第7章飛行器有關(guān)技術(shù)概述7.1CAD/CAM技術(shù)7.2主動控制與綜合控制技術(shù)7.3隱身技術(shù)7.4系統(tǒng)工程7.5微機(jī)電系統(tǒng)思考題與習(xí)題

7.1CAD/CAM技術(shù)

7.1.1CAD/CAM基礎(chǔ)知識計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造(CAD/CAM)技術(shù)，產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代后期發(fā)達(dá)國家的航空和軍事工業(yè)中，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來。1989年，美國國家工程科學(xué)院將CAD/CAM技術(shù)評為當(dāng)代(1964—1989)十項(xiàng)最杰出的工程技術(shù)成就之一。

目前，CAD/CAM已經(jīng)取得了令人矚目的成就，應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)張。工程設(shè)計(jì)借助計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以直接從三維造型開始，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)無紙化設(shè)計(jì)乃至虛擬產(chǎn)品開發(fā)(VPD)。而在制造技術(shù)方面，已經(jīng)完全可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)零件建模、工藝設(shè)計(jì)、自動生成數(shù)控代碼，以及與數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)通信，甚至已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)上的虛擬制造與裝配。

1．CAD的定義

從最廣泛的意義上來說，CAD是指利用計(jì)算機(jī)解決設(shè)計(jì)問題的任何應(yīng)用。但一般定義是指用計(jì)算機(jī)圖形顯示技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)、分析、修改和優(yōu)化的應(yīng)用。CAD系統(tǒng)由能夠完成特定用戶功能的軟件和硬件組成：硬件包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、圖形終端、輸入輸出設(shè)備和相關(guān)的外圍設(shè)備等；軟件由計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和應(yīng)用程序組成。CAD系統(tǒng)主要有幾何造型、工程分析、設(shè)計(jì)評估、自動繪圖、零件分類與編碼五個(gè)任務(wù)，并為產(chǎn)品制造提供數(shù)據(jù)庫，而且這個(gè)數(shù)據(jù)庫包括設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造之間建立了直接聯(lián)系。

2．CAM的定義

CAM通過各種接口，用計(jì)算機(jī)去規(guī)劃、管理和控制制造工廠的操作。通常的CAM可以分為兩大類：一類是計(jì)算機(jī)監(jiān)控，即計(jì)算機(jī)直接連接到制造過程，以監(jiān)督或控制產(chǎn)品生產(chǎn)，稱為直接應(yīng)用；另一類是制造支持應(yīng)用，這時(shí)計(jì)算機(jī)和制造過程中沒有直接接口，稱為間接應(yīng)用，如數(shù)控編程、計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度及材料需求計(jì)劃等。

從CAD/CAM集成系統(tǒng)的角度來看，與CAD相關(guān)聯(lián)的CAM應(yīng)用，主要包括：從生產(chǎn)計(jì)劃到原材料的合理使用，人員的適當(dāng)安排，機(jī)械設(shè)備的有效利用等生產(chǎn)管理；如何選擇加工條件，以及數(shù)控編程；具體生產(chǎn)時(shí)的生產(chǎn)技術(shù)。如果從最狹義的角度理解CAM，一般是指數(shù)控編程。但從根本上說，數(shù)控編程在CAM處理的整個(gè)對象中只占據(jù)很小的一部分。

3．CAD/CAM的定義

在飛行器設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者根據(jù)少量的總體參數(shù)或三面圖的外形數(shù)據(jù)，建立全機(jī)外形數(shù)學(xué)模型，用各種適當(dāng)?shù)那娣匠虂肀硎撅w機(jī)各部分的機(jī)體表面。此后的設(shè)計(jì)工作，如氣動性能核算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校驗(yàn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的空間協(xié)調(diào)等，需要用到的一切外形數(shù)據(jù)都統(tǒng)一由計(jì)算機(jī)從數(shù)學(xué)模型上提取。凡是與飛機(jī)外形有關(guān)的吹風(fēng)模型加工、模線繪制、工藝裝備元件(如鈑金模具、標(biāo)準(zhǔn)樣件的型面部分和定位基準(zhǔn)等)和零件加工等都從數(shù)學(xué)模型上提取有關(guān)的外形數(shù)據(jù)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD/CAM的研究內(nèi)容也在逐步擴(kuò)展。按現(xiàn)在慣常的理解，計(jì)算機(jī)輔助飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造、管理的研究內(nèi)容及相互關(guān)系如圖7-1所示。從圖中可以看出，CAGD是CAE和CAM的連接環(huán)節(jié)。按國外的習(xí)慣，CAGD往往也稱為CAD，主要完成對設(shè)計(jì)對象的幾何形狀的設(shè)計(jì)工作。

圖7-1

CAD/CAM的關(guān)系示意

4．CAD的幾何模型系統(tǒng)

CAD/CAM技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域隨著全球工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展，CAD/CAM所基于的幾何模型也不斷推陳出新，從最早的線框幾何模型，發(fā)展到曲面幾何模型和實(shí)體幾何模型；從參數(shù)化技術(shù)到變量化技術(shù)和特征造型技術(shù)，每一種新技術(shù)的出現(xiàn)都會大大促進(jìn)CAD技術(shù)的發(fā)展。

1)線框幾何模型(WireframeMode)

線框結(jié)構(gòu)的幾何模型是在CAD剛剛起步時(shí)使用的幾何模型。早期對線框結(jié)構(gòu)的幾何模型研究得比較多，所以它也是一種被廣泛采用的模型，現(xiàn)在的很多二維軟件都基于這種幾何模型。它的描述手段是以線段、圓、弧和一些簡單的曲線為描述對象，因而也把線段、圓、弧和一些簡單的曲線稱為圖形元素。但這種初期的線框造型系統(tǒng)只能表達(dá)基本的幾何信息，不能有效表達(dá)幾何數(shù)據(jù)間的拓?fù)潢P(guān)系，在三維方面的進(jìn)一步處理上有很多麻煩和困難，如消隱、著色、特征處理等，而且由于缺乏形體的表面信息，CAM和CAE均無法實(shí)現(xiàn)，因而在現(xiàn)代的CAD系統(tǒng)中較少使用。

2)曲面幾何模型結(jié)構(gòu)(SurfaceMode)

20世紀(jì)70年代，正值飛機(jī)和汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展。這個(gè)期間，飛機(jī)和汽車制造中遇到了大量的自由曲面問題，當(dāng)時(shí)只能采用多截面視圖和特征緯線的方式來近似表達(dá)所設(shè)計(jì)的自由曲面。由于三視圖方法表達(dá)具有不完整性，因而經(jīng)常發(fā)生設(shè)計(jì)完成后，制作出來的樣品與設(shè)計(jì)者所想象的有很大差異，甚至完全不同。這樣，對更先進(jìn)設(shè)計(jì)手段的需求越來越迫切，同時(shí)，相關(guān)的數(shù)學(xué)理論和方法研究也取得了相當(dāng)?shù)某晒?，促使了曲線曲面幾何模型的產(chǎn)生。

對于曲面形狀的描述，一般是通過一組離散點(diǎn)的集合來給定的。這時(shí)就需要將一元樣條函數(shù)拓展成二元樣條函數(shù)，將一維樣條曲線拓展為二維樣條曲面?，F(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的曲線造型方法是非均勻有理B樣條(Non-UniformRationalB-Spline)方法，簡稱為NURBS。在NURBS曲線的基礎(chǔ)上可以建立NURBS曲面，現(xiàn)在很多曲面幾何模型的基石都是NURBS曲面，如SurfCAM、AliasStudio等。

曲面幾何模型主要應(yīng)用在航空、船舶和汽車制造領(lǐng)域，以及對模型的外形要求比較高的軟件中。但曲面幾何模型也有一些缺點(diǎn)，例如，曲面模型技術(shù)只能表達(dá)形體的表面信息，難以準(zhǔn)確表達(dá)零件的其他特性，如質(zhì)量、重心、慣性矩等，對CAE十分不利。最大的問題在于分析的前處理特別困難，在有限元分析、物性計(jì)算等方面很難應(yīng)用。

3)實(shí)體幾何模型結(jié)構(gòu)(SolidMode)

實(shí)體幾何模型理論的發(fā)展可以追溯到1970年。當(dāng)時(shí)利用構(gòu)造幾何體(ConstructiveSolidGeometry，CSG)方法，將所建立的實(shí)體首先大致描繪出來，然后再將這個(gè)實(shí)體轉(zhuǎn)換，用邊界表示法(BoundaryRepresentation，BR)表示出來。其中，CSG方法是首先定義一些基本體素，即標(biāo)準(zhǔn)形狀的基本實(shí)體(如立方體、圓柱體、圓錐體、球體等)和它們的幾何尺寸(半徑、長度等)，然后對這些基本體素進(jìn)行布爾運(yùn)算(并、交、差)，從而形成復(fù)雜的零件形狀；BR方法則是用顯式或隱式方程描述實(shí)體的邊界曲線、曲面方程，并記錄其拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

4)參數(shù)化(Parametric)設(shè)計(jì)、變量化(Variational)設(shè)計(jì)和特征(Feature)設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)一般是指設(shè)計(jì)對象的結(jié)構(gòu)形狀比較定型，可以用一組參數(shù)來約定尺寸關(guān)系，參數(shù)的求解較簡單，參數(shù)與設(shè)計(jì)對象的控制尺寸有顯式對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)結(jié)果的修改受尺寸驅(qū)動。例如，生產(chǎn)中最常用的系列化標(biāo)準(zhǔn)件就屬于這一類型。

變量化設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)對象的修改需要更大的自由度，需通過求解一組約束方程來確定產(chǎn)品的尺寸和形狀。約束方程可以是幾何關(guān)系，也可以是工程計(jì)算條件，設(shè)計(jì)結(jié)果的修改受到約束方程驅(qū)動。變量化設(shè)計(jì)允許尺寸欠約束的情況存在，設(shè)計(jì)者可以采用先形狀后尺寸的設(shè)計(jì)方式，將滿足設(shè)計(jì)要求的幾何形狀放在第一位而暫時(shí)不用考慮尺寸細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)過程相對寬松。變量化設(shè)計(jì)可以用于公差分析、運(yùn)動機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)、設(shè)計(jì)優(yōu)化、初步方案設(shè)計(jì)選型等，尤其在概念設(shè)計(jì)時(shí)更顯得得心應(yīng)手。

特征(Feature)在這里作為一個(gè)專業(yè)術(shù)語，兼有形狀和功能兩種屬性，包括產(chǎn)品的特定幾何形狀、拓?fù)潢P(guān)系、典型功能、繪圖表示方法、制造技術(shù)和公差要求。特征造型技術(shù)使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作在更高的層次上進(jìn)行，設(shè)計(jì)人員的操作對象不再是原始的線條和體素，而是產(chǎn)品的功能要素。特征的引用直接體現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖，使建立的產(chǎn)品模型更容易為人理解和組織生產(chǎn)，為開發(fā)新一代的基于統(tǒng)一產(chǎn)品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。

7.1.2常用的CAD/CAM軟件

1．AutoCAD及MDT

AutoCAD系統(tǒng)是美國Autodesk公司為微機(jī)開發(fā)的一個(gè)交互式繪圖軟件，基本上是一個(gè)二維工程繪圖軟件，具有較強(qiáng)的繪圖、編輯、剖面線和圖案繪制、尺寸標(biāo)注以及方便用戶的二次開發(fā)功能，也具有部分的三維作圖造型功能。

MDT(MechanicalDesktop)是Autodesk公司在機(jī)械行業(yè)推出的基于參數(shù)化特征實(shí)體造型和曲面造型的微機(jī)CAD/CAM軟件，應(yīng)用也是比較廣泛的。

2．Pro/Engineer

Pro/Engineer系統(tǒng)是美國參數(shù)技術(shù)公司(ParametricTechnologyCorporation，PTC)的產(chǎn)品，1988年剛一面世，就以其先進(jìn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于特征設(shè)計(jì)的實(shí)體造型而深受用戶的歡迎。此外，Pro/Engineer系統(tǒng)一開始就建立在工作站上，使系統(tǒng)獨(dú)立于硬件，便于移植。這個(gè)系統(tǒng)用戶界面簡潔、概念清晰，符合工程人員的設(shè)計(jì)思想與習(xí)慣。

Pro/Engineer系統(tǒng)的曲面生成、編輯能力覆蓋了曲面造型中的主要問題，一般用于構(gòu)造表面模型、實(shí)體模型，并且可以在實(shí)體上生成任意凹下或凸起物等，尤其是可以將特殊的曲面造型實(shí)例作為一種特征加入特征庫中。Pro/Engineer系統(tǒng)自帶的特征庫就含有復(fù)雜拱形表面、三維掃描外形、復(fù)雜的非平行或旋轉(zhuǎn)混合、混合-掃描、管道等特征，它的曲面處理僅適于通用的機(jī)械設(shè)計(jì)中較為常見的曲面造型問題。Pro/Engineer整個(gè)系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫上，具有完整而統(tǒng)一的模型，能夠?qū)⒄麄€(gè)設(shè)計(jì)至生產(chǎn)過程集成在一起，共有20多個(gè)模塊可以供用戶選擇。

3．I-DEASMasterSeries

I-DEASMasterSeries是美國SDRC(StructuralDynamicsResearchCorporation)公司于1993年推出的新一代機(jī)械設(shè)計(jì)自動化軟件，也是SDRC公司在CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的旗艦產(chǎn)品，以其高度一體化、功能強(qiáng)大、易學(xué)易用等特點(diǎn)而著稱。這款軟件采用了超變量化(VGX)技術(shù)，用戶可以直觀、實(shí)時(shí)地進(jìn)行三維產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和修改。

VGX的好處有：第一，不必要求模型“全約束”，在全約束及非全約束的情況下均可以順利地完成造型；第二，模型修改不必拘泥于造型歷史樹，可以基于造型歷史樹，也可以超越造型歷史樹；第三，可以直接編輯任意3D實(shí)體特征，沒有必要回到生成這種特征的2D線框初始狀態(tài)；第四，可以就地以拖動方式隨意修改3D實(shí)體模型，而沒有必要僅以“尺寸驅(qū)動”一種方式來修改；第五，模型修改許可形狀及拓?fù)潢P(guān)系發(fā)生變化，而并非像參數(shù)技術(shù)那樣僅僅是尺寸的數(shù)據(jù)發(fā)生變化；第六，所有操作均采用“拖-放”方式，操作簡便。

I-DEAS提供了獨(dú)特的變量成型工具，它基于最小能量法，使用先進(jìn)的高層次操作，較完整地解決了主要的曲面造型問題。例如，對直觀的幾何形狀進(jìn)行推擠、彎扭、相斥、吸引等，使底層的曲面曲線成型；也可以對真實(shí)的幾何體直接進(jìn)行交互修改，從而得到光順的形狀，而不像傳統(tǒng)的那樣對控制點(diǎn)、權(quán)、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互操作。

4．CATIA

CATIA系統(tǒng)是法國達(dá)索(Dassault)飛機(jī)公司DassaultSystems工程部開發(fā)的產(chǎn)品。這個(gè)系統(tǒng)是在CADAM系統(tǒng)(原由美國洛克希德公司開發(fā)，后并入美國IBM公司)的基礎(chǔ)上擴(kuò)充開發(fā)的，在CAD方面購買了原CADAM系統(tǒng)的源程序，在加工方面則購買了有名的APT系統(tǒng)的源程序，經(jīng)過幾年的努力，形成了商品化的系統(tǒng)。CATIA系統(tǒng)如今已發(fā)展為集成化的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，具有統(tǒng)一的用戶界面、數(shù)據(jù)管理以及兼容的數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序接口，并擁有20多個(gè)獨(dú)立的模塊，美國波音飛機(jī)公司研制的波音777飛機(jī)便是其杰作之一。

5．EUCLID

EUCLID軟件是法國MATRA公司信息部的產(chǎn)品，是由法國國家科學(xué)研究中心為英國和法國聯(lián)合研制的“協(xié)和”號超聲速旅客機(jī)開發(fā)的軟件，目前在汽車工業(yè)上的應(yīng)用較多。這個(gè)軟件具有統(tǒng)一的面向?qū)ο蟮姆植际綌?shù)據(jù)庫，在三維實(shí)體、復(fù)雜曲面、二維圖形及有限元分析模型間不需要做任何數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作。由于數(shù)據(jù)是彼此引用，而不是簡單的復(fù)制，所以用戶在修改某部分設(shè)計(jì)時(shí)，其他相關(guān)數(shù)據(jù)會自行更新。

6．Unigraphics(UG)

Unigraphics(UG)是起源于美國麥道(MD)公司的產(chǎn)品。1991年11月，麥道公司并入美國通用汽車公司EDS分部，?UG由其獨(dú)立子公司UnigraphicsSolutions開發(fā)。是一個(gè)集CAD、CAE和CAM于一體的機(jī)械工程輔助系統(tǒng)，適用于航空航天器、汽車、通用機(jī)械以及模具等的設(shè)計(jì)、分析和制造工程。

UG以Parasolid幾何造型核心為基礎(chǔ)，采用基于約束的特征建模和傳統(tǒng)的幾何建模為一體的復(fù)合建模技術(shù)。它的曲面功能包含于FreeformModeling模塊之中，采用了NURBS、B樣條、Bezier數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，同時(shí)保留了解析幾何實(shí)體造型的方法，造型能力較強(qiáng)。UG的曲面建模完全集成在實(shí)體建模之中，并可以獨(dú)立生成自由形狀形體以備實(shí)體設(shè)計(jì)時(shí)使用。而許多曲面建模操作可以直接產(chǎn)生或修改實(shí)體模型，曲面殼體、實(shí)體與定義它們的幾何體完全相關(guān)。UG軟件實(shí)現(xiàn)了面與體的完美集成，可以將沒有厚度的曲面殼縫合到實(shí)體上?？傮w而言，UG的實(shí)體化曲面處理能力是其主要特征和優(yōu)勢。

UG具有尺寸驅(qū)動編輯功能和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了CAD、CAE、CAM之間無數(shù)據(jù)交換的自由切換。它具有很強(qiáng)的數(shù)控加工能力，可以進(jìn)行2軸、2.5軸、3軸、4軸、5軸聯(lián)動的復(fù)雜曲面的加工和鏜銑。UG還提供了二次開發(fā)工具GRIP、UFUNG、ITK等，允許用戶擴(kuò)展UG的功能。

7．SolidWorks

SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)，是由美國的SolidWorks公司于1995年11月研制開發(fā)的。這個(gè)軟件采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，可以動態(tài)模擬裝配過程。它采用基于特征的實(shí)體建模，自稱100%的參數(shù)化設(shè)計(jì)和100%的可修改性，具有先進(jìn)的特征樹結(jié)構(gòu)，使操作更加簡便和直觀。由于SolidWorks是直接基于Windows平臺開發(fā)的，較好地利用了Windows的系統(tǒng)資源。

7.2主動控制與綜合控制技術(shù)

7.2.1主動控制技術(shù)主動控制技術(shù)(ActiveControlTechnology，ACT)是指在飛行器設(shè)計(jì)的初始階段就主動地考慮飛行控制系統(tǒng)的作用，利用控制系統(tǒng)來改變飛行器的靜態(tài)和動態(tài)性能，以達(dá)到總體設(shè)計(jì)的目標(biāo)，放寬氣動、結(jié)構(gòu)和推進(jìn)等方面的要求，提高飛行器的整體性能水平。

主動控制技術(shù)是由美國率先提出的一種飛行器設(shè)計(jì)和控制技術(shù)。從飛行器設(shè)計(jì)的角度來說，主動控制技術(shù)是在飛行器設(shè)計(jì)的初始階段就考慮到飛行控制系統(tǒng)對總體設(shè)計(jì)的影響，充分發(fā)揮飛行控制系統(tǒng)潛力的一種飛行控制技術(shù)。

采用主動控制技術(shù)的飛行器設(shè)計(jì)方法不同于常規(guī)的設(shè)計(jì)方法。常規(guī)的飛行器設(shè)計(jì)方法的過程是這樣的：根據(jù)任務(wù)要求，考慮氣動力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和發(fā)動機(jī)三大因素，并在它們之間進(jìn)行折中以滿足任務(wù)要求。

而采用主動控制技術(shù)的設(shè)計(jì)方法則打破了這一格局，把飛行控制系統(tǒng)提高到和氣動力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、發(fā)動機(jī)三大因素同等重要的地位，使其成為選型必須考慮的四大因素之一，并起積極的作用。在飛行器的初步設(shè)計(jì)階段就考慮全時(shí)間、全權(quán)限的飛行控制系統(tǒng)的作用，綜合選型，選型后再對飛行控制系統(tǒng)以外的其他分系統(tǒng)提出設(shè)計(jì)要求，這樣，就可以放寬對氣動力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和發(fā)動機(jī)方面的限制，依靠控制系統(tǒng)主動提供人工補(bǔ)償，于是飛行控制系統(tǒng)由原來的被動地位變?yōu)橹鲃拥匚唬浞职l(fā)揮了飛行控制的主動性和潛力，因而稱這種技術(shù)為主動控制技術(shù)。采用主動控制技術(shù)的飛行器設(shè)計(jì)方法如圖7-2所示。

圖7-2主動控制技術(shù)的飛行器設(shè)計(jì)方法示意

由于采用主動控制技術(shù)的設(shè)計(jì)方法時(shí)，在選型和布局的過程中都將控制系統(tǒng)作為一個(gè)主要因素來考慮，所以這種技術(shù)又被稱為隨控布局技術(shù)(ControlConfiguredVehicle)。目前，主動控制技術(shù)的功能包括放寬靜穩(wěn)定性(ReducedStaticStability，RSS)、邊界控制(BoundaryControl，BC)、直接力控制(DirectForceControl，DFC)、陣風(fēng)減緩(GustLoadAlleviation，GLA)、乘座品質(zhì)控制(RideQualityControl，RQC或RC)、機(jī)動載荷控制(ManeuveringLoadControl，MLC)和顫振模態(tài)控制(FlutterModeControl，F(xiàn)MC)等。

(1)放寬靜穩(wěn)定性。在飛機(jī)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求保證焦點(diǎn)(F)在質(zhì)心(cg)之后，如圖7-3所示。這樣，就可以保證飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)定性，如圖7-4所示。放寬靜穩(wěn)定性飛機(jī)的好處，主要是可以減小配平阻力，并由此減少燃料消耗量，增加有效航程，從而增加飛機(jī)的加速性、爬升速度與升限；同時(shí)，可以減小平尾與垂尾的面積和質(zhì)量，增加有用升力，并由此增加法向加速度和飛機(jī)的機(jī)動能力。

圖7-3傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)中飛機(jī)的焦點(diǎn)與質(zhì)心的關(guān)系圖7-4不放寬、放寬靜穩(wěn)定性時(shí)飛機(jī)縱向配平關(guān)系

(2)邊界控制。無邊界限制的飛機(jī)，飛行員在操縱時(shí)必須非常謹(jǐn)慎、小心，一般傾向于遠(yuǎn)離邊界，避免超出邊界而發(fā)生危險(xiǎn)。這樣，一方面難以發(fā)揮飛機(jī)的機(jī)動能力，另一方面也增加了飛行員的工作負(fù)擔(dān)。采用邊界控制后，飛行員實(shí)現(xiàn)了“無憂操縱”，能夠充分發(fā)揮飛機(jī)的潛力。常見的邊界控制有迎角限制、側(cè)滑角限制、過載限制、馬赫數(shù)限制和空速限制。

(3)直接力控制。直接力控制是指直接改變升力、側(cè)力而不需要先改變姿態(tài)，或者改變力矩而不影響升力、側(cè)力(軌跡)?？v向和側(cè)向一般都包括直接力控制、指向控制和平移控制三種模態(tài)，如圖7-5所示。

圖7-5直接力控制的示意

直接力控制所帶來的好處體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是可以減少飛機(jī)著陸時(shí)的危險(xiǎn)性，如圖7-6所示。普通側(cè)風(fēng)著陸時(shí)，飛機(jī)必須側(cè)航或者帶坡度側(cè)滑，在接近跑道時(shí)容易出現(xiàn)危險(xiǎn)(見圖7-6(a))；使用直接側(cè)力可以保證機(jī)身水平、航向?qū)φ?，同時(shí)抵消側(cè)風(fēng)影響(見圖7-6(b))。二是可以在攻擊中使用機(jī)身指向控制，提高瞄準(zhǔn)速度，增加持續(xù)攻擊時(shí)間，如圖7-7所示。

圖7-6直接力控制減少飛機(jī)著陸危險(xiǎn)的示意圖7-7直接力控制在攻擊中的示意

(4)機(jī)動載荷控制。機(jī)動載荷控制是指根據(jù)飛機(jī)的機(jī)動狀態(tài)，調(diào)節(jié)機(jī)翼的載荷分布來達(dá)到所要求的性能，如圖7-8所示。例如，大型飛機(jī)如果能使機(jī)翼不同部位的控制面偏轉(zhuǎn)，重新分布機(jī)翼載荷，使翼根附近載荷增加，而使翼根彎矩減小，就可以減輕機(jī)翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量(見圖7-8(a))；小型飛機(jī)可以通過控制機(jī)動時(shí)的升力分布來提高升阻比，進(jìn)而改善機(jī)動性能(見圖7-8(b))。

圖7-8ACT機(jī)動載荷控制的示意

(5)顫振模態(tài)控制。顫振模態(tài)控制是指利用控制系統(tǒng)，根據(jù)顫振模態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制力，主動地抑制顫振，如圖7-9所示。它的功能是感受顫振模態(tài)，產(chǎn)生校正反饋信號，從而產(chǎn)生控制力。

圖7-9主動顫振控制機(jī)構(gòu)原理

7.2.2綜合控制系統(tǒng)

綜合控制系統(tǒng)(IntegratedControlSystem，ICS)是指通過飛機(jī)各系統(tǒng)之間的交互協(xié)調(diào)、信息共享、自動協(xié)作等提高飛機(jī)的性能，擴(kuò)展飛機(jī)的功能，增強(qiáng)飛機(jī)的任務(wù)能力。例如，將火力控制和飛行綜合(IntegratedFireandFlightControl，IFFC)控制耦合起來，可以自動根據(jù)火力控制系統(tǒng)解算出的信息，向飛行控制系統(tǒng)提供合適的控制信號，操縱攻擊機(jī)按要求的方向飛行，實(shí)現(xiàn)快速、精確而持續(xù)的瞄準(zhǔn)攻擊，還可以完成一些由人工無法完成的機(jī)動攻擊，如圖7-10所示。

圖7-10IFFC空地攻擊任務(wù)過程的示意

又如，將飛行和推進(jìn)綜合控制(IntegratedFlightandPropusionControl，IFPC)耦合起來，可以增強(qiáng)航跡和姿態(tài)控制能力，提高飛行性能。按不同的任務(wù)要求可以快速調(diào)節(jié)推力，也可以節(jié)省燃油，增大航程，延長發(fā)動機(jī)壽命。同時(shí)，還可以與任務(wù)、導(dǎo)航等系統(tǒng)綜合，實(shí)現(xiàn)自動、自主飛行。IFPC導(dǎo)致的飛行包線擴(kuò)展如圖7-11所示。

圖7-11IFPC導(dǎo)致的飛行包線擴(kuò)展的示意

再如，火飛推綜合控制(IntegratedFire-Flight-PropusionControl，IFFPC)可以實(shí)現(xiàn)多種自動、自主飛行及自動、自主攻擊，目前已在很多有人駕駛飛機(jī)和無人作戰(zhàn)飛機(jī)上得到應(yīng)用。通過飛行推進(jìn)綜合可以構(gòu)建完善的飛機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)，然后與綜合火控系統(tǒng)耦合，根據(jù)火控攻擊要求自動操縱飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動機(jī)動攻擊，如圖7-12所示。

圖7-12典型任務(wù)飛行過程和在目標(biāo)區(qū)典型自動機(jī)動攻擊過程的示意

7.3隱身技術(shù)

7.3.1隱身技術(shù)的一般概念隱身技術(shù)的專業(yè)定義是：在飛機(jī)研制過程中設(shè)法降低它的可探測性，使之不容易被敵方發(fā)現(xiàn)、跟蹤和攻擊的專門技術(shù)。簡言之，隱身就是使敵方的各種探測系統(tǒng)(如雷達(dá)等)發(fā)現(xiàn)不了我方的飛機(jī)，從而無法實(shí)施攔截和攻擊。當(dāng)前，研究的重點(diǎn)是雷達(dá)隱身技術(shù)和紅外隱身技術(shù)。

7.3.2隱身技術(shù)原理

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，探測飛機(jī)最主要的手段就是雷達(dá)。雷達(dá)是利用無線電波發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并測定其位置的設(shè)備。由于無線電波具有恒速、定向傳播的規(guī)律，所以當(dāng)雷達(dá)波碰到飛行目標(biāo)(飛機(jī)、導(dǎo)彈等)時(shí)，一部分雷達(dá)波便會反射回來，根據(jù)反射雷達(dá)波的時(shí)間和方位便可以計(jì)算出飛行目標(biāo)的位置。

由此可見，飛機(jī)要想不被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，除了超低空飛行避開雷達(dá)波的探測范圍外，就得想辦法降低對雷達(dá)波的反射，使反射雷達(dá)波弱到敵方無法辨別的程度。雷達(dá)散射截面積(RadarCross-Section，RCS)是一個(gè)衡量飛行器雷達(dá)回波強(qiáng)弱的物理量，是飛行器對雷達(dá)波的有效反射面積，雷達(dá)隱身的方法便是采用各種手段來減小飛行器的雷達(dá)散射截面積。例如，美國的B-52轟炸機(jī)的RCS大于100m2，很容易被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)；而與其同類的采用了隱身技術(shù)的B-2轟炸機(jī)的RCS約為0.1m2，一般雷達(dá)很難探測到它。

關(guān)于RCS，需要明確兩點(diǎn)。一是所說的“反射”一詞，其實(shí)是一個(gè)簡化的概念。雷達(dá)發(fā)出的能量并不會像皮球撞上墻那樣反彈回來，而是從目標(biāo)中感應(yīng)出電磁流，通過這些電磁流的流動，又產(chǎn)生出電磁波，正是這個(gè)電磁波被雷達(dá)看作反射的回波。由此也可以看出，不導(dǎo)電的非金屬物體是不會反射雷達(dá)波的。二是對于一個(gè)目標(biāo)(如一架飛機(jī))，它的雷達(dá)散射截面積并不是固定的，而是隨著觀測角度的變化，可能會有很大的變化，如圖7-13所示。

圖7-13RCS隨角度變化的示意角度RCS值

廣義上說，雷達(dá)隱身技術(shù)包括電子干擾技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)機(jī)動飛行(如超低空突防)和減小飛行器雷達(dá)回波強(qiáng)度的雷達(dá)散射截面積減縮技術(shù)。目前，降低雷達(dá)散射截面積的主要技術(shù)途徑有：第一，改變飛行器的外形和結(jié)構(gòu)，避免設(shè)計(jì)出在雷達(dá)方向上產(chǎn)生強(qiáng)反射的外形；第二，使用非金屬材料；第三，采用吸收雷達(dá)波的涂敷材料和結(jié)構(gòu)材料；第四，遮掩或消除剩余的反射。另外，采用阻抗加載技術(shù)也可以適當(dāng)減小雷達(dá)散射截面積。

一般來說，飛機(jī)上的強(qiáng)散射源主要有能產(chǎn)生鏡面反射的表面、產(chǎn)生角反射器效應(yīng)的部位、飛機(jī)各部件的邊緣和尖端、機(jī)體上的凸出物和外掛物、發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道和尾噴口。當(dāng)然，除此之外，像一般機(jī)載雷達(dá)的天線、飛機(jī)表面的縫隙和開口、金屬和非金屬表面的交接處等，也都會形成一定強(qiáng)度的散射。因此，減縮雷達(dá)散射截面積的措施有如下幾項(xiàng)：

(1)改善飛機(jī)的總體布局。圖7-14是相關(guān)飛機(jī)的外形尺寸與雷達(dá)散射截面積的示意圖。對于隱身飛機(jī)而言，顯然以飛翼的形式或近似于飛翼的形式最為有利，如B-2戰(zhàn)略轟炸機(jī)。這種飛機(jī)不僅沒有單獨(dú)的機(jī)身，甚至取消了尾翼。隨著機(jī)體部件的減少，整個(gè)飛機(jī)的強(qiáng)散射源必然大為減少。除此以外，還要注意在機(jī)體表面盡量避免凸起、凹陷、縫隙和臺階，使飛機(jī)表面盡量光滑和“干凈”，使飛機(jī)上的散射源減少到最低限度。

圖7-14飛機(jī)外形尺寸與雷達(dá)散射截面積的示意

(2)采用小的展弦比和適當(dāng)?shù)暮舐咏菣C(jī)翼。從測試和計(jì)算得知，三角形機(jī)翼比一般大展弦比的直機(jī)翼的雷達(dá)散射截面積要小得多。

(3)消除和避免產(chǎn)生角反射器效應(yīng)。例如，在機(jī)翼和機(jī)身的連接處會產(chǎn)生二面角反射的情況，應(yīng)該采用翼身融合體將其消除；垂直尾翼與水平尾翼(或機(jī)翼)也構(gòu)成了二面角，也需要采用雙垂尾使其向內(nèi)(或向外)傾斜。

(4)對強(qiáng)散射源進(jìn)行遮擋。飛機(jī)上有一些強(qiáng)散射源是無法避免的。例如，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道口和尾噴口、飛行員的座艙等都是強(qiáng)散射源，又都是飛機(jī)所必需的。因此，需要考慮利用飛機(jī)機(jī)體的其他部件對它們進(jìn)行遮擋，使雷達(dá)波在飛機(jī)的主要姿態(tài)角上不能直接照射到這些強(qiáng)散射源上。如F-117戰(zhàn)斗轟炸機(jī)的進(jìn)氣道安置在背部，并且進(jìn)氣道和尾噴口都采用了具有屏蔽作用的格柵式設(shè)計(jì)。座艙的散射波則是由于雷達(dá)波透過玻璃座艙蓋，照射在雜亂的座艙內(nèi)部而產(chǎn)生的。防止這種情況發(fā)生的辦法之一，就是在玻璃座艙蓋上鍍一層很薄的金屬膜，使座艙蓋和機(jī)體形成一個(gè)連續(xù)導(dǎo)體，遮擋住座艙內(nèi)部。

(5)控制回波的方向。一般來說，地面雷達(dá)和機(jī)載雷達(dá)的探測角大都處于飛機(jī)軸平面的正負(fù)30°范圍之內(nèi)，應(yīng)該避免在這個(gè)范圍內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)反射。例如，F(xiàn)-117A戰(zhàn)斗轟炸機(jī)大部分表面的傾角都設(shè)計(jì)成大于30°，可以將雷達(dá)波偏轉(zhuǎn)出去，而避開散射源。F-117A戰(zhàn)斗轟炸機(jī)的機(jī)身表面和轉(zhuǎn)折處的設(shè)計(jì)可以使反射波變?yōu)榧杏谒矫鎯?nèi)的幾個(gè)窄波束，而不是像常規(guī)飛機(jī)那樣全向散射。這樣，就能使兩波束之間的“微弱信號”與背景噪聲難以區(qū)別。

(6)取消外掛物。取消外掛物是指將武器等收藏到機(jī)身(或機(jī)翼)內(nèi)部，盡量保證飛機(jī)有“干凈”的外形。

除了雷達(dá)隱身之外，飛機(jī)躲避紅外線、光學(xué)、聲學(xué)探測的能力也很重要。實(shí)戰(zhàn)中，不是單獨(dú)用一種方法就能保證隱身飛機(jī)具有躲避探測的能力。需要適當(dāng)綜合應(yīng)用雷達(dá)、紅外線、可見光與聲學(xué)信號的減弱技術(shù)，借助主動和被動電子對抗，才能做到完善的隱身。

7.3.3反隱身技術(shù)

目前，隱身技術(shù)發(fā)展很快，美國在發(fā)展隱身飛機(jī)的同時(shí)，也正在著手研制隱身導(dǎo)彈。美國在已經(jīng)投入使用的巡航導(dǎo)彈身上，大量地采用了隱身技術(shù)。例如，“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的雷達(dá)散射截面積就很小，而且發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的紅外輻射也很小。隨著隱身技術(shù)的發(fā)展，反隱身技術(shù)也在發(fā)展，正所謂有矛就有盾。當(dāng)前常用的反隱身技術(shù)有以下幾種：

(1)合理地部署雷達(dá)網(wǎng)。這是因?yàn)闊o論怎樣改變飛行器的外形，都不可能使飛行器在所有方向上反射的雷達(dá)波都很弱。因此，采用雷達(dá)網(wǎng)從多方位同時(shí)探測多個(gè)目標(biāo)，有可能收到良好的效果。

(2)增加雷達(dá)儲備功率。在探測隱身目標(biāo)時(shí)，動用雷達(dá)儲備功率，這樣對隱身飛行器的探測距離可以增大一些。

(3)采用過低或過高頻率的雷達(dá)。這是因?yàn)殡[身涂料和非金屬材料的隱身效果與雷達(dá)工作的頻率有關(guān)，當(dāng)采用過高或過低頻率的雷達(dá)時(shí)，隱身材料的隱身效果將會降低，有利于探測到目標(biāo)。

(4)使用被動跟蹤、定位系統(tǒng)。對于發(fā)射電磁波的隱身飛行器，可以采用單站被動式雷達(dá)定向、多站雷達(dá)系統(tǒng)定位。

(5)采用激光或電視技術(shù)。隱身技術(shù)主要是針對無線電波和紅外線采取隱身措施，它們對可見光沒有明顯的隱身效果，可以采用激光、電視技術(shù)對付它。

7.4系統(tǒng)工程

目前，系統(tǒng)工程尚沒有完全統(tǒng)一的定義，一般傾向于這樣的說法：系統(tǒng)工程是以大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)為研究對象的一門交叉學(xué)科。

系統(tǒng)工程把自然科學(xué)和社會科學(xué)的某些思想、理論、方法、策略和手段等，根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要而有機(jī)地聯(lián)系起來，把人們的生產(chǎn)、科研或經(jīng)濟(jì)活動有效地組織起來，應(yīng)用定量分析和定性分析相結(jié)合的方法和計(jì)算機(jī)仿真等工具，對系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和反饋控制等功能進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)，從而達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目的，以便最充分地發(fā)揮人力、物力的潛力，通過各種組織管理技術(shù)，使局部和整體之間的關(guān)系協(xié)調(diào)配合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合最優(yōu)化。

一般來說，系統(tǒng)工程是建立在一般系統(tǒng)論、大系統(tǒng)理論、經(jīng)濟(jì)控制論和運(yùn)籌學(xué)的理論基礎(chǔ)之上的?？梢愿鶕?jù)軍用飛行器的特點(diǎn)，對飛行器概念設(shè)計(jì)和決策方面的系統(tǒng)工程問題進(jìn)行初步的了解。例如，現(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)中所涉及的主要概念及關(guān)系如圖7-15所示。

圖7-15現(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)中所涉及的主要概念及其關(guān)系

7.4.1飛行器的可用性

(1)可靠性(Reliability)。可靠性指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，無故障完成規(guī)定功能的能力。它是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特性，主要考慮在平時(shí)的自然環(huán)境下可能出現(xiàn)的所有故障的影響，用于度量系統(tǒng)無需保障的工作能力?？煽啃缘母怕识攘繛榭煽慷?，常用的可靠度指標(biāo)是平均無故障工作時(shí)間(MTBF)。MTBF是指相鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間。同時(shí)也泛指在總的使用階段累計(jì)工作時(shí)間與故障次數(shù)的比值。對于飛行器系統(tǒng)來說，還可以用平均故障間隔飛行小時(shí)(MFHBF)來度量。

(2)維修性(Maintainability)。維修性指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，對系統(tǒng)按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的能力。它是可靠性的重要補(bǔ)充，指的是系統(tǒng)維修的難易程度，是設(shè)計(jì)決定的質(zhì)量特性。維修性的概率度量為維修度，常用的維修度指標(biāo)是平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)，指的是使系統(tǒng)由故障狀態(tài)修復(fù)到具有完成規(guī)定功能狀態(tài)所需時(shí)間的平均值)，以及每飛行小時(shí)維修工時(shí)(MMH/FH)和維修工時(shí)率(M1)。

(3)保障性(Supportability)。保障性指系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特性和計(jì)劃的保障資源，滿足平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)使用要求的能力。保障性包含了兩個(gè)不同性質(zhì)的內(nèi)容，也就是設(shè)計(jì)特性和保障資源。這里的設(shè)計(jì)特性是指與保障有關(guān)的設(shè)計(jì)特性，如與可靠性和維修性等有關(guān)的，以及保障資源要求系統(tǒng)具有的設(shè)計(jì)特性。而保障資源本身并不是設(shè)計(jì)特性，它是保障系統(tǒng)平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)使用的人力和物力。因此，保障性可以說是可靠性、維修性和保障條件的函數(shù)。由于裝備各不相同，保障性的度量比較復(fù)雜，主要有保障性資源參數(shù)、保障性設(shè)計(jì)參數(shù)和保障性綜合參數(shù)三種。每種參數(shù)可以用許多指標(biāo)衡量，其中對飛機(jī)武器系統(tǒng)較常用的參數(shù)有再次出動準(zhǔn)備時(shí)間(TAT)和平均后勤延誤時(shí)間(MLDT)。

(4)可用性(Availability)?？捎眯灾赶到y(tǒng)在任一隨機(jī)時(shí)刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度。它是將飛機(jī)系統(tǒng)可靠性、維修性、保障性變換成效能時(shí)的一個(gè)綜合參數(shù)，表征了系統(tǒng)的這樣一個(gè)特性：在規(guī)定的條件下，當(dāng)需要的時(shí)候，系統(tǒng)是否可以用。也就是說，可用性是系統(tǒng)在任一時(shí)刻投入戰(zhàn)斗的能力，是影響系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的主要特征，它的概率度量稱為可用度。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，可用度按時(shí)間可以分為瞬時(shí)可用度、平均可用度、穩(wěn)態(tài)可用度三種。其中，穩(wěn)態(tài)可用度又分為固有可用度、可達(dá)可用度和使用可用度。

固有可用度的計(jì)算式為

可達(dá)可用度的計(jì)算式為

使用可用度的計(jì)算式為

此外，常用的還有飛機(jī)出動架次率(SGR)和任務(wù)成功率(MCR)。如果從飛行器系統(tǒng)的整個(gè)服役期著眼，單純的可靠性設(shè)計(jì)是不完善的，必須同時(shí)考慮它的維修性和保障性。

圖7-16是TAT、MTTR、MTBF和SGR的關(guān)系曲線。從圖中不難看出，當(dāng)提高了可靠性(MTBF升高)、維修性(MTTR降低)和保障性(TAT降低)時(shí)，飛行器的出動架次率(SGR)顯著提高?？捎眯耘c飛機(jī)作戰(zhàn)效能的關(guān)系曲線如圖7-17所示。

圖7-16TAT、MTTR、MTBF和SGR的關(guān)系曲線圖7-17可用性與飛機(jī)作戰(zhàn)效能的關(guān)系曲線

7.4.2飛行器的可信性

(1)任務(wù)可靠性(Reliability)。任務(wù)可靠性指系統(tǒng)在規(guī)定的任務(wù)剖面內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。它反映了系統(tǒng)對任務(wù)成功性的要求，是在平時(shí)的自然環(huán)境中和戰(zhàn)時(shí)的敵對環(huán)境中，不考慮人為敵對因素僅考慮導(dǎo)致任務(wù)失敗的故障的情況下系統(tǒng)完成任務(wù)的能力。它的概率度量為任務(wù)可靠度(MR)，常用的還有任務(wù)中斷(BR)等。

(2)生存性(Survivability)。生存性指飛行器系統(tǒng)避開或承受人為敵對環(huán)境的能力，也就是飛行器在敵對環(huán)境下作戰(zhàn)時(shí)能避免被敵方發(fā)現(xiàn)，或雖然被敵方發(fā)現(xiàn)但能避開其攻擊，或雖然受到攻擊并被擊中但能承受這一攻擊，并能夠保持一定飛行狀態(tài)的能力。

生存性又包括敏感性、易損性和戰(zhàn)傷修復(fù)特性等主要概念。敏感性是系統(tǒng)不能避免被敵方發(fā)現(xiàn)或擊中的可能性；易損性是系統(tǒng)被擊中后不能承受這個(gè)攻擊而被殺傷的可能性；戰(zhàn)傷修復(fù)特性是飛行器在作戰(zhàn)過程中受損后能夠快速地修復(fù)、恢復(fù)其戰(zhàn)斗力的特性。經(jīng)常所說的隱身問題就是敏感性中的一個(gè)關(guān)鍵問題，相比較而言，目前對易損性和戰(zhàn)傷修復(fù)特性的重視還不夠。但要達(dá)到完全的隱身是非常困難的，代價(jià)也是非常大的，而對易損性的減縮同樣能夠增強(qiáng)飛行器系統(tǒng)的生存能力。

(3)可信性(Dependability)。可信性指整個(gè)任務(wù)期間，飛行器系統(tǒng)持續(xù)工作的能力。它綜合了飛行器的生存性及任務(wù)可靠性，是反映系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)能力的重要特性。前面說的飛行器的可用性是指在純自然環(huán)境中(無人為敵對威脅)正常使用時(shí)，飛行器處于可以執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)的能力，評估的是系統(tǒng)的質(zhì)量特性及設(shè)計(jì)特性。而可信性則是指系統(tǒng)在自然環(huán)境中的狀態(tài)良好的情況下，由于執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，受到人為的敵對威脅，可能出現(xiàn)由于人為威脅所致的故障或殺傷時(shí)，其執(zhí)行各項(xiàng)功能的能力?？尚判缘暮脡闹苯邮艿斤w行器生存性及其任務(wù)可靠性的影響，是這兩者的函數(shù)。它的概率度量是可信度。

7.4.3飛行器的能力

能力是指飛行器在自然使用環(huán)境及敵對環(huán)境下均正常連續(xù)工作時(shí)，能否完成任務(wù)(如摧毀目標(biāo))。它給出的是理想任務(wù)狀態(tài)下可能的結(jié)果，代表系統(tǒng)純粹的作戰(zhàn)能力。它受到系統(tǒng)的機(jī)動性、武器的精度、作用距離、殺傷力，以及其他設(shè)備的性能影響。

7.4.4飛行器的有效性

可用性是影響系統(tǒng)有效性的主要因素，它保證了己方隨時(shí)具備足夠戰(zhàn)斗力(飛行器數(shù)目)，并在這個(gè)基礎(chǔ)上取得應(yīng)有的戰(zhàn)果。圖7-16有效地說明了這一點(diǎn)，圖7-17更是直接地從累積擊毀目標(biāo)數(shù)與TAT、MTTR、MTBF的關(guān)系曲線反映出這一關(guān)系。由圖7-17可見，隨著可靠性、維修性及保障性的提高(MTBF升高，TAT與MTTR降低)，累積擊毀目標(biāo)數(shù)顯著提高。

飛行器的可信性(即生存性與任務(wù)可靠性)也是影響系統(tǒng)有效性的主要因素。因?yàn)槿绻w行器先于目標(biāo)被擊毀或中斷任務(wù)，就不能完成戰(zhàn)斗任務(wù)，當(dāng)然不會是有效的武器系統(tǒng)。而且，如果飛行器在完成任務(wù)后能安全返航，從而直接或經(jīng)修理后執(zhí)行下一任務(wù)，對戰(zhàn)斗力的保持也是很關(guān)鍵的。圖7-18是可信性與效能的關(guān)系曲線。圖中給出了在有無戰(zhàn)傷修理和是否考慮生存性設(shè)計(jì)的情況下，72架飛機(jī)經(jīng)10天戰(zhàn)斗后的可作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)。從圖中可知，損失率由2%降到1%，可用飛機(jī)數(shù)將增加1.3倍。

能力對有效性有最直接的影響。能力直接決定了能否完成作戰(zhàn)任務(wù)，如果可用性與可信性均較高但能力不好，那么作戰(zhàn)飛行就無疑成了戰(zhàn)地旅游。

圖7-18可信性與效能的關(guān)系曲線

7.4.5飛行器的壽命周期費(fèi)用

費(fèi)用問題是飛行器設(shè)計(jì)和使用中的一個(gè)很重要的因素。隨著設(shè)計(jì)技術(shù)與設(shè)計(jì)要求的提高，各項(xiàng)費(fèi)用均大幅度提高。費(fèi)用，或者說是飛行器系統(tǒng)的全壽命周期費(fèi)用，是指在系統(tǒng)的壽命周期內(nèi)為系統(tǒng)的論證、研制、生產(chǎn)、使用與保障，以及直到退役所付出的一切費(fèi)用之和。由于論證與退役費(fèi)用所占比例很小，在效費(fèi)分析時(shí)可以略去不計(jì)。

研制費(fèi)用又稱研究設(shè)計(jì)和發(fā)展費(fèi)用，也就是從系統(tǒng)立項(xiàng)到系統(tǒng)研制完成(定型、生產(chǎn))所需費(fèi)用之和；生產(chǎn)費(fèi)用指系統(tǒng)投入批量生產(chǎn)后所需的重復(fù)性和非重復(fù)性生產(chǎn)費(fèi)用，以及其他生產(chǎn)階段所需費(fèi)用之和；使用與保障費(fèi)用是系統(tǒng)投入使用后所需的使用費(fèi)用和維修保障費(fèi)用之和，在全壽命周期費(fèi)用(LCC)中所占的比例最大(約為60%)，并以每年的3%的速率持續(xù)增長。圖7-19是研制、生產(chǎn)、使用與保障費(fèi)用在全壽命周期費(fèi)用(LCC)中所占的比例關(guān)系圖。

圖7-19壽命周期費(fèi)用的比例關(guān)系

7.5微機(jī)電系統(tǒng)

7.5.1微機(jī)電系統(tǒng)概述微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectronMechanicSystem，MEMS)就是利用制造技術(shù)，將機(jī)械零件、傳感器、作動器與電子元器件集成到一個(gè)共用的硅片上，集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微電源、微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或獨(dú)立的智能系統(tǒng)。

MEMS具有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)：

(1)微型化。MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短。

(2)以硅為主要材料，機(jī)械電氣性能優(yōu)良。硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。

(3)批量生產(chǎn)。用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置或完整的MEMS。批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。

(4)集成化?？梢园巡煌δ?、不同敏感方向或致動方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS。

(5)多學(xué)科交叉。MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集合了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

7.5.2MEMS在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

MEMS在航空領(lǐng)域最常見的應(yīng)用是各種MEMS傳感器，它們具有不同的特點(diǎn)，適應(yīng)不同的場合。

1.

MEMS傳感器介紹

MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。

(1)

MEMS壓力傳感器。壓力傳感器在飛行器飛行、發(fā)動機(jī)測試、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測、風(fēng)洞試驗(yàn)、飛行器試飛以及設(shè)備的設(shè)計(jì)制造過程中應(yīng)用十分普遍。壓力測試的特點(diǎn)是被測壓力種類多且范圍廣、測試點(diǎn)多、測量要求精度高。微機(jī)械壓力傳感器是最早開始研制的微機(jī)械產(chǎn)品，也是微機(jī)械技術(shù)中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。MEMS壓力傳感器的先進(jìn)特性有：用于絕對壓力檢測的封閉真空腔、集成的遙測接口、閉環(huán)控制、對污染物不敏感、在惡劣環(huán)境或高溫條件下可使用非硅薄膜材料(如陶瓷、金剛石)。

(2)

MEMS加速度傳感器。MEMS加速度傳感器主要有壓阻式加速度傳感器、壓電式速度計(jì)和電容式加速度計(jì)。

①壓阻式加速度傳感器。該傳感器具有體積小、低功耗等特點(diǎn)，易于集成在各種模擬和數(shù)字電路中。

②壓電式加速度傳感器。該傳感器又稱壓電式加速度計(jì)，也屬于慣性式傳感器。壓電式加速度傳感器的原理是利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化，當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，力的變化與被測加速度成正比。

③電容式加速度傳感器。該傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器。

除了以上介紹的三種加速度傳感器外，還有諧振式加速度傳感器、熱電偶式加速度傳感器等。諧振式加速度傳感器輸出準(zhǔn)數(shù)字量，可直接用于復(fù)雜的數(shù)字電路，免去了其他類型傳感器在信號傳遞方面的諸多不便；熱電偶式加速度傳感器多應(yīng)用于低成本的傳感器領(lǐng)域，既可以測量動態(tài)加速度，也可以測量靜態(tài)加速度。

(3)

MEMS陀螺儀。陀螺儀是指用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或兩個(gè)軸的角運(yùn)動檢測裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。陀螺儀的種類很多，按用途，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行器運(yùn)動的自動控制系統(tǒng)中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。按結(jié)構(gòu)，陀螺儀可分為壓電陀螺儀、微機(jī)械陀螺儀、光纖陀螺儀和激光陀螺儀，它們都是電子式的，并且可以和加速度傳感器、磁阻芯片、GPS做成慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

2.

MEMS在航空領(lǐng)域的發(fā)展

MEMS傳感器具有的獨(dú)特優(yōu)勢，使其在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。美國空軍早在20世紀(jì)末就展開了MEMS傳感器在飛機(jī)上應(yīng)用的可行性研究，并進(jìn)行了大量的地面和空中實(shí)驗(yàn)。2004年，北大西洋公約組織(NATO)就針對MEMS技術(shù)在航空航天中的應(yīng)用開展了一系列研究。隨著現(xiàn)代微機(jī)電系統(tǒng)的飛速發(fā)展，硅微陀螺(俗稱芯片陀螺)的研制工作進(jìn)展很快，美國已開始小量生產(chǎn)由硅微陀螺和硅加速度計(jì)構(gòu)成的微型慣性測量裝置，其成本低、功耗低及體積小、重量輕的特點(diǎn)使其最先應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和無人機(jī)上。

7.5.3MEMS在微納衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用

微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來以微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和微型光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)為代表的微米、納米技術(shù)的發(fā)展，使微型衛(wèi)星、納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星等微小衛(wèi)星的實(shí)現(xiàn)成為可能。MEMS加工技術(shù)本身的特點(diǎn)，使MEMS器件很容易將傳感器、執(zhí)行器及控制電路集成在硅基底上，極大地減少了系統(tǒng)的組件個(gè)數(shù)，使衛(wèi)星的體積和重量大大減小。納型、皮型衛(wèi)星是以MEMS技術(shù)和由數(shù)個(gè)MEMS組成的專用集成微型儀器ASM為基礎(chǔ)的一種具有全新概念的衛(wèi)星，是MEMS應(yīng)用于航天領(lǐng)域的重要成果。

(1)微推進(jìn)系統(tǒng)。為滿足微型、納型衛(wèi)星的發(fā)展，必然要求有與其相適應(yīng)的微推進(jìn)技術(shù)，除對小沖量和小推力的要求更為苛刻外，還包括對重量、體積和功率等的苛刻要求。利用MEMS加工技術(shù)，能將推進(jìn)系統(tǒng)的貯箱、噴嘴、閥門、推進(jìn)劑進(jìn)給系統(tǒng)甚至控制電路都集成在一個(gè)或幾個(gè)硅片上，再通過裝配技術(shù)將這些MEMS器件組裝在一起，形成功能完善、穩(wěn)定性高的集成微推進(jìn)系統(tǒng)?，F(xiàn)在比較適用于微小衛(wèi)星的推進(jìn)技術(shù)是數(shù)字陣列微推力器和微壓力傳感器。

(2)微慣性測量組合。通過集成三軸MEMS陀螺和加速度計(jì)，構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)靈巧、價(jià)格便宜的慣性測量器件，可取代傳統(tǒng)的慣性裝置，用于姿態(tài)調(diào)節(jié)。我國清華大學(xué)研制的NS-1試驗(yàn)了新型MIMU裝置，它擁有3個(gè)陀螺，可以精確測量衛(wèi)星的運(yùn)動軌跡，短期精度比較高，主要用于三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制。MIMU對衛(wèi)星的機(jī)動能力有重大意義，結(jié)合液氨微推進(jìn)技術(shù)，可以使小衛(wèi)星具有很強(qiáng)的精確變軌能力。

(3)海量數(shù)據(jù)存儲。在硅片上制造的基于并行原子力分辨率的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，將顯著降低存儲系統(tǒng)的尺寸、重量、存取等待時(shí)間、失效率和成本，且存儲數(shù)據(jù)量大，存儲密度達(dá)到1～100Gb/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的磁存儲和光存儲。

(4)微型高能能源。目前開發(fā)的微型能源有太陽能電池、燃料電池和新型電池。微型能源可以突破成本和重量的限制，提供高能動力保障，其能量密度要比現(xiàn)有的最好電池高出幾十倍。微蓄電池的開發(fā)也在微能源的研究中占有重要地位，目前，實(shí)際使用中以鋰電池居多。鋰電池有較高的比能量(100～200A·h/kg)和優(yōu)良的循環(huán)使用性能。

(5)熱控。在空間運(yùn)行的衛(wèi)星約有一半時(shí)間受到太陽光直射，剩余時(shí)間處在地球的陰影中。衛(wèi)星周期性地受到照射(高溫)和進(jìn)入陰影(低溫)，若不采取適當(dāng)?shù)拇胧?，會影響到衛(wèi)星的正常工作和壽命。德克薩斯儀器公司開發(fā)的微鏡的薄窗板覆蓋衛(wèi)星表面，對衛(wèi)星實(shí)行熱量或溫度控制。窗板由硅襯底上的制動柱和鉸鏈支撐，其鋁金屬的蓋反射熱和光，硅襯底表面涂有高輻射率的材料。當(dāng)需將熱量從衛(wèi)星散走時(shí)，電動鉸鏈打開面對太陽的窗