無人機(jī)機(jī)載吊艙發(fā)展綜述

李佳倩

航空工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計研究所，四川 成都 610091

介紹了機(jī)載吊艙的分類，分析了吊艙設(shè)計的要點，介紹了三種國外先進(jìn)的無人機(jī)吊艙“敏捷吊艙”(AgilePod)、“廣域監(jiān)視傳感器系統(tǒng)”(Gorgon Stare)、“智能節(jié)點吊艙”(SNP)并進(jìn)行比較分析。

對于無人機(jī)或有人機(jī)，吊艙是指吊掛在機(jī)身或機(jī)翼下方的流線型短艙，用于安裝一些機(jī)載設(shè)備、武器等，安裝方式分為固定安裝和可脫卸安裝，固定安裝多用于發(fā)動機(jī)吊艙，可脫卸安裝主要用于武器吊艙和其他可換機(jī)載設(shè)備。加裝吊艙的主要作用是使得飛機(jī)具有一些其本來沒有的功能。一般來說，這需要機(jī)載電子設(shè)備的支持，在設(shè)計吊艙位置的時候，也應(yīng)當(dāng)盡量不破壞飛機(jī)整體的空氣動力特性。

機(jī)載吊艙的分類

機(jī)載吊艙可分為武器吊艙、電子干擾吊艙、光電吊艙、電子偵察吊艙、后勤輔助吊艙(加油吊艙)等幾類。

武器吊艙是在航空機(jī)炮、航空火箭彈、空空導(dǎo)彈等機(jī)載武器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。二戰(zhàn)之后，航空機(jī)炮這類武器逐漸被航空火箭彈和空空導(dǎo)彈淘汰，但越南戰(zhàn)爭的實踐表明，近距格斗在現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)中依然有著重要的作用，近距空戰(zhàn)武器無法被導(dǎo)彈替代，因此，航空機(jī)炮再次被裝備到了現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)上，后來逐漸出現(xiàn)了機(jī)炮吊艙這類裝備，并且得到了迅速發(fā)展，成為了作戰(zhàn)飛機(jī)必備的裝備。隨著機(jī)載武器的發(fā)展及其逐漸繁多的種類，多功能組合式武器吊艙應(yīng)運(yùn)而生，使得飛機(jī)可以在武器掛點有限的情況下，采用組合式武器吊艙，在一個吊艙中裝載多種武器，提高飛機(jī)的載彈能力，從而提高其多目標(biāo)攻擊的能力。

電子干擾吊艙是由于機(jī)身內(nèi)部沒有足夠空間放置電子自衛(wèi)干擾設(shè)備，只能將其吊掛在機(jī)身外，這樣既可以讓飛機(jī)搭載足夠的武器和燃料，還能根據(jù)不同種類飛機(jī)的作戰(zhàn)性能來調(diào)整、更換用途各異的電子自衛(wèi)干擾設(shè)備，這些設(shè)備愈來愈往模塊化發(fā)展，模塊化的機(jī)載電子干擾吊艙將成為各類飛機(jī)電子干擾設(shè)備的主流。機(jī)載電子干擾吊艙的主要功能應(yīng)當(dāng)有系統(tǒng)自主工作，自動接受、處理和發(fā)射信號等；應(yīng)當(dāng)采用先進(jìn)的信號處理技術(shù)，能夠重編程序；可以同時實現(xiàn)噪聲壓制干擾和欺騙性干擾；能與告警機(jī)和電子戰(zhàn)支援接收機(jī)協(xié)調(diào)工作后有較強(qiáng)的自檢能力，可靠性較高；模塊化的電子干擾系統(tǒng)易于更換。

機(jī)載光電吊艙目前主要分為機(jī)載導(dǎo)航吊艙和機(jī)載瞄準(zhǔn)吊艙，一般裝有前視紅外攝像機(jī)、電視攝像機(jī)和激光指示器或測距儀等光電傳感器。隨著精確制導(dǎo)武器的發(fā)展，戰(zhàn)斗機(jī)的精確打擊程度在空戰(zhàn)中起到越來越重要的作用，因此機(jī)載光電吊艙成為現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)打擊系統(tǒng)的重要裝備。它能夠在一定程度上消除載機(jī)的姿態(tài)變化和機(jī)械振動對光電傳感器的不利影響，同時可以利用光電傳感器來搜索、定位和跟蹤要打擊的目標(biāo)。航空光電吊艙是一個非線性系統(tǒng)，但要求有高跟蹤和穩(wěn)定的精度，因此在控制器設(shè)計方面有較高的要求。

電子偵察吊艙的主要功能有信號情報獲取、信號判斷和信號定位三個方面，可獲取敵方戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)情報、信號源特征內(nèi)容等，對決策者有著重要的參考價值，是電子戰(zhàn)的基礎(chǔ)和前提。由于獲取信號的種類不同，電子偵察可以分為電子情報偵察和電子支援偵察兩類。電子情報偵察需要獲取火中系統(tǒng)的信號，要求有較高的測量精度，但對時間要求不高，主要在和平時期進(jìn)行電子情報的收集和分析，為決策者提供對方的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)意圖，分析潛在威脅，未雨綢繆。

加油吊艙一般吊掛在機(jī)翼下方、機(jī)身下方或機(jī)身尾段外側(cè)，應(yīng)用于專用的加油機(jī)，具有獨(dú)立加油功能的探管錐套式空中加油裝置。

吊艙設(shè)計的要點

總體布置

吊艙在飛機(jī)上的布置位置及形式關(guān)系到飛機(jī)諸多方面的性能，如電氣設(shè)備效率、艙體模塊化組合度、冷卻系統(tǒng)效率、電纜拆裝的維修性可靠性等。布置吊艙時需考慮飛機(jī)整體的氣動性能，合理安排其懸掛方式和安裝位置，同時保障整機(jī)良好的穩(wěn)定性和操縱性。

應(yīng)依照國軍標(biāo)《機(jī)載懸掛物與懸掛裝置結(jié)合部位通用設(shè)計準(zhǔn)則》選取吊艙掛點，并符合飛機(jī)外掛物重量、重心的要求，綜合考慮設(shè)備安裝、環(huán)控、維修性等要求。

吊艙結(jié)構(gòu)

機(jī)載吊艙大多采用桁梁式結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)開有維護(hù)口蓋，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需綜合考慮艙內(nèi)設(shè)備的使用要求、強(qiáng)度剛度要求、所受載荷情況，材料工藝水平等。吊艙結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)安全可靠，應(yīng)力分布狀況良好，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)當(dāng)有較短的傳力路線，和良好的疲勞特性，同時需具有良好的維修性和較高的結(jié)構(gòu)效率，在此基礎(chǔ)上，使用先進(jìn)的制造技術(shù)，盡量控制成本。

接口協(xié)調(diào)

吊艙接口主要分為電氣接口和機(jī)械接口兩類。電氣接口是指吊艙與載機(jī)的電纜連接處，包括主電連接器和輔助電連接器，應(yīng)盡量選用可快速分離式電連接器。吊艙與載機(jī)的信號交換都采用數(shù)字形式，除了少量的離散量信號外，吊艙均采用標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)據(jù)總線與載機(jī)綜合航電系統(tǒng)接口，便于通用化、模塊化設(shè)計，后續(xù)拓展多種吊艙。吊艙的機(jī)載接口位置需滿足國軍標(biāo)的要求，包括吊艙的止動區(qū)、支撐區(qū)、彈射區(qū)、電連接器和重心位置等，還應(yīng)根據(jù)重量大小，運(yùn)用不同的懸掛方式，同時需考慮懸掛物的吊耳技術(shù)條件要求。另外，還需考慮吊艙的安裝和拆卸條件，應(yīng)當(dāng)滿足吊艙與地面裝卸車、起吊設(shè)備和放置托架的接口協(xié)調(diào)。

計算與分析

關(guān)于吊艙的計算與分析包含六個方面：氣動力與載荷、重量重心、靜強(qiáng)度分析、顫振計算，以及全機(jī)的飛行性能、飛行品質(zhì)等。需進(jìn)行飛機(jī)掛吊艙后的氣動性能計算，評估吊艙對整機(jī)氣動特性的影響，從而計算各種載荷狀態(tài)；計算吊艙對飛機(jī)飛行性能的影響，包括飛行包線、起飛著陸性能等；對飛機(jī)掛裝吊艙的飛行品質(zhì)進(jìn)行計算分析，包括橫航向和縱航向的穩(wěn)定性、操縱性；計算飛機(jī)的重心是否滿足限制條件，考慮吊艙燃油消耗的過程，計算飛機(jī)的重量重心變化，分析其質(zhì)量特性；計算吊艙的靜強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變水平；進(jìn)行全機(jī)地面共振試驗，分析飛機(jī)掛吊艙的顫振特性，檢驗是否滿足要求。

吊艙環(huán)控設(shè)計

吊艙由于位于機(jī)身外，無法使用載機(jī)提供的環(huán)控風(fēng)進(jìn)行冷卻，而吊艙自身體積較小又導(dǎo)致其電源比較緊張，所以吊艙環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計是吊艙設(shè)計的一大重點和難點。目前國內(nèi)有水蒸發(fā)制冷系統(tǒng)、蒸汽循環(huán)制冷系統(tǒng)和逆升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)三種制冷系統(tǒng)。在這三種制冷方式中，逆升壓式環(huán)控系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛。

圖1 AgilePod

先進(jìn)無人機(jī)吊艙

“敏捷吊艙”

美國空軍研究實驗室研發(fā)的AgilePod敏捷吊艙是一種與載機(jī)無關(guān)的多情報電子偵察吊艙系統(tǒng)，可演示采用敏捷制造和模塊化開放式體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，提高使用吊艙獲取情報、進(jìn)行偵查的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。敏捷吊艙具有可重構(gòu)性和多平臺靈活性的特點，由多個隔艙組成的吊艙可以根據(jù)不同需求來配置多樣化的傳感器或通信包。

美軍計劃展示一種新的傳感器套件，將各種功能強(qiáng)大的多模式相機(jī)與激光成像系統(tǒng)結(jié)合在一起，形成一個相對緊湊的部件，計劃將其裝備至U-2S“龍夫人”(Dragon Lady)有人駕駛間諜飛機(jī)和RQ-4全球鷹無人機(jī)，大幅提升兩種機(jī)型的靈活性。AgilePod是一個“類似樂高”的系列組件，可以包含三至五個獨(dú)立的部分，而每個部分都可以用搭載不同的傳感器系統(tǒng)，新的傳感器套件還將包括一個“新型高光譜成像儀”。

美國空軍還在考慮將AgilePod整合到其他類型的載人飛機(jī)和無人機(jī)上，包括“收割者”MQ-9，并已經(jīng)在DC-3、RC-26偵察機(jī)上測試了該吊艙，AgilePod的出現(xiàn)有助于節(jié)省資金，減少后勤壓力，軍隊可以批量購買AgilePod，裝備到不同的飛機(jī)上，而無需再逐個更改飛機(jī)的光電、紅外等方案。

AgilePod可以一種型號適應(yīng)所有平臺，但同時也限制了它在多種平臺上使用多種傳感器的能力，這是目前的一個弊端。因此，美國空軍研究實驗室正在充分利用AgilePod多傳感器有效載荷原型進(jìn)行新的“迷你”型AgilePod吊艙的的研發(fā)，優(yōu)化原有AgilePod的設(shè)計和配置，由此形成的系列吊艙將有不同尺寸可供選擇，以滿足各種機(jī)載平臺的裝備使用。在新的設(shè)計中，將采用“開放平面配置空間”，使中間部分可以得到重新配置，并且采用可拆卸的鼻錐和尾椎。

“廣域監(jiān)視傳感器系統(tǒng)”

Gorgon Stare女妖凝視光電吊艙是由美國軍方研發(fā)的視頻捕捉技術(shù)，是一個由九個攝像機(jī)連接到空中無人機(jī)的球形陣列，美國空軍稱之為“廣域監(jiān)視傳感器系統(tǒng)”。Gorgon Stare作為機(jī)載吊艙裝備美國的中空長航時無人機(jī)MQ-9收割者。

圖2 搭載Gorgon Stare的MQ-9概念圖

圖3 搭載Gorgon Stare的MQ-9實拍

Gorgon Stare由MQ-9收割者無人機(jī)機(jī)翼下的兩個吊艙組成，每個吊艙重250kg。其中一個吊艙中裝著項目子承包商ITT公司研制的從吊艙底部突出的傳感器球，這個傳感器球包含位于不同位置的5部電光(EO)攝像機(jī)和4部紅外(IR)攝像機(jī)，光電攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)分別用于白天和夜間的ISR任務(wù)，攝像機(jī)布置在不同位置，可以從不同角度獲得最大地面覆蓋能力，并生成三維圖像。這個吊艙中還裝有一個計算機(jī)處理器。攝像機(jī)以2幀／秒的速度拍攝動態(tài)視頻，而非30幀／秒的全動態(tài)視頻。5部光電攝像機(jī)每部每秒鐘拍攝兩幀1600萬像素的圖像，這些通過計算機(jī)處理為一幅8000萬像素的圖像。4臺紅外攝像機(jī)每秒拍攝兩張3200萬像素的圖像。Gorgon Stare的另一個吊艙包括處理和儲存圖像的計算機(jī)、數(shù)據(jù)鏈接調(diào)制解調(diào)器、兩對通用數(shù)據(jù)鏈和戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈天線以及射頻天線設(shè)備等。

圖4 Gorgon Stare結(jié)構(gòu)

Gorgon Stare能夠捕獲整個城市的運(yùn)動圖像，然后可以由人或人工智能進(jìn)行分析，這些運(yùn)動圖像不以視頻的形式顯示，因為它在采集數(shù)據(jù)時每秒的幀數(shù)比視頻更少，Gorgon Stare需要利用標(biāo)記和元數(shù)據(jù)系統(tǒng)才能充分發(fā)揮其有效性。Gorgon Stare的研發(fā)旨在為各種軍事用戶下載、分析65種不同的圖像，這就是所謂的“廣域持續(xù)監(jiān)視”。

Gorgon Stare廣域監(jiān)視傳感器系統(tǒng)為未來無人機(jī)的吊艙設(shè)計提供了參考，其“廣域持續(xù)監(jiān)視”的特點將成為偵察無人機(jī)的最大優(yōu)勢之一，也將引領(lǐng)未來偵察吊艙的發(fā)展方向。

智能節(jié)點吊艙

“智能節(jié)點吊艙”(SNP)是一種載荷，它包含有不同配置的地面/空中/海上通信系統(tǒng)，設(shè)計用于橋接和中繼不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)和話音通信，將組網(wǎng)能力推送到戰(zhàn)場前線。體型更小的SNP設(shè)計用于為無人機(jī)提供輕型通信網(wǎng)關(guān)能力。

SNP有兩種基本架構(gòu)，即“單吊艙架構(gòu)”(SPA)和“多吊艙架構(gòu)”(MPA)。SNP SPA和MPA通過在JALN中層通信網(wǎng)關(guān)飛機(jī)與其他支持地面單元的平臺之間提供“最后一英里”連接支持JALN和DARE網(wǎng)絡(luò)。SNP SPA單元可加載在旋翼飛機(jī)或MQ-9無人機(jī)上；而SNP MPA則主要安裝在MQ-1無人機(jī)上，它由2個吊艙(每個吊艙重量不超過120lb)組成，每個吊艙占用MQ-1飛機(jī)一側(cè)的一個掛彈架，飛機(jī)平臺要為吊艙提供電源和天線引導(dǎo)所需的導(dǎo)航輸入(SNP地面控制站接口也是如此)。

SNP具有靈活的任務(wù)能力，可根據(jù)尺寸限制和任務(wù)要求進(jìn)行重配置，這也導(dǎo)致專門配置的吊艙或一組吊艙可能無法一次提供所有能力。

圖5 SNP示意

SNP的主要特點如下：

(1)經(jīng)濟(jì)性能力更加的定制化能力特性和服務(wù)

SNP能夠針對各個機(jī)載平臺和吊艙組合的特殊任務(wù)特性來配置系統(tǒng)，以便獲得最佳的戰(zhàn)場連通性的同時支持現(xiàn)有的地面基礎(chǔ)設(shè)施。

美軍的JALN體系中包含有飛行在不同高度的多種飛機(jī)平臺，這些核心平臺包括：ER/MP MQ-1C“灰鷹”無人機(jī)、A-160“蜂雀”無人機(jī)、“影子”無人機(jī)、多用途直升機(jī)、C-12“空中國王”、阿帕奇、“比空氣輕”(LTA)的平臺以及多種系留平臺等。每種平臺的“尺寸、重量和功耗”(SWaP)、性能以及成本要求都各不相同，由于SNP架構(gòu)引入了"通用網(wǎng)絡(luò)接口"(UNI)方法能夠適應(yīng)多種平臺，因而可以通過在飛機(jī)與載荷之間確立分界點快速裝備部署新系統(tǒng)，無需觸及飛機(jī)的"作戰(zhàn)飛行程序"(OFP)。

(2)距離拓展/不同系統(tǒng)連通

戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)連接的目標(biāo)是在任意時間、任何地方支持作戰(zhàn)單元信息需求，但現(xiàn)有系統(tǒng)需要專用的用戶設(shè)備和廣泛部署的地面基礎(chǔ)設(shè)施。SNP可以為通信規(guī)劃人員提供將現(xiàn)有和新興無線電系統(tǒng)集成為綜合體系的能力，提供頻率交叉結(jié)合、消息格式轉(zhuǎn)換以及遠(yuǎn)程無線電指揮與控制功能，使之前受物理(作用距離、地形)和不兼容系統(tǒng)限制而相互隔離的用戶之間實現(xiàn)連通。而且，多個SNP可以協(xié)同工作，利用空空鏈路提供距離拓展，縮短作戰(zhàn)時間和提高致命性。

SNP具有一種特殊的能力一一可以主動地操縱2個獨(dú)立的"通用數(shù)據(jù)鏈"(CDL)孔徑支持1條CDL鏈路?；谥Z格公司網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗，CDL天線的分集需求催生了SNP SPA的創(chuàng)新，使得吊艙最大限度地減小了機(jī)身阻礙。SNP還引入了CDL發(fā)現(xiàn)能力，它利用全向天線發(fā)現(xiàn)通信目標(biāo)并交換位置信息以支持定向天線的指向鎖定，完成更高速率、更遠(yuǎn)距離的通信。

配合SNP提供的解決方案，SPA系統(tǒng)元需考慮、另一個CDL調(diào)制解調(diào)器的SWaP，這樣就能通過提供空空中繼增強(qiáng)功能性。諾格公司未來還計劃升級SNP，使其可以連接JALN中高層中現(xiàn)有的CDL系統(tǒng)平臺如E-IIA和U-2，并且不需要對這些系統(tǒng)進(jìn)行改造。

(3)話音橋接、態(tài)勢感知、非傳統(tǒng)ISR通信

高空通信為態(tài)勢感知提供支持的價值已是眾所周知，過去十幾年美軍一直在發(fā)展高空通信中繼能力，近期美國防部又正式提出了JALN，并通過E-IIA機(jī)載網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)首次實現(xiàn)了這種網(wǎng)絡(luò)能力。SNP采用更小型的"機(jī)載執(zhí)行處理器"(AEP)，它加載各種軟件應(yīng)用、基礎(chǔ)程序和驅(qū)動程序、接口以及處理器，提供話音橋接和中繼、數(shù)據(jù)中繼和橋接、終端和載荷控制以及網(wǎng)絡(luò)管理能力。這可為操作員提供動態(tài)響應(yīng)威脅優(yōu)先級的能力，并能支持連接和相關(guān)現(xiàn)有"戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)"(TDN)以創(chuàng)建戰(zhàn)區(qū)COP和為之前受各種因素限制無法獲得通信能力的部隊提供話音橋接和中繼能力。

網(wǎng)絡(luò)可用性由"網(wǎng)絡(luò)飽和"狀態(tài)改進(jìn)到"網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化"狀態(tài)。UHF/VHF話音橋接使得作戰(zhàn)旅可以使用手持電臺跨4條山脊線保持通話，并為作戰(zhàn)旅火控支持提供專用信道。通過為地面部隊提供連接使其能夠向“近空支援”(CAS)態(tài)勢感知COP報告，可極大地降低友軍誤傷。

(4)戰(zhàn)術(shù)邊緣用戶連接GIG/IP連接

利用SNP從空中提供的網(wǎng)絡(luò)連接，地面士兵可以利用現(xiàn)有的電臺和電話實現(xiàn)跨越山區(qū)的通信和信息共享。無需終端用戶進(jìn)行附加訓(xùn)練。

小結(jié)

上述的三種國外先進(jìn)的無人機(jī)吊艙在功能和特性方面各有側(cè)重。Gorgon Stare“廣域監(jiān)視傳感器系統(tǒng)”側(cè)重于無人偵察機(jī)的“廣域持續(xù)監(jiān)視”功能，目前僅應(yīng)用于“MQ-9”收割者一個機(jī)型；AgilePod“敏捷吊艙”的主要特點是可重構(gòu)性和多平臺靈活性，旨在利用模塊化提高使用吊艙獲取情報、進(jìn)行偵查的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，可搭載于各種類型的載人飛機(jī)和無人機(jī)；SNP“智能節(jié)點吊艙”側(cè)重于戰(zhàn)場通信系統(tǒng)的靈活配置架構(gòu)，強(qiáng)調(diào)定制化能力。

結(jié)束語

21世紀(jì)是信息化的戰(zhàn)場，在高技術(shù)條件下的戰(zhàn)場情況變化多端，戰(zhàn)爭方式復(fù)雜多樣，偽裝、欺騙措施無處不在，無人機(jī)電子偵察吊艙、干擾吊艙、光電吊艙等具有廣闊的發(fā)展前景。 ■