《科技创新与品牌》杂志社封面报道

中国预警机是怎样炼成的?

中国电子科技集团公司首席科学家、预警指挥机总设计师陆军

  预警机,又称空中预警指挥飞机(Airborn Warning and Control System,AWACS),机背上的“大蘑菇”天线罩,是它的显著特征。
  最初的预警机,只是为了将地面雷达搬上天,以扩大探测视野。经过60多年的发展完善,现代预警机已经成为集预警探测、指挥控制、通信导航、电子对抗、信息传输等多种功能于一体的信息化空中作战平台。
  在近代的几次局部战争中,预警机充分显示了其强大的低空、超低空预警探测和空中指挥引导能力,成为名副其实的“空中指挥所”、“现代空防倍增器”。目前,世界上已经有20多个国家和地区装备了约300架预警机,但长期以来,只有美、俄、以色列等少数国家拥有预警机研制能力。
  2007年,中国预警机长子—空警2000正式列装部队,中国正式跻身预警机自主研发俱乐部。
  2011年,中国首架出口型预警机正式交付巴基斯坦,并获得巴方高度评价,标志着我国从预警机技术进口国到出口国的转变。
  2013年7月,中国电子科技集团公司首席科学家、预警指挥机总设计师陆军接受本刊采访,期间一再感叹:中国预警机的发展,着实不易,可谓一波三折—

  

空警一号

  忆苍茫往昔,逆风起航

  一定要拥有自己的预警机,这是几代中国人的期望。
  因为我们拥有960万平方公里的陆地、300多万平方公里的海洋,仅仅依靠地面雷达,难以监测覆盖整个领空,特别是海上。完成国土防空任务,必须依赖预警机的弥补。
  有人说可以进口,像世界上大多数其他国家一样。当然可以,但进口意味着受制于人。作为信息化战争的核心装备,预警机受制于人,不亚于将自己整个领空“托人保管”,这对于中国这样一个大国来说,后果难以想象。所以,我们一定要拥有自己的预警机!
  早在上世纪60年代末,我国就曾专门组建队伍,开展空中预警机的研制。1971年,“空警一号”突破重重困难飞上蓝天,最终却因当时技术基础薄弱、国力有限而搁浅。如今,它已变成展品,陈列在北京航空博物馆。尽管不曾成功,但它却在预警机研究人员心中播下了希望的火种。
  这之后,国家一直没有放弃努力。
  我们曾希望购买,但进展缓慢,几经谈判无果而终;
  我们也曾想要合作,却步履维艰,泱泱大国竟遭受外方单方面撕毁合约的耻辱……
  面对国外千方百计阻碍我国预警机发展的严峻局面,党中央、中央军委高瞻远瞩,审时度势,果断作出立足国内自主研制预警机的重大决策。时任国家主席江泽民作出“研制部门一定要争口气,否则总是要被人卡脖子”的重要批示,为“争气机”的研制注入了强大动力。
  2001年,空警2000正式立项。国家举全国之力、汇最优资源保障工程实施,中国电科和中航工业两大集团作为牵头单位扛起了这一艰巨任务。
  经过层层严格选拔,远在安徽中国电科38所从事雷达技术研究的陆军临危受命进京,担纲空警2000总设计师,主持这项当时被成为“天字第一号”重点工程的研制工作,在电科集团与“中国预警机之父”王小谟院士的支持和指导下,筹谋策划,开始了中国预警机自力更生的攻坚克难之路。
  外国人预言:离开我们,你们中国人根本做不出来。这句话,和当时面临的基础研究薄弱、核心技术遭国际封锁、没有可借鉴经验、技术人才缺乏等诸多压力,都被陆军和团队转化成了前进的动力。“开弓没有回头箭,必须争口气!只要国家决定了要做这件事,我们就一定要做成!”
  陆军与团队一起冷静分析现状,逐条列出眼下应该努力的方向—部署团队力量系统把握预警机特点、分析现实难题、挖掘理论基础并开展技术创新;招兵买马,扩充团队,建立自主研制队伍。有了方向,各项工作也得以循序渐进开展。
  “当时我们最大的担心是升空。我们的预警雷达任务电子系统,虽然已经在地面通过初试,但此前从未在空中成功应用。升空之后能不能用,好不好用,可靠与否,这些都没底。”陆军介绍,除此之外,他们还面临着众多的核心技术难题—
  预警机是集情报探测、指挥控制等于一体的大型综合电子信息装备,涉及到多个分系统。这些分系统由不同的研究团队基于不同的平台分别完成,如何设计一个构架,将它们集成系统,进而实现高效率的协同作业?
  各种天线装在飞机上,整个载机的散射面都会对天线探测产生影响,可是,具体的影响是怎样的?怎样才能实现全方位覆盖?
  数百台套的电子设备在同一个平台上工作,互相之间难免产生干扰,它们之间如何兼容工作,即全机电磁兼容问题怎么解决?
  ……
  扛着这一系列难题,当年只有38岁的陆军,领导着平均年龄仅30出头的团队,一步一个脚印,埋头向前。
  2007年,经过精心磨砺的空警2000最终完成设计定型,并交付部队。
  至此,中国预警机长子—空警2000正式诞生!

空2000

  看大预凌空,旗正飞扬

  空警2000的成功交付和部署应用,标志着我军预警机装备建设从无到有的突破,它使我军首次具备使用预警机进行空中远距离低空、超低空探测和前出指挥控制能力,走出了体制自主化、设备集成化、功能多样化的预警机发展之路,大力推动了我军信息化建设的进程,对于人民空军从“国土防空”向“攻防兼备”转变具有里程碑意义。
  2009年10月1日,国庆60周年阅兵式上,空警2000作为第一梯队领队长机,米秒不差飞越天安门广场,向世界展示我们自己的空中预警机,扬国威、振军威!
  2010年,空警2000荣获国家科技进步特等奖,这是国家对重大型号工程研制的又一次高度肯定。
  空警2000的成功,是预警机团队充分发挥创新精神,在引进消化吸收的基础上,实现集成创新的结晶。它的成功,为今后预警机的进一步研制和原始创新探索打下了坚实的基础,而其创新方法和创新经验,更值得在全行业推广。

2010年,空警2000荣获国家科技进步特等奖

  创新,从顶层设计开始
  空警2000最大的创新在于首先解决了顶层设计难题,即准确定位了预警机的信息系统体系架构。
  现代社会,人们的工作和生活被互联网充斥着,已经形成依赖。而所有的信息系统几乎都是采用基于开放式网络、面向对象并支持中间件的方法来设计,预警机信息系统的理论基础同样是建立在这一方法之上。
  预警机系统非常复杂,各分系统的集成是一大难点。特别是面对“预警机战术操作系统的需求”,设计师不仅要填补战术应用需求的空白,而且要协调各方之间的冲突,更需要在系统架构上逐渐完善定义预警机标准的包构造型。如何防止包交换拥塞?如何避免经数据链传输后丢点?
  包交换拥塞,在信息系统的海量数据输入/输出过程不可避免。特别是在预警机信息系统中,输入通道要面临实时处理速度高、单位时间内点迹探测数据多、海面探测目标密集等诸多要求;而输出通道也要肩负情报分发、指挥引导等任务。这种大容量、多任务输入输出的运行,都须由系统内核统一调度处理。面对这一问题,预警机团队研究以一种流量排序算法作为理论基础,构造了一种有效的优先队列,以描述其复杂的计算过程,最终实现输入/输出顺畅。
  经过综合研究论证,团队提出设想:基于预警机建立空中移动式动态网站,建立一体化信息化作战体系,完善参战单元间的专用协议和加密安全机制。
  这些设想看似超出了预警机本身的研制范畴,但团队还是坚持在试飞资源有限的网络节点内,推行数据链战术分发共享搜索机制,进而创建基于预警机网站的战术互联网雏形。他们认为,只有这样,才能最大化发挥预警机的“战术倍增器”作用。这也是预警机战术操作系统所具有的网站特征与其他装备个体应用操作系统的本质区别,也是影响制约预警机系统设计的最大难点。
  事实证明,团队最初的坚持是正确的。
  “美国E-3预警机能够始终保持着世界主流预警机地位,所凭借的最大优势就是能够持续升级的开放式系统构架设计,这是早期软件构架决策的正确性带来的巨大收益。”陆军介绍,他们要通过低成本大规模批量使用和强大的数据链网络来强化预警机战场信息倍增器的作用,这种策略能够使大型复杂系统的建设和维护最具经济性,回报最高、风险最小。
  空警2000信息系统体系架构这一最基本决策的确定,为之后研制工作的开展明确了正确的方向。
  突破,一点一滴积累
  三面相控阵雷达是空警2000最直观的特点。这种天线阵由三个相同的阵面构成一个等边三角形,三个阵面各负责120度,覆盖360度全方位空域。三个阵面交替协同工作,如何保证相邻阵面之间波束的连贯和无缝连接是个难题。经过反复研究摸索,最终以扫描、映射和通过一系列坐标变换理论为基础,确保波束在两个阵面的交接处不会存在空隙,由此也间接解决了跨阵面目标的稳定跟踪问题。
  杂波问题是预警机雷达探测要解决的关键问题之一。机载脉冲多普勒雷达在下视检测目标时需要与强大的地面杂波进行对抗,杂波不除,将严重影响目标发现概率与探测距离。扣除主杂波、抑制副瓣杂波,是进行杂波处理的一贯原则。但这些都建立在对杂波规律的把握和了解之上。
  我国地域广阔,地形地貌复杂,每个地方的杂波信号特征都不同,这给杂波规律的摸索增加了难度。“虽然当时杂波技术在理论上已经相对成熟,但在工程应用上,却是第一次。前期摸索的任务非常繁重。”
  北方严寒、南国酷暑,茫茫大漠、无垠海洋,陆军带领团队南北奔袭,悉心摸索,终于找出了雷达由于外界电磁干扰环境及地杂波影响不同,导致在不同部署空域性能上的差异规律,最终建立了包括沙漠、平原、山区、城镇和海洋等我国众多典型地区的杂波数据库,为准确评估雷达在不同环境下的性能提供了技术支撑。
  预警机需要将数百台套设备集成于一体,工作频段从短波直至毫米波,大功率发射机、干扰机与高灵敏度接收设备要协同工作,在确保系统功能性能的同时,不能影响载机飞行安全,因此,全机系统电磁兼容问题非常重要,也十分复杂。
  为此,陆军带领团队提出了预警机电磁兼容设计与验证方法,明确了全机电磁兼容目标,完成了电磁兼容理论研究和预测分析计算,提出了多项技术措施,解决了预警机的载机航电、雷达、敌我识别、通信、电子对抗、数据链、塔康等设备之间的协同兼容工作问题。

  综合试飞,战术互联网雏形初显
  试验试飞是预警机研制的关键环节,是对各项技术和集成成果的综合验证,需要针对多种目标特性,在不同地形地貌、复杂电磁环境和气候条件下进行,其规模之大、范围之广、风险之高,配试兵力之多、组织协同之复杂,前所未有。
  为了更好更快地完成试飞目标,陆军经常跟飞采集原始数据样本,既是指挥员又当战斗员,并适时提出了“多传感器飞行测试评估优化模型和综合测试评估方法”,以提高预警机“动—动”平台试飞试验和测试评估效率,效果显著。在前线进行空中数据分析的同时,后方也建立了飞机缩比模型,对试飞回放的数据及波形展开全面史无前例的大规模仿真演算。
  在短短两年内,团队相继突破了大容量多目标跟踪、高速实时可编程信号处理、杂波跟踪、平台运动补偿、雷达和二次雷达协同、控制与同步等技术,初步试飞取得阶段性成绩。
  2005年,预警机团队开始转场综合试飞。陆军介绍,前期试飞以提高系统探测能力为主,后期高难度系列试飞验证工程的全面铺开,则预示着中国装备跨入了一体化信息化作战试用的前沿,数据链战术互联网建设浮出水面。而在这一过程中,预警机首当其冲。
  综合试飞初始,各参试单元刚入网时,可谓问题重重,传输延时长、数据丢包、链路断链时有发生。
  针对这种情况,团队总体立足可控网络节点范围内,提出了大容量数据传输性能测试方法,并在问题处理的过程中,逐步完善了相关协议,并探索出一种新方法,实现了与网内其他节点的融合。同时,具有网络架构特征的预警机战术操作系统,也在这几年的试飞过程中得到锤炼和验证。
  在国家调集各方力量攻坚克难的攻势下,预警机团队在试飞过程中创新突破了系统探测、战术数据链互联网、战术网站架构与操作系统等关键技术,最终促成了中国预警机空警2000品牌的诞生。
  作为我国独立自主研制的大型预警机,空警2000在同类、同体制的国际主流预警机中,多项性能领先,弥补了我军没有预警机进行空中应急指挥作战平台的空白。美国政府智囊团“詹姆斯敦基金会”发表评论称:中国采用相控阵雷达的预警机,比美国的E-3C整整领先一代!
  面对国内外的高度评价,陆军始终保持着清醒的头脑—现在从无到有的问题解决了,后面我们还要从有到优,从优到精。空警2000创新技术的突破和经验的积累,为中国预警机事业的快速发展提供了良好的支撑,在随后的几年间,科技创新与品牌效应带动了一个预警机产业。
  随着一个个难题的解决,系统架构的日趋稳定,后续系列预警机产品更是如“雨后春笋”,纷纷破土而出,形成了型号各异的系列产品。其中最值得一提的,要属出口型预警机。

出口型预警机

  走出国门,扬威国际
  作为总设计师,陆军在出口型预警机研制中提出并实现了“运八+圆盘”预警机构型,属完全国产化。相对于空警2000的研究过程,出口型预警机面临的最大挑战是跨国集成和空中移动式网站建设。
  “当时巴方提出,预警机要使用他们已经习惯的电台和一些其他设备。体制不同、技术不同、产品状态也不同,如何把它们和我们设计的信息系统兼容,集成难度非常高。”
  另外,“我们不仅要扩充出口型预警机的互联网节点,为进口国建立一体化作战体系,还要按照对方作战使用要求全新设计网站操作项目。”陆军说,这些都是空警2000研制时所不曾遇到的。
  这是挑战,同样是机遇。陆军和团队又开始了新的征程。他们把这次研制工作当成施展一体化作战体系梦想的试验场,当成验证已有预警机系统架构可移植再生能力的可靠途径,同时也把这段经历当作吸收国外先进经验的大好机会。
  在他国地形地貌下探测国外主流战机目标不可能实施大规模试飞试验,陆军创新性地提出并建立起“超电大尺寸天线性能计算平台”和“载机大缩比模型天线性能测试平台”,解决了该型机种不规则电磁散射体对探测波束的影响问题。同时,他还提出采用天线全方位性能计算结果指导试飞试验的方法,将实际典型方位试飞结果与天线全方位性能计算结果比对,进而推算全方位探测性能,提高了试飞试验效率。
  仅4年时间,出口型预警机就完成了全部研制工作,首架机于2011年交付巴基斯坦空军,标志着我国从预警机技术进口国到出口国的转变。这一转变对于扩大我国国际政治影响力、维护我国周边地区的和平稳定以及军事信息系统安全意义重大。
  这架基于运八平台(65吨)的出口型预警机,其整体水平被认为与基于波音707平台(150吨)的美国E-3C预警机相当。巴基斯坦空军对我国出口型预警机给予高度评价:中国预警机装备了最现代化的电子系统和所有履行预警机职能所需的设备,性能优异。俄罗斯世界武器贸易分析中心网站称中国已成为预警机第四大出口国。

  是终点,更是起点
  空警2000和出口型预警机的成功,标志着中国真正在世界预警机研制中占有了一席之地。这是一段长途飞行的终点,更是另一段航行的起点。
  “创新,就是要把主动权抓到自己手里,永远不会因为别人的因素使得我们走不下去。”曾经在技术上受制于人的中国预警机人,对这一点深有体会。陆军强调,未来,中国的预警机研制必须实现更多的原始创新,中国的预警机品牌必须实现自主。
  2011年开始,陆军已经在思索下一代预警机的研究方向,并开始了相关探索课题的研究。未来,还有很多的事情要做—基于预警机的战术数据链互联网主干网络开发亟待延伸、系统探测数字化小型化应着力摸索、数据处理容量及速度也应实现更大更快的目标……而处理强地海杂波、对抗强电磁干扰、探测小目标甚至隐身机,更是提高预警机探测性能的永恒主题。
  党的十八大报告再次强调原始创新的重要性,更明确要求,要深入开展信息化条件下的军事训练,增强基于信息系统的体系作战能力。这无疑为我国军事信息化系统和信息化武器装备的发展,注入了强大的动力。
  陆军也早已盯上了一体化作战体系信息系统这座更高的山峰。虽然目前基于预警机建立的战术互联网雏形尚处于起步阶段,但已是一个国家军事信息化体系建设的重要发展方向。
  陆军认为,个人和团队的发展都应积极融入我国军事信息技术和系统发展的洪流之中。转型为信息系统总师是他对自己的要求,而成长为国内最优秀的信息系统团队则是他对团队的定位。“现在我们已经在预警机上达到国际先进水平,下一个五年计划,再下一个五年计划,到2020年,我们不仅要在预警机上领先,而且要让我们国家的整个空军空基系统达到世界先进!”

  擎起国之利器的英雄们

  “中国预警机之父”、中国预警机事业的奠基者和开拓者、中国工程院院士王小谟,不仅开创了我国的预警机事业,设计了预警机技术发展路线图,而且大胆启用年轻人,先后培养出了18名雷达和预警机领域总设计师,打造了如今中国预警机事业的中坚力量……
  陆军就是这18名总师中的优秀代表。从雷达总师到预警机总师,直到成为空警2000和出口型两型预警机总设计师,陆军的每一个转身背后,都有王小谟院士的指引和支持。
  空警2000立项之初,为了更好地完成预警机自主研制,国家调集了全国范围内最优质的资源予以保障,并决定在这一项目中试行双总师制,在电子和航空领域分别挑选一位有能力者担纲总设计师,分别负责任务电子系统和载机改装工作。
  这是中国电科第一次承担如此重大系统项目工作,总师之选格外重要。集团领导高度重视,层层甄选,最终锁定了陆军。
  “之前的工作一直是王院士在做,型号正式立项之后,才抽我过来当总师。这并不是说王院士不能做,他是主动让贤,是为了把年轻人、把预警机事业的后续力量培养起来,把队伍带起来。”陆军回忆说,当时之所以敢来干,就是因为深信国家必做、必胜的决心,深信电科集团必将倾力支持,而国家和集团的认可,也让他备受鼓舞,幸而他亦不辱使命,没有辜负组织的期望,最终带领团队走到了今天。
  事实上,在这之前,陆军一直专注于雷达技术领域,先后组织和参加了数字波束形成、双多基地雷达、多站雷达融合等多项课题的研究工作,以及国家多项重点工程和型号产品的研制工作,成果卓著。在此期间,陆军荣立三等功2次,多次获得科技进步奖励,并在38所首届科技大会上被评为“优秀科技工作者”,年仅32岁就成长为38所主管科研的副所长。

王小谟院士(左)与陆军


  初任总师,质疑声不断。陆军坦然面对:“我刚来时就是雷达总师,干到2007年才像预警机总师的样子。这很客观,说出来不稀奇,也很正常。什么人坐在这里,都不可能一夜之间变成总师。”
  时间是公平的,总会给奋进者以鼓舞。陆军的努力赢得了回应,几年时间,不仅他自己转型为预警机总师,而且还打造了一支梯队合理、团结精干的预警机研究团队。从10年前的二十几人,到现在两三百人的大团队,当年初出茅庐的青涩大学生,都已经成长为如今的团队中坚力量。
  陆军说,能担任空警2000和出口型两型预警机的总设计师,是他这辈子最幸福的事。
  陆军还说,王小谟院士永远是一座高山。高山仰止,景行行止。斗转星移间,一代代的中国预警机人,在预警机研制的细水长流中实现了薪火传承、精神传递。
  谦虚、亲和,这是陆军同事对他的评价。同样是在同事口中,我们听到了一段段不为外人所知的关于他的“小插曲”—试飞时,遭遇万米高空机舱失密,飞机瞬间下降数千米;仍是试飞时,一边强忍胆结石侵袭所带来的疼痛,一边坚持高强度的工作;和团队一起,怀着大无畏的精神带领我国独立研制的第一架出口型样机,飞越气候条件极差的喀喇昆仑山,走出国门,向世界展示中国预警机风采……
  陆军始终强调,中国预警机事业的发展,是国家综合实力的体现,是几代军工人共同努力拼搏的成绩,是数十家团队历经十几年协同攻关的结晶,每一个参与人员的功劳都不可抹杀。他说,类似的故事,在预警机研发的过程中还有很多很多,它们发生在每个参与预警机研发的工作人员身上。
  伟大的事业孕育了预警机精神—“自力更生,创新图强;协同作战,顽强拼搏”;伟大的精神凝聚了创新团队,共同造就了中国预警机的辉煌事业。