传感器飞机核心关键技术进展与应用

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27034

综述

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传感器飞机核心关键技术进展与应用

郝帅¹^,², 马铁林³, 王一¹, 向锦武¹(), 马洪忠², 蒋柏峰⁴, 曹军⁵

^1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100083
^2.海鹰航空通用装备有限责任公司，北京 100074
^3.北京航空航天大学无人系统研究院，北京 100083
^4.中国电子科学研究院，北京 100041
^5.南京电子设备研究所，南京 211103

收稿日期:2022-02-14 修回日期:2022-03-03 接受日期:2022-03-14 出版日期:2023-03-25 发布日期:2022-03-22
通讯作者: 向锦武 E-mail:xiangjw@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(91216102)

Progress and application of key technologies of SensorCraft

Shuai HAO¹^,², Tielin MA³, Yi WANG¹, Jinwu XIANG¹(), Hongzhong MA², Baifeng JIANG⁴, Jun CAO⁵

^1.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100083，China
^2.Hiwing General Aviation Equipment Co. ，Ltd. ，Beijing 100074，China
^3.Research Institute of Unmanned Systems，Beihang University，Beijing 100083，China
^4.China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China
^5.Nanjing Electronic Equipment Institute，Nanjing 211103，China

Received:2022-02-14 Revised:2022-03-03 Accepted:2022-03-14 Online:2023-03-25 Published:2022-03-22
Contact: Jinwu XIANG E-mail:xiangjw@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(91216102)

摘要/Abstract

摘要：

传感器飞机是美国空军实验室提出的一种高空长航时预警监视和信息综合飞行器，采用平台载荷一体化技术理念，兼具飞行器和传感器的双重特征。平台与载荷之间多要素耦合，意味着不同于传统情报、监视与侦察（ISR）飞机的总体设计；飞行条件与性能指标为气动设计带来了新挑战；大展弦比柔性机翼的气动弹性问题不仅造成飞行性能恶化，还会导致机翼共形天线电性能的损失。本文总结了传感器飞机的技术特征，从飞行平台和共形天线两方面阐述了美国传感器飞机系统的发展历程，梳理了支撑传感器飞机发展的一体化布局设计、层流减阻、阵风减缓、共形天线设计、形变测量与重构、电性能补偿6项核心关键技术并介绍了相关应用；从飞行能力、隐身能力、感知能力及协同能力4个方面展望了该类飞行器的发展趋势，可为后续新型ISR飞机提供参考。

关键词: 传感器飞机, 一体化设计, 飞行平台, 共形天线, 预警监视

Abstract:

SensorCraft is an early warning and surveillance and information synthesis aircraft proposed by the Air Force Research Laboratory， with high ceiling and long endurance. It adopts the platform-payload integration technology， with the dual features of the aircraft and sensor. Coupling of multiple elements between platform and payload means that the overall layout design is different from that of the traditional Intelligence， Surveillance and Reconnaissance （ISR） vehicle. Flight conditions and performance indexes bring new challenges to the aerodynamic design. Aeroelastic problem of large aspect ratio flexible wing not only worsens flight performance， but also leads to loss of electromagnetic performance of wing conformal antenna. This paper summarizes the technical characteristics of SensorCraft， expounds the development history of the United States SensorCraft system from two aspects of the flight platform and conformal antenna. From the perspective of technical characteristics， key technologies supporting SensorCraft are sorted out， such as integrated layout design， laminar drag reduction， gust alleviation， conformal antenna design， deformation measurement & reconstruction， and electromagnetic performance compensation. Relevant applications are introduced. The development trend of this aircraft is also discussed in terms of the flight ability， stealth ability， perception ability and coordination ability of the aircraft， so as to provide reference for the new ISR aircraft.

Key words: SensorCraft, integrated design, flight platform, conformal antenna, early warning and surveillance

中图分类号:

V272

郝帅, 马铁林, 王一, 向锦武, 马洪忠, 蒋柏峰, 曹军. 传感器飞机核心关键技术进展与应用[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 27034-027034.

Shuai HAO, Tielin MA, Yi WANG, Jinwu XIANG, Hongzhong MA, Baifeng JIANG, Jun CAO. Progress and application of key technologies of SensorCraft[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(6): 27034-027034.

图/表 43

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早期代表性的共形天线项目［103-109］

项目名称	参研单位	研究内容
集成传感器即结构	美国国防高级研究计划局/雷神公司	平流层飞艇集成超大型低密度相控阵雷达天线
多用途天线	美国海军/诺格公司	开发多功能天线，集成VHF/UHF视距、UHF卫通和GPS
军用巡逻机低成本共形收发卫通天线	美国海军/诺格公司	开发低成本共形卫通收/发天线，可在X、Ku/Ka波段工作
低成本自适应共形电扫雷达	美国陆军/雷神公司	开发远程GMTI/SAR雷达，用于美国陆军的战术无人机
智能蒙皮结构技术演示	美国空军实验室	设计、制造和测试CLAS样件
射频多功能结构孔径	美国空军实验室	开发宽频通信/导航/识别和电子战的结构集成/低成本天线
传感器飞机共形低频段天线结构	诺格公司/美国空军实验室	制作传感器飞机所需阵列的1/2缩比演示样件
结构集成X波段阵列	波音公司/美国空军实验室	验证一级和二级结构性能，在微波暗室中评估射频性能
低频结构阵列	诺格公司/美国空军实验室	生产和测试传感器飞机共形阵列的全尺寸全约束样件
X波段低剖面雷达孔径	雷神公司/美国空军实验室	开发用于联合无人作战空中系统的超低剖面雷达天线
共形阵雷达技术	雷神公司/美国空军实验室	开发集成于机体两侧及机翼前缘的共形天线阵面
多功能结构与共形孔径	波音公司/美国空军实验室	针对真实机翼、机身及舱门结构，开发测试一体化天线
共形承载天线飞机结构	荷兰国家航空航天实验室	开发机载共形承载天线，研究变形和振动对天线的影响
结构功能一体化天线	法国国家宇航局/汤姆逊无线电公司	开发有源智能蒙皮天线样机
多功能结构/传感器和天线集成	德国高频物理研究所	开发结构集成的多功能天线，研究变形和振动对天线的影响

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参考文献 147

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

机型	全球鹰无人机	传感器飞机
续航时间	>24 h	高燃油效率/40~50 h
载荷类型	X波段对地雷达	UHF波段对空雷达/X波段对地雷达，可感知小型隐蔽目标
载荷视场	侧视	360°覆盖
数据处理	向任务控制单元提供原始数据	向用户提供融合数据
天线形式	传统天线和天线罩	结构嵌入式大型阵列
机翼形式	传统机翼/展长42 m	柔性主动机翼/展长>61 m

设计参数	洛·马公司的常规布局	诺格公司的飞翼布局	波音公司的联翼布局
起飞总重/kg	42 860	56 700	60 780
空机重量系数	0.37	0.44	0.44
燃油重量系数	0.63	0.56	0.56
翼展/m	56	62	50
机长/m	30	22	31
有效载荷/kg	2 720	3 170	4 170
任务区留空时间/h@km	22@5 500	40@3 700	20@5 500
巡航马赫数	0.60	0.65	0.80
ISR传感器集成		机翼蒙皮集成雷达孔径	机翼嵌入传感器（360°视野）

算法	特征
傅里叶法	速度快，适用于环形阵列
迭代最小二乘法	速度快，适用于纯振幅和纯相位综合
口径投影法	简单高效，精度较低
交错投影法	通用灵活，适用于大型三维阵列
自适应阵列法	通用，可在方向图的特定位置形成零陷，计算精细，耗时长
凸优化算法	速度快，精度高，结果稳定，适用于多凸阵列
全局优化算法	通用灵活，适用于多目标优化，参数设置依靠经验，收敛慢

算法	特征
模态法	高效稳定，少量传感器可重构大范围变形；依赖振型，需要高保真的仿真模型
Ko位移法	简单高效，可准确测量一维信息，对梁结构重构效果好；难以进行三维重构，不适用于复杂结构
逆有限元法	速度快，精度高，无需大量先验知识，适用于包括梁、板、壳等单元形式的组合结构
曲率拟合法	克服模型误差的影响，重构精度依赖于传感器的布局及数量，计算量大
神经网络法	通用性好，无需考虑结构及材料属性；需要大量样本进行训练，结构复杂时易出现一对多现象

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传感器飞机核心关键技术进展与应用

Progress and application of key technologies of SensorCraft

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