近距格斗空空導(dǎo)彈Up-Look模式大離軸角目標(biāo)截獲研究*

裴宇肖,明寶印,郭 軍,陳萬春

(1 北京航空航天大學(xué),北京 100191;2 空軍裝備研究院裝備總體論證研究所,北京 100076)

0 引言

近距空空導(dǎo)彈的使用方式歷經(jīng)了:a)定軸瞄準(zhǔn)/定軸發(fā)射;b)定軸瞄準(zhǔn)/離軸發(fā)射;c)定軸掃描/離軸發(fā)射;d)離軸隨動/離軸發(fā)射四種使用方式[1]。第4代近距空空導(dǎo)彈采用的是戰(zhàn)術(shù)靈活性較大的離軸隨動/離軸發(fā)射方式,可以攻擊離軸角達(dá)到90°的目標(biāo)[2-4]。但是一般來講載機(jī)雷達(dá)[5-7]或者頭盔瞄準(zhǔn)具[8-10]可以指引導(dǎo)彈截獲一定離軸角范圍內(nèi)(通?！?0°)的目標(biāo),對于大離軸角(60°～90°)的目標(biāo)只能依靠載機(jī)機(jī)動占位減小離軸角再截獲。可以看出這種截獲方式不能充分發(fā)揮空空導(dǎo)彈的優(yōu)良的離軸性能。相關(guān)文獻(xiàn)資料表明,目前美軍大規(guī)模裝備的聯(lián)合頭盔顯示器(JHMCS)設(shè)置了Up-Look準(zhǔn)心,可以輔助導(dǎo)彈截獲大離軸角目標(biāo),實(shí)現(xiàn)大離軸角發(fā)射,具有較大的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢[11]。文中總結(jié)分析了JHMCS的Up-Look準(zhǔn)心布局和演變規(guī)律;通過對典型作戰(zhàn)態(tài)勢的仿真論述了近距空空導(dǎo)彈大離軸角截獲目標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢;并且結(jié)合戰(zhàn)斗機(jī)截獲大離軸角目標(biāo)的機(jī)動形式和飛行員觀察目標(biāo)的習(xí)慣提出了準(zhǔn)心布局演化的可能原因。

1 輔助實(shí)現(xiàn)離軸發(fā)射的Up-Look準(zhǔn)心

美軍大規(guī)模裝備F-15和F-16戰(zhàn)斗機(jī)的聯(lián)合頭盔顯示系統(tǒng)JHMCS的顯示界面包含主顯示器和Up-Look準(zhǔn)心,如圖1所示。其中主顯示器位于視線正前方,Up-Look準(zhǔn)心和主顯示器呈一定角度。

主顯示器的準(zhǔn)心和Up-Look準(zhǔn)心都是用來輔助導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)的。當(dāng)飛行員透過準(zhǔn)心觀察到目標(biāo)時(shí),飛行員的視線和彈目視線基本相同,機(jī)載火控系統(tǒng)計(jì)算得出當(dāng)前飛行員視線的角度,經(jīng)過一定的解算及補(bǔ)償,驅(qū)動導(dǎo)引頭跟蹤這個(gè)角度,導(dǎo)引頭就能夠迅速地截獲目標(biāo)。

有可能是出于實(shí)際空戰(zhàn)大過載機(jī)動對飛行員動作限制的考慮,除主顯示器的準(zhǔn)心外,JHMCS左右各設(shè)置一個(gè)Up-Look準(zhǔn)心。這是因?yàn)樵诖筮^載下由于抵抗過載頭部活動范圍受到限制,主顯示器準(zhǔn)心(飛行員正視的方向)只能指向一定范圍內(nèi)的目標(biāo),對于大離軸角的目標(biāo),主顯示器準(zhǔn)心就無能為力了。設(shè)置了Up-Look準(zhǔn)心,在頭位活動達(dá)到極限之后,飛行員可以通過眼球的轉(zhuǎn)動借助Up-Look準(zhǔn)心瞄準(zhǔn)目標(biāo),擴(kuò)大了航電系統(tǒng)對飛行員視線的感知范圍,能夠輔助導(dǎo)彈截獲目標(biāo)。

Up-Look準(zhǔn)心發(fā)展到JHMCS這種布局是經(jīng)過長期使用,緊貼實(shí)戰(zhàn)需求不斷改進(jìn)而來的。

1)早期的頭盔顯示器由于與之配合三代彈最大離軸角較小,頭部活動的范圍已經(jīng)能夠滿足要求,因此與之對應(yīng)的DASH頭盔只有主顯示器,并沒有Up-Look準(zhǔn)心。

2)F-16裝配過的HMCS(Helmet Mounted Cueing System)顯示面罩上已經(jīng)有了Up-Look準(zhǔn)心,其Up-Look準(zhǔn)心布置在主顯示器正上方約30°位置,如圖3所示。當(dāng)飛行員觀察位于載機(jī)正上方(90°)的目標(biāo)時(shí),仰頭大概能夠達(dá)到60°,眼球抬動30°使用Up-Look準(zhǔn)心就可以套住目標(biāo)。但是在這一過程中飛行員必須向正后方仰頭觀察目標(biāo),實(shí)際上大過載機(jī)動中飛行員很難保持向正后方仰頭的姿態(tài)。

3)最終廣泛裝備部隊(duì)輔助第四代近距空空導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)大離軸角發(fā)射的JHMCS有兩個(gè)Up-Look準(zhǔn)心,和飛行員正視視線俯仰方向的夾角大約30°,與HMCS相同;但在方位上JHMCS Up-Look準(zhǔn)心和主顯示器也有一個(gè)類似的偏差(見圖1)。俯仰方向的夾角是用來補(bǔ)足頭位運(yùn)動限制的,而方位方向夾角可能是考慮到載機(jī)截獲大離軸角目標(biāo)的機(jī)動以及在這種機(jī)動中飛行員觀察目標(biāo)的習(xí)慣。

2 大離軸截獲目標(biāo)時(shí)間優(yōu)勢分析

Up-Look準(zhǔn)心可以輔助導(dǎo)彈截獲大離軸角的目標(biāo),實(shí)現(xiàn)大離軸角發(fā)射,在瞬息萬變的近距格斗中給載機(jī)帶來時(shí)間優(yōu)勢。文中分析了在典型格斗態(tài)勢下大離軸角發(fā)射帶來的截獲時(shí)間優(yōu)勢。

2.1 典型的戰(zhàn)斗機(jī)格斗態(tài)勢

在空戰(zhàn)中若載機(jī)和目標(biāo)迎頭相遇,由于相對速度較大、目標(biāo)頭部紅外特征較弱以及紅外干擾等原因,迎頭攻擊導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)比較困難,因此迎頭相遇攻擊難度較大,載機(jī)和目標(biāo)機(jī)容易“擦身而過”。載機(jī)和目標(biāo)機(jī)錯(cuò)過之后,雙方都試圖通過機(jī)動將對方置于前半球,所以在飛行員喪失迎頭攻擊的機(jī)會之后很可能拉過載持續(xù)轉(zhuǎn)彎以瞄準(zhǔn)目標(biāo),因此單環(huán)戰(zhàn)和雙環(huán)戰(zhàn)的模型雖然簡單但是對于空戰(zhàn)有一定的代表意義和研究價(jià)值。

所謂單環(huán)戰(zhàn)就是目標(biāo)機(jī)和載機(jī)錯(cuò)過之后同時(shí)向一個(gè)方向拉過載,雙方的軌跡像一個(gè)環(huán),因此稱為單環(huán)戰(zhàn);雙環(huán)戰(zhàn)是雙方拉的過載方向相反,戰(zhàn)機(jī)軌跡各自像一個(gè)環(huán)。

文中通過仿真分析單環(huán)戰(zhàn)和雙環(huán)戰(zhàn)來表明實(shí)現(xiàn)60°～90°離軸截獲目標(biāo)能夠給載機(jī)帶來對空戰(zhàn)具有重要意義的時(shí)間優(yōu)勢。

2.2 單環(huán)戰(zhàn)和雙環(huán)戰(zhàn)的建模及仿真

仿真中假設(shè)在4 000 m高,距參考點(diǎn)水平距離6 000 m載機(jī)與目標(biāo)迎頭相遇,載機(jī)向右運(yùn)動,目標(biāo)機(jī)向左運(yùn)動。迎頭錯(cuò)過之后雙方均豎直向上拉過載形成單環(huán)戰(zhàn)的態(tài)勢,如圖5所示(下列公式和圖中的1代表目標(biāo),2代表載機(jī))。

(1)

為了單純分析離軸性能帶來的優(yōu)勢,在仿真中假設(shè)目標(biāo)和載機(jī)的發(fā)動機(jī)推力能夠保持各自速度和過載不變,在近距格斗中為了獲取最大的轉(zhuǎn)彎角速度,戰(zhàn)斗機(jī)會提前把速度控制在合適的范圍,在仿真中假定目標(biāo)機(jī)和載機(jī)的速度均為0.9Ma,目標(biāo)過載取7,載機(jī)過載在6～9取值,兩次仿真中載機(jī)離軸截獲能力分別取60°和90°,統(tǒng)計(jì)載機(jī)具有不同過載能力時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)所需要的最短時(shí)間。仿真結(jié)果如圖6、圖7,

表1 單環(huán)戰(zhàn)不同離軸性能載機(jī)截獲目標(biāo)時(shí)間(單位:s)

圖中折線代表截獲時(shí)的目標(biāo)視線。

表1中統(tǒng)計(jì)的時(shí)間代表載機(jī)具有不同的離軸性能時(shí)截獲目標(biāo)所用的最短時(shí)間。對于雙環(huán)戰(zhàn),也有類似的仿真結(jié)果,分別假定載機(jī)離軸截獲能力為60°和90°,仿真統(tǒng)計(jì)載機(jī)具有不同過載能力時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)所需要的最短時(shí)間。

表2 雙環(huán)戰(zhàn)不同離軸性能載機(jī)截獲目標(biāo)時(shí)間(單位:s)

離軸截獲載機(jī)過載6789t1=60°21.9418.2415.2212.97t2=90°16.5313.3911.139.49t1-t2t1/%24.6626.5926.8726.83

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出:

1)如果載機(jī)和目標(biāo)航電系統(tǒng)具有相同的離軸截獲目標(biāo)能力,那么載機(jī)和目標(biāo)可用過載越大,在截獲時(shí)間上越占優(yōu)勢;

2)載機(jī)離軸截獲能力增加到90°,相較于載機(jī)、目標(biāo)機(jī)離軸截獲能力相同的情況,截獲時(shí)間減少約2～4 s,不同過載情況下減少24%以上時(shí)間。

上述分析表明,近距格斗中離軸性能在某種意義上起到類似機(jī)動能力的效果,離軸性能強(qiáng)能夠使載機(jī)率先截獲目標(biāo)。在激烈的近距格斗中,擁有時(shí)間優(yōu)勢就意味著能夠先敵鎖定、先敵發(fā)射,增加取勝的可能。因此弄清楚Up-Look準(zhǔn)心輔助導(dǎo)彈截獲大離軸角目標(biāo)的工作原理及布局原因很有必要。

3 Up-Look準(zhǔn)心布局演變的可能原因

在實(shí)際的空戰(zhàn)中為了觀察和截獲目標(biāo),載機(jī)會通過機(jī)動使得機(jī)頭方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)。相比于方向舵,載機(jī)的升降舵能夠更快地改變機(jī)頭的指向,因此在格斗過程中,當(dāng)目標(biāo)離軸角太大不便于觀察和鎖定時(shí),飛行員通常用滾轉(zhuǎn)將目標(biāo)置于座艙正上方,拉過載將機(jī)頭指向目標(biāo)(見圖8),這樣的機(jī)動能夠使載機(jī)獲得以最短時(shí)間獲得截獲目標(biāo)的機(jī)會。

在前面單環(huán)戰(zhàn)和雙環(huán)戰(zhàn)的仿真中我們假定載機(jī)和目標(biāo)都采用拉過載(升降舵)方式進(jìn)行快速轉(zhuǎn)彎。這種情況下飛行員需要觀察位于座艙蓋正上方的目標(biāo)。頭部仰起限制大約是60°[12],使用Up-Look準(zhǔn)心眼球再向上轉(zhuǎn)動約30°就可以觀察90°的目標(biāo)。所以不難理解HMCS和JHMCS頭盔的Up-Look準(zhǔn)心在俯仰方向都和主顯示器有30°的夾角。

上述分析解釋了HMCS和JHMCS的Up-Look準(zhǔn)心在俯仰方向和主顯示器的夾角,但是HMCS和JHMCS Up-Look準(zhǔn)心的區(qū)別(見圖9)——方位方向的差別單純用增加頭盔的離軸性能難以解釋。而這種區(qū)別卻很有可能是極為重要的,是經(jīng)過美軍大量應(yīng)用之后貼合實(shí)戰(zhàn)對Up-Look準(zhǔn)心進(jìn)行的改進(jìn)。文中從實(shí)戰(zhàn)的角度出發(fā)對方位方向的夾角的原因及角度的確認(rèn)進(jìn)行分析。

在截獲大離軸角目標(biāo)的格斗過程中,為了快速鎖定目標(biāo),載機(jī)經(jīng)常采取“滾轉(zhuǎn)+升降”的機(jī)動方式,以載機(jī)為參考系,“滾轉(zhuǎn)+升降”機(jī)動方式下飛行員需要在大過載情況下觀察一個(gè)位置從側(cè)方逐漸變?yōu)轭^頂上方的目標(biāo)。假定初始時(shí)目標(biāo)位于載機(jī)右側(cè),離軸角大概90°,下面分析一下在載機(jī)截獲目標(biāo)過程中飛行員觀察目標(biāo)的動作。

飛行員目視觀察到大離軸角目標(biāo)之后,出于連續(xù)觀察和抗過載考慮,飛行員身體向右偏轉(zhuǎn)同時(shí)頭部向右轉(zhuǎn)動觀察目標(biāo)(圖11狀態(tài)1),隨著戰(zhàn)機(jī)滾轉(zhuǎn)目標(biāo)逐漸移動到載機(jī)正上方位置,飛行員頭部保持向右偏轉(zhuǎn)并逐漸仰頭(狀態(tài)2),同時(shí)依靠左肩對后腦勺的支撐能夠抵消大過載動作對頸部肌肉的拉伸,這種姿勢下飛行員看向位于載機(jī)正上方目標(biāo)的視線和頭顯投影面的交點(diǎn)就應(yīng)該視為人機(jī)交互最為良好的Up-Look準(zhǔn)心的位置。不難想象這個(gè)交點(diǎn)在方位和俯仰上和主顯示器準(zhǔn)心(視線正前方)都有一定的夾角,這可能就是JHMCS頭盔顯示器上Up-Look準(zhǔn)心位置的來源。

4 結(jié)束語

文中從近距空空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)出發(fā),總結(jié)了美軍實(shí)現(xiàn)大離軸角截獲采用的頭盔顯示器上Up-Look準(zhǔn)心布局的演變;分析了典型格斗態(tài)勢下離軸性能加強(qiáng)給載機(jī)帶來的截獲時(shí)間上的優(yōu)勢;并結(jié)合載機(jī)截獲大離軸角目標(biāo)的機(jī)動形式和飛行員觀察目標(biāo)的習(xí)慣分析了Up-Look準(zhǔn)心布局演變可能原因,對我國頭盔顯示器的發(fā)展具有一定的參考價(jià)值。