十一连载：预警机总体构型设计（三）
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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~
2.预警机总体构型及任务载荷适应性设计综述
2.1体构型的主要设计任务
务系统提供预警机的作战功能，载机平台作为任务系统的空中载体，同时也为任务系统提供正常工作所需的任务支持系统。因此，预警机总体构型设计是一个涉及航空（产品形态是载机）和电子信息技术（产品形态是任务系统）两大领域的复杂顶层设计活动，其设计结果直接影响了装备的战术技术指标，直接影响了预警指挥功能实现及其飞行性能指标。预警机总体构型设计直接决定了预警机功能性能指标和飞机整体性能，在安装平台的资源限制、气动特性等要求与任务系统所表现出的多功能、高性能等装备要求之间，多个设计指标的均衡性就成了急需解决的矛盾。
研究预警机总体构型设计及任务载荷适应性设计技术，就是要从系统顶层出发，采用系统工程方法，按需求进行“自顶而下”的完整设计过程，综合考虑载机平台资源的限制、任务系统功能性能实现等要求，研究实现预警机任务系统的功能、工作模式与相关性能等战术和技术指标要求，使预警机装备整体功能性能更高。同时，任务系统安装在装载平台上所面临的装机适应性、任务支持系统等设计内容，也将被作为预警机总体构型设计的一部分，需要进行整体性、协调性的综合设计，不再是传统的“以载机限制条件为输入进行任务系统装机适应性设计”的设计方式。
图 11 总体构型设计的主要研究要素
上述研究要素所关联的多个设计要素以及所包含的设计技术十分复杂，因此，总体构型设计可以被理解为是一个需要同时满足以下各类设计要求而进行的综合设计、优化和决策的过程：
a) 满足载机平台气动构型、结构强度以及飞行特性等要求；
b) 满足任务系统功能性能、电性能以及电磁性能等要求，以及任务系统各类硬件设备的结构、重量、装机适应性包括布局安装等要求；
c) 满足加装任务系统后所带来的载机适应性改装、任务支持系统等要求。
2.2总体构型设计的一般相关性
预警机总体构型设计及任务载荷的适应性技术，已经突破了“传统”意义上的“飞机总体设计”技术领域，是一个对电子、航空两个大领域系统进行跨行业、跨专业、多学科的系统设计过程，需要研究、表达设计其相关性，并企图解决这些相关性之间的耦合、协同与综合决策。构型设计的一般相关性有：
a) 装备作战功能性能决定了任务系统技术体制和性能指标，进而提出了天线在飞机上布局要求、天线位置、天线方向性以及波段、增益、副瓣电平性能等要求。这些设计要求反过来就对飞机提出了设计或改装要求。例如为了减少天线罩位置对雷达的影响和垂尾对天线向后扫描的干扰，A-50预警机在设计中使天线罩的平面明显高出机身而低于平尾，而E2-C为了降低机尾对天线波瓣的影响，4个垂尾都采用了透波的玻璃钢材料；
b) 在平台限制条件下，任务系统天线、电子设备等不仅要满足系统功能性能要求，也要满足载机平台约束的“任务系统适装性”。一般包括天线结构、口径和安装精度等满足飞机结构要求，任务系统散热、重量控制等要求符合载机设计限制，透波罩满足电性能的同时也要符合气动特性要求。系统重量应符合飞机整体重量控制要求，任务系统设备应进行减重设计，并制定明确的措施，满足飞机重量指标和重心控制等限制；
c) 总体构型应满足任务系统天线性能要求，同时又必须满足飞机空气动力与结构强度要求，包括气动布局和载机改装特性评估。满足任务天线布局、载机气动外形设计、气动特性分析、安全性分析、强度、疲劳、飞行性能、操稳性等，系统结构强度要求应不破坏飞机机体受力构件完整性，应尽可能减小天线对飞机气动特性特别是飞机阻力增加的影响；
d) 任务系统加装平台后的全机电磁兼容性应满足与飞机平台的协同工作要求，任务系统天线应综合考虑机上其他设备工作频率、谐波，满足天线隔离度要求。同一波段或相邻波段的工作天线应尽量避免相距很近，发射天线和接收天线间要保持适当距离；
e) 加装任务系统后对载机平台所进行的适应性改装，不得对任务天线性能造成不可接受的影响。大尺寸任务天线使飞机多数部件处在天线近场内，飞机机体也会直接影响天线方向图性能。飞机飞行导致的振动、弯曲和扭转变形，不得造成任务天线的褶曲、弯曲或变形，不得影响天线性能降低或破坏天线整体性能。例如大尺寸平面阵天线处于机载环境条件下时，其平面阵天线的平面度变化将直接影响天线的增益、副瓣及波束指向精度等重要指标，应进行天线的动态平面度控制。飞机运动部件造成的振动、冲击、噪声等不得引起任务系统电路或元件相关参数改变和降低。振动引起的噪声不对谐波上的射频输出或输入信号调制产生影响等；
f) 任务系统与载机系统存在多方面的相关性，也使系统的可靠性、维修性、测试性、保障性存在跨行业的专业设计综合等问题变得比较复杂。
2.3总体构型及任务载荷适应性设计技术
任务系统作为载机平台的有效载荷，装机适应性也常常成为了预警机总体设计的一项工程难题，如果不解决，也很难实现总体构型设计的技术可行性。因此，在预警机总体构型设计中，任务载荷适应性设计技术必须重点考虑，必须满足相关作战需求对任务系统的功能性能设计要求，同时，在载机限制下，适应性设计不得造成装备作战出巡对平台功能性能要求的降低。任务载荷的适应性设计一般要求：
a) 总体构型带来的载机气动改装不能影响飞机总体指标要求；
b) 任务系统装机适应性应满足其自身功能和性能要求；
c) 载机提供给任务系统的任务支持系统，必须保障任务系统装机和正常工作；
d) 任务系统与载机航电系统需要进行必要的匹配性改造，以满足空中监视、交联、告警等要求。
2.3.1预警机总体布局设计
预警机总体构型设计首先要解决的是任务系统的布局安装设计，总体布局设计是在原机气动特性基础上，对多部任务天线、多功能电子设备进行总体布局，保证载机气动特性最优、任务系统布局结构性能和电性能，并且应满足载机对天线性能影响最小、任务系统互连最优等综合要求。任务系统总体布局方案好坏，反过来也直接影响了预警机总体构型设计的效果。
按照任务系统安装在飞机上的分布，可分为舱外设备和舱内设备，舱外设备主要是任务系统各类传感器天线和前端设备。各类传感器天线布局直接影响了飞机总体布局，一般应考虑以下设计要求和限制：
a) 布局设计的任务天线数量和尺寸，应符合任务天线阵口径要求和载机外部尺寸限制；
b) 布局设计时应考虑任务天线搜索方位要求，例如360°、±90°探测范围或定向探测等要求；
c) 布局设计应满足任务系统需要同时工作的天线之间、任务天线与载机航电系统天线之间等的电磁兼容性要求，尽可能减少天线相互之间的自干扰性和互干扰性。应严格控制任务系统收、发天线之间的隔离度，或者不同频段天线的隔离度等要求，工程上尽可能利用机舱自身隔离、拉大天线之间距离等来满足隔离度要求；
d) 布局设计应综合考虑任务系统天线方向图等性能指标要求，天线布局应不受飞机机身遮挡，或者由于机身遮挡导致的影响最小，通常选择不容易遮挡的部位安装天线，例如在机头、机腹、机背、翼尖、机尾、尾翼或垂尾等部位。应控制天线在机身上的架设高度、远离遮挡物等相关要求，以免引起方向图畸变。或者考虑任务天线极化方式，控制安装角度要求。如图所示，布局任务天线时应充分考虑天线扫描探测范围及精度等技术要求，提出天线对机身的架高要求、天线安装中心线与飞机水平构造线的夹角等布局设计上的细节限制；
图 12 一种“背负式旋罩”案例
a) 布局设计应控制任务天线外形结构，尽可能符合飞机气动要求，尽可能减少气动特性降低或影响；
b) 布局设计应严格控制重量、机械特性、互连电缆等要求，使之满足全机重量重心控制限制，并兼顾考虑系统升级可能的预留布局接口。
同时，用于支撑任务天线罩的支架结构，布局设计时也应综合考虑其在机上的分布部位、结构强度、电缆通道、气动特性、维护性、测试性等多方面因素。而在任务系统舱内设备布局设计时，应根据总体构型所涉及到任务系统天线设备等舱外设备的布局，综合考虑作战操作人员布置、全机舱室分区设置、全机重量控制、机舱限制要求、机械环境适应性、互连电缆、维护性、人机工程以及任务支持系统等多方面要求，进行综合和优化。
2.3.2载机平台气动补偿设计
预警机总体构型设计的主要任务是解决任务系统装机要求与载机平台飞行性能要求之间矛盾。但由于预警机的发展使任务天线口径越来越大，大尺寸天线在载机上的加装就成为了一个技术难题。采用大尺寸天线罩的布局势必对载机带来气动特性变化，通常会造成对原有平台的改变，引起了飞机气动特性改变甚至损失，破坏了基本飞机原有的设计平衡。因此需要反复计算、分析和风动试验验证等，尽可能保证在满足飞行安全性要求下，确定出最佳的天线罩外形、尺寸和布局等技术参数。
气动设计直接影响到载机的安全性和飞行性能，不仅是预警机或特种机总体构型的全局性问题，更是载机平台的总体设计问题。简言之，就是在尽可能协调满足预警机任务系统功能性能的情况下，尽可能选择一个对载机平台气动特性影响最小的气动构型，同时力求寻找补偿设计措施，尽可能降低由于加装任务天线、电子设备以及天线罩体等，造成对载机平台气动特性的影响。
气动设计常常以基本飞机气动特性为基准，通常采用“增量法”来评估加装的任务系统天线和罩体、补偿措施的影响，在载机平台改装设计中取得气动设计的“增量法”，主要是对比性的风洞试验。
一般来说，载机平台加装任务载荷以后，导致飞机的总体构型外形发生显著的变化，改变后的总体构型对载机平台气动特性的改变主要表现在：
a) 增加了飞机的阻力，降低飞机的升阻比；
b) 减少飞机的航向稳定性，特别是小侧滑角范围内的航向稳定性，甚至影响飞机操纵性；气动特性变化的压缩性影响；
c) 加装大尺寸天线罩前缘结冰对气动特性的影响以及尾翼振动特性的变化等方面。
以图12为例，所增加的“背负式旋罩”，相对面积为39.2%，对上述的气动特性均产生了一定的改变。在纵向气动特性上会产生阻力增加，纵向力矩系数变大而使得纵向静安定性增加等；在横侧气动特性上，会引起航向力矩系数巨大变化，使得飞机进入横侧不稳定，出现飘摆等现象。
为保证载机平台的安全性和飞行性能，必须要进行载机气动特性的补偿适应性设计措施，一般包括减阻设计、减阻腹鳍、翼梢修形减阻、提高升阻比、增稳设计、增稳腹鳍、增装增稳器、加装平尾端板等技术措施。以图12为例，采用后机身修形可以减阻11%～13%，腹鳍对飞机大迎角飞行时的航向静稳定性贡献是肯定的；为了改善该类飞机的横侧特性，通常也采用了飞机垂尾尖增加端板的措施，该措施能改善飞机的横侧不稳定性，使得飞机在背负任务系统后具有较好的横侧气动特性。在设计端板时，进行大、小两种端板（相对垂尾的面积分别为30%、20%）研究对比，发现小侧滑（-6º≤β≤6º）范围航向静稳定性明显提高，小端板贡献ΔCnβ =33%、大端板贡献ΔCnβ=62%，基本补回了加装“背负式圆盘形旋罩”后航向静稳定性损失，但也带来了最小阻力系数CDmin增加的情况（小端板增加了4.5%、大端板增加了6.7%）。因此，加装平尾端板后在改善航向静稳定性的同时也带来了新的问题，应全面考虑。当然具体技术措施的应用用，应根据飞机的实际情况，并通过大量的风动选型试验和对飞行品质检查的基础上确定。
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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