高能激光系统试验机建设关键技术研究.pdf
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1、书书书第 卷 第 期 激 光 与 红 外 ,年 月 ,文章编号:()综述与评论高能激光系统试验机建设关键技术研究杜梓冰(中国飞行试验研究院,陕西 西安 )摘要:研究高能激光系统试验机建设中的关键技术,以期推动机载高能激光的发展。研究了试验飞机在航空科技领域的作用和地位,并以美国典型的 试验机、和 航电它机进行说明;阐述了试验机在机载高能激光发展中的重要性和必要性,并分别研究了美国、前苏联和以色列机载高能激光武器试验机建设特点,包括已试飞的和规划中的;总体分析了试验机建设过程中关键技术识别、技术成熟度分析、试验机设计、试验机改装和测试记录等关键技术点。关键词:机载高能激光武器;试验机设计;飞行试
2、验中图分类号:;文献标识码:(,):,:;作者简介:杜梓冰(),男,硕士,高级工程师,主要从事机载武器飞行试验与鉴定方面的研究。:收稿日期:;修订日期:引言飞行试验贯穿于航空技术和航空产品发展的始终,是科学概念和工程技术应用之间的桥梁。利用各类试验飞机机进行关键技术、产品的验证,是航空先进技术研究和产品研制的关键技术手段和途径 ,美、俄、英等航空强国均发展了多样的试验机,最具代表性的是美国的 系列验证机 、和 它机等 ,促进了航空科学技术的研发进度、降低了技术风险 。自激光器诞生以来,世界各国都寻求其在武器上的应用,但其系统庞大、技术复杂,作用机理与传统武器有根本性差别,作用效果与载机特性、大
3、气特性、目标材质和作战态势等息息相关,这些因素的影响是仿真、地面试验难以完全模拟的,必须通过真实的飞行试验进行探索,并逐步解决 。美国、前苏联、以色列等从上世纪 年代后陆续开展了机载激光武器的研究工作,建设了试验机对关键原理、技术进行试飞验证,证明了机载激光武器的可行性,大力推动了激光器、光束控制、气动光学、靶标建设、项目管理等方面的进步 ,。当前各国机载激光武器的研究方面主要从激光武器出发,研究集中于小型化高功率激光器研制 、大气光学效应研究 、激光能量测试评估等 ,对于飞行试验所需试验机建设的研究较少。机载激光武器系统是飞机平台与激光武器两大系统的深度结合,不是传统的飞机平台加装一个武器,
4、也不能仅将飞机平台当作激光武器的运载平台,均都是有失偏颇。本文从航空科技发展规律出发,研究试验机的作用和地位,分析国外激光武器试验机建设特点,提炼总结机载激光武器试验机研制建设的关键技术,以期推动高能激光试验机的建设和体系化发展。航空科技发展中的试验机战略航空技术研究、型号研制涉及多学科多专业,系统复杂技术密集度高、高风险高投入周期长。技术探索注定具有高风险性和不确定性,研究具有科学性,不仅需要大胆设想,更需要小心求证 。在新技术不够成熟时应用于型号研制时难度大、风险高,一旦出现技术缺陷不仅影响载机、人员安全,还可能导致项目推倒重来或下马,对科研发展极为不利,出现人力、财力和物力的损失和浪费
5、。因此相关的理论、技术必须经过一系列试验的检验,实验室试验只能在模拟或小部分真实环境下进行验证,部分技术必须通过试验机在真实飞行环境下进行验证 ,。通过“科学研究”和“应用技术研究”获得的成果只有经过“飞行研究验证”的实践检验和验证才能构成支持型号研制的科学技术应用的基础 ,。在航空科技领域,通过各类试验机进行领先飞行试验验证、发现缺陷并改进、提升技术成熟度,是美、英、法、俄等世界航空大国的通行做法 。通过试验机在真实环境下进行试验,对关键技术进行攻关、验证,确定关键技术的应用效果、可行性和经济性,促进新技术的应用;能及早发现技术缺陷、隐患并改进,提升技术成熟度,从而缩短研制周期、降低成本和风
6、险;通过试飞能合理评估技术成熟度,提升研究的科学性 。航空科技试验机的类型 试验机分类美国是世界上试验机发展最早、谱系最全面的国家,其试验机可分为探索性试验机、技术验证机、产品它机验证机、新机验证机这四大类 ,。探索性试验机,主要是对一些不确定的、未知的理论、模型、方法进行探索,通过试验获取数据验证,如 对 音 障 的 突 破、对 高 超 声 速 的 突破等 。技术验证机,为研究和评价型号总体技术方案可行性,验证新技术、新设备的可行性,主要包括新材料、新结构、新工艺等拟采用的关键技术在真实飞行环境下的功能、性能 。产品它机验证机,主要是型号飞机上的产品在其他飞机上进行先期或者同步验证,如 、的
7、航电试验机 ,。新机验证机,也叫原型机,主要是用于产品设计定型试飞用,全面考核评价型号的各项功能、性能、质量、适应性的正式产品,如 、的新机,其试飞环境真实,代表产品的最终状态,新机研制中一般会制造多架用途各异的试验机 ,。根据试验机承担的主要任务专业分,主要可分为气动力它机验证机、发动机它机验证机、飞控系统它机验证机、控制率它机验证机、航电它机验证机等 。典型试验机世界各国建设了各式各样的航空试验机,最具代表性的是美国的 系列试验机和 的航电它机等。系列试验机美国在 年正式开始了 系列试验机的研究工作 ,到现在发展了 多个试验机。其 代表“(试验)”,即表示不确定又表示对未知的探索,以探索未
8、知为第一要务 ,主要集中于航空航天领域先进控制率、动力、气动结构等平台方面的验证。在实施中采用渐进式协同开发方法推动技术发展,限量分批突出重点进行新技术飞行验证,利用技术成熟度分析模型进行评估,采取搭载激 光 与 红 外 第 卷方式进行飞行试验等方式快速发展 。实施中得到了多方的支持,如 支持了 项,军兵种支持了 项,支持了 项,和 共同支持 项,民营机构支持 项 。试验机对技术具有巨大的包容性,不限制技术人员思维和工作方式,即使高失败率也仍继续发展新机;有很大的灵活性,试验机的来源可以是快速研制、快速改造,灵活性还表现在时间周期可以短至 个月,也可以长到 年 。通过系列化的发展,系列在航空航
9、天领域诞生了多个世界第一,推动了全世界航空航天科技的进步和发展,有力保证了美国在世界上的领先地位。和 航电它机除了 系列先进技术验证机外,美国、俄罗斯、英国、法国等航空强国在型号研制过程中还建设了大量的它机试验机,成为飞机子系统研制的必经环节,美国仅爱德华兹空军基地就拥有 、等 多种雷达试验机 ,这些型号它机中对于机载任务系统而言最具代表性的是 和 航电它机。对于 和 这种先进战斗机,由于航电系统种类多、技术新、功能强、综合化程度高,为了降低试飞风险,提高试飞效率,美国在 、的研制过程中建设了多个航电试验机。(如图 所示)全程使用了波音 航电系统试飞验证平台(),对航电系统、设备进行了它机试飞
10、 ,待技术成熟、状态稳定后再移植到本机试飞。航电它机最典型特征是机头不仅安装了 的雷达,还在该机头上方安装了一对小型“鸭翼”,该试验机试飞内容占整个项目试飞内容的一半,对雷达、通讯导航和识别、电子战等进行了试飞。通过大量的试飞验证、排故和升级迭代,大幅降低了本机航电系统开发的技术风险,节省了项目经费,加快了研制周期 。图 航电试验机 在 战斗机研制过程中,洛 马公司将一架 飞机改装成 综合子系统技术验证机 ;诺 格公司将一架 飞机改装成 航电试验机 协同航电试验台(),对传感器航电系统进行验证、测试,软、硬件调整、调试 ;而波音则将一架波音 飞机改装成航空电子飞行实验室(),安装了雷达、电子战
11、、前视红外传感器、综合处理机和整套测试设备等 。通过这些它机的飞行试验,验证了 航电系统性能,发现了大量在实验室内无法发现的问题,减少了航电系统研制风险和费用。激光武器试验机建设必要性分析对于机载高能激光系统的工程应用,判断其成功与否的关键是能否实现激光能量的高效定向传输 ,涉及到 大方面,一是系能上机集成、二是能稳定出光、三是能定向传输到目标上、四是能与目标产生有效作用效果。目前美国等在陆基、舰基、车载激光武器方面都已有型号应用或试用中的背景下,机载高能激光武器仍无型号应用,关键问题之一是机载激光武器作战过程涉及多种因素难以解决,在这过程中,由于环境的巨大差异,当前科学认识和技术手段下,这些
12、问题仅靠仿真计算、实验室试验无法解决,必须通过大量真实环境下的飞行试验进行探索、验证、迭代,逐步促进技术的发展。大系统的耦合与优化需要通过真实飞行试验的方式去验证、调试。机载激光武器系统复杂、庞大,其集成不仅仅是一个把地面上或者其他平台上的激光武器系统移植到飞机上的问题,国防科大刘泽金的研究结果表明:激光武器研制面临的困难包括兆瓦级高光束质量光源难、远距离作战难、高效毁伤难、高效紧凑难、实战应用难 ,相应的设计准备要求功重比和功体比决定了系统的体积规模,为适应各类平台应用,应尽量压缩功重比和功体比 ,需要考虑一体化设计、平台环境适应性、可维护性等因素 ,热 机 电等多个系统的交联、耦合、优化,
13、需要通过飞行试验的方式进行验证。机载平台对跟瞄的影响研究需要真实飞行试验。激光武器毁伤机理是激光能量传输到目标上并在小范围内稳定一段时间,要实现能量的聚集投送,必须实现高精度 跟 瞄,保 证 出 光 的 稳 定性 。机载平台的振动和噪声、外部流场等严重激 光 与 红 外 杜梓冰等高能激光系统试验机建设关键技术研究影响了跟瞄精度,这些特性在不同的大气环境、不同飞行状态下是不同的,必须通过飞行试验的方式探索、验证,并针对性的设计减振措施,这个过程对于机载光电产品是漫长而反复的,需要通过大量飞行试验积累数据。机载激光武器要实现作战,还需要解决能量通过大气传输到目标上的问题。朱文越指出“高能 高功率激
14、光束在地球大气中传输时,除了衍射效应造成的激光束空间几何展宽之外,其他所有影响激光大气传输效果的主要因素均与大气参数密切相关”,由于大气环境复杂性、时变性,要摸清高能激光与大气的影响规律,必须通过大量的试验进行。国外典型机载激光武器试验机特点分析机载激光武器一般包括以高能激光器、高精度跟瞄发射、大功率热管理、作战管理等为一体的综合武器系统 ,其系统复杂、技术难度大,相比于其他武器装备而言发展更为缓慢,虽然美、前苏联、英、法、德、以色列等多国都在研究 ,但至今仍仅有美、前苏联、以色列成功建设了基于大型运输机、小型民机的激光武器试验机,开展了演示验证飞行试验,目前正在发展歼击机、直升机和无人机平台
15、的试验机。运输机平台在作战使用上,部分大飞机是预警机和加油机等高价值目标,本身易于被针对性攻击,需要一定的自卫能力;同时大飞机载重大,适合装载携带大体积激光 武 器 执 行 战 略 打 击、区 域 导 弹 防 御 等 任务 ;在试验机构建上,大飞机载重大、空间大、供电量大、易于改装、便于开展试验,因此美、前苏联等首先选择大飞机作为激光武器试验机,以便验证作战概念、关键技术。其中,年美国空军推出了机载激光实验室()项目,将 激光武器系统改装于 运输机上,安装于机身背部,光源等系统安装于舱内 。美国在 年推出了持续近 年的机载激光武器()项目(如图 所示),以波音 为载机进行颠覆性改装 。该试验机
16、主要建设特点是平台载重大、空间大、性能优,对改装和试验极为有利;试验机系统建设全面,各分系统庞大、性能优异,比如态势感知系统能对 范围内的目标进行探测跟踪,且作用距离和精度同时较优 ;对试验机的改装较为彻底、颠覆。在试验中遇到的主要问题的激光器与载机的兼容性、载机振动对激光束控制影响较大,抖动厉害 。图 试验机 美国空军 年启动的先进战术激光武器系统项目(),将百千瓦级功率的 激光器系统安装在 运输机上 。美国防部在 财年启动了一项指导性工作,在 空中炮艇机上集成激光武器的机载高能激光()计划 ,通过提供一个高精度、低附带损害、非动能打击的选择,对作战行动产生直接影响,补充原有打击系统,提高隐
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