T—50的航电系统与机上设备

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  PAK-FA最重要的作战用航电系统称为MIRES(多用途整合式无线电系统),意即包括雷达、无线电预警、电子战、通信、敌我识别等在内的所有无线电系统在一开始就被视为单一的复杂系统而进行研发,而不是将独立的系统加以整合,如此一来各无线电系统的兼容性更高,能够更好地发挥使用效率。另一方面,各系统可使用通用技术,甚至能加以整合(例如同一天线兼具探测与识别功能等),从而降低重量与成本。
  探测、火控与电子战系统
  MIRES的研发主导权于2004年被授予Tikhomirov-NIIP(提赫米洛夫仪器制造科学研究院),由其牵头与其他著名的航电研制机构共同执行研发计划。2006年完成了MIRES计划的答辩。MIRES的探测雷达部分包括前、后、侧视相控阵雷达,在波段上包括X、L甚至毫米波段,而且为了满足多用途的需求,将采用主动相控阵天线。按照Tikhomirov-NIIP总经理贝莱(Yu.Beli)早期的说法,侧视相控阵天线将不会内置于机身,而是配备于外挂吊舱内,而豪米波段则是未来的扩展项目。
  除了无线电系统外,PAK-FA还配有UOMZ(乌拉尔光学仪器厂)研制的101KS光电系统,整个系统包含前视光电探测器、分布式光电传感器、对地攻击吊舱以及主动光电防御系统。这样一来,PAK-FA不论是在探测、火控还是警戒方面都有多种频谱可供使用。
  按照MIRES计划,在硬件方面需要研制各种波段与用途的主动相控阵天线。Tikhomirov-NIIP的副总经理即X波段主动相控阵天线总设计师塞纳尼(A.ISinani)指出AESA(主动相控阵)雷达是分三个层次来进行发展:
  1)建立基本组件库:开发通用的高频电路组件(放大器、移相器、衰减器等)、控制组件(智能开关、内存等)、供电组件等:
  2)完成天线单元:不同天线系统的设计者从上述基本组件库中取得所需组件,而后完成具有完整功能的天线单元:
  3)总装并完成整个雷达系统:总设计师认为这种多层次的通用设计方法具有很大弹性,可以轻易依据所需功能与波段而设计出所需的天线系统。他同时也指出,根据Tikhomirov-NIIP专家的分析,美制主动相控阵天线的“砖”或“瓦”构造对于设计多用途的智能化AESA来说太过僵化且昂贵,例如必须针对不同用途与波段的雷达开发专属的发射接收单元等,因此他们并未跟进。
  参与MIRES计划的都是重量级的无线电、雷达研究单位。如Tikhomirov-NIIP自身就曾研制出世界上第一种战斗机用相控阵雷达(米格-31的Zaslon“闪光舞”被动相控阵雷达)。Pharzotron-NIIR曾研制出米格-29改型使用的Zhuk(”祖克”,也译为“甲虫”)系列雷达,更于1993-1994年独立开展了主动相控阵雷达的研发,其于2005公布的Zhuk-AE(“祖克-AE”)更是第一种完整的俄制主动相控阵雷达。圣彼得堡的Leninets公司曾研制出苏-34的相控阵雷达,也有多年研究主动相控阵雷达的经验。除了以上3个拥有完整雷达系统研发经验的单位外,还加入了在主动相控阵天线的研究上有“特长”的单位,如NPP lstok(提供X波段GaAs天线单元)、NPP Pulisar(提供L波段天线单元)、由2000年诺贝尔物理奖得主阿尔费罗夫(Zh.Alferov,其获奖原因正是在半导体、微芯片方面的成就)主持的loffe物理技术研究院等。而负责量产的GRPZ(国家梁赞仪器制造厂)也加入了研发计划,从而使研发与生产之间不会出现断层。在AFAR尚未公开时,GRPZ便早已做好了量产AESA雷达的准备。
  第四代雷达系统型号为N-036。以下按各天线型号分别介绍:
  AFAR-X主动相控阵雷达
  技术诸元
  暂称为AFAR-X的主动相控阵雷达,约有1526个由NPP lstok研制的砷化镓(GaAs)主动天线单元,每个单元峰值发射功率10~12瓦,能量效率超过30%,接收模式噪声3dB,相位差控制的方均根误差6度(注意这不是波束角度,而是相位差)。根据俄媒报导,其能追踪60个目标并打击其中16个。由天线功率估计,其总峰值功率约15~18.5千瓦,小于 lrbis-E的20千瓦。但考虑到PESA(被动相控阵)雷达有传输损耗而AESA(主动相控阵)雷达几乎没有,则lrbis-E真正发射出去的功率约16~18千瓦(假设传输损耗为10%~20%),即在处理能力相同的情况下探测距离相当。如果再考虑到T-50的计算机系统运算能力更强、以及主动相控阵天线能在相同时间内变化出更多模式的波束来探测同一目标,则AFAR-X的探测距离理论上会更高。
  天线隐身设计
  AFAR-X的雷达基座采用了略为上翘的设计,而T-50一号机与二号机的雷达罩与前机身交会处也隐约可见此种设计,这样能够减少天线造成的正面RCS。Tikhomirov-NIIP的多位专家表示,AESA雷达因为较厚重的关系而不会采用像lrbis-E那样的机械辅助扫描设计,而是以侧视相控阵来增加视野。其中一位专家还表示,侧视相控阵因为较小所以探测距离当然会比主雷达小,但可藉由延长观测时间来补偿探测距离。其实,PAK-FA的初始设定中就有侧视雷达,甚至由于侧视雷达构造较简单,因此可能反而比主雷达更早完成开发。
  在相同的处理技术下,AESA雷达的探测距离约与口径成正比。因此若口径900毫米的前视雷达对战机与空空导弹的探测距离分别是400千米与90千米,则口径450毫米与300毫米的侧视雷达则分别是200145千米与133123千米。
  仿生设计的雷达
  Tikhomirov-NIIP的AESA雷达从设计出发点上就与西方划清了界线:不同于西方式以“砖”或“瓦”的发射接收模块为主像砌墙一样建构出整个相控阵天线.Tikhomirov-NIIP采用了仿生设计。据报导.Tikhomirov-NIIP的专家在研究后认为,为了开发符合未来需求的智能型多用途天线,必须舍弃西方的“砖瓦架构”而采用新方法,而其找到的方法便是采用仿生化聚合物设计。在AFAR-X开始研发的几年前,Tikhomirov-NIIP的天线设计部门便发现相控阵雷达的运作机制皆可在生物催化反应中找到模拟:   例如某些生化聚合物在催化反应中调整酵素的催化行为,可以模拟成相控阵雷达中天线之间要有精准的振幅与相位差等:而某些生化聚合物在生化反应中能平衡合成与分解机制,可以模拟成相控阵雷达中对操作温度的管控:生化反应中的同化与新陈代谢过程则模拟于发射与接收:而核酸在生物反应中的控制作用,就相当于相控阵雷达中的控制系统。
  据此,Tikhomirov-NIIP的工程师将相控阵雷达的几个功能与生化反应进行模拟,而后从生化反应中取得灵感制造出了这种“仿生”雷达。据悉,生物体内的化学反应对内外影响的缓冲、自适应能力,正是一部未来雷达所需要的,而这种取自大自然智慧创造的雷达自然是有其优势的,因为众所周知,生物的演进历史是远超过人类科技的。依据这样的仿生概念,Tikhomirov-NIIP开发了一系列新技术,2005年公开的AFAR-68 (Epaulet-A)微型AESA雷达便是这种仿生雷达的技术原型,该雷达验证了这种仿生雷达的设计概念与生存性。该雷达每个单元峰值功率6~8瓦,能量效率30%,接收端噪声系数3dB。
  据指出,Tikhomirov-NIIP的这种仿生天线设计在单位重量、耗电量、能量效率等方面与西方产品相当,而在雷达工作模式、信号处理(包括处理可以提升隐身性与抗干扰性的超短脉冲)等方面则拥有显著优势。
  制造过程中进行整体优化
  不论是AFAR-68还是后来公布的AFAR-X,从中可见Tikhomirov-NIIP的X波段主动相控阵天线是由许多内含有大量通道(超过10个)的线形相控阵所构成。总设计师塞纳尼指出,每一个线形相控阵内的每一个信道在制造过程中都接受自动测量,相关参数会传至统一的数据库。待整具天线组装完成后,再进行振幅与相位分布测量,参数也送至上述数据库中。之后,整具天线在设定有各种模式控制参数的计算机控制下进行多模式操作,以此搭配特殊的算法对天线进行校正(校正个别天线的控制值以使总结果与设计值相同)。整个过程需要数亿次的测量。以上过程简言之便是在整个天线完成组装后再进行最优化,如此将可消除制造过程中的各种误差,因此有理由相信AFAR-X至少在波束控制的精度上会有相当出色的表现。
  试验进度
  AFAR-X的收发模块于2007年莫斯科航展上首度公开,并于MAKS 2009上公布了雷达实机,成为航展热点。Tikhomirov-NIIP总经理贝莱表示,实验型AFAR-X已于2008年11月完成初步实验室试验并开始进行复杂的地面试验,其中也暴露出一些设计问题。在分析这些问题的同时也在进行第二部雷达的组装,二号雷达已可视为原型雷达,于2009年底完成,将消除先前地面试验中暴露的缺陷。据悉,天线本身会更早完成,因此先前暴露出问题的可能并非主动相控阵天线。根据试验计划,预计额外建造若干部雷达,包括用于飞行试验的雷达。由于试飞基地稍早之前已经完成Pharzotron-NIIR的Zhuk-AE主动相控阵雷达的飞行试验,因此其经验可能也将有助于加快AFAR-X的飞行测试进度。根据2010年底对于Tikhomirov-NIIP总设计师的专访,AFAR-X已准备进行飞行试验,可见进度如同预期。
  在2011年莫斯科航展前夕,贝莱表示,当时已有3部AFAR-X雷达,第一部于2009年展出,第二部在201 1年开始地面试验,短期内将交给苏霍伊公司用于PAK-FA的地面试验。第三部雷达已完成厂商试验,随后将交付苏霍伊公司用于第三架飞行试验机(T-50-3)。第四部雷达的组装已经开始并将制造第五部。
  生产分工
  AFAR-X基本上是全俄制的(无线电部件全俄制、控制芯片部分进口),但生产收发模块的机具是由日本等国进口。目前已建立两条生产线,一条生产芯片(建立在NPP lstok,用于生产X与K波段微波芯片,采用0 1微米制程,年产能100万片),另一条将芯片装入电路板,据称生产线高度自动化,基本实现无人操作。生产文件已被转移至GRPZ进行生产准备,预计每年可生产50部AFAR-X。俄罗斯两大雷达厂商均透露出AESA雷达的量产能力,Pharzotron-NIIR总经理在接受采访时向笔者表示,其已改进生产程序,使Zhuk-AE的产能从过去的年产10部提升至50部。此外,AFAR-X也可用于改进型战机。不过Tikhomirov-NIIP总经理贝莱也指出,目前的困境在于提供基本组件的NPO lstok产能与良品率不足。他表示,根据2007-2008年的国防预算计划,应提供资金给NPO lstok进行生产设备的更新,但至今尚未落实,这导致其生产的组件可靠性与精确性不足。
  未来展望
  目前,各国的AESA雷达的收发模块多采用砷化镓(GaAs)半导体组件,峰值多在15瓦以下,如美制APG-77每个单元的峰值也为10瓦左右,俄制Zhuk-AE则为5瓦。这除了考虑到飞机的供电能力外,其实主要是受制于冷却条件。提高功率会产生更多热量,从而降低性能甚至损坏组件,这不仅需要更高功率的冷却系统,甚至连冷却系统都不好设计(部分原因是半导体材料的导热性不够好)。解决这个瓶颈的方案之一是以氮化镓(GaN)取代砷化镓。为AFAR-L雷达研制收发模块的NPP Pulisar便在开发一系列氮化镓收发模块,据称其操作温度范围、极限温度、饱和电流都比砷化镓高出许多,因此发射功率可以比砷化镓收发模块高出一个量级。据介绍,氮化镓组件可以在30~50伏、300摄氏度以下工作。NPP Pilisar研制完成的一种氮化镓主动相控阵组件是将氮化镓掺杂在蓝宝石基板上制成。组件噪声系数小于2.7分贝,放大系数大于10分贝(对lOGHZ的波,即X波段),功率30瓦,最重要的是其不需要冷却系统与限流保护电路,因此重量与体积可以显著降低。目前还在开发一种将氮化镓掺杂在硅或碳化硅上的组件,这种基材的热传导性比蓝宝石更好,允许更大的发射功率。届时,在C波段的功率可达200瓦,在X波段则达80瓦。   虽然这些高功率氮化镓组件构成的AESA雷达最大耗电量可能超过战术战机的供电能力,使得其似乎更适用于预警机、防空雷达等。但可以预料,在战术战机上其可以降低功率的方式完成火控雷达的任务并减轻重量(因为可以省略一些冷却系统与保护装置),而本身耐受高功率的特性则可用来防御未来的“无线电聚焦硬杀伤”技术(将AESA雷达的高功率聚焦在小面积上以烧毁敌方无线电天线线路)。
  AFAR-L主动相控阵雷达
  T-50主翼翼根各装有一组AFAR-L(L波段)AESA雷达,另外从原型机照片观察,T-50的进气道可动前缘前端有着与主翼前缘襟翼的AFAR-L相当的尺寸与颜色,故可能也装设有AFAR-L,换言之T-50上可能有高达4部AFAR-L雷达,这意味着相当于8或16部完全独立的L波段无线电设备。
  AFAR-L有12单元与16单元两种版本,MAKS 2007与MAKS 2009上展出的是12单元版本。其每个收发单元内建4个独立发射信道与2个接收信道,操作频率1~1.5GHz,峰值200瓦,能量效率40%~60%甚至达70%(视操作频率而定),能在水平方向进行±60度的电子扫描。AFAR-L集敌我识别、空中管制、通信、火控、导弹主动预警等多重功能于一身,可能还有针对许多数据链通信与预警机雷达的被动侦测与干扰功能。两套AFAR-L的总视野取决于主翼掠角,在苏-35BM上总视野在±100度以上,在T-50上角度更大,可能在±110度左右。
  AFAR-L最主要的特色是通过较大的总口径而具备相当于米格-21所用的X波段雷达的方位精确度,使T-50可以进行远程高精度敌我识别、保密通信以及以特殊方式装订火控数据。此外,L波段的绕射能力增强了其对隐身目标以及树下目标的探测能力。12单元版本对RCS-1平方米目标的探测距离应在50千米以上。若采用16单元版本,则探测距离可增加15%左右。由于隐身战机的边缘难免存在绕射,使得RCS难免在1平方米上下,这时AFAR-L可能会具有很好的探测效果。除此之外,AFAR-L可能还可以用来对Link-16等宽带通信信号与卫星通信信号进行预警与主动干扰。
  后视雷达、侧视雷达与毫米波雷达
  T-50原型机的减速伞设置方式、尾锥末端材料以及尾锥尺寸显示其在设计上考虑了后视雷达。MAKS 2011上公开飞行的T-50-1原型机的机尾便装有类似老苏-35的尾锥,应是用于试验某种已经存在的后视雷达(先搭配以前已经测试好的雷达罩,这样能避免T-50全新的雷达罩外形所造成的影响)。目前,除了在lrbis-E雷达的介绍片中出现了与后视雷达共享的画面外,并没有透露出太多后视雷达的细节。一般认为,后视雷达可能交由Pharzotron-NIIR研发,尽管Tikhomirov-NIIP也有类似口径的雷达。
  Pharzotron-NIIR自老苏-35以及MFI开始便提供后视雷达。20世纪90年代末期,其推出的Faraon(“法老”)PESA(被动相控阵)雷达便拥有±70度的电子扫描视野,以及对RCS-3平方米目标70千米的探测能力,更轻巧(45千克)但探测距离增至90千米的改型可能也已问世。
  由此可见,现有的后视PESA雷达探测距离大约在70~90千米,就警戒用途论这已足够:能在传统战机射程之外便发现之(现有AIM-120、R-77等级导弹的追击射程约20千米)、在15~20千米发现后方来袭导弹或引导导弹打击位于后半球的敌机(若导弹性能许可)等。PAK-FA所用的短程导弹应是具有掉头攻击能力的R-73M2(“产品760”),未来还有具有反导能力的K-MD(“产品300”),从而使敌机从后方偷袭PAK-FA难上加难。
  但PAK-FA的后视雷达也可能是主动式的,可能提供后视雷达的Pharzotron-NIIR也有AESA雷达。Pharzotron-NIIR的AESA雷达研制始于1994年,并于2005年推出了俄罗斯第一款真正的AESA雷达实机Zhuk-AE。从2008年起该雷达开始进行飞行试验,在MAKS 2009之前Zhuk-AE已完成飞行试验。其研制过程大量参考西方AESA雷达的设计,甚至控制芯片也由西方进口,但收发模块由俄罗斯研制。Zhuk-AE拥有680个峰值5瓦的天线,对战机探测距离150千米,采用类似技术打造的约400毫米口径的后视雷达预计将有超过100千米的探测距离(对于RCS-3平方米的目标)。
  MIRES系统包含了侧视雷达,不过按总设计师在计划初期的说法,侧视雷达将外挂于吊舱内。MIRES系统最终还可能装备毫米波雷达,不过其并非MIRES系统的当务之急,应属未来的扩展项目。俄罗斯一些研制主动相控阵天线的公司已拥有毫米波段的主动相控阵天线技术;
  预警与自卫系统
  多层警戒网
  雷达预警接收器可以说是现代战机最重要的侦察系统(甚至比AESA雷达更重要)。据Tikhomirov-NIIP总经理贝莱的说法.MIRES系统将包含电子侦察与电子战功能,且这些功能是建立在主动相控阵天线的基础上的。不过,要以一种天线同时满足多种任务目前仍存在困难(例如操作频率不够广,此问题对西方国家亦然),因此这可视为MIRES的最终研发目标,或是具有额外的专用于电子战的主动相控阵天线,详情仍待查证。不过,AFAR-L便可能具备预警能力:相比AFAR-X仅能接收与主频误差30%以内的信号,AFAR-L可接收与主频误差超过30%的信号,且其还能够兼容北约规格的空中管制系统,可见其操作频宽相当大,可能足以承担L波段电子预警甚至主动干扰的任务(目前Link-16等宽带数据链、卫星导航信号等皆在L波段)。估计T-50将至少拥有苏-35BM的1.2~40GHz范围的电子侦察能力,并借助AFAR-L可具备对低至1GHz信号的X波段的预警能力。
  目前已知T-50将拥有大量的预警天线。苏-35BM的信息来自多达1 50个天线传感器,这些传感器并非全部凸出于机身,有的采用隐藏式,因此彷佛蒙皮本身就具有感测能力一般,因此有人称其为“智能蒙皮”。这150个信息来源中,扣除探测系统与大气传感器可能就是电子战系统。据称T-50的信息来源是“150个”的数倍,照片显示T-50除了几个已知的无线电设备天线罩外,机身各处仍有多个大小不一的疑似天线罩部分,如在风挡前方有3个白色疑似天线罩,这些可能都是被整合进蒙皮的传感器。   除此之外,PAK-FA还将配备101KS-U分布式光电系统以及101KS-O光电防御系统。前者能对球状周围成像,用于导弹预警与近战,后者应是用来反制光电制导武器。至此.PAK-FA的预警系统便包括被动无线电接收器(含雷达预警接收器、数据链信息等)、X波段雷达、L波段雷达、全周界光电传感器。在不考虑电磁静默的情况下,T-50可以X波段侧视雷达与AFAR-L进行主动预警,其中X波段雷达的预警距离至少在20千米,甚至可能达45千米以上(视相控阵天线大小而定),AFAR-L则估计可对±110度范围内、16千米左右的导弹作出预警。分布式光电系统的预警距离应该在50千米以上。
  PAK-FA拥有多个预警频道,其中又包括全自主的主动雷达探测与光电探测,因此将很难有漏网之鱼,而不同系统间的合作甚至可以进一步增加预警的可靠性,例如分布式光电系统的探测距离超过侧视雷达,但资料未必齐全,若在其发现目标后引导雷达进行探测,便能在很远的距离得到完整的目标飞行参数,这将有助于选择正确的反制措施。
  更积极的威胁反制
  在威胁反制方面,除了传统的诱饵与主动电磁干扰外,根据已公开的资料我们已可窥见PAK-FA将采用更为积极的反制措施。例如101KS-U分布式光电传感器能对近距来袭导弹进行精确定位,因此拥有引导导弹对来袭导弹进行“硬杀伤”的能力。专门为第四代战机研发的K-MD(“产品300”)短程空空导弹便具备反导能力,过渡阶段所用的R-73M2(“产品760”)也可能具有此能力。此外,101KS-O主动光电防御系统可能具有对光电制导导弹进行干扰的能力。
  2009年莫斯科航展上展出了大量的电子战系统,甚至多个电子战厂家共同以“电子战公司”的名义参展。参展的主动干扰设备(含白俄罗斯产品)的最大特色是都使用了数字射频内存(DRFM),该内存能在接收信号后分析其性质(频率、脉冲重复频率等)并在10~100纳秒内即刻复制出相同的信号以干扰辐射源。一台干扰机便具备噪声、假距离、假速度、假方位、假目标(被锁定后诱骗敌方使之追踪稳定的假目标)、闪烁目标等多种干扰模式,白俄罗斯的类似产品Sate-Ilit-M据称具有90%的干扰成功率。此外,这些主动干扰机大多使用了AESA天线。T-50由于采用隐身设计,使得主动干扰所需的功率较低,故不需要像苏-35BM那样外挂明显的电子战吊舱,而内置于机身即可。
  T-50能够发射箔条诱饵与光电诱饵,这两者可用后视雷达进行照射以产生欺敌效果。除干扰诱饵外,MAKS 2009上还展出了与干扰诱饵同尺寸的主动诱饵,后者能够主动发射电磁波长达6秒,并有干扰天线在前与在后两种版本,使用时飞机可依据威胁方向而选择主动诱饵的种类。
  101KS复合式光电系统
  PAK-FA的光电系统是由UOMZ(乌拉尔光学仪器制造厂)研发的“产品101KS”,其包含101KS-V前视光电探测器、101KS-N对地攻击吊舱、101KS-U分布式光电传感器以及101KS-O光电防御系统。上述系统从一开始就被视为一个统一系统而进行设计,并由一个处理系统整合处理。
  其中,101KS-V前视光电探测器与101KS-N对地攻击吊舱都是比较常见的光电系统类型。101KS-U则相当于美制F-35上的DAS(分布孔径系统),其能对周围进行热成像,用于导弹预警、近距导航与空战。
  最独特的当属101KS-O主动光电防御系统。在飞机上至少安装了2组该系统,各负责半个球面。该系统的尺寸与前视光电探测器类似,差别仅在于其具有360度的操作范围。笔者推测它可能是藉由发射激光来摧毁来袭光电制导武器的导引头,也可能其本身就是一种精确的光电探测器,能在分布式传感器概略发现目标方位后,对目标做更精确的方位测定与激光测距,以便引导导弹攻击之。
  在T-50-3的机鼻下方、鼻轮前方可见到不明光学窗口,还不确定是已展出的101KS的组成部分还是不知名的光电系统。通信系统
  PAK-FA的通信系统是由NPP Polet研发的S-lll-N。根据产品介绍,S-lll-N与机上的AIST-50天线馈电系统相连,采用可编程无线电设计,具有系统架构的软硬件重组弹性,能自行进行功能调整并同时在不同系统与通信网路中工作。据厂商介绍,S-lll-N比苏-35BM使用的S-108紧凑得多。
  在数据链传输能力上,T-50将至少拥有Link-16级数据链能力。除此之外,有几个可能特点或未来发展潜力:
  1)引导僚机导弹的功能:现代战机以数据链为僚机指示目标参数,让僚机以其挂载的导弹进行作战并不稀奇,但完全接管僚机的导弹为己用便十分不寻常。米格-31就已经具有接管僚机的R-33导弹的功能,此功能将增大作战弹性。AFAR-X雷达能同时攻击的目标数量可能高达16个,已达到或超过T-50内挂导弹数量的极限,再加上它将配备R-33的后续改进型“产品810”,因此不无可能考虑了接管僚机导弹的功能:
  2)通过AFAR-L进行L波段宽带通信。AFAR-L的操作波段正好与Link-16相当,并且具有通信功能,只要有软件支持应可达到Link-16的约2Mb/s的速度。此外,由于AFAR-L能调制出窄波束并只对特定方向发送,因此在保密通信与抗干扰能力方面非常出色:
  3)考虑到与苏-35BM甚至其他苏-27家族的兼容性以及400MHz以下无线电波段几乎不会被侦测与干扰,笔者认为T-50不会以L波段作为唯一的数据链通信波段,而可能保留了苏-35BM的数据链系统,作为最保险的语音、数据、图片传输手段:
  4)目前,美军正在进行X波段AESA雷达通信能力的开发,X波段的波长更短因此可轻易提升传输速度,预计将可达lGb/s级。PAK-FA的计算机系统拥有相当高的运算速度并以许多lGb/s级或lGbaud级的传输接口为骨干,若搭配主动相控阵天线的高反应速度与高频宽,则PAK-FA也将具有欧美发展中的数百Mb/s甚至lGb/s传输速度的潜力。与印度合作的FGFA计划中,便以达到或超越F-35的信息化、网络化能力为目标。   中央信息系统
  计算机系统
  PAK-FA将应用共点式信息整合概念,由一套中央计算机统一处理全机信息,如此一来中央计算机硬件便可标准化、各种航电功能也可以共享许多运算逻辑,因而能节省成本并拥有更好的升级空间。
  PAK-FA的计算机系统称为Solo-21,目前缺乏正式数据,不过在历届莫斯科航展上已相继出现性能超越苏-35BM的Solo-35系列计算机的中央计算机:RPKB(罗曼斯科耶仪器设计局)的BVS-1与GRPZ(国家梁赞仪器制造厂)的N-036EVS。由于T-50的雷达系统就叫做N-036,因此N-036EVS应该就是T-50的中央计算机。
  GRPZ的N-036EVS机载计算机
  GRPZ在莫斯科航展上展出了据称是供下一代战机使用的N-036EVS计算机。由于T-50的雷达系统就是N-036,因此N-036EVS很可能就是T-50真正装备的中央计算机系统。
  相比Solo系列计算机与BVS-1那样连处理器速度、内存容量都大方公开,N-036EVS则保守许多。N-036EVS由2台完全相同的高速计算机与1台转换器构成,2台计算机本身就是统一处理全机信号与数据的中央计算机,彼此之间可直接交换数据,或通过转换器交换数据而整合成为全机的运算核心。转换器同时也担负对外界“数字一模拟”数据进行转换的责任。当其中一部计算机出现故障时,另一部计算机可接手其部分任务而不致系统完全瘫痪。计算机本身的尺寸为370毫米×250毫米×200毫米,交换器尺寸为370毫米×125毫米×250毫米,两者都采用密闭容器设计从而具备抗机械负荷与耐潮湿能力。整个系统采用高压气冷方式进行制冷。
  计算机系统内的数据交换接口为8条lGbaud光纤。对外交换接口则包括6条lGbaud光纤、2条备份用于图像输出的lGbaud光纤、ARINC-429单向传输接口(16发/32收)、8条备份用GOSTR52070-2003双向交换接口、24个模拟信道以及16个串行代码交换信道(RS-232C接口)。由此可知,N-036EVS的数据传输量相当庞大。至于实际传输速度,由于标示的lGbaud是指每秒有1G(10亿次)的信号变化次数,而实际上可用编码技术可以让1个信号周期内携带好几个位(bit)的信息,因此lGbaud实际上相当于好几个Gb/s。
  厂商技术人员表示,N-036EVS从2009年起便开始研发,目前展出的已是准备投产的成品。N-036EVS性能强大,目前其大量资源都还没有被利用。
  虽然厂商没有公布处理速度,但从其数据传输量可以看出其具有相当强大的运算能力。Solo-35计算机由300MHz与500MHz处理器以及128MB和512MB内存组成,总运算量超过25亿次数据处理与1680亿次浮点运算。内存共有数个GB,lGbaud光纤通信仅局部采用,剩下的非光纤通信接口也多为lGbls级的频宽。更新型的BVS-1计算机重15千克,由1.5GHz芯片组成,有数个GB内存,仅通用处理能力(不算信号处理能力)就达每秒120亿次,并且已采用光纤当作数据交换骨干。从这些参考数据不难推测出N-036EVS的速度等级。事实上,就算是Solo-35的处理能力就已超出2005年时论证的第四代战机的基本需求。
  “电子飞行员”
  T-50的许多操作过程都实现了自动化,另外还配有被喻为“几乎拥有人类智能的电子飞行员”的专家系统以协助飞行员。所谓的“专家系统”其实是一套复杂的程序,能随时分析各种数据并“审时度势”地给予飞行员建议。与“自动化”通常是指自动处理不需动脑的操作程序(如飞行时油门控制等)不同,“专家系统”特别适用于无法以计算机求解而需要人为“做决定”的场合(如遭遇导弹攻击时该如何进行反制),在极短的时间内分析各种解决方案的可行性,并以建议方式告知飞行员。而在飞行员选定方案后,飞机便自动执行。有了这样的系统,飞行员可将绝大部分精力用于执行任务而不是操纵飞机与分析战况,各种人为错误的可能性被降到最低。
  俄罗斯在“专家系统”的研制上颇有经验,许多科研单位都研制过针对不同场合的“专家系统”,如“导航”、“团队接战”、以及“1对1远程作战”等,部分“专家系统”甚至已用于改进型战机。由NIIAS(航空系统研究院)等单位研制的“决斗”(1对1远程作战“专家系统”)便是以敌我导弹的生能参数(制导方式、射程等)与敌我战机飞行状态(速度、高度等)为依据,分析出双方的攻守能力,进而提出作战建议,这之中还包括了主被动干扰系统的使用。俄罗斯文献指出,与“决斗”类似的欧美开发的远程空战“专家系统”有美国与以色列合作的PADS(飞行员咨询系统)、英国通用电气等公司合作的MMA(任务管理助手)等。与西方同类系统相比,“决斗”的功能更为复杂。例如,PADS设置的是没有干扰情况下的1对1空战,MMA则为包含机动反制的1对1空战。“决斗”则同时考虑了干扰措施与机动反制的情况。而当PADS完成交战双方在相同高度各发射1枚以下导弹的计算机仿真试验时,“决斗”系统已完成交战双方在三维空间内各发射多枚导弹且进行干扰的战况下的计算机仿真,可见俄罗斯在“专家系统”研究方面具有很强实力。
  根据俄罗斯文献,第四代战机的“专家系统”约需每秒15亿次的数据处理运算量,苏-35BM的中央计算机已足以支持该需求,而四代战机的数据处理能力高达每秒1 20亿次以上,这为实现更进一步的人工智能奠定了硬件基础。
  其他设备
  座舱
  T-50模拟座舱的显示器布局与苏-35BM几乎相同,可能使用的是相同的显示器,苏-35BM所用的MFI-35多功能液晶显示器与MFPI-35控制面板都有lGbls频宽的光纤信道,应足以满足四代战机的需要。但T-50的抬头显示器改为类似西方战机的大尺寸衍射式抬头显示器。   T-50的操纵杆采用“非接触式”设计,以触动按钮时按钮与驾驶杆的相对差动造成的电磁感应来传递操纵信号(而不是像电视遥控器或键盘那样要接触按钮下的电路板)【注5】,这使操纵钮的分布可以更加灵活也可以在操纵杆上整合更多操纵钮,从而进一步落实“手不离杆”概念,同时其体积也更小,使用起来更舒适。此操纵杆已研制多年,2007年莫斯科航展上展出的移自测试平台的实体样品,从外观来看似历经沧桑,可见当时该操纵杆就已测试了一段时日。到2009年莫斯科航展时,供俄军苏-35S使用的版本已经推出。
  【注5】:每一个操纵钮含有一组线圈与非磁性金属。控制系统为线圈通电而建立磁场,而非磁性金属本身就是控制钮,因此在飞行员进行控制时会相对于线圈磁场运动,这时非磁性金属本身会感应产生反向磁场,进而改变线圈内的电流。控制系统便借助感测这种改变的电流而反推操纵指令。
  新一代弹射座椅、生命维持设备
  从弹射座椅到防护设备都是由专门负责人机工程与飞行员防护的NPP Zvezda(星辰设计局)研制。该企业研制的K-36D系列弹射座椅是目前性能最好的弹射座椅,救生范围比西方弹射座椅更大,且确实能发挥效用,几乎能用于各种可能的飞行条件(海平面O~1400千米/时,高空达马赫数3的情况下都可以安全弹射。相比之下,欧美弹射座椅的安全弹射速度只有1000千米/时以下),拯救飞行员并允许其返回飞行行列。目前苏-30MK系列、苏-35BM上的K-36D-3.5E便是美国考虑到自身弹射座椅不足以满足F-22超声速巡航时的弹射需要,而在20世纪90年代初期出资与俄罗斯合作开发的,其性能完全能够满足F-22的操作需要与美军规格。原计划让俄罗斯开发完成后转移技术到美国,用于F-22,但俄罗斯政府基于国家安全的考虑审核了5年才批准,等不及的美国则转而采用英国马丁·贝克的改进型弹射座椅。这段“与猛禽失之交臂”的历史插曲虽然有点遗憾,但却反应出K-36系列弹射座椅的优越性。
  K-36D-5弹射座椅
  第四代弹射座椅称为K-36D-5,除了拥有更强的救生能力外,还配有按摩与电热等相当人性化的功能。K-36D-5弹射座椅能确保体重55~125千克的飞行员在高度O~20千米,速度O~1300千米/时范围内(包括O高度O速度)安全弹射。与3 和3 代战机所用的K-36D-3.5相比,飞行员允许的体重范围更广,低空弹射性能更好,操作更简单。NPP Zvezda首席副总设计师拉芬科夫(Rafeenkov)还强调了K-36D-5的椅背设计,他表示现有座椅的头靠与椅背设计是确保头与背部几乎在共平面以保证弹射时的安全,但这使得飞行员在空战中不方便向后看。K-36D-5的椅背可以视飞行员喜好向前调整,这样在飞行员背部与头靠之间便多出空间从而方便飞行员头部的活动。而在弹射时,椅背会自动后缩,避免飞行员头部因高速气流的吹拂而撞上头靠。
  有资料指出,新一代弹射座椅采用了可调倾斜角设计,笔者向上述副总设计师求证时,他表示苏联时代的确有这项研究,后来苏联解体后缺少经费,于是该研究便没有再继续下去,因此K-36D-5上是没有这种设计的。该弹射座椅是与T-50平行研制的,目前已安装于T-50的原型机进行试飞,并于2010年底完成试验。
  ZSh-10防护头盔
  防护头盔称做ZSh-10,其技术需求是比现有的ZSh-7更便宜、更轻且固定性更好,因为新一代头盔瞄准具要求头盔必须能与飞行员头部牢牢固定。此外,头盔的使用寿命必须延长至15年。ZSh-10的总设计师表示,研制ZSh-10头盔时参考了法国与以色列的头盔,不过不可能完全照抄,因为这些外国头盔“看似塑料玩具,大概只能用个两三年。而更重要的是,这些西方头盔未必能在俄制弹射座椅的弹射速度下有效保护飞行员(西方弹射座椅的操作条件没有俄制弹射座椅广)”。ZSh-10于2010年底完成设计,在T-50的首架飞行试验机上所使用的仍是旧款的ZSh-7头盔。根据MAKS 2011的数据.ZSh-10头盔减重至1.35千克,比上一代的ZSh-7APN轻了350克,预计201 2年投产。ZSh-10内设有电子系统,作用是在弹射时万一飞行员忘了盖下眼罩,眼罩能够自动盖下以避免高速气流的伤害。此外,ZSh-10头盔、K-36D-5的头靠以及KM-36M氧气面罩都有防爆设计,避免在发生碰撞事故时座舱破片伤及飞行员头部。
  PPK-7抗荷服与主动抗荷装置
  T-50的生命维持系统包括新一代的PPK-7抗荷服与飞行员意识监测系统,能确保飞行员承受超机动下的三轴重力负荷、在飞行员丧失意识后挽救飞机、提供舒适的温度与氧气。
  PPK-7抗荷服最大的特点是拥有“三轴抗荷能力”:除了传统的前后、上下的过载外,也能防护现有系统无法防护的侧向过载,而这是超机动飞行中很可能出现的负荷。抗荷服内拥有更多小型充气囊以增加充气囊与飞行员身体的接触面积,再加上手部的加压处理,这些都进一步提升了飞行员的抗荷能力。与上一代的PPK-3R-120相比,飞行员的持续抗荷时间增至原来2倍。此外,与传统抗荷服是在过载产生后才“被动”加压不同,新型抗荷服藉由先进电子系统而能在重力负荷发生前1/10秒的时间内提前加压,这样可以避免飞行员在高过载发生的瞬间因抗荷系统来不及反应而失去意识。与K-36D-5弹射座椅搭配,其抗荷能力为垂直方向过载值-4~ 9,前后方向过载值±6,横向过载值±4。PKK-7共有10种尺寸,其中最大一种重约2.8千克。
  飞行员意识监测系统
  飞行员意识监测系统能够智能化地监视飞行员的意识状态,其详情并未公开,但大致的运作机制是:一旦飞行员没有系统等待的某些响应,便判定飞行员已失去意识,此时系统会强制取回操纵权,然后将飞机强制改为平飞,这种系统可以避免类似2009年3月F-22的飞行员因机动过程中丧失意识而造成的飞行安全事故。苏-35BM上也有所谓的“飞行员状态监测系统”,且根据早期媒体的报道显示,其运作机制与前述T-50所使用者相同,因此俄罗斯对这类系统的发展已有相当时日。   笔者认为这套系统将可能是俄罗斯继K-36系列弹射座椅后在航空救生技术方面的又一大突破。在不考虑飞行员意识的情况下,人们想到的安全措施就是自动防撞技术,这在现代低空攻击机上已是一种很常用的技术。然而要让自动防撞技术扩展至低空飞行以外的所有场合却未必实际:绝对安全的防撞技术可能在很多时候反而会限制飞行员发挥飞机性能(例如如果严格限制飞机不能大角度俯冲,安全性会提升很多,但也意味着会限制很多战术机动的使用),而允许飞行员自由发挥的系统在危急时可能来不及挽救飞机。因此,究竟什么时候该放手让飞行员发挥性能、什么时候又该强制确保飞行安全?这并不是一件很容易的事情。这时,飞行员的意识状况自然是一个相当值得参考的指标。换句话说,俄罗斯的这套飞行员状况监视系统除了有确保飞行安全的用途外,还可以允许最大程度地发挥飞行性能。这似乎正反映了已故的K-36系列弹射座椅总设计师塞维林(G.Severin)所阐述的设计哲学:“我们研发的不只是救生设备,而是让飞行员在战斗中获胜的装备。因为使用我们的装备后,飞行员会感到舒适且有安全感,从而与飞机融为一体。”
  飞行员意识监测系统的总设计师指出,这种新型生命维持系统已装载于T-50的首架飞行试验机上进行测试,也已安装于二号飞行试验机。此系统将在T-50开始进行高机动试验后方能验证其效能并加以改进。
  导航系统
  MAKS 2011期间,Avionika公司曾展示了JNVS(整合式导航—计算系统),其由1部BTsVM-50多用途计算机(3.5千克)与1部BINS-05无机械惯性一卫星导航系统(1.7千克)构成,作为全机导航与飞行系统的核心。该系统的对外数据交换接口有4条备份的MIL 15538.16条ARINC429输入通道,8条ARINC429输出通道以及1条250MHz光纤通道。该导航系统性能精良且在型录上印有T-50,极可能是为T-50所研制。
  BINS-05是一种军民两用非机械式惯性一卫星导航系统,拥有极高精度。其姿态感测精度为滚转与俯仰角0.05度,角速度(三轴)0.05度/秒,加速度(三轴)0.005g。该系统在惯性—卫星复合导引时位置误差小于5米,速度误差5厘米/秒,航向误差5角分,平均故障间隔10000小时,寿限15000小时。
  这种导航精度相当惊人,在此之前,必须使用无线电相对定位技术(两个载台之间都有自己的定位系统,并且通过无线电通联彼此校正)才能达到这种精度。例如,格洛莫夫试飞院于2000年开发的用于空中加油时精确定位的SRNK系统,相对位置误差2米,速度误差1厘米/秒。GRPZ推出过一种着陆系统,其机上次系统的自主定位位置误差20米,速度误差10厘米/秒,当机上次系统与机场次系统进行无线电通联协同定位后,位置误差降至0.5~0.7米,速度误差降至5~7厘米/秒。由此可见,BINS-05的定位精度竟已与相对校正技术相当,令人惊叹。
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