国外大型机载激光武器气动布局研究

杜君涛,王钟毓,赵 彦

(航空工业第一飞机设计研究院总体气动所,西安710072)

[摘要] 机载激光武器结合了激光攻击迅速准确和飞行平台灵活机动的特点,同时高空发射激光可以大幅度减小稠密大气影响,进一步提高激光攻击效率,作为一种新兴武器得到了广泛重视。国外已经开展大型机载激光武器的工程样机研制。针对国外大型机载激光武器开展研究,主要对激光发射装置气动布局形式进行分析,总结形成了大型机载激光武器气动布局设计的主要原则。同时开展了大型激光发射装置垂直和平行于自由来流的两大布局形式特性研究,提出了炮塔整流的一些建议。

关键词: 机载激光武器;气动布局;适装性;激光炮塔;整流

激光武器是一种以产生强激光的激光器为核心,利用激光的能量直接毁伤目标或使之失效的定向能武器,作为一种新概念武器,以其速度快、方向性好,能量密度高、作战费效比高等优点,成为21世纪武器中的新宠[1-2]。机载激光武器通过激光武器与飞机平台结合形成,相比地基激光武器具有高机动性的特点,可以避免复杂地形干扰,全方位监视整个空域和地面。当在空中水平或向上发射时,可以避免低空稠密大气的影响,更好地发挥激光武器的作战效能。由于机载激光武器部署快速灵活、探测攻击效率高的特点,各军事大国均开展了机载激光武器研制计划,迄今为止美国已完成过机载激光试验室(ALL)、机载激光武器(ABL)、先进战术激光器(ATL)3项以全系统飞行演示验证为目标的研究计划,苏联也于1965年开始研制以伊尔-76运输机集成激光器系统A-60的研究[3]

机载激光武器研制面临着重重挑战,一是激光器自身重量功率比问题,二是激光各分系统与飞机的集成适装性问题。其中激光器重量功率比问题随着激光技术的发展正在逐步解决,而适装性问题则始终存在。比较典型的适装性问题是大口径激光发射装置(激光炮塔)在载机上的气动布局设计。为了保证激光武器的攻击范围,激光炮塔需要突出在载机表面,破坏载机原外形,其一般后果为载机气动性能降低。不同炮塔气动外形会有不同的绕流流场,不同的炮塔布局也处于载机不同的绕流附面层中,如果炮塔的布局形式造成绕流流场的严重不均匀,气动光学效应将直接对机载激光武器正常使用产生功能性影响[4-5]。本文针对国外4型以运输机为平台的机载激光武器气动布局进行研究,梳理总结了机载激光武器气动布局的设计特点,开展了激光发射装置垂直和平行于自由来流的两大布局形式特性研究,提出了炮塔整流的一些建议。

1 美国ALL气动布局

机载激光试验室计划(ALL)开始于20世纪70年代,选择在NKC-135A飞机上装载高能激光器,目的是验证机载激光武器跟踪和摧毁空中目标的能力[6]。ALL的主要任务是验证对空中目标激光攻击的可行性,为了保证对空目标的良好射界,炮塔选择布置在机背上机翼前且垂直机身(即垂直于自由来流)的布局形式,炮塔气动外形选择了圆柱底座配以半球形顶部的形式,激光发射窗口则选择了平面形式。炮塔以圆柱底座高度突出机体上表面,进一步减小机身机翼等部件对炮塔射界的遮挡,炮塔通过圆柱形底座方位和半球形顶部的俯仰两自由度的组合实现半球范围的射界覆盖,如图1所示。

图1 ALL计划演示样机
Fig.1 Demonstration prototype of ALL

炮塔突出于机体表面,对机身流场有很大干扰,同时造成气动阻力的增加,因此对飞机飞行性能有很大影响。在机身附面层以及自身绕流相互影响下,炮塔后部产生边界层堆积和气流分离等复杂剧烈的流动现象。当发射窗口处于该区域时,由于气流密度、温度的变化,激光在远场目标上的聚焦精度受到很大影响。美空军对NKC-135A的绕流情况进行了大量研究,验证了主动和被动流动控制对炮塔绕流具有改善作用[7-8]。图2为开展飞行试验验证的炮塔整流示意,需要注意大尺度的整流会对炮塔射界产生不利影响,整流后炮塔基本丧失前向射界,后向射界也仅为125°。

图2 ALL飞行试验
Fig.2 Flight test of ALL

2 美国ABL(YAL–1)气动布局

机载激光武器计划(ABL)与ALL相比采用了一套全新的系统,载机也被重新设计[9-10]。ABL由飞机平台(波音747-400F)、传感器系统(被动红外搜索/跟踪传感器)、高能激光装置(氧碘化学激光器和激光发射转塔)、瞄准与跟踪系统(光束控制/发射控制装置和低能激光照明器)等部分组成,包括几百个光学元件、复杂的机械跟踪系统和昂贵的信号处理装置,如图3所示。

图3 ABL系统组成示意图
Fig.3 ABL system composition diagram

2.1 炮塔气动布局

ABL激光炮塔重约8t,集成于载机平台时对飞机本体结构产生巨大影响。理论分析认为该炮塔可以布置在对称面任意位置,只要结构强度能满足要求即可。但实际上炮塔的气动布局设计必须结合炮塔外形和射界需求,并综合飞机重心、结构强度及空间尺寸等要求权衡考虑。

ABL激光炮塔选择了圆柱形底座和半球形顶部的外形,射击窗口采取了不同于ALL平面窗口的球面共形窗口形式。炮塔通过在底座上周向转动和顶部的俯仰运动实现射界的最大覆盖,据ABL设想的作战使命,炮塔需要做到攻击方向半球的射界覆盖。

炮塔采用机背垂直机身安装气动布局时,下射界会受到机身遮挡,需要加高圆柱形底座高度。大尺寸炮塔垂直于机身安装时,垂直来流会造成大幅度阻力增加,加高底座会进一步造成平台阻力恶化。炮塔采用机腹垂直机身安装气动布局时,747-400F机腹离地高度最小2.16m,地板离地高度4.74m,大尺寸激光炮塔布置困难,只能缩小炮塔尺寸或采用可升降炮塔。不可升降大尺寸炮塔在飞机起飞降落时离跑道太近,容易损坏;可升降炮塔方案则需要付出很大重量代价。

炮塔采用机尾水平安装(平行于来流)气动布局时,由于机身尾段附面层厚度较大,气动光学效应严重,需要付出很大代价进行流动控制。同时炮塔如果布置在尾部,为了保证飞机重心范围,高能激光器等装置只能选择布置在货舱前部,为激光器舱室的单独隔离带来困难。炮塔布置在尾部最大的问题是飞机结构强度,巨大的集中质量放在机尾,对后机身的传力结构影响很大,需要进行大量的结构加强工作。

炮塔采用机头水平安装(平行于来流)气动布局时,在覆盖前半球的同时,还可以实现部分后半球覆盖(基本上能做到上下左右各120°范围内的覆盖)。同时炮塔布置在机头可以与激光器实现前后布置,容易控制飞机重心。如原747-400F机头货舱门结构就方便进行激光炮塔的安装。炮塔布置在机头另外一个好处就是处于飞机最前端自由来流中,没有机身附面层干扰,流场品质较好,炮塔流动控制比较容易,如图4和5所示。炮塔机头水平安装气动布局主要问题在于需要加强前机身传力结构,还需要将机头气象雷达重新寻找位置安装。ABL选择将气象雷达移位安装至机头下方,并且气象雷达尺寸会受限制。鼻部炮塔和气象雷达支架的外形经过风洞试验最终确定。

2.2 红外搜索跟踪传感器系统气动布局

红外传感器系统主要是为了实现360°全方位空间内目标的发现和跟踪,采用了与机身共形的气动布局形式,机身左右侧面各布置两个探测头负责左右方向探测,机尾布置一个探测头负责后方探测,利用移位安装的气象雷达支架布置一个探测头负责前方探测。6个探测头相互协同,实现全方位空间目标的发现和跟踪,如图4所示。

图4 红外传感器和ARS主动测距系统布局
Fig.4 IRST and ARS layout of ABL

2.3 主动测距系统(ARS)气动布局

主动测距系统功能是在收到机身布置的红外传感器发现和跟踪目标的速度信息之后,向目标发射激光获得目标距离信息。ARS需要避开机身部件对其视场遮蔽,获得尽可能大的视场范围,因此选择将其布置在机背上方。为了避开机身附面层影响,采用支架形式将ARS抬高,同时也能进一步减轻机身部件对视界的影响。为了降低ARS部件自身附面层影响,ARS外形上选择了绕流流场较好的吊舱类外形,ARS的具体尺寸通过风洞试验确定。

3 美国ATL气动布局

先进战术激光器(ATL)由波音公司负责,主要通过C-130H搭载激光发射装置进行高能激光试验[11-12]。ATL由C-130H运输机、作战指挥管理系统、化学氧碘激光器、红外探测监视系统和光束与火力控制系统组成,见图6。ATL全系统重20t,作战距离8~30km,试验完成空对地高能激光试射,摧毁了一个地面靶标和一辆无人车辆,验证了其精确打击地面固定和机动目标能力。

图6 以C–130H飞机为平台的ATL系统
Fig.6 ATL system mounted on C–130H

ATL定位为战术机载激光武器,主要作战对象为地面战斗力量,激光需要快速灵活地向地面目标发射,因此ATL炮塔采用圆柱形底座和半球顶部外形,采用垂直安装于机腹的气动布局,可以实现下半球视界的覆盖。

ATL激光炮塔未采用明显可见的整流修形等被动流动控制形式,分析其应该采用了主动流动控制措施辅以光学自适应系统修正气动光学效应影响,另外一个原因是载机飞行速度相对较低,炮塔流动分离造成的气动光学效应影响相对较弱。另外ALL炮塔相关整流研究结果表明,炮塔前后修形会影响炮塔下半球向前和向后的射界。

4 苏联A–60气动布局

苏联在1965年开始研制机载激光武器,以伊尔-76运输机为平台搭载激光器形成A-60,1984年A-60首次用激光成功摧毁了空中靶标。研制工作在20世纪90年代初完成,但由于财政拨款大大减少,该项目随后被冻结[13]

图5 ABL鼻部炮塔
Fig.5 Nose mounted laser turret of ABL

A-60飞机由IL-76MD改装而成,见图7,激光装置布置在机背,采用收缩形式,起落架舱加长以容纳额外激光能源供给系统。主要作战任务为激光反光学侦察卫星,利用高能激光对侦察卫星进行致盲或杀伤攻击,炮塔采用了机背垂直机体安装并可收缩的气动布局,在射击时才将炮塔伸出机身外,平时则收于机身内,炮塔伸出机身时外形做过整流修形。炮塔位置的选取考虑到了和激光器的相互位置,以减小飞机重心的变动。此外A-60机头也水平安装了一套圆柱底座半球形顶部的炮塔部件,其内部为类似ABL机背布置的ARS系统。

图7 A–60机载激光系统原型机
Fig.7 A–60 airborne laser system prototype

5 气动布局分析

5.1 激光发射装置外形

激光发射装置要确保能将激光准确聚焦至目标上,发射窗口可以选择与机体表面共形,对载机平台气动影响最小,但会极大地限制激光发射角度,而为了保证攻击范围需要布置多套激光发射装置,极大地增加了系统集成难度。同时发射窗口处于机体附面层影响中,由于气动光学效应会对激光射击效果产生影响。大型机载激光武器均采用了视界范围最大的基于圆柱形底座和半球形顶部的炮塔形式激光发射装置。炮塔上射击窗口则有平面窗口和球面共形窗口两种形式,其中球面共形窗口流场要优于平面发射窗口(在发射窗口处于炮塔后半球射界时)[14]

5.2 炮塔气动布局

炮塔在机身上布置时可以采用水平或垂直的气动布局形式,从两种布局形式炮塔流场油流结果可知,水平布局形式结果要明显优于垂直安装布局。水平安装布局不仅气动阻力增量要显著小于垂直安装,炮塔绕流流场结构也要明显优于垂直安装,炮塔的底座圆周平行于气流,避免了圆柱绕流的复杂尾流结构,见图8和9。

图8 炮塔竖直和水平布局油流
Fig.8 Surface oil-flow visualization of horizontal and vertical turret

大型机载激光武器高能激光从光源到炮塔都需要留有光路传输空间,炮塔水平气动布局虽然具有最优的气动解,但考虑到一般飞机机头部位布置有起落架、驾驶舱等结构,一般的飞机机头空间均难以进行该光路布置。目前仅有采用双层驾驶体制的大型运输机C-5、An-124、波音-747等因为驾驶舱抬高形成的前后贯通货舱可以完成相关光路系统的布置,即仅有ABL级别的飞机可以采用大尺寸炮塔机头水平气动布局。某些无人机因为不需要驾驶舱也可以采用机头水平气动布局,如美国定向能研究(DER)项目中的“死神”无人机试验“多光谱瞄准系统”(MTS-C)[6]。A-60虽然圆柱半球形炮塔在机头采用了水平布局形式,但其后没有布置高能激光管路。

图9 典型炮塔亚音速流动情况
Fig.9 Fully-subsonic flow around canonical turret

当激光炮塔采用竖直安装布局时,圆柱形底座以及下部圆柱体为典型圆柱绕流情况,一般存在湍流卡门涡街形式流动,上部为典型圆球流动分离及再附流动,综合形成炮塔三维复杂的尾流结构,流场密度剧烈变化,空气折射率也急剧无规则变化,激光从该区域穿过时直线传播特性受影响严重。炮塔垂直机身布局时一般都距离机头有一定距离,机身附面层厚度已经较大,会影响炮塔绕流进一步加剧气动光学效应。选择该气动布局形式时需要考虑机身附面层隔离、炮塔顶部采用涡流发生器以及其他各种主动和被动形式的流动控制措施,延缓炮塔尾流的分离区,从而减轻因为布局形式造成的对激光传输的影响[14-20]。其中炮塔修形以及整流修形工作因为炮塔周向转动以及射界影响能进行的优化设计相对有限,而各种吹气或吸气的主动流动控制措施具有较大应用潜力。

5.3 其他支持系统气动布局

除了必须突出原飞机表面的激光炮塔外,其他辅助支持系统的气动布局的选择应尽可能减小对原飞机的影响,尽可能采用与机体共形的气动外形。如果大幅度突出原机体,则必须进行整流优化设计。

6 结论

(1)机载激光武器的气动布局形式必须结合载机平台的具体情况和作战对象综合选择炮塔气动布局,如果可能应尽量选择机头水平布局形式。

(2)不论炮塔采用何种布局形式,都需要对炮塔的绕流情况进行仔细研究,尤其针对垂直机体的布局形式,必须采用多种被动或主动手段提高炮塔绕流流场品质,减少发射窗口处气流的不均匀特性,从而减小对激光传输的影响。

(3)炮塔气动布局形式对飞机气动阻力的影响量级远小于载机平台对炮塔流动的影响,但气动布局形式对飞机重量平衡特性的影响必须详细评估,以确保飞行安全。

参 考 文 献

[1] 张伟. 新概念武器[M]. 北京: 航空工业出版社, 2008.

ZHANG Wei. New concept weapons[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2008.

[2] 任宁, 刘敬民. 美国机载激光武器发展浅析[J]. 红外与激光工程, 2008, 37(S3): 379-382.

REN Ning, LIU Jingmin. Analysis for American airborne laser[J].Infrared and Laser Engineering, 2008, 37(S3): 379-382.

[3] 王晓鹤. 美俄机载激光武器进展[J]. 国际航空, 2018(12):17-19.

WANG Xiaohe. Airborne laser weapons are evolving in U.S. and Russia[J]. International Aviation, 2018(12): 17-19.

[4] 林聪榕. 美国机载激光武器及其关键技术[J]. 现代防御技术, 2006, 34(4): 10-13.

LIN Congrong. United States airborne laser weapon and its key technology[J]. Modern Defence Technology, 2006, 34(4): 10-13.

[5] 曹秋生, 路静, 柳建光, 等. 从SHiELD看机载激光武器的反导能力和技术挑战[J]. 中国电子科学研究院学报, 2019, 14(5):443-451.

CAO Qiusheng, LU Jing, LIU Jianguang, et al. From SHiELD to look into the anti-missile capability and technical challenge of airborne laser weapon[J]. Journal of China Academy of Electronics and Information Technology, 2019, 14(5): 443-451.

[6] 张亦卓. 美国机载激光武器研究进展[J]. 航空制造技术,2019, 62(7): 91-94, 100.

ZHANG Yizhuo. Progress in airborne lasers weapon research[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2019, 62(7): 91-94, 100.

[7] SCHONBERGER J, FUHS A. Flow control for an airborne laser turret[C]//Aircraft Systems and Technology Conference. Reston:AIAA, 1981.

[8] GAD-EL-HAK M, BLACKWELDER R. Turbulence control on airborne laser platform[C]//25th AIAA Aerospace Sciences Meeting.Reston: AIAA, 1987.

[9] SCRUGGS B, WISSLER J. Wind tunnel test of a window splitter plate for airborne laser application[C]//25th Plasmadynamics and Lasers Conference. Reston: AIAA, 1994.

[10] BOLKCOM C, HILDRETH S A. Airborne laser (ABL): Issues for congress: RL32123[R]. Congressional Research Service Reports, 2007.

[11] 美国2008年将试飞高能激光武器载机[J]. 光机电信息,2008(4): 46.

The United States will fly high energy laser weapon carrier[J]. OME Information, 2008(4): 46.

[12] 任国光, 黄裕年. 战术高能激光武器的发展现状和未来[J].激光与红外, 2002, 32(4): 211–217.

REN Guoguang, HUANG Yunian. The present status and future of the tactical laser weapons[J]. Laser & Infrared, 2002, 32(4): 211-217.

[13] 俄罗斯发展机载激光反卫武器系统[J]. 空天防御, 2018,1(2): 26.

Russian development of airborne laser anti-satellite weapon system[J]. Air & Space Defense, 2018, 1(2): 26.

[14] PORTER C, SEIDEL J, DECKER R, et al. Modeling aerooptical distortions around conformal and flat-windowed turrets for feedback control[C]//51st AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Grapevine (Dallas/Ft. Worth Region). Reston: AIAA, 2013.

[15] VUKASINOVIC B, GLEZER A. Control of a separating flow over a turret[C]//37th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit.Reston: AIAA, 2007.

[16] VUKASINOVIC B, GLEZER A, GORDEYEV S, et al.Active control and optical diagnostics of the flow over a hemispherical turret[C]//46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston:AIAA, 2008.

[17] ANDINO M, PINIER J, SCHMIT R, et al. Flow control over a cylindrical turret using synthetic jets[C]//46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada. Reston: AIAA, 2008.

[18] ANDINO M, GLAUSER M. Flow control effects on the length scales over a turret[C]//48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Reston:AIAA, 2010.

[19] GORDEYEV S, JUMPER E. Fluid dynamics and aero-optical environment around turrets[C]//40th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference. Reston: AIAA, 2009.

[20] CRAHAN G, RENNIE M, RAPAGNANI L, et al. Aerodynamic shaping of spherical turrets to mitigate aero-optic effects[C]//50th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Reston: AIAA, 2012.

Study on Aerodynamics Layout of Foreign Large Airborne Laser Weapon

DU Juntao, WANG Zhongyu, ZHAO Yan
(The General Configuration and Aerodynamics Design Department,AVIC The First Aircraft Design and Research Institute, Xi’an 710072, China)

[ABSTRACT] Airborne laser weapon has the advantage of rapidity and accuracy of laser and flexibility of flight platform, it can greatly reduce the influence of dense atmosphere and improve the laser attacking efficiency by firing at high altitude, thus it draws a lot of attention as a new weapon. Aiming at several large airborne laser weapons developed in foreign countries, this paper mainly analyzes the aerodynamics layout of laser launchers and summarizes main principles of large airborne laser weapon’s aerodynamics layout. The characteristics of large laser launchers perpendicular or parallel to free incoming flow are studied, some suggestions on turret rectification are given.

Keywords: Airborne laser weapon; Aerodynamics layout; Suitability; Laser turret; Rectification

引文格式:杜君涛,王钟毓,赵彦. 国外大型机载激光武器气动布局研究[J]. 航空制造技术, 2022, 65(1/2): 113-117, 124.

DU Juntao,WANG Zhongyu,ZHAO Yan. Study on aerodynamics layout of foreign large airborne laser weapon[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2022, 65(1/2): 113-117, 124.

DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2022.01/02.113

通讯作者:杜君涛,高级工程师,研究方向为飞行器设计。

(责编 阳光)