近距格斗空空导弹Up-Look模式大离轴角目标截获研究*

裴宇肖,明宝印,郭 军,陈万春

(1 北京航空航天大学,北京 100191;2 空军装备研究院装备总体论证研究所,北京 100076)

0 引言

近距空空导弹的使用方式历经了:a)定轴瞄准/定轴发射;b)定轴瞄准/离轴发射;c)定轴扫描/离轴发射;d)离轴随动/离轴发射四种使用方式[1]。第4代近距空空导弹采用的是战术灵活性较大的离轴随动/离轴发射方式,可以攻击离轴角达到90°的目标[2-4]。但是一般来讲载机雷达[5-7]或者头盔瞄准具[8-10]可以指引导弹截获一定离轴角范围内(通常±60°)的目标,对于大离轴角(60°～90°)的目标只能依靠载机机动占位减小离轴角再截获。可以看出这种截获方式不能充分发挥空空导弹的优良的离轴性能。相关文献资料表明,目前美军大规模装备的联合头盔显示器(JHMCS)设置了Up-Look准心,可以辅助导弹截获大离轴角目标,实现大离轴角发射,具有较大的战术优势[11]。文中总结分析了JHMCS的Up-Look准心布局和演变规律;通过对典型作战态势的仿真论述了近距空空导弹大离轴角截获目标的战术优势;并且结合战斗机截获大离轴角目标的机动形式和飞行员观察目标的习惯提出了准心布局演化的可能原因。

1 辅助实现离轴发射的Up-Look准心

美军大规模装备F-15和F-16战斗机的联合头盔显示系统JHMCS的显示界面包含主显示器和Up-Look准心,如图1所示。其中主显示器位于视线正前方,Up-Look准心和主显示器呈一定角度。

主显示器的准心和Up-Look准心都是用来辅助导引头截获目标的。当飞行员透过准心观察到目标时,飞行员的视线和弹目视线基本相同,机载火控系统计算得出当前飞行员视线的角度,经过一定的解算及补偿,驱动导引头跟踪这个角度,导引头就能够迅速地截获目标。

有可能是出于实际空战大过载机动对飞行员动作限制的考虑,除主显示器的准心外,JHMCS左右各设置一个Up-Look准心。这是因为在大过载下由于抵抗过载头部活动范围受到限制,主显示器准心(飞行员正视的方向)只能指向一定范围内的目标,对于大离轴角的目标,主显示器准心就无能为力了。设置了Up-Look准心,在头位活动达到极限之后,飞行员可以通过眼球的转动借助Up-Look准心瞄准目标,扩大了航电系统对飞行员视线的感知范围,能够辅助导弹截获目标。

Up-Look准心发展到JHMCS这种布局是经过长期使用,紧贴实战需求不断改进而来的。

1)早期的头盔显示器由于与之配合三代弹最大离轴角较小,头部活动的范围已经能够满足要求,因此与之对应的DASH头盔只有主显示器,并没有Up-Look准心。

2)F-16装配过的HMCS(Helmet Mounted Cueing System)显示面罩上已经有了Up-Look准心,其Up-Look准心布置在主显示器正上方约30°位置,如图3所示。当飞行员观察位于载机正上方(90°)的目标时,仰头大概能够达到60°,眼球抬动30°使用Up-Look准心就可以套住目标。但是在这一过程中飞行员必须向正后方仰头观察目标,实际上大过载机动中飞行员很难保持向正后方仰头的姿态。

3)最终广泛装备部队辅助第四代近距空空导弹实现大离轴角发射的JHMCS有两个Up-Look准心,和飞行员正视视线俯仰方向的夹角大约30°,与HMCS相同;但在方位上JHMCS Up-Look准心和主显示器也有一个类似的偏差(见图1)。俯仰方向的夹角是用来补足头位运动限制的,而方位方向夹角可能是考虑到载机截获大离轴角目标的机动以及在这种机动中飞行员观察目标的习惯。

2 大离轴截获目标时间优势分析

Up-Look准心可以辅助导弹截获大离轴角的目标,实现大离轴角发射,在瞬息万变的近距格斗中给载机带来时间优势。文中分析了在典型格斗态势下大离轴角发射带来的截获时间优势。

2.1 典型的战斗机格斗态势

在空战中若载机和目标迎头相遇,由于相对速度较大、目标头部红外特征较弱以及红外干扰等原因,迎头攻击导引头截获目标比较困难,因此迎头相遇攻击难度较大,载机和目标机容易“擦身而过”。载机和目标机错过之后,双方都试图通过机动将对方置于前半球,所以在飞行员丧失迎头攻击的机会之后很可能拉过载持续转弯以瞄准目标,因此单环战和双环战的模型虽然简单但是对于空战有一定的代表意义和研究价值。

所谓单环战就是目标机和载机错过之后同时向一个方向拉过载,双方的轨迹像一个环,因此称为单环战;双环战是双方拉的过载方向相反,战机轨迹各自像一个环。

文中通过仿真分析单环战和双环战来表明实现60°～90°离轴截获目标能够给载机带来对空战具有重要意义的时间优势。

2.2 单环战和双环战的建模及仿真

仿真中假设在4 000 m高,距参考点水平距离6 000 m载机与目标迎头相遇,载机向右运动,目标机向左运动。迎头错过之后双方均竖直向上拉过载形成单环战的态势,如图5所示(下列公式和图中的1代表目标,2代表载机)。

(1)

为了单纯分析离轴性能带来的优势,在仿真中假设目标和载机的发动机推力能够保持各自速度和过载不变,在近距格斗中为了获取最大的转弯角速度,战斗机会提前把速度控制在合适的范围,在仿真中假定目标机和载机的速度均为0.9Ma,目标过载取7,载机过载在6～9取值,两次仿真中载机离轴截获能力分别取60°和90°,统计载机具有不同过载能力时发现目标所需要的最短时间。仿真结果如图6、图7,

表1 单环战不同离轴性能载机截获目标时间(单位:s)

图中折线代表截获时的目标视线。

表1中统计的时间代表载机具有不同的离轴性能时截获目标所用的最短时间。对于双环战,也有类似的仿真结果,分别假定载机离轴截获能力为60°和90°,仿真统计载机具有不同过载能力时发现目标所需要的最短时间。

表2 双环战不同离轴性能载机截获目标时间(单位:s)

离轴截获载机过载6789t1=60°21.9418.2415.2212.97t2=90°16.5313.3911.139.49t1-t2t1/%24.6626.5926.8726.83

从统计结果可以看出:

1)如果载机和目标航电系统具有相同的离轴截获目标能力,那么载机和目标可用过载越大,在截获时间上越占优势;

2)载机离轴截获能力增加到90°,相较于载机、目标机离轴截获能力相同的情况,截获时间减少约2～4 s,不同过载情况下减少24%以上时间。

上述分析表明,近距格斗中离轴性能在某种意义上起到类似机动能力的效果,离轴性能强能够使载机率先截获目标。在激烈的近距格斗中,拥有时间优势就意味着能够先敌锁定、先敌发射,增加取胜的可能。因此弄清楚Up-Look准心辅助导弹截获大离轴角目标的工作原理及布局原因很有必要。

3 Up-Look准心布局演变的可能原因

在实际的空战中为了观察和截获目标,载机会通过机动使得机头方向对准目标。相比于方向舵,载机的升降舵能够更快地改变机头的指向,因此在格斗过程中,当目标离轴角太大不便于观察和锁定时,飞行员通常用滚转将目标置于座舱正上方,拉过载将机头指向目标(见图8),这样的机动能够使载机获得以最短时间获得截获目标的机会。

在前面单环战和双环战的仿真中我们假定载机和目标都采用拉过载(升降舵)方式进行快速转弯。这种情况下飞行员需要观察位于座舱盖正上方的目标。头部仰起限制大约是60°[12],使用Up-Look准心眼球再向上转动约30°就可以观察90°的目标。所以不难理解HMCS和JHMCS头盔的Up-Look准心在俯仰方向都和主显示器有30°的夹角。

上述分析解释了HMCS和JHMCS的Up-Look准心在俯仰方向和主显示器的夹角,但是HMCS和JHMCS Up-Look准心的区别(见图9)——方位方向的差别单纯用增加头盔的离轴性能难以解释。而这种区别却很有可能是极为重要的,是经过美军大量应用之后贴合实战对Up-Look准心进行的改进。文中从实战的角度出发对方位方向的夹角的原因及角度的确认进行分析。

在截获大离轴角目标的格斗过程中,为了快速锁定目标,载机经常采取“滚转+升降”的机动方式,以载机为参考系,“滚转+升降”机动方式下飞行员需要在大过载情况下观察一个位置从侧方逐渐变为头顶上方的目标。假定初始时目标位于载机右侧,离轴角大概90°,下面分析一下在载机截获目标过程中飞行员观察目标的动作。

飞行员目视观察到大离轴角目标之后,出于连续观察和抗过载考虑,飞行员身体向右偏转同时头部向右转动观察目标(图11状态1),随着战机滚转目标逐渐移动到载机正上方位置,飞行员头部保持向右偏转并逐渐仰头(状态2),同时依靠左肩对后脑勺的支撑能够抵消大过载动作对颈部肌肉的拉伸,这种姿势下飞行员看向位于载机正上方目标的视线和头显投影面的交点就应该视为人机交互最为良好的Up-Look准心的位置。不难想象这个交点在方位和俯仰上和主显示器准心(视线正前方)都有一定的夹角,这可能就是JHMCS头盔显示器上Up-Look准心位置的来源。

4 结束语

文中从近距空空导弹武器系统出发,总结了美军实现大离轴角截获采用的头盔显示器上Up-Look准心布局的演变;分析了典型格斗态势下离轴性能加强给载机带来的截获时间上的优势;并结合载机截获大离轴角目标的机动形式和飞行员观察目标的习惯分析了Up-Look准心布局演变可能原因,对我国头盔显示器的发展具有一定的参考价值。