美軍在五代機測試真實-虛擬-構造 空戰訓練技術

美军在五代机测试真实-虚拟-构造 空战训练技术

多數發達國家面臨跨代飛機長期共存的狀態。

2018年初,立方體防務公司(Cubic)宣佈在F-35戰鬥機上完成了嵌入式(安裝於機體內部)P5訓練系統的第二輪測試工作,P5訓練系統是“安全保密的真實-虛擬-構造高級訓練環境”(Secure LVC Advanced Training Environment,SLATE)的機載端部分,用於將F-35接入美軍現有的採用“Live-Virtual-Constructive, LVC”技術的SLATE訓練環境。F-35在完成SLATE系統測試之後,可與其他四代機(我國稱三代機)共享SLATE訓練系統中提供的由其他飛行模擬器和數字構建節點仿真出的對抗環境,使美軍F-35更接近真實的作戰環境。

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SLATE訓練吊艙內部圖。

F-35訓練系統不是2018年6月至9月中旬在內華達州的內利斯空軍基地開展SLATE第三階段頂點演示(capstone demonstration)的內容,該演示主要演示的是採用訓練吊艙的四代機在SLATE訓練環境下的效果。

據外媒消息,美空軍已承諾在F-35訓練系統技術開發階段投入4900萬美元,美海軍計劃增加約2000萬美元的自有資金投入。

美軍五代機訓練現狀

1.“藍軍”數量受限

幾十年來,飛行員的訓練遵循了一條較為成熟的路線,飛行學員由地面理論學習開始,逐步過渡到初級教練機、中高級教練機,期間在配合開展地面模擬器教學,然後到一線部隊完成戰鬥機的訓練。

在將來,第四代和第五代飛機將共存幾十年。隨著五代機陸續交付,在未來的幾年裡要結合不同代戰鬥機的培訓要求將是一個挑戰。

在過去,美軍可以為飛行員提供的最高端的訓練是紅旗軍演,但即使是紅旗軍演的訓練規模也有限。目前,為了給飛行員帶來真實的戰場態勢,需要以1:4的比例來配置紅軍和藍軍來訓練飛行員應對危險時的反應。即為了給4架F-15製造威脅環境,大約需要至少12架其他飛機來配合。這樣會造成大量的訓練架次浪費,提高了訓練成本,並且讓大部分飛行員都要充當藍軍去配合別人開展訓練,而不能去訓練他們自己想要訓練的內容。當換成先進的F-35之後,有時甚至需要不少於20架飛機配合去製造威脅環境。

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F-35

鑑於四代機飛行員需要在未來幾十年內繼續接受培訓,而五代機飛行員也需要學習飛行的基本技術,SLATE訓練系統很可能在可預見的未來仍然是對抗訓練重要手段,該訓練系統可提供足夠豐富、逼真的假想敵配合五代機飛行員訓練。

2.五代機訓練架次需求持續增加

大多數西方發達國家嚴重依賴模擬器和真機飛行訓練,主要是為了減少飛機的磨損和相關成本,還有增加的安全係數。許多最先進的國家的目標是在讓真機飛行訓練達到約50%的比例。然而,當涉及包括五代機的未來訓練規劃時,這一比例可能會偏向真機飛行訓練。原因有很多,儘管考慮了這種方式會增加訓練成本,但隨著五代機傳感器功能與性能的大幅提高,在許多情況下地面模擬器訓練達不到預期效果。

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F-35戰鬥機訓練模擬器。

到2030年之前,美軍現有的飛行訓練能力遠遠不能滿足美軍戰備訓練架次的需求。在五代機訓練架次需求方面,直到2020年前五代機的訓練架次的佔比都不到50%,但到2030年,五代機訓練需求大約會達到80000架次。這個問題一方面由於訓練經費不足造成,另一方面也由於訓練技術不成熟造成。目前,美軍已經開始將部分用於飛行的訓練經費用於投入到訓練系統技術的開發中。到2030年,美軍的訓練將極大程度的依賴LVC技術,其中模擬器和數字節點配合飛行員真實飛行訓練佔比將達總訓練架次的70%。

3.訓練不“真實”

目前空軍F-35在開展真機對真機的實戰化對抗訓練時,有一些設備和細節會讓飛行員無法真正體驗到緊張的氣氛。例如,一架F-35與一架或多架F/A-18開展自由空戰,讓F/A-18扮演假想敵,但是在F-35座艙顯示器會看到是一架美軍的F/A-18在發射美軍武器。

當SLATE訓練系統被完全投入使用後,F-35的傳感器可以將F/A-18識別為米格-29或者任何其他敵機。其目的是更準確地模擬真實作戰條件,包括模擬各種環境、敵方武器和其他不在美軍武器庫的裝備。

要讓F-35的雷達能模擬出米格-29,需要有米格-29全機的雷達反射橫截面特徵以及米格-29機載雷達的特性。當F-35將對手截獲或者鎖定時,在雷達顯示器上會將其顯示為米格-29。直到最後進入幾公里的目視範圍內,才會讓飛行員意識到訓練對手是友軍,這樣會提高F-35飛行員訓練的真實性。

F-35機載嵌入式SLATE系統

1.簡介

F-35在之前的訓練任務中,只能使用一種低真實性且未加密的敵我識別系統來發揮訓練系統的作用。雖然目前的第四代飛機帶有一個外部吊艙,但F-35的機載子系統是內置的,並與飛機集成在一起,以保持平臺的隱身特性。為五代機開發的嵌入式P5系統與之前四代機使用的外掛吊艙的配置基本一樣,嵌入式P5系統提供實時數據採集、處理、收發,記錄任務數據,並提供訓練後任務分析功能。嵌入式P5系統投入使用後將比現有的敵我識別系統的數據更新率更高,能夠提供更精確的事實位置和飛行姿態跟蹤,並將時空信息和殺傷通告等數據進行加密處理。

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SLATE訓練吊艙外部圖。

根據之前曝光的SLATE訓練吊艙的圖片判斷,該系統的大小與AIM-9“響尾蛇”空空彈體積相當。以AIM-9M為參考,該彈長2.94米,彈徑0.156米。從立方體公司展示了一些將被封裝到吊艙中的設備圖可見,美軍對機載設備的小型化要求非常嚴格,尤其是在設備的寬度和高度方面。對於如F-35和F-22這類五代機,將需要在設備小型化方面開展更多工作,使其方便在機體內部安裝以保持飛機的雷達隱身特性。有了之前SLATE訓練吊艙的研究基礎,許多硬件的設計考慮了後續的複用要求,大部分的硬件可以直接移植到F-35上,給加改裝工作帶來了極大便利。此外,也用SLATE的一些技術可以取代F-35上舊的處理器或其他尺寸較大的子系統。

2.在五代機加入後可能會升級波形

美空軍實驗室也在積極監督通信鏈路的三項關鍵技術的發展:一是能夠聯通並管理所有LVC數據的高帶寬無線波形;二是能夠防止敏感信息(如雷達信號)擴散的高級數據加密技術;三是允許傳輸不同密級數據的多級安全系統,根據數據密級的分類,將其傳遞給美軍或海外。

這種被稱為第五代先進訓練波形(5G-ATW)已經被麻省理工學院林肯實驗室完全開發出來,並在2018年9月份進行了飛行測試。在測試過程中,林肯實驗室通過在地面站和實驗室擁有的L-29和達索獵鷹20飛機,開展了數據傳輸測試。

立方體公司負責對數據進行通信體系架構設計,使其具備安全加密功能,採用與手機大小類似的軟件無線電設備管理和處理5G-ATW,該公司也參與了地面支持系統的研發。加密部分已經在國家安全局(NSA)的認證過程中。該系統還包括天線(為了隱身效果可能用類似蒙皮狀的天線)、功率放大器和處理器等設備。

3.未來採購

吊艙構型的SLATE系統已經與於2018年完成了在F-15E和海軍F/A-18上的演示,取得了令人滿意的效果。但F-35和其他第五代飛機要完全依託該技術開展訓練可能要到20世紀20年代中期。

採購政策尚未最終確定,但F-35作為一種出口前景良好的飛機,嵌入式SLATE訓練系統會作為標準配置出廠(除以色列外,所有的F-35客戶都將使用該系統),所以該系統的訂貨數量會持續增加。嵌入式P5系統將可能已經於2018年隨著F-35的Block 3F狀態(完全作戰能力)批量交付了。立方體公司獲得了500套機載設備的低速率交付合同,並在2016年已經交付了不少於150套設備,合同中還包括向地面子系統提供F-35對應的加密處理設備,以及增加用於F-35的評估功能。儘管洛克希德公司在2017年底前還沒推出Block 3F批次軟件版本的最終狀態,但立方體公司已經在2018年前開始向F-35交付嵌入式P5系統。

立方體公司後續計劃在F-35的Block 3F版本之後,會將P5系統將進一步升級。最初,美軍只將它用作“實時監控”來實時評估訓練過程。未來,它將與其他“真實-模擬-構造”(LVC)的節點加密通信,開放數據鏈路,五代機、四代機之間來回共享數據和信息。

總結

由於僅靠實戰化訓練無法給F-35和其他第五代飛機提供的複雜對抗場景,且由此帶來的成本過高,促使美國空軍依靠一套尖端訓練技術,將虛擬和數字構造的要素融入實戰演習,準確描述現代戰鬥過程所需的密度或逼真度。使飛行員儘可能接近實際作戰的環境。四代機和五代機之間在隱身飛機的作戰方式、傳感器融合的方式、巡航速度、避免近距格鬥、鏈路管理、如何與四代機協同等方面的差異,都加速了美軍將LVC技術在五代機上的推廣應用進度。但F-35要依託SLATE訓練系統開展訓練可能需要等到2020年之後。

五代機採用嵌入式訓練系統與此前四代機外掛的訓練吊艙相比各有優缺點。五代機採用嵌入式訓練系統保持了五代機很關心的隱形特性要求,增加了訓練的真實性;避免地面準備時掛裝吊艙的維護保障要求。但是與可拆卸的訓練吊艙相比,也無形中增加了日常飛行中和戰時狀態下飛機的重量,同時也要在飛機上安裝訓練鏈的蒙皮天線。


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