖6所示。

圖6　典型武器試驗機火控系統Fig.6　Typical fire control system of weapon test aircraft

2.2機載火控系統設計關鍵技術

在機載火控系統研制設計中,為兼顧各類武器的不同掛機試飛測試需求,應遵循通用化、專業化和可擴展化原則。通用化原則應從硬件和軟件兩方面均衡兼顧,相輔相成。在硬件設計中盡可能減少各個子系統和設備之間的物理通道交聯,大量采用抗干擾能力較強的數字總線和靈活可變的接口通信協議,便于后期搭建不同框架的火控系統,以適應不同武器的使用需求。在專業化方面,一方面應考慮各類現行軍用標準規范的要求;另一方面要考慮新型武器各類信息需求和特殊操作使用要求,全面兼顧并納入到設計和實現中。在考慮當前需求的基礎上,針對未來技術發展需求,從硬件通道、軟件模塊中預留可擴展接口,便于系統的進一步便捷升級。

火控系統研制中關鍵的控制指標應包括以下幾個方面:(1) 具有較強的數學計算處理能力,能夠依據各類輸入信息和控制指令快速完成火控參數的轉換、計算和火控輸出指令生成;(2) 具有良好的信息顯示和操作界面,快速準確顯示各類飛行安全信息、武器工作狀態、武器投放計算結果、各類操作結果等信息;(3) 可同時完成對3個武器外掛點的供電、信息傳輸、控制和狀態監視;(4) 可完成各類預定飛行參數、武器工作參數和目標參數的裝訂;(5) 具有完善的容錯和異常情況處理能力,對各類誤操作、異常響應和故障能夠及時妥善處理;(6) 地面有完整的仿真支持系統用于軟硬件的開發和武器系統聯調。

3飛行性能及機彈分離安全性評估

一種新型機載武器掛載于飛機平臺上,造成飛機整體外形、重量、重心等的變化,必然對飛機飛行性能、操穩、結構強度等帶來影響。飛機空中投放武器時,機彈分離過程中存在相互之間的氣動力干擾,武器啟控過程會出現異常問題等,這些可能會導致機彈分離時相互碰撞,進而影響飛行安全。為了保證飛行過程及投彈過程的安全,必須在飛機載彈升空前完成相關的飛行性能和機彈分離安全性評估。

評估工作首先應遵循安全性原則,為了保證安全,在評估過程中應適當提高關鍵技術指標,而在實際應用中則應回到正常技術指標來控制。另一方面,要遵循CFD計算、風洞試驗和以往成功使用經驗靈活相結合的原則:對于以往成功投放過類似產品的新武器,投放條件寬松(飛行包線80%以內)的亞聲速投彈,可直接采用CFD計算結果評估;對于投放條件在包線邊界上的亞聲速投彈可采用CFD計算+類似產品投放經驗校驗的方式;而對于超聲速投彈的武器,則應采用CFD計算+風洞試驗相結合的評估方式。

在整個計算評估中,應對以下幾個關鍵技術指標給出結論:(1) 飛機單側、雙側帶彈起飛、著陸和正常飛行的飛行性能,包括高度、速度限制等;(2) 飛機單側、雙側帶彈起飛、著陸和正常飛行的操縱性和穩定性;(3) 飛機相關位置結構強度是否滿足要求;(4) 機彈分離安全性是否滿足使用要求,包括給定的飛行高度、飛行速度、飛機姿態條件下和擴展飛行高度、飛行速度、飛機姿態條件下是否都能夠滿足要求,并給出限定條件。

4機載測試測量技術

4.1機載測試測量技術發展概況

飛行試驗結果評估和飛行過程安全監控,必須借助于相關的機載設備和地面與飛機、武器及配套設施工作的參數來判定。正確有效地獲取這些參數是通過機載和地面測試測量設備實現的,因此,測試測量系統也是武器試驗機不可缺少的子系統之一。

國外試飛測試測量技術也是隨著航空技術的發展而不斷進步的。目前,美國測試測量技術和能力均處于國際領先的位置,特別是在測試測量的基本理念方面不斷地推陳出新,如近幾年提出的集虛擬化、綜合化、網絡化于一身的網絡中心測試技術就代表著測試技術的發展方向[5],并且還在向自動化和智能化方向發展[6]。

我國試飛測試測量技術發展經歷了國外引進、測繪仿制和自主研發的過程。近幾年隨著試飛任務的大量增加,相關的測試測量技術和設備研制也取得了較大的進步,已經發展到綜合化和網絡化測試的水平,可以完成復雜系統的各類信號的采集和集中處理。圖7為典型的大型試驗機機載測試系統,是基于網絡的一體化測試系統[7]。

圖7　大型試驗機機載測試系統Fig.7　Airborne instrumentation system of large test aircraft

4.2機載測試測量關鍵技術

測試測量系統一般包括機載數據測試系統、機載視頻畫面測試系統、機載機彈分離測試系統、機載遙測收發系統及地面測量設施等。機載數據測試系統完成機上各分系統的有關工作參數采集記錄,包括安全監視參數和正常工作參數等;機載視頻畫面測試系統完成機上各類視頻信息記錄,包括座艙各個顯示畫面和加裝的攝像頭畫面等;機載機彈分離測試系統完成機彈分離過程的高速視頻畫面記錄,用于分析機彈分離過程中有關軌跡和姿態參數等;機載遙測收發系統用于完成機上數據、視頻下傳及地面上傳指令接收等工作;地面測量設施主要完成飛行軌跡及武器遇靶過程有關參數采集記錄。

測試測量系統研制中首先要遵循可靠性原則,即測試測量系統在工作過程中除了自身穩定外,還不能影響被測系統的正常工作,對飛機其他系統沒有干擾;其次,測試測量系統要真實全面,即對要求的各類參數均可獲取,同時,能夠保證記錄的每一個參數真實反映其工作的實際狀態和變化;此外,系統中的遙測傳輸子系統實時性要強,能夠即時反映參數的變化,并且沒有嚴重的數據丟失問題。

對于測試測量系統,一般的技術指標包括以下幾個方面:

(1) 測試測量參數種類要全,至少應包括各類數字總線參數、開關量、模擬量、視頻信號和特殊高頻信號等。

(2) 采樣率要足夠高。很多參數的瞬態變化對評估結果影響很大,要反映出真實性,就必須達到足夠高的采樣率:如對于電源瞬態變化和振動參數采樣率均要達到1 000次/s以上;對于機彈分離畫面采樣率同樣也要達到1 000 幀/s以上。

(3) 后端處理能力要強。可以并行處理多路參數采集、壓縮、解壓縮等工作,數據與視頻能夠并行處理,并且無丟幀問題。

(4) 具有高精度的時統。所有的機載測試參數和地面測量參數都應具有高精度的時統,一般要求達到1 ms以上。

(5) 遙測傳輸子系統的傳輸距離最遠應達到360 km(高度差12 km),信道帶寬足夠大,可滿足3路視頻和1路數據同時傳輸,具備雙向傳輸能力。

(6) 具有一定的可擴展能力,便于新增參數的采集記錄。

5結束語

武器試驗機建設是一個系統工程,涉及很多的技術和內容,本文僅對其中幾個關鍵技術作了總體介紹,以宏觀了解武器試驗機建設中的關鍵技術,為早期規劃和總體設計提供參考;除此之外,其他相關技術和內容在建設中也應給予足夠的重視,以期使設計更完美。

對照航空強國的試驗機建設歷程,我國武器試驗機建設應結合國內武器試驗的需求和未來發展,建設具有狀態齊全、配套設施完善的武器試驗機體系;同時在資金方面應有專項支持,并在后續保障維護方面有持續性,以降低武器研制供應商的投入和風險。在試驗機建設成功后,應由代表國家的專業機構負責日常管理和維護保養,并面向全行業提供開放服務,以助推各類航空事業的快速發展。

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(編輯：李怡)

Research on key technology of weapon test aircraft

LI Xiang-yang

(Avionics and Equipment Flight Test Technology Research Institute, CFTE, Xi’an 710089, China)

Abstract:This paper introduces the requirements and background for construction of weapon test aircraft, especially the key technology about flying platform choice, airborne fire control system development, flight performance evaluation, testing and measuring method based on experiences both at home and abroad. Extraction and detailed application of the technology is analyzed, and the operating principles are given. The main indexes and cautions for operation are made clear, which are expected to be useful for related construction.

Key words:weapon test aircraft; flying platform; fire control system; flight performance; testing and measuring

收稿日期:2015-12-16;

修訂日期:2016-01-28; 網絡出版時間:2016-02-29 16:38

作者簡介:李向陽(1972-)，男，陜西三原人，高級工程師，研究方向為航空電子系統及機載武器飛行試驗。

中圖分類號：V217

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0853(2016)03-0013-04