空天飛機的應用與發展趨勢

1高超聲速飛行空天飛機是航空航天飛機的簡稱。顧名思義,它兼具航空和航天兩種平臺的功能,既可以像普通飛機一樣在大氣層內作高超聲速飛行,又能夠像火箭、衛星一樣進入太空,并能夠靈活地進行軌道機動飛行。目前,空天飛機還處于技術研究、驗證階段,但它指出了今后數十年內航空、航天技術向高度融合的方向發展,將是21世紀最先進、最經濟有效的航天運載工具,也是未來控制空間、爭奪制天權的首選武器裝備平臺。2飛機的性能特點空天飛機相對于目前使用的運載火箭、飛船和航天飛機,在重復使用、發射費用、機場水平起降能力、可維修性和周轉時間、靈活機動性等方面,都是革命性的進步,具有其它航天器無可比擬的性能和特點。2.1空天飛機的技術特點(1)推動大氣邊的區域發展空天飛機既要在大氣層內飛行,又要在大氣層外飛行,從起飛速度為零,到進入太空軌道時的超高速之間都能正常飛行,動力裝置是其最關鍵的技術,它既要有火箭發動機的功能,在大氣層外推進;又要有吸氣式發動機的功能,用于大氣層內推進。(2)發動機和車身是一體的為減小氣動阻力,空天飛機外形必須高度流線型,需要將發動機與機身進行融合設計,以構成流線型的整體外形。(3)身體結構與加熱系統的結合擯棄了傳統的冷結構設計,采用放熱結構與主體結構一體化的熱結構設計,并且針對不同的溫層采用不同的冷卻技術。(4)可重復使用像普通飛機一樣,空天飛機整個飛行器都可重復使用,除消耗推進劑外不拋棄任何部件。(5)快速飛行空天飛機在大氣層內的飛行速度12~25Ma,是現代高技術作戰飛機飛行速度的6~12倍。(6)這是水平未來的空天飛機可以在普通飛機跑道上起降,并且可以利用普通機場的地面設施和服務。2.2空天飛機的作戰特點(1)快速響應，全球各地空天飛機可在起飛后2h內到達全球任意一個地方,是遂行遠程奔襲作戰的首選利器。(2)陸海空天電智能化空天飛機既可以作為遠程戰斗機、遠程轟炸機、遠程運輸機,還可以作為航天運載器、空間軌道器(維修平臺、武器平臺、指揮平臺、偵察平臺等)使用,是可在陸海空天電全領域遂行作戰的全能明星。(3)自由攻擊，全球威脅空天飛機跨大氣層飛行的特點可以在不侵犯別國領空的前提下進行全球自由攻擊,具有很高的戰略威懾能力。(4)安全要求低，使用壽命靈活空天飛機僅需要普通機場的設施條件就可以迅速起飛和順利著陸,部署靈活,機動性強。(5)提高了空天飛機的生存能力空天飛機作戰效能的提高體現在:高空(一般高于20km)、高速(≥5Ma)、高隱身、長航時(在軌飛行時具有幾乎無限的滯空時間),這些都大大增強了空天飛機攻擊時的隱蔽性、突然性,同時又大大提高了自身的生存能力。3聯合式航空系統工程航空電子系統是從低級向高級逐步發展的,已經歷了4個發展階段:20世紀40~60年代的分立式航空電子系統,70~80年代的聯合式航空電子系統,80~90年代的綜合式航空電子系統,90年代中后期至今的高度綜合化、模塊化航空電子系統。當前,美、歐等先進國家正在大力發展各類戰術、戰區、戰略級的武器控制、指揮控制和態勢感知網絡系統,并加強對空中和空間的各類有人、無人超高空、超高速作戰平臺開發,未來的發展方向將是信息化、網絡化、智能化并適應空天一體化作戰的高度綜合化航空電子系統。3.1航電系統高度綜合化的發展趨勢高度綜合化航電系統的發展目標必然是更高程度的綜合。優化設計的具有獨立可升級能力的標準化模塊(包括軟件和硬件)、互連(包括物理互連和信息互連)和接口(包括硬件接口和軟件接口)估計仍應是未來更高程度綜合化航電系統的基本系統要求和結構特征,但它們建立的技術基礎可能已經完全不同了。當今社會,新材料、新工藝、新技術的發展是相當迅猛的,表面貼裝、多芯片封裝、超大模塊集成電路、超高速集成電路、片上系統、微電子機械系統、微波芯片、智能蒙皮、數字光纖傳輸、模擬光纖傳輸以及新一代的超高速網絡化互連與傳輸等眾多前沿技術的涌現和成熟,將為航電系統綜合化技術的繼續發展提供新的技術手段并帶來新的設計思想和方法。隨著第四代航電系統高度綜合化的實現,并隨著整個空軍戰場態勢感知能力的提高、衛星定位系統的完善、高速寬帶數據鏈的發展,取消作戰飛機上部分冗余的傳感器,轉向以“網絡為中心”進行傳感器優化配置,使機載航空電子系統能夠直接綜合機外傳送過來的戰場信息,一方面可以實現在“無線電靜默”的情況下隱蔽對敵攻擊,另一方面可以使航空電子系統得到“簡化”。綜合化的直觀成果是“小型化”,其內涵包括“更小、更輕、更節能、更可靠、更多功能、更好性能、簡化操作和便于維護、保障”等。3.2基于信息化技術的航空電子信息系統的發展航空電子系統的“信息化”指的是將當代電子信息技術(如目標獲取、識別、定位、制導、引導以及數據/信息融合等技術)的最新研究成果不斷地應用到航空電子系統之中,提高作戰飛機的信息搜集(例如采用各種先進的目標探測傳感器)、信息傳輸(例如采用高速數據總線和數據鏈)、信息處理(例如采用綜合核心處理器)和信息應用(例如采用座艙綜合顯示系統)等能力,使實現綜合化以后的航空電子信息系統的整體作戰效能能夠得到充分的發揮。這種“信息化”的概念已經在第四代航空電子系統中得到了應用,但是,根據未來“以網絡為中心”作戰的要求,航空電子系統的信息化水平仍需作進一步的強化,特別是在信息的高速傳輸(例如機載數據總線、機載數據鏈等)和合理應用等方面。航空電子系統的另一發展方向是信息系統要實現自動化、智能化,要充分運用人工智能技術,特別是專家系統,使航空電子設備和系統具有模擬人類智能啟發式推理、判斷的能力,從而進一步提高設備、系統的性能以及管理、調度、規劃、決策的有效性,并能減輕駕駛員負擔。3.3提升網絡對能力航空電子系統的“網絡化”是為了滿足未來“網絡中心戰”的需要而對現役和在研飛機航空電子系統進行改造的一種措施,它指的是利用系統中的有關設備(例如數據鏈、網關、各類接口、協議等設備),實現飛機平臺與作戰空間戰場信息網絡的有機連接,以更大的范圍、更高的效率共享作戰空間內各參戰平臺的硬件資源和信息資源,以此大幅度提升作戰飛機的戰場態勢感知能力、指揮控制能力、目標打擊能力、作戰協同能力以及平臺生存能力等,使每一飛機在遂行“以網絡為中心”的作戰中發揮出更強的體系對抗能力。航空電子系統實現“網絡化”以后,飛行員不僅可以綜合利用本機傳感器得到的信息,綜合利用協同作戰,包括無人機、預警機、電子偵察機、臨近空間浮空器、空天飛機等得到的目標及各種威脅信息,而且還可以綜合戰場信息網來的敵我信息,以獲取全面戰場態勢感知,實施對空中、地面、臨近空間和低軌道固定與活動目標的防區外、超視距、多目標、精確打擊,甚至是“靜默”的遠距攻擊。這種“網絡化”是航空電子系統為滿足從“以平臺為中心”的作戰樣式轉變到“以網絡為中心”的作戰樣式需要的一種重要措施,是航空電子系統更高意義上的“綜合化”和“信息化”,是“四代”后航空電子系統發展的一個新的重要趨勢。4空天飛機綜合電子信息系統的總結4.1空天飛機綜合電子信息系統本文論述的“空天飛機綜合電子信息系統”,是空天飛機航空電子系統的一個重要組成部分,主要由機載無線電傳感器(包括導航、識別、雷達和電子戰等)、光電傳感器(包括電視、紅外和激光傳感器等)、信息傳輸設備(包括通信設備、數據鏈設備和機載數據總線等)、信號、信息處理設備(如綜合核心處理器)和各種顯示器等多方面設備組成。空天飛機綜合電子信息系統是空天飛機為具備與外界進行信息獲取、傳輸、處理和應用能力而裝備的一體化多功能平臺電子信息系統,具有兩大基本系統功能:一方面為空天飛機的航行安全提供基本的測控、通信、導航、識別和控制等電子支援保障功能,另一方面為空天飛機遂行作戰任務提供情報、監視、偵察、電子自衛、電子攻擊以及指揮、控制和協同等任務電子系統功能。空天飛機綜合電子信息系統是空天飛機借以感知、溝通、應用外界信息的重要系統,是空天飛機保障自身“飛行安全”和“作戰安全”以及建立“信息優勢”、“決策優勢”的信息化核心裝備,其技術水平的優劣將直接決定空天飛機的作戰性能。未來空天飛機的綜合電子信息系統將是充分支持信息化、網絡化、一體化作戰的高度綜合化、智能化的航空電子系統,系統的各功能區將廣泛采用開放式結構與標準化的軟、硬件接口與邏輯接口,以進一步提高系統的可用性、保障性、可升級性和可負擔性,統一的結構和接口標準還可以適用于多種航空航天平臺。4.2空天飛機綜合電子信息系統組成空天飛機綜合電子信息系統采用高度綜合化設計,其基本的設計思想是在一體化設計的公共資源平臺上動態裝配、運行任務,系統通過面向軟、硬件模塊資源的一體化控制管理,實現多傳感器功能的高效協同和信息的融合處理,基本的設計原則是在模塊化、通用化和標準化的基礎上實現綜合化和開放性。空天飛機綜合電子信息系統以未來空天飛機的頂層概念設計為指導,緊密圍繞空天飛機及其平臺電子系統面臨的作戰環境、作戰對象和作戰任務展開,采取基于模型驅動的快速原型系統開發與驗證技術,規劃系統的功能配置和資源配置,確定系統的戰術、技術性能,定義系統的體系結構,明確系統的運行模式,建立任務需求與系統實現的反饋迭代模型,進行虛擬、半實物和實物的模擬和驗證。利用先進的數字化集成設計、仿真、驗證平臺快速解決任務需求與系統可實現性、系統設計和系統優化、系統實現與系統驗證及效能評估等一系列系統頂層設計難點,最終全面滿足用戶需求。空天飛機綜合電子信息系統的高度綜合集成將具有以下特點:(1)自頂向下設計,分層綜合集成。采用的軟硬件開放式體系架構,標準接口和服務規范,架構處理層次界面劃分清楚;(2)資源分區,面向模塊進行通用化、標準化設計。劃分并建立相應資源區(天線、射頻、信號、信息、總線)IPT團隊,利用專業化優勢進行相應資源區的模塊化、標準化、通用化設計,模塊化系統結構有利于系統快速原型的建立與驗證;(3)功能分區,面向功能線程進行功能軟件化設計。依據軟件無線電思想,各傳感器功能實現的軟、硬件分離設計,硬件資源平臺化,基礎軟件標準化,任務功能軟件化,這種功能分區的綜合集成模式可以使硬件承制單位、基礎軟件開發單位和任務功能承研單位都專注于各自擅長的專業領域,有利于降低后期集成的風險,代價是需要更精細的管理和前期更細致的技術協調、接口標準化設計;(4)接口標準化、互連高速化、總線化。高速與簡潔的互連關系使系統內部的各種信息可以得到充分共享,簡化系統結構,接口的標準化設計與修改更容易,系統更靈活,功能更強大,綜合與集成也就更快捷,大大降低系統研制風險;(5)面向人機工效,系統操控智能化。在計算機、人工智能等技術的支持下,大力發展信息化、網絡化的數據融合、圖像融合與自動目標識別,智能化多平臺軌跡規劃與控制,通信與生存對抗規劃與控制、傳感器管理與控制,武器攻擊規劃與控制,網絡化協同作戰輔助決策與控制,以及基于共形天線的智能蒙皮等技術,使空天飛機綜合電子信息系統在廣度和深度上全面應用各類人工智能技術,以適應未來信息化作戰環境,提高作戰任務的有效性,改善系統的生存性、完好性和維護性;(6)電磁隱身綜合。隱身是當代先進軍機的基本特征之一,未來空天飛機將更加強調將各種隱身能力進行體系化和綜合一體化。隱身技術正在向“全空域、全頻段、多功能、智能化、綜合化”方向快速發展,隱身結構與隱身材料與飛機總體設計的一體化綜合、傳感器及其隱身能力(隱身探測、隱身對抗、隱身攻擊、隱身通信等)的一體化綜合、傳感器功能與火控功能的的一體化綜合、多傳感器信息融合及其傳感器一體化管理(包括時域、空域、能量域和模式控制等隱身特性管理)等都是非常重要并尚待深入研究的課題;(7)自主式保障體系。空天飛機在設計、生產和使用中應用實時和遠程故障診斷技術,將以前的飛機落地開始維修發展為空中檢測、診斷、預測、預報,地面遠程診斷,地面準備,飛機著陸后快速恢復、診斷、維修、后勤保障一體化,對提高飛機的戰斗力、減少壽命周期成本、保障飛機的飛行安全起到很好的作用。5中國未來航空系統綜合電子信息系統的目標和建議5.1高速高效系統能力以空天飛機平臺為基礎形成的高度綜合化電子信息系統,包括高度綜合化的射頻/光學孔徑、基于射頻數字化的高度綜合數字處理技術、基于統一航電網絡互連的智能化、分布式信息處理技術以及高度綜合一體化的系統控制與管理技術等,實現系統結構開放化、系統組成模塊化、系統互連網絡化、系統功能軟件化、系統應用智能化;在開放式體系結構的支持下,形成系列化的、成熟的通用模塊產品,可以靈活地在不同平臺上應用。在未來“信息化、網絡化、一體化”的作戰體系架構下,大幅提升空天飛機綜合電子信息系統的能力,全面滿足“網絡中心戰”的作戰要求;建成數字化的設計研發中心,完成由經驗設計到預測設計、從獨立產品研制到高度綜合化產品研制的轉變,實現系統設計開發能力的躍升;建成一體化集成測試驗證平臺,完成由靜態集成到動態逼真集成、由內場桌面聯試到外場無線試驗、由實體驗證到實體加模擬驗證相結合轉變,實現試驗驗證能力的躍升;建成綜合保障平臺,完成從獨立設備保障到系統綜合化保障、從數據離線保障到產品數據實時保障的轉變,實現綜合保障能力的躍升;建成信息化管理平臺,完成從串行研發到并行研發模式、從異地離線協同到異地在線協同設計轉變,實現項目管理能力的躍升。5.2關于發展的建議(1)空天作戰平臺電子信息系統的發展現狀為使我國航空電子信息系統達到“綜合化”世界先進水平,未來則必須從信息化戰略空軍的要求出發,隨著空天作戰平臺種類不斷豐富,包括大型運輸機、遠程轟炸機、無人作戰飛機、空天作戰飛機等,相關平臺電子信息系統在應用發展“綜合化”的同時,進一步實現“網絡化”、“智能化”。(2)新技術研發相關單位應進一步深入研究空天平臺及其電子信息系統任務需求、作戰應用、產品發展路線以及技術發展趨勢,前瞻性地開展平臺電子信息系統領域新體制、新概念及新理論等新技術研究,引導用戶需求和技術發展方向。(3)相應協作、協作關系的調整需求牽引,技術推動,航空電子系統的發展歷程,綜合化始終是一條主線,每一代新的航空電子系統的誕生,都會