欢庆十一：预警机总体构型设计（一）
十一漫漫长假，
大家是不是早早准备好，
为祖国母亲生日献礼了呢？
小编还在这里，
陪你一起慢慢读一个关于预警机的
长篇连载故事。
来吧，走起！
今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家陈竹梅，陕西飞机工业公司欧阳绍修。本篇连载自论文《预警机总体构型设计综述》，发表于《中国电子科学研究院学报》第11卷第2期。下面和小编一起开始学习吧~
概念与内涵
空中预警指挥控制系统（AWACS）已经发展成为兼备监视、跟踪、指挥、控制功能的完善系统，成为C4ISR系统的重要一环，具有迅速获得有关战场态势并据此作出正确决策的不可缺少的关键系统。预警机作为一种重要的信息化武器装备，集成了越来越多的传感器天线和多功能电子设备，是由“任务系统”和“载机平台”组成的复杂装备系统。
所谓“任务系统”（mission system），是用于完成特定使命与任务的电子装备系统，是用以执行预警探测、指挥控制、战场侦察、通信中继及自卫干扰等作战任务的各种机载光电子信息系统的集合。从功能上来说，任务系统是预警探测、指挥控制、战场侦察、综合通信、电子对抗、火力控制、搜潜攻潜等单个能力或多个能力的综合。搭载任务系统的飞机，称为“载机平台”（aircraft platform），作为执行任务的飞行平台兼顾任务系统的结构安装平台，并为满足任务系统正常工作所提供所需的供电、液冷、液压、环控等任务支持系统（mission support system）。因此，从飞机装载能力的角度来说，任务系统也可以被理解为有效任务载荷。
在预警机顶层设计时，如何将任务系统与载机平台更好地结合起来，尽可能达到或改善装备的整体功能性能，这是预警机总体设计的一个很艰难的问题，当然，其它具有特殊作战功能的特种机，也一样面临这个问题。这个问题的实质是要将电子、航空两个复杂大系统统一协调设计为一个复杂系统的过程，尤其是涉及到任务系统在载机上的安装，就需要研究设计怎样的构型来满足任务系统功能性能要求而又不至于影响载机性能。对比分析预警机这个综合功能、性能和物理设计的过程，这与航天器系统构型设计具有极大的相似性，均是以“复杂系统的整体”为研究对象而进行的构造设计。当然，也有专家从飞机气动设计的角度，提出了特种机“基本的总体—气动构型”概念。综合上述理念，我们可以将这个涵盖电子航空两大领域的综合协调设计活动统称为“总体构型设计”。
本文期望将“预警机总体构型设计”作为一个整体设计概念提出，目的是想将这种统一协调的设计过程作为一个设计对象本身，研究预警机总体构型设计所应该考虑到的各种设计要素，探讨如何进行均衡性设计以期得到一种系统全局性的设计效益。当然，这个总体构型设计思想与方法同样适用于其它具有特殊作战功能的特种机，仅仅是设计要求和难度不同而已。
1.世界预警机总体构型发展概况
早期预警机主要服役于20世纪40年代中至60年代初，从雷达安装方式来看，均受到载机空间约束和有效载荷限制，从而采用了“鼓包式”的总体构型，其显著特点是任务载荷较小、装载雷达天线口径较小以及对低空目标探测能力不足。
面对信息战场纵深和快速变化，预警机呈现出了功能多样的特点，包括作战探测距离越来越远、功能越来越多、装载的任务载荷重量越来越重、天线尺寸越来越大等技术特点，为了适应这些大尺寸天线和功能繁多电子设备的安装要求，加之载机平台从螺旋桨飞机发展到喷气式飞机所能提供的装载能力越来越大，总体构型已由传统“鼓包式”构型发展为机身“背负式旋罩”的总体构型。
随着预警机载机平台从大型军用运输机或客机向支线飞机和公务飞机拓展，这一类预警机主要采用了“背鳍式”总体构型。相控阵技术与航空技术的高速发展，也使共形技术也逐步成为研究热点，提出的“共形阵”企图将任务天线与飞机外形进行完美结合，正逐步成为一种新形态的总体构型设计技术。
1.1 预警机总体构型基本分类
在研究世界上现役等多型预警机和特种机的装备发展及其各类总体构型特点的基础上，有专家认为特种机的“基本的总体—气动构型”可分为四个大类：裸露型、鼓包式、背负式、悬挂式。这四种构型形式的分类，主要是从载机平台改装设计的气动布局特点来进行划分的。
由于预警机特殊的作战功能要求，要求预警机具备强大的功能和性能，对任务系统的组成规模和复杂程度的需求也远远超过了一般特种机的要求。因此，预警机总体构型设计相比一般特种机构型设计而言相对复杂，需要综合考虑相关因素以及需要综合设计的要素，也是比较多的。
本文从预警机总体构型的结构外形与载机外形之间的匹配度出发，综合考虑任务系统载荷特点、任务系统电子设备的加装、载机平台改装等要求，分析现役各类预警机总体构型设计思想，拟将这些形式多样的总体构型划分为四类：
a) “裸露型”构型；
b) “悬挂式”构型；
c) “共形式”构型（说明：考虑“鼓包式”和“共形式”设计理念的出发点十分相似，仅仅因为装备作战功能以及技术发展支持不同而带来设计效果不太一样，因此，将传统的“鼓包式”构型划入了“共形式”构型）；
d) “背负式”构型。
1.2 “裸露型”构型
所谓“裸露型”构型，是指将天线裸露安装在飞机机体表面上，直接暴露于大气中，不需要进行专门整流。这种构型通常被应用到一般飞机、预警机、特种机的小载荷天线系统构型设计中。这些天线载荷相对较轻、天线尺寸较小，几乎不会对飞机外形造成改变，对飞机改装设计带来的难度不大。
在预警机总体构型设计中，这种“裸露型”构型设计也经常性被采用，通常被称为“机身天线”，任务系统机身天线一般包括通信、识别、数据链等传感器天线，通常会采用钢索天线、刀形天线等结构形式。“裸露型”构型也适用于飞机航电系统，一般包括通信、告警、导航等航电传感器天线。综合来看，“裸露型”构型适用于小载荷任务天线，对功能较少或性能较低的特种机适用；对于功能强大的预警机，这种构型仅仅是需要采用的构型之一，还需要与其它构型进行综合与协调。
图 1 “裸露型”构型
1.3 “悬挂式”构型
为了避免机身对雷达天线性能的影响，一些预警机或特种机采用了在机身外部加装“悬挂的天线”，一般在飞机机腹、机身左右侧等部位安装悬挂式天线罩体，也就是常役装备较多采用的在飞机机腹下加装“吊舱”的结构形式，在“吊舱”内加装所需任务系统天线或设备。
这种“悬挂式”构型设计的设计思想十分朴素，设计目的就是在机身外部直接“加装”外部天线，同时又尽可能满足载机气动性能要求。其显著特点是加装的悬挂式罩体尺寸不会太大，不会引起飞机气动特性带来较大的变化，从飞机改装的角度看，这种构型的好处是方法直接，且不会对飞机本体结构改装带来较大的设计难度或工作量。
但由于所加装的悬挂式结构受到载机平台的直接约束，因此所能装载的任务载荷相对较小，例如一些光电、成像雷达等天线系统，均采用了这种总体构型设计。采用“悬挂式”构型的装备主要有Seaking AEW.2预警直升机（现役）、SH-3/SH.9预警直升机（现役）、EH101 Mk112预警直升机（现役）、Ka-29/Ka-31系列预警直升机（现役）。警戒直升机考虑到飞机外形和载荷的限制，一般采用“悬挂式”构型将天线悬挂在机身外，并结合应用了升降装置，在执行任务时将天线放下，不执行任务时将天线向后或向上收起。
图 2 “悬挂式”构型
1.4 “共形式”构型
将任务系统各类传感器天线直接安装在飞机机体靠近表面的部位，并且采取一定的外形保证措施，使得任务系统天线布局安装与飞机机身外形协调一致。这种构型设计思想实质就是企图采用与机身外形协调一致，争取达到“外形共形”或“外形可能共形”的目的。
“共形式”构型在早期主要受限于飞机平台能力，从“尽可能不对飞机气动外形造成大的改变”这样的主导思想出发，形成了比较流行的“鼓包式”构型，可以说，“鼓包式”构型是一种相对粗犷的“共形”构型原型，因此可以划分到“共形式”构型大类别中，只不过不是真正意义的外形共形而已，最多仅仅属于“准共形”或“疑似共形”，其显著特点是与机身外形协调设计，尽可能减少对载机平台气动特性的降低或损失。进一步地，建议的“共形式”构型可划分为：
a) “鼓包式”构型；
b) “准共形式”构型；
c) “共形式”构型（即“完全共形”）。
1.4.1 “鼓包式”构型
世界早期预警机常采用“鼓包式”构型，在载机平台已知的限制条件下对载机平台进行“鼓包式”改装设计，以满足任务天线的功能性能，同时尽可能不对飞机基本外形特征造成大的改变，不至于对飞机气动特性造成过多改变、或对飞行性能造成过大影响、或对载荷造成过多负担。通常将天线直接安装在飞机机体靠近表面机头、机尾、机腹的部位，形成多个“鼓包”或较大的“鼓包”。这种构型适用于一般飞机、预警机、特种机，“鼓包式”构型的天线一般包括预警雷达天线、卫星通信天线、电子侦察天线、合成孔径雷达天线、载机气象雷达天线等，均在考虑天线阵口径、天线系统载荷以及加装“鼓包”后对飞机气动特性影响等要素基础上，进行综合设计后形成的一种“鼓包式”构型。
“鼓包式”构型曾一度是世界早期预警机的主流构型，在很长时期内适应了载机平台为装载的任务系统功能性能不断增强的发展需求，同时也是警戒、反潜、巡逻、侦察等特种机的经典构型形式。世界上采用“鼓包式”构型的特种机主要有：TBM-3W预警机（退役）、PB-1W预警机（退役）、AF-2W预警机（退役）、AD系列预警机（退役）、WV-2/EC-121预警机（退役）、Gannet AEW.3预警机（退役）、Nimrod AEW预警机（取消）、Defender预警机（退役），一定程度上适应了既定作战功能和任务载荷装载的需求。
图 3 “鼓包”式构型
“鼓包式”构型的显著特点是：既能够基本满足任务天线特定功能性能，又能基本维持飞机外形不受到较大改变，降低了研制风险。这一类构型设计通常将传感器天线直接安装在飞机机体靠近表面部位，如机头、机尾或机腹，形成的鼓包虽然会影响飞机局部外形但能够基本维持飞机流线外形，对飞机气动和安全性的影响可以被控制在较低的范围。但是，由于载机平台只能提供有限的结构空间，并且也存在机身遮挡等限制，所以很难实现全方位扫描性能，一般被应用在卫星通信天线、电子侦察天线、合成孔径雷达天线、探测性能要求不高的特种机任务天线、以及预警机一部分任务天线构型设计中。
1.4.2 “准共形式”构型
世界上已经出现了一些可以称为“准共形式”构型的预警机，其本意是采用“外形共形”设计思想，使预警机任务天线本身就完全符合飞机机身外形。但是到目前为止，尚未出现真正意义上的共形天线，尽管对飞机外形改变较小，但是还是能从飞机机身上明显分辨出雷达天线的。所以，虽然号称“共形”或“准共形”，但是实际上与“鼓包”式构型没有本质上的区别，只是相比传统的“鼓包”式来说，任务天线外形更逼近飞机外形结构，对飞机气动特性影响更小，从外观来看更具有隐蔽性。因此，将其划分为“准共形”构型，可能更能符合其所表现的技术特点和共形技术发展趋势。
这种“准共形式”构型的显著特点是：任务天线一般采用相控阵体制的天线阵，依附安装在机身表面，以期尽可能地减少对飞机气动外形的影响，一些小型和轻型预警机或特种机受载机平台载荷能力的限制，也会采用这种小鼓包的“准共形式”构型。
目前部分在役预警机采用了这种“准共形式”构型，典型的有G550预警机（在役）和“费尔康”（Phalcon，又称“秃鹰”）预警机（在役）。“准共形式”构型适应了相控阵技术发展，使任务系统具备了更加强大作战能力。以色列埃尔塔公司研制的“费尔康”预警机，采用了飞机外皮与天线融合一体的共形技术，分别在机头、机身两侧和后部加装6部相控阵天线，实现了360º全方位覆盖，探测距离达到670km（大型高空目标）、445km（中型目标）、370km（空中小目标）、180km（直升机），可搭载17名任务操作员。
图 4 “准共形”构型
1.4.3 “共形式”构型
随着电子技术的高度发展，特别是相控阵技术、数字技术、微系统技术发展，预警机功能越来越强大、探测距离越来越远，要求加装的任务天线数量越来越多、天线口径也越来越大，为了尽量降低加装任务天线对飞机外形造成的影响或者局部影响，开始出现了一种比较大胆的创新设计想法：能否有一种构型设计可以将任务天线直接贴到机身表面，实现天线罩与机身外形做到真正意义的“完全共形”设计？“完全共形”的设计思想旨在不改变机身外形的前提下，依托机身外表附加任务天线，使任务天线完全符合飞机机身外形，或者反过来说，使得飞机机身外形完全符合任务天线的 功能性能要求。
但到目前为止，由于受电子技术和航空技术的制约，真正意义“完全共形”技术尚未成熟，现役或在研预警机并未实现真正意义的“共形式”构型。国外从20世纪90年代起开始进行相关研究，先后进行过“灵巧蒙皮”、“SensorCraft”、“Endfire”等相关研究，国内也有开展“瓦片天线”、“传感器飞机”相关研究，但由于航空电子两个跨行业所涉及的交叉学科尚存在一些理论空白和协同设计方法上的不完善，要真正实现“完全共形”还有相当的距离。
目前正在随着电子技术和航空技术的发展，各国也开展了一些新的研究计划，逐步成为未来的一个主流研究方向。与此同时，无人机技术发展使其有效载荷逐步增加成为可能，因此以无人机为平台的预警机也是发展的一个方向。
（未完待续）
本文发表于《中国电子科学研究院学报》第11卷第2期，版权归学报所有，阅读全文请联系我们。
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