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殲-20電子系統現狀一覽
殲-20是我國第四代戰鬥機,也是我國目前技術水平最頂尖的戰鬥機。該機採用的是鴨式氣動布局。從菱形機頭、差動鴨翼、可動邊條、DSI進氣道、全動垂尾和腹鰭的設計。
從目前殲-20戰鬥機的圖片推測,殲-20戰鬥機的機頭直徑大約在一米以上。大面積的內部空間意味著可以裝載更多或者更大的設備,這點能與殲-20形成直接對比的,就是國際聯合項目的JSF F-35聯合打擊戰鬥機。F-35聯合打擊戰鬥機機載電子設備由火控雷達、EOTS(電一光瞄準系統)、分布式孔徑系統(EODAS)三大樣組成。EOTS結合了過去IRST(紅外搜索一跟蹤)和FLIR(前視紅外)系統的功能,產品的特點是高性能、輕量化和多功能,在戰鬥中提供精確的空一空、空一地的目標跟蹤能力。通過EOTS,飛行員可以獲得目標的高解析度圖像,系統也會根據雷射指示、雷射測距獲得目標的信息,系統也會自動跟蹤目標的實時動態。F-35聯合打擊戰鬥機通過機上的高速光纖接口,實現了中央計算機和EOTS的連結。
F-35聯合打擊戰鬥機的EOTS裝置置於小面窗口內,堅固,緊湊,良好的低觀察性能。在設計上,也運用了緊湊的單孔設計(主要是為了適應F-35挾小的內部空間),全系統重量(包括外部的窗口)不足200磅。EOTS作戰模式空-地、空-空可紅外跟蹤,空-空也可紅外成像。在捕捉島目標時,系統會主動進行主/被動雷射測距,並且通過計算機精確的定位目標區域的地理坐標,以滿足精確打擊的需求。我國的機載/彈載光電設備發展比較晚,受制於國外長期的禁售和禁止技術交流,到了90年代我們才開始這方面的研究和裝備。殲-20戰鬥機所使用的EOTS系統,匯聚了我國多年來的技術結晶,代表了現在我國在EOTS領域的巔峰產品。該型EOTS由多通道光學系統(可見光通信和紅外通道嗎)、探測系統(可見光CCD、紅外探測器)、雷射測距系統、信息處理系統和輸出控制單元組成。
整套系統可實現可見光成像、紅外夜視和雷射測距。在捕捉目標時,多通道光學系統收集目標的可見光(白天工作)和紅外輻射信號(夜視),通過聚焦,將目標的信息整合成圖像並發送到探測器顯示系統中。探測器在收到圖像後,便開始將光學信號轉化為電信號並且用信息處理單元對這些電信號進行解壓,雷射測距系統會在次工作過程中測試本機與目標的距離和方位。最後,將這些信息揉合(目標的距離,方位,高度和其它信息),發送給飛行員,並且顯示在飛行員的屏顯當中。
由於我國在殲-20戰鬥機上,始終保持著絕對高度的信息保密。所以我們很難看出殲-20戰鬥機EOTS系統的端倪。不過,這也不是說就失去了參考物。作為我國另一款第四代戰鬥機,FC-31戰鬥機所使用的EOTS-86就可以作為一個參考物。相信殲-20戰鬥機所使用的EOTS實力絕對在EOTS-86之上。
EOTS-86的作用很多,既可以空一空、空·面搜索、跟蹤目標,也可以配合全景搜索系統和機載火控雷達配合,完成大面積區域內的目標搜索和跟蹤。該系統工作在長波紅外模式、中波紅外跟蹤、雷射測照等多種模式。由於整合強,系統完善,該系統還可以對目標進行定位和瞄準,並且引導機載武器對目標進行打擊。根據中陸航星公司官方人士的透漏,EOTS-86對類似B-2隱身轟炸機的目標跟蹤距離是150km,對F-22隱身戰鬥機的跟蹤距離是110km,對地面指揮中心的探測距離是50~60km,對海面上大型的艦艇目標是80km,對坦克裝甲車輛是20—30km。
那麼,殲-20戰鬥機所使用的EOTS即使只比EOTS-86強,那麼也能做到超越EOTS-86。考慮到航展數據廠家多少都會「兌水」,那麼筆者就展開一個聯想。假設廠家兌水5成,對F-22這類的目標跟蹤距離僅為55km,那麼也足夠殲-20發射中距空空飛彈(火控雷達關機)打擊F-22戰鬥機。而F-22戰鬥機還沒有可用的設備可以在同等距離上跟蹤殲-20。讀者可能會以「F-22戰鬥」機裝備的AN/ALR-94可以在遠距離外發現殲-20雷達的信號並引導AN/APG-77跟蹤」來質疑。但是,我們首先要知道,AN/ALR-94是一種「綜合式電子支持措施」,就是說,這是一款被動的傳感器系統,它的工作需要和AN/APG-77相輔助。參考紅劍軍演,改進型殲-10B戰鬥機使用的有源相控陣雷達對殲-20的跟蹤距離不到15km(改進型殲-10B戰鬥機的AESA,並不比AN/APG-77差),F-22要想像洛克希德,馬丁公司宣傳的那樣,AN/ALR-94在450km外被動發現目標並讓AN/APG-77在150km內跟蹤目標並打擊是不可能的。而且EOTS發射的並不是雷達波束,而是光學識別信號,AN/ALR-94很難在遠距離捕捉。
EODAS全稱是「光電分布式孔徑系統」。這種系統可以多平臺通用,是結合了光電被動探測系統和分布式架構二者優點的產物(還包括了紅外傳感器功能)。EODAS目前使用的主要方向有以下幾點:
1:飛彈探測和跟蹤
2:飛彈發射點探測
3:IRST態勢感知和提示
4:武器引導能力
5:晝夜導航
F-35聯合打擊戰鬥機所搭載的AN/AAQ-37電光分布式孔徑系統ff1 6組光電傳感器組成,這六組EODAS分布機身四周為F-35提供一個「球形」的態勢感知空間。在這個空間內,EODAS可以為F-35提供立體的空間態勢保護和多機信息傳感。這些功能主要表現在:飛彈告警、戰鬥損傷評估(敵我雙方)、IR(紅外成像)探測和跟蹤(目標)、導航、武器引導。
這種EODAS系統圍繞紅外焦平面陣列展開,作為熱成像探測系統的核心部件,紅外焦平陣面自80年代開始研發到現在,先後經歷了三代多種直徑的發展。在軍用紅外焦平面領域,使用方向主要集中在EODAS和IRST。紅外成像空空飛彈也以此為主要的元器件。目前世界頂級水準的國家主要是中美兩國,代表性作品就是美國的AIM-9X空空飛彈和F-35所使用的EODAS。我國的霹靂-10空空飛彈和EODAS也是使用紅外焦平面。
火控雷達
這是殲-20目前為止,除了發動機之外最飽受媒體和民間人士關注的問題。一般的,火控雷達是傳統戰鬥機(主要是二代機和三代機)的「眼睛」和「雙手」。用眼睛去觀察,監視,跟蹤目標,用雙手和手中的利劍,去刺殺目標。作為一款現代化的火控雷達,殲-20戰鬥機所搭載的是我國目前為止,最先進的火控雷達。
根據目前我國機載雷達的發展(或者說軍用雷達的發展)、殲-20戰鬥機會使用目前最先進、也是最成熟的「數字陣列」雷達。數字陣列雷達最早實踐於我國的KJ-500預警機上,KJ-500預警機搭載的數字陣列也是世界首款已服役的數字陣列雷達(早於美國最少2年)。殲-20採用該體制的雷達,應該是毋庸置疑的(海軍艦載的H/LJG-346A也採用了類似技術)。
數字陣列也屬於傳統的「有源相控陣雷達(AESA)」行列。只不過在AESA模擬波束(ABF)的基礎上,改進到了數字波束(DAR)。數字波束的形成得益於DBF(數字波束形成)技術和DAM(數字陣列模塊)的長足發展。作為一種新「體制」的雷達(但是仍屬於有源相控陣雷達的範疇),數字陣列與有源相控陣雷達相比,簡化了數字衰減器和移向器,通過整合DDS(數字合成)和DBF(數字波束形成)技術,直接實現了數字波束的形成。發射數字波束(或者說數字波束的形成)的關鍵技術就是DDS技術的合理運用(日本在發展類似雷達時想直接從DBF人手,雖然可行但是會造成陣面簡化不合理的後果)。雷達系統內的信號發射要求、雷達波束的寬度、低副瓣的幅度加權和相位加權因子,系統幅相差修正加權因子(低副瓣)等技術細節,都需要做到盡善盡美。
我國第四代戰鬥機採用的數字陣列雷達,採用的是8單元一維數字陣列,陣列內共有2048單元的收發模塊。單個模塊內集成了4個SiC材料襯底的GaN MMIC陣元。GaN材料與第二代的GaAs材料相比,有著能量大,體積小,頻段高的一系列優點。我國在GaN材料的研究上,注入了將近40年的時間。「十年磨一劍」,我國用四十年的時間,鑄造了一柄能「撕裂天空」的利劍。根據資料方面的顯示,第四代戰鬥機火控雷達的功率輸出應大於128W,增益應大於35dB,帶寬保持在28—32MHz的水平上(或者超出這個範圍指數)。
綜合航電系統架構
綜合航電系統架構領域,我國一直緊迫世界潮流。自90年代研究美制寶石柱航電架構以來,我國先後歷經了三代多樣化的航電架構。目前,殲-20戰鬥機所使用的航電架構為高度開放式寶石臺航電架構(按照美系標準劃分)。而較簡單的「寶石柱」架構(F-22戰鬥機所使用的架構),我國則在三代半戰機上使用,典型機型就是殲-10B戰鬥機。
自航電架構概念誕生以來,戰先後度過了分立式(主要是二代機用)、集成式(三代機使用)、分布(早期四代機使用,如F-22)、高度分布式(部分四代機使用,目前僅殲-20戰鬥機使用)。F-35戰鬥機然同為寶石臺架構,但是礙於平臺,機內空間不大,對於架構內的硬體先後做出了減縮,重點之一的數據插口更是減少了三分之一。就因該條件的不足,F-35戰鬥機若強化劃入高度分布式架構是比較勉強的(由於機體空間和財政原因,F-35先後在CIP和其他數據插口上作了不同程度的簡化,導致性能難以和殲-20媲美)。
F-35的寶石臺航電架構,採用的是高度綜合化理念。各系統之間以高速的光纖通道連接。在航電架構當中(或者說第三代和第四代),多種總線和網絡技術是比較關鍵的。星型拓撲結構的HSDB數據總線、點對點高速光纖傳輸鏈路等,F-35戰鬥機也照例縮減了部分插口。F-22的寶石柱航電架構體質的數據連結由第二代的1553B和HSDB兩種數據線混合使用。到了F-35時期,HSDB技術已成熟,性能也已經趨於穩定。所以在F-35聯合打擊戰鬥機上,1553B數據總線已經被HSDB高速數據總線所取代。我國殲-20戰鬥機採用的高速數據總線,和1553B. HSDB都有著相當大的不同。首先,這一數據總線的插口,採用了「模塊化」設計的理念,也就是,數據的傳輸速率,和總線的單位數量形成了直接關係。在殲-20戰鬥機上,我國採用的是100Mbps級別的高速數據總線。各插口之間都預留了相當大的空間,用於滿足日後高性能數據總線插口的連結。隨著我國高速數據總線的深入研究,高速數據總線也有望從Mbps跨入Gbps的行列。屆時,殲-20戰鬥機的速率傳輸速度將會是國際領先水平。
殲-20戰鬥機的高度分布式寶石臺架構(按照美式標準劃分)由ICP(核心處理系統)、綜合傳感器系統、航空電子系統結構(也就是寶石臺)、座艙人-機界面和顯示系統四大塊組成。全系統圍繞寶石臺航電架構展開,分下的子系統也是圍繞著寶石臺航電架構運轉。
ICP在寶石臺航電架構(或者說在戰機)上的用途非常廣泛,從發動機的FADEC(全權限數字電子控制系統),再到戰鬥機傳感器、通訊、電子戰、武器制導和控制、飛彈掛架的控制以及編隊內的信息分享等工作都需要ICP來完成。與採用了民用封裝技術還縮減了ICP插口數量(節省資金)的F-35聯合打擊戰鬥機不同。殲-20戰鬥機得ICP系統以開放式架構和分布式體制為設計理念,ICP插口的數量也接近F-35戰鬥機的兩倍多。
座艙人-機界面和顯示系統
座艙顯示系統和人-機界面決定了飛行員能否安全、高效、有效的駕駛飛機、執行作戰任務。自目前為止,座艙系統已經發展了五代。
第一代的座艙系統,實踐的僅僅是「人機合一」。意思就是說,飛行員在操控戰機時,座艙能給予飛行員一個「肉眼視野」,不妨礙飛行員觀測、跟蹤目標就可以了。機載的設備和武器,不是讓戰鬥機適應飛行員,而是讓飛行員去適應戰鬥機、去適應設計師的構想。
第二代的座艙自動化,則做到了基本的「人性化」。第二代的座艙系統,擴大了雷達、計算機、控制系統的概念和使用範疇。讓飛行員去操作各類繁雜的系統,去關注滿艙的儀器,就可以順利完成一場空戰。但是,滿座艙的儀器和屏幕,對於飛行員來說,壓力是非常大的。這也是為什麼,第二代座艙開始從單人邁向雙人的重要原因。第二代的座艙系統除了繁雜的設備外,還非常依賴其它平臺的「引導」,這在作戰當中是非常致命的,因為飛行員不可能在操作儀器的同時,還要注意引導平臺的訊息(美軍在60年代對飛彈的崇拜,相信視距外打擊解決一切的自信過於盲目,導致飛行員的視野摒棄了機炮系統,相應的瞄具也取消了)。
所以,第三代的座艙系統除了減輕了對儀表的依賴,還嘗試著添入「人性化」設計。這代的座艙,讓飛行員實現了「以人為本」的概念。只需握住操縱杆,就可以完成一場簡單的空戰(包括讓二代座艙棘手的近距格鬥)。此外,光學平顯的使用讓戰鬥機同時實現了「雷達和瞄具」的共存。
第四代座艙是多功能顯示屏和玻璃座艙的天下。玻璃座艙指的顯示屏上的圖形界面,利用圖形界面,了解戰場的態勢信息。而多功能顯示屏則是可以把導航、動力系統、武器存量、態勢感知、告警系統等功能,全部顯示在一塊屏幕上。通過各個顯示屏的窗口,了解戰場實況,通過儀器操縱作戰,是第四代座艙的優點。第四代座艙顯示系統主要裝備於第三代戰鬥機(後期的三代半戰鬥機則融合部分四代機的座倉系統技術,所以性能有所提高)。但是後期的發展,尤其是第四代戰鬥機的研製難度太大,很多國家都不具備研製四代機的基礎(主要是技術和資金問題)。為了提高三代機的作戰能力,彌補四代機的空缺,多個國家開始給本國的三代機進行升級。機體方面的升級是最少的,因為這是卡死了的,如果改動氣動布局,會造成難以想像的後果。所以,三代機的技術升級主要集中在電子系統和硬體(中央計算機、火控雷達和發動機)。
第五代座艙講究的是「高度人性化」。這個高度的人性化設計,主要集中在頭盔顯示器上。在許多人的印 象裡,頭盔都只是供氧,保護飛行員頭部安全的裝備。其實在信息化的作戰背景下(或者說數位化),頭盔顯示器已經成為了不可或缺的戰力倍增器。
以往的頭盔顯示器,雖然可以做到簡單的「瞄準、校射」,但是目標的信息,此時戰場空域的動態情報,還需要飛行員從各個方向的各個儀器一一查看。而智能化的頭盔顯示器,則是把戰場上的作戰所需條件(方位、速度、高度、溫度等信息),全部集中在頭盔顯示器內。
除了顯示信息外,頭盔的語音系統還會將信息,進行語音提示。更智能化的,還會處理這些信息,並且自動給飛行員提供處理措施。而在殲-20戰鬥機上,它所使用的座艙顯示系統和頭盔顯示器,筆者可以很負責任的說一句,官方還未公開。
根據目前筆者搜集到的資料,殲-20戰鬥機的座艙顯示系統,遠比目前展出曝光的座艙顯示系統要更加先進。首先一點就是座艙內實現了「觸屏式」的數位化顯示屏,通過觸擊系統給出的戰術方案和提示,做出反應。只要飛行員確定其中一種方案,系統自動完成程序(比如自動完成火控打擊,若中途出現現意外情況,系統也會給予戰場情況給出處理方案)。