上世纪80年代以来,世 界上许多国家陆续开始了下一代战斗机的研制,如美国的F/A-22、JSF,俄罗斯的米格1.44、苏-47(原S-37)。这些新战斗机方案集隐身、超音速巡航、高机动性和敏捷性、短距起降等作战能力于一身,综合战术性能较F-16、苏-27等典型三代战斗机有了质的飞跃。从机载武器装载方式来看,新一代战斗机方案的武器装载有一个共性--采用了内埋武器舱。武器内埋装载是实现新一代战斗机隐身、超音速巡航和高机动性能的折衷选择,已逐步成为新世纪战斗机武器装载的发展趋势。
武器装载方式发展历程
归纳起来,机载武器的装载方式主要有外挂式、半埋式、保形式、内埋式四种。
外挂式就是采用在机体下硬点悬挂外挂物的方式,是目前战斗机上普遍采用的武器装载方式。外挂式具有易于实现多种武器配置方案、良好的使用维护性以及武器发射前易于截获目标等优点。但大量的外挂武器会产生很大的阻力,飞机难以实现超音速巡航。另外,外挂物反射的雷达波能量通过叠加后使飞机的雷达反射截面(RCS)大幅增加,隐身性能降低。
半埋式是将武器的一半埋入机体凹槽内,另一半裸露于机体外。半埋式开凹槽增加了结构重量且只适用于一种外形的弹,互换性差,约束了载机的发展。
保形式(又称嵌入型)是把武器安装在机体底部,与外表面平齐,它不破坏飞机主体结构,但飞机结构要求较复杂,比半埋式阻力稍高,通用性差,所以运用更少。
把武器全装入机体内的装载方式称为内埋式。内埋式需占用相当大的机体空间,武器投放后飞机阻力不会有一个台阶性的降低,所以一直以来内埋式主要运用于轰炸机,在战斗机上很少运用。
随着航空科技的不断发展,机载武器和其他机载设备的逐步小型化使新一代战斗机在考虑超音速面积律的同时留出一定的武器舱空间成为可能,使运用了半个世纪以上的内埋式装载方式焕发了新的活力。
内埋装载武器众生相
各类精确制导攻击武器经过三代的发展,正向高效能、模块化、系列化、通用化和智能化方向发展,以满足新一代战机的特殊要求。为了实现内埋装载,机载武器进行了适应性改进。
具有超视距发射后不管、多目标攻击能力的第四代中/远距空空导弹,已成为各国重点发展并普遍采用的空战武器。如俄罗斯的R-77RD、英国的A225XR、法国的米卡-LAAM等。它们正沿着中远距拦射方向发展,经过适当改进,有望成为本国新一代战斗机的内埋主战武器。
最著名的内埋装载中距导弹是美国的AIM-120 AMRAAM系列导弹,它属于第四代超视距多目标攻击雷达制导空空导弹,具有超视距发射后不管作战模式。
为适应四代机内埋装载的需要,美国在AIM-120A/B型的基础上,采取了翼面折叠和舵面小型化设计等措施,研制出AIM-120C导弹,该弹换装了新型的战斗部、目标探测器和发动机,增大了导弹的威力、命中率和射程。
最著名的内埋装载近距红外格斗导弹是美国的AIM-9"响尾蛇"系列导弹。AIM-9X是其最新改进型,该导弹换装了推力矢量控制装置和第五代成像红外凝视阵导引头,具有"首视、首射"能力。推力矢量控制装置减小了舵面尺寸,再配合新型的导引头使AIM-9X具有近90度的离轴捕获/发射能力。
各国正在研制的第四代近距全向格斗红外导弹,如英国的AIM-132"阿斯拉姆"、以色列的"怪蛇"5等,正沿着增大前向探测距离,扩大发射离轴角,全向格斗方向发展。
内埋武器的选择和配置充分体现了载机的空战思想。例如,F/A-22的空空战术思想为:在未来的空战中,利用其信息、隐身、超音速巡航和先进中距导弹的优势,实现"先敌发现、先敌发射、先敌摧毁"的空战新概念,争取在超视距时摧毁敌方的大多数目标,而后在近距空战中,利用载机的敏捷性和先进近距导弹的性能战胜敌残余,达成以少胜多的战术意图。
F/A-22也具有携带多种空地制导武器执行攻击任务的能力。美国空军希望F/A-22在对地攻击时,能在12000~15000米的高度距防空火力圈外投放对地攻击武器,使武器在短时飞行后以极高的精度和巨大的威力摧毁目标,而且希望一次攻击便达成摧毁的目的。
由于只有精确制导武器才能满足此战术要求,因此F/A-22原则上不携带非制导武器执行对地攻击任务。
美国在1999年动用B-2A隐身战略轰炸机袭击我驻南使馆中,使用了最新型的第四代制导炸弹,JDAM(联合直接攻击弹药)。
同激光制导炸弹一样,JDAM也是在现役航空炸弹上加装相应制导控制装置而成:取下原有尾翼装置,装上卫星定位/惯性导航(GPS/INS)制导控制尾部装置,并加装中部弹体稳定边条翼片。由于该弹采用自主式的GPS/INS组合制导,使载机具有昼夜、全天候、防区外、投放后不管、多目标攻击能力,而这正是现役第三代激光制导炸弹所不具有的。
洛克希德·马丁公司的JSF X-35(现为F-35)内埋机载武器装在机身两侧的两个腹部弹舱内,AIM-120导弹装在内侧,JDAM等空面武器装在外侧;而波音公司JSF X-32的两个武器舱每个可装一枚1000千克级的空面武器和一枚AIM-120空空导弹。据报道,米格1.44的方案在内部武器舱中也可配置空空和空面武器。
F/A-22的内埋精确制导武器可供选择的有:2枚500千克的JDAM-3、8枚114千克的SSB(小型灵敏弹药)、2枚WCMD(风修正子武器布撒器)等。
武器舱气动力、结构一体化设计
武器舱气动力、结构一体化设计是关系到内埋武器系统成败的一项关键技术。武器舱的形状及密封性设计都可能影响内埋武器的投放、飞机的稳定性和操纵性,甚至影响进气道性能。所以尽早考虑武器舱气动力、结构一体化设计是必要的,以便减少武器内埋装载时产生武器分离和抖振问题的可能性。否则,在飞行试验后才发现这些严重问题将引起较大的设计修改。
在总体设计过程中,武器舱应尽量布置于飞机重心附近,否则当武器装载和分离时都会严重地影响飞机的动态响应特性。
为便于武器的分离投放,武器舱显然应设置在机身下部,虽然现代的电传飞控系统有较强的主动控制能力,但武器舱的总体布置还是应考虑同一武器舱中或不同武器舱中各种武器的投放顺序,以保持武器发射过程中载机的稳定特性。
同时,武器舱的布置应与机内油箱、起落架和受力结构的布置综合考虑,相互兼容,尽量少占机体空间,必要时要求内埋武器的弹翼可收放或折叠。对滑轨发射的武器,应考虑尾烟对武器舱的烧蚀,还应考虑排焰装置。
在气动力设计方面,在高动态压力和超音速时武器舱投弹所涉及的主要问题是舱内的强涡流,它可能引起舱内压力变化,造成武器抖动,妨碍武器及其发射装置正常工作。
若将武器舱后壁从一般的垂直结构改成后下斜坡道,就能将涡流减少到合适的程度,使后壁通风(要有足够的通风)也能达到类似效果,通过增加高能气体从舱上部往下排出,也能有效减少涡流。
武器舱的深度应保持最小,因为涡流的大小和强度将随武器舱深度的增加而增加。另外,要特别注意武器舱门前部区域的任何其他凸起,在超音速时,舱门前部的其他任何凸起都将会产生很强的激波,这就会在机体表面产生附面层分离并使附面层的厚度增加几倍,从而增大了武器安全分离难度。
在结构设计方面,武器舱是机身结构的一部分。为留出武器发射路径,不得不在机身下部截断受力的长桁、隔框和蒙皮,形成一个大凹槽,而且武器舱一般在飞机中机身段,处于翼身对接区域,所以该段的强度和刚度设计条件尤为苛刻,是结构强度设计的关键部位。
例如:为满足强度、刚度要求,F/A-22武器舱处机身主隔框采用了钛64合金的整体锻件。所以,该舱段是对气动力、结构一体化设计及生产工艺水平的考验。
就武器舱门设计而言,应有以下主要技术要求:
● 舱门的设计必须保证飞机的结构性能不变,尽量弥补武器舱形成的结构凹槽对强度和刚度的损失;
● 舱门的大小应保证内埋武器的顺利装拆、投放和日常维护;
● 舱门的开关必须准确、可靠,需在非常短的时间内完成;舱门在开关过程中不应有不可接受的振动;
● 舱门的设计不应增加武器舱的有效深度;
● 舱门前缘可设计成锯齿形,以减缓在开关过程中气流对舱门的冲击强度,同时,锯齿形舱门设计也有利于隐身;
● 武器舱门需要经常开关,容易受到损伤,一般采用复合材料,以适应恶劣的环境。如F/A-22的舱门便采用了热塑性复合材料。
内埋武器机弹分离和相容性
内埋武器机弹分离和相容性研究的主要任务是验证内埋武器与载机的安全分离并保证武器的分离姿态。需要使导弹在打开舱门的极短时间内从绕流中穿过,并在离机身一定距离后获得一个良好的姿态,适时地点火、发射。整个过程十分复杂,需经大量的理论计算和试验验证。
为确保内埋武器的安全分离,武器的分离预测就显得尤为重要。武器的分离预测方法可概括为:类比法、计算流体动力学(CFD)数值计算法及试验法(如捕捉轨迹系统(CTS)、网格技术、自由投放等)。其中使用较多的有CFD法和CTS法。
通过大量的理论研究和试验,研究不同形式、大小的武器舱的流场形式、压力分布情况及武器分离过程中的受力情况和姿态,最终确定武器舱的长深比、宽深比、舱壁的形状和舱门的开度等主要参数。目前国外较先进的理论研究方法有:CFD计算非定常流场、武器分离研究的一体化试验与评估方法等。
中距空空导弹一般采用弹射发射方式。在有限的武器舱上顶板上,需紧凑地布置多个弹射装置。必要时要求不同类型武器的弹射装置互换,而且要求挂钩的弹射速度和弹射俯仰角速度可调节。在F/A-22的主武器舱中,可在发射架上挂载6枚AIM-120C导弹,为了保证在所有飞行条件(尤其是超音速飞行时)下发射导弹,该发射架以约8米/秒的速度和40g的过载将导弹弹出武器舱,导弹低头穿过气流在机体表面形成的附面层后,发动机点火,导弹按已输入的数据飞向目标。空地武器也采用弹射投放方式,只是发射装置的弹射速度和弹射俯仰角速度有所不同。
近距红外导弹一般采用滑轨发射方式。发射时打开舱门,由作动器将导弹和滑轨的前部推出机身,导引头捕获目标后,导弹从滑轨上发射,导弹发动机产生的火焰、燃气和烟雾由排焰装置排出机身外。
在相容性设计方面,武器舱的设计应保证弹体之间、弹与结构/系统管路之间有一定的运动间隙(一般取75毫米)。为使弹体下落的路径畅通无阻,除保证以上间隙要求外,武器舱的侧壁最好设计成向外有至少10°的斜角形式,这一设计也有利于减缓舱内的涡流。
武器舱的设计及内部武器和发射装置的布置还应综合考虑装卸和检测维护武器时的可达性、维护性和不同武器间的互换性。相容性研究与机弹分离特性研究必须紧密结合,建立在大量的理论研究和试验的基础上,只有这样才能保证内埋武器的安全分离和正常发射。
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