高速直升機(jī)光電任務(wù)系統(tǒng)需求分析

霍苗苗 孫黎靜 李雷 谷曉星

（航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計研究所 天津市 300000）

當(dāng)代科技迅猛發(fā)展，多年來通過對共軸旋翼、傾轉(zhuǎn)旋翼等相關(guān)技術(shù)的鉆研研究，傳統(tǒng)構(gòu)型直升機(jī)突破固有氣動布局限制，在速度和航程方面已經(jīng)取得重大突破[1-2]。直升機(jī)的飛行效率大大提升，發(fā)展為兼具良好機(jī)動性能和懸停性能的高速直升機(jī)，在軍事領(lǐng)域承擔(dān)著運輸支援、通信聯(lián)絡(luò)、搜索與營救等各種任務(wù)的執(zhí)行。高速直升機(jī)飛行速度快、飛行高度低、隱蔽突防能力強(qiáng)，作戰(zhàn)優(yōu)勢日益凸顯，成為軍用直升機(jī)領(lǐng)域發(fā)展的重要代表與技術(shù)制高點。

光電任務(wù)系統(tǒng)作為軍用武裝直升機(jī)重要的子系統(tǒng)，具備目標(biāo)探測、識別、跟蹤、瞄準(zhǔn)、火力指引等系列功能，為武裝直升機(jī)執(zhí)行偵察監(jiān)視、搜索營救、火力打擊等任務(wù)時提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。然而，目前國內(nèi)光電任務(wù)系統(tǒng)所裝備的直升機(jī)平臺時速不超過350km/h，針對軍用高速直升機(jī)這種新型的作戰(zhàn)平臺，其響應(yīng)速度、對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測性能以及智能化識別方面均存在一定的局限性，需要結(jié)合高速直升機(jī)的作戰(zhàn)特點進(jìn)一步開展光電任務(wù)系統(tǒng)需求分析，明確產(chǎn)品的功能、性能要求。

1 概述

光電任務(wù)系統(tǒng)在軍用高速直升機(jī)作戰(zhàn)平臺應(yīng)用的研究，在國際上，以美國為首，已經(jīng)開展較為成熟的研究，設(shè)計研發(fā)出新型光電任務(wù)系統(tǒng)，并已裝備在多型高速直升機(jī)上進(jìn)行技術(shù)驗證。結(jié)合以美國S-97、V-280為代表的軍用高速直升機(jī)研制情況，探究新型作戰(zhàn)平臺下光電任務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展路線，以此為基礎(chǔ)，總結(jié)提煉出軍用高速直升機(jī)對光電任務(wù)系統(tǒng)的能力需求，為高速直升機(jī)光電任務(wù)系統(tǒng)的研制工作提供一定的理論指導(dǎo)。

2 國外幾型高速直升機(jī)光電任務(wù)系統(tǒng)

2.1 S-97“侵襲者”光電任務(wù)系統(tǒng)(AN/AAS-52系列)

如圖1所示，S-97“侵襲者”是美國為滿足陸軍下一代輕型偵察、攻擊直升機(jī)要求所研發(fā)的一型高速直升機(jī)，是世界上首款采用復(fù)合式推進(jìn)理念所設(shè)計的“共軸雙旋翼+后機(jī)身推進(jìn)式螺旋槳”樣式獨特機(jī)型，滿足氣動布局要求。其最高時速超過480km/h，相當(dāng)于美軍UH-60“黑鷹”運輸直升機(jī)時速的2倍，AH-64“阿帕奇”攻擊直升機(jī)時速的1.5倍，抵達(dá)和撤離戰(zhàn)場的速度優(yōu)勢奠定了其在垂直起降輕型武裝偵察飛行器方面的領(lǐng)先地位。

從外形結(jié)構(gòu)來看，S-97驗證機(jī)上所裝備的光電任務(wù)系統(tǒng)為雷神公司AN/AAS-52系列[3]，裝配于高速直升機(jī)的主要特點如下：

（1）光電轉(zhuǎn)塔為球形結(jié)構(gòu)，安裝于飛機(jī)鼻錐部位。

圖2：F-35光電任務(wù)系統(tǒng)

（2）S-97采用復(fù)合輕型材料一體化機(jī)身，機(jī)身造型呈流線型，棱角圓滑，突出部分很少，不僅有利于減小飛行過程中的氣動阻力，提高巡航速度，還能有效降低RCS（敵方雷達(dá)反射截面積），大大提高隱蔽其突防能力和生存性能。光電任務(wù)系統(tǒng)作為重要的武裝偵察系統(tǒng)同外掛武器、起落架等一同與機(jī)體進(jìn)行一體化綜合設(shè)計，為有效減小外露尺寸采用半內(nèi)埋式安裝，并借助外部整流罩降低對載機(jī)氣動性能的影響。

（3）紅外、電視、激光等傳感器進(jìn)行共光路一體化設(shè)計，系統(tǒng)集成度高。

（4）穩(wěn)定平臺采用兩軸四框架穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

2.2 V-280“勇士”光電任務(wù)系統(tǒng)

V-280高速直升機(jī)于2017年完成首飛，時速可達(dá)560km/h，至今已經(jīng)開展多輪試飛驗證工作，為美國第三代具備垂直起降和短距起降能力的傾斜旋翼機(jī)，V-22“魚鷹”直升機(jī)的升級版。相比V-22，其只需傾轉(zhuǎn)旋翼傳動裝置，發(fā)動機(jī)艙及噴口位置保持不變，一直朝向機(jī)身后方，實現(xiàn)更快速的垂直起降。同時，V-280在機(jī)體設(shè)計方面，相比V-22更輕巧精致，更多采用減少RCS的扁平化結(jié)構(gòu)，降低被敵方雷達(dá)探測的可能性，提高隱身性能，反應(yīng)機(jī)敏。

V-280驗證機(jī)上所裝配的光電任務(wù)系統(tǒng)為減小機(jī)體氣動阻力，采用半內(nèi)埋式隱身化布局，傳感器內(nèi)埋于機(jī)體內(nèi)部，外部通過光學(xué)窗口與機(jī)體進(jìn)行一體化綜合設(shè)計。系統(tǒng)構(gòu)型同美軍F-35戰(zhàn)斗機(jī)所裝備的EOTS（Electro-Optical Targeting System）類似[4]。如圖2所示。

雖然EOTS由洛克希德﹒馬丁公司為固定翼飛機(jī)所研制，但其在技術(shù)方面的重大突破對高速直升機(jī)光電任務(wù)系統(tǒng)的研制方面具有前瞻性的指導(dǎo)意義。EOTS主要特點如下：

（1）世界上首款將前視紅外（FLIR）和紅外搜索跟蹤（IRST）功能結(jié)合于一體的傳感器；

（2）安裝于雷達(dá)罩之后、前起落架之前的機(jī)鼻下方，傳感器內(nèi)埋于由七塊藍(lán)寶石面板玻璃所構(gòu)成的多面體隱身光窗內(nèi)[5]；

（3）系統(tǒng)尺寸大約為493×698×815mm，重量91千克,通過包覆聚烯烴的冷卻液管道制冷減小外形尺寸；

（4）系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)為緊湊型單孔徑，通過系列反射鏡和棱鏡將光線引導(dǎo)至第三代紅外焦平面陣列和其他傳感器，而非直線光路，突破空間限制；

（5）利用先進(jìn)的算法實現(xiàn)遠(yuǎn)距目標(biāo)探測識別，廣視角紅外搜索和激光光斑跟蹤功能。

3 高速直升機(jī)光電任務(wù)系統(tǒng)能力需求分析

3.1 氣動特性、隱身性改進(jìn)設(shè)計需求

由于空氣粘性，直升機(jī)飛行速度越高在飛行過程中所受到的氣流擾動越大，氣動阻力（主要包括摩擦阻力和壓差阻力）會大幅度提升。為保證高速直升機(jī)作戰(zhàn)平臺的飛行速度，降低氣動阻力，需要盡可能高的保持直升機(jī)表面的光潔度，提升機(jī)體外部構(gòu)件的流暢度，使得機(jī)身成平滑流線型，避免形成較大真空區(qū)。

與此同時，高速直升機(jī)的作戰(zhàn)區(qū)域主要在低空、超低空，這些區(qū)域存在地面防空火力、單兵便攜式武器等諸多威脅，非常容易遭受敵方武器攻擊。戰(zhàn)場環(huán)境中，各作戰(zhàn)單元生存能力的大小是戰(zhàn)爭能否取得勝利的關(guān)鍵因素，為提高高速直升機(jī)戰(zhàn)場生存力，保障作戰(zhàn)安全性，必須降低直升機(jī)被探測概率。

若按照常規(guī)構(gòu)型的設(shè)計理念，機(jī)載光電任務(wù)系統(tǒng)多采用球星或鼓形結(jié)構(gòu)，安裝在直升機(jī)前部下方區(qū)域，隨著產(chǎn)品功能的擴(kuò)展，光電任務(wù)系統(tǒng)的體積和重量會急劇增加。一方面會給機(jī)身帶來較大的氣動阻力，另一方面也不利于高速直升機(jī)的整機(jī)電磁隱身。以美軍S-97“侵襲者”、V-280“勇士”高速直升機(jī)為代表，其光電任務(wù)系統(tǒng)同機(jī)體開展綜合一體化設(shè)計，在機(jī)身底部鼻翼下方采取半內(nèi)埋式的安裝方式，減小機(jī)身突出部位。作為高速直升機(jī)重要的任務(wù)載荷，光電任務(wù)系統(tǒng)在兼顧自身功能、性能的基礎(chǔ)上與機(jī)體開展共性化設(shè)計是非常必要的。將系統(tǒng)整體或者部分隱藏在機(jī)身中，開發(fā)研制隱形光窗材料，設(shè)計光窗結(jié)構(gòu)與直升機(jī)蒙皮共形，使平臺具備良好的氣動特性和隱身性能。

3.2 遠(yuǎn)距探測識別與系統(tǒng)集成度需求

坦克、裝甲車輛等作戰(zhàn)單元是高速直升機(jī)的典型作戰(zhàn)對象，復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下高速直升機(jī)需要具備更好的機(jī)動性和更大的作戰(zhàn)響應(yīng)范圍。這些特點對光電任務(wù)系統(tǒng)提出了新的需求，光電傳感器需要進(jìn)一步提升遠(yuǎn)距探測識別能力，實現(xiàn)“先敵發(fā)現(xiàn)，精準(zhǔn)攻擊”，提高任務(wù)執(zhí)行可靠性，保障作戰(zhàn)效能。

顯然，傳統(tǒng)構(gòu)型中傳感器所采用的分立式布局在系統(tǒng)體積尺寸和外形布局受限的情況下，無法通過增大系統(tǒng)重量、體積以及擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)孔徑等方式提高探測識別距離。如S-97、V-280所示，光電任務(wù)系統(tǒng)需要達(dá)到更高的集成度，系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)、傳感器和電子組件采用緊湊式布局，開展傳感器多波段共光路光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，多波段共用同一光學(xué)孔徑，通過增大光學(xué)孔徑既能提升光電任務(wù)系統(tǒng)探測、識別分辨率又能避免系統(tǒng)體積和重量的增長，在保證產(chǎn)品自身性能的同時滿足共形設(shè)計需求。

3.3 智能化發(fā)展需求

軍用高速直升機(jī)肩負(fù)著對地/海面目標(biāo)高效偵察、精確打擊的使命，但是目前直升機(jī)對目標(biāo)自動識別的準(zhǔn)確率低，對飛行員依賴較強(qiáng)，造成飛行員在任務(wù)執(zhí)行過程中負(fù)擔(dān)重，人機(jī)工效較差。

為了快速感知戰(zhàn)場態(tài)勢，幫助飛行員減輕任務(wù)負(fù)擔(dān)，針對戰(zhàn)場區(qū)域典型目標(biāo)，高速直升機(jī)需要具備快速且智能化的探測、識別能力。利用人工智能技術(shù)不斷豐富目標(biāo)庫，改進(jìn)智能識別算法，開發(fā)多目標(biāo)檢測與跟蹤處理軟件算法，實現(xiàn)對目標(biāo)的智能化的檢測、分類識別以及多目標(biāo)跟蹤、定位功能，輔助機(jī)上操作人員快速感知戰(zhàn)場態(tài)勢，促進(jìn)高速直升機(jī)綜合作戰(zhàn)效能的提升。

4 結(jié)束語

本文通過分析高速直升機(jī)的作戰(zhàn)特點及傳統(tǒng)構(gòu)型光電任務(wù)系統(tǒng)面對新型作戰(zhàn)平臺的不足之處，結(jié)合國內(nèi)外高速直升機(jī)光電任務(wù)系統(tǒng)的研究進(jìn)展和技術(shù)路線，提出了軍用高速直升機(jī)光電任務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展需求，對高速直升機(jī)光電任務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展提供一些借鑒和參考。