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从E-2说起:让雷达更适合飞机平台

2022-06-24 09:28 中国航空新闻网 看航空 专栏

作为“云上中军帐”,预警机已经成为全球许多国家和地区空中力量的重要组成部分。

预警机是特种飞机的一种,具备预警、指挥、电子战、空中管制等功能,能够有效提升战场感知能力,已经成为公认的战力倍增器。

从二战末期至今,预警机已经发展了近80年。在其发展历程中,全球几乎所有预警机型号的研发工作,都会牵涉到飞机平台与机载雷达系统这两个重要体系的相互配合。

E-2C预警机

特种飞机平台包括专用平台和通用平台,前者如E-2系列预警机,机体是为此型预警机专门研发;后者如波音737等,是基于现有飞机平台,适配相关的特种装备研发而来。

但无论是专用平台还是通用平台,纵观全球多款获得业界好评的预警机,都是由飞机研制单位牵头主抓,以机体平台为主线,选择符合研制要求的机载雷达和航电系统,通过机载系统和飞机平台的一体化定制,来实现设计的最优化。

在机体平台的全寿命周期中,机载雷达系统会随着科技的进步而不断升级,以适应不同时期、不同用户的要求。贯穿其中的工作,也离不开飞机平台与机载雷达系统二者间良好的配合与平衡。

因此,在预警机研制过程中,主承制商一般都是飞机设计制造商。也只有飞机制造商,才能协调包括机载雷达供应商在内的各系统供应商,整合资源,最终成就一款优秀的预警机。

E-2预警机行销全球。

而在一度行销全球的E-2系列预警机身上,这些特征就体现得淋漓尽致。

飞机与预警装备一体化设计

E-2系列预警机的设计工作始于1956年。当时,美海军要求诺思罗普·格鲁门公司为其专门研制一种能够在航母甲板部署,并能够最大化发挥探测能力的舰载预警机。

为了满足这一需求,作为主承包商的诺格公司在综合考虑当时机载雷达系统与舰载机平台的指标和设计边界后,设计出了E-2系列预警机。

首次进行着舰试验的E-2A预警机。

E-2预警机使用专门设计的机体平台,在整体设计上,诺格公司综合考虑了航母平台的部署要求、雷达系统的设计参数、机组分工与组成等因素,对E-2的布局、重量、稳定性甚至是飞行姿态等方面都进行了一体化的设计。

作为舰载预警机,E-2的重量和尺寸首先受到航母平台的制约。毕竟弹射器和拦阻系统都只能支持有限吨位的飞机起降,而机库、升降机,又对飞机的长宽高有着严格的限制。这些因素首先决定了E-2平台的大致重量和吨位,继而又决定了机舱外能安装多大尺寸与重量的雷达,机舱内可以携带多少个工作站和对应的人员。

E-2D,舰载预警机的设计受到航母部署的严格约束。

作为预警机最重要的特种装备,机载雷达系统自然也要在此框架内进行选择与适配。

E-2系列的空重,根据型号不同,大致在14.1(A型)~19.6(D型)吨左右,最大起飞重量不超过24.9(A型)~26.1(D型)吨。

在这样的最大起飞重量之下,E-2机体能留给雷达的重量裕度非常少,探测距离又要尽量的大;因此E-2采用的雷达系统选择了尽可能大的天线直径,在天线结构和波段上都做了较大的让步。

E-2的天线罩直径达到了7.32米,与翼展(24.56米)形成了1:3.6的比例。如果仅仅考虑甲板运作,E-2的天线尺寸相比8.94米的折叠后翼展长度,其实还有加大的余地。但雷达罩继续加大必将带来气动外形和重量、重心的变化,这些因素都不可避免要破坏飞机的操纵性和稳定性。

综合来说,7.32米已非常逼近飞行安全上可接受的极限。也因此,E-2在使用中有非常严格的迎角限制,飞行姿态采用了极其罕见的机头下倾姿态。

颇费脑筋的专用平台设计

在实现航母部署这一要求之外,为了实现预警功能的最大化,诺格公司也在飞机平台的设计和开发上颇费脑筋。

除了重量调整、局部结构加强、液压供气供电、电磁兼容测试等常规改装项目之外,E-2在载机平台上的针对性设计,主要体现在尾翼上。

E-2预警机采取了罕见的4垂尾设计。

为了避免雷达罩的尾流对尾翼形成干扰,以及尾翼对雷达波的发射方向形成遮挡,同时尽量利于雷达系统工作,E-2采用了特殊的4垂尾设计,以减小垂尾高度的同时,保证足够的垂尾面积。

同时,E-2的垂尾还尽可能多地采用了透波的玻璃钢材料,并在3个方向舵上使用了复杂的双转轴设计——这使得E-2在转弯的时候能够更好地保持机身水平,有利于雷达探测。

飞机全寿命周期内不断迭代更新

设计经典的机体平台往往可以服役几十年甚至半世纪,但机载雷达和航电等系统的进步则日新月异。也因此,一款好的预警机产品,往往是在稳定的机体平台之上,不断升级机载雷达系统,达成系列化发展这一目标。

E-2系列预警机也不例外。

早期的E-2A/B型雷达都采用了抛物面天线,而其后发展的E-2C型则采用了工作波长更长(0.68~0.75米)的八木天线。八木天线质量约772千克,带整个雷达罩的重量只有2吨。

目前最新型的E-2D,雷达天线主要结构依然是基于八木的增强设计。

此外,限于尺寸,E-2预警机在探测精度、可靠性、应对复杂地形环境等重要能力上都显著弱于同期的E-3等机型——只有技术进步才能够实现机载雷达系统在体积、重量和准度等方面的跨越式提升。

直到1992年,E-2C在装备了AN/APS-145雷达后才实现了脉冲多普勒功能,具备对复杂地形环境的可靠下视探测能力。

E-2C预警机。

首飞于1960年的E-2飞机至今依然在服役。这些年来,当初诺格公司所设计的机体平台基本设计从未改变,而机载雷达系统已经经历了四次大换代了——通过不断地更新设备,E-2D至今依然堪称全球最先进的小型预警机,在舰载预警机领域更是无可取代的角色。

E-2D预警机。

未来预警系统新趋势

在E-2设计之初,正常情况下除了正副两名驾驶员以外,E-2只能携带三台工作站和对应的任务操作员,分别负责雷达操作、空中管制和作战指挥。这样有限的设备和人员数量也大大限制了E-2的任务处理能力,尤其是复杂的指挥控制任务。

E-2A/B机舱内。

为了减轻重量和阻力,E-2机身直径小,工作人员的活动范围非常狭窄,机舱内的强烈噪声和振动,也未被施以的抑制措施。

这样较为恶劣的工作环境也导致E-2的机组人员在数小时飞行后就会疲惫不堪,执行任务的能力显著下降。因此E-2系列在执行连续任务时,通常单架飞机配备2~3个机组,以便进行轮班飞行。

而机组工作的有效时间,也反过来影响到了E-2的改进空间。

由于E-2吨位不大,航程和滞空时间(距航母320千米处为4.4小时)都比较有限,但美海军在很长时间内都没有考虑给E-2添加空中加油能力,原因很大就在这里:更长的单次飞行时间,虽然飞机能撑得住,但执行任务的机组人员已经撑不住了。

E-2C机舱内。

后期美海军在为E-2D添加空中加油能力的时候,一个考察与试验的重点就是其机组人员能不能坚持8.5~9小时的飞行时间。

此外,随着雷达和电子科技的不断进步,E-2系列飞机的操作员也实现了扩充——特别是,这种扩充不仅仅是在机舱内。

E-2后期的重要改进之一,就是利用电子设备的进步,通过玻璃化座舱和高速数据链,让一名驾驶员充当第四名操作员。

同时,航母地面人员在后方进行远程操作,充当第五、第六,甚至第七任务操作员。

E-2D配备AN/APY-9雷达,座舱也改进为玻璃座舱。

这样的变化或许昭示着一种趋势:未来,基于电子技术的发展,远程化、智能化甚至无人化的预警机,将成为未来空中预警系统的重要组成部分,而任务操作员不在预警机上只是一个开端。

近些年来,尤其是20世纪90年代之后,新的中小型预警机不断出现,E-2的卖方优势已经被极大地削弱了,早期的热销景象已经难以再现。

现在,全球多个国家都在发展自己的舰载预警机项目。可以预见的是,E-2在研制中遭遇的问题,这些后起的项目或多或少都不能避免;但E-2的研制中,在机载雷达系统与飞机平台间所达成的微妙平衡,也为后起项目提供了宝贵的经验。

责任编辑:王慧