基本介绍

电传操纵（FlyingByWire）系统是将飞行员的操纵信号，经过变换器变成电信号，通过电缆直接传输到自主式舵机的一种系统。它去掉了传统的飞机操纵系统中布满飞机内部的从操纵杆到舵机之间的机械传动装置和液压管路。电传操纵系统的主要组成部分包括运动传感器、中央计算机、作动器和电源，它相当于动物的感觉器官、大脑和肌肉。

由飞机操纵系统的发展我们可以体会到，任何事物的发展都是由需要和可能这两个因素决定的，电传操纵系统的发展也是如此。它是随着飞机（包括某些飞行器）的飞行控制技术的不断提高以及科学技术的发展而逐渐发展起来的。

电传操纵的重要性在于打破了飞机设计中需要保持静稳定性的布局，设计师们可以为战斗任务选择和优化最有效的布局，然后由储存在飞行控制计算机软件中的相应控制律增加人工稳定性。现役战斗机中已经有多种飞机采用电传操纵系统，例如F-16、幻影2000、“狂风”战斗机、F-15、Su-27、F/A-18等等。

电传操纵的优缺点

电传操纵系统克服了传统的机械操纵系统存在的一系到缺点：重量大、占据空间大、存在非线性（摩擦、间隙）和弹性变形，为了保证飞机合适的操纵性的机械机构相当复杂。电传操纵系统与机械系统相比却简单得多，它不受温度变化而引起的膨胀和收缩的影响，不需要润滑，去掉了百余个铰支点，更重要的是可为主动控制技术的实现作出重要贡献。

电传操纵系统的优点概括起来有下述几点：

减轻操纵系统的重量。按飞行操纵系统的重量百分化来考虑，使用电传操纵系统可减轻的重量是相当显著的。据研究估计在战斗机上使用电传操纵系统可使飞行操纵系统的重量减轻58%，如F-16减少181公斤；通用动力公司估计在大型、高性能战略轰炸机上使用电传操纵系统的话，可使飞行操纵系统重量减轻84%，即242.7公斤左右；洛克希德公司估计在大型运输机上使用电传操纵系统可使飞行操纵系统重量减少317.5公斤；在直升机上应用电传操纵系统也能使重量减少很多。在类似现在使用的那些直升机上应用电传操纵系统可使操纵系统重量减少86%。

减少体积。在高性能飞机上使用电传操纵系统使操纵系统的体积大为减少。在战术战斗机上可减少体积24,000立方厘米；对于战略轰炸机来说，体积的减少更为惊人。通用动力公司估计，使用电传操纵系统，由于去掉安装操纵钢索、铺设管道和机械联动机构的空间，体积可减少4.39立方米。

节省设计和安装时间。使用电传操纵系统可以缩短设计和安装时间，这是不言而喻的。据北美洛克威尔公司估计，大批生产时，大型、高性能战略轰炸机飞行操纵系统设计和安装时间，每架飞机差不多可节约5000个工时，使每架飞机生产总成本降低8万美元。

提高飞行操纵系统的可靠性和生存性。由于电传操纵系统都采用冗余技术，例如三余度或四余度设计，可使系统可靠性大大提高，这种可靠性的提高除了增加飞行操纵系统本身结构可靠性外，还可从排除像维护疏忽、自然界的影响或是飞行中机务人员或乘客的动作之类的因素造成的不能予知的故障影响，这些故障在一般机械操纵系统中是灾难性的故障。所谓三余度或四余度就是飞机的传感器、计算机和舵机采用三或四套，以确保一套发生故障时，能够有另一套继续完成相应工作，确保飞机的安全。

减少维护工时。采用机内自检装置可从很快发现故障并加以隔离，恢复工作状态，就不需要进行现在必须完成的花钱多、费时间的定期维修。电传操纵系统由于采用余度技术，部件多了可能故障次数有所增加，但是由于故障隔离和维修简便完全可从抵消故障增加的影响。北美洛克威尔公司估计，对于高性能战略轰炸机来说，使用电传操纵系统，每飞行小时的维护工时大约减少10%，这样可从使飞机在地面停机时间减少3.5%。伏托尔公司估计，对于直升机和其他垂直短距起落飞机上所使用的复杂操纵系统来说，采用电传操纵系统后可使操纵系统的维护工时减少50%或者更多。

改善飞机的操纵品质。使用电传操纵系统剔除了诸如静摩擦和迟滞等机械系统的非线性，因此很容易调整飞机响应和杆力的函数关系，使其在所有飞行状态下满足操纵要求。

对挠曲，弯曲、热膨胀等引起的飞机结构变化的影响不敏感。机械操纵系统对于飞机结构的变化是非常敏成的，设计师必须尽最大努力力求使这种影响减到最小，采用电传操纵系统这些影响就自然清除了。电传操纵系统甚至可能应用某种结构模态稳定措施有效地提高飞机构架的刚度，从而增加系统的疲劳寿命。

座舱布局员活性大电传操纵系统可用侧杆控制器和其他小型控制器。因此，驾驶员观察仪表的视线再不会受到很大的中央驾驶杆的影响。

自动飞行和着陆系统的结合方便。电传操纵系统不需要串、并联的伺服作动器以及自动飞行控制系统和自动着陆系统的复杂混合和综合装置，因为全部输入量是电信号而且在伺服助力器前面采用电子方法综合。

使设计具有更多的灵活性。电传操纵系统受在生产阶段可能引起的飞机外型或系统性能变化的影响很小。这是因为电传操纵系统的设计固有的灵活性，实际上控制的变量是感受飞行器的运动而不是控制操纵面的位置。一旦电传操纵系统在飞机基本设计阶段加以考虑，而且飞机的飞行安全完全可依赖于它的连续工作，飞机机体的静稳定就已经不那么重要了。因此，飞机设计师和气动力专家将得到全新的设计自由，这种设计以前一直受到飞机机体在没有任何控制信号输入时是稳定的这一要求的限制。这种新的设计方法可从设计出机动性更好、重量更轻、阻力更小和执行特殊任务的飞机。这种技术对未来飞机所产生的影响将远远超出用电传操纵系统简单地取代机械操纵系统所能得到的好处。

降低用户的费用。因为电传操纵系统具有上述诸优点，因而可从使用户的使用费用大大降低，这对政府和民用航空公司都是头等重要的。

电传操纵虽然具有如此众多优点，但是由于它采用了大量的电气设备，所以在使用过程中会有可能受到电磁干扰以及雷击，这对电气设备的可靠性威胁很大。特别是现代先进战斗机采用了越来越多的复合材料，飞机机体对电磁波的屏蔽作用越来越小，这个问题就越来越严重。因此，现在美国已经开始了光传操纵系统的研究和试飞，它将电信号转化为光信号，利用光纤来传输，从而彻底避免了电磁干扰的产生

近50多年来，机载雷达不断注入新的技术成果，性能大幅度提高。新技术是提高雷达探测能力的原动力。在单脉冲跟踪体制未获使用前，圆锥扫描体制的雷达很难对付敌方施放的角度欺骗干扰；没有相参体制的脉冲多普勒雷达，就无法对付借着强大的地杂波掩护的低空入侵的飞机和导弹；没有频率捷变体制的雷达，就很难同现代战争中广泛采用的各种杂波干扰相抗衡。相控阵技术是近年来正在发展的新技术，它比单脉冲、脉冲多普勒等任何一种技术对雷达发展所带来的影响都要深刻和广泛。进入上世纪80年代，机载相控阵雷达才初获应用。先进的机载有源相控阵雷达是近期，即本世纪初才进入服役。AESA的成功应用是对传统机载雷达的一次革命，她极大地扩展了雷达的应用领域和提高了雷达的工作性能，进而提高和丰富了作战飞机执行任务的能力和作战模式。

采用AESA技术的机载雷达将会至少在以下方面实现巨大的性能突破：

·雷达作用距离大幅度增长：由于AESA雷达T/R模块中的射频功率放大器(HPA)同天线辐射器紧密相连，而接收信号几乎直接耦合到各T/R模块内的射频低噪声放大器(LNA)，这就有效地避免了干扰和噪声叠加到有用信号上去，使得加到处理器的信号更为"纯净"，因此，AESA雷达微波能量的馈电损耗较传统机械扫描雷达大为减少。

·解决了可靠性的瓶颈问题：由于信号的发射和接收是由成百上千个独立的收/发和辐射单元组成，因此少数单元失效对系统性能影响不大。试验表明，10%的单元失效时，对系统性能无显著影响，不需立即维修；30％失效时，系统增益降低3分贝，仍可维持基本工作性能。这种"柔性降级"(gracefuldegradation)特性对作战飞机是十分需要的。

·解决了同时多功能的难题：所谓同时多功能，即指有源相控阵能在同一时间内完成一个以上的雷达功能。它可以用一部分T/R模块完成一种功能，用另外的T/R模块完成其它功能；也可用时间分隔的方法交替用同一阵面完成多种功能。如雷达在进行地图测绘(SAR/GMTI)、地物回避、地形跟随、威胁回避的同时，还可实现对空中目标的搜索和跟踪，并对其进行攻击。由于AESA是由多个子阵组成，而每个子阵又是由多个T/R模块组成，因此，可以通过数字式波束形成(DBF)技术、自适应波束控制技术和射频功率管理等技术，使雷达的功能和性能得到极大的扩展，可以满足各种条件下作战的需要。并能因此而开发出很多新的雷达功能和空战战术。

·隐身飞机和现代空战需要相控阵雷达：隐身飞机配装相控阵雷达(PESA或者是AESA)几乎是唯一的选择。迄今为止还没有出现使用机械扫描雷达的隐形飞机，也说明了这一点。低拦载概率(LPI)和低观测特性(LO)是隐身飞机能否实现隐身和顺利完成作战任务的关键。在当前极为严峻的电子干扰环境中，"LPI"，即机载雷达辐射的电磁波被敌方拦截概率的高低是一项重要的性能指标。在攻击有专用电子干扰飞机掩护的机群或单机时，强烈的电磁干扰将使传统的雷达无法正常工作。AESA天线口径场的幅度和相位都可以随意控制，可使天线旁瓣的零值指向敌方干扰源，使之不能收到足够强度的雷达信号，从而无法实施有效干扰。通过数字波束形成(DBF)技术，可以使主波束分离成两个波束，使其零值对准敌方干扰源；若干扰源位于雷达旁瓣方向，则在该方向也可以形成零值，使敌方收不到雷达信号，从而无法实行有效干扰。AESA的自适应波束形成能力是机载雷达在复杂的电磁环境中得以保持其作战能力的重要因素。

目前正在研制和开始装备的有代表性的战斗机AESA雷达主要有：

(1)F-22机载雷达(AN/APG-77)：人们常常问什么是第四代战斗机F-22令人印象最深的特性？它在什么领域具有最重要的技术突破？通常的回答是它的隐身和超音速巡航特性。但这些特性实际上在以前的战斗机上已经分别在F-117和SR-71上实现了。谈不上突破。业内人士和F-22飞行员们则普遍认为F-22最大的突破是它的航空电子系统实现了更高程度的综合，AESA雷达首次在战斗机上采用。它使飞机具有更为锐利的眼睛，更为丰富的作战功能。对战斗机目标的作用距离超过200km。可以实现"先敌发现、先敌发射、先敌命中"。F-22雷达可以进行脉间变频、快速扫描，敌方很难检测和定位。同时还可以用时分的方法进行电子情报搜集、实施干扰、监视或通信。这些是以前战斗机雷达所无法实现的。下图为F-22的雷达AESA阵面照片。

F-22雷达采用AESA体制，它由美国诺·格公司(NorthropGrummanCorp)和雷神公司(RaytheonSystemsCompany)共同研制。该雷达将用于21世纪初在美国空军服役的F-22先进战术战斗机，目前F-22是世界最先进的战斗机。F-22能在多种威胁环境下，以低可观测性、高机动性和高灵活性对超视距敌机进行攻击，也能进行近距格斗空战。1998年4月，诺·格公司已交付第一套APG-77雷达硬件和软件给波音飞机公司F-22航空电子综合实验室，对F-22的航空电子设备进行系统综合测试和鉴定试验。作为APG-77计划的工程发展(EMD)阶段的首批11部雷达已交付给诺·格公司马里兰州测试实验室进行系统级综合与测试。全尺寸雷达自1999年开始生产，预计到2004年11月具备初步作战能力(IOC)，2005年开始服役。AN/APG-77雷达是一部典型的多功能和多工作方式的雷达，其主要的功能有：

●远距搜索(RS)

●远距提示区搜索(cuedsearch)

●全向中距搜索(速度距离搜索)(velocityrangesearch)

●单目标和多目标跟踪

●AMRAAM数传方式(向先进中距空空导弹发送制导修正指令)

●目标识别(ID)

●群目标分离(入侵判断)(RA)

●气象探测

雷达可能扩展的功能有：

●空/地合成孔径雷达(SAR)地图测绘

●改进的目标识别

●扩大工作区(通过设置旁阵实现)

(1)F-35(JSF)机载雷达(AN/APG-81):2000年，美国国防部JSF项目办公室授予诺·格公司4200万美元合同为JSF设计、开发和试飞AESA雷达，它是多功能综合射频系统/多功能阵(MIRFS/MFA)计划的一部分。雷达系统采用最先进的AESA天线、高性能的接收机/激励器、商用的处理机(货架产品)。由于采用了最新的技术成果，大量减少了元器件和内部连接器数目，所以JSF雷达的成本和重量都较其前辈(F-22雷达)有大幅度地降低，重量和价格降低了约3/5，制造和维修也比较简单。MIRFS/MFS计划要求T/R模块能够实现全自动化生产；可靠性比传统的机械扫描雷达提高一个数量级；后勤保障和全寿命费用降低50%。APG-81采用开放式结构，为将来性能增长提供极大空间。JSF的AESA雷达设计的一条重要原则是必须满足JSF对隐身特性的要求。同时强调必须满足军方提出对JSF的"四性"要求，即：经济承受性、致命性、生存性和保障性。

(3)F/A-18E/F雷达AESA改进型(AN/APG-79)：

F-18D/C/E/F原来配装雷达APG-65/73，其AESA改进型编号为APG-79。该雷达仍由APG-65/73雷达的制造商雷神公司研制。APG-79采用先进的AESA体制，于2003年7月30日在美国中国湖(ChinaLake)海空作战中心配装在F/A-18上进行成功首飞。新雷达可以同现有F/A-18机载武器相匹配，同时，设计留有日后充分扩展的余地。APG-79AESA雷达极大地降低了载机的雷达可观测性，即提高了飞机的隐身特性。雷达的可靠性和维护性也得到了根本的改善。雷神公司将于2005年向波音正式交付装机的APG-79雷达。APG-79AESA雷达具有下述功能和特点：

空对空：

·攻击远距目标

·通过资源管理器减轻飞行员工作负荷

空对面：

·防区外远距高分辨率地图测绘

·同时具有多工作方式工作能力

可靠性和成本：

·系统可靠性增加5倍

·自检系统可以把故障隔离到外场可更换模块(LRM)

·通过T/R模块的特殊设计实现系统"完美"降级

·运营成本大幅度降低

装备F/A-18E/F的3部AESA雷达系统于2004年6月份开始在中国湖的海空作战中心进行新一轮的试验，并通知试飞小组制定一个有特种作战部队、埃格林空军基地等单位参与的试验计划。还要求演示试验飞机和指挥船之间的通信链路，研究F/A-18E/F和EA-18G可以向指挥船提供什么信息。海军已经建立了一个工作小组，目前要做的是同空军的F-15和JSF方面的人员接触，深入讨论联合试验和性能鉴定等问题以及建立一个工作小组评审有关标准、结构和规约。美国海军和空军目前都在研究AESA究竟能为未来战争带来一些什么变化和收益？他们正在寻求几个关键问题的答案：

·目前，AESA雷达的作用距离已经是传统机械扫描雷达的一倍，可供选用的雷达功能已极大地丰富，这样我们可以创造一些什么新的战术？

·一个双机或4机编队怎样分工完成空对空和空对地的攻击任务？

·如何由一架装有AESA的战机引领一批没有装载AESA的普通战斗机提高他们的战斗能力？

(4)F-16(UAE)雷达AESA改进型(AN/APG-80)：

F-16原来配装APG-66/68，APG-80为其AESA改型，仍由诺·格公司研制。该公司还同时为F-16UAE研制电子战系统。F-16UAE是为阿联酋研制的F-16第60批产品，计划生产80架。2004年到2007年完成交付。由于诺·格公司在此期间几乎同时得到了F-22和F-35的配套雷达研制合同，因此大部分AESA技术和模块都可以移植到APG-80中来。这使其研制周期可以大为缩短。预计2004年7月，雷达可以交付到飞机承包商洛·马公司进行雷达的验收试验。APG-80雷达具有先进的对空和对地两种工作模式，这也是采用诺·格公司第4代发射/接收机模块化技术的第一种产品。APG-80可以连续搜索和跟踪出现在它扫描范围内的多个目标。此外飞行员还可以同时进行空对空的搜索与跟踪、空对地的目标瞄准以及地形匹配飞行。

新的波束捷变技术带来了雷达能力的巨大增长，扩展了飞行员对态势的感知能力，使雷达对目标探测距离更远，并具有高清晰度合成孔径雷达成像能力。雷达的可靠性也比传统的机械扫描雷达高数倍。

(5)F-15改进型雷达(AN/APG-63V2)

F-15原来配装AGP-63/70，APG-63V2为其改进型，采用有源相控阵体制。雷神公司已完成向波音飞机公司的最后18架F-15C的APG-63(V)2AESA雷达的交付。这是世界上首次进入空军服役的战斗机AESA雷达。该雷达消除了原来F-15雷达笨重的液压天线驱动系统，雷达的快速扫描和多目标跟踪能力都得到了数量级的增长。提高了飞行员对战场环境的认知能力。该型雷达能够同现有的飞机武器系统很好地兼容。由于作用距离的增加，使得增程的AIM-120的性能得到充分的发挥，并能在更大的视场范围内(方位和俯仰)制导多枚空空导弹，同时攻击多个目标，包括雷达截面积很小的隐身目标，如巡航导弹等

脉冲多普勒雷达是利用多普勒效应制成的雷达。1842年，奥地利物理学家C·多普勒发现波源和观测者的相对运动会使观测到的频率发生变化，这种现象被称为多普勒效应。

脉冲多普勒雷达的工作原理可表述如下：当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标。

脉冲多普勒雷达于20世纪60年代研制成功并投入使用。20世纪70年代以来，随着大规模集成电路和数字处理技术的发展，脉冲多普勒雷达广泛用于机载预警、导航、导弹制导、卫星跟踪、战场侦察、靶场测量、武器火控和气象探测等方面，成为重要的军事装备。装有脉冲多普勒雷达的预警飞机，已成为对付低空轰炸机和巡航导弹的有效军事装备。此外，这种雷达还用于气象观测，对气象回波进行多普勒速度分辨，可获得不同高度大气层中各种空气湍流运动的分布情况。

机载火控系统用的主要是脉冲多普勒雷达。如美国战机装备的APG－68雷达，代表了机载脉冲多普勒火控雷达的先进水平。它有18种工作方式，可对空中、地面和海上目标边搜索边跟踪，抗干扰性能好，当飞机在低空飞行时，还可引导飞机跟踪地形起伏，以避免与地面相撞。这种雷达体积小，重量轻，可靠性高。

机载脉冲多普勒雷达主要由天线、发射机、接收机、伺服系统、数字信号处理机、雷达数据处理机和数据总线等组成。机载脉冲多普勒雷达通常采用相干体制，有着极高的载频稳定度和频谱纯度以及极低的天线旁瓣，并采取先进的数字信号处理技术。脉冲多普勒雷达通常采用较高以及多种的重复频率和多种发射信号形式，以在数据处理机中利用代数方法，并可应用滤波理论在数据处理机中对目标坐标数据作进一步滤波或预测。

脉冲多普勒雷达具有下列特点：①采用可编程序信号处理机，以增大雷达信号的处理容量、速度和灵活性，提高设备的复用性，从而使雷达能在跟踪的同时进行搜索并能改变或增加雷达的工作状态，使雷达具有对付各种干扰的能力和超视距的识别目标的能力；②采用可编程序栅控行波管，使雷达能工作在不同脉冲重复频率，具有自适应波形的能力，能根据不同的战术状态选用低、中或高三种脉冲重复频率的波形，并可获得各种工作状态的最佳性能；③采用多普勒波束锐化技术获得高分辨率，在空对地应用中可提供高分辨率的地图测绘和高分辨率的局部放大测绘，在空对空敌情判断状态可分辨出密集编队的群目标。

三角翼鸭式布局设计在保证短距起降性能的前提下兼顾高速性能；鸭翼翼面上产生的脱体涡在主翼上不仅可以产生附加升力，还可以抑制大迎角机动时的气流分离，大大提高格斗机动性能；前置固定鸭翼的后缘襟翼可以提高飞机的低速性能，特别是短距起降性能。三角鸭翼布局设计如今已被众多先进战斗机采用，如欧洲“台风”战斗机和法国“阵风”战斗机等等，这些新型战斗机采用全可动前置鸭翼，性能获得进一步提升。