高速直升機光電任務系統需求分析

霍苗苗 孫黎靜 李雷 谷曉星

（航空工業直升機設計研究所 天津市 300000）

當代科技迅猛發展，多年來通過對共軸旋翼、傾轉旋翼等相關技術的鉆研研究，傳統構型直升機突破固有氣動布局限制，在速度和航程方面已經取得重大突破[1-2]。直升機的飛行效率大大提升，發展為兼具良好機動性能和懸停性能的高速直升機，在軍事領域承擔著運輸支援、通信聯絡、搜索與營救等各種任務的執行。高速直升機飛行速度快、飛行高度低、隱蔽突防能力強，作戰優勢日益凸顯，成為軍用直升機領域發展的重要代表與技術制高點。

光電任務系統作為軍用武裝直升機重要的子系統，具備目標探測、識別、跟蹤、瞄準、火力指引等系列功能，為武裝直升機執行偵察監視、搜索營救、火力打擊等任務時提供強有力的技術支持。然而，目前國內光電任務系統所裝備的直升機平臺時速不超過350km/h，針對軍用高速直升機這種新型的作戰平臺，其響應速度、對遠距離目標的探測性能以及智能化識別方面均存在一定的局限性，需要結合高速直升機的作戰特點進一步開展光電任務系統需求分析，明確產品的功能、性能要求。

1 概述

光電任務系統在軍用高速直升機作戰平臺應用的研究，在國際上，以美國為首，已經開展較為成熟的研究，設計研發出新型光電任務系統，并已裝備在多型高速直升機上進行技術驗證。結合以美國S-97、V-280為代表的軍用高速直升機研制情況，探究新型作戰平臺下光電任務系統的技術發展路線，以此為基礎，總結提煉出軍用高速直升機對光電任務系統的能力需求，為高速直升機光電任務系統的研制工作提供一定的理論指導。

2 國外幾型高速直升機光電任務系統

2.1 S-97“侵襲者”光電任務系統(AN/AAS-52系列)

如圖1所示，S-97“侵襲者”是美國為滿足陸軍下一代輕型偵察、攻擊直升機要求所研發的一型高速直升機，是世界上首款采用復合式推進理念所設計的“共軸雙旋翼+后機身推進式螺旋槳”樣式獨特機型，滿足氣動布局要求。其最高時速超過480km/h，相當于美軍UH-60“黑鷹”運輸直升機時速的2倍，AH-64“阿帕奇”攻擊直升機時速的1.5倍，抵達和撤離戰場的速度優勢奠定了其在垂直起降輕型武裝偵察飛行器方面的領先地位。

從外形結構來看，S-97驗證機上所裝備的光電任務系統為雷神公司AN/AAS-52系列[3]，裝配于高速直升機的主要特點如下：

（1）光電轉塔為球形結構，安裝于飛機鼻錐部位。

圖2：F-35光電任務系統

（2）S-97采用復合輕型材料一體化機身，機身造型呈流線型，棱角圓滑，突出部分很少，不僅有利于減小飛行過程中的氣動阻力，提高巡航速度，還能有效降低RCS（敵方雷達反射截面積），大大提高隱蔽其突防能力和生存性能。光電任務系統作為重要的武裝偵察系統同外掛武器、起落架等一同與機體進行一體化綜合設計，為有效減小外露尺寸采用半內埋式安裝，并借助外部整流罩降低對載機氣動性能的影響。

（3）紅外、電視、激光等傳感器進行共光路一體化設計，系統集成度高。

（4）穩定平臺采用兩軸四框架穩定結構。

2.2 V-280“勇士”光電任務系統

V-280高速直升機于2017年完成首飛，時速可達560km/h，至今已經開展多輪試飛驗證工作，為美國第三代具備垂直起降和短距起降能力的傾斜旋翼機，V-22“魚鷹”直升機的升級版。相比V-22，其只需傾轉旋翼傳動裝置，發動機艙及噴口位置保持不變，一直朝向機身后方，實現更快速的垂直起降。同時，V-280在機體設計方面，相比V-22更輕巧精致，更多采用減少RCS的扁平化結構，降低被敵方雷達探測的可能性，提高隱身性能，反應機敏。

V-280驗證機上所裝配的光電任務系統為減小機體氣動阻力，采用半內埋式隱身化布局，傳感器內埋于機體內部，外部通過光學窗口與機體進行一體化綜合設計。系統構型同美軍F-35戰斗機所裝備的EOTS（Electro-Optical Targeting System）類似[4]。如圖2所示。

雖然EOTS由洛克希德﹒馬丁公司為固定翼飛機所研制，但其在技術方面的重大突破對高速直升機光電任務系統的研制方面具有前瞻性的指導意義。EOTS主要特點如下：

（1）世界上首款將前視紅外（FLIR）和紅外搜索跟蹤（IRST）功能結合于一體的傳感器；

（2）安裝于雷達罩之后、前起落架之前的機鼻下方，傳感器內埋于由七塊藍寶石面板玻璃所構成的多面體隱身光窗內[5]；

（3）系統尺寸大約為493×698×815mm，重量91千克,通過包覆聚烯烴的冷卻液管道制冷減小外形尺寸；

（4）系統光學結構為緊湊型單孔徑，通過系列反射鏡和棱鏡將光線引導至第三代紅外焦平面陣列和其他傳感器，而非直線光路，突破空間限制；

（5）利用先進的算法實現遠距目標探測識別，廣視角紅外搜索和激光光斑跟蹤功能。

3 高速直升機光電任務系統能力需求分析

3.1 氣動特性、隱身性改進設計需求

由于空氣粘性，直升機飛行速度越高在飛行過程中所受到的氣流擾動越大，氣動阻力（主要包括摩擦阻力和壓差阻力）會大幅度提升。為保證高速直升機作戰平臺的飛行速度，降低氣動阻力，需要盡可能高的保持直升機表面的光潔度，提升機體外部構件的流暢度，使得機身成平滑流線型，避免形成較大真空區。

與此同時，高速直升機的作戰區域主要在低空、超低空，這些區域存在地面防空火力、單兵便攜式武器等諸多威脅，非常容易遭受敵方武器攻擊。戰場環境中，各作戰單元生存能力的大小是戰爭能否取得勝利的關鍵因素，為提高高速直升機戰場生存力，保障作戰安全性，必須降低直升機被探測概率。

若按照常規構型的設計理念，機載光電任務系統多采用球星或鼓形結構，安裝在直升機前部下方區域，隨著產品功能的擴展，光電任務系統的體積和重量會急劇增加。一方面會給機身帶來較大的氣動阻力，另一方面也不利于高速直升機的整機電磁隱身。以美軍S-97“侵襲者”、V-280“勇士”高速直升機為代表，其光電任務系統同機體開展綜合一體化設計，在機身底部鼻翼下方采取半內埋式的安裝方式，減小機身突出部位。作為高速直升機重要的任務載荷，光電任務系統在兼顧自身功能、性能的基礎上與機體開展共性化設計是非常必要的。將系統整體或者部分隱藏在機身中，開發研制隱形光窗材料，設計光窗結構與直升機蒙皮共形，使平臺具備良好的氣動特性和隱身性能。

3.2 遠距探測識別與系統集成度需求

坦克、裝甲車輛等作戰單元是高速直升機的典型作戰對象，復雜戰場環境下高速直升機需要具備更好的機動性和更大的作戰響應范圍。這些特點對光電任務系統提出了新的需求，光電傳感器需要進一步提升遠距探測識別能力，實現“先敵發現，精準攻擊”，提高任務執行可靠性，保障作戰效能。

顯然，傳統構型中傳感器所采用的分立式布局在系統體積尺寸和外形布局受限的情況下，無法通過增大系統重量、體積以及擴展光學系統孔徑等方式提高探測識別距離。如S-97、V-280所示，光電任務系統需要達到更高的集成度，系統的光學結構、傳感器和電子組件采用緊湊式布局，開展傳感器多波段共光路光學系統設計，多波段共用同一光學孔徑，通過增大光學孔徑既能提升光電任務系統探測、識別分辨率又能避免系統體積和重量的增長，在保證產品自身性能的同時滿足共形設計需求。

3.3 智能化發展需求

軍用高速直升機肩負著對地/海面目標高效偵察、精確打擊的使命，但是目前直升機對目標自動識別的準確率低，對飛行員依賴較強，造成飛行員在任務執行過程中負擔重，人機工效較差。

為了快速感知戰場態勢，幫助飛行員減輕任務負擔，針對戰場區域典型目標，高速直升機需要具備快速且智能化的探測、識別能力。利用人工智能技術不斷豐富目標庫，改進智能識別算法，開發多目標檢測與跟蹤處理軟件算法，實現對目標的智能化的檢測、分類識別以及多目標跟蹤、定位功能，輔助機上操作人員快速感知戰場態勢，促進高速直升機綜合作戰效能的提升。

4 結束語

本文通過分析高速直升機的作戰特點及傳統構型光電任務系統面對新型作戰平臺的不足之處，結合國內外高速直升機光電任務系統的研究進展和技術路線，提出了軍用高速直升機光電任務系統的發展需求，對高速直升機光電任務系統的發展提供一些借鑒和參考。