武器试验机建设关键技术研究

李向阳

(中国飞行试验研究院 航空电子与机载设备飞行试验技术研究所, 陕西 西安 710089)

武器试验机建设关键技术研究

李向阳

(中国飞行试验研究院 航空电子与机载设备飞行试验技术研究所, 陕西 西安 710089)

摘要:阐述了武器试验机建设的背景及需求,结合国内外试验机建设经验总结了飞机平台选择、机载火控系统研制、挂装武器飞行性能和机弹分离安全性评估及机载测试测量等试验机建设关键技术,对关键技术提取和具体应用进行了分析并提出了使用原则,明确了主要的指标要求和使用注意事项,以期对相关建设工作起到参考作用。

关键词:武器试验机; 飞行平台; 火控系统; 飞行性能; 测试测量

0引言

试验机是用于完成各类飞行试验的关键设施,是航空技术探索和发展的重要手段。西方航空大国一直对试验机建设非常重视,美国作为世界航空技术的引领者,在二战以后,其国内各飞机公司、军兵种、相关大学和研究机构竞相开展试验机的建设和试飞验证工作,最有代表性的有新概念探索类的X系列和新技术、新产品验证类的旧平台改造系列飞机[1]。借助这些试验机美国不仅完成了大量新概念、新理论的探索任务,而且为新装备进入型号研制完成了前期技术铺垫。不仅美国大量使用各类试验机,前苏联及后继的俄罗斯等航空强国也竞相借助于试验机平台,大力发展本国航空技术和装备。

近年来,随着我国航空工业的快速发展,以新技术和新理念为基础的各类新型武器装备成井喷式发展,试飞试验任务随之突发式增加,武器试验平台和试验机的任务、作用和优势越来越突出。借助于试验机平台,可以完成新研机载武器的各类飞行测试和性能评估工作,包括武器的控制导航分系统测试、末制导分系统测试、遥测分系统验证及武器总体挂载飞行和投放测试等任务。使用该试验机平台,不但能够确保装备研制进度,而且可以大大缩短研制周期、降低试验的成本和安全风险。

本文归纳总结了武器试验机建设中的关键技术,提出了包括飞机平台选择技术、机载火控系统研制技术、挂装武器飞行性能和机弹分离安全性评估技术、机载测试测量技术等为代表的几个关键环节,并就其具体应用原则和主要控制技术指标进行了分析提炼,以期对后续试验机的建设和发展起到借鉴和参考作用。

1飞行平台选择

1.1飞行平台发展现状

在飞行平台选择和投入方面,美国不惜工本、投入巨资,其各类试验机已经系列化,图1为美国德莱顿试飞中心1995年前的试验机使用情况。在武器试验机方面,不仅有由战斗机改装的试验平台,还有采用运输机改装的试验平台,以满足不同特殊性能指标飞行测试的需求。图2为采用波音747飞机改装的激光武器试验机,图3为采用F-15飞机改装的反卫星武器试验机[2]。

图1　德莱顿试飞中心试验机情况统计Fig.1　Test aircraft statistical results of Dryden flight test center

图2　激光武器试验机Fig.2　Laser weapon test aircraft

图3　反卫星武器试验机Fig.3　ASAT test aircraft

除美国之外,原苏联和后继的俄罗斯在武器试验机发展和建设方面也投入巨大,先后使用的机种有安系列、米格系列、苏系列、图系列和雅克系列各类战斗机、轰炸机等上百架,完成了包括空地导弹、制导炸弹、火箭弹、空空近距导弹和空空中远距导弹等上百个武器产品的原理验证、科研试飞及设计定型等任务。由于试验机具有很强的针对性,在机内设备、测试测量设备等方面能力突出,有力地支持了试验任务的顺利开展。图4为采用Su-9飞机改装的空空导弹武器试验机[3]。

由于我国航空装备发展较晚,且前期投入较少,技术发展和装备研制配套的试验机平台资源紧缺,在一定程度上制约了技术的快速提升。目前,国内还缺少专门用于支持机载武器飞行试验的飞机平台,很多任务都是采用临时调配试验机的方式来完成,不仅存在飞行安全问题,而且常常因为平台本身的各类不协调因素而影响任务进度;同时,由于财力有限,国内试验机建设只能在现有条件下进行最优选择。

图4　空空导弹武器试验机(摄影机安装于机头下方)Fig.4　AA missile test aircraft (camera installed under the head of aircraft)

1.2飞行平台选择技术

武器试验机建设中飞机平台选择是首要的。性能优良的飞行平台不但可以保障飞行安全,而且为武器系统的飞行测试提供最佳的验证环境。考虑到武器试验机是面向各类空空、空地武器的通用化飞行测试平台,虽然不同种类武器在具体使用要求方面存在差异,但是在飞机平台的基本需求方面又有共性。因此,可从这个角度出发选择飞机平台,并遵循以下原则:

(1)通用化原则,即该平台既可以执行空空武器发射任务,也可以完成空地武器投放任务。

(2)关键指标优先化原则。不同飞机平台因最初设计用途不同而导致其各项飞行性能指标各有优缺点:空优飞机强调飞机的机动能力;对地攻击则注重低空飞行性能和载弹量。武器试验机最优先的指标是载弹量,即飞机单个挂点的最大有效载荷，在此基础上再考虑其他的性能指标。

(3)选择平台时应考虑可持续保障条件,即飞机本体有效寿命和各类机载成品件的使用维修可保障,一架所剩飞行时间不多或成品件无保障的飞机基本上没有什么用处。

通常在已确定的几个选择对象中,每个对象选取其已有的典型空空、空地武器各型装备的挂机状态,按照下面几项具体技术指标进行对比判定:(1) 基本性能:包括最高飞行高度、最低安全飞行高度、最大飞行速度、最小平飞速度及转弯盘旋等,一般条件下希望高度可达500～15 000 m,速度300～1 200 km/h,转弯坡度60°以上;(2) 操纵性良好,瞬态响应比较好;(3) 至少应有3个武器外挂点,其中2个对称外挂点单个可承载不小于1.5 t的有效载荷;(4) 最大瞬时过载可以达到7g以上;(5) 留空飞行时间不小于2 h;(6) 备件和维修服务长期有保障。

2机载火控系统

2.1机载火控系统概述

由于电子技术和信息技术的迅速发展,机载火控系统发展迅速,已经进入到高度综合化的航空电子时代,有“一代飞机,多代航电”之说。美国先进的JSF战斗机的机载火控系统已经是一套智能化的高度综合航空电子系统[4](见图5),不仅可以完成各项任务,而且大大减轻了飞行员的工作负担。

图5　JSF航空电子系统Fig.5　JSF avionics system

我国经过多年的技术积累和发展,在机载火控系统研制方面也取得了很大进步。对于武器试验机建设来说,由于其主要用途是确保机载武器能够顺利投放,而不是一般型号装备研制要求的大而全的状态;因此,建设中应重点针对机载武器的各类试验需求来确定其组成结构和技术指标。

机载火控系统作为武器发射/投放过程的关键系统,用于完成武器投放前供电、射前各项准备、信息显示及各种控制操作、投放及投放后控制等工作。一般由任务计算机、显示控制、外挂物管理及其他各类传感器组成。典型武器试验机火控系统框图如图6所示。

图6　典型武器试验机火控系统Fig.6　Typical fire control system of weapon test aircraft

2.2机载火控系统设计关键技术

在机载火控系统研制设计中,为兼顾各类武器的不同挂机试飞测试需求,应遵循通用化、专业化和可扩展化原则。通用化原则应从硬件和软件两方面均衡兼顾,相辅相成。在硬件设计中尽可能减少各个子系统和设备之间的物理通道交联,大量采用抗干扰能力较强的数字总线和灵活可变的接口通信协议,便于后期搭建不同框架的火控系统,以适应不同武器的使用需求。在专业化方面,一方面应考虑各类现行军用标准规范的要求;另一方面要考虑新型武器各类信息需求和特殊操作使用要求,全面兼顾并纳入到设计和实现中。在考虑当前需求的基础上,针对未来技术发展需求,从硬件通道、软件模块中预留可扩展接口,便于系统的进一步便捷升级。

火控系统研制中关键的控制指标应包括以下几个方面:(1) 具有较强的数学计算处理能力,能够依据各类输入信息和控制指令快速完成火控参数的转换、计算和火控输出指令生成;(2) 具有良好的信息显示和操作界面,快速准确显示各类飞行安全信息、武器工作状态、武器投放计算结果、各类操作结果等信息;(3) 可同时完成对3个武器外挂点的供电、信息传输、控制和状态监视;(4) 可完成各类预定飞行参数、武器工作参数和目标参数的装订;(5) 具有完善的容错和异常情况处理能力,对各类误操作、异常响应和故障能够及时妥善处理;(6) 地面有完整的仿真支持系统用于软硬件的开发和武器系统联调。

3飞行性能及机弹分离安全性评估

一种新型机载武器挂载于飞机平台上,造成飞机整体外形、重量、重心等的变化,必然对飞机飞行性能、操稳、结构强度等带来影响。飞机空中投放武器时,机弹分离过程中存在相互之间的气动力干扰,武器启控过程会出现异常问题等,这些可能会导致机弹分离时相互碰撞,进而影响飞行安全。为了保证飞行过程及投弹过程的安全,必须在飞机载弹升空前完成相关的飞行性能和机弹分离安全性评估。

评估工作首先应遵循安全性原则,为了保证安全,在评估过程中应适当提高关键技术指标,而在实际应用中则应回到正常技术指标来控制。另一方面,要遵循CFD计算、风洞试验和以往成功使用经验灵活相结合的原则:对于以往成功投放过类似产品的新武器,投放条件宽松(飞行包线80%以内)的亚声速投弹,可直接采用CFD计算结果评估;对于投放条件在包线边界上的亚声速投弹可采用CFD计算+类似产品投放经验校验的方式;而对于超声速投弹的武器,则应采用CFD计算+风洞试验相结合的评估方式。

在整个计算评估中,应对以下几个关键技术指标给出结论:(1) 飞机单侧、双侧带弹起飞、着陆和正常飞行的飞行性能,包括高度、速度限制等;(2) 飞机单侧、双侧带弹起飞、着陆和正常飞行的操纵性和稳定性;(3) 飞机相关位置结构强度是否满足要求;(4) 机弹分离安全性是否满足使用要求,包括给定的飞行高度、飞行速度、飞机姿态条件下和扩展飞行高度、飞行速度、飞机姿态条件下是否都能够满足要求,并给出限定条件。

4机载测试测量技术

4.1机载测试测量技术发展概况

飞行试验结果评估和飞行过程安全监控,必须借助于相关的机载设备和地面与飞机、武器及配套设施工作的参数来判定。正确有效地获取这些参数是通过机载和地面测试测量设备实现的,因此,测试测量系统也是武器试验机不可缺少的子系统之一。

国外试飞测试测量技术也是随着航空技术的发展而不断进步的。目前,美国测试测量技术和能力均处于国际领先的位置,特别是在测试测量的基本理念方面不断地推陈出新,如近几年提出的集虚拟化、综合化、网络化于一身的网络中心测试技术就代表着测试技术的发展方向[5],并且还在向自动化和智能化方向发展[6]。

我国试飞测试测量技术发展经历了国外引进、测绘仿制和自主研发的过程。近几年随着试飞任务的大量增加,相关的测试测量技术和设备研制也取得了较大的进步,已经发展到综合化和网络化测试的水平,可以完成复杂系统的各类信号的采集和集中处理。图7为典型的大型试验机机载测试系统,是基于网络的一体化测试系统[7]。

图7　大型试验机机载测试系统Fig.7　Airborne instrumentation system of large test aircraft

4.2机载测试测量关键技术

测试测量系统一般包括机载数据测试系统、机载视频画面测试系统、机载机弹分离测试系统、机载遥测收发系统及地面测量设施等。机载数据测试系统完成机上各分系统的有关工作参数采集记录,包括安全监视参数和正常工作参数等;机载视频画面测试系统完成机上各类视频信息记录,包括座舱各个显示画面和加装的摄像头画面等;机载机弹分离测试系统完成机弹分离过程的高速视频画面记录,用于分析机弹分离过程中有关轨迹和姿态参数等;机载遥测收发系统用于完成机上数据、视频下传及地面上传指令接收等工作;地面测量设施主要完成飞行轨迹及武器遇靶过程有关参数采集记录。

测试测量系统研制中首先要遵循可靠性原则,即测试测量系统在工作过程中除了自身稳定外,还不能影响被测系统的正常工作,对飞机其他系统没有干扰;其次,测试测量系统要真实全面,即对要求的各类参数均可获取,同时,能够保证记录的每一个参数真实反映其工作的实际状态和变化;此外,系统中的遥测传输子系统实时性要强,能够即时反映参数的变化,并且没有严重的数据丢失问题。

对于测试测量系统,一般的技术指标包括以下几个方面:

(1) 测试测量参数种类要全,至少应包括各类数字总线参数、开关量、模拟量、视频信号和特殊高频信号等。

(2) 采样率要足够高。很多参数的瞬态变化对评估结果影响很大,要反映出真实性,就必须达到足够高的采样率:如对于电源瞬态变化和振动参数采样率均要达到1 000次/s以上;对于机弹分离画面采样率同样也要达到1 000 帧/s以上。

(3) 后端处理能力要强。可以并行处理多路参数采集、压缩、解压缩等工作,数据与视频能够并行处理,并且无丢帧问题。

(4) 具有高精度的时统。所有的机载测试参数和地面测量参数都应具有高精度的时统,一般要求达到1 ms以上。

(5) 遥测传输子系统的传输距离最远应达到360 km(高度差12 km),信道带宽足够大,可满足3路视频和1路数据同时传输,具备双向传输能力。

(6) 具有一定的可扩展能力,便于新增参数的采集记录。

5结束语

武器试验机建设是一个系统工程,涉及很多的技术和内容,本文仅对其中几个关键技术作了总体介绍,以宏观了解武器试验机建设中的关键技术,为早期规划和总体设计提供参考;除此之外,其他相关技术和内容在建设中也应给予足够的重视,以期使设计更完美。

对照航空强国的试验机建设历程,我国武器试验机建设应结合国内武器试验的需求和未来发展,建设具有状态齐全、配套设施完善的武器试验机体系;同时在资金方面应有专项支持,并在后续保障维护方面有持续性,以降低武器研制供应商的投入和风险。在试验机建设成功后,应由代表国家的专业机构负责日常管理和维护保养,并面向全行业提供开放服务,以助推各类航空事业的快速发展。

参考文献：

[1]周自全.飞行试验工程[M].北京:航空工业出版社,2010:347-352.

[2]史蒂夫·马克曼,比尔·霍德尔.独特的研究飞机——空中飞行模拟器、飞行试验台和改型机的历史[M].赵江楠,译.西安:西北工业大学出版社,2014:97-98.

[3]叶菲姆·戈登,德米特里·科米萨洛夫.苏联与当代俄罗斯试验飞机[M].刘选民,译.西安:西北工业大学出版社,2012:389-426.

[4]卢广山.机载武器火控系统关键技术发展综述[C]//中国工程院航空工程科技论坛学术报告会报告文集.北京:中国工程院,2002:90-99.

[5]朱旖,杜建军.国外军用电子自动测试系统发展综述[J].电子测量技术,2008,31(8):1-3.

[6]张宝珍.国外军工试验与测试技术发展动向分析[J].计算机测量与控制,2009,17(1):1-4.

[7]白效贤.基于网络的试飞机载测试系统及其应用[J].测控技术,2004,23(2):4-5.

(编辑：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;

修订日期:2016-01-28; 网络出版时间:2016-02-29 16:38

作者简介:李向阳(1972-)，男，陕西三原人，高级工程师，研究方向为航空电子系统及机载武器飞行试验。

中图分类号：V217

文献标识码：A

文章编号：1002-0853(2016)03-0013-04