近距格斗空空導(dǎo)彈Up-Look模式大離軸角目標(biāo)截獲研究*

裴宇肖,明寶印,郭 軍,陳萬春

(1 北京航空航天大學(xué),北京 100191;2 空軍裝備研究院裝備總體論證研究所,北京 100076)

0 引言

近距空空導(dǎo)彈的使用方式歷經(jīng)了:a)定軸瞄準(zhǔn)/定軸發(fā)射;b)定軸瞄準(zhǔn)/離軸發(fā)射;c)定軸掃描/離軸發(fā)射;d)離軸隨動/離軸發(fā)射四種使用方式[1]。第4代近距空空導(dǎo)彈采用的是戰(zhàn)術(shù)靈活性較大的離軸隨動/離軸發(fā)射方式,可以攻擊離軸角達到90°的目標(biāo)[2-4]。但是一般來講載機雷達[5-7]或者頭盔瞄準(zhǔn)具[8-10]可以指引導(dǎo)彈截獲一定離軸角范圍內(nèi)(通常±60°)的目標(biāo),對于大離軸角(60°～90°)的目標(biāo)只能依靠載機機動占位減小離軸角再截獲。可以看出這種截獲方式不能充分發(fā)揮空空導(dǎo)彈的優(yōu)良的離軸性能。相關(guān)文獻資料表明,目前美軍大規(guī)模裝備的聯(lián)合頭盔顯示器(JHMCS)設(shè)置了Up-Look準(zhǔn)心,可以輔助導(dǎo)彈截獲大離軸角目標(biāo),實現(xiàn)大離軸角發(fā)射,具有較大的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢[11]。文中總結(jié)分析了JHMCS的Up-Look準(zhǔn)心布局和演變規(guī)律;通過對典型作戰(zhàn)態(tài)勢的仿真論述了近距空空導(dǎo)彈大離軸角截獲目標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢;并且結(jié)合戰(zhàn)斗機截獲大離軸角目標(biāo)的機動形式和飛行員觀察目標(biāo)的習(xí)慣提出了準(zhǔn)心布局演化的可能原因。

1 輔助實現(xiàn)離軸發(fā)射的Up-Look準(zhǔn)心

美軍大規(guī)模裝備F-15和F-16戰(zhàn)斗機的聯(lián)合頭盔顯示系統(tǒng)JHMCS的顯示界面包含主顯示器和Up-Look準(zhǔn)心,如圖1所示。其中主顯示器位于視線正前方,Up-Look準(zhǔn)心和主顯示器呈一定角度。

主顯示器的準(zhǔn)心和Up-Look準(zhǔn)心都是用來輔助導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)的。當(dāng)飛行員透過準(zhǔn)心觀察到目標(biāo)時,飛行員的視線和彈目視線基本相同,機載火控系統(tǒng)計算得出當(dāng)前飛行員視線的角度,經(jīng)過一定的解算及補償,驅(qū)動導(dǎo)引頭跟蹤這個角度,導(dǎo)引頭就能夠迅速地截獲目標(biāo)。

有可能是出于實際空戰(zhàn)大過載機動對飛行員動作限制的考慮,除主顯示器的準(zhǔn)心外,JHMCS左右各設(shè)置一個Up-Look準(zhǔn)心。這是因為在大過載下由于抵抗過載頭部活動范圍受到限制,主顯示器準(zhǔn)心(飛行員正視的方向)只能指向一定范圍內(nèi)的目標(biāo),對于大離軸角的目標(biāo),主顯示器準(zhǔn)心就無能為力了。設(shè)置了Up-Look準(zhǔn)心,在頭位活動達到極限之后,飛行員可以通過眼球的轉(zhuǎn)動借助Up-Look準(zhǔn)心瞄準(zhǔn)目標(biāo),擴大了航電系統(tǒng)對飛行員視線的感知范圍,能夠輔助導(dǎo)彈截獲目標(biāo)。

Up-Look準(zhǔn)心發(fā)展到JHMCS這種布局是經(jīng)過長期使用,緊貼實戰(zhàn)需求不斷改進而來的。

1)早期的頭盔顯示器由于與之配合三代彈最大離軸角較小,頭部活動的范圍已經(jīng)能夠滿足要求,因此與之對應(yīng)的DASH頭盔只有主顯示器,并沒有Up-Look準(zhǔn)心。

2)F-16裝配過的HMCS(Helmet Mounted Cueing System)顯示面罩上已經(jīng)有了Up-Look準(zhǔn)心,其Up-Look準(zhǔn)心布置在主顯示器正上方約30°位置,如圖3所示。當(dāng)飛行員觀察位于載機正上方(90°)的目標(biāo)時,仰頭大概能夠達到60°,眼球抬動30°使用Up-Look準(zhǔn)心就可以套住目標(biāo)。但是在這一過程中飛行員必須向正后方仰頭觀察目標(biāo),實際上大過載機動中飛行員很難保持向正后方仰頭的姿態(tài)。

3)最終廣泛裝備部隊輔助第四代近距空空導(dǎo)彈實現(xiàn)大離軸角發(fā)射的JHMCS有兩個Up-Look準(zhǔn)心,和飛行員正視視線俯仰方向的夾角大約30°,與HMCS相同;但在方位上JHMCS Up-Look準(zhǔn)心和主顯示器也有一個類似的偏差(見圖1)。俯仰方向的夾角是用來補足頭位運動限制的,而方位方向夾角可能是考慮到載機截獲大離軸角目標(biāo)的機動以及在這種機動中飛行員觀察目標(biāo)的習(xí)慣。

2 大離軸截獲目標(biāo)時間優(yōu)勢分析

Up-Look準(zhǔn)心可以輔助導(dǎo)彈截獲大離軸角的目標(biāo),實現(xiàn)大離軸角發(fā)射,在瞬息萬變的近距格斗中給載機帶來時間優(yōu)勢。文中分析了在典型格斗態(tài)勢下大離軸角發(fā)射帶來的截獲時間優(yōu)勢。

2.1 典型的戰(zhàn)斗機格斗態(tài)勢

在空戰(zhàn)中若載機和目標(biāo)迎頭相遇,由于相對速度較大、目標(biāo)頭部紅外特征較弱以及紅外干擾等原因,迎頭攻擊導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)比較困難,因此迎頭相遇攻擊難度較大,載機和目標(biāo)機容易“擦身而過”。載機和目標(biāo)機錯過之后,雙方都試圖通過機動將對方置于前半球,所以在飛行員喪失迎頭攻擊的機會之后很可能拉過載持續(xù)轉(zhuǎn)彎以瞄準(zhǔn)目標(biāo),因此單環(huán)戰(zhàn)和雙環(huán)戰(zhàn)的模型雖然簡單但是對于空戰(zhàn)有一定的代表意義和研究價值。

所謂單環(huán)戰(zhàn)就是目標(biāo)機和載機錯過之后同時向一個方向拉過載,雙方的軌跡像一個環(huán),因此稱為單環(huán)戰(zhàn);雙環(huán)戰(zhàn)是雙方拉的過載方向相反,戰(zhàn)機軌跡各自像一個環(huán)。

文中通過仿真分析單環(huán)戰(zhàn)和雙環(huán)戰(zhàn)來表明實現(xiàn)60°～90°離軸截獲目標(biāo)能夠給載機帶來對空戰(zhàn)具有重要意義的時間優(yōu)勢。

2.2 單環(huán)戰(zhàn)和雙環(huán)戰(zhàn)的建模及仿真

仿真中假設(shè)在4 000 m高,距參考點水平距離6 000 m載機與目標(biāo)迎頭相遇,載機向右運動,目標(biāo)機向左運動。迎頭錯過之后雙方均豎直向上拉過載形成單環(huán)戰(zhàn)的態(tài)勢,如圖5所示(下列公式和圖中的1代表目標(biāo),2代表載機)。

(1)

為了單純分析離軸性能帶來的優(yōu)勢,在仿真中假設(shè)目標(biāo)和載機的發(fā)動機推力能夠保持各自速度和過載不變,在近距格斗中為了獲取最大的轉(zhuǎn)彎角速度,戰(zhàn)斗機會提前把速度控制在合適的范圍,在仿真中假定目標(biāo)機和載機的速度均為0.9Ma,目標(biāo)過載取7,載機過載在6～9取值,兩次仿真中載機離軸截獲能力分別取60°和90°,統(tǒng)計載機具有不同過載能力時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)所需要的最短時間。仿真結(jié)果如圖6、圖7,

表1 單環(huán)戰(zhàn)不同離軸性能載機截獲目標(biāo)時間(單位:s)

圖中折線代表截獲時的目標(biāo)視線。

表1中統(tǒng)計的時間代表載機具有不同的離軸性能時截獲目標(biāo)所用的最短時間。對于雙環(huán)戰(zhàn),也有類似的仿真結(jié)果,分別假定載機離軸截獲能力為60°和90°,仿真統(tǒng)計載機具有不同過載能力時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)所需要的最短時間。

表2 雙環(huán)戰(zhàn)不同離軸性能載機截獲目標(biāo)時間(單位:s)

離軸截獲載機過載6789t1=60°21.9418.2415.2212.97t2=90°16.5313.3911.139.49t1-t2t1/%24.6626.5926.8726.83

從統(tǒng)計結(jié)果可以看出:

1)如果載機和目標(biāo)航電系統(tǒng)具有相同的離軸截獲目標(biāo)能力,那么載機和目標(biāo)可用過載越大,在截獲時間上越占優(yōu)勢;

2)載機離軸截獲能力增加到90°,相較于載機、目標(biāo)機離軸截獲能力相同的情況,截獲時間減少約2～4 s,不同過載情況下減少24%以上時間。

上述分析表明,近距格斗中離軸性能在某種意義上起到類似機動能力的效果,離軸性能強能夠使載機率先截獲目標(biāo)。在激烈的近距格斗中,擁有時間優(yōu)勢就意味著能夠先敵鎖定、先敵發(fā)射,增加取勝的可能。因此弄清楚Up-Look準(zhǔn)心輔助導(dǎo)彈截獲大離軸角目標(biāo)的工作原理及布局原因很有必要。

3 Up-Look準(zhǔn)心布局演變的可能原因

在實際的空戰(zhàn)中為了觀察和截獲目標(biāo),載機會通過機動使得機頭方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)。相比于方向舵,載機的升降舵能夠更快地改變機頭的指向,因此在格斗過程中,當(dāng)目標(biāo)離軸角太大不便于觀察和鎖定時,飛行員通常用滾轉(zhuǎn)將目標(biāo)置于座艙正上方,拉過載將機頭指向目標(biāo)(見圖8),這樣的機動能夠使載機獲得以最短時間獲得截獲目標(biāo)的機會。

在前面單環(huán)戰(zhàn)和雙環(huán)戰(zhàn)的仿真中我們假定載機和目標(biāo)都采用拉過載(升降舵)方式進行快速轉(zhuǎn)彎。這種情況下飛行員需要觀察位于座艙蓋正上方的目標(biāo)。頭部仰起限制大約是60°[12],使用Up-Look準(zhǔn)心眼球再向上轉(zhuǎn)動約30°就可以觀察90°的目標(biāo)。所以不難理解HMCS和JHMCS頭盔的Up-Look準(zhǔn)心在俯仰方向都和主顯示器有30°的夾角。

上述分析解釋了HMCS和JHMCS的Up-Look準(zhǔn)心在俯仰方向和主顯示器的夾角,但是HMCS和JHMCS Up-Look準(zhǔn)心的區(qū)別(見圖9)——方位方向的差別單純用增加頭盔的離軸性能難以解釋。而這種區(qū)別卻很有可能是極為重要的,是經(jīng)過美軍大量應(yīng)用之后貼合實戰(zhàn)對Up-Look準(zhǔn)心進行的改進。文中從實戰(zhàn)的角度出發(fā)對方位方向的夾角的原因及角度的確認進行分析。

在截獲大離軸角目標(biāo)的格斗過程中,為了快速鎖定目標(biāo),載機經(jīng)常采取“滾轉(zhuǎn)+升降”的機動方式,以載機為參考系,“滾轉(zhuǎn)+升降”機動方式下飛行員需要在大過載情況下觀察一個位置從側(cè)方逐漸變?yōu)轭^頂上方的目標(biāo)。假定初始時目標(biāo)位于載機右側(cè),離軸角大概90°,下面分析一下在載機截獲目標(biāo)過程中飛行員觀察目標(biāo)的動作。

飛行員目視觀察到大離軸角目標(biāo)之后,出于連續(xù)觀察和抗過載考慮,飛行員身體向右偏轉(zhuǎn)同時頭部向右轉(zhuǎn)動觀察目標(biāo)(圖11狀態(tài)1),隨著戰(zhàn)機滾轉(zhuǎn)目標(biāo)逐漸移動到載機正上方位置,飛行員頭部保持向右偏轉(zhuǎn)并逐漸仰頭(狀態(tài)2),同時依靠左肩對后腦勺的支撐能夠抵消大過載動作對頸部肌肉的拉伸,這種姿勢下飛行員看向位于載機正上方目標(biāo)的視線和頭顯投影面的交點就應(yīng)該視為人機交互最為良好的Up-Look準(zhǔn)心的位置。不難想象這個交點在方位和俯仰上和主顯示器準(zhǔn)心(視線正前方)都有一定的夾角,這可能就是JHMCS頭盔顯示器上Up-Look準(zhǔn)心位置的來源。

4 結(jié)束語

文中從近距空空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)出發(fā),總結(jié)了美軍實現(xiàn)大離軸角截獲采用的頭盔顯示器上Up-Look準(zhǔn)心布局的演變;分析了典型格斗態(tài)勢下離軸性能加強給載機帶來的截獲時間上的優(yōu)勢;并結(jié)合載機截獲大離軸角目標(biāo)的機動形式和飛行員觀察目標(biāo)的習(xí)慣分析了Up-Look準(zhǔn)心布局演變可能原因,對我國頭盔顯示器的發(fā)展具有一定的參考價值。