第五代戰斗機機載武器發展設想及關鍵技術

張 雪

(中國空空導彈研究院， 河南 洛陽 471009)

第五代戰斗機機載武器發展設想及關鍵技術

張 雪

(中國空空導彈研究院， 河南 洛陽 471009)

戰斗機與其配套機載武器共同構成了空戰武器系統的主體。 威脅環境和作戰目標的發展、 機載平臺的需求和約束、 科學技術的進步共同推動著機載武器的發展。 目前， 各軍事強國正在進行第五代戰斗機及其機載武器的探索和研究。 本文通過介紹國外第五代戰斗機發展情況， 分析其對機載武器的發展需求， 提出第五代戰斗機機載武器的發展構想， 并在此基礎上總結出需重點突破的關鍵技術和顛覆性技術。

機載武器； 第五代戰斗機； 關鍵技術

0 引 言

現代戰爭實踐表明， 戰斗機和機載武器成為決定空戰勝負的重要力量， 甚至可以影響整個戰爭的進程。 2007年開始， 美國、 俄羅斯、 日本等陸續提出了發展第五代戰斗機的構想。 雖然現在對第五代戰斗機的明確概念尚未成形， 但必須未雨綢繆地論證其機載武器的發展， 前瞻性地研究制約其發展的關鍵技術， 才能在未來的強強對抗中立于不敗之地。

1 第五代戰斗機發展情況

目前， 世界上已有美國、 日本、 俄羅斯以及其他國家公開宣布開始下一代戰機的研究計劃。

2007年10月， 美國空軍率先開始研究第五代戰斗機的具體需求。 2009年， 美國空軍協會的官方刊物《空軍》雜志發表《第六代戰斗機》(由于劃代方法的不同， 美國稱之為第六代)一文， 對新一代戰斗機的需求進行了分析， 預測更低的信號特征、 可變形結構、 自適應變循環發動機、 定向能武器、 智能蒙皮、 更趨綜合的航電系統、 可選有人駕駛為第五代戰斗機潛在的技術特征。 2010年11月， 在美國空軍裝備司令部發布的《下一代戰術飛機裝備與技術概念研究》項目能力信息征詢書中， 指出下一代戰斗機的主要任務是對空作戰， 即摧毀和削弱敵方制空能力； 次要任務是綜合空中防御和導彈防御、 近距空中支援、 空中遮斷、 空中電子攻擊、 情報/監視與偵察。 2012年4月， 美國海軍也發布了下一代戰斗機信息征詢書——《2030年艦載攻擊戰斗機的關鍵能力需求調研》， 要求新一代戰斗機為空中優勢提供在反介入/區域拒止作戰環境下的多用途打擊能力。 2012年3月， 美國國防部在30年軍機計劃(2013～2042財年)中指出， 在2017財年后將把研發工作的重點集中到第四代戰斗機的升級和第五代戰斗機能力的初步研發方面。

針對下一代戰斗機信息征詢書， 美國波音和洛克希德·馬丁公司給出了所謂“六超”的第五代戰斗機方案， 包括超扁平外形、 超音速巡航、 超常規機動、 超遠程打擊、 超維度物聯、 超域界控制。

諾斯羅普·格魯門公司的方案則強調隱身、 高智能指控、 定向能武器、 多目標交戰等能力。

日本于2010年在《未來戰斗機研究與發展趨勢展望》文件中， 提出了“i3”的第五代戰斗機設想， 確定了3大特點(信息化、 智能化、 敏捷性)、 4大能力(反隱身能力、 強大的態勢感知能力和高智能、 光速武器瞬間殺傷目標能力、 外部傳感器數據綜合與融合能力)和7項關鍵技術(“云射擊”及先進座艙技術、 先進綜合火控系統——群控制技術、 定向能武器技術、 光傳操控技術、 隱身材料技術、 大功率雷達與發動機技術)， 并于2016年12月公布了其下一代戰斗機設計的定稿方案——26DMU， 即未來的F-3的原型。

俄羅斯于2001年提出無人作戰飛機將成為第五代戰斗機， 2016年3月2日宣布開始研發第五代戰斗機， 同時給出了首批設計方案。

雖然各國對第五代戰斗機的概念描述不盡相同， 對第五代戰斗機的探索也會是一個不斷變化的過程， 但還是可以看出第五代戰斗機的一些基本能力：

(1) 多任務

主要使命是奪取制空權。 主要作戰任務包括空對空作戰、 導彈防御、 電子攻擊、 情報/監視與偵察等， 作戰空間可能會拓展到臨近空間。

(2) 遠航程

利用變循環/自適應兼顧超音速大推力與亞音速低耗油率實現更寬的飛行范圍和更持久的續航能力。

(3) 全隱身

表現在傳統波段上隱身能力更強， 力求實現紅外和射頻的全譜隱身性， 以確保高突防成功率。

(4) 高智能

借助智能蒙皮、 先進傳感器、 隱蔽性組網等能力， 實現遠超第四代戰機的高智能、 多維度態勢感知能力。 具備更強的人工智能能力， 可有人/無人駕駛， 無人駕駛時機動能力更強， 并具有自主空戰能力。

(5) 強殺傷

實現新型火力打擊、 電子攻擊、 乃至賽博攻擊等軟硬手段的綜合利用， 以確保精確交戰的能力。 實現瞬時殺傷， 可能裝備包括定向能武器等在內的超大機載能源。

(6) 超敏捷

未來隱身能力、 強電磁干擾都將可能使雙方發現并鎖定對手的距離在100 km以內。 在強對抗條件下， 雙方可能均無法確保在超視距以外把對手徹底消滅干凈， 因此敵我雙方必定將抵近到纏斗范圍以內， 此時敏捷性將是第五代戰斗機需要具備的能力。

2 第五代戰斗機對機載武器的能力需求

分析第五代戰斗機對機載武器的能力需求， 需考慮到作為對抗性武器發展的特點， 即其發展要滿足和適應攻擊目標和戰場威脅環境的需要， 同時還受到空戰模式、 載機的需求牽引和制約。 此外， 還需充分認識到機載激光等顛覆性技術的影響， 因為這些顛覆性技術會影響和改變現有的機載武器發展譜系， 甚至會取代部分武器。

2.1 攻擊目標對機載武器的要求

第五代戰斗機的核心任務需求仍是奪取制空權， 面臨的是2030年前后的威脅環境。 其機載武器首先要能夠有效攻擊第五代戰斗機， 第五代戰斗機可能具有的全譜隱身、 高機動、 人工智能對抗等特點會對機載武器在反隱身能力、 機動性、 末端博弈能力等方面提出新的要求。

其次， 臨近空間將成為蓬勃發展的作戰域， 可以預見， 大量的偵察、 打擊、 電子對抗類的臨近平臺將出現， 因此第五代戰斗機機載武器需拓展作戰域到臨近空間， 具有空天一體的特征。

例如，教學《營養要均衡》一課時，以學校中學生身體狀況問卷為基礎，分析描述大部分同學的胖瘦除了遺傳因素以外，飲食是一個重要的因素。教師可要求學生對照均衡膳食“寶塔”并根據自身的實際情況制定相應的“生活作息表”或者“健康食譜”，選擇食物均衡身體所需要的營養。并嚴格督促學生將自己所制定的健康目標運用到自身實踐之中，這樣不僅能培養學生良好的生活習慣，還能促使學生課外活動以及生活方式都朝著良性健康的方式轉變。

再次， 無人機已經并將繼續成為重要的作戰平臺， 隨著分布式攻擊、 云計算、 人工智能等技術的發展， 無人機甚至可能改變空戰模式。 2030年前后， 人工智能技術的應用可能實現無人機自主空戰， 具有各種“特異功能”的無人機大量應用， 將對第五代戰斗機制空權的控制提出新的挑戰。

最后， 彈道導彈精確制導化、 微鈉衛星的發展， 使空天威脅更加嚴重， 第五代戰斗機可能會需要和地基、 海基平臺一起擔負起空天防御的任務。

2.2 載機對機載武器的要求

雖然很難準確描述20年后的載機需求， 但從作戰飛機的發展趨勢可以看出， 態勢感知、 隱身、 信息化網絡以及遠程武器將在飛機屬性中占有越來越重要的地位。

首先， 遠射程仍將是第五代戰斗機對機載武器的主要要求之一。 “先視先射先毀”仍將是空戰制勝的重要原則， 追求在敵方傳感器探測距離和武器攻擊距離之外完成武器發射依然是機載武器對抗的主要目標。

其次， 增加作戰使用靈活性、 實現空戰全面自由將是第五代戰斗機對機載武器的主要要求， 要求機載武器的智能化和自主化能力更強， 攻擊方式更加靈活。 采用“作戰云”的作戰概念打破飛機平臺、 傳感器和武器之間的硬連接， 以松耦合方式建立“探測-跟蹤-決策-打擊-評估”的“云殺傷鏈”。 武器和平臺、 傳感器之間通過戰場資源的高效管控、 數據的實時處理和分發共享， 在云端完成目標指示、 火力分配、 武器制導和毀傷評估。 平臺無需依賴自身傳感器數據進行目標引導， 武器無需利用某一傳感器數據進行制導， 降低了武器對末制導的部分能力要求。 機載武器制導方式將更加多樣， 可能實現“云制導”， 可以實現與海、 空、 天、 網絡層數據的跨域數據融合和武器協同。

再次， 由于大航程、 大武器載荷、 定向能武器的高能量供應等要求， 第五代戰斗機可能在體積上更大， 但高隱身的要求使得其武器仍以內埋方式為主， 平臺對大掛載數量的要求和武器高性能的矛盾依然存在， 特別是由于航程的增大， 要求武器在實現遠射程的同時體積更小、 重量更輕。

2.3 空戰模式和作戰環境對機載武器的要求

過去20多年發生的空戰證明了態勢感知能力的重要性， 而優勢態勢感知的構成要素——信息獲取和信息隱蔽， 與傳感器、 隱身和作戰網絡日益相關。 超視距交戰的比例逐漸增大， 預警機、 機載雷達、 數據鏈路和空空導彈的發展使得空戰交戰距離逐漸變大。 展望未來， 空戰的主要模式將向著遠距乃至超遠距方向發展， 遠距攻擊將成為空戰的主要模式， 中近距空戰將成為次要模式， 近距纏斗空戰的戰場環境越來越難以形成， 即使出現也會變成兩敗俱傷的廝殺。 制信息權將越來越重要， 占據了信息主動權的一方會使得戰場態勢感知單邊透明， 甚至實現“殺敵于無形”。 信息化網絡技術的發展可以實現戰場各種信息的高度共享， 機載武器將是戰場的一個信息化的攻擊節點， 限制機載武器實戰攻擊距離的將僅僅是能量投送。 此外， 分布式殺傷、 蜂群式攻擊等攻擊模式將不斷涌現， 要求機載武器在遠距攻擊過程中攻擊協同、 對抗智能， 達到體系效能最優。

戰場環境方面， 干擾環境越來越劇烈， 電子對抗成為空戰的常態， 而且在干擾和抗干擾的博弈中， 抗干擾由于技術難度的差異將始終處在下風。 要求機載武器要持續提高適應復雜戰場環境的能力， 減小對單一平臺、 單一信息源的依賴， 在信息不全情況下依然能夠有高概率殺傷能力。

2.4 顛覆性技術對機載武器的影響

顛覆性技術是具有革命性意義、 可“改變游戲規則”的重大技術。 該技術的發展會催生新的武器裝備， 最終改變作戰模式。 研究第五代戰斗機機載武器的發展， 必須對顛覆性技術在2030年前后的發展情況及可能實現的武器裝備能力進行預判。

從現在的發展情況看， 最可能改變空戰模式的顛覆性技術就是機載激光武器技術。 據報道， 美國空軍計劃2021年開始機載激光器的上機試驗， 提高激光器的威力、 準確度和瞄準速度， 將功率從10 kW提高到100 kW， 此后將陸續裝備到F-35等戰斗機上。 同時， 洛克希德·馬丁公司在2016年也高調宣布， 機載激光武器研制取得進展， 并預計2023年后會有大規模激光武器進入現役。 可以預見， 機載激光器將在2030年前后實現在戰斗機上的裝備， 執行自衛防御任務， 對來襲的導彈進行攔截。

表1是美國蘭德公司研究報告《空對空作戰趨勢及對未來空中優勢的影響》提出的新出現的作戰飛機屬性， 而且是越來越重要的屬性。

表1 新出現的作戰飛機屬性

3 第五代戰斗機機載武器設想

第五代戰斗機以奪取制空權/制天權為主要任務， 其配置的制空/制天武器可能包括以下三大類：

(1) 空空導彈

未來空空導彈的發展重點將轉向多目標超視距攻擊。 應具備打擊先進有人戰機、 無人戰機、 巡航導彈、 防空雷達等多種目標的能力， 執行不同的作戰任務， 具有高效能、 低采購成本(一種通用導彈型號至少可代替兩種舊導彈型號)的優勢。 在配合第五代戰斗機高隱身要求進一步小型化的同時， 其作戰能力繼續向遠程化發展， 達到400 km以上。

此外， 未來的空空導彈還具備跨域化和自主化能力， 能應對和打擊空天飛行器、 高超聲速飛行器等空天目標以及網電域作戰能力， 還可在極短的時間內進行數據融合、 處理和分析， 并智能地完成目標選擇， 實現打擊任務， 滿足戰時的及時性、 準確性和實效性需求。

(2) 激光武器

預計到2030年后， 機載激光武器將可在系統重量約束為1 000 kg的情況下實現150 kW以上的功率， 使得激光武器可集成到戰斗機上， 主要負責完成近距防御任務， 在10 km范圍內對戰斗機、 無人機、 巡航導彈乃至來襲導彈進行硬殺傷， 同時還可以具備一定的彈道導彈防御能力。

(3) 空天導彈

傳統航空領域與航天領域之間的界限日趨模糊， 空天一體化作戰必將成為未來空中戰場的基本特征。 第五代戰斗機需攜帶空天導彈和地面防空系統一同履行空天防御任務。 一方面， 需要發揮第五代戰斗機航程航時長、 機動部署靈活的特點， 攜帶機載反導導彈對彈道導彈進行攔截； 另一方面， 臨近空間飛行器尤其是高超聲速飛行器將大量出現， 需要第五代戰斗機攜帶機載反臨近空間高速飛行器導彈對X-51等臨近空間高超聲速目標進行攔截。

4 第五代戰斗機機載武器關鍵技術分析

未來新型戰斗機將由原來的單獨作戰裝備變為整體作戰體系中的一個節點， 是一個成長于空天一體新使命空間、 能適應復雜對抗環境、 具有空天地信息融合能力的多任務能力系統。 因此， 第五代戰斗機機載武器的能力需要在一系列關鍵技術上取得突破， 同時一些顛覆性技術可能會對武器裝備的結構和能力帶來革命性變化。

4.1 關鍵技術

(1) 多模導引技術——與單模導引頭相比， 多模導引頭可以獲取更為豐富的目標和作戰環境信息， 如紅外輻射信息、 不同頻段的雷達反射信息和輻射信息， 通過對這些信息的融合處理可大幅提高導引頭的探測能力和抗干擾能力， 這在未來的反隱身對抗和強電磁干擾環境下尤其重要。

(2) 可變氣動外形技術——隨著作戰任務的復雜化， 對機載武器的氣動外形要求越來越高， 可變外形技術是通過改變機載武器的結構和氣動外形以適應載機掛裝要求和作戰任務要求的技術。

(3) 多源信息網絡化制導技術——網絡化制導中， 機載武器可以接收戰區內多種己方目標提供的中制導信息， 比如其他作戰飛機、 預警機、 衛星等， 也可以利用彈間網絡信息實現多彈信息的共享、 融合及協同打擊。

(4) 極端射頻頻譜條件的可靠數據通信技術——以射頻、 天線、 數字處理等多種基礎技術為支撐， 根據實際使用環境， 自適應優化出最優的系統參數， 以達到在有限的資源占用下最大限度的提高作戰武器信息感知能力的目的， 實現數據鏈遠距離、 寬覆蓋范圍通信和強抗干擾能力。

(5) 快速響應控制技術——第五代戰斗機機載武器需要攻擊高空高速目標以及高敏捷性目標， 要求能夠實現對目標的不占位攻擊。 因此需要武器控制系統采用反作用射流控制等技術， 以具備更大空域條件下的快速響應能力。

(6) 先進的發動機技術——有效解決遠射程和小型化的矛盾是機載武器發展的不懈追求， 要求發動機具備更高的能量重量比。 同時第五代戰斗機機載武器的多任務要求還需要發動機具備更大空域和更高效、 更靈活的能量管理能力。 可控推力的沖壓發動機、 空氣渦輪沖壓發動機、 亞燃/超燃組合沖壓發動機、 脈沖爆震發動機將是重要的發展方向。

4.2 顛覆性技術

(1) 機載高能激光技術——高能激光武器能在很短的時間內發出高能激光束， 具有速度快、 命中精度高、 威力大、 不易受電磁干擾、 費效比低等優點。 高能激光作為機載武器使用的難點， 滿足靈活的空中作戰和高效毀傷要求， 滿足實戰要求， 涉及機載高功率激光器技術、 能源管理技術、 熱管理技術、 精密跟蹤瞄準技術等關鍵技術。

(2) 導彈人工智能技術——智能化導彈可具有類似于人的思維博弈能力， 可以自主感知態勢及變化， 自主采取包括機動、 抗干擾、 誘騙等各種措施攻擊目標。 智能模式識別、 智能化容錯控制、 智能化協同制導、 智能化形變、 智能化認知抗干擾、 戰場數據挖掘和智能決策、 智能毀傷是主要的研究重點。

(3) 微系統技術——微系統的大量應用將會對機載武器的小型化、 智能化和低成本化產生顛覆性的影響， 通過將傳統的傳感器、 處理器和伺服控制等系統一體化融合， 不僅能大幅降低機載武器的體積、 尺寸、 成本和功耗， 還能促進機載武器的智能化、 加速機載武器性能和作戰能力的全面提升。

(4) 太赫茲探測技術——太赫茲波介于毫米波與長波紅外波段之間(0.1～10 THz), 能以很少的衰減穿透如陶瓷等物質， 還可無損穿透墻壁、 煙霧， 具有很高的時域頻譜信噪比， 可大大降低惡劣天氣狀況和各種偽裝的影響。 太赫茲頻段帶寬寬、 傳輸速率高， 可極大拓寬無線電通信網絡帶寬， 實現大容量高速通信。 太赫茲雷達能夠獲取比微波雷達更清晰的目標外形特征， 從而提高目標圖像的分辨率。 在反隱身方面， 太赫茲避開了傳統的隱身材料吸波頻段， 通過對隱身飛機散射中心反射的回波進行逆向合成孔徑處理后， 能得到目標真實圖像， 對通過外形設計或是隱身材料實現隱身的目標均能實現有效反隱身。

5 結 束 語

第五代戰斗機的全新作戰概念和全新能力特征必將牽引帶動機載武器的創新發展。機載武器的發展依賴需求和技術的雙輪驅動，傳統技術的漸進性式發展和顛覆性技術的跳躍式發展將支撐并促進著第五代戰斗機機載武器的創新發展，必須未雨綢繆地提前布局，前瞻性分析未來作戰需求，系統性研究支撐發展的關鍵技術，才能在未來強強對抗中立于不敗之地。

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DevelopmentAssumptionsandKeyTechnologiesofAirborneWeaponsfortheFifthGenerationFighters

ZhangXue

(ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China)

The main part of air combat weapon system is comprised by fighters and airborne weapons. The development of threat environment and operational targets, requirements and constraints of airborne platforms, as well as the progress of science and technology are promoting factors of airborne weapons. At present, the military powers are exploring and studying the fifth generation fighters and their airborne weapons. Based on the developmont situation of the fifth generation foreign fighters, the requirements of new airborne weapons are analyzed, then its development assumptions are proposed. The key technologies and disruptive technologies that need to be broken through are summarized.

airborne weapons; the fifth generation fighter; key technology

航空兵器征稿簡則的補充通知為提高稿件及編校質量,使本刊的編排進一步規范化,從即日起,作者投稿時需提供完整真實的稿件題名、作者姓名及單位、文章摘要、關鍵詞、文章圖表、參考文獻等中英文對照信息。《航空兵器》編輯部2016年12月31日

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2017.04.002

2017-06-04

張雪(1984-)， 女， 河北承德人， 博士研究生， 研究方向為飛行器設計。

張雪. 第五代戰斗機機載武器發展設想及關鍵技術[ J]. 航空兵器， 2017( 4)： 8-13. Zhang Xue. Development Assumptions and Key Technologies of Airborne Weapons for the Fifth Generation Fighters[ J]. Aero Weaponry, 2017( 4): 8-13. ( in Chinese)

TJ760； V271.4

： A

： 1673-5048(2017)04-0008-06