x战警天启看不了:F-35 的电子战系统

F-35 的电子战系统钱锟
刊载于 2006 年 22 期《国际展望》
文章的主要资料来自美国的《AVIONICS》刊物，图片通过不同渠道收集
钱锟的博客http://blog.sina.com.cn/u/1279609851
相关资料：细品 F-35
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从这张难得的 F-35 战斗机起飞的图片中，我们终于看清了位于 F-35 腹部的 AAS-37 光电分布孔径传感器系统（EODAS）观察口，用红色标出，F-35 战斗机上共装有 6 个 EODAS 系统观察口，通过它，可以为飞行员形成一个360度无死角全景视野，飞行员可以看透飞机座舱的底部和侧部
F-35的综合电子战系统（IEWS）具有雷达告警、信号收集和分析，被动式辐射定位和电子对抗能力，该综合电子战系统与战斗机的机载有源相控阵雷达和光电传感器系统高度融合。其设计目的就是最有效地向飞行员提供战场态势，从而使F-35在战场上远离危险的境地。
电子战系统（EWS）在现代空战中的作用显得越来越重要，电子战包括对敌方信号的收集，辨别和定位，以便提前探测敌方的雷达和来袭导弹，并实施相应的反制措施和对抗手段瓦解敌方的作战能力。虽然美军配备有专门的电子战飞机（例如空军的 EF-111 和海军的 EA-6B），但是 F-35 战斗机仍然装备了功能强大的综合电子战系统，以便能够同时处理空对空和空对地的电子战任务。F-35 的电子战争系统能够极大地增强飞行员对战场态势的感知能力，并可以对敌方空中和地面的目标进行准确地辨认、定位、跟踪和打击。
F-35 的航电系统设计师试图将战斗机的航电系统综合化程度提高到一个非常高的水平——其电子战系统和飞机的各个任务子系统高度融合。BAE 系统公司的 F-35 项目主管兼 F-35 战斗机电子战系统设计师马克.德雷克（Mark Drake）解释到：“我们用老旧的 F-14 战斗机打个比方，F-14 战斗机装备的是联合式电子战系统（FEWS），飞机上有一个专用的模块用于容纳雷达告警接收机（RWR），而另一个模块用于容纳干扰箔条散布器；飞行员在一个多功能显示器上控制机载导弹的发射，而在另一个多功能显示器上对战场环境进行监视，也就是说飞行员就是最后的信息综合处理器（CIP），其工作量异常巨大。相反的，F-35 的电子战系统大为简化了飞行员的工作量，在 F-35 航电系统设计之初，工程人员就提出将飞机的电子战系统和飞机的各个任务子系统高度融合。
洛克希德.马丁公司 F-35 航电系统负责人艾利克.布朗杨（Eric Branyan）说道：“虽然 F-35 并不是第一种装备综合式电子战系统的战斗机（在它之前，F-22A 就拥有了综合式电子战系统），但是 F-35 战斗机上的电子战系统带来了一次技术上的革命，它使得战斗机上各种电子战子设备可以联合起来运作。F-35 上先进的光纤高速数据总线系统和共用综合处理器（ICP）可以处理大量的信息，并将经过过滤的信息以最简洁的方式显示给飞行员，从而大幅度地减小了飞行员的工作量，使他们能够将更多的精力集中于空战中的战略和战术运用上，这就是 F-35 战斗机最大的优势。”

F-35 的电子战系统示意图，F-35 的综合电子战系统可以为飞机提供全向、宽频的保护。6 个低可视度电子战天线被内嵌入飞机结构之中，它们分别被嵌入主翼的前、后缘和水平尾翼的后缘。一个天线能够识别敌方雷达的工作模式，还有两个天线则可以确定敌对雷达辐射电磁波的入射方向，而另外三个电子战天线是为四通道宽频电子战接收机

当 F-35 的头盔显示器代替普通战斗机上的“平显”功能时，其视场范围是 40 度×30 度
高度综合化的电子战系统
F-35 的电子战系统综合了机载 AN/APG-81 有源电扫相控阵雷达（AESA），通信、导航、识别系统（CNI）和光电分布式孔径系统（EODAS），F-35 的电子战系统拥有大量专用天线，当然机载有源相控阵雷达的也可为电子战系统服务，例如 AESA 可执行电子战支援和信号收集、分析的任务。由于 AESA 能够提供非常强的定向射频（DRF）输出能力，F-35 可利用其综合电子战系统中的雷达告警接收机（RWR）与 APG-81 相配合工作，雷达告警接收机能为 APG-81 雷达提供敌机精确的目标方位指示，在此指示下，APG-81 雷达可以不采用大空域扫描方式，而采用 2°×2°（方位×俯仰）的针状窄波束对所指示的方向进行精确扫描，在减小被截获概率的同时提高搜索效率。即 F-35 的电扫相控阵雷达完全在电子战系统的控制之下对敌机进行定向扫描，从而大大提高了 F-35 的战场生存能力。
和老旧的联合式电子战系统（FEWS）相比，综合电子战系统（IEWS）的体积更小，重量更轻，对电力系统的要求更低，并且成本低廉，IEWS 可大幅度增强现代战斗机的战场生存能力。综合电子战系统通过和机载 AESA 雷达系统交联，即提高了雷达的工作效能，又缩短了综合电子战系统的反应时间。艾利克.布朗杨说道：“F-35 的机载综合电子战系统和相控阵雷达系统的结合非常完美！”
F-35 的机载综合电子战系统的综合化水平是世界上所有战斗机中最高的，通过 F-35 的综合核心处理器（ICP），其综合电子战系统不仅和 APG-81 雷达相交联，还和其它的机载任务传感器相连通。当电子战系统的综合化程度达到了这个水平的时候，其机载光电分布式孔径系统（EODAS）传感器也可支持电子战系统的对抗措施。虽然基于射频（RF）信号的电子战系统和基于红外（IR）信号的分布式孔径系统是在不同的电磁波频率范围内分开地运作的，但是，通过功能强大的机载综合核心处理器，它们也可以交联在一起进行工作。以前，在老旧的战斗机上，电子战系统的传感器和红外光电侦测系统的传感器是互相独立工作的，飞行员要分别操作电子战系统和光电侦测系统的传感器来探测到的威胁目标，并在座舱内不同的显示器上读取不同传感器的探测到的不同信息，其工作量过大。而 F-35 上的高度综合化的电子战系统可以将各种不同的传感器交联起来，并自动对比各种传感器探测到的威胁目标，经过信息过滤后，自动将最佳结果显示给飞行员，这极大的减轻了飞行员的工作负担。如此高的自动化水平使飞行员更为高效地掌握战场态势，从而大大缩短了飞行员实施电子对抗措施的决策和反应时间。

AA-1 号 F-35 的座舱特写，可见其人机界面十分简洁，以前战斗机座舱里的仪表盘和各种仪表都完全消失了，取而代之的是一块大型的彩色数字式触摸式液晶显示器，给人一种异常“简约”的感觉

F-35 座舱内的触摸式大型平板显示器的 4 中显示模式，可见其显示窗口大小可以任意调解

于今年 3 月在 F-35 航电系统实验室首次公开亮相的 F-35 的先进头盔综合显示器（HMD）
F-35 上的综合核心处理器能够将各种传感器通过光纤数据总线传输来的各种数据进行汇总、整理、选择和过滤，并将处理器过滤后的最有效信息传输给飞行员。从而使得飞行员方便地掌握战场态势，飞行员可以根据综合电子战系统提供的信息选择最合理的作战方式，即选择规避、接触、对抗或者消灭敌方目标。
洛.马公司国际项目经理乔.沃德诺普（Jon Waldrop）说道：“通过和战场指挥和控制节点（例如预警机）相交联，F-35 的电子战系统将确保不遗漏战场上的任何敌方目标，从而使孤立在飞机座舱中的飞行员对战场态势拥有最全面的了解。” 艾利克.布朗杨预言道：“F-35 的高度综合化电子战系统的性能将不亚于 F-22A，但是由于 F-35 的电子战系统更多的采用了民用超现成技术，所以其可靠性超过 F-22A 上 IEWS 一倍以上，而其成本只有 F-22 上 IEWS 的一半。”
F-35 的综合电子战系统是全数字式的，因此其设备尺寸、重量和耗电量都比 F-22 上的同等设备要减小很多，同时其综合核心处理器（ICP）的运算速度和准确性也比 F-22A 上的 CIP 更高。F-35 上的综合核心处理器的运算速度高达 1 兆次/秒（F-22A 上的共用综合处理器的运算速度为 105 亿次/秒，也就是说 F-35 战斗机上核心处理器的运算速度是 F-22A 上处理器运算速度的十倍——译者注），并且在 F-35 形成战斗力时，其 ICP 内存保留有容量扩大一倍的能力。乔.沃德诺普说道：“洛.马公司在 F-35 上选择了基于民用技术的综合核心处理器，这样和 F-22A 上的 ICP 相比，其成本大为降低，而性能大为提升。”
德雷克说道：“F-35 的综合电子战系统可以为飞机提供全向、宽频的保护。如果你绕着 F-35 飞机走一圈的话，你不会发现任何外凸的电子战天线，因为我们将 6 个低可视度电子战天线内嵌入飞机结构之中，它们分别被嵌入主翼的前、后缘和水平尾翼的后缘。这 6 个电子战系统天线对于 F-35 战斗机的雷达隐身特性非常重要，其中一个天线能够识别敌方雷达的工作模式，还有两个天线则可以确定敌对雷达辐射电磁波的入射方向，而另外三个电子战天线是为四通道宽频电子战接收机（four-channel wideband EW receiver）工作的。”
由 APG-81 有源相控阵雷达支持的各种任务传感器和电子战系统将首先探测到敌方目标，随后 F-35 上的光电跟踪系统（EOTS）内的激光测距仪将对目标进行探测。F-35 的机载相控阵雷达和电子战系统将在射频领域紧密合作：在综合电子战系统被动侦测系统（例如雷达告警器）的指示下，F-35 的机载相控阵雷达将对远距离目标进行快速而精确的定向扫描（针状窄波束精确扫描）。
F-35 的机载雷达告警器能够分析、鉴别和跟踪敌方雷达信号，区分敌方雷达的工作模式，并能够对敌方雷达进行精确的定位。通过识别敌方雷达在信号特征（例如不同的频率、脉冲宽度和脉冲重复频率等）上的差异，F-35 的综合电子战系统可以区分敌方不同的雷达型号；而区分敌方雷达的工作模式相对比较困难，这要根据美军已经掌握的敌方各种雷达的不同工作模式下的信号特征来鉴别，这就需要强大的数据库系统的支持。
F-35 战斗机的自我保护系统包括分管射频（RF）、红外（IR）对抗措施的两部任务管理器，而在 F-35 的后机身装有红外干扰弹发生器和雷达干扰箔条散布器，F-35 上先进的红外干扰弹散布器在体积上比它的前辈们要小得多，但是它却可以携带更多的红外干扰弹，以满足未来战场上高强度红外对抗的要求。F-35 的电子战系统在可靠性和可维护性上比它的前辈有了大幅度的提高，洛.马公司宣称其平均故障时间间隔高达 440 小时，而 F-35 的机载自我诊断和故障隔离系统可以自动地为地勤保障人员提供故障信息和数据，由于 F-35 的电子战系统采用了模块化设计思想，所以地勤人员可以通过更换外场可更换模块（LRU）的方法，迅速地排除 F-35 战斗机电子战系统的故障。这样极大的简化了 F-35 战斗机的后勤保障难度，并大幅提高了战斗机的出勤率和完好率，成倍地增加了 F-35 战斗机的作战效能。

APG-81 有源电扫相控阵雷达工作示意图，可见其拥有众多的对空和对地工作模式，其雷达探测到的战场态势还可以通过战术数据链系统在整个 F-35 编队之间进行共享

F-35 上光电跟踪系统（EOTS）工作示意图，可见它不仅可以用来探测空中目标，还可以用来探测地面目标。其在对地面目标的前视红外成像可将目标放大 4 倍，以求得到分辨率较高的红外图像。另外 EOTS 系统还具有激光定位和标准的能力，并引导激光指导武器打击地面目标

综合电子战系统的试验
六年前，洛.马公司选择了英国 BAE 系统公司作为 F-35 战斗机的电子战系统总承包商，合同规定其发展周期为 10 年。布朗杨说道：“到目前为止，BAE 系统公司已经用了 4 年多的时间来研发 F-35 的电子战系统，BAE 系统公司已经基本完成了设计工作，并基本满足洛.马公司的需求。接下来，BAE 系统公司的工作重点将转移到该综合电子战系统的地面试验和飞行试验上来。”
目前，首架 SDD 型 F-35 战斗机（AA-1）已经于去年 2 月在洛.马公司位于德克萨斯州的沃兹堡工厂完成了最后总装，在经过一系列严格的地面试验后，2006 年 12 月进行了首飞，从而揭开了F-35战斗机的飞行试验阶段的序幕（据估计 F-35 项目在 SDD 阶段共需要进行约 7,000 个架次的试飞）。但是最初的 7 架 SDD 型 F-35 试验样机的主要试飞科目是验证 F-35 的飞行品质、操纵性和稳定性、并拓展 F-35 的飞行包线，可能也会适当地进行一些武器投放试验。因此，这 7 架战斗机上将仅仅只安装最基本的航电设备，即仅安装支持基本通讯和导航的电子设备就可满足飞行试验要求。
05 年 7 月，BAE 系统公司已经将其设计的 F-35 综合电子战系统安装到了一架 T-39 双发商务机上进行了飞行试验，试验是在位于美国加利福利亚州的“中国湖”海军航空武器测试中心进行的。德雷克说道：“为了验证 F-35 的电子战系统的性能，我们事先在地面上设置若干的雷达信号发生器，然后让装有 F-35 电子战设备的 T-39 飞机在空中收集射频模拟威胁信号，以模拟 F-35 战斗机对抗敌方地面防空系统的情况，试验结果证明 F-35 的电子战系统的性能超出了我们的预料。”
0.5 批次（Block0.5）的电子战系统
在中国湖试验场进行的试验证明了 BAE 系统公司设计的电子战系统具有相当的成熟性，该系统已经投入试生产阶段。BAE 系统公司试生产阶段的电子战系统将在位于美国新罕布什尔州的纳什华（Nashua）进行测试。
目前，洛.马公司的沃兹堡工厂已经接收了第一套综合电子战设备，即 0.5 批次（Block0.5）的电子战系统，该批次是最初的装机电子战系统，BAE 系统仅提供了部分电子战系统硬件和大约 35％的软件。但是，这对于 F-35 的飞行品质试飞和拓展飞行包线科目来说，已经够用了。按照计划，BAE 系统公司将在 2007 年开始交付功能更为强大的 1.0 批次（Block1.0）的电子战系统，Block1.0 的电子战系统软、硬件设备齐全，安装了 Block1.0的 电子战系统的 F-35 战斗机将有望形成初始作战能力（IOC），洛.马公司希望将 Block1.0 的电子战系统安装到低速率初始生产型（LRIP）的 F-35 战斗机上，以便美国空军对 F-35 战斗机进行操作试验与评估（OT&E）。
洛.马公司计划在模拟环境中测试 Block0.5 的电子战系统，洛.马将在 F-35 战斗机的飞行仿真模拟器中对其电子战系统进行测试，工程人员将在模拟器中输入敌方雷达的射频信号，以考核 F-35 的电子战系统能否辨认、跟踪和对抗敌方的雷达，据报道，在 F-35 的电子战系统进行的仿真模拟试验中，有 1,400 次计算机模拟试验是对抗红外制导导弹，而另外 250 次则是模拟对抗雷达制导导弹，相对于实际的飞行试验而言，电子战系统的计算机仿真模拟试验要便宜得多。除了模拟器试验之外，洛.马公司还将在一个户外的全尺寸 F-35 飞机模型上对电子战系统进行测试，该全尺寸模型通过一个塔台被固定在高空，电子战系统将被安装到这个模型上，其他的飞机在空中使用雷达照射这个模型，这样洛.马就可以在真实的环境中测试 F-35 的电子战系统。布朗杨透露：“F-35 的电子战系统的飞行试验计划将在 2007 年春季展开，届时，F-35 的电子战系统将和其他传感器一起安装到洛.马的 F-35 航电系统试验机（其平台是波音 737 飞机）上进行试验。”

洛.马公司还将在一个户外的全尺寸 F-35 飞机模型上对电子战系统进行测试，该全尺寸模型通过一个塔台被固定在高空，电子战系统将被安装到这个模型上，其他的飞机在空中使用雷达照射这个模型，这样洛.马就可以在真实的环境中测试 F-35 的电子战系统
BAE 系统公司将在 2007 年 3 月向洛.马交付功能完善的电子战系统，而 SDD 型的 F-35A 战斗机计划在 2008 年冬季开始进行电子战系统的飞行试验科目。据悉，装备美军和其他 JSF 项目参与国的 F-35 战斗机上的电子战系统将没有差别。

设在洛.马公司 JSF 项目航电实验室中的 F-35 飞行模拟器

装载 APG-81 有源电扫相控阵雷达（AESA）进行飞行试验的 BAC 111 电子试验机
电子战系统的优化设计
据 BAE 系统公司 F-35 项目的副总负责人丹.格布尔（Dan.Gobel）介绍：“F-35 的电子战系统在发展之初就充分考虑到了可支持性的要求，在项目开始的时候，我们就制定了研制目标，当项目进入关键设计评审（CSR）阶段时，我们研发的电子战系统的结构重量比预计的目标轻了 10％。”去年，BAE 系统公司证实其开发的电子战系统的重量仅为 185 磅（84 千克）。
在 F-35 的电子战系统开发过程中，英国 BAE 系统公司借鉴了许多以前的成熟技术和经验，例如，BAE 系统公司曾开发了 F-22A 战斗机上的 AN/ALR-94 雷达告警器和其他电子对抗子系统，在 F-35 的电子战系统开发过程中，BAE 系统公司充分借鉴了在开发 F-22A 电子战系统中得到的经验。德雷克说道：“F-22A 和 F-35 战斗机的电子战系统不仅存在着继承性，而且存在着关联性，所以其发展是互相借鉴、互为补充的，我们从 F-22A 的试飞和发展过程中得到的经验会用在 F-35 电子战系统的开发之中，当然，F-35 电子战系统技术上的突破反过来也会用于改进 F-22A 的电子战系统。
F-35 的电子战系统在设计之初就充分考虑到易于生产性，可支持性和低成本性，这样，能够极大地降低 F-35 电子战系统的生产成本和风险性，并能提高系统可靠性。
F-35 的电子战系统采用开放式架构设计，便于日后和其他系统的综合和升级。该系统多采用工业标准部件，其软件采用 C++语言编写，F-35 的航电系统设计者在系统硬件中更多的设置了可插拔部件，并增设了许多预留接口，以便于日后系统硬件的升级。
F-35 的航电系统中很多传感器是相互交联的。比如 F-35 的 AAQ-37 光电分布式孔径系统（EODAS），EODAS 由 6 个分布在机身各处的光电传感器组成，它们与机身设计融合在一起，并不需要外置一个专门的设备舱。六个红外传感器被埋置在 F-35 机身四周的不同的部位上，这样就可以为飞行员提供一个围绕飞机机身的全景视野，飞行员能够“看透”飞机的底部和侧面，没有任何观察死角。因此 F-35 的座舱没必要象其他空优战机那样把座舱过分突出（目前的 F-35 后向视野较窄），也能获得比其他战机更好的飞行员视界，空战时飞行员能通过头盔显示器得到周围360度的空情信息。EODAS 在红外范围内工作，它能识别并跟踪逼近飞机的有危险目标，比如敌方的导弹或者战斗机，它极大地增强了飞行员对战场的全方位感知能力。虽然 EODAS 并不是 F-35 综合电子战系统的一个组成部分，但是其强大的探测功能有助于电子战系统发现敌方危险目标，由于电子战系统的雷达告警器探测的是射频雷达信号，而 EODAS 探测的是红外信号，因此 EODAS 和电子战系统结合使用，将使 F-35 拥有“射频-红外“（RF-IR）双重监视能力，这将极大地提高了 F-35 的战场生存能力。

这是 F-35A 型战斗机的缩比仿真模型，从这个角度，我们可以很清楚地看到位于 F-35 战斗机鼻下方形状独特的光电跟踪系统（EOTS）和外形经过优化的 DSI 进气道，当然我们也可以看到飞机进气道上狭窄的边条
布朗杨说道：“在战场上，飞行员必须对敌我双方的目标保持连续的监视。而电子战系统和 EODAS 的结合使用可以减小飞行员的工作量，但是最后还是要由飞行员来决定不同敌方目标的威胁级别。在远程侦查情况下，飞行员就会有更多时间来判别不同目标的威胁等级。只要 F-35 的综合电子战系统和其他传感器在持续工作，F-35 的飞行员就有能力在敌人发现自己之前，作出决策：或者规避，或者首先向敌方目标发起攻击。”
当 F-35 的飞行员在执行任务的时候，机载综合传感器系统为飞行员提供战场的实时监控是非常重要的。当然，F-35 的飞行员掌握战场态势并不仅限于机载传感器（机载雷达、EODAS 系统和综合电子战系统），实际上他更多的倚赖于美国庞大的信息情报系统，例如为其提供情报的 E-3“望楼”预警机、E-8C“联合星”监视飞机、与空中和地面情报系统连接的数据链，和其它战斗机连接的数据链，甚至来源于太空和海基的情报收集系统。当然所有这些战术/攻防情报信息是经过 F-35 的机载综合核心处理器（ICP）处理后，才以最简洁明了的方式显示到飞行员面前的大型平板显示器上的。
在航电系统综合化方面，JSF 团队提出了一系列革命性的技术概念，例如 JSF 团队提出的以一种最简洁最直接的方式向飞行员提供大量的信息的概念，以确保 F-35 的飞行员在面对任何对手的时候，都能掌握战术上的主动权。另外，F-35 的航电系统采用开放式架构设计，使用民用现成元器件（也被称为“商业货架式产品”），这样既降低了航电系统的成本和维护难度，并且便于日后的系统升级，这同样是一次大胆的尝试。


F-35 上的分布式孔径系统工作示意图。F-35 的 AAQ-37 光电分布式孔径系统（EODAS）与机身设计融合在一起，六个红外传感器被埋置在F-35机身四周的不同的部位上，这样就可以为飞行员提供一个围绕飞机机身的全景视野，飞行员能够“看透”飞机的底部和侧面，没有任何观察死角