新一代靶机系统发展研究

杜大全, 胡桂阳, 孟 达

(酒泉十四支局, 甘肃 酒泉 735018)

0 引 言

为夺取未来空中优势, 美欧等航空强国正加快第六代战斗机(简称六代机)研发进度, 靶机作为武器系统试验保障的重要条件, 应逼真模拟威胁目标特性和作战样式, 以满足武器装备靶试需要, 避免降低考核标准、 影响装备鉴定试验等问题。 因此, 新一代靶机系统建设应紧跟对手武器装备研发步伐, 聚焦对手下一代战斗机目标特性和作战样式, 实现逼真模拟, 满足武器装备试验考核需求。

1 未来空中威胁分析

欧洲国家近年来加紧步伐, 力图通过自主研发六代机摆脱对美国装备的依赖, 法国、 德国和西班牙正在联合开发未来空战系统(Future Combat Air System, FCAS)项目, 下一代战斗机(Next Generation Fighter, NGF)是该项目的关键组成[1]。

2022年12月, 英国、 日本和意大利政府发表联合声明, 宣布共同在新的全球空战计划(Global Combat Air Programme, GCAP)下开发下一代战斗机, 将此前英国和意大利联合开展的Tempest(暴风)未来空战系统研制计划与日本的F-X下一代战斗机计划合并[2]。

美国未来的六代机由空军和海军各自研制, 波音公司、 洛克希德·马丁公司、 诺斯罗普·格鲁曼公司等多家公司参与研制并公布了概念方案, 包括空军型F-X和海军型F/A-XX[3-5], 在空军和海军分别发布同名的“下一代空中主宰”(Next Generation Air Dominance, NGAD)项目后, 美国六代机也常用与项目同名的“NGAD”来称谓。 2020年9月, 美国空军透露一架全尺寸NGAD演示机进行了试飞。 美国战略和预算评估中心在2019年发布的《走向大国竞争时代的美国空军》[6]与2020年发布的《未来美国空军作战力量的五项重点任务》[7]中, 建议2024年首批交付2架、 2030年交付50架六代机。 一系列信息表明, 美国六代机将在2030年左右形成作战能力。

目前, 欧洲的2种六代机方案和美国波音公司、 诺斯罗普·格鲁曼公司、 洛克希德·马丁公司的六代机方案全部为有人构型[8]。

为了能够获取未来高端信息化战争的制空优势, 近年来, 美军还在秘密推进包含下一代战斗机系统等多系统构成的“下一代空中主宰”项目, 并催生了NGAD系统簇(FoS)概念。 NGAD项目由有人平台、 无人机系统、 指挥控制系统、 武器系统、 发动机系统等一系列不同的子项目组成, 旨在开发各种下一代战术空战能力。 根据美国海军《2030-2035年航空愿景》, NGAD项目设想为以美国海军六代机为中心, 有人/无人机协同运行的系统簇[9]; 美国空军NGAD项目旨在发展跨空、 天、 网、 电, 并能与地面/水面能力强联合的网络化系统簇, 美国空军六代机是该系统簇的核心装备, 将可同时遂行火力打击、 信息获取、 数据处理、 目标指示等多种功能。

2 新一代靶机系统发展方向和典型特征

2.1 目标特性逼真模拟对手下一代空战平台

目前, 基于有关研究资料能够勾勒的美国六代机目标特性轮廓是: 具有全方位、 宽/全频谱隐身能力, RCS较五代机将至少提升一个数量级, 据称可与1枚BB弹相比拟[9]; 具有较五代机更强的红外隐身性能, 最小红外辐射强度可能下降50%; 采用自适应变循环发动机, 具有马赫数不小于2的长时超声速巡航能力[5]和超声速高机动、 亚声速超常机动能力, 以及1 800 km以上的作战半径。 为应对威胁, 新一代靶机建设应瞄准模拟对手六代机目标特性。

2.2 模拟目标群由有人战机拓展至无人战机

从空战发展趋势看, 无人战机将成为未来空战重要组成部分, 其职能使命正不断拓展。 NGAD系统簇攻击战斗平台采用有人/无人机编组形式, 高度自主的先进无人机称为“协同作战飞机”(Collaborative Combat Aircraft, CCA), 最初将主要用于空对空作战。 美国空军可能采取1架有人机搭配2架CCA的比例进行编组, 并且出于规划目的, 考虑了1 000架CCA和200架NGAD战斗机、 300架F-35A联合攻击战斗机的初始机队规划[10-11]。

至今, 靶机的模拟对象还主要是有人机, 对模拟无人机的相关研究较少。 虽然无人机成本正不断降低, 但高性能作战无人机仍价格不菲, 而即便使用去除部分任务载荷的实装进行靶试, 其成本也难以接受。 因此, 即便是针对无人战机的靶试任务仍然需要专职靶机来完成。

无人战机较有人战机至少有两方面特殊之处。 一是具有更大的过载潜能, 有人战机承受最大过载一般不超过9(这是优秀飞行员能够承受的过载极限), 无人机机动能力抛开了飞行员生理限制, 并且因无人驾驶而去除的环控救生等系统质量可用于机体结构增强, 理论上过载能力可超过20, 考虑其隐身气动布局约束, 无人战机过载能力仍可能较有人战机提升30%以上。 二是具有更大的隐身潜能, 无人战机没有座舱, 而座舱是传统战机的强散射源, 隐身战机一般采取在座舱盖上镀膜的方式, 通过金属化处理降低座舱腔体散射, 而无法使用效果更好的隐身涂层, 因此无座舱需求的无人战机更具隐身设计优势; 并且在组网作战中, 作为特殊节点使用的无人机还可能不安装探测雷达, 通过数据链利用其他平台的信息支援来感知战场态势, 从而进一步缩减RCS。

无人战机作为新型靶机模拟目标群, 对靶机性能提出了新的挑战, 除了高隐身性能要求外, 还需要更大的机动过载能力。 新一代靶机建设应充分考量对无人战机目标群的模拟需求。

2.3 应用场景由单架次向编队协同靶试转变

近年来, 分布式作战、 马赛克战等作战概念被相继提出, 作战形态不断演进的动因可归纳为持续深化作战协同能力, 而高度网络化的有人/无人机协同作战无疑是支撑上述新质作战概念在空中战场落地的重要模式基础。 有人/无人机分布式协同作战, 能够在联合编队条件下充分发挥有人平台的质量优势及无人平台的数量优势, 在实现“功能分解”的同时, 实现基于“地理空间”的分布, 使其达到最大作战效能, 实现颠覆性作战能力[12]。 美军NGAD系统簇正是采取有人机为主、 无人机为辅的编组形式, 形成一个协作的“系统家族”作战体系, 并利用体系信息实施空中优势作战。

有人/无人机分布式协同作战将是未来空中战场的主要作战模式, 空中对抗必然由“平台对平台”转为“分布式对分布式”, 武器打击对象也将由平台转为体系。 在此情况下, 导弹攻击目标时必然会受到敌机编队的协同对抗, 包括协同干扰以及“诱饵型”无人机充当欺骗诱饵对有人机实施掩护。 因此, 未来靶试任务中需要构建编队协同控制的分布式靶机态势。

3 新一代靶机系统能力要求

靶试任务中靶机的性质是为武器实弹射击提供无法用有人机代替的靶目标, 要求靶机能够在特定时间段模拟出有人机的部分目标特性, 从而考核武器系统作战效能。 靶试过程中靶机扮演的是被发现和跟踪的防御角色, 模拟的目标特性是对武器效能发挥有影响的特性因素。

目前, 一些研究将六代机技术特征归纳为“5S”, 即超隐身能力、 超机动能力、 超声速巡航、 超感知打击和超协同能力[13]。 对于“5S”的能力特征, 靶机既不可能也无必要全部模拟。 例如: 超声速巡航可给战机带来众多攻击优势, 但在遭受攻击时, 只有有利于摆脱跟踪的速度、 机动等特性是有意义的, 至于超声速飞行是不是开了加力、 有多远的航程等则与靶试无关。 而打击能力同样与扮演防御角色的靶机无关。 感知能力和协同能力有一部分是与防御方有关的, 感知能力可通过“虚拟感知”途径来实现, 协同能力主要是实现协同干扰, 而不是协同探测、 协同打击。 从未来靶试任务需求考虑, 新一代靶机系统应具备以下关键能力。

3.1 全向隐身

六代机和无人协同作战飞机具有全向隐身性能, 其目的是应对来自不同方向的雷达威胁, 减小各个方向雷达探测距离, 实现穿透性制空作战。 靶试任务中, 靶机只面对一个已知方向的雷达威胁, 并且被雷达截获本就是靶试的必要条件, 因此其全向隐身的目的并不同于隐身作战飞机。 其出发点在于: 目标隐身不仅关系雷达探测距离, 还关系RCS起伏特性, 影响雷达发现概率; 目标隐身关系角闪烁噪声, 影响雷达角跟踪精度。 (1)全向隐身使靶机RCS分布特性更为逼真, 在机动过程中靶机相对雷达的RCS起伏特性就更接近模拟目标, 导引头发现概率更接近实战情形; (2)在小RCS处, 角闪烁与RCS之间有强负相关性[14], 角闪烁增强会使雷达导引头制导精度下降, 全向隐身使靶机机动过程中RCS持续保持在较低值, 角闪烁特性更接近模拟目标。 目前隐身靶机主要模拟目标前向隐身性能, 侧向、 后向隐身能力不足, 使得靶机RCS分布特性逼真度不高。 虽然欧洲的六代机方案以及美国第五代航空靶机(Fifth-Generation Aerial Targets, 5GAT)[15-16]均采用带有外倾双垂尾的布局设计, 这种设计具有控制率设计简单、 飞行稳定性强、 易于操纵的优势, 但其侧向隐身性能不佳。 新一代靶机系统应首选与NGAD概念方案相同的飞翼气动布局, 该布局更利于靶机全向隐身。 在飞翼布局基础上, 通过隐身涂料+隐身功能结构件+翼身融合外形等隐身措施, 可有效抑制靶机侧向机身边条、 翼尖斜切部位、 侧机身与翼面夹角产生的散射峰; 采用二元喷管+高温吸波涂料等措施可有效缩减后向的尾喷管腔体散射。

3.2 宽频隐身

六代机向宽频/全频谱隐身发展, 靶机模拟该性能具有应用意义。 制导武器靶试试验时, 在中末制导交接前, 靶机RCS及其起伏特性主要影响机载火控雷达或地导武器系统搜索和制导雷达的作战效能, 因此隐身频段需要针对上述雷达的工作频段; 在中末制导交接后, 靶机RCS及其起伏特性、 角闪烁特性主要影响雷达导引头的作战效能, 因此隐身频段需要针对雷达导引头的工作频段。 综上, 靶机需要具备宽频隐身能力。 一方面需要通过外形隐身设计提升低频段隐身性能; 另一方面需要使用新型隐身材料, 在突出高频段吸波材料反射率指标的同时兼顾低频段指标要求。

3.3 红外隐身

随着战机雷达隐身性能的增强, 导弹系统使用红外成像导引头或雷达/红外双模复合制导的比例在增大。 而六代机红外隐身性能较五代机有较大提高, 要考核武器系统红外导引头作战性能, 靶机系统应具备目标主要方向的红外辐射特性模拟能力。 小尺寸靶机一般红外辐射强度较低, 靶试中通常以加装红外增强器的方式尽量靠近特定角度下的弹道条件要求, 达到考核目的。 所以小尺寸靶机在模拟目标红外辐射特性方面的任务是红外增强, 而不是红外隐身, 技术难点在于如何减小红外辐射强度方向图、 红外光谱特性、 辐射亮度分布和辐射稳定性等与真实目标的差异。 考虑新一代靶机系统尺寸将有所增大, 并使用更大推力的发动机以实现超声速飞行, 其尾向红外辐射强度可能大于六代机, 因而模拟的任务转为红外隐身。 由于发动机及排气系统的红外辐射贡献占整个战机红外辐射的90%, 因此降低发动机排气系统表面温度和红外辐射率是靶机红外隐身的关键, 主要技术手段有: 采用S弯喷管和二元喷管、 喷管外罩采用复合材料隔热结构、 蒙皮使用红外隐身涂层等。

3.4 超声速飞行

美国六代机依靠下一代自适应推进系统(Next Generation Adaptive Propulsion, NGAP)将具备更强大的超声速巡航能力[17]。 靶机虽然不需要超声速巡航, 但超声速飞行却是其一项重要能力需求。 一方面, 运动过程中弹目相对速度会影响引信动作(多普勒频移), 而破片与目标相对速度还会影响毁伤效果。 更重要的是, 目标飞行速度会直接影响雷达导引头的跟踪精度, 而与机动相结合的超声速机动能力, 对这一影响更为显著。 因此, 超声速飞行、 超声速机动是新一代靶机不可或缺的能力指标。 但对飞机设计者来说, 超声速和高隐身、 高机动、 多载荷等指标之间存在着诸多矛盾和制约因素, 设计难度较大, 在靶机性能组合设计时将面临艰难抉择。 例如: 采取翼身融合外形有利于靶机侧向隐身和载荷能力, 但会显著增加飞机截面, 从而增加气动阻力, 加大实现超声速飞行的难度; 靶机为实现高机动性, 倾向于增加机翼和尾翼面积尺寸, 而为了实现超声速飞行, 又希望发动机尺寸更大, 这些要求都将影响靶机的隐身性能。 总的来说, 靶机实现超声速飞行的关键是具备小型大推力发动机, 足够大的推力是破解上述设计矛盾和制约因素的要点, 但目前相关发动机的成熟度还不高。

3.5 大机动过载

大机动过载有助于提升作战飞机的生存能力。 预测有人驾驶六代机的机动能力将不低于五代机水平; 而无人作战平台在摆脱飞行员生理限制后, 过载能力至少提升30%以上。 考虑隐身气动布局对机动过载需求的不利影响, 靶机可以考虑使用推力矢量技术来实现过载指标需求。 靶机设计时需重点关注高机动工况下的进发匹配问题、 高结构强度和轻量化设计的平衡问题、 整机重量和气动特性与发动机推力的综合配平问题、 飞翼布局高机动控制问题。 另外, 由于以往机载成品一般按照过载9的承受能力进行设计, 不符合新一代靶机系统的高过载要求, 因此, 发动机、 起飞着陆系统、 各类机载设备等所有机载成品, 需按照新的过载指标进行过载承受能力试验验证或理论计算, 以满足可靠性要求。

3.6 虚拟感知

对靶试环境态势信息的实时感知是靶机进行队形变换、 释放干扰和机动规避的前提, 但靶机自身的感知能力有限, 如果在靶机上加装探测设备直接获取态势信息, 将会大幅增加靶机成本, 不符合靶机低成本、 可消耗的属性要求。 为降低成本, 可以通过遥测链路打通靶场指挥系统与靶机间的数据交互, 将载机和导弹的探测、 截获情况以及相对靶机的方位信息对靶机“单向透明”, 使靶机能够感知威胁, 从而具备虚拟雷达告警和导弹逼近告警能力, 实现“虚拟感知”, 进行及时有效地战术对抗。 该方案较适合武器系统鉴定试验, 靶机在此扮演 “后敌发现”、 被动对抗的目标。 对于扮演蓝军进行自由空战的“靶机”, 应在上述基础上进一步采取更为公平的方案为其配置“虚拟感知”载荷。 可以在地面采用LVC仿真架构建立“虚拟对抗系统”, 在系统中构建载机、 导弹的三维雷达散射模型、 红外辐射模型; 按照模拟对象载荷情况逼真构建靶机虚拟探测和虚拟告警系统(也可构建虚拟武器系统)。 然后结合三者的相对位置和姿态信息, 实时仿真解算出靶机的探测和告警情况, 再根据威胁等级和预设的触发条件智能判断靶机机动对抗(逃逸)、 释放干扰、 编队协同的时机和样式, 在地面做出决策, 上传指令, 靶机根据指令响应战术动作。 这种“虚拟感知”的关键是建立较为逼真的仿真模型, 其最大的优势是将OODA循环的前三个环节进行了异地处理——由空中搬至地面, 使靶机对抗更加逼真的同时, 又能大幅降低靶试成本。

3.7 编队协同控制

新一代靶机系统需要构建编队协同控制的分布式靶机态势, 相较于传统靶机, 新增了编队协同控制的能力需求。 编队协同控制主要包括数据链通信、 编队飞行控制、 自主协同对抗等内容。 数据链应支持机间通信, 通过实时协同处理机制, 共享各机间态势信息, 能够利用数据链信息进行导航, 给靶机控制系统发送导航控制指令, 通信距离、 系统容量应满足编队需求; 编队飞行控制应实现编队集结、 队形保持、 队形变换等功能, 其技术难点主要有控制结构设计、 编队制导设计、 自主集结、 队形变换、 密集编队控制、 防撞控制策略、 机间控制权限协调和节点动态管理等; 自主协同对抗, 需要靶机能够根据“虚拟感知”系统上传的靶场态势信息, 自主判断变换队形、 释放干扰、 机动规避的时机, 并自动触发预先装订的响应策略。

4 结 束 语

对手未来空战系统的发展, 将对靶机模拟能力提出诸多新的能力需求: 隐身指标将有数量级的提升, 机动性能突破人的生理极限, 模拟对象新增无人作战飞机, 态势构建新增编队协同供靶形式。 本文对新一代靶机系统发展进行了初步探索, 分析了发展方向和能力需求。 后续, 还需根据对手未来空战系统的实际建设情况, 确定新一代靶机系统具体战技指标和建设方案。