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新型传感技术塑造未来无人机

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-01-19  来源:中仪学院  浏览次数:421
核心提示:性能如同当今的战略无人机一样强劲,下一代无人机将更加超出人们的期望。未来作战平台将整合多种传感技术,包括超光谱成像,激光主动传感和叶簇穿透雷达。然而,挑战在于,设计出这样的飞行器,既具备扩展续航能力,又能容纳这些新型传感器所需要的大型适形承载天线结(CLAS)。
       性能如同当今的战略无人机一样强劲,下一代无人机将更加超出人们的期望。未来作战平台将整合多种传感技术,包括超光谱成像,激光主动传感和叶簇穿透雷达。然而,挑战在于,设计出这样的飞行器,既具备扩展续航能力,又能容纳这些新型传感器所需要的大型适形承载天线结(CLAS)。 

       位于俄亥俄州怀特-彼得森空军基地的美国空军研究实验室中,这一领域的研究要素正在一个叫“传感载具”的计划名义下被聚集起来。前期设计的成果是与美国3大军用飞机制造商代表(诺斯罗普•格鲁曼,波音和洛克•马丁)一起设计的飞翼和连翼布局飞行器结构。小尺度模型的风洞实验正在进行中,同时测试的有由复合材料制成的机翼和机身部分。 

“我们所看到的是一架带有集成传感器套装的大型飞机,”美空军研究实验室(AFRL)的飞机理事John Perdzock说道:“它后面的那块是用来为ISR获得360度传感数据包,而且不用旋转你在E-8(联合侦察与目标攻击雷达系统)下面通常会看到的半球体或‘独木舟’一样用来容纳天线的东西”。

“有了传感载具,适形天线可以整合进载具。这将给予载具整洁的空气动力学外形以得到更大航程。因此我们需要轴向辐射天线阵;这是一种新型的低频带天线。想象一下它适一个平面的,蜂窝状的复合结构,从它的前端边缘发射能量,而不善像常规天线一样垂直发射。这可以让我们向飞机前方发射雷达能量。同时我们也可以向飞机后方发射能量。比起其它构思——你只能向一个方向发射能量——这显然更适合连翼布局飞机。”

“每种天线的外形都可以按特定的设计裁剪。我们已经完成一些更小面板上的压力恢复测试——5英尺*5英尺——这已经让我们改进了设计。我们还完成了航空负载条件下对面板的结构测试。最终它们会在飞行平台上进行测试。有了合适的屏蔽,你可以将天线阵列安装在铝飞机上,但复合结构效果更好一些。”

大多数今天的成就都是建立在早期低频结构天线阵列(LOBSTAR)项目的研究成果上的。这是一个5年花费1200万美元的,美国空军实验室和诺斯罗普•格鲁曼联合进行的,用于研究可变形,高承载天线的计划。“LOBSTAR表明,你可以做一个小的[机载预警与控制系统]或J-STARS(联合侦察与目标攻击雷达系统)”Perdzock说道:“在低频上你可以得到一个很大的俯仰角,既可以向上,又可以向下观察地面目标。”大型天线阵在低频上可以做的一样好事情就是GMTI(地面移动目标指示),处理地面反射杂波,而且可以用来在地平线和空中发现飞行目标。

“关键在于拥有一个能根据当时所需要的功能进行设置,既有低频又有高频的雷达。你可以用低频雷达进行侦测并用高频进行精确锁定。在低频,你可以得到一些叶簇穿透能力。接下来就是你能够自动做到这一切——低频到高频再回到低频——在一个很大的范围内。”

考虑到低频天线阵的大尺寸,最终的传感载具将会很大。小尺寸版本的也许可以造的出来,但性能会差上一些。根据计划可以在不进行空中加油的情况下连续飞行两天;推进将采用涡轮喷射引擎,在60,000英尺高度也能工作,而且还有足够多的动力留给大型传感器负载。

在研究圈子种,这种推进系统叫做高效率嵌入式涡轮(HEET)引擎。这种技术的目标是解决高海拔上出现的推力下降或动力丧失造成的限制。引擎包位于飞行器内部,使得其大型,碟状的结构不易于反射敌方雷达信号。

嵌入是安装也使得热量在同外部空气混合前就发散和消除,减少热能追踪导弹带来的威胁。除去这些特点外,HEET引擎实际上同现在广泛使用在商业客机和商务喷气机上的涡轮引擎没有什么差别。

“速度不是一个问题——我们希望比较快一些,但肯定不超过音速,在0.6到0.8马赫之间,”Perdzock说道:“这也是全球鹰的标称速度,这给予你花费合理的时间到达较远距离的能力。传感包将会更加强劲可靠,当然也更重,并且附带空对空[侦测]功能。它肯定会是全自动的——那种技术已经得到验证——而且已经扩展到了自动传感和躲避。”

“我们有飞翼和连翼,都围绕端射天线阵,分别由诺斯罗普•格鲁曼和波音公司建造。我们还拥有洛克•马丁公司设计的相似概念的飞翼。尽管它们实现长距离飞行的技术焦点各不相同,我们实际上还是要将注意力集中在几个主题上,比如空气动力学效率。层流可以通过最大化升阻比来改进航程。

实验室的研究表明,它已经成了机翼的一项功能,也是通过适形机翼后缘表面来增强层流的流控制技术的功能。这些不是传统的副翼或扰流板;它们是由伺服系统推动的变形表面。我们在风洞实验中展示过它们,甚至在[小尺寸复合材料]白骑士[研究机]的底部装了一个。

“三种机身的共同之处就是与B-2相比更加的长而窄。这给了我们一个无阻碍的视野,但也意味着机翼必须非常柔韧,特别是在遇到垂直气流的情况下。我们已将小尺寸模型送去NASA的兰利的风洞进行飞机结构模式测试,而且还将进行第二轮测试。这些测试会让模型上下颠簸,以确保我们可以控制结构模式。” 

传感飞行器计划中最吸引眼球的无疑是连翼布局飞机,外观像是两个从各自底部连接起来的飞去来器。这被认为是一种具有高度可变性的结构,因为它允许从结构中移除相对于汽油重量而言很大的重量。此外,后掠翼和前掠翼给端射天线阵提供了实实在在的空间。 

早期的设计研究展示了一种顶端零重叠,有着F-117类似的倾斜尾翼的连翼布局飞机;Perdzock认为那只是用来进行早期概念研究的“代言儿童”。现在正在研究的连翼飞机是由波音公司设计的,看起来更像B-2轰炸机,附带着一个脆弱的三臂结构锚在中部的机身和朝向顶端的两翼。

“这是一种非传统的结构,我们就象不理解飞翼一样不理解它”Perdzock说道:“通过小尺寸模型和更大一点的模型,我们象攻击飞翼一样的攻击它。它在风洞中变形,就像真实飞机在空中飞行时变形一样。在它成为一个全面的飞机计划以前,我们还有很多步的研究要做,但我能预见到几年后会有一架展示飞机或“X”飞机出现,让我们可以建立起可信度。”

诺斯罗普•格鲁曼公司的传感飞行器设计概念是同B-2战略轰炸机相同模式的飞翼。名义上的翼展为250英尺,最大起飞总重量为125,000磅。总重量达70,000磅的汽油可以提供最大为18,000海里的航程,或在60,000英尺高空进行40个小时的执勤飞行,航程为2,000海里。巡航速度为0.65马赫——同赛斯纳喷气飞机速度一样。没有雷达罩或整流器来破坏飞翼光滑的复合外壳。

伴随这项设计的一个“最大的回报”,公司评论道,就是允许不被干扰的层流的机翼——平行的空气层不受扰乱的通过机翼表面——以一个很高的扫描角形。这点加上适形于飞机结构的承载天线,明显的降低了对推动力的要求。

智能传感,诺斯罗普•格鲁曼公司的选择可能成为未来战略无人飞机的模式。它的特点是用机翼外侧的超高频(UHF)雷达系统来进行远程空中移动目标探测和跟踪,在近距离,使用叶簇穿透探测和跟踪GMTI(地面移动目标)。此外,专门的UHF合成孔径雷达可以形成树叶下的图像。

X波段的雷达系统,其天线位于机翼内侧从头部到尾部的边缘,可以对GMTI和空中目标进行精确的跟踪。对于机身上半球空中目标的追踪,7个光电/红外传感器将设置在机身上部。一个覆盖很宽波段的通讯情报系统用来收集电子和通讯情报。

波音的设计,它拒绝谈论的那个,结合了飞翼和连翼布局的优点。它的自动空中监视系统(AASS)翼展比诺斯罗普•格鲁曼的设计要短(165英尺),但稍微重一些。起飞总重量为134,000磅。设计燃料载量为75,000磅,航程为16,000海里或32小时,可以在2,000海里执勤点飞行20小时。

  

 
关键词: 新型传感技术
 
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