F-22機載雷達發展史

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F-22機載雷達發展史

#1

發表於 2017-1-15 20:34

F-22機載雷達發展史F-22 RADAR DEVELOPMENT

作者簡介（Author Biography）

約翰.A.瑪拉斯（John A. Malas）是F-22機載雷達工程、制造和開發（EMD）項目的首席工程師，就職于空軍航空系統中心（Aeronautical Systems Center）F-22系統項目辦公室。從1983年到現在，瑪拉斯先生的工作主要涉及雷達/火控系統領域，支持包括B-52、B-IB和F-15等多個平台的開發。瑪拉斯先生畢業于萊特州立大學（Wright State University），于1983年和1990年先後獲得了系統工程學士學位和碩士學位，同時也是俄亥俄州註冊專業工程師和美國海軍後備軍官。

特別感謝（Acknowledgments）

本文所概述的成就，是諾斯羅普格魯曼、波音、德州儀器和空軍團隊不懈努力的最終產物。

比爾.舒爾澤（Bill Schulze）先生，F-22雷達產品經理/波音；

保羅.邁克爾森（Paul Michelson）先生，F-22雷達分析和集成主管/波音；

史蒂夫.布萊恩特（Steve Bryant）先生，F-22項目副經理/諾斯羅普格魯曼；

泰爾.金澤（Tyle Kanazawa）中校，F-22雷達集成產品團隊負責人/F-22系統項目辦公室，他的領導才能和專業技術知識，對F-22雷達項目的成功至關重要。
參考文獻（References）

私人交流，1994年1月，MSGT B. 尼夫（F-22系統方案辦公室雷達支持和維護主管，ASC/YFFAA，俄亥俄州萊特帕特森）
私人交流，1991-1996，保羅.邁克爾森（F-22雷達分析和集成主管，波音，華盛頓州西雅圖）
《航空電子改進計劃》，Mil-A-87244
私人交流，1992-1996，T. 基斯（F-22航空戰術傳感器主管，洛克希德，佐治亞州馬瑞塔）
私人交流，1993-1994，M. 馬奇亞多（項目經理/首席工程師，ASC/WL/MT，俄亥俄州萊特帕特森）
私人交流，1994年8月至1996年11月，D. 卡丁（項目經理/首席工程師，ASC/WL/MT，俄亥俄州萊特帕特森）

介紹（Introduction）

美國空軍的F-22工程、制造和開發（EMD）項目，以遠遠超出當前戰場系統的理念推動了機載火控雷達技術的發展。高性能、高可靠性和低探測性是AN/APG-77雷達設計的關鍵點，這些特性通過主動陣列技術（Active Array Techndogy）、低噪聲接收機組件（Low Noise Receiver）、高密度封裝（High Density Packaging）和先進的開發模式得以實現。本文將從系統工程角度探討這些高級功能，首先介紹F-22的航空電子系統概念，然后總結包含F-22雷達系統的硬件和軟件架構。本文對F-22獨特的生存性、致命性、可靠性和可支持性方面進行了探討，也從航空工業的角度論述了如何將主動陣列集成到一架低探測性戰機的過程。文章也包括了一些設計領域的內容，包括電源、冷卻、封裝、降低重量、低雷達橫截面、接收機設計、天線設計、可靠性、可支持性、可維護性和波形設計方面的經驗和教訓。而如果沒有通過若干長期的政府和行業的聯合協作，沒有新型開發進程和關鍵技術過度，實現這些新特性也是完全不可能的事情。本文其餘部分還對固態發射接收模塊、電子掃描陣列和先進雷達罩等先進戰術戰鬥機演示/驗證（Advanced Tactical Fighter Demonstration/Validation）階段的相關細節進行了回顧。

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2017-1-10 23:56 上傳

F-22雷達的EMD項目由一個政府/承包商的聯合團隊進行管理，該團隊建立在集成產品開發的概念中，強調並行工程、溝通和跨公司團隊合作。空軍團隊位于俄亥俄州懷特帕特森空軍基地（Wright Patterson AFB）航空系統中心內的F-22系統項目辦公室（System Program Office）。承包商團隊包括洛克希德馬丁航空系統公司（LMASC）、波音軍用飛機公司（BMA）、諾斯羅普格魯曼電子傳感器和系統公司（ESSD）和德州儀器（TI）。洛克希德馬丁和波音是具有飛機雷達集成責任的主承包商，包括雷達電源模塊的設計和開發。雷達系統正在諾斯羅普格魯曼/德州儀器的合資企業下制造，二者在發射接收（TR）模塊方面的責任比例是40/60%，而在天線子陣列（Antenna Subarray）方面則是50/50%。德州儀器負責構建陣列電源模塊並提供相關的支持軟件。諾斯羅普格魯曼則負責所有剩餘的硬件/軟件以及完整的子系統集成測試。

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2017-1-10 23:57 上傳自從1990年3月結束的初始演示/驗證階段（Initial Demonstration /Validation Phase）以來，F-22的雷達開發項目已經取得了顯着進展，兩個競爭團隊（洛克希德/波音/通用動力/西屋電氣/德州儀器團隊，對陣諾斯羅普/麥道/西屋電氣/德州儀器團隊）對相關概念進行了驗證。在1991年8月正式的渠道選擇和合同授予過程之后，雷達的EMD進程朝着它的第一個里程碑移動; 系統需求設計審查更新（System Requirements Design Review Update ）于1992年3月完成。雷達系統的初步設計審查（Preliminary Design Review）開始于1993年2月，隨后是1994年9月的系統關鍵設計審查（Critical Design Review）。第一個完整的APG-77雷達于1998年第一季度開始在航空電子實驗室進行測試，並于1998年初在F-22/波音757航空電子飛行試驗台上飛行，並計劃在1999年第二季度在F-22飛機上飛行。到目前為止第一台機組的硬件已在諾斯羅普格魯曼的雷達集成實驗室中測試完成。在1995年6月和1996年12月分別遞送完成的兩次雷達系統CDR文件顯示，軟件編碼正在順利進行。

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#2

樓主發表於 2017-1-15 20:34

系統設計概要（System Design Summary）
APG-77雷達系統是集成多傳感器航空電子設計實施的一部分，與以前的系統不同，F-22的航空電子系統以高度集成的方式反映了其特性——在許多情況下航空電子系統自動管理傳感器操作，同時減少飛行員手動工作負荷。該系統可以結合各種傳感器數據以識別飛機並在單個顯示器上呈現完成的空情圖片。如圖2所示，在過去由雷達自主處理的部分（火控、跟蹤和傳感器管理）現在由航空電子級別的層面控制和處理，雷達目標測量數據和其他傳感器數據以文件的形式被傳輸到集成的航空電子系統，雷達活動由航空電子水平傳感器管理器控制，這些傳感器通過高速數據總線傳輸所需的指令。而諸如波形選擇（Waveform Welection）、掃描體尺寸（Scan Volume Size）、軌道精度期望（Desired Track Accuracy）和時間線優先級（Timeline Prioritization）之類的系統參數，則是傳感器管理命令的示例。航空電子任務軟件（Avionics Mission Software）組件為所有航空電子傳感器提供功能管理，包括導航、飛行員-載具接口，火力控制、飛行路徑管理、軌道融合和傳感器管理等，這些獨特的自動化和綜合特性達成了雷達和航空電子任務軟件各功能之間的高度交互。

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2017-1-10 22:36 上傳
雷達功能性能要求已經在這個集成航空電子學概念的背景下制定，根據目標參與時間線場景，將搜索、跟蹤、識別和群集突圍需求分配給雷達。圖3總結了在所謂的“F-22戰術球形邊界”中的這種情況的頂層視圖。在相應的距離範圍內需要特定的雷達功能，以便整個武器系統實現“首先發現，首先擊毀”的特性。交戰範圍被划分為五個區域，過程中需要雷達提供遠程情境感知、AIM-120射程範圍外的高精度目標跟蹤支持，其區域邊界是基于飛行員信息需求、武器能力、威脅能力和F-22標記設置的。這些基準要求通過實施先進的多模式、多目標交錯搜索、全天候的火力控制雷達設計中反映出來，而敏捷波束探測（Agile Beam Searchhrack）、低可觀測性（Low Observable）、電子對抗測量（Electronic Counter-countermeasure）和低截獲概率（Low Probability of Intercept）設計特徵的結合，給予F-22的雷達在戰鬥中實現大的飛躍。

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2017-1-10 22:37 上傳

雷達硬件主要由5個部分組成，包括陣列/波束轉向控制器（Array/Beam Steering Controller）、雷達支持電子設備（RSE）、RF接收器（RF Receiver）、陣列電源（Array Power Supply）和安裝支持設備（Installation Equipment）。圖4顯示了APG-77硬件子系統的概要，這些單元通過冷卻劑分配歧管（Coolant Distribution Manifold）中的冷卻液進行降温，並且從飛機發動機得到所需要的電力。控制、狀態和RF接收器數據接口則由通用集成處理器（Common Integrated Processor）和雷達支持組件之間的光纖鏈路連接。主陣列安裝在機頭天線罩中，由發射/接收（T / R）模塊和幾個保護信道的接收模塊組成。

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2017-1-10 22:37 上傳
雷達系統框圖如圖5所示，陣列的移相命令在由摩托羅拉68040微處理器控制的BSC中計算，而所需的直流電源由APS提供，它過濾並調節飛機發電機的270伏直流電。陣列RF輸出通向RF接收器單元，該單元包含一個能夠對信號在主陣列和側陣列之間進行路由選擇的交換器件。RF接收器單元還提供帶通濾波器（Bandpass Filter）、RF放大（RF Amplification）和初級頻率下變頻（First Frequency Down-conversion，其實就是外差處理）。RSE擁有雷達子系統的6個主要功能：接收器、激勵器(Exciter)、最終頻率下變頻（Final Frequency Down-conversion）、控制器、同步器（Synchronizer）、模數（AD）轉換功能和低壓電源。

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2017-1-10 22:39 上傳

摩托羅拉68040是第三代68000系列CISC處理器，于1990年發布，使用0.57-0.8微米CMOS工藝，晶體管數量120萬，6級全流水線體系，L1指令/數據緩存各4KB，並集成了包括浮點單元（FPU）和內存控制器（MMU）在內的組件，地址/數據總線均為32bit，默認頻率25-40MHz。68040的不少設計特性都與同時代的INTEL 80486系列相似，但在單位時鐘頻率的性能上要優于後者，不過因此也帶來了發熱量相對大的問題。該處理器曾在90年代被很多廠商的電腦和服務器使用，后來也被用于思科公司的諸多網絡設備。

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#3

樓主發表於 2017-1-15 20:35

RSE激勵器生成雷達的RF信號，它向陣列驅動器提供RF驅動，並且用作雷達系統時鐘。 RSE控制器通過光學接口將四通道VQ數字數據傳輸到CIP，並作為CIP的主要數據、狀態和控制接口。硬件部分則作為一個可配置項進行管理，並分為陣列/波束轉向控制器、RSE（24個模塊）、RFX（5個模塊）、陣列電源（3個模塊）和機架/安裝硬件。SEM-E模塊的配置可作為大多數硬件組件的標準（APS和信道機LRM並不是SEM-E），這些SEM-E模塊安裝在各自的LRU背板組件中。前部機身設備機架的物理安裝，是在不斷縮小的、侷促的機頭空間內完成的。陣列則通過一個向后的止動器和波束轉向控制器安裝到一起，後者位于前者的背面。而RFR和RSE則固定在前部設備艙上部空間中的穩定平台上，陣列電源正好位于天線的后側。

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2017-1-10 22:40 上傳

系統的核心是陣列子系統，陣列被設計成可以在垂直于天線面的錐形體積內產生電子掃描束覆蓋，該陣列包括4個相互連接的、隨時隨地可運作的、帶前向保護的天線。“子陣列”則是天線的基本構成模塊，這是一個類似于長條金屬板的、由機械和電子部件構成的組件，它們遍布天線直徑範圍內的區域，若干個這樣的部件在天線上組成了類似于圓形的形狀。子陣列由單個真空釺焊冷板組成，其上安裝有RF歧管、邏輯/功率歧管、發射和接收模塊以及散熱片。所有子數組包含相同的功能組件，唯一的區別是長度，它會隨着T / R模塊和散熱片的數量而變化。當子陣列上安裝好T / R模塊、信號歧管和散熱片后，若干子陣列組合后將形成天線表面的大部分區域。而波束轉向控制器基于來自雷達操作飛行程序（OFP）的波束形狀和掃描命令，從而來計算各個有源陣列T / R模塊的相位和幅度。

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2017-1-10 22:41 上傳

發射和接收模塊是天線陣T / R功能的核心。如圖6所示，發射和接收模塊作為單獨的部分封裝在天線中。各個模塊組合后形成了T / R的功能，這些功能在饋送輻射元件的循環器組件中執行。發射模塊是微波功率放大器組件，它提供RF功率放大、相位控制、DC發射定時、數據傳輸和電壓調節。接收模塊提供低噪聲放大，相移和后放大以及接收器保護功能。 T / R模塊設計使用多種GaAs工藝（MESFET，HET，VPIN）來在一個組合式T/R模塊對（Module Pair）上集成6塊MMIC和5塊ASIC芯片。接收鏈分為四個主要部分：由接收元件和歧管組成的天線，提供RF帶通濾波的信道化器，在陣列之間進行選擇並執行初級頻率下變頻的下切換轉換器（Switch Down-converter），以及完成向下切換到基帶並進行數據的模數轉換（A/D）。
計算機軟件配置由四個計算機軟件配置項組成，軟件組件分為： 1.雷達處理和管理（Radar Processing and Management），16萬行代碼，可提供模式活動管理器的頂級雷達控制； 2.雷達支持電子控制程序（Radar Support Electronics Control Program），6000行代碼，配置接收機並提供校準； 3.陣列電源控制程序（Array Power Supply Control Program），6000行代碼，監測APS的功率和本地控制; 4.波束轉向控制器控制程序（Beam Steering Controller Control Program），4000行代碼，執行波束指向計算。
雷達處理管理器（Radar Processing Manager）包括具有三個主要功能組件的主要控制軟件組件：雷達管理器（Radar Manager）、活動管理器（Activity Manager）和測量功能（Measurement Functions）。除此之外它還提供執行狀態控制、雷達時間線管理和導航實用程序的總體執行功能。活動管理器充當到航空電子設備任務軟件接口的鏈接，並控制諸如空氣體積搜索，空中軌道，嵌入操作，導彈更新，系統健康和空對地動作的廣泛功能任務的整體執行。RPM的測量函數分量表示執行單個雷達測量（如HPRF搜索，所有方面搜索和軌跡）的最低階功能。該軟件架構旨在通過設計一個底層軟件架構來最小化大量回歸測試的需求，底層軟件架構解除了添加到現有代碼中的新功能之間的依賴關係。具體來說，雷達管理器服務不包含存在哪些活動管理器或測量功能的知識。測量功能執行單個測量，它並不關心這是什么活動管理器、因為什么目的而請求的測量。RPM中的軟件代碼是使用基于《Ada實時系統設計方法（Ada Based Design Approach for Real Time Systems）》編寫的，它提供了一個詳細的過程，以將功能定義的S/W要求使用Ada語言來設計和實現。雷達操作飛行程序（Operational Flight Program）以三個模塊的形式交付到航空電子集成實驗室，它們包括模塊1（初始軌道、搜索、BIT、CAL、LPI），模塊2（最終搜索、跟蹤、機炮瞄準、ECCM）和模塊3（目標識別、Raid評估、導彈更新、空中戰鬥機動、氣象圖）。

CIP.jpg (98.52 KB, 下載次數: 0)
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2017-1-10 22:42 上傳
雷達處理資源駐留在通用集成處理器（CIP）中，由10個信號處理元件（Signal Processing Element）和4個數據處理元件（Data Processing Element）組成。F-22承包商團隊已將Eh4D的CIP吞吐量和內存使用率目標設置為70％，從而為將來的設計開發提供30％的備用餘量。

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樓主發表於 2017-1-15 20:36

f_22_APG_77_radar.gif (75.41 KB, 下載次數: 0)
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2017-1-10 22:44 上傳

APG-77的功能能力如圖7所示。該設計實現多種操作模式，包括長範圍搜索（範圍搜索）、長範圍搜索（隱射搜索）、全方位中等範圍搜索（速度範圍搜索）、跟蹤（多目標跟蹤），AMRAAM數據鏈路能力（導彈升級）、目標識別（ID），目標群集突破（Raid 評估）和天氣檢測（Weather）。雷達升級潛力包括結合空對地合成孔徑映射、空對地測距、增強識別能力和視野擴展。增加的視野升級特徵領域涉及到側面的“臉頰”陣列，所需的空間、電力和冷卻能力已經包括在之前的設計中，這將允許它在併入舊系統中時造成最小的影響。
F-22的雷達技術瞄準了幾個關鍵領域，以提高生存性、致命性、可靠性和可支持性。主動陣列設計在性能方面比傳統戰鬥機雷達更加強大。增強的功率孔徑部件提供了更長範圍的目標檢測、ID和軌跟蹤性能以支持遠程導彈交戰。敏捷波束控制使得多功能交錯和增強波形設計方面有了顯著的改進。傳統的邊跟蹤便掃描（TWS）方式限制了被跟蹤目標的數量和搜索空間的大小，並且其性能被機械掃描天線的特性而限制到一個狹小的範圍內。敏捷波束轉向為雷達設計師開闢了一整套新的選擇，多維波形設計讓同時搜索和跟蹤大量目標成為了可能。這提升了時間線效率，並將其直接轉移到可用的搜索和跟蹤時間上。基本設計特徵涉及到搜索和跟蹤測量功能的去耦過程（原文用詞是decoupling，簡單理解就是將二者分開處理之意）。雷達搜索任務結合預定的跟蹤和戰術測量更新完成，同時保持其優化的波形特性。長程搜索波形利用警報確認（Alert-confirm）檢測其策略，從而使駐留時間最小化，同時減少假警報的可能性。改進的波束敏捷性還允許雷達同時搜索多個位置，為飛行員提供在若干空間扇區中的情境感知，同時在整個雷達測量區域內保持對優先目標的跟蹤。如圖8中與F-15比較所示，這些能力對F-22致命性的高度提升至關重要。在生存性領域，APG-77的天線設計支持F-22的隱身RCS特性，這可以降低敵人探測和跟蹤F-22的能力。低截獲概率（Low Probability of Intercept）技術已被納入雷達波形設計的所有方面，限制了威脅系統識別和利用F-22發射的雷達波的能力，低RCS和LPI的實現使得飛行員增加了生存力從而支持其“首先發現”的優勢。APG-77旨在通過高可靠性結合兩級維護（操作/維修）提供更低的全壽命成本。低故障率估算基于系統體系部分的初步設計，並且高度利用了AESA的固有可靠性。該系統的設計使用壽命為11,350小時，MTBM為246小時。這與空軍現有的戰機雷達系統形成了鮮明對比，它們只有20-50小時的MTBM。增強的可支持特性與空軍作戰指揮部（ACC）針對該系統的政策一致，其特徵在于減少人力、縮減移動資產和減少現場支持設備，這些簡化內容可以減少維護時間，尤其是不斷增加的飛行響應時間所帶來的要求。具體設計特點包括：模塊化的可替換封裝、維護時易于進入/無需校準、內置檢測故障隔離系統（98％置信度的LRM級別）、可快速卸除的冷卻線路、最小化扭矩緊固件校準、兼容靜電自放電的連接器、優越的陣列老化特性。

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樓主發表於 2017-1-15 20:37

[隱藏]

系統體系（System Trades）
通過設計、開發和集成過程，我們在嚴格的系統工程環節里將火控雷達安裝到了低可視戰機的機頭內部。而傳統的設計層面，比如電源、冷卻、空間和重量等，也已經因為一些新的挑戰而變得更加複雜。因此，F-22的雷達開發計劃產生了一套極其龐大的“自上而下”的設計體系，它們從最低的部件級一直到最高的系統級。

電力系統（Power）雷達系統包含安裝在RSE，RFR，BSC和陣列中的本地化電源。對電力層級來說，涉及相關限制系統內直流電力總線上的脈動噪聲的內容是非常重要的。主動陣列在輻射時消耗相當大的功率，並且可能產生人們不期望的浪涌效應（Surge Effect），這常常表現為公共航空電力總線（Common Avionics Power Bus）上的周期性噪聲。當涉及到多個航空電子設備功率調節配置的交互時，需要在有效性、空間和重量影響方面進行分析考慮。而雷達利用情景則與飛機電力系統模型結合使用，以測量高功率雷達操作的影響，所以一種分布式設計被使用了，它可以在雷達浪涌源和調節點提供適當的功率。

一種高密度的電源方案也在陣列電源供應層級被考慮到，而且在EMD早期技術演示時顯示了非常好的效果，但是該技術卻沒有成熟到足以滿足基線設計的要求。這個設計使用能夠提供相同功率性能的、較小且較輕的多個單元來代替現有的單個陣列電源。不過由于它在切換速度的性能和效率方面有着很大優勢，所以將成為生產之前的重量/成本改進計劃的可行候選者。

冷卻系統（Cooling）冷卻系統的設計側重于傳熱效率、性能和設備壽命。入口冷卻劑温度和熱傳遞方式着重于質量、可靠性、噪聲係數和其他性能特徵，以便為每個雷達組件實現最佳的冷卻設計。而RSE和BSC的相對較低的工作温度和散熱特性需要使用液體傳導冷卻，系統性能層級直接與RFR對温度的敏感性相關，維持温度所需的液體通過持續流動以保持足夠低的合流温度。温度梯度效應（Temperature Gradient Effect）使得在陣列內需要有效的散熱管理，畢竟它需要足夠的流量來通過子陣列內部進行冷卻。因此主冷卻劑的主出/入口被設置在天線陣的后側，冷卻劑通過一個內部空腔被分配到各個子陣列。

高密封裝（Volume Packaging）體積和包裝層級對雷達硬件符合前部機身中分配空間的要求至關重要。當環境需要滿足時，振動敏感接收器（Vibration Sensitive Receiver）的分區允許其空間使用最少量的隔離材料。飛機振動要求在實際飛行機動方面進行了改進，並與具體的雷達操作模式相關，從而降低發生超出規定誘導振動情況的可能性。預期的維護率、可支持性需求和訪問等條件，被用于定義硬件方位、連接器設計（快速斷開型）和每個組件的操作空間。實際中的例子包括：將高度可靠的BSC集成到陣列中，在RFR、RSE、APS和陣列的相對有限的物理空間條件內，所有的4個LRU的冷卻系統連接器都能支持快速斷開，預測雷達天線將有一個非常低的分離速度以在沒有鉸鏈的情況下支持簡化和靜態的天線罩安裝操作。

重量（Weight）通過一些對系統CDR進行減重的努力后，結果是很讓人滿意的。早期硬件原型（30％的EMD硬件）的準確重量在系統CDR階段時就被提供了，並允許制造商在一些具有挑戰性的領域進行早期設計調整，這些努力的結果使得後期產品的重量相比早期EMD時降低了近50磅。用于部件級外殼的輕質材料被否定，它們被更多的鋁制脊狀材料替代，這能產生較低的振動和負載效應方面的風險。而用于AI的高密度電力系統也因技術不成熟的原因被否定，不過這項技術在EMD階段正在被研究，並將考慮是否能用于實際生產環節。系統潛在的重量降低量大約在50磅左右，當前的重量已在圖9中給出，其總重量在530磅以內。

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樓主發表於 2017-1-15 20:39

雷達反截面（Radar Cross Section）
低雷達截面設計是天線和天線罩安裝配置的核心，這種組合組件由于有高度集成的性質而被稱為“集成前體（Integrated Forebody）”。在項目的Dem / Val階段，我們探索了多個設計方案，在程序源選擇中使用YF-22帶通概念（洛克希德、波音和通用動力）作為選擇的設計策略。圖10示出了雷達罩的頻率過濾特性，它允許雷達波向外傳輸，但是限制雷達天線和前向腔室暴露于外部。低雷達反截面的因素在整個雷達設計中有非常大的影響，已經涉及包括天線罩複雜性、陣列安裝和天線陣設計在內的很多領域。

波形設計（Waveform Design）豐富的處理資源和主動陣列技術，使系統具備了在傳統系統里不可能使用的波形適應性設計。雷達測量任務的航空級控制平台提供了一個軟件接口，它可為雷達增添“操作子模式”，從而讓駕駛員有更多的靈活性。在搜索和跟蹤模式之類的設計領域，層級的概念都被考慮以在探索時間線管理、目標測量維護以及在構建子模式中截取概率低等方面的影響。
集成性航空電子跟蹤（Integrated Avionics Tracking）的新概念使雷達任務率和優先級的選擇變得複雜。經典的綜合雷達設計已經能利用自主的雷達跟蹤器來檢查歷史狀況和管理目標測量更新率。雖然雷達仍然保持自己的內部跟蹤器功能，但F-22航空電子架構可在雷達和航空電子傳感器管理器（Avionics Sensor Management）之間提供廣泛的接口，並將明確的雷達控制給予ASM。這種高層次的接口控制讓顯示器和傳感器之間的複雜性的增加，所以需要讓航空電子團隊成員之間進行大量的合作和協調。

天線（Antenna）包括塑造APG-77天線在內的大量重要設計方案被研究了，其中最重要的是在F-22項目Dem / Val階段研究的多個AESA和PESA配置。這些研究看重量、功率、冷卻、體積和成本性能，活動配置將在包括重量和體積在內的優點項上選擇。機械掃描的天線配置被否定，因為它自身的雷達反截面特性很有限，而其波束轉向敏捷性也被確定為不足以支持多目標搜索和跟蹤要求。

APG-77 EMD 1.jpg (31.35 KB, 下載次數: 0)
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2017-1-10 22:58 上傳

可選的電子掃描陣列包括有源和無源兩種，這兩種類型的概念都被進行過評估，在考慮長距離探測要求的前提下，飛行器的一些限制如體積、重量、功率需求等參數都被定義了。結果是在F-22所需的較高探測範圍下，AESA明顯需要更少的體積、重量和功率。而PESA超過了飛行器的體積和功率輸出要求，並且幾乎達到AESA兩倍的重量。

兩者的成本估計是可比較的，但AESA在實現F-22所需的探測性能時可能產生更高的生產性風險，而AESA的額外優點是更寬的發射帶寬和“優越”的老化性能，畢竟單個行波管（Traveling Wave Tube）失效的可能性要比多個模塊要大。
6bit相移T/R模塊設計的本身就代表了複雜的層面，在想要獲得系統性能要求、可承受的產量和最終模塊成本的情況下，一些性能參數如發射功率、效率和增益等相互之間完全是矛盾的。為了讓它們達到平衡，需要對單片微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuits）GaAs芯片進行幾次迭代處理，最后將獨立的發射和接收單元置于鋁殼中后封裝成了T/R對。

接收器（Receiver）接收器層級延伸遍及在整個系統架構內，在硬件領域一項重要的研究被進行，以探討使用低温共結陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic）作為IF接收器的基板。儘管使用LTCC有顯著的優點和重量優勢，但是該材料非常昂貴，並且目前還缺乏制造IF接收器這么大的基底的經驗。但在本研究結束時我們還是選擇了LTCC，並開始了積極的材料和工程開發工作。在經過原型基底上的幾個“學習性失敗”之后，我們開發了適當的工藝和制造/處理技術以一致地生產這些基底。在一般情況LTCC已經在激勵器（Exciter）、採樣數據轉換器（Sample Data Converter）、信道機（Channelizer）和陣列環行器基底/饋通區域（Array Circulator Substrates/ Feedthrough Area）中實現，其中封裝和性能的增益抵消了成本增加因素。
與主動陣列雷達相關的接收機干擾效應需要和信道器（RF預選器）設計相匹配，這需要大量的外部環境發射分析。派生的三階截距（Third Order Intercept）數值在系統層級就已經被確定，為確定雷達系統敏感度TOI對T/R模塊增益、T / R模塊噪聲係數和陣列功率變化的靈敏度的影響，我們進行了大量的交互過程以在系統設計中建立平衡點。這些努力主要集中在陣列中的接收模塊，因為它的性能提升對系統噪聲係數和TOI都有非常大的益處。
因為有在高背景雜波中探測小目標的要求，接收機穩定特性被提升到具有挑戰性的水平。相關的頻譜純度等級被調節至最低水平，並且其隔離體系在最小化的環境影響下以符合安裝標準。而在大範圍的振動隔離在激勵器（Exciter）上被實現了，同時頻率同步器（Frequency Synthesizer）中的控制離散已被很密切的注重。一些脊形天線和相關的安裝硬件，被設計成可避免因子陣列結構中的振動而引起相位誤差（Phase Errors）。而另一些措施也被採取，從而讓陣列到RFR的18英寸電纜的振動影響最小化。AID動態範圍以及整個雷達的頻度純度分配，基于與在特徵化條件下和探測小目標相關聯的性能參數決定。這些參數的選擇，涉及到各種戰術接合分布中的雜波特徵的廣泛層面。所提到這些工作在整個雷達系統中具有普遍的影響，但正是這些工作使得無雜散操作點（Spurious Free Operation Point）和相關的目標可見性性能得以改善。

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#7

樓主發表於 2017-1-15 20:39

可靠性（Reliability）
雷達可靠性和生命周期成本考慮因素受到《航空電子完整性項目（Avionics Integrity Program》（AVIP / MIL-A-87244）的影響。AVlP是對最終產品的設計、開發、質量、生產和生命管理過程的有組織和規範方法。AVIP過程強調安全性、性能能力、可靠性、可維護性、可支持性、可生產性和降低擁有成本，完整的過程一般可以分為3個階段：
第一階段，即初始需求的定義，進行性能/整合交互以建立功能性能（探測範圍、ID概率、搜索時間等）和完整性參數（環境、產品變異性等）之間的關係。《環境標準文件（Environmental Criteria Document）》的制定有助于規範化這些行業的體制，並確定航空器內雷達的自然和誘導環境（Natural and Induced Environment）。

第二階段，完整性過程解決了F-22生產環境的故障控制和消除。諸如材料特性測試、開發測試、設計分析、可變性減少和統計過程控制的任務被用于滿足在第一階部分中闡述的硬件性能要求。振動和熱分析被進行，以支持強度和疲勞分析。開發測試時也常常使用驗證分析，並為幾個領域提供新的分析技術信息，例如無引線芯片載體、T / R模塊和模塊交叉互連。在EMD中進行疲勞分析和耐久性壽命測試，以滿足雷達生命期所要求的驗證。
最后階段，高效生命期管理（Cost Effective Life Management）解決了生產和維護支持的問題。AVIP過程三個階段的產品將使雷達上的檢查、返工和維護過程最少化。完整性過程提供了一種有條理的工程原理應用，旨在整合性能、成本和維護支持所要求的基本平衡。

可維護性（Maintainability）雷達系統設計的重點是根除定期檢查、易于訪問和維修，並儘量減少對現場測試設備和人員的需求。除了與現場支持設備的兼容性外，該系統被設計于可以儘量少的使用《標準航空器維護工具（Standard Tools for Aircraft Maintenance）》中的工具類型。系統強調自校準特性，希望避免使用所有帶校準扭矩相關的手動工具。但模塊射流器/引射器（Injector/ Ejector）設計和雷達LRM實際安裝力要求之間的不兼容性，最終雷達模塊安裝已經演變為需要校準扭矩。由于天線罩和飛機之間的精細RCS接口，天線拆的裝可以是在惡劣天氣條件下進行的過程。低維護訪問要求和嚴謹工序（導向銷、易拆卸的天線接口部件、保温手套和正鎖緊固件）的存在，減輕了後勤支持對天線罩和天線拆裝的壓力。一般來說，進入任何雷達LRM區域最多僅需要拆除兩個飛機蓋板。使用BIT進行故障隔離后，通過釋放楔形鎖緊（Wedge-lock Clamping）裝置可以方便地檢查或拆除模塊。
天線T / R模塊故障模式被分析和設計成具有多個故障檢測選項，故障模式類別也被改進，並進行了生命周期成本研究以確定最佳的故障檢測設計。性能設計確定了每個故障模式中天線的去除閾值，這些閾值是是否需要拆除和修復天線的故障確定值。這些設計，對于實現與ESA優越性相關聯的、潛在的低生命周期成本至關重要。

我們還探討了背板拆除和維修備選方案，進行了生命周期成本評估，最終的設計配置支持在受限機構級（Limited Organizational Level）和主站級（Primary Depot Level）進行RSE、RFR和APS背板/帶線機架組件的維護工作。由于雷達和F-22航空電子設備標準機架/背板配置和相關的維護概念（由于空間限制）的相關偏差，這些概念在EMD計劃的早期受到了極大的關注，在這裡雷達LRU必須能從飛機移除以進行任何類型的背板維護。當然這些背板被移除的情況是非常罕見的，就像相應背板單元的預測平均時間關鍵故障（Mean-Time Between-Critical Failure）所證明的那樣——RSE（44843小時）、RFR（476190小時）、APS（42194小時）等。

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2017-1-10 23:14 上傳
通過檢查所有端到端維護程序，降低了維護引發故障的可能性。我們將這種方法在陣列上后對其做出了幾個改進。電路卡測試點上的插頭換成插座，這是因為插頭比插座更容易損壞（並且具有更高ESD損傷的可能性），由于測試線纜比電路卡更便宜也更容易修復，這種設計變化是有意義的。訪問蓋（它也提供電磁脈衝保護）也被重新設計，使得它們可以在任何方向上安裝。連接器被重新定位，以便讓手從更好的角度進入內部安裝線纜（從而防止銷損壞），相關設計也被改進以減少移除和安裝部件所需的步驟數量，從而產生雙重益處。而更少的步驟通常意味着有更低的故障，並從總體上減少維護操作時間。故障模式和影響關鍵性分析（Failure Modes and Effects Criticality Analysis）提供了一個有效的過程，以解決許多類似的問題，並提供後勤保障分析（Logistical Support Analysis）使用的源數據。早期EMD維護評估使用縮放的比例模型，並廣泛使用計算機輔助設計系統上的人性化三維繪圖（Human Factors Three Dimensional Drawings）完成。當安裝生化（Chem-Bio）保護裝置時，我們也很注重維護人員的效能。

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#8

樓主發表於 2017-1-15 20:41

雷達罩（Radome）

將雷達集成到天線罩中的過程，代表了F-22雷達EMD項目的主要工作之一，由未來用戶（ACC）提供的增強空氣動力學性能和低可觀測性要求，造成了雷達設計中的幾個挑戰。空氣動力學穩定性和阻力方面的改進導致了尖銳的機頭設計，具體反映了以高細度為特徵的脊狀天線罩。這些脊狀約束導致頭腔體積很小，限制了天線孔徑面積、體積並使雷達運行複雜化。結合天線中的功率孔徑乘積，我們分析了雷達孔面積和體積分配。這些設計已經使其對T / R模塊關鍵性能的要求降低。雷達罩的複雜形狀具有高反射特性，這使得雷達中必須考慮在雜波中所有方面的搜索性能。這導致早期EMD中進行了大量的雷達天線表徵工作，而使用EMD測試陣列對原型雷達天線的驗證，證明了EMD設計中心大量的旁瓣建模數據。這些測試的成功，對雷達在雜波中的探測性能（虛警和檢測性能）至關重要。

技術發展投資（Technology Development Investments）
技術轉讓計劃對F-22雷達的貢獻是無價的，這些計劃的經驗和技術使開發過程有了較低的風險，並成功地將先進技術融入其中。邁向AESA實施的革命性過程，涉及了許多政府/承包商聯合計劃，包括一系列萊特實驗室的倡議：

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雷達罩是雷達系統解決方案的重要部分，洛克希德馬丁臭鼬工廠（Lockheed Martin Skunk Works）獨立研究與開發計劃（Independent Research & Development Program）在變異性減少和制造工藝改進方面做出了努力，這顯着降低了實現質優價廉的F-22設計的風險，要知道它在旁瓣控制和低RCS方面達到了非常具有挑戰性的水平。而由ESSG和LADC開發的模型和設計迭代工具，被合併以支持早期EMD中的雷達/雷達天線/空中監視體系。這種迭代分析能力，可以檢查天線罩外模線/面設計變化造成的電磁衝擊，代表了集成武器系統設計的一個重大進步。當雷達罩的某些高精度特性需要被重視時，這些工具可以讓空氣動力學設計者和科學家們探討問題的關鍵。雷達天線的生產成本風險目前正在通過MANTECH方案加以解決，其中將考慮為EMD和生產型F-22雷達罩使用替代制造工藝。上述分析工具的使用，大大減少了新天線罩構建過程的轉換風險。

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#9

樓主發表於 2017-1-15 20:42

未來航空電子系統的趨勢是在更少的空間中實現更多的能力，接收器功能將繼續朝向孔徑級發展，在陣列處進行首次下變換是一種可能的方向。這將需要非常穩定的晶體技術來支持將來對小目標的探測要求。還需要小體積的高效電源，以支持先進的低噪聲航空電子系統中對高保真功率的要求。高密度分布式電源方法可能在陣列級應用，其中每個陣列子單元由其自身的電源供電。基于“平鋪”架構的天線設計，將替代F-22設計中使用的“磚塊”，這將需要支持更薄、更保形的陣列技術，還將需要更智能的陣列設計去支持更長的有源陣列維護壽命。孔徑和天線罩集成將被持續關注，以便使陣列更靠近飛機的內模線。共形多面孔徑技術（Conformal Multifaceted Aperture Technology）將繼續發展，以滿足集成EW /雷達系統帶來的更高領域的要求。最后混合系統的方式，將使電子戰和雷達系統在一個系統硬件配置下區推動微波組件和孔徑中的帶寬限制。

PS：據說本樓列表里的第二項“固態相控陣”就是這個，1983年研制、1989年完成樣機並測試，2000個T/R單元的AESA。

http://lt.cjdby.net/thread-2350432-1-1.html

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