十一连载：预警机总体构型设计（二）
十一长假的第二天，
听说有朋友终于成功穿过了
人山人海和拥挤车流，
回到了一个
没有网络，没有信号的大农村
小编表示小心动，
什么时候带上我呀~
不带？
那就开预警机来找你！
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~
1.5“背负式”构型
由于预警机越来越多的作战功能以及越来越高的作战性能要求，这要求任务系统的设备体积越来越大、天线尺寸越来越大、任务系统组成越来越复杂、任务载荷越来越重，以及相应的任务载荷适应性要求越来越高。因此，“基于载机平台进行局部改装”的设计已经不能满足任务系统的装机要求，需要在机身外部进行增装或加装“突出式”结构罩体，以满足任务天线和任务载荷的安装要求。
这种构型设计的设计思想发生了显著的转变：传统设计是研究“将雷达如何安装到飞机上”，这种设计理念的实质是“以载机平台安全性为中心的适装性设计”，由于这种设计已经不能够满足预警机作战功能性能不断提高的要求，因此需要研究“以任务系统功能性能为中心、且兼顾载机平台气动特性”的改装设计。“突出式罩体”构型形式正是在这种改装设计理念下，综合了任务系统整体功能性能与载机平台气动特性、并使其尽可能均衡，是一种较为彻底的总体构型设计方法。
这种总体构型实际上是采用一种“突出机身结构的罩体”的方式，通过加装突出的独立于机身外部的罩体结构，来满足任务系统天线口径要求及其任务载荷的加装与改装。现役预警机常用的“背鳍式”、“背负式”、“悬挂式”，应该都属于“突出式罩体”的构型形式类别，可纳入一个范畴考虑。当然，也可以按突出结构罩体在机身的部位、突出结构罩体的形状、以及罩体的支撑结构（比如单支架、双支架、三支架、四支架等）来进行定义和区分。基于对当今现役预警机总体构型的研制经验和理念认识，这一类总体构型一般可按突出的罩体主体结构形式来进行分类：
a)“背鳍式”构型；
b)“背负式圆盘罩”构型，一般包括旋转式和固定式；
c)“背负式固定式轴对称罩”构型，由于是非中心对称，因此一般也被称“异形罩”构型。
1.5.1“背鳍式”构型
“背鳍式”构型是世界预警机总体构型发展的另一个主要技术路线，比较经典的是S100B“百眼巨人”（Argus）、EMB145SA预警机和E-737“楔尾”（Wedgetail）预警机。
图 5“背鳍式”构型
“背鳍式”构型一般采用了在机身上部加装“平衡木”形状、“帽状”形状的罩体结构，来实现较大尺寸任务天线的安装，大口径结构尺寸同时适应了相控阵技术的发展需要，但对飞机气动特性会带来较大变化，飞机的改装设计因此逐渐变得复杂。不过，由于这种构型在很长一定时期内，可以较好地服务预警机作战功能性能不断增加的需求，所以也较快促成了预警机装备的系列化发展态势。
1.5.2“背负式圆盘罩”构型
为了适应预警机作战功能性能不断增强的发展需要，预警机被要求“看得更远”，这直接要求了任务系统雷达天线口径必须足够大。“背负式圆盘罩”构型由于圆盘形状的天线罩容易形成以对称轴线为中心旋成体，特别适用于机械扫描体制天线的安装要求，同时由于360°旋转不至于过大影响飞机气动特性，其外形结构简单，因此，这种总体构型设计被广泛应用，技术也相对成熟。
由于“背负式圆盘罩”构型同时适用于旋转式圆盘罩和固定式圆盘罩两种，顾名思义可分为：
a) 背负式圆盘旋罩构型，一般直接称为“背负式旋罩”构型；
b) 背负式圆盘固定罩构型，一般直接称为“背负式圆盘罩”构型。
“背负式旋罩”构型是目前国际上大多数预警机经常使用的经典构型，具有典型代表的是：美国E-2“鹰眼”（Hawkeye）系列预警机（在役）、E-3“望楼”（Sentry）系列预警机（在役）、波音E-767预警机（在役），俄罗斯Tu-126预警机（退役）、An-71预警机（取消）、Yak-44预警机（取消）、A-50预警机（在役）、以色列C295预警机（在研），以及中国出口型ZDK03预警机（现役）。
E-2系列预警机起源于20世纪60年代。1961年，由格鲁门公司研制成功的E-2A预警机，是第一架专门为空中预警和控制任务研制的预警机，1969年，E-2A改进升级E-2B。1971年E-2C预警机于试飞成功，E-2C先后装备APS-120、APS-125、APS-138、APS-139、APS-145雷达。2001年，格鲁门公司向海军交付首架“鹰眼2000”，对任务系统进行全面改进，具备协同交战能力（CEC）。2007年，格鲁门公司联合雷神、马丁、L-3通讯、BAE几家公司对许多任务系统重新设计，升级“先进鹰眼”，换装按“雷达现代化计划”（RMP）研制的电子扫描雷达。
E-2系列预警机以螺旋桨式飞机为平台，雷达均采用背负式形式架高安装在机身背部圆盘形旋罩内，天线口径和有效载荷得到大幅增加，使预警机“站得高、看得远”成为了现实。
图 6 背负式旋罩构型
得益于波音飞机和电子技术发展，E-3系列预警机开发于20世纪70年代，标志着预警机从螺旋桨时代跨入喷气式动力时代。E-3A系统复杂，性能先进，能探测水上、陆地和空中目标，指挥引导己方飞机作战，采用P3I原则持续改进了A、B、C、D、F系列。E-3B换装AN/APY-2雷达、CC-1计算机，E-3C增设5座显控台、抗干扰通信、JTIDS及GPS导航设备。E3-D为英国型，E3-F为法国型。
E-3系列预警机均采用了“背负式旋罩”构型，将雷达架高安装在机身背部，雷达采用机相扫体制，有效载荷大，为任务系统提供了足够安装空间和载荷能力，是真正意义的空中预警指挥控制飞机（AWACS）。20世纪90年代美国为日本研制的E-767预警机，同样采用了“背负式旋罩”的总体构型。
俄罗斯早期Tu-126预警机（北约代号“苔藓”），以及1965年别里耶夫航空科学技术联合体将“赤蜂眼”（Shmel）雷达安装到Il-76MD上研制成功的A-50预警机（北约代号“中坚”），均采用了“背负式旋罩”的总体构型。
图 7 “背负式旋罩”构型
如上所述，“背负式旋罩”构型以其充足的雷达天线安装空间、足够的架设高度避免了机身影响、360°机械旋转实现360°方位覆盖、旋罩以一定转速绕对称轴转动不会导致飞机过大的气动外形变化等技术优势，已经成为了当今世界预警机的主流构型。
为了适应相控阵雷达技术的快速发展，“背负式旋罩”构型形式也得到快速扩展应用，将“旋转式”调整成“固定式”，快速形成了一种新的固定式、背负式的圆盘罩构型形式。我国成功研制的国产系列预警机，就采用了这种固定式“背负式圆盘罩”构型。
“背负式圆盘罩”构型适应了相控阵技术发展，成为目前世界上较为先进的一种总体构型设计，将“电扫描”直接替代了旋罩所实现的“机械扫描”，无需360°机械旋转，“固定式”带来最直接的好处是：减少了旋罩带来的飞机共振等工程问题，从技术发展角度来看，也正在逐步成为一种主流的总体构型。
图 8 “背负式圆盘罩”构型
1.5.3“背负式异形罩”构型
为了进一步提高“突出式罩体”的结构安装空间，最大化利用突出结构体的内部空间，以期进一步增加相控阵天线的物理口径，服务于远程探测性能，基于这样的设计理念，提出了一种俗称为“背负式异形罩”的总体构型形式，其实质是一种背负式、固定式、轴对称的罩体构型形式。这种构型的显著特点是：考虑载机操稳性等飞机平台性能，采用轴对称形式，而不是像圆盘形构型那样采用中心对称的形式，通常将相控阵雷达天线对称安装在飞机机背，采用天线口径尺寸较大且气动阻力较小的天线罩，这就形成了固定式、轴对称式的异形罩构型，因此通常被称为“背负式异形罩”构型。
采用“背负式异形罩”构型的典型有：S-3预警机（取消）、EV-22预警机（取消）。将天线安装在轴对称的背负式罩体内，罩体采用支架支撑形式安装在飞机背部，利用三面或四面组合式的相控阵天线阵来实现360°方位覆盖，天线罩剖面形状可以是非圆形状。
图 9 “背负式异形罩”构型
这种构型以“如何充分利用突出的罩体结构空间”为设计理念，对预警机“任务天线口径”贡献较大，其要求是在尽可能满足载机气动特性的前提下，尽可能最大化服务于任务系统天线性能要求，这实际上也带来了设计理念的另一个转变。
采用这种固定式、轴对称式的“背负式异形罩”总体构型，同样减少了飞机共振的问题。轴对称式也可以很好地服务在三个或四方向上安装相控阵天线的需要，满足了360°全方位覆盖的任务要求。但由于为了尽可能地增大了任务天线口径，也带来了天线罩截面的增大，致使迎面的气动阻力较大，在侧滑情况下对飞机操纵性和稳定性影响增加了技术难度，同时也增加了技术风险的评估难度。因此，这种总体构型虽然在学科研究上是一个发展方向，但世界各国均未完成这一类总体构型的装备研制和服役。
1.6预警机总体构型设计研究命题
综上所述，为了实现预警机或特种机的作战功能和性能要求，从技术上提出了在载机平台上进行任务系统天线的加改装要求，分析预警机总体构型的分类及其设计现状，不难看出，预警机“总体构型设计”不再是单纯地以“平台的气动构型”为主要对象的一种气动构型设计，也不再是以“任务系统结构布局设计”为主要对象的一种布局设计，而是在进行飞机平台改装或新机型总体构型设计时，对预警机任务系统功能性能、装载平台气动安全性与飞行性能、任务载荷适应性等多个设计目标要素进行系统思考、综合设计、全域权衡的一种顶层设计过程。
例如：绝非是单纯地针对在载机平台上加装雷达旋罩的气动外形设计，也不是将任务系统作为一种独立装载的任务载荷而进行的传统适装性设计，或者在已知载机限制下对任务系统进行协调和调整的“被动”设计，而是在多个设计要素之间、针对其相互之间的相互影响、相互关联等进行综合设计的过程，是一种“主动”的设计过程。
传统设计由于受限电子、航空两个行业多个学科领域的问题，均采取了在各自领域自成体系的研究思路，基于各自领域的研究结果反馈研制总要求，由于涉及到两个行业的协调，使得工程设计和实现变得十分复杂；同时由于缺乏将“预警机总体构型”作为单独设计对象进行系统研究的过程，因此系统顶层设计经常性依靠经验设计、大量的摸底试验来保证，致使研制代价非常巨大，而结果也未必完全科学。
基于此，亟待将“预警机总体构型设计”作为一个客观的研究命题，研究其所涉及的需求指标体系、设计技术项目、关键要素、设计方法以及设计流程等，以期可以采用系统工程方法的思想来指导系统全域内的顶层设计，或许可以得到寻求系统最佳解的有效方法。
这种研究问题的基本思路如下图，基本想法是从系统工程理论出发，将“总体构型设计”作为客观研究主体，研究其服务于系统装备的需求指标、系统性分析各类设计要求、进行多个专业的设计与联合仿真，各承研单位均对系统设计的技术指标负责，从系统总体的角度去研究和分析问题，以期充分发挥任务系统最大效能，同时尽可能降低对平台性能的影响或损失，改善传统的以行业为主导的设计模式。
图 10 总体构型设计的基本研究思路
（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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