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美預測傳感器飛機將隨雷達發展成為現實

2008年12月　來源：中國網

    研究人員最初將他們的目光放在建造一個雙V形機翼的傳感器飛機上在這種飛機上，傳感器環繞在整個飛機的外表麵上。但是，近期的發展允許低波段雷達元件進行360度掃描，這個進步為飛行機翼結構的研究開啟了大門 圖片來源：中國網

    從美國空軍機庫拖出來的下一代新型飛機可能是一個功率強大的傳感器。位於俄亥俄州的萊特－派特森空軍基地的美國空軍研究實驗室的科學家們，已經研發了一些雷達陣列，這些雷達陣列能夠做成飛機蒙皮和結構零件。他們的研究將完全能夠開發新的雷達能力和促進材料的發展。這項工作來源於傳感器飛機項目，這個項目的目標是生產出一種能在關注地區上空徘徊40到50個小時的高空無人機（信號雜誌，2001年2月，16頁）。當這個項目與下個十年內生產的飛行器相適合的時候，在特種監視與偵察飛行器交付使用之前，現存的飛機將取得一些發展。

    傳感器飛機的關鍵在於它的外殼。這種飛行器是一種用先進傳感器建造的飛機而不是裝備先進傳感器的飛機。美國空軍研究實驗室飛行器董事會負責傳感器飛機的領導約翰 波茲奧克解釋說，這個項目的雷達研究很大程度上集中在兩個領域：低波段天線和高波段天線。最初的飛機設計是以接合機翼結構為特色，這種結構類似兩個字母“V”在末端相連在一起。這種方法有利於將雷達天線放到飛機的外麵，可以讓雷達徹底掃描飛機的外部。

    但是，實驗室的科學家們現在正在探索一種大家都知道的用於低波段雷達元件實施360度掃描的“Endfire”。波茲奧克解釋說，傳統的平麵板雷達天線發射的信號與它的表麵是垂直的。“Endfire”技術將發射雷達信號與飛機的外表平行。

    雷達能量能從平麵板的四個側麵發射出去，波茲奧克繼續說。信號不是連續的，但是這項技術能掃描四個側麵。所以，設計者能用多個“Endfire”元件，建造更大的電子掃描陣列。這種天線將被嵌入到飛機機翼的表麵中，能量能從機翼的前麵和後麵發射出來。

    這種新的能力會使工程師們看到一種完全不同的機身設計。飛機能有一個更加常規的與B-2機翼外形相似的後掠機翼，而不是接合機翼。

    電測試已經證實“Endfire”元件在陣列周圍將掃描360度。工程師們已經建立了幾種不同應用這種技術的結構，包括“5X5”的正方陣列。另一個正在建設的陣列將達到20英尺長，20英尺寬。這種矩陣列與將要形成機翼的那種天線更加一致，波茲奧克說。這種大型的構造將經曆電測試來確認它的天線性能，經曆結構測試來確定它作為機翼組件的能力。這些由電評估開始的測試將在今年晚些時候開始，波茲奧克指出。

    相類似的工作稱為高波段陣列的特征，這種陣列工作在X波段上。波茲奧克說工程師們已經建造的實心外形的陣列，這種陣列是一種承重結構。雷達的發射/接收機部分連結在用常規合成焊接技術的承重天線上。結果就有了一種能夠放到飛機外殼中的細小而緊湊的X波段的陣列。大尺寸的天線提供了更高的獲益，這種獲益依次允許最大化所有飛機雷達天線的功率性能。波茲奧克講，科學家們已經研發了一平方英尺，能提出所有陣列需求的結構。這種一平方英尺的X波段雷達所起到的作用比用來確保天線工作正常的200個元件和必需的工作所起到的作用還有大。項目麵臨的挑戰之一是獲得高收益的陣列，他指出。

    一旦那一平方英尺陣列在實驗室裏符合要求了，科學家們將會建造更大的陣列。一個用於主要結構承重軸承的3英尺 x 1英尺陣列已經得到了試驗。它能承載超過50,000鎊的重量，波茲奧克報告說。

    另一項正在進行的工作已經生產出了一個試驗樣品，這個樣品是20英尺長，2英尺寬。這個部件缺少必要的電子裝置和組件，但是它是以所有的天線元件，連同結合在一起的供給網為特色，這個供給網將附屬於發射/接收芯片。電子裝置和組件將被忽略成多餘的開支，波茲奧克承認。由於缺少主動雷達組件，這種結構去年為經受主要的飛機結構負載成功地進行了試驗。成功的試驗已經證明了這種X波段天線的概念能被應用到很多航空器領域，波茲奧克說。這些包括第三負載，如典型的飛機圓形罩；第二負載，如武器分隔艙的門或機身門和主要負載，如機翼結構或主要的機身儀表板。

    “我們對這種在結構上的能力真的感到興奮，”波茲奧克宣稱。他補充道，下一步是檢驗有關電的結構。

    這些陣列是飛機的關鍵部分，但是飛機的結構還正在經曆大量的製造工藝。波茲奧克說：“大量的活動”目標是使基本的飛機機身概念以及相關的飛行器技術成熟。

    首先，最初的想法是建造一種四周都是傳感器包的飛機，工程師們的工作是隻是確定是什麽組成那個包。他們的工作詳細說明了低波段和高波段雷達構想導致兩種飛行器的變種——飛行機翼和接合機翼。任何一種飛行器的設計將要求一種非常大的，達到150英尺到200英尺長的翼展的那種飛行器，波茲奧克指出。有了這種紙上的大型概念設計，科學家們現在正在確定哪一種技術將被用來實現傳感器飛機這個目標。飛行機翼版本，被比喻成B－2的外形，相對於轟炸機將有一個更高的機翼對機身的縱橫比。它的機翼非常長，這將導致機翼在飛行中產生相當大的彎曲。太大的彎曲將會降低飛行器的雷達性能，所以飛行器的結構樣式與空氣動力載荷之間的相互作用必須受控製。

    控製五種結構模式中的一種方法是提高飛行器的硬度，但是這種方法將會增加重量，而增加重量會減少飛行器的航程和續航能力。一項研究計劃目的是想改變設計人員能夠成功地控製那些結構模式。這種方法將允許減少航空飛行器的重量。

    工程師們已經建造了一種飛行機翼版本的一半跨度的模式。那種一半跨度模型是按照動力學的比例展示與概念上完全大小的飛行器相同的結構模式。在國家航空與宇宙航行局的蘭利研究中心的超音速風洞進行的試驗已經模擬了這個模型的結構模式。這允許設計人員決定他們能夠減少模型的結構靈敏度達2.5個因數，波茲奧克指出。在建造飛行器的時候，這種模式還將降低飛行器的結構負載。

    接下來的試驗將在常規的傾斜－旋轉－俯衝結構中評估半跨度機翼。然而，在第一係列的試驗中，機翼被固定在風洞牆上，這種試驗將模擬自由飛行條件。接合機翼版本，這種機翼也將展示很多相同的易曲結構模式特性，它已經成為與結構和空氣動力模型相關的大量分析的課題。波茲奧克提出未來對接合機翼版本的試驗將會尋找與在飛行機翼模型上完成相同的結果。“我們想要展示我們能夠在風洞中控製所有那些易變型的模式，”他說。那項工作不會在今年秋天之前進行風洞試驗。

    這項傳感器飛機項目包括一個高精密的傳感器管理器，這個管理器能夠幫助避免飛行器上主動傳感器之間的相互破壞，波茲奧克報告說。這個項目正好與實驗室傳感器董事會合作開始它的研發工作。這個設備將控製所有飛行器上的傳感器發射。

    然而，波茲奧克沒有預見到傳感器相互破壞會成為一個主要的問題。一個長續航時間，高空無人機不會用有效功率進行無線電脈衝。所以飛行器的全部傳感器組不可能在同一時間工作。雖然如此，傳感器管理器將成為一件主動的電子設備體係機構，用來決定哪一個傳感器工作，在什麽時候工作。實驗室將要開始一項研究工作，來使低波段/高波段工作關係機械化，他指出。

    這個的試驗課程還沒有困難和錯誤。波茲奧克講了在五個元件陣列上的第一次嚐試是怎樣失敗的。工程師們回到畫圖板上，采取更為嚴格的組合來設計和試驗。這些步驟比想象的要長，但是，所取得的進步是紮實的。例如，工程師們已經增加了很多中間的步驟，用來在焊接各種元件之前對它們進行測試。

    最大的障礙一直是理解“這種基本用雷達來完成任務的新的方法”的本質，波茲奧克承認。“我們從未嚐試過與結構X波段天線一樣費勁的工作，”他說。一旦所有的元件被焊接在一起了，將不會有主動運動的部件。他將它比作成一種電子設備箱，在這個箱中，電路板伸縮和彎曲，以及電線變鬆。雷達的外殼的合成材料必須承受更大的壓力而並不會犧牲功能。

    被設計用來驗證陣列和飛行器的結構方麵的成熟性的這些試驗，正在產生這樣的結果，這些結果不隻是局限於傳感器飛機，波茲奧克指出。平麵板結構陣列可以用來適應現存的平台，如寬機體的飛機。事實上，任何雷達天線屏蔽器、分隔艙門或機翼都能被用作成一種低或高波段雷達天線。實驗室已經正在尋找機會在傳感器飛機交付使用之前，應用這些技術。

    “這種結構陣列是可升級的，所以你能把它們放到與傳感器飛機不一樣大常規的飛機上，這個問題早就預想到了，並且你還能獲得某些重大功能水平的提高，”他說。(編譯：知遠/愛唐）