新一代靶機系統發展研究

杜大全, 胡桂陽, 孟 達

(酒泉十四支局, 甘肅 酒泉 735018)

0 引 言

為奪取未來空中優勢, 美歐等航空強國正加快第六代戰斗機(簡稱六代機)研發進度, 靶機作為武器系統試驗保障的重要條件, 應逼真模擬威脅目標特性和作戰樣式, 以滿足武器裝備靶試需要, 避免降低考核標準、 影響裝備鑒定試驗等問題。 因此, 新一代靶機系統建設應緊跟對手武器裝備研發步伐, 聚焦對手下一代戰斗機目標特性和作戰樣式, 實現逼真模擬, 滿足武器裝備試驗考核需求。

1 未來空中威脅分析

歐洲國家近年來加緊步伐, 力圖通過自主研發六代機擺脫對美國裝備的依賴, 法國、 德國和西班牙正在聯合開發未來空戰系統(Future Combat Air System, FCAS)項目, 下一代戰斗機(Next Generation Fighter, NGF)是該項目的關鍵組成[1]。

2022年12月, 英國、 日本和意大利政府發表聯合聲明, 宣布共同在新的全球空戰計劃(Global Combat Air Programme, GCAP)下開發下一代戰斗機, 將此前英國和意大利聯合開展的Tempest(暴風)未來空戰系統研制計劃與日本的F-X下一代戰斗機計劃合并[2]。

美國未來的六代機由空軍和海軍各自研制, 波音公司、 洛克希德·馬丁公司、 諾斯羅普·格魯曼公司等多家公司參與研制并公布了概念方案, 包括空軍型F-X和海軍型F/A-XX[3-5], 在空軍和海軍分別發布同名的“下一代空中主宰”(Next Generation Air Dominance, NGAD)項目后, 美國六代機也常用與項目同名的“NGAD”來稱謂。 2020年9月, 美國空軍透露一架全尺寸NGAD演示機進行了試飛。 美國戰略和預算評估中心在2019年發布的《走向大國競爭時代的美國空軍》[6]與2020年發布的《未來美國空軍作戰力量的五項重點任務》[7]中, 建議2024年首批交付2架、 2030年交付50架六代機。 一系列信息表明, 美國六代機將在2030年左右形成作戰能力。

目前, 歐洲的2種六代機方案和美國波音公司、 諾斯羅普·格魯曼公司、 洛克希德·馬丁公司的六代機方案全部為有人構型[8]。

為了能夠獲取未來高端信息化戰爭的制空優勢, 近年來, 美軍還在秘密推進包含下一代戰斗機系統等多系統構成的“下一代空中主宰”項目, 并催生了NGAD系統簇(FoS)概念。 NGAD項目由有人平臺、 無人機系統、 指揮控制系統、 武器系統、 發動機系統等一系列不同的子項目組成, 旨在開發各種下一代戰術空戰能力。 根據美國海軍《2030-2035年航空愿景》, NGAD項目設想為以美國海軍六代機為中心, 有人/無人機協同運行的系統簇[9]; 美國空軍NGAD項目旨在發展跨空、 天、 網、 電, 并能與地面/水面能力強聯合的網絡化系統簇, 美國空軍六代機是該系統簇的核心裝備, 將可同時遂行火力打擊、 信息獲取、 數據處理、 目標指示等多種功能。

2 新一代靶機系統發展方向和典型特征

2.1 目標特性逼真模擬對手下一代空戰平臺

目前, 基于有關研究資料能夠勾勒的美國六代機目標特性輪廓是: 具有全方位、 寬/全頻譜隱身能力, RCS較五代機將至少提升一個數量級, 據稱可與1枚BB彈相比擬[9]; 具有較五代機更強的紅外隱身性能, 最小紅外輻射強度可能下降50%; 采用自適應變循環發動機, 具有馬赫數不小于2的長時超聲速巡航能力[5]和超聲速高機動、 亞聲速超常機動能力, 以及1 800 km以上的作戰半徑。 為應對威脅, 新一代靶機建設應瞄準模擬對手六代機目標特性。

2.2 模擬目標群由有人戰機拓展至無人戰機

從空戰發展趨勢看, 無人戰機將成為未來空戰重要組成部分, 其職能使命正不斷拓展。 NGAD系統簇攻擊戰斗平臺采用有人/無人機編組形式, 高度自主的先進無人機稱為“協同作戰飛機”(Collaborative Combat Aircraft, CCA), 最初將主要用于空對空作戰。 美國空軍可能采取1架有人機搭配2架CCA的比例進行編組, 并且出于規劃目的, 考慮了1 000架CCA和200架NGAD戰斗機、 300架F-35A聯合攻擊戰斗機的初始機隊規劃[10-11]。

至今, 靶機的模擬對象還主要是有人機, 對模擬無人機的相關研究較少。 雖然無人機成本正不斷降低, 但高性能作戰無人機仍價格不菲, 而即便使用去除部分任務載荷的實裝進行靶試, 其成本也難以接受。 因此, 即便是針對無人戰機的靶試任務仍然需要專職靶機來完成。

無人戰機較有人戰機至少有兩方面特殊之處。 一是具有更大的過載潛能, 有人戰機承受最大過載一般不超過9(這是優秀飛行員能夠承受的過載極限), 無人機機動能力拋開了飛行員生理限制, 并且因無人駕駛而去除的環控救生等系統質量可用于機體結構增強, 理論上過載能力可超過20, 考慮其隱身氣動布局約束, 無人戰機過載能力仍可能較有人戰機提升30%以上。 二是具有更大的隱身潛能, 無人戰機沒有座艙, 而座艙是傳統戰機的強散射源, 隱身戰機一般采取在座艙蓋上鍍膜的方式, 通過金屬化處理降低座艙腔體散射, 而無法使用效果更好的隱身涂層, 因此無座艙需求的無人戰機更具隱身設計優勢; 并且在組網作戰中, 作為特殊節點使用的無人機還可能不安裝探測雷達, 通過數據鏈利用其他平臺的信息支援來感知戰場態勢, 從而進一步縮減RCS。

無人戰機作為新型靶機模擬目標群, 對靶機性能提出了新的挑戰, 除了高隱身性能要求外, 還需要更大的機動過載能力。 新一代靶機建設應充分考量對無人戰機目標群的模擬需求。

2.3 應用場景由單架次向編隊協同靶試轉變

近年來, 分布式作戰、 馬賽克戰等作戰概念被相繼提出, 作戰形態不斷演進的動因可歸納為持續深化作戰協同能力, 而高度網絡化的有人/無人機協同作戰無疑是支撐上述新質作戰概念在空中戰場落地的重要模式基礎。 有人/無人機分布式協同作戰, 能夠在聯合編隊條件下充分發揮有人平臺的質量優勢及無人平臺的數量優勢, 在實現“功能分解”的同時, 實現基于“地理空間”的分布, 使其達到最大作戰效能, 實現顛覆性作戰能力[12]。 美軍NGAD系統簇正是采取有人機為主、 無人機為輔的編組形式, 形成一個協作的“系統家族”作戰體系, 并利用體系信息實施空中優勢作戰。

有人/無人機分布式協同作戰將是未來空中戰場的主要作戰模式, 空中對抗必然由“平臺對平臺”轉為“分布式對分布式”, 武器打擊對象也將由平臺轉為體系。 在此情況下, 導彈攻擊目標時必然會受到敵機編隊的協同對抗, 包括協同干擾以及“誘餌型”無人機充當欺騙誘餌對有人機實施掩護。 因此, 未來靶試任務中需要構建編隊協同控制的分布式靶機態勢。

3 新一代靶機系統能力要求

靶試任務中靶機的性質是為武器實彈射擊提供無法用有人機代替的靶目標, 要求靶機能夠在特定時間段模擬出有人機的部分目標特性, 從而考核武器系統作戰效能。 靶試過程中靶機扮演的是被發現和跟蹤的防御角色, 模擬的目標特性是對武器效能發揮有影響的特性因素。

目前, 一些研究將六代機技術特征歸納為“5S”, 即超隱身能力、 超機動能力、 超聲速巡航、 超感知打擊和超協同能力[13]。 對于“5S”的能力特征, 靶機既不可能也無必要全部模擬。 例如: 超聲速巡航可給戰機帶來眾多攻擊優勢, 但在遭受攻擊時, 只有有利于擺脫跟蹤的速度、 機動等特性是有意義的, 至于超聲速飛行是不是開了加力、 有多遠的航程等則與靶試無關。 而打擊能力同樣與扮演防御角色的靶機無關。 感知能力和協同能力有一部分是與防御方有關的, 感知能力可通過“虛擬感知”途徑來實現, 協同能力主要是實現協同干擾, 而不是協同探測、 協同打擊。 從未來靶試任務需求考慮, 新一代靶機系統應具備以下關鍵能力。

3.1 全向隱身

六代機和無人協同作戰飛機具有全向隱身性能, 其目的是應對來自不同方向的雷達威脅, 減小各個方向雷達探測距離, 實現穿透性制空作戰。 靶試任務中, 靶機只面對一個已知方向的雷達威脅, 并且被雷達截獲本就是靶試的必要條件, 因此其全向隱身的目的并不同于隱身作戰飛機。 其出發點在于: 目標隱身不僅關系雷達探測距離, 還關系RCS起伏特性, 影響雷達發現概率; 目標隱身關系角閃爍噪聲, 影響雷達角跟蹤精度。 (1)全向隱身使靶機RCS分布特性更為逼真, 在機動過程中靶機相對雷達的RCS起伏特性就更接近模擬目標, 導引頭發現概率更接近實戰情形; (2)在小RCS處, 角閃爍與RCS之間有強負相關性[14], 角閃爍增強會使雷達導引頭制導精度下降, 全向隱身使靶機機動過程中RCS持續保持在較低值, 角閃爍特性更接近模擬目標。 目前隱身靶機主要模擬目標前向隱身性能, 側向、 后向隱身能力不足, 使得靶機RCS分布特性逼真度不高。 雖然歐洲的六代機方案以及美國第五代航空靶機(Fifth-Generation Aerial Targets, 5GAT)[15-16]均采用帶有外傾雙垂尾的布局設計, 這種設計具有控制率設計簡單、 飛行穩定性強、 易于操縱的優勢, 但其側向隱身性能不佳。 新一代靶機系統應首選與NGAD概念方案相同的飛翼氣動布局, 該布局更利于靶機全向隱身。 在飛翼布局基礎上, 通過隱身涂料+隱身功能結構件+翼身融合外形等隱身措施, 可有效抑制靶機側向機身邊條、 翼尖斜切部位、 側機身與翼面夾角產生的散射峰; 采用二元噴管+高溫吸波涂料等措施可有效縮減后向的尾噴管腔體散射。

3.2 寬頻隱身

六代機向寬頻/全頻譜隱身發展, 靶機模擬該性能具有應用意義。 制導武器靶試試驗時, 在中末制導交接前, 靶機RCS及其起伏特性主要影響機載火控雷達或地導武器系統搜索和制導雷達的作戰效能, 因此隱身頻段需要針對上述雷達的工作頻段; 在中末制導交接后, 靶機RCS及其起伏特性、 角閃爍特性主要影響雷達導引頭的作戰效能, 因此隱身頻段需要針對雷達導引頭的工作頻段。 綜上, 靶機需要具備寬頻隱身能力。 一方面需要通過外形隱身設計提升低頻段隱身性能; 另一方面需要使用新型隱身材料, 在突出高頻段吸波材料反射率指標的同時兼顧低頻段指標要求。

3.3 紅外隱身

隨著戰機雷達隱身性能的增強, 導彈系統使用紅外成像導引頭或雷達/紅外雙模復合制導的比例在增大。 而六代機紅外隱身性能較五代機有較大提高, 要考核武器系統紅外導引頭作戰性能, 靶機系統應具備目標主要方向的紅外輻射特性模擬能力。 小尺寸靶機一般紅外輻射強度較低, 靶試中通常以加裝紅外增強器的方式盡量靠近特定角度下的彈道條件要求, 達到考核目的。 所以小尺寸靶機在模擬目標紅外輻射特性方面的任務是紅外增強, 而不是紅外隱身, 技術難點在于如何減小紅外輻射強度方向圖、 紅外光譜特性、 輻射亮度分布和輻射穩定性等與真實目標的差異。 考慮新一代靶機系統尺寸將有所增大, 并使用更大推力的發動機以實現超聲速飛行, 其尾向紅外輻射強度可能大于六代機, 因而模擬的任務轉為紅外隱身。 由于發動機及排氣系統的紅外輻射貢獻占整個戰機紅外輻射的90%, 因此降低發動機排氣系統表面溫度和紅外輻射率是靶機紅外隱身的關鍵, 主要技術手段有: 采用S彎噴管和二元噴管、 噴管外罩采用復合材料隔熱結構、 蒙皮使用紅外隱身涂層等。

3.4 超聲速飛行

美國六代機依靠下一代自適應推進系統(Next Generation Adaptive Propulsion, NGAP)將具備更強大的超聲速巡航能力[17]。 靶機雖然不需要超聲速巡航, 但超聲速飛行卻是其一項重要能力需求。 一方面, 運動過程中彈目相對速度會影響引信動作(多普勒頻移), 而破片與目標相對速度還會影響毀傷效果。 更重要的是, 目標飛行速度會直接影響雷達導引頭的跟蹤精度, 而與機動相結合的超聲速機動能力, 對這一影響更為顯著。 因此, 超聲速飛行、 超聲速機動是新一代靶機不可或缺的能力指標。 但對飛機設計者來說, 超聲速和高隱身、 高機動、 多載荷等指標之間存在著諸多矛盾和制約因素, 設計難度較大, 在靶機性能組合設計時將面臨艱難抉擇。 例如: 采取翼身融合外形有利于靶機側向隱身和載荷能力, 但會顯著增加飛機截面, 從而增加氣動阻力, 加大實現超聲速飛行的難度; 靶機為實現高機動性, 傾向于增加機翼和尾翼面積尺寸, 而為了實現超聲速飛行, 又希望發動機尺寸更大, 這些要求都將影響靶機的隱身性能。 總的來說, 靶機實現超聲速飛行的關鍵是具備小型大推力發動機, 足夠大的推力是破解上述設計矛盾和制約因素的要點, 但目前相關發動機的成熟度還不高。

3.5 大機動過載

大機動過載有助于提升作戰飛機的生存能力。 預測有人駕駛六代機的機動能力將不低于五代機水平; 而無人作戰平臺在擺脫飛行員生理限制后, 過載能力至少提升30%以上。 考慮隱身氣動布局對機動過載需求的不利影響, 靶機可以考慮使用推力矢量技術來實現過載指標需求。 靶機設計時需重點關注高機動工況下的進發匹配問題、 高結構強度和輕量化設計的平衡問題、 整機重量和氣動特性與發動機推力的綜合配平問題、 飛翼布局高機動控制問題。 另外, 由于以往機載成品一般按照過載9的承受能力進行設計, 不符合新一代靶機系統的高過載要求, 因此, 發動機、 起飛著陸系統、 各類機載設備等所有機載成品, 需按照新的過載指標進行過載承受能力試驗驗證或理論計算, 以滿足可靠性要求。

3.6 虛擬感知

對靶試環境態勢信息的實時感知是靶機進行隊形變換、 釋放干擾和機動規避的前提, 但靶機自身的感知能力有限, 如果在靶機上加裝探測設備直接獲取態勢信息, 將會大幅增加靶機成本, 不符合靶機低成本、 可消耗的屬性要求。 為降低成本, 可以通過遙測鏈路打通靶場指揮系統與靶機間的數據交互, 將載機和導彈的探測、 截獲情況以及相對靶機的方位信息對靶機“單向透明”, 使靶機能夠感知威脅, 從而具備虛擬雷達告警和導彈逼近告警能力, 實現“虛擬感知”, 進行及時有效地戰術對抗。 該方案較適合武器系統鑒定試驗, 靶機在此扮演 “后敵發現”、 被動對抗的目標。 對于扮演藍軍進行自由空戰的“靶機”, 應在上述基礎上進一步采取更為公平的方案為其配置“虛擬感知”載荷。 可以在地面采用LVC仿真架構建立“虛擬對抗系統”, 在系統中構建載機、 導彈的三維雷達散射模型、 紅外輻射模型; 按照模擬對象載荷情況逼真構建靶機虛擬探測和虛擬告警系統(也可構建虛擬武器系統)。 然后結合三者的相對位置和姿態信息, 實時仿真解算出靶機的探測和告警情況, 再根據威脅等級和預設的觸發條件智能判斷靶機機動對抗(逃逸)、 釋放干擾、 編隊協同的時機和樣式, 在地面做出決策, 上傳指令, 靶機根據指令響應戰術動作。 這種“虛擬感知”的關鍵是建立較為逼真的仿真模型, 其最大的優勢是將OODA循環的前三個環節進行了異地處理——由空中搬至地面, 使靶機對抗更加逼真的同時, 又能大幅降低靶試成本。

3.7 編隊協同控制

新一代靶機系統需要構建編隊協同控制的分布式靶機態勢, 相較于傳統靶機, 新增了編隊協同控制的能力需求。 編隊協同控制主要包括數據鏈通信、 編隊飛行控制、 自主協同對抗等內容。 數據鏈應支持機間通信, 通過實時協同處理機制, 共享各機間態勢信息, 能夠利用數據鏈信息進行導航, 給靶機控制系統發送導航控制指令, 通信距離、 系統容量應滿足編隊需求; 編隊飛行控制應實現編隊集結、 隊形保持、 隊形變換等功能, 其技術難點主要有控制結構設計、 編隊制導設計、 自主集結、 隊形變換、 密集編隊控制、 防撞控制策略、 機間控制權限協調和節點動態管理等; 自主協同對抗, 需要靶機能夠根據“虛擬感知”系統上傳的靶場態勢信息, 自主判斷變換隊形、 釋放干擾、 機動規避的時機, 并自動觸發預先裝訂的響應策略。

4 結 束 語

對手未來空戰系統的發展, 將對靶機模擬能力提出諸多新的能力需求: 隱身指標將有數量級的提升, 機動性能突破人的生理極限, 模擬對象新增無人作戰飛機, 態勢構建新增編隊協同供靶形式。 本文對新一代靶機系統發展進行了初步探索, 分析了發展方向和能力需求。 后續, 還需根據對手未來空戰系統的實際建設情況, 確定新一代靶機系統具體戰技指標和建設方案。