激光武器發射轉塔尺寸對飛機作戰效能的影響

鄖奇佳，宋筆鋒，裴揚

(西北工業大學 航空學院， 西安 710072)

0 引 言

激光武器是利用高能激光束對目標進行遠距離打擊的定向能武器。激光武器具有諸多傳統武器所不具備的優勢，如發射速度為光速，幾乎可以做到發現即摧毀、無聲無息、難以防御，非常適合用來對付高速目標；其儲彈量不受彈艙空間的限制，只要持續供電就能連續不斷地發射，不需要浪費時間裝填彈藥；并且由于發射只消耗電能，每發成本極低，與動輒百萬美元的攔截導彈相比，在很大程度上降低了戰爭成本，解決了不得不使用昂貴的精確制導導彈去攔截低成本武器的難題[1-2]。激光武器的使用必將給未來作戰模式和武器裝備設計帶來顛覆式革命。

然而，激光武器發射轉塔的安裝也存在一些問題。一方面，由于激光武器的有效作用距離與發射鏡直徑成正比，需要盡可能大的發射鏡直徑以提高武器射程；另一方面，由于內部空間、轉塔尺寸、機身遮擋等限制，激光武器發射轉塔無法內埋，而突出于飛機表面的激光武器發射轉塔嚴重地破壞了飛機的流線型外形，對飛機的空氣動力學特性和電磁散射特性產生了不利的影響[3]。

針對吊艙、導彈、副油箱等外掛物對飛機氣動性能和隱身性能的影響已有很多研究。R.Sluder等[4]研究了光電吊艙的升阻力系數和表面壓力分布，發現光電吊艙所受到的升力大于阻力，為光電轉塔在飛機上的安裝提供了參考；衛海粟等[5]采用CFD技術研究了外掛吊艙對飛機氣動特性的影響，對比了掛載吊艙前后飛機飛行性能和操穩特性，但對于外掛吊艙外形參數變化的影響未進行深入研究；遲圣威等[6]基于Workbench仿真對光電吊艙風阻力矩進行了研究，但卻只對光電吊艙進行了研究，并未考慮其安裝在飛機上的情況；劉戰合等[7]研究了頭部外形對無人機氣動和隱身性能的影響，計算了兩種頭部外形的氣動特性和RCS曲線分布，但并未對外形參數進行定量研究；劉戰合等[8]還研究了有、無外掛設備對飛行器RCS曲線分布特性的影響，但并未研究外掛設備外形參數的影響；岳奎志等[9]研究了不同掛載導彈方案下作戰飛機的RCS特性，但并未研究掛載導彈尺寸的影響。

為了量化研究激光武器發射轉塔的直徑對飛機氣動性能和隱身性能的影響，本文參考美軍現有激光武器發射轉塔及其載機的尺寸，以美國MQ-9無人機為基準，建立不同直徑的激光武器發射轉塔模型，分析激光武器發射轉塔直徑對飛機氣動性能和RCS的影響，并通過作戰仿真方法研究其對作戰效能的影響，以期為機載激光武器的設計提供參考。

1 無人機模型建立

1.1 三維模型

為了分析機載激光武器發射轉塔的直徑和安裝角對飛機性能的影響，參考美國通用原子公司“低功率激光武器演示器”(Low Power Laser Demonstration,簡稱LPLD)項目[10]的前傾式激光發射轉塔安裝形式，建立安裝角為30°，轉塔直徑分別為30、50和70 cm的激光武器發射轉塔模型，并與原始飛機模型進行對比分析，如圖1所示。飛機外形參考美國MQ-9無人機，采用CATIA軟件進行建模，飛機翼展20 m，平均氣動弦長1.2 m，機身長度12.5 m，機翼參考面積23 m2。

(a) 原始飛機模型

(b) 安裝激光武器發射轉塔的飛機模型

1.2 氣動性能計算模型

氣動分析中，飛機巡航速度為0.3Ma，任務飛行高度為7 km，查詢國際標準大氣表，可得空氣溫度為242.65 K，大氣壓強為41 040 Pa，空氣密度為0.589 kg/m3，動力黏度為1.55×10-5Pa/s。采用計算流體力學軟件FLUENT來計算不同方案的氣動性能。計算中設定其俯仰角為-4°～10°，間隔2°，控制方程選擇為定?？蓧嚎sN-S方程，湍流模型選擇k-ωSST[11]，湍流動能和動量都采用二階迎風格式處理。為了提高計算效率，取一半機身進行計算，將其所在壁面設為對稱面。原始飛機總網格量為1 691 003，搭載最大尺寸的激光武器發射轉塔時總網格量為1 743 884，所有網格質量均高于0.6，其計算網格如圖2所示。

圖2 氣動計算的網格模型

1.3 隱身性能計算模型

MQ-9無人機主要執行對地面目標的跟蹤、監視和打擊任務，選擇45°仰角作為典型雷達波入射角，選擇X波段的典型值10 GHz作為入射雷達波的頻率。在該頻段范圍內，MQ-9無人機為典型的電大尺寸目標，適合高頻計算方法。因此，本文采用物理光學法，應用電磁仿真軟件FEKO，計算激光武器發射轉塔的直徑對飛機RCS特性的影響。

2 轉塔尺寸對飛機升阻特性的影響

激光武器發射轉塔直徑分別為30、50、70 cm的飛機升力系數、阻力系數及其變化率如圖3～圖6所示。

圖3 不同轉塔直徑的飛機升力系數

圖4 不同轉塔直徑的飛機升力系數相對變化率

圖5 不同轉塔直徑的飛機阻力系數

圖6 不同轉塔直徑的飛機阻力系數相對變化率

從圖3～圖4可以看出：安裝激光武器發射轉塔后，飛機升力系數有所降低，但降幅不大，30、50、70 cm直徑的轉塔引起的升力系數相對于原始飛機的減少量分別在0.6%、1.0%、1.5%以內；并且在常用迎角2°～6°范圍內，激光武器發射轉塔的影響更小，三種直徑的影響均在1%以內。表明激光武器發射轉塔的安裝對飛機升力特性的影響十分微弱。

從圖5～圖6可以看出：發射轉塔對阻力系數的影響幅度大于升力系數，并且發射轉塔直徑越大，阻力系數的增幅越大；但隨著迎角的增大，激光武器發射轉塔對阻力的影響逐漸減小，以0°迎角為例，激光武器發射轉塔直徑為30 cm時，對飛機阻力系數的增加量為2.35%；直徑為50 cm時，對飛機阻力系數的增加量為5.59%；直徑為70 cm時，對飛機阻力系數的增加量為6.20%。

3 轉塔尺寸對飛行速度的影響

以最大平飛速度為例，討論激光武器發射轉塔對飛機飛行性能的影響。假設原始飛機的最大起飛質量為4 700 kg，最大載油量為1 800 kg，發動機最大輸出功率為700 kW，翼面積為23 m2。

飛機在發動機輸出功率達到最大值Pmax時具有最大平飛速度vmax。在巡航高度下，最大平飛速度為

(1)

式中：S為飛機的翼面積；ρ為空氣密度；CDmin為0°迎角下的阻力系數。

激光武器發射轉塔的安裝會增加飛機的阻力系數，引起最大平飛速度的降低。不同激光武器發射轉塔的直徑對飛機最大平飛速度的影響如表1所示。

表1 發射轉塔直徑對最大平飛速度的影響

從表1可以看出：激光武器發射轉塔的安裝增加了飛機的阻力，導致最大平飛速度降低；隨著發射轉塔直徑的增加，最大平飛速度呈減小的趨勢，但影響幅度很小，30、50、70 cm的發射轉塔直徑分別導致飛機的最大飛行速度降低了0.9%、1.8%和2.0%。

4 轉塔尺寸對飛機RCS的影響

激光武器發射轉塔直徑分別為30、50、70 cm，入射雷達波的頻率為10 GHz時，各方案的RCS曲線如圖7所示。

圖7 不同轉塔直徑的飛機RCS曲線

從圖7可以看出：各方案的RCS曲線有較大相似性；激光武器發射轉塔對飛機RCS的影響主要發生在頭向，其次發生在側向，而對尾向基本沒有影響；發射轉塔直徑對RCS的影響表現為對飛機RCS的增加，并且隨著激光武器發射轉塔直徑的增加，飛機RCS曲線的波峰位置無明顯變化，幅值逐漸增大。這是因為激光武器發射轉塔直徑的增加導致反射面積增加，從而引起RCS的增加。

在計算雷達探測概率時，目前主流的做法是選擇重要角域內典型雷達波頻率的RCS均值作為該方向上的飛機RCS來計算雷達探測概率。因此，選擇-30°～30°的RCS均值作為飛機頭向重點探測區域的RCS，60°～120°的RCS均值作為飛機側向重點探測區域的RCS，150°～210°的RCS均值作為飛機尾向重點探測區域的RCS。雷達探測頻率為10 GHz時不同激光武器發射轉塔直徑對應的飛機各方向RCS如表2所示。

表2 不同發射轉塔直徑的飛機各向RCS

從表2可以看出：發射轉塔直徑的增加主要導致飛機頭向和側向RCS均值增大，對飛機尾向RCS均值的影響不大；30、50、70 cm的發射轉塔直徑分別導致飛機的頭向RCS增加64%、173%和282%，側向RCS增加45%、90%和175%。

5 轉塔尺寸對光斑能量密度的影響

激光武器的毀傷能力主要取決于目標材料屬性和光束在目標表面形成光斑的能量密度。目標在激光的作用下溫度逐漸升高，當光斑的能量累積超過一定閾值，就會造成目標材料融化，導致目標毀傷。目標表面的光斑能量密度與激光發射轉塔尺寸之間的關系為

(2)

式中：P0為激光的初始功率；K0為光學系統透過率；τa為大氣透過率；r為目標材料表面反射率；α為光束與材料的夾角；λ為激光的波長；D為激光發射鏡的直徑；β為光束質量因子；R為機載激光武器與目標之間的距離。

目標表面的光斑能量密度與激光發射轉塔尺寸之間的關系如圖8所示，可以看出：當激光武器與目標之間的距離比較遠時，由于大氣的吸收和光束的擴散，目標表面光斑的功率密度很低；但隨著距離的縮短，目標表面光斑的功率密度呈指數型增長，尤其在5 km范圍內，發射鏡直徑的增加可導致目標表面光斑的功率密度成倍的增漲。

圖8 轉塔直徑與光斑能量密度的關系

6 轉塔尺寸對作戰效能的影響

激光武器的安裝一方面提高了飛機的主動防御能力和戰場生存能力，另一方面又降低了飛機的飛行速度，增大了飛機的RCS，導致飛機的戰場生存能力有所降低。為了量化研究機載激光武器發射轉塔的尺寸對飛機作戰效能的影響，采用基于agent的建模與仿真方法，將上述不同轉塔直徑的載機性能參數代入模型，進行無人機突防作戰仿真，分析各方案的突防成功概率。

6.1 作戰場景假設

本文考慮一架搭載激光武器的MQ-9無人機在防空導彈陣地的攔截下，執行突防任務的場景。無人機從防區外飛來，穿過防空導彈陣地的防御范圍，最終抵達目標點執行作戰任務，如圖9所示。若無人機中途被導彈擊落，則認為任務失敗，若無人機成功抵達目標點，則認為任務成功。

圖9 機載激光武器執行突防任務

6.2 作戰任務模型

基于突防作戰的任務要求，采用模塊化的建模思想，將各agent按照運動、感知、通信、決策、執行等功能劃分為不同的模塊，根據各自的功能對每個模塊分別進行建模，模型結構以及各模塊之間的關系如圖10所示。各模塊的具體數學模型詳見文獻[12]，在此不再贅述。

無人機agent包含運動模型、飛行控制模型、光電探測模型、火控模型和機載激光武器模型。飛行控制模型可根據飛機自身狀態和對環境的感知計算飛行指令，飛機運動模型得到指令后控制飛行的航路。光電探測模型實時計算探測范圍內的目標探測概率，而后由火控模型控制激光武器的發射，激光武器模型實時計算靶面光斑能量密度和目標毀傷所需駐留時間。

防空陣地agent包含雷達模型、火控模型和數據鏈模型。雷達模型實時計算目標無人機的探測概率，火控模型判斷導彈發射時機，通過數據鏈將目標航跡信息發送給導彈。

導彈agent包含運動模型、制導控制模型、導引頭模型和引信模型。制導控制模型根據導彈和目標的位置、速度信息計算控制指令，運動模型接收到指令后實時調整飛行航跡。導引頭模型實時計算目標的探測概率，判斷目標是否進入爆炸范圍，并由引信模型控制導彈的爆炸時機并計算目標的毀傷概率。

6.3 仿真案例分析

基于Anylogic軟件平臺進行agent作戰仿真系統的開發，仿真界面如圖11所示。紅色三角形為無人機agent，藍色菱形為防空陣地agent，黃色圓形區域為防空陣地的雷達探測范圍，紫色菱形為任務目標點。

圖11 agent作戰仿真演示

假設防空陣地雷達對處于100 km的RCS為1 m2目標的特征探測概率為0.9，則可得到雷達的特征常數[13]，進而通過恒虛警檢法[14]計算得到任意目標的探測概率。假設機載激光武器功率為50 kW，發射轉塔尺寸及其對應的載機性能如表1～表2所示，以突防成功率作為效能的衡量指標，進行蒙特卡羅仿真，每個方案進行500次仿真，仿真結果如表3所示。

表3 發射轉塔直徑對作戰效能的影響

從表3可以看出：沒有防御措施的情況下無人機很難完成突防任務，安裝機載激光武器后可以大幅度提升無人機的生存能力；三種方案中，50 cm直徑的方案對無人機突防效能的提高最多，將突防成功率從1.5%提升到了78.7%，提升了77.2%。表明在設計機載激光武器的過程中不能只追求攻擊能力的強大，隱身能力對于飛機的作戰效能同樣重要。若隱身能力降低太過嚴重，飛機面臨飽和導彈打擊時，激光武器也無法攔截所有導彈。設計人員必須對激光武器所帶來的優勢和引起的問題進行綜合權衡，得到最合適的設計方案。

7 結 論

(1) 激光武器發射轉塔的安裝減小了飛機的升力系數，增大了飛機的阻力系數。隨著發射轉塔直徑的增大，飛機的最大飛行速度有所降低，降低幅度在2%以內。

(2) 激光武器發射轉塔的安裝會導致飛機的RCS增大，隨著直徑的增加，飛機頭向和側向RCS有顯著增加。30、50、70 cm的發射轉塔直徑分別導致飛機的頭向RCS增加64%、173%和282%，側向RCS增加45%、90%和175%。

(3) 機載激光武器可以提高無人機的作戰效能。但隨著發射轉塔直徑的增大，激光武器的射程雖然有所增加，但敵方雷達對飛機的探測距離同樣增加。持續增大轉塔直徑有導致作戰效能降低的風險。在本文的三種方案中，50 cm直徑的方案對無人機突防效能的提高最大，將突防成功率提升了77.2%。