闪电之眼,解析F-35隐身战斗机的光电系统
作者:Armstrong
来自空军之翼
F-35“闪电II”战斗机的所有三种型号都配备了相同的光电系统套件,通过应用尖端技术,这些系统能为F-35飞行员提供前所未有过的态势感知能力。通过AAQ-40光电瞄准系统和AAQ-37分布式孔径系统,F-35飞行员可以全景座舱显示器和所佩戴的头盔显示器上获取一切关键信息。
AAQ-40光电瞄准系统(EOTS)
F-35的制造商洛克希德·马丁公司在光电瞄准吊舱的研制上拥有丰富经验,其AAQ-33“狙击手”瞄准吊舱是较先进的现役吊舱。F-35的AN/AAQ-40光电瞄准系统(EOTS)在研制中充分利用了LANTIRN瞄准吊舱、AN/AAQ-33“狙击手”、F-14D“超级雄猫”上AN /
AAS-42红外搜索和跟踪(IRST)系统的技术,是第一种把前视红外瞄准系统和红外搜索和跟踪系统结合在一起的传感器。
虽然被视为一种内置式瞄准吊舱,但EOTS能为F-35提供激光瞄准、激光光斑跟踪、空空和空地前视红外监视、数字变焦、广视角红外搜索和跟踪和为投掷GPS制导弹药生成地理坐标等功能。三种型号的F-35都具备EOTS。
AAQ-40光电瞄准系统(EOTS)
EOTS系统的尺寸大约为493 x 698
x 815毫米,能被置于一个容量不到113升的盒子中,系统重量91千克。EOTS安装在F-35雷达罩之后、前起落架之前的机鼻下方,左右侧是分布式孔径系统(DAS)传感器,上方是雷达设备,留给该设备的空间常紧凑。相比之下,“狙击手”吊舱重约200千克,是一根2.3米管状物。“狙击手”吊舱和EOTS之间在体积和尺寸上出现巨大差异的一个原因是两者使用了不同的冷却方式。包括“狙击手”在内的多数瞄准吊舱都是空冷的,需要在吊舱尾部安装必要散热系统,而EOTS是液冷的,通过F-35包覆聚烯烃的冷却液管道制冷。
由于空间限制,EOTS无法使用直线光路的透镜系统,只能通过一系列反射镜和棱镜把光线引导至焦平面阵列或其他传感器。从视窗进入后,光线至少要折射四次才能最终抵达最终传感器。
F-35B的EOTS视窗
虽然F-35的APG-81雷达对空中目标的距离测量精度上高于EOTS,但EOTS对目标方位角的测量更精确,哪怕目标大小只有一个像素,两者结合后能提高F-35对更小目标的探测精度。
EOTS的视窗由七块蓝宝石面板玻璃组成买,这些玻璃被装入框架构成一个多面体隐身外形。洛马在AAQ-33“狙击手”吊舱首次使用类似设计,吊舱头部采用了独特的楔形设计,避免了球型头部和空腔有可能因气流而产生的振动,特别是在超音速飞行状态下。楔形视窗由4块蓝宝石玻璃组成,平板玻璃也有助于保持传感器所需的光学性能。
AAQ-33的楔形头部
在视窗内部,EOTS具有一个独特设计的安装在万向节上的主入射透镜,被称为A-focal或方位角组件,可提供从地平线到地平线的视野。镜头与视窗玻璃间大约有6毫米的摆动空间。这么复杂的设计是为了满足低可见度应用中对数字化变焦的多视野要求。
第二个透镜被称为升降组件,是一个设计新颖的反射镜,与主透镜呈45°夹角,可旋转提供垂直覆盖。升降组件的作用是把光线引导到光路中。
与主透镜呈45°夹角的升降组件
在万向节组件的顶部是一个激光器,来自“狙击手”ATP吊舱,但具有不同的输出路径。激光器正下方是两个电子控制组件,一个提供对动力伺服控制,另一个提供图像处理。光纤将来自传感器的数据直接提供给集成核心处理器。
整个EOTS组件被罩在一个复合材料罩内,以防止碎片掉入光学组件内,并作为加强结构帮助稳定内部组件。EOTS必须非常稳定才能对地面目标实施地理坐标测量,用于引导GPS制导弹药。
EOTS每次启动时,自动视轴校准功能都会把激光和前视红外对齐。校准模块安装在万向节背面,模块在加电时会把激光器和前视红外块传感器对齐,指向相同的点,两者使用相同光路。
对与F-35这样的隐身战斗机来说,必须小心管理飞机的辐射。使用EOTS时除非使用激光器,否则不会产生辐射。当APG-81雷达在远距离上探测到某些目标时,飞行员可以把数据传送给EOTS,以IRST被动跟踪模式持续监视目标,同时最大限度降低射频能量输出。
EOTS的IRST模式通过万向节、惯性测量单元和快速转向镜来提供精确跟踪,具有能与APG-81雷达相媲美的广域搜索能力,同时有非常高的扫描和转向速率。
EOTS是一个两级维护系统,维护人员可以使用内置测试功能在外场对其进行维护。EOTS具有15个在线更换部件(LRC),从托架放下后可单独更换其中任何一个。
AAQ-37分布式孔径系统(DAS)
诺斯罗普·格鲁曼公司制造的AN/AAQ-37分布孔径系统(DAS)是F-35上的一个革命性新系统。除探测、跟踪、警告飞行员周围出现来袭导弹或敌机之外,DAS还提供了一个360°球形昼/夜视野,并让飞行员能通过头盔显示器透过座舱地板看到下方景物。由于DAS是一个被动系统,由安装在机身的六个红外(IR)传感器组成,不必将传感器指向目标方向就能实施跟踪,所以诺格公司把DAS归类为一个集成系统。
六个传感器分别位于F-35雷达罩后的机鼻两侧(指向两侧)、风挡前(指向前上方)、受油插座之前的机背(指向后上方)、机腹(分别指向前下方和后下方)。每个传感器都提供了95°的视场,总视场570°,确保互相之间有足够的重叠区域,对飞机周围空域实施全覆盖。
六个传感器获得的图像被拼接在一起,型成一个球形视图,然后显示在飞行员头盔显示器这种的窗口中。飞行员扭头看向哪里,就能透视机身看到该方向上的红外视图,这个功能甚至可能取代夜视镜。除此之外,DAS还取代了传统战斗机上导弹逼近传感器,通过先进算法增加探测来袭导弹的预警距离,并降低虚警率,并把导弹轨道信息转化为可用数据,馈送数据融合系统并显示给飞行员。
AAQ-37的红外摄像机
每个传感器都与F-35的综合核心处理器(ICP)连接,由后者通过特定软件算法生成威胁信息和图像,结果被送到融合计算机进行数据融合后通过两个通道输出数据,一个是头盔显示器,另一个是全景座舱显示器。
由于六个传感器中的一些靠近飞机的发热组件,所以通过液冷进行降温。维护DAS非常简单,因为传感器是激光焊接且是永久密封的,只要在外场更换整个单元就行,然后把传感器单元送回诺格维修。
DAS甚至能用于探测弹道导弹的发射。2010年6月,诺格公司使用DAS对佛州卡纳维拉尔角发射的两枚“猎鹰9号”运载火箭的发射进行了数据收集,以确定该系统的反导任务中探测、跟踪和瞄准弹道导弹的可行性。飞行在北卡罗来纳州海岸上空的诺格BAC 111试验飞机使用DAS在1300公里之外对“猎鹰9号”多级火箭进行了跟踪。据诺格公司透露,F-35的计算机系统能使DAS同时跟踪数千个目标,远远超过目前任何红外系统。
DAS跟踪的“猎鹰9号”
洛克希德·马丁公司的资深F-35试飞员比利·弗林曾表示:“头盔DAS图像的清晰度和精确度令人惊喜,大大增强了飞行员在夜间飞行时的态势感知。以前我们佩戴夜视镜飞行时就好像透过两根吸管向外看。头盔显示器在我眼前呈现出视场宽广得多的图像,不管我头部转向何方,都能看到DAS图像,真是一个神奇的功能。”F-35的HMDS头盔显示器眉心上方虽然集成一个数字式夜视摄像机以取代传统夜视镜,但由于DAS的存在,飞行员在夜间飞行时甚至无需启动头盔的夜视功能。
F-35的DAS视窗位置
2018年6月13日,洛克希德·马丁公司宣布已联合雷神公司为F-35升级DAS系统,新系统将首先安装于2023年开始生产的Lot 15批次F-35上,目前在产的Lot
14批次F-35将继续安装继续安装诺斯罗普·格鲁曼公司提供的AN/AAQ-37 DAS系统。洛马没有透露新型DAS的具体规格,只是表示其可靠性将比老款AN/AAQ-37提高5倍,并使F-35具备迫切需要的使用激光制导弹药攻击地面移动目标的能力。此外新型DAS还将能提供清晰度更高的红外图像,而且6台摄像机之间的图像拼接将更快速更无缝,对威胁的识别和分类也会更可靠,更重要的是该系统将更加坚固和可靠。
DAS生成的F-16红外影像,垂尾尾码清晰可见
最新F-35项目年度审查报告显示F-35现有DAS存在严重问题,虽然其摄像机窗口采用坚固的镀膜蓝宝石玻璃制造,但摄像机窗口损坏仍成为导致F-35无法完成训练和试飞的主要原因,美国空军甚至认为摄像机窗口损坏将导致F-35A失去全部任务能力,因此雷声新DAS的一大改进重点是提高坚固程度和可靠性。洛马表示升级后的DAS将有助于降低F-35的生产成本和整个寿命周期维护成本,节约的资金总计将超过30亿美元。
从降低成本的角度看,雷声新摄像机在外形和电气接口上将尽可能做到与AN/AAQ-37相兼容,但由于在性能和分辨率的不同,无法直接进行简单替换,需要对计算机软件进行升级。因此对已经交付的300多架F-35如何升级又成为令人头痛的问题。
头盔显示系统
F-35取消了平显(HUD),使用视景系统国际公司研制的头盔显示系统(HMDS)来为飞行员显示信息。HMDS由显示管理计算机、头部跟踪系统和头盔显示器(HMD)组成,显示管理计算机提供飞机和HMD之间的接口,并控制跟踪系统和所有显示信息;跟踪器系统由安装在座舱中的磁源和位于头盔上的传感器组成。
包括氧气面罩在内的HMD重量不到2千克,由带降噪耳机的轻量化飞行头盔和显示装置组成。HMD能为飞行员提供“透视机身”的能力,增强其态势感知能力,此外头盔还能用于对目标的瞄准和跟踪,并能显示和回放昼/夜传感器视频。
F-35的HMDS GENIII头盔显示器
HMD可以显示飞机任务计算机生成的视频和符号,内容来自多个传感器的融合而不仅仅是特定传感器。头盔通过光纤和MIL-STD-1394接口在内的七个高速数据链路传输视频和符号信息。
HMD支持三种操作模式:仅白天符号、白天视频和符号、夜间视频和符号,这些模式能让飞行员在跨昼夜任务中灵活选择。HMD向飞行任务计算机提供精确的头部方向和位置数据,同时F-35的数据融合引擎和人机界面会自动在HMD上显示任何传感器探测到的空中和地面目标,数据融合引擎会对目标进行优先级控制。例如F-35的APG-81雷达会把所有雷达接触数据发送至综合核心处理器,后者再把数据传送至任务系统进行处理并显示在HMD上,飞行员仅转动头部就能控制雷达瞄准方向。
透视座舱地板大概是头盔显示器最普遍的应用
HMDS目前已经发展到第三代,解决了显示抖动和延迟问题,并集成了全新的ISIE-11夜视摄像机和液晶显示器。
HMDS GENIII头顶上方的夜视摄像机
全景座舱显示器
F-35座舱的核心设备是一块具有触摸控制功能的L-3全景座舱显示器,PCD虽然在物理上是一块2560
x 1024像素的有源阵列液晶显示器,却被分成了两个独立可寻址的1280 x 1024像素显示器,每个尺寸10 x 8英寸(250 x
200毫米),总可视面积20 x 8英寸(500 x200毫米)。
F-35的大屏显示器引领了战斗机座舱设计的潮流
20 x 8显示器的顶部专门用于显示子系统信息,如发动机和油量计、弹药管理、飞行控制、起落架、警报和告警系统、自动驾驶仪、自动油门、导航信息、敌我识别、高度和时间数据。
战术信息全部显示在屏幕下方,并从左到右分为四个窗口,被称为“入口”1、2、3、4。飞行员可在任何窗口显示任何内容并改变“入口”的大小,多数飞行员习惯于在一侧显示战术信息,另一侧显示传感器信息。由于F-35的传感器融合能力,所以显示的是经过融合后的图像,非常容易解读。
F-35B显示器的左下方会显示尾喷管的姿态。F-35的座舱里没有平显,以前平显显示的所有符号都被投射在头盔显示器护目镜内侧,焦距无穷远。F-35的侧置操纵杆位于座舱右侧控制台,活动范围有限。F-35B的操纵杆也被用于悬停控制。
传统平显的功能全部被头显取代
油门杆在左侧控制台,是直线式而不是手感模糊的旋转式。F-35的座舱能适应体重47kg到111kg的飞行员。除起落架手柄、紧急抛弃外挂开关、发动机启动按钮外,F-35的座舱里几乎没有其他开关和按钮,其他功能都是通过触摸屏或语音进行控制的,最大限度降低了座舱重量。
控制台中央有个备用飞行显示器,具有独立的惯性导航系统,仅靠电池运行。主显示屏左侧也有电池供电,在发动机发生故障无法发电时,主显示屏左侧和备用显示屏仍能靠电池运行,为飞行员提供基本飞行信息。
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