“鹰狮”全解析
许云峰
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航电设备 “鹰狮”飞机以较小的机体满足了瑞典空军的要求且只配备一名驾驶员,这主要归功于飞机的航电设备。 JAS-39 飞机的航电设备是由爱立信(Ericsson)公司设计和制造的,然后由萨伯(Saab)公司进行了综合。与 Saab-37“雷”的航电设备相比,有了巨大的改进。采用了爱立信/费伦第公司(Ericsson/GMAv)的 PS-05 雷达,数据处理能力为“雷”飞机的 PS-46/A 雷达的 3 倍,但体积只有后者的 60%,重量只有后者的 50%。PS-05A 是一种多工作模态脉冲多普勒雷达,采用缝式波导平面阵列天线,液冷行波管发射机。通过使用复杂多变的波形和高中低的脉冲重复频率,实现了各种任务所需的多种工作模式。为提高分辨率和实现远距离目标的探测,使用了频率调制脉冲压缩。
爱立信 PS-05A 雷达 雷达的工作模式是由软件控制的,主要包括下列内容: 空对空:远程搜索与跟踪;多目标边搜索边跟踪;短程宽角搜索与跟踪;航炮与导弹的自动火力控制。 空对面:搜索与跟踪;地面与海面目标的边扫描边跟踪;高分辨率绘图;空对面测距。 采用全部可编程的信号与数据处理器,具有良好的电子抗干扰能力和适应未来发展的灵活性。 PS-05A 灵活的波形避免了雷达测距的不准确性,也使每一工作模式下的性能得到了优化。平面天线阵扫描时产生的旁瓣很少,降低了对干扰的敏感性,也提高了雷达的效率。雷达也能适应制导中距空对空导弹(如 AMRAAM 先进中距空空导弹和“流星”导弹)的数据传输要求,由于采用了模块化设计并具有机内自检测功能,雷达具有良好的适用性和较低的维护费用。爱立信公司已经开始对雷达进行改进,随着新型的快速大容量处理器的应用,一些改进措施已经得以实现,改进的实质是数据处理器。 爱立信公司的 AESA(主动电子扫描阵列)雷达是一种新型的机载雷达,目前正处于研制阶段,估计不久可以投人使用。它采用新型的主动相控阵技术,其中使用了 1,000 多个发射/接收单元。为了扩大雷达的方位角,天线安装在一个活动的底盘上,可以明显地增加雷达的扫描范围,这种设计方法在相控阵雷达中是比较独特的。采用 AESA 技术改进雷达的目标探测和跟踪性能。
爱立信公司的 AESA 雷达
爱立信公司的 AESA 雷达天线阵列 AESA 雷达将具有多波束能力,所有的波束可以单独地或同时地进行控制。这种雷达也可同时用作火控和障碍告警雷达,它既可以用于空中截击,也可用于对地攻击。 未来对“鹰狮”飞机的另一项改进是采用红外搜索与跟踪系统 IR-OTIS,这项改进可以大大地提高飞行员的空情警觉性。IR-OTIS 是一种被动式传感器,可用于白天、夜晚和存在电子干扰的环境中。它具有空对空和空对地工作模式,可进行多目标搜索与跟踪、高精度地跟踪选定的目标以及为夜间导航进行成像等。
JAS-39 的 IR-OTIS 座舱设计 在“鹰狮”飞机上,通过对座舱显示和操纵系统的仔细设计,大大减轻了飞行员的工作负荷,明显地提高了飞机的作战效益。座舱的核心部件是爱立信公司的 EP-17 显示系统,采用了 3 个 120mm×150mm 的多功能下视显示器(HDD),1 个凯瑟公司(Kaiser)的宽角全息平视显示器(HUD)。
EP-17 显示系统,上图是早期型号的单色显示系统 3 个单色的下视显示器(HDD)是完全相同的,可以进行互换。在飞行过程中,显示器的功能可以进行调整,以适应不同的飞行阶段或作战任务的需要。左侧的 HDD 一般显示飞行数据,包括 HUD 上的数据和其它的自卫设备与传感器上的数据;中间的 HDD 显示计算机生成的周围区域的地图,叠加有战术信息;右侧的 HDD 显示来自雷达、前视红外和武器传感器的目标信息。 HDD 虽然以现有的电视技术为基础,但其性能得到了较大的提高,可以在光线较差的条件下提供高质量、高清晰度的画面。根据瑞典空军的要求,在以后的飞机上还可能采用彩色显示器。 在 HDD 中采用衍射光栅,可以获得高亮度的图像。HUD 的视界为 28°×22°,即可提供计算机生成的武器瞄准符号,也可提供光电系统(如前视红外设备)生成的视频图像。座舱显示的所有信息可以记录在标准的磁带上,以供飞行员查询。 为了进一步减少飞行员的工作负担,“鹰狮”飞机采用了手控油门驾驶杆,雷达和武器的所有操纵按钮都放置在油门-驾驶杆上。Saab 公司对中置和侧置驾驶杆都进行了研究,最后选择了中置小型驾驶杆。这种驾驶杆,在需要的时候,可以用右手或左手操纵。 在“鹰狮”飞机的航电系统内,总共有 40 多台爱立信公司的 D80 计算机,这些计算机通过三余度的 MIL-STD-1553B 数据总线连接在一起:一条总线用于飞机的基本数据和飞行数据,一条总线用于座舱显示和雷达,一条总线用于战术和武器信息。后续批次的飞机和出口型飞机都具有 5 条数据总线。采用 5 条数据总线,可以使每一条数据总线的“负荷”维持在较低的水平,为以后的性能提升留出了较大的发展余地。爱立信公司的 SDS80 计算机系统采用了 Pascal/D80 高级语言,与 Ada 语言相类似,具有适应“鹰狮”飞机多功能作战的灵活性,其结构设计也具有进一步发展的潜力。
JAS-39 的电子系统拓扑图 为了与其它国家的飞机进行协同作战,“鹰狮”飞机还将安装新型的通讯系统。这种新型的通讯系统称为“通讯与数据链 39”(CDL39),是“鹰狮”飞机新型战术无线电系统的组成部分,第二批的最后 20 架飞机和所有的第三批飞机都将采用这种无线电系统。以后还将使用洛克韦尔-克林斯公司(Rockwell-Collins)的全电子抗干扰电台 Ra90,这将进一步提升飞机的“战术信息数据链系统”(TIDLS)。 电传飞行控制系统 电传飞行控制系统具有许多优势,可以对飞机的响应进行编程控制,降低飞机对构型和载荷的敏感性,也可以使飞机具有动态俯仰不安定度,从而提高飞机的机动性。另外,通过自动限制飞机对飞行员操纵输入的响应,使飞机具有所谓的“无忧虑”操纵特性。在整个飞行剖面内,驾驶员可以集中精力关注战术态势和任务系统。与传统的机械式操纵系统相比,电传操纵系统最明显的优点是,其本身的重量很小。当然,电传系统也有其内在的不足之处。电传操纵系统的设计要经过严格仔细的验证,目前仍处于发展的前缘。 1993 年 8 月 8 日,第一架生产型飞机 39.102 号机在飞行试验中不幸坠毁,所幸的是没有人员伤亡。这已经是“鹰狮”飞机的第二次事故,从而引起人们对该项目的疑虑。 “鹰狮”飞机的第一次事故发生在 1989 年 2 月 2 日,是在 39.1 号机进行第 6 次飞行时发生的。在平静无事飞行之后,在着陆滑行过程中,飞机突然偏离跑道,并发生水平急转弯,一个起落架支柱被折断,无人员伤亡。事后分析表明,事故原因是由于飞控软件俯仰回路中存在设计缺陷,产生了驾驶员诱发振荡。飞机对驾驶员指令的响应过于迟钝。 1989 年 2 月 2 日事故视频,点击观看
39-1 号机
39-2 号机 第一次发生故障时的软件标准为 OFP Pt3。到 1990 年 5 月,经过 12 个月的软件改进,在 39.2 号机上改为 OFP Pt5:8 版本,经过不断的试验和经验的积累,到 1990 年 12 月在 39.4 号机上改为 OFP Pt5:.9 版本,到 1991 年 3 月在 39.3 号机上改为 OFP Pt5:11 版本。当时的软件对飞机的飞行包线有一定的限制,迎角不能超过 20°,最大过载系数不能超过 7g。下一个版本的软件仍然有这种限制,但允许飞机携带外挂物,进行一些空对空或空对地武器构型的试验。到 1992 年 8 月,OFP Pt9 版本的软件开始进行试飞,这时飞机才可以飞到设计的迎角和过载因数 9g。发生事故的 39.102 号机就是使用的这一版本的软件。对事故的调查结果表明,飞机对操纵输入的响应过于敏感——与第一次事故的原因正好相反。当飞机改出大坡度转弯的时候,产生了不期望的上仰,最后导致滚转过度。主要的原因是驾驶员诱发振荡,很快导致稳定性丧失,使飞机脱离受控飞行。没有足够的高度恢复飞机的正常状态,驾驶员在 200m 高度成功跳伞。此后试飞工作一度中断,等待事故的调查结果和采取改进措施。改进后的软件称为 OFP Pt10,并于 1993 年 12 月进行飞行试验。 1993 年 8 月 8 日事故视频,点击观看 上面所述的软件开发试验都是在利尔·塞戈勒(Lear Siegler)生产的飞控系统原型件上进行的。直到 1994 年 9 月,生产型飞控系统才在 39.4 号机上用 OFP Pt9 版本的软件进行了试飞。飞控系统的控制单元是由洛克希德·马丁公司负责研制的。当“鹰狮”飞机进人瑞典空军服役时,使用软件为 OFP R11:9 版本,现已升级为 OFP R12:4 版本。为了提高武器、雷达、电子战、通讯导航等系统性能,对软件的改进每年都将进行。由于协作各方的密切关系,对软件的改进可以快速有效地完成。 出于安全的考虑,JAS-39 飞机除了具有一套数字式三通道飞控系统之外,还有一套三通道的模拟式备份系统。当两个通道的数字式系统出现故障的时候,备份的模拟系统自动启动。飞行员也可以通过座舱中的一个按钮人为地转换到备份系统。备份系统启动以后,前翼就与操纵系统断开,可以自由浮动,这样可以提高飞机的纵向稳定性,使飞机成为中性安定的。“鹰狮”飞机采用一套新的导航着陆系统,使飞机获得良好的性能。该系统以霍尼韦尔公司的激光惯性导航系统为基础,综合了地形参照导航系统和全球定位系统,另外还利用大气数据计算机和其它传感器的数据。它利用了惯导系统和全球定位系统的优点,而避免了它们的缺点。比如,惯导系统的精度差,而全球定位系统容易受到干扰,两者结合,可以取长补短。 瑞典空军一直使用的是战术仪表着陆系统(TILS),这种系统不但已经过时,而且使用费用昂贵,不适用于分散的战时机场。为此需要研制一种系统,完全依靠机载传感器和机载设备,能够引导飞机至任何机场并保证在全时间、全天候条件下安全着陆。新系统采用了两种为“鹰狮”飞机研究的新技术,即新型综合导航系统(NINS)和新型综合着陆系统(NILS)。NILS 系统利用 NINS 系统的导航信息确定飞机在进场下滑过程中的位置,不需要象仪表着陆系统(ILS)、微波着陆系统(MLS)那样借助传统的地面辅助设备。另外,如果飞行员需要,NINS 也可以使用传统导航设备的信息,如测距装置(DME)、甚高频全向信标(VOR)和塔康系统(TACAN)。 NINS系统不但可以提供基本的地形导航信息,而且还具有详细的机场和跑道数据库。NILS 系统符合国际民航组织(ICAO)I 类着陆标准。在恶劣气象条件下,飞行员依靠该系统在距离跑道 1,200m 的地方可以将飞机降至 60m 的决断高度。 NINS 和 NILS 通过显示在平显(HUD)上的符号向驾驶员提供简单的操纵信息。NINS 在 HUD 上产生一个小圆点,这个小圆点必须保持在飞机的速度矢量符号内,才能保证正确的进场方向。飞机的自动油门系统可以提供理想的下降剖面。从实际使用来看,NINS 与现在的 TILS 相似,它建立合适的下滑通道和航向信标,并确定其极限范围,飞机必须位于正确的范围之内。除此之外,NINS 和 NlLS 还可以提供精确的飞行信息,改善飞机的安全性,提高飞行员的空情警觉性。 数据链 关于空战的统计数据充分地表明了空战中先敌发现的重要性,空战中的胜利者大多数是先发现对方的一方。在现代飞机上,利用先进信息技术和各种传感器提高飞机的空情警觉性。瑞典空军早在 50 年代就认识到了通过数据链传输信息的战术优势,从 60 年代就开始使用这种系统,主要是为了对付敌方对瑞典地面控制截击通讯系统的干扰。“鹰狮”飞机的数据链的性能更加强大,它不但可以在战斗指挥中心之间传递数据,最多可以使 4 架飞机实现数据共享,并且不受干扰。 一般情况下,在飞机起飞之前,将任务计划数据装载在飞机的任务计算机中,这些信息可以通过座舱中的多功能显示器提供给驾驶员。采用数据链的最明显的优势是,随着战术信息的不断增加,可以对任务数据进行随时的更新。实时信息带来的战术优势是极其巨大的,实时信息是多种多样的,如威胁的频率、目标位置的改变、最新目标的详细情况等,来自各种的信息源,如其他的“鹰狮”飞机、S100B 预警飞机、卫星和舰船等。从这一点来看,“鹰狮”飞机也可以向友方的作战飞机下载信息。为了减小飞行员的工作负担,数据控制是通过多功能显示器上的一个桢按钮和手控油门驾驶杆实现的。
S100B“爱立眼”预警机 武器配备 尽管“鹰狮”飞机是作为空中优势战斗机进行设计的,但在首次进入服役时却是作为攻击机使用的。执行对地攻击任务的时候,“鹰狮”飞机可以携带多种武器,主要是 Hughes 公司的 AGM-65A/B‘‘幼畜”(Rb75)空-地导弹和 DWS-39 防区外子母小炸弹散布器。“幼畜”导弹是经过实战检验的电视制导导弹,射程约 3km,携带 57kg 的战斗部,用于攻击坦克和其它装甲目标。DWS39 是不带动力的,其射程取决于发射条件,投放之前,将目标的数据传输给武器,由惯导系统对武器进行制导和控制。子弹药可以是 24 枚反跑道炸弹、96 枚集束弹、120 枚反坦克地雷、504 枚 SB44 小炸弹或 1,848 枚 M42GP 小炸弹。非制导武器包括 80kg 的 M50 炸弹、600kg 的 M60 炸弹和 ARAK70 火箭弹。
DWS-39 防区外子母小炸弹散布器 执行反舰任务时,“鹰狮”飞机的主要武器是 Saab 公司的 Rbs15F 反舰导弹。该导弹携带 200kg 半穿甲爆破战斗部,射程 90km,中段采用惯性制导,束段采用主动雷达制导。
瑞典曾希望发展 Rb71 超视距导弹的后继型,但是经过若干年的工作以后,最终决定采用 Hughes 公司的 AIM-120 AMRAAM(先进中距空空导弹)。重要的一点是瑞典空军被允许进行导弹的飞行试验。由于 AMRAAM 导弹的敏感性,瑞典是被允许进行这一试验的唯一国家。另一种选择是采用 Matra/BAe 系统公司的 Meteor导弹。由于瑞典空军只订购了 100 枚 AIM-120 导弹,所以“鹰狮”飞机还可能采用 Meteor 导弹。“鹰狮”飞机的出口型也可能采用 Meteor 导弹,因为 Meteor 导弹与 AIM-120 导弹具有互换性,只需进行少量的软件更改。这两种导弹都具有区分不同目标的能力,使用数据链和惯性制导,以便在发射后尽可能长时间地保持隐身。数据链用于更新关于目标的信息,这些信息可以通过本机或其它飞机(如其它的“鹰狮”飞机或 S100B 预警机)提供。短距攻击时,“鹰狮”飞机可以携带 AIM-9L 和 AIM-9J“响尾蛇”导弹。在机腹左下方的整流罩内装有 27mm 的 Bk27“毛瑟”机炮。
Bk27 为了自卫,“鹰狮”飞机装有电子对抗设备,包括雷达告警接收机和电子对抗系统,电子对抗系统由安装在翼下挂架内的箔条/曳光弹散布器、拖曳式雷达假目标和干扰机组成。在执行侦察任务时,所有的传感器和照相设备都采用外挂安装。
JAS-39 发射“流星”导弹想象图 动力装置 与大多数当代和下一代双发战斗机(如“台风”和“阵风”)不同,“鹰狮”飞机为单发飞机,采用一台通用电气公司/沃尔沃航空发动机公司的 RM12 发动机。尽管发动机是飞机制造商和飞机用户广泛关注的一个问题,但是 Saab 公司相信,由于技术的进步和发动机的可靠性的大幅度提高,使得双发飞机不再具有优势,采用双发还会引起飞机的重量、成本和复杂性的增加。 RM12 发动机是一种低涵道比带加力燃烧室的涡轮风扇发动机,它是由通用电气公司与沃尔沃飞机发动机公司在通用电气公司的 F404-400 发动机的基础上合作研制的。RM12 发动机具有 3 级风扇和 7 级高压压气机,风扇和压气机都采用可变迎角的定子,由单级涡轮驱动。加力燃烧室采用可变面积喷管,其面积从最小到最大都是可调的。
通用电气/沃尔沃 RM12 发动机剖视图 F404 发动机不但能够满足性能、尺寸和重量的要求,还具有高的可靠性、低的维护费用和广泛的用户基础,既方便发动机使用维护,又利于飞机的出口销售。另外,F404 发动机的推力还具有极大的增长潜力。为了满足瑞典空军的需求,对 F404 发动机的修改包括增加对发动机的防鸟撞保护,增强了发动机的风扇和进气道部位,因为“鹰狮”飞机的飞行高度较低,容易受到鸟撞损伤。与原准机 F404 发动机相比,RM12 发动机除改进控制系统和采用大量新材料之外,还将发动机的加力推力提高了 10%,达到 18,100lb(80.5kN),使飞机的推重比达到了 1:1,不加力推力为 12,140lb(54.0kN)。目前正在考虑对 RM12 发动机进行改进,该机型称为 RM12UP,将采用全权限数字式发动机控制,改进火焰稳定器,对涡轮进行重新设计等。
RM12 结束语 JAS-39 飞机是瑞典研制的全天候全高度战斗/攻击/侦察机。气动布局采用三角形机翼和全动前翼,机体的大约 30% 采用复合材料,可以减轻重量 25%,可以在所有高度上实现超音速飞行。该机按照一机多用的原则进行设计,同一架飞机可以执行几种不同的任务。虽然 JAS-39 飞机服役时间不长,但瑞典已经开始对它进行改进。从 2002 年中期开始,2 批飞机安装彩色的具有夜视功能的新型座舱,采用新的敌我识别设备、辅助动力装置和新的 CDL39 数据链,并具有空中加油能力。从 2003 年开始生产的 3 批飞机改进更多,主要改进包括:爱立信公司的 D96/Macs 任务计算机,5 总线 1553 以太网航电系统,GPS 导航系统和新型仪表着陆系统。从 2003 年起,还安装萨伯公司的 EMS39/S 综合电子战系统、头盔显示器、地面防撞系统以及前视红外传感器。估计到 2010 年以后,飞机将安装具有主动电子扫描阵列的新一代雷达,使飞机的性能达到更高的水平。
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