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美预测传感器飞机将随雷达发展成为现实

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浏览 次【字号 】 发布时间:2012-7-12 打印本页
 从美国空军机库拖出来的下一代新型飞机可能是一个功率强大的传感器。位于俄亥俄州的莱特-派特森空军基地的美国空军研究实验室的科学家们,已经研发了一些雷达阵列,这些雷达阵列能够做成飞机蒙皮和结构零件。他们的研究将完全能够开发新的雷达能力和促进材料的发展。这项工作来源于传感器飞机项目,这个项目的目标是生产出一种能在关注地区上空徘徊40到50个小时的高空无人机(信号杂志,2001年2月,16页)。当这个项目与下个十年内生产的飞行器相适合的时候,在特种监视与侦察飞行器交付使用之前,现存的飞机将取得一些发展。

    传感器飞机的关键在于它的外壳。这种飞行器是一种用先进传感器建造的飞机而不是装备先进传感器的飞机。美国空军研究实验室飞行器董事会负责传感器飞机的领导约翰 波兹奥克解释说,这个项目的雷达研究很大程度上集中在两个领域:低波段天线和高波段天线。最初的飞机设计是以接合机翼结构为特色,这种结构类似两个字母“V”在末端相连在一起。这种方法有利于将雷达天线放到飞机的外面,可以让雷达彻底扫描飞机的外部。 

    但是,实验室的科学家们现在正在探索一种大家都知道的用于低波段雷达元件实施360度扫描的“Endfire”。波兹奥克解释说,传统的平面板雷达天线发射的信号与它的表面是垂直的。
“Endfire”技术将发射雷达信号与飞机的外表平行。 

    雷达能量能从平面板的四个侧面发射出去,波兹奥克继续说。信号不是连续的,但是这项技术能扫描四个侧面。所以,设计者能用多个“Endfire”元件,建造更大的电子扫描阵列。这种天线将被嵌入到飞机机翼的表面中,能量能从机翼的前面和后面发射出来。 

    这种新的能力会使工程师们看到一种完全不同的机身设计。飞机能有一个更加常规的与B-2机翼外形相似的后掠机翼,而不是接合机翼。 

    电测试已经证实“Endfire”元件在阵列周围将扫描360度。工程师们已经建立了几种不同应用这种技术的结构,包括“5X5”的正方阵列。另一个正在建设的阵列将达到20英尺长,20英尺宽。这种矩阵列与将要形成机翼的那种天线更加一致,波兹奥克说。这种大型的构造将经历电测试来确认它的天线性能,经历结构测试来确定它作为机翼组件的能力。这些由电评估开始的测试将在今年晚些时候开始,波兹奥克指出。 

    相类似的工作称为高波段阵列的特征,这种阵列工作在X波段上。波兹奥克说工程师们已经建造的实心外形的阵列,这种阵列是一种承重结构。雷达的发射/接收机部分连结在用常规合成焊接技术的承重天线上。结果就有了一种能够放到飞机外壳中的细小而紧凑的X波段的阵列。大尺寸的天线提供了更高的获益,这种获益依次允许最大化所有飞机雷达天线的功率性能。波兹奥克讲,科学家们已经研发了一平方英尺,能提出所有阵列需求的结构。这种一平方英尺的X波段雷达所起到的作用比用来确保天线工作正常的200个元件和必需的工作所起到的作用还有大。项目面临的挑战之一是获得高收益的阵列,他指出。 

    一旦那一平方英尺阵列在实验室里符合要求了,科学家们将会建造更大的阵列。一个用于主要结构承重轴承的3英尺 x 1英尺阵列已经得到了试验。它能承载超过50,000镑的重量,波兹奥克报告说。 

    另一项正在进行的工作已经生产出了一个试验样品,这个样品是20英尺长,2英尺宽。这个部件缺少必要的电子装置和组件,但是它是以所有的天线元件,连同结合在一起的供给网为特色,这个供给网将附属于发射/接收芯片。电子装置和组件将被忽略成多余的开支,波兹奥克承认。由于缺少主动雷达组件,这种结构去年为经受主要的飞机结构负载成功地进行了试验。成功的试验已经证明了这种X波段天线的概念能被应用到很多航空器领域,波兹奥克说。这些包括第三负载,如典型的飞机圆形罩;第二负载,如武器分隔舱的门或机身门和主要负载,如机翼结构或主要的机身仪表板。 

    “我们对这种在结构上的能力真的感到兴奋,”波兹奥克宣称。他补充道,下一步是检验有关电的结构。 

    这些阵列是飞机的关键部分,但是飞机的结构还正在经历大量的制造工艺。波兹奥克说:“大量的活动”目标是使基本的飞机机身概念以及相关的飞行器技术成熟。 

    首先,最初的想法是建造一种四周都是传感器包的飞机,工程师们的工作是只是确定是什么组成那个包。他们的工作详细说明了低波段和高波段雷达构想导致两种飞行器的变种——飞行机翼和接合机翼。任何一种飞行器的设计将要求一种非常大的,达到150英尺到200英尺长的翼展的那种飞行器,波兹奥克指出。有了这种纸上的大型概念设计,科学家们现在正在确定哪一种技术将被用来实现传感器飞机这个目标。飞行机翼版本,被比喻成B-2的外形,相对于轰炸机将有一个更高的机翼对机身的纵横比。它的机翼非常长,这将导致机翼在飞行中产生相当大的弯曲。太大的弯曲将会降低飞行器的雷达性能,所以飞行器的结构样式与空气动力载荷之间的相互作用必须受控制。 

    控制五种结构模式中的一种方法是提高飞行器的硬度,但是这种方法将会增加重量,而增加重量会减少飞行器的航程和续航能力。一项研究计划目的是想改变设计人员能够成功地控制那些结构模式。这种方法将允许减少航空飞行器的重量。 

    工程师们已经建造了一种飞行机翼版本的一半跨度的模式。那种一半跨度模型是按照动力学的比例展示与概念上完全大小的飞行器相同的结构模式。在国家航空与宇宙航行局的兰利研究中心的超音速风洞进行的试验已经模拟了这个模型的结构模式。这允许设计人员决定他们能够减少模型的结构灵敏度达2.5个因数,波兹奥克指出。在建造飞行器的时候,这种模式还将降低飞行器的结构负载。
 
    接下来的试验将在常规的倾斜-旋转-俯冲结构中评估半跨度机翼。然而,在第一系列的试验中,机翼被固定在风洞墙上,这种试验将模拟自由飞行条件。接合机翼版本,这种机翼也将展示很多相同的易曲结构模式特性,它已经成为与结构和空气动力模型相关的大量分析的课题。波兹奥克提出未来对接合机翼版本的试验将会寻找与在飞行机翼模型上完成相同的结果。“我们想要展示我们能够在风洞中控制所有那些易变型的模式,”他说。那项工作不会在今年秋天之前进行风洞试验。 

    这项传感器飞机项目包括一个高精密的传感器管理器,这个管理器能够帮助避免飞行器上主动传感器之间的相互破坏,波兹奥克报告说。这个项目正好与实验室传感器董事会合作开始它的研发工作。这个设备将控制所有飞行器上的传感器发射。 

    然而,波兹奥克没有预见到传感器相互破坏会成为一个主要的问题。一个长续航时间,高空无人机不会用有效功率进行无线电脉冲。所以飞行器的全部传感器组不可能在同一时间工作。虽然如此,传感器管理器将成为一件主动的电子设备体系机构,用来决定哪一个传感器工作,在什么时候工作。实验室将要开始一项研究工作,来使低波段/高波段工作关系机械化,他指出。 

    这个的试验课程还没有困难和错误。波兹奥克讲了在五个元件阵列上的第一次尝试是怎样失败的。工程师们回到画图板上,采取更为严格的组合来设计和试验。这些步骤比想象的要长,但是,所取得的进步是扎实的。例如,工程师们已经增加了很多中间的步骤,用来在焊接各种元件之前对它们进行测试。 

    最大的障碍一直是理解“这种基本用雷达来完成任务的新的方法”的本质,波兹奥克承认。“我们从未尝试过与结构X波段天线一样费劲的工作,”他说。一旦所有的元件被焊接在一起了,将不会有主动运动的部件。他将它比作成一种电子设备箱,在这个箱中,电路板伸缩和弯曲,以及电线变松。雷达的外壳的合成材料必须承受更大的压力而并不会牺牲功能。 

    被设计用来验证阵列和飞行器的结构方面的成熟性的这些试验,正在产生这样的结果,这些结果不只是局限于传感器飞机,波兹奥克指出。平面板结构阵列可以用来适应现存的平台,如宽机体的飞机。事实上,任何雷达天线屏蔽器、分隔舱门或机翼都能被用作成一种低或高波段雷达天线。实验室已经正在寻找机会在传感器飞机交付使用之前,应用这些技术。 

    “这种结构阵列是可升级的,所以你能把它们放到与传感器飞机不一样大常规的飞机上,这个问题早就预想到了,并且你还能获得某些重大功能水平的提高,”
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