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“时空要塞”长航时侦察打击一体化无人机

http://www.sina.com.cn  2008年10月08日 16:33  新浪航空
节点无人机高空飞行假想图
节点无人机高空飞行假想图

气动控制技术
气动控制技术

气弹抑制技术
气弹抑制技术

直接力控制技术
直接力控制技术

  设计原则:

  “创新 + 合理”+ “可行 + 可用 + 可承担”

  设计目标:

  结合目前和将来一段时间内的先进技术,进行原理性和集成性的创新,设计出一款满足在临近空间长航时飞行的侦察打击一体化无人机。

  该机能凭借其出色的临近空间飞行性能和较长的续航时间,利用其先进的传感器载荷和通信数据链,全方面获取海陆空天电等信息,通过先进的信息融合、信息处理和信息分发功能,使己方能准确地判断战场态势,迅速及时地做出战场决策。同时为该机配置精确、灵巧的攻击载荷,能够对移动的导弹发射架、敌方关键人员等时间敏感目标进行实时打击。

  该机具有较强的战场突防能力和生存能力,能够与其他作战飞机进行配合执行联合作战任务。

  该机技术和成本都应能控制在合理的承受范围之内,在设计、试验、工程制造等方面均具有可行性,能够在20-30年内具备实战能力并装备部队。

  该机平台应具有通用性,能够基于该机发展出加油机、轰炸机以及其他特种作战飞机,以降低研制和使用成本。

  总体参数:

  起飞总重: 27205 kg 空机重量: 10882 kg

  燃油重量: 13323 kg 有效载荷: 3000 kg

  翼 展: 55.00 m 机 长: 28.50 m

  机 高: 7.00 m 展 弦 比: 18

  性能参数:

  待机时间:24 h 作战半径:5000 km

  巡航耗油率:0.6(kg/kg.h) 待机耗油率:0.5(kg/kg.h)

  巡航升阻比:L/D=30 待机升阻比:L/D=35

  巡航速度:Ma0.82 待机速度:Ma0.78

  巡航高度:18000-25000 m 待机高度:25000-27000 m

  起飞距离:1200 m 着陆距离:1000 m

  主要技术及创新设计点:

  1.平台与系统相结合的理念集成和概念创新

  “时空要塞”体现的首先是平台与系统相结合的理念集成和创新。

  “时空要塞”作为一款高性能大型无人机,将临近空间、长航时、侦察打击一体化三个未来无人机的主要发展方向集成在一起;其整个平台与系统的设计基于未来网络中心战和有人无人平台联合作战的作战模式;其应用将满足未来海陆空天电全方位一体化侦察、时间敏感目标打击、反航母作战、反隐身作战和电子攻防战的需要。“时空要塞”所有技术的应用、系统的设计、作战的使用都是着眼未来发展方向、基于未来作战模式和满足未来作战需要。

  理念上的集成和概念上的创新,使“时空要塞”在未来的天空中拥有无限的动力。

  (技术示意图见图“创新1-理念集成与创新”)

  2.具有优良气动、结构、控制性能的双体双飞翼总体方案设计

  临近空间飞行器气动上要求高升阻比、高升力系数;结构上要求轻质承载、大量采用复合材料;动力上要求发动机低重量、低耗油率、大推力和高可靠性;同时飞机还要具备较高的飞行速度、突出的隐身特性、良好的操纵性与稳定性等。

  针对以上问题,“时空要塞”临近空间长航时侦察打击一体化无人机采用了双体双飞翼布局,内倾双垂尾,背置进气道,这种布局在应用方面的优势有:

  气动:采用大组合展弦比,实现高升力和高升阻比;前后翼面积和升力进行了优化分配,保证飞机在长时间的续航中实现俯仰无舵偏自配平;分布式的前后翼控制面,始终保持飞机最佳的气动效率;

  结构:双体双飞翼的框架结构,显著增加机体刚度和强度,减小机翼的气动弹性变形,提高机体抗坠毁能力;

  控制:前后飞翼控制面与全动垂尾进行组合,可以实现灵活多样的配平、操纵控制;

  隐身:充分利用前后飞翼、左右机体以及双垂尾等部件之间的遮挡,降低雷达反射面积。

  装载:双飞翼和双机体,改善空间分布,增大装载空间,利于燃油、航电和武器载荷的布置;

  (技术示意图见图“创新2-总体方案设计”)

  3.针对临近空间长航时侦察打击特点的先进技术综合应用

  “时空要塞“针对临近空间、长航时、侦察打击的特点综合应用的多项先进技术,主要包括:

  (1)先进气动控制技术

  针对临近空间低大气密度,低雷诺数、气动性能恶化的特点, “时空要塞”采用了先进的增升减阻技术,主要包括:

  主动层流控制:在翼面气流分离点设置分布式微型气流引射孔进行气流引射,使分离的紊流流动重新变为层流流动,提高可用升力,降低摩擦阻力。

  主动干扰控制:在前后翼、机身、垂尾以及各种存在不利干扰气流的部位不知扰流器和气流引射孔,降低不利干扰,增加有利干扰,降低干扰阻力。

  自适应柔性控制面:在前后翼后缘布置柔性控制面,利用电聚合物制动装置(“人工肌肉”)进行驱动,在飞行控制系统控制下实现最优效率的控制面偏转,提高可用升力,降低诱导阻力。

  主动大流场控制:在前后翼中间区域等存在较大气动耦合的区域,进行气流引射和诱导,制造增升涡流,降低下洗影响和不利耦合,提高可用升力,降低诱导阻力和干扰阻力。

  (2)主动气动弹性抑制技术

  针对大展弦比飞行器机翼气弹变形大的特点,“时空要塞”采用了油重、自重、结构和控制四重方法综合抑制气动弹性变形,使得其在相同气动力作用下的变形量远远小于常规布局。

  其中油重和自重减载是指利用机体内的燃油重量和机体结构重量,降低机翼气动外载下的弹性变形;结构减载是指利用双机体的重量和形成的框架结构,降低机翼气动外载下的弹性变形;控制减载是指利用自适应柔性控制面进行高气动效率、低结构变形的配平,降低气动外载下的弹性变形。

  (3)高效直接力控制技术

  直接力控制包括直接升力控制、直接侧力控制和直接阻力控制。

  “时空要塞”通过前后翼控制面和全动垂尾的组合,可以实现各种直接力控制,消除了航迹运动和姿态运动的耦合,可以使飞机在不改变姿态的条件下实现直接上升、侧移或减速,以保证飞机在探测过程中和武器投放过程中平台的姿态稳定性,提高探测精度和打击精度,并有利于提高气动效率和实现对某一区域的凝视观测。

  (4)综合一体化隐身设计

  “时空要塞”临近空间长航时侦察打击一体化无人机作为一种高价值目标,为保证在复杂战场环境下的生存能力和突防能力,采用了综合、全面的隐身措施。主要包括:

  采用波束捷变、低截获概率的信号收发模式等实现电磁隐身;

  采用背置进气道、内倾双垂尾、以及互相平行的机翼、进气道、尾喷口边缘、涂敷吸波材料等实现雷达隐身;

  采用垂尾遮挡、主动冷却技术等实现红外隐身;

  采用减震降噪措施等实现声音隐身;

  针对临近空间的特点,“时空要塞”还采用了防紫外线涂层实现紫外隐身,采用适合临近空间暗黑背景的涂装实现光学隐身。

  (技术示意图见图“创新3-先进技术综合应用”及附图1-4)

  4.海陆空天电全方位获取信息的综合化共形传感器系统

  “时空要塞”采用了一种共形承载天线结构,将通信、探测类天线与机体结构融合在一起,天线既作为功能元件,也作为承载元件,实现了功能和结构的融合。采用共形天线,使“时空要塞”这种多传感器飞机从繁杂的机内传感器布置中解放出来,各项性能有了质的飞跃,主要优点有:

  (1)实现传感器全向的空域覆盖;

  (2)改善飞机气动性能,提高飞机的飞行性能;

  (3)提高雷达探测能力,改善雷达角分辨率与测角精度;

  (4)增大机内装载空间;

  (5)改善飞机的隐身性能;

  “时空要塞”采用综合传感器系统(ISS)设计理论,通过采用模块化、标准化的设计方法,把各个子系统的各种功能重新划分、组合,通过提高资源利用率的方法,将传感器前端组件、信号处理组件和数据处理组件等组成具有资源共享、可重构和通用化的新型系统。

  综合传感器系统设计结合有源电子扫描共用口径天线,实现了机上各类传感器的频段综合和功能综合。

  频段综合:将用于远程预警的UHF波段天线和近程探测的X波段天线进行综合;

  功能综合:将用于地面静止目标成像的SAR模式、地面动目标指示的GMTI模式和空中动目标指示的AMTI模式进行综合。

  “时空要塞”通过在前飞翼前缘、后飞翼后缘以及机身两侧等区域布置共形综合传感器,实现了360°的全向空中预警和空中动目标的指示跟踪(AMTI);能够对机身两侧区域进行地面静止或隐藏目标的SAR成像以及地面动目标指示(GMTI);这些传感器还可同时用于敌我识别、威胁告警、电子对抗等。在前翼上端布置有共形卫通天线阵SATCOM,可用于卫星通讯。功能的综合使得一副传感器系统可以执行多种任务,频段的综合使得一副传感器系统可以执行远近不同距离、不同大小目标的探测。

  “时空要塞”的综合化共形传感器系统,是一种功能综合化的作战系统,其作战功能主要有侦察、探测、识别、定位、跟踪、电子防御、电子干扰和电子对抗8类,而每一类又具有全向、时钟、跳跃、前视、侧视、后视、指针和组合8种作战模式,每一种模式适应不同的战场环境和任务需要。

  如,当“时空要塞”不能明确敌方威胁目标区域时,可进行360°的全向扫描,发现某一区域,如侧向出现威胁目标时,即切换到侧视模式进行扫描,如果发现该区域有高速逼近或威胁性较大的目标出现,则进行指针模式扫描。在扫描的同时,“时空要塞”可对该区域的目标进行电子防御、电子干扰或电子攻击。“时空要塞”也可选择组合模式,即对某几个区域(如前向和后向)进行扫描,或对某一区域进行扫描的同时,对另一特定区域进行指针模式的聚束扫描。

  不同模式需要的电能、数据处理时间、精确度等都有所不同,“时空要塞”利用机载计算机,通过对战场环境的判别、战场任务要求的分析、机载电源的供应分配等因素进行模式选择。

  (技术示意图见图“创新4-综合共形传感器系统”及附图5)

  5.适应不同目标打击的精巧武器载荷系统

  “时空要塞”临近空间长航时侦察打击一体化无人机为打击各类地面关键目标以及时间敏感目标,配备了精巧的武器载荷系统,其主要攻击武器有:

  (1)小直径精确制导炸弹D-Bomb

  布局:折叠菱形翼布局

  重量:120kg 长度:1000mm 直径:120mm

  打击范围:5-30km 动力方式:无动力

  制导方式:北斗卫星/INS制导+数据链制导

  SEP:北斗卫星/INS制导<3 m,加数据链制导<1.5m。

  特点:

  采用折叠菱形翼布局,攻击目标时,菱形折叠弹翼展开,之后尾翼向后弹开,弹体重心与全弹气动中心重合,炸弹以滑翔方式攻击半径5-30km内的固定目标,可以利用北斗卫星制导/INS制导。

  当攻击移动目标或卫星导航方式造敌干扰破坏失效时,D-Bomb可以采用数据链制导,即借助“时空要塞”的实时探测数据,利用数据链进行实时的目标位置修正,直至攻击目标完毕。

  D-Bomb在进行储藏或在机内挂载时,尾翼先向前折叠收起,折叠弹翼的后翼先沿滑轨前收,之后与前翼共同向后折叠收起。

  (2)激光制导炸弹L-Bomb

  布局:常规折叠尾翼布局

  重量:360kg 长度:2400mm 直径:280mm

  打击范围:5-20km 动力方式:无动力

  制导方式:激光制导+数据链制导

  SEP:激光制导<3 m,加数据链制导<1 m。

  特点:

  采用常规折叠尾翼布局,利用激光制导方式攻击半径5-20km内的大型固定目标或移动目标,具备NIU数据链位置修正制导功能。

  L-Bomb在进行储藏或在机内挂载时,尾翼向后折叠收起。

  (3)反辐射巡飞弹ARC-Missle

  布局:串列充气翼布局

  重量:120kg 长度:1800mm

  直径:130mm 翼展:1200mm

  打击范围:0-80km 巡飞时间:20-30min

  动力方式:小型涡扇发动机

  制导方式:无源雷达制导+数据链制导

  SEP:无源雷达制导<3 m,加数据链导<1 m。

  特点:

  采用串列充气翼布局,前后翼形成上下布置,攻击目标时,充气翼利用液化氮气充气展开,ARC-Missle利用涡扇发动机进行动力飞行,借助自身的无源雷达探测装置对敌方雷达、电台等辐射源进行探测、识别和目标锁定,并实施攻击。如果敌方辐射源实行关机或干扰措施,导致ARC-Missle无法准确确定目标时,ARC-Missle在目标区域进行盘旋巡飞,直至目标重新开机或停止干扰,ARC-Missle重新锁定目标进行攻击。如果敌方进行长时间的关机或干扰,ARC-Missle可借助数据链制导功能,向“时空要塞”发出辐射源目标位置锁定请求,“时空要塞”利用自身传感器对辐射源进行定位,并引导ARC-Missle进行攻击。

  ARC-Missle在进行储藏或在机内挂载时,充气翼收在弹体内的翼舱内。

  3种攻击载荷的共同目标是可折叠,尺寸小,便于贮存、运输,适合快速安装,能够满足“时空要塞”打击地面各类目标的要求。

  “时空要塞”后续阶段的改进计划有:

  (1)安装侦察型巡飞弹进一步增强侦察能力;

  (2)安装攻击型巡飞弹或空面炸弹进一步增强对地攻击能力;

  (3)安装远程空空导弹和卫星攻击导弹,使其具备空空作战以及空天作战能力。

  (技术示意图见图“创新5-精巧武器载荷系统”)

  6.针对临近空间飞行的卫星/惯性/天文组合导航系统

  “时空要塞”临近空间长航时侦察打击一体化无人机采用了北斗卫星/惯性/天文组合导航模式。正常情况下采用北斗卫星/惯性导航模式,两者匹配可保证<1m的定位精度,单独使用一种可保证<3m的定位精度。

  当卫星遭到敌方干扰和打击时,“时空要塞”可充分利用其临近空间飞行特性(没有云层遮挡,利于对天观测),利用目标星进行天文导航。这种导航方式的工作原理是,首先利用无线电高度仪或激光测高仪测定出其飞行高度,然后根据自己当前所在的区域,从天文导航数据库中筛选确定该区域的目标星,目标星的数量一般为3到5颗,再利用机载对星观测传感器测定与各颗目标星的角度关系,为保证精度,对星观测传感器通常选择一组,将这些传感器测得的角度关系与飞行高度匹配,利用计算机即可解算出该高度位置的具体平面坐标,从而获得飞机所在位置的精确三维坐标。

  天文导航方式不受敌方干扰,适合全球、全天候使用,定位精度在10m以下,当与惯性导航组合使用时,定位精度可保证在1.5m以下。具备天文导航模式的“时空要塞”在战场环境中将会成为永不迷失的“千里眼”。

  (技术示意图见图“创新6-卫星/惯性/天文组合导航系统”)

  7. 侦察电子战对地攻击相结合的察打一体化作战模式

  “时空要塞”临近空间长航时侦察打击一体化无人机的侦察打击功能可以归结为四大类,即情报监视侦察、电子战、通信中继、对地攻击。

  (1)情报、侦察、监视

  Ø对地静止/移动目标侦察以及指示跟踪;

  Ø对地隐藏目标侦察识别;

  Ø对空远程预警和精确探测识别跟踪;

  (2)电子战

  Ø采用有源对消技术等进行电子防护;

  Ø截获、识别、定位辐射源进行电子支援;

  Ø使用定向高能量的电磁波束进行电子攻击;

  (3)通信中继

  Ø协同其他作战平台进行超视距数据传输;

  Ø与卫星配合,充当卫星中继站;

  Ø卫星失效时,充当导航和通信平台;

  (4)对地攻击

  Ø使用精确制导炸弹打击地面关键目标;

  Ø使用反辐射巡飞弹打击地面雷达站等目标;

  Ø使用空面炸弹等武器进行大面积打击。

  以上侦察打击功能,使 “时空要塞”具备了多种模式的察打一体化:

  (1)侦察+电子战模式的察打一体化

  “时空要塞”在对敌方目标进行探测侦察的同时,可以对敌方目标(主要为空中目标)直接实施电子攻击和电子摧毁,对“时空要塞”而言,电子攻击和电子摧毁是和武器硬杀伤同等重要的打击手段。

  (2)侦察+对地攻击模式的察打一体化

  “时空要塞”可以在侦察的同时,利用配备的精巧武器载荷对移动的导弹发射架、雷达站、关键人物和车辆进行实时打击。

  (3)反航母模式的察打一体化

  时空要塞”凭借临近空间飞行的高度优势可以躲避航空母舰防空武器和舰载机的打击,宽广的监视区域可以覆盖整个航母作战群,超过24h的待机时间又使得其可以全天监视航母的作战行动。

  作战时,“时空要塞”利用综合化的传感器系统,既可实时对航母作战群各种目标进行高精度的侦察成像,利用卫星或超视距中继通信将图像传输给后方指挥中心或我方作战单元,也可以实时探测、识别、跟踪航母舰载机,为我方战斗机等攻击机群或攻击舰队提供预警支持,还可以利用动目标指示技术和数据链制导引导我方远程攻击武器进行超视距打击。与此同时,“时空要塞”还可全程对敌方电子系统进行干扰、数据截获等,使敌方攻击效能大减。

  利用2架或3架“时空要塞”配合作战,可对整个航母作战群形成无缝监视和压制,使我方打击力量占据绝对优势。

  (4)侦察+对空对天打击模式的察打一体化(升级)

  对“时空要塞”进行升级,配备远程空空导弹或者卫星攻击导弹,可以使其具备对空对天打击能力。

  (技术示意图见图“创新7-察打一体化作战模式(1)(2)”)

  8.通用机体的方案改型

  “时空要塞”临近空间长航时侦察打击一体化无人机载设计之初就考虑通用性和多用途性,可以根据任务需要改装成远程亚音速隐身无人轰炸机和远程亚音速隐身无人加油机。改装时均无需对气动外形做大的变动,只需要对任务燃油量、航程、航时等参数进行修改,换装相应的电子设备,并对内部布置和结构,如武器舱、加油设备等进行改动即可。

  改装成远程亚音速隐身无人轰炸机,载弹量可以达到9吨,可携带18×2枚小直径精确制导炸弹以及6×2激光制导炸弹,作战半径达到8000km;

  改装成远程亚音速隐身无人加油机时,最大供油量在15吨左右,安装有两套加油设备,可同时为两架战斗机加油,作战半径达到7500km。

  (技术示意图见图“创新8-通用机体改型设计”)

  9.现有技术和未来技术相结合的系统集成

  “时空要塞”将现有技术和未来技术充分结合,保证其具有最高的可靠性、可用性,努力以最小的技术和成本代价实现最高的作战效能。

  其主要系统配置如下:

  (1)动力系统

  采用两台基于现有成熟技术的大涵道比涡轮风扇发动机,单台质量965kg,海平面最大起飞推力16000DaN/台,代价小,可行性高。

  (2)飞控系统

  “时空要塞”临近空间长航时侦察打击一体化无人机采用具备备容错能力和系统重构能力的三余度光传操纵系统。

  光纤传输具备频带宽、信息容量大、传输速度快等优点,可以满足“时空要塞”信息获取、信息融合和信息处理的要求,并且具备很强的抗干扰特性,可以保证“时空要塞”在复杂的电子对抗环境中可靠工作。

  (3)通信导航系统

  “时空要塞”综合应用卫星、无线电、激光通信和卫星、惯性、天文导航方式,实现全天候视距超视距的精确通信和导航。

  (4)综合能源管理系统

  “时空要塞”采用了统一的综合能源管理系统,可以对传感器系统、武器系统,燃油控制系统、以及各种作动器等的能源需求和能源供应,根据作战任务、飞行条件、飞机状态等,进行统一的管理和能源分配,保证有限的能源供应实现最高的侦察打击效能。

  (5)故障监测系统

  基于分布式综合共形传感器系统的故障监测系统,使“时空要塞”实现全时的高中低各种级别的故障监测和诊断。

  (6)材料结构工艺和制造

  “时空要塞”综合应用复合材料、钛合金材料等比重小,强度高的先进材料和整体成型精密铸造等技术,减轻结构重量,提高结构性能,先进的共形承载天线结构更是实现了功能和结构的革命性融合。

  (技术示意图见图“创新9-系统集成”)

  相关专题:第三届飞行器设计大赛

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