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日志

 
 

预警机发展七十年  

2015-07-09 08:45:40|  分类: 军事科普 |  标签: |举报 |字号 订阅

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曹晨
(中国电子科学研究院,北京100041)

摘要:1945年投入使用世界首型预警机,七十年来,预警机装备和技术持续发展。研究主要从定位、产品形态和技术形态等三个方面对预警机的发展历程进行了总结。预警机已经从空中雷达站、空中指挥所正在演变为空中作战体系的枢纽,在打击链的各个环节中将发挥更多作用;微电子技术、计算机技术、通信与网络技术和软件技术的发展趋势,正在推动预警机在产品和技术形态方面具备一体化、分布式、智能化和人性化的特征,从而对预警机的设计和使用产生重要影响。

0 引言

预警机最早是指配备有远程机载预警雷达的特种任务飞机,用以弥补地面/舰载雷达的低空探测盲区。现代预警机则还配备敌我识别、导航、电子/光电侦察与对抗等多种信息系统,可以执行预警探测、情报侦察、通信中继、指挥控制和战场管理等多种任务,是现代战争中不可或缺的信息化武器装备。

预警机诞生于第二次世界大战后期。1945年3月,世界上第一种预警机——美国海军的TBM-3W正式服役。70年来,预警机的地位和作用已得到普遍认识,在军事需求牵引和技术发展推动的共同作用下,装备规模持续扩大,其定位、产品形态和技术形态均发生了重大和深刻的变化。回顾70年来预警机的发展历程并总结其规律,在此基础上对预警机的未来发展进行预测和规划,有助于推动我国预警机的持续和科学发展。

1 预警机的早期发展概况

20世纪40年代中期到70年代初期是预警机的早期发展阶段,美军AD-3/4/5W系列、E-1B和E-2A/B等第一代预警机型号相继服役,其装备定位为航母编队中的空中节点,主要解决海军海上舰艇编队的低空预警问题,50年代后期才开始被空军使用,这首先是因为海军作战环境主要为海面,无法象空军借助高山地形提升雷达高度扩展低空探测视距,因此其军事需求更为迫切;其次是因为较低海情下,雷达探测性能受海杂波影响程度较小,可以基本正常工作。

这一时期,在技术形态方面,雷达天线普遍采用抛物面形式,S波段为主要工作频率,技术体制为普通脉冲,主要用于探测海面上空的飞机目标,在复杂地形条件下不具备下视能力;雷达情报通过莫尔斯电码和话音下传至舰载或地面指挥所;而20世纪50年代末期,模拟式计算机已经在预警机上得到应用。

在产品形态方面,预警机载机普遍较小,最大起飞重量一般不大于40吨,大部分载机由于需要上舰,其最大起飞重量在20吨以下,但总体上来看,载机规模在不断扩大;作为对预警机产品构型影响最为显著的因素,雷达天线罩从腹部逐渐移至机背,外形经历了从不规则鼓包、水滴形至椭球体的改变。载机规模和雷达天线布局形式发生改变的主要推动因素是日益增长的雷达探测威力需求带来了更大的功率孔径积要求,显然,更大的载机以及载机背部所拥有的更为充裕的空间,能够为更大的功率孔径创造条件。

2 预警机的发展现状及主要特征

20世纪60年代中后期到21世纪前十年是预警机的第二代发展时期,以美国空军的E-3系列、美国海军的E-2C和中国空军的空警2000为代表,如图1所示。其装备定位已经既是空中情报站,更是一个不依赖地面指挥设施而要素齐全的空中机动指挥所;相比于早期航母编队的空中节点,预警机更多地被空军使用,在空中作战体系中的位置进一步提升。特别是海湾战争以后,预警机的地位和作用被广泛认识,预警机装备规模急剧扩大,目前装备预警机的国家已多达25个,预警机装备数量已有270余架,如表1所示。对于现役和即将服役的各型预警机,虽然研发时间和技术特征各异,但总体来看,由于其装备定位与这一阶段早期的产品并没有显著区别,因此仍处于第二代水平。

图1 第一代和第二代预警机的典型型号
预警机发展七十年 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 
从E-3和E-2这两类代表性产品的发展背景上看,采用大型载机的E-3系列,一是为了解决陆地上空目标的探测问题(即美国空军“陆地上空俯视探测”计划,ODR);二是作为三军通用数据链(Link-16)研制和装备的主要依托平台。由于更大的航母平台可以允许更大的舰载预警机载机,同时也将预警机纳入海军战术数据系统(NTDS),美国海军开始装备E-2系列预警机以替代E-1B。

第二代预警机作为通信与指挥平台,继第一代预警机作为雷达平台之后升空,标志着完整的空基作战体系在逐步形成,在这个体系中,打击平台是持续存在的,其逐步形成的关键是信息化平台的升空,或者说是空基信息系统的发展。这个发展有两条脉络:一是空基作战体系中装备信息化程度的提升;二是信息系统在体系中的作用逐步增强,与体系中其他系统的关系日渐丰富。预警机作为空基作战体系中典型的信息化武器装备,雷达具备了下视能力,数据通信和移动通信技术在机载条件下成功应用;而预警机也从几乎单纯的情报平台发展为具备对战斗机的指挥控制能力,其与体系中其他装备的关系开始延伸。

在技术形态方面,雷达普遍采用脉冲多普勒技术,频段则呈现多样化的特点,P、L和S均有应用,高频率稳定度发射机、高性能处理机和超低副瓣天线技术全面突破,从而较好地解决了在复杂地形上空的探测问题;20世纪90年代以后,则普遍采用超大规模集成电路和固态有源相控阵技术,中国空警-2000预警机是世界上首型采用二维有源相控阵并实现低副瓣、宽角扫描的预警机。

继有源相控阵技术之后,中国持续发展的预警机已经采用数字阵列雷达技术,这种技术以数字直接频率合成(DDS)、数字波束形成(DBF)和光纤传输为主要特点,对雷达的核心部分——收发组件而言,其重量减轻、体积减小、功耗降低,从而便于在中小平台上实现大型预警机的功能和性能。


由于预警机功能的拓展和所要求的设备量增加,第二代预警机陆续采用基于计算机和以太网的开放式系统架构来解决平台内的设备集成问题。自E-2A开始,专用数字化计算机开始在预警机上应用;而20世纪80年代末期开发的以色列波音707“费尔康”共形阵预警机,则首次应用百兆和千兆以太网,并全面应用商用货架产品(COTS),从而成为后续各型预警机解决系统集成问题的典范,E-3预警机自20世纪末即弃用专用计算机,开始实施开放式系统架构改造。

在产品形态方面,载机以大型平台为主,椭球型天线罩体(即“圆盘”)在相当长时间内成为主流,雷达天线则普遍采用阵列形式;同时,中小型平台大量涌现,而无论大、中和小型平台,均集成雷达、敌我识别、电子侦察和通信侦察甚至光电设备等多种手段。特别地,有源相控阵技术在预警机上的应用,既标志着预警机雷达在时间能量利用率上有了质的进步,也对预警机的产品形态产生了巨大的影响,除了椭球型雷达天线罩外,共形、平衡木和T型阵等无需旋转的固定天线罩形式以及结合机械扫描和有源相控阵扫描优势的旋转式机相扫椭球罩体形式,为在各类平台上获得更大的孔径提供了各具特色的解决方案。

值得注意的是,虽然相控阵技术催生了多种新型预警机雷达天线罩形式,但由于机相扫技术的应用,“圆盘”正在日益重新成为主流。共形天线、平衡木和T型阵虽然相对圆盘可以获得更大的孔径,但头尾的探测问题始终不能较好解决,因此,全方位探测性能难以均衡。机相扫技术利用了机械扫描的优点,天线孔径大,利于反杂波,各个方位上探测性能也比较一致;同时又具备有源相控阵技术扫描灵活的优点,在重点监视方向可以实现更远距离的探测与更连续的跟踪。在最新研发的EC-295和最新服役的E-2D预警机上均采用了“机相扫”体制,而此前,在类似20余吨最大起飞重量的载机平台上,普遍采用的却是“平衡木”。

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3 预警机未来发展趋势分析与展望

3.1 未来预警机的装备定位与主要能力

进入21世纪以来,随着世界范围内新军事变革的持续和深入,作战环境和作战需求发生显著变化,预警机进入了新的发展时期,其装备定位、产品形态和技术形态都将出现重大变革。

在作战需求方面,随着国家利益的拓展,战场可能由本土向远洋推移,预警机应该对远程进攻作战提供全面支持。预警机利用平台升空和集成多种信息化手段的优势,相比没有预警机的情况,作战范围可以前出数千千米,此时已经超出地基探测和通信的视距,可以不依赖地面指挥所独立担负起态势形成、武器控制和对空/地/海打击及其评估等多种作战任务,其中也包括有效融合来自天基的情报或者进行情报和指令分发,也就是实现远程进攻作战条件下的空天一体。这就意味着,远程进攻作战需要一个包含预警机的独立的远程空中作战体系,正是依托这个体系而构建出完整的“发现-跟踪-识别-决策-打击-评估”打击链。这种独立的空中作战体系在装备层面可以称为“空基信息系统”,按照美军的装备概念,它实际上是网络中心战中传感器网格、信息网格和交战网格在空中的延伸。它依托预警机、电子战飞机、对地侦察监视飞机、战斗机和无人机等各类空中平台,基于数据链和空中网络,构建空基多平台协同探测、瞄准和武器控制等作战能力,支持空中编队作战资源的协同运用,形成与远程机动作战相适应的独立、自主和完备的空基作战体系。在这个体系中,相当长的一段时间内,美军并没有明确预警机与其他情报保障飞机(如E-8、RC-135)的核心地位,自2011年利比亚战争后,美军正式提出预警机作为“战场管理中心(BMC)”的概念,这就意味着预警机已经被明确为空基信息系统的枢纽。换言之,即使预警机在日常执行任务中以国土防空为主,但在功能定位上,下一代预警机应该成为攻势作战条件下的体系核心。

在未来的攻势作战条件下,基于信息系统的体系作战环境的主要特点体现为三个方面的复杂化:一是复杂的目标,包括隐(四代战机)、低(低空突防目标)、慢(慢速目标)、小(导弹等小雷达截面积目标)、高(临近空间目标)、快(高超声速目标),预警机以探测隐身、低空和小目标为主要任务,可以兼顾慢速目标的探测。二是复杂的地理环境,包括远海、滨海、城市和高原等不同海况或地形,它们将在不同程度上影响预警机的性能以及其部署或出动能力。三是复杂的电磁环境,包括越来越强烈的有意无意或民用军用干扰,可能导致预警机的性能严重下降。为适应“三个复杂”并成为攻势作战条件下的体系核心,新一代预警机必须具备三个方面的主要能力,即:协同的自主情报保障、基于网络的作战要素互联和基于打击链的战斗单元管理,从而使得以预警机为核心的空中作战体系能够更加透彻地感知、更加自由地互联和更加有效地控制。

在攻势作战条件下没有地基情报依赖,预警机必须具备自主情报保障能力,能够在复杂地理和电磁环境下,探测高中低不同空域内的隐身等特殊类型目标,并完成对各类目标特别是非合作目标的识别,为此,一方面预警机单平台必须基于自身多传感器而具备较强的探测隐身目标的能力,另一方面必须依靠体系中其他单元(空、天、地/海)的情报综合。换言之,预警机的自主情报保障,或者说“空基的大情报”,必须通过体系中的协同才能实现。

由于空中作战单元的增多,实现从单平台作战向建立基于信息系统的体系作战能力的转变,横向需要完成各单元的协同探测、识别或打击等专项战斗任务,纵向则需要利用各类单元形成“侦、控、打、评”的杀伤链,都需要利用预警机建立支撑体系的链路与网络,这种网络需要能够实现网络构成的快速规划、作战单元进出网络的动态管理,以及包含图像在内的更多情报的传输,而在远程进攻作战条件下,还需要实现对网络的管理(即“空基的大网络”),而预警机的充裕空间和高性能处理为实现空基的大网络创造了条件。

未来的预警机在作战体系的横向维上需要连接更多的作战单元,在纵向维上可以涉及打击链的更多环节。一方面,在第二代预警机对三代主战平台能够实施指挥控制的基础上,第三代预警机要求能够控制隐身战机和测控无人机,甚至提供不同程度的火力控制支持,甚至使得战斗机自身“未发现”便“先攻击”,从而缩短打击链的时间,提高体系的响应能力;另一方面,预警机应能够负责战场内所有空中作战资源/要素的调配,特别是管理或调度其他情报获取平台(如对地监视与指挥平台、无人机探测平台和电子侦察机),形成战场完整态势图。简而言之,未来的预警机在空基信息系统和空中作战体系中与其他装备的关系将更为丰富,核心地位逐步突出,不仅是指挥控制战斗机,也可以调度更多的ISR平台负责完成情报与武器平台的铰链,直接引导打击目标,负责调度相关作战单元进行打击效果评估,从而完成打击链的闭环,这实际上要求预警机实现“空基的大管控”。

3.2 未来预警机的技术形态与产品形态

微电子、计算机、通信与网络以及软件等电子与信息技术领域的快速发展,将为未来的预警机带来新的技术形态和产品形态。

微电子技术正在从摩尔定律走向后摩尔定律时代。以SOC(片上系统)和SIP(系统级封装)为支撑、以SOP(封装级系统)为目标的3S技术,正在以摩尔定律的速度减小体积、增加功能,革命性的超多功能电子器件正在不断涌现。第三代半导体已经成熟,带宽进一步增长,效率显著提升;微系统将成为主流,不仅能够集成计算、存储、感知与执行模块和通信模块,而且能够集成电源模块,功能日趋完善。在计算机技术方面,CPU正在经历从单核向众核、同构向异构的转变,众核数量趋于100;磁盘存储能力迅速增加,按照目前的主流水平1T/in2和40%的年增长率预计,2015年可达5Tb/in2;利用激光全息技术,可在一张光盘上存储超过500G的数据;刀片服务器进入大规模应用,8核即将成为主流,虚拟化系统逐渐实用;巨型机方面,内核数早已突破50万,最高速度达数十Tb/s。

通信与网络技术中,光纤通信技术发展速度已经超过摩尔定律,高密度波分复用(DWDM)将成为光纤通信的主流。由于IPV6在安全和管理方面的优势,使其在军事应用方面具备极大的潜力。无线与移动通信是下一代网络的重要组成部分,固定与移动网络的融合将是重要的发展方向。在接入网方面,在4G技术已经商用的同时,正在走向5G时代。在应用网络方面,无处不在的传感,无处不在的网络和无处不在的计算,将使人类实现从“人、机”两元世界到“人、机和物”三元世界的转变,“泛在网”将对人类的生产、生活乃至经济社会变革产生极为深刻的影响。

软件的发展则呈现出四个趋势:
一是比例不断增加。软件正在越来越多地实现硬件的功能,以软件无线电为代表的功能软件化正在成为信息系统的重要特征。
二是智能化水平不断提升。计算机与人工智能技术的进一步发展,将使得软件能够具备对语义和情感的处理能力,大大提升产品的智能化水平。
三是网络化。由于网络的无处不在,各种基于网络的软件将飞速发展。
四是服务化。软件市场的开放和开源软件的流行,将发展出一种新的软件模式,即“软件就是服务(SaaS)”,客户按使用时间或使用量计费,并通过网络来使用。

电子与信息技术的发展,首先是以第三代半导体和微系统为代表的主要技术,将使下一代预警机系统大幅度减少任务系统的装机代价,提高能源和空间的利用效率,从而在产品形态上呈现高度综合化或一体化设计的显著特征,甚至带来“分不清”和“两极化”。一是分不清传感器和平台。任务系统天线和载机机身的一体化设计正在迅速发展之中,智能蒙皮技术正在成熟,而分布式射频技术由于突破了半波长的布阵限制,可以更为有效地利用机体面积,将具备诱人的机载应用前景。二是分不清雷达、通信和电子战。多功能宽带阵列使得雷达孔径成为系统孔径,第三代半导体带来能量利用效率的成倍提高和带宽的进一步拓展,为工作在不同频段的有源无源系统提供更大的能力,例如提升电子战系统的灵敏度,或使通信系统获得更高的系统增益、带宽和抗干扰能力,并实现从全向通信向定向通信的转变。三是分不清天线、射频和处理,数字化不断前移,设备结构和系统集成架构将发生深刻变化,系统的功能将更多地由软件来配置和实现。两极化也是一体化发展的重要体现,也可能带来预警机的重要变革。具备独立能力的微系统阵列,使得设备的体积向纳米量级发展,安装代价正在极小化,为在有限条件下实现系统能力的极大化准备了条件。

从产品形态上看,电子与信息技术的持续发展,可能使预警机在高度一体化设计的同时,呈现出日趋显著的分布式特点:一方面,平台和任务系统以及任务系统的不同功能组成部分之间高度集成;另一方面,预警机的各功能组成部分有可能在空间上部分或完全分布。原来依靠机内有线网络进行集成的方式有可能通过无线网络来实现,因为网络带宽和容量的剧增,使得无线互联与有线互联的差距在显著缩小,硬件的高度集成、占比下降和软件的增加,也许在更远的未来将使得预警机作为整体而消失,而每个组成部分在一体化的基础上又能实现多功能,并且融入体系成为“泛在网”的节点,预警机有可能变成传感器和指控节点的“尘埃”。这种情况下,预警机的内网(支撑机载设备集成的网络)和外网(支撑体系形成的网络)将合二为一。

在计算机和软件技术的主要支持下,认知雷达和认知无线电技术在快速发展,预警机的智能水平将持续提升。由于作战任务的多样化、电磁环境的复杂化和作战速度的持续加快,第三代预警机必须具备全面感知电磁环境的能力以及依据电磁环境和任务要求自动进行自我管理的能力,情报应该可以实现从机器到机器的、无需人工干预的综合,情报分发应该可以根据当前任务需要和链路状态自动进行,这种分发对于操作员是不可见的,人、环境与任务必须同处于一个闭环之内。

预警机分布式和智能化的发展,意味着预警机在产品形态上,继有人/无人机在一体化、智能化等方面充分发展的同时,有可能逐步无人化。当然,在可以预见的未来,在尚未实现脑与认知科学的重大突破之前,智能化的发展尚不能完全摆脱对人的依赖,虽然无人预警机可能成为预警机的重要产品形态,但“人在回路”仍可能是单件预警机装备或预警机装备所处体系的特征。因此,通过采用新的显示技术和改善操作员工作环境,提高装备的人性化水平(实质上是促进装备作战效能的提升),仍将是预警机装备发展的应有之义。而已经成熟或快速发展的三维显示、语音识别、便携式/可穿戴和体感交互、多点触控等新兴交互或自然用户界面技术,为改善用户体验和人机工效提供了丰富的选择。

4 结语

预警机是作为空中作战体系中的节点而诞生的,其七十年的发展主要体现在它自身作为单件装备在不断增强能力的同时,在体系中的作用也逐步提升,是装备作战体系和体系作战能力建设的重要依托。未来的预警机,通过应用微系统技术、认知技术、宽带无线网络技术和新兴人机交互技术等快速发展的信息技术,在产品形态上将呈现高度综合化、智能化和人性化的特点,甚至无人化。无论是何种产品形态,未来预警机将从空基信息系统的雷达站、指挥所逐渐成为核心与枢纽,在打击链的更多环节发挥更大作用,支撑实现体系级的协同探测/评估、协同识别、协同指控和协同打击。因此,新一代预警机全面按照打击链来设计,立足基于信息系统的体系作战,结合各类作战任务/样式以及在打击链的相应环节中预警机应该承担的职能,建立二维的指标体系(一维为作战任务维,一维为某一作战任务对应打击链中的各个环节维),明确相应的工作模式,同时高度重视协同探测、识别、指控和打击等环节的应用系统的开发(即将相应的职能和模式通过硬件或软件实现程序化和界面化),厘清预警机地位和作用的变化对指挥关系的影响,从而支撑构建以预警机为核心的空基作战体系并充分发挥预警机的装备效能。

作者简介:曹晨(1974—),男,湖北当阳人,博士,研究员级高级工程师,博士生导师,主要研究方向为复杂信息系统总体设计。

原载《中国电子科学研究院学报》2015年第2期
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