航空电子学(avionics)是研究电子技术在航空工程中应用的学科。它是在航空技术和电子技术发展过程中逐渐形成的。
发展简况
1899年在两个气球之间进行了
无线电通信试验。1910年由飞机上的火花发射机和地面的电磁检测器实现了空对地无线电通信。第一次世界大战中飞机开始装备中波电台和手动环形天线监听式测向器。
第二次世界大战期间航空电子技术发展较快。到40年代末,航空通信由中波扩展到短波和超短波波段;自动定向无线电罗盘得到了广泛应用;仪表着陆、甚高频全向信标和罗兰等导航系统相继问世;雷达作为侦察、搜索和火力控制的探测装置开始在作战飞机上出现。50年代,
多普勒导航系统、惯性导航系统和塔康导航系统陆续投入使用,进一步提高了飞机导航精度;各种雷达装在飞机上,提高了航行、轰炸或空战能力。60年代初第一代机载数字式计算机的出现,促进了航空电子技术的发展。电子技术的主要成果都很快被应用到航空方面。航空电子学作为一门新兴的学科,引入了地面计算机网络的概念和方法,使飞机上众多的电子设备组成网络,系统性能和可靠性得到提高。
学科内容
航空电子学已进入航空技术的各个领域。它通常包括:通信技术,导航、空中交通管制技术和系统,雷达和识别技术,
电子对抗技术,
计算机技术,自动飞行控制和飞机仪表系统,载荷管理,电气系统,火力控制技术,飞行数据记录以及训练模拟技术和系统等。此外,飞机上的电子设备,不少要与地面有关的设施联合使用,地面上的设备可以不考虑在飞机上的一些特殊要求,但也是航空电子学研究的内容。
学科特点
航空电子学具有一些区别于其他电子技术的特点。
航空电子设备要在大温差(-60~ 60°C)、低气压、宽频带范围机械振动、强冲击载荷、狭小使用空间和各种人为的、自然的、其他电气设备产生的大量干扰等恶劣环境条件下工作,因此对电子设备的设计以及元、器件和材料的选用都提出了很高的要求,工程实现的难度和成本都远高于普通的电子系统。
由各种电子设备组成的
航空电子系统根据任务不同,可以分成两类:一类是为常规飞行任务服务的通用系统,另一类是为特定飞行任务服务的专用系统。通用系统一般又有以下几种:①通信系统(见航空通信);②导航和导引系统(见控制和导航);③自动飞行控制系统(见飞机飞行自动控制系统);④
空中交通管制系统等。专用系统则根据特定的飞行任务选用不同的专用电子设备。
发展趋势
航空电子技术正向综合化和
数字化方向发展。航空通信、导航、
雷达、自动飞行控制等单一功能的电子系统,按系统工程的原理组成综合式航空电子系统。随着数字式电子计算机在航空上的广泛使用,又组成数字化的综合系统。数字化、综合化的航空电子系统可提高系统的可靠性、保密性、抗干扰能力,同时能减少设备的体积、重量和功耗;自动化程度的提高能大大减轻空勤人员的负担。
军用航空电子学
航空电子学技术领域涉及范围很大,在航天、航空、精确制导武器、雷达技术、C4ISR 系统和自适应控制等领域都占据重要地位,电子产品在上述武器装备的研制和采购费几乎都占 40 ~50%以上,航天器技术电子产品已占到 68% 左右。它是航天、航空、精确制导武器发挥战场总体效益的高回报重点领域。航空电子技术与
微电子技术、纳米技术、
计算机技术、信息技术、通信网络技术、
电子战技术、导航、制导和控制技术、雷达技术等都密切相关连。利用相关技术,美国空军将重点发展以下技术:机载和天基军事行动所需要的精确进攻和防御用的探测装置;全球参与所需要的军用通信网络,实现从探测器到射手的一体化联动;系统设计、发展、鉴定、训练和支援所需要的快速技术集成;发展能支撑主宰战斗空间的具有系统功能的高性能军事专用装置。在这些发展中还突出强调在经济上能承受得起。
美国空军在航空电子技术领域有如下发展规划:
1. 目标捕获与攻击电子学
目的是实现在任何时间和各种气象条件下,发现、识别并摧毁任何地点的敌人目标,实现清楚了解态势,提高武器系统效能。
机载雷达、预警雷达及各种传感探测器技术可以准确捕获目标,并通过与军用通信系统一体化实现从传感器到射手的一体化联动,并将从传感器到射手攻击目标时间缩短到几分种时间内。将来用微电子学和
纳米电子学技术研制的全球信息栅格(GIG)以及高级性能计算机将可以实现即时发现目标即时进行打击,将作战攻击目标效率提高几个数量级。控制雷达、探测器和信息网络高效运转的是
数字计算机技术,它可以从原始的回波信号中提取大量信息,并将这些信息以图像和文字符号方式提供给武器系统的操作射手。
电子战(EW)已成为打赢现代高技术战争的关键技术领域之一。电子战包括三个主要组成部分,即电子攻击、电子防护和电子战支援。
电子战攻击武器主要由
反辐射导弹、高能激光武器、
高功率微波武器和带电粒子束武器。反辐射导弹是一种电子战硬杀伤兵器,美国空军已经发展了第四代反辐射导弹,目前以第三代AGM -88“哈姆”反辐射导弹为主,美国空军已对第五批次AGM-88C 加装了抗干扰软件,并提供了精确定位能力,对第六批次AGM -88D 改进了导航系统,安装了 GPS/INS,可在飞行前或飞行中编程,即使敌方发射机关机也可以进行攻击,第七批 AGM-88E 安装了双模式导引头,加装了毫米波雷达,该导引头系统采用自动目标算法,可以准确攻击面空导弹指挥车以及其它雷达和通信设施。在电子战防护和支援技术方面主要改进飞机视场覆盖面,探测高优先度的信号和威胁,进行精确定位和识别;发展机载信息与外部信息数据融合和利用先进
信息处理技术,提高掌握战场有威胁的态势能力。
3. 系统电子学技术
该技术主要用于对态势掌握的补充、隐身操作电子学、分发时间性强的数据和发展灵活、可靠的小型电子装置。主要研究的技术有:为弥补对态势掌握的不足,扩充对外部信息源的感知能力;采用灵活、低成本、开放式结构进行信息和数据处理;用智能化技术改进航空电子学;
自动化控制无人机和信息综合;发展新型飞机所用的显示器,改进其功能,这方面可采用大面积、高清晰度和高态势了解的有源矩阵液晶显示,使其平均无故障间隔时间提高30 ~100 倍;发展作战飞行程序异常时对执行任务没有影响电子设备;发展数字化微镜装置、有机光发射装置和平板式座舱和任务显示(目前美国空军战斗机都已选用有源矩阵液晶
平板显示器),
头盔显示器已经发展到第三代,头盔不仅能提供瞄准线和字符,还可以显出传感器得到的图像。
4. 军事专用电子装置技术
该技术涉及
微电子技术、射频元器件和光电装置。微电子技术领域在未来 20 年中将突破 0. 1卜m 的物理极限,在2010 ~2020 年内可以实现纳米电子学中的单电子存储技术,特别是纳米电子学和以硅材料为基础的微机电系统(MEMS)将对21 世纪科学技术、生产方式甚至人类生活质量有深远影响。
射频元器件对雷达技术、电子战、通信系统和相控阵天线具有重要应用价值。雷达是实时、主动、全天候获取信息的探测手段,是作战平台实现精确打击的必备装置,也是发展先进武器系统测试和评估手段。光电装置是利用先进光电子技术发展各种探测器,在军事上有广泛应用价值:各种
光电传感器是获取各种信息的手段,具有很强的探测能力和目标识别能力,在预警、侦察、监视、夜视、测绘、气象、水下目标和隐蔽目标探测以及生化战剂探测具有特别重要应用价值。