隼眼F16前视红外系统的发展

　　引言
　　军用航空领域目睹了红外（IR）技术的某些最重大的进展。军机飞行员现在已能借助于红外成像设备来减轻在微光及夜间状况下飞行的某些风险。该项技术是基于测量一个物体相对于其背景所散发的热能。红外设备可以分辨热辐射的微小差异，并在显示器上展现热成图像。这就赋予人透过完全黑暗、浓雾及其它低能见度状况而看见物体的能力。在军用航空中，该红外景象通常是显示在飞行员在飞行时必需参看的一个小屏幕上，其结果类似于观看监视摄像机常用的黑白电视小屏幕。其最大差别在于，飞行员所看到的，不是可见光在屏幕上呈现的图像，而是红外光所呈现的图像，以及红外世界的景象。将此种热传感功能引入飞机座舱的意义非同小可。在此之前，军机飞行员往往由于对外部视界及周围地形所知甚少或全然不知而降低夜间行动效果。而今借助于红外传感器便可获得有关当前飞行环境的详尽而清晰的景象。
　　在F16战机上，红外传感器是纳入所谓的“前视红外系统”（FLIR）中。F16的FLIR是一种向前看的传感器，因为它是安装在主要用来观看飞机正前方景象的位置。将其称为前视传感器的另一种意义在于，它是通过飞机的“平视显示器”（平显）将图像显示给飞行员的。举例来说，飞行员笔直向前看就可以观看外界的红外图像，而不必低头俯视嵌装在座舱某处的小屏幕。
　　背景
　　前期FLIR技术最初是由美国海军开发，用以辅助识别和定位敌方目标。这些早期系统既粗大笨重、又耗费资金。将现代FLIR引入军用飞机是受到技术进步（例如体积缩小、重量减轻和费用降低；以及性能改进）与战斗需要的双重影响。在1965年，美国军方现实的战斗需要就是赢得越南战争。战事进行到当时的阶段，作为敌方的越共在夜间占了上风。南越军队的前哨基地经常遭受越共夜袭骚扰。尽管美国拥有一支包括149架直升机在内的非常干练的空中力量，越共却几乎总是能够听到飞机的噪音，当直升机飞临时迅速撤退。为了扭转越南夜战的局面，有人建议采用一种低噪音的侦察机，在夜间从近乎危险的低空飞临越共头上，使用当时流行的夜视装置技术来监视敌军。该项使命的结果就是开发出“静星”型（Y03AQuietStar）侦察机。“静星”于1968年1月抵达战区，很快就开始执行战斗飞行任务并大获成功。坐在该飞机前部的观察员能够识别许多目标，特别是湄公河上自柬埔寨顺流而下的越共补给船。观察员最初是手持“星光”（Starlight）手提式观测镜来帮助他们捕获目标。“星光”观测镜是从第二次世界大战时最早开发、基于图像增强的一项技术发展而来。
　　在滑翔机基础上研制的Y03AQuietStar
　　ANPVS2“星光”夜视镜，可安装在轻武器上作为瞄准镜使用
　　图像增强装置收集来自月光和星光的环境光线，然后将其强化。这种系统的操作原理是放大近红外线与可见光频谱的光线，从而导致现代夜视镜（NVG）的发明。随着图像增强技术在越南战争开始用于军用飞机，中波红外传感器也开始在军用飞机派上用场。历史表明，NVG与FLIR这两种极大增进军用夜航行动能力的技术自越南战争起就分道扬镳了。这两种技术的主要差别在于所要求的操作波长不同。如上所述，NVG要求至少有微量的环境可见光存在，而且不得有任何物体（如雾、烟、尘粒或阴霾）遮蔽能见度。而FLIR却全然在中波红外线范围内操作，不要求环境光存在，因而在完全黑暗或能见度被遮蔽的情况下也能看见。
　　后期Y03A上安装的微光夜视转塔
　　第一台真正的FLIR是1964年由德州仪器公司（TexasInstruments）制造的。该装置有一镜头，可将红外信号聚焦于180只由氦冷却的红外探测器，这些探测器又将信号供给放大器，驱动180只发光二极管。由此产生的图像在一只阴极射线管显示出来，类似于黑白电视图像。六十年代末到七十年代初，在与德州仪器公司研究开发这些红外传感器的同时，美国军方却在探寻把该种技术应用于实战的途径。
　　第一台FLIR的模糊图像
　　PAVE
　　1965年，空军初步开发一种能用于其战机上的低成本制导炸弹。为协助这一努力，德州仪器公司在佛罗里达州埃格林空军基地（EglinAFB）的兵器开发试验中心进行了一系列试验，这些试验涉及使用激光技术来制导自由下落的炸弹。这项机密使命的代号为PAVE，并由此开创了后来成为一系列传感器和精确制导炸弹研发的先河。
　　初期的PAVE传感器是以吊舱形式出现的激光跟踪与激光指示系统。PAVEARROW、PAVEBLINDBAT、PAVEFIRE、PAVEGAT和PAVESWORD就是空军在战机上应用激光技术以发现和摧毁目标的早期实例。然而PAVEKNIFE系统代表了空军将目标定位系统与激光指示器作为部件合并应用于同一航空控制系统之内的首次尝试。PAVEKNIFE，又称为ANAVQ10，挂载于F4D战斗机的内侧悬臂上。它带有一个稳定的孔径瞄准（boresighted）电视摄像机和一个激光指示器。电视摄像机装有一个可用于夜间行动的微光系统，但极少使用。
　　ANAVQ10的体积堪比副油箱
　　使用PAVEKNIFE系统的战斗任务自1968年开始，由第8战术战斗机联队从泰国乌汶（Ubon）起飞前往越南作战。然而F4战机使用PAVEKNIFE的最知名战例是定点轰炸河内市的杜梅（PaulDoumer）红河大桥。该桥已遭受过F105战斗轰炸机群的反复袭击，一次出动架数多达36架，甚至50架。所有这些袭击都采用非制导炸弹，并成功炸塌了部分桥梁，但每次大桥都被修复。1972年5月10日，8架装有PAVEKNIFE的F4战机以激光制导炸弹直接命中炸毁了大桥的一孔桥梁。这次使用相对较少资源的成功袭击使美国军方的注意力集中在这一途径上，重点于是放在如何造出更优越的目标定位系统来配合更精确的武器。
　　F105多次轰炸杜梅大桥无果
　　动用激光制导炸弹才解决问题
　　被激光制导炸弹彻底摧毁的杜梅大桥
　　空军为改进PAVEKNIFE的目标定位性能而迅速采纳了PAVESPIKE（ANAVQ12）。这是一种更加小型化、轻型化的目标定位吊舱，并设计挂载于F4战机上。空军于1974年到1979年间从西屋公司（Westinghouse）购买了156套该装置。尽管PAVEKNIFE确实采用了红外传感器和激光测距仪等新性能，但是这种吊舱的夜间能力仍然有限。
　　进气道下方挂载的就是小型化的PAVESPIKE吊舱
　　由福特航天公司（FordAerospace）开发制造、用于F4和F111战机上的PAVETACK（ANAVQ26）目标定位吊舱首次具备了真正的夜间攻击能力。虽然它不能显示座舱前方的夜间详细景象，因而还不是真正意义上的FLIR，但提供了有用的地面参照点和目标的红外照片。该吊舱具有两种视界、一个环境控制系统、以及一个激光指示器。PAVETACK重1300磅，算是一种大型传感器，内装于F111战机，而外挂于F4战机上。
　　PAVETACK吊舱
　　ANAVQ26的红外图像
　　七十年代末期，美国军方在A6E“入侵者”上引入了其用于攻击机的第一款FLIR，这就是于1979年问世的“目标识别攻击多传感器系统”（TRAM）。TRAM采用了前下方炮塔型结构（chinturret），内装FLIR、激光指示器和激光接收器，用于投射非制导和制导炸弹。该FLIR炮塔系由陀螺稳定并用激光对准，可在非制导炸弹投放前使用激光连续精确调整目标距离。陀螺稳定的FLIR可使武器系统操作员在投放制导炸弹后精确跟踪目标。这使得A6E具备了在炸弹投放后进行机动并同时继续制导炸弹的能力。
　　A6E的TRAM转塔
　　PAVETACK和TRAM的战斗能力在1968年4月的埃尔多拉多峡谷（ElDoradoCanyon）战役中结出了硕果。当时欧洲发生一起恐怖主义爆炸事件，美国的回应是攻击利比亚支持和从事此种恐怖主义活动的能力。有史以来第一次，美国军队拥有了一支能实施夜间精确攻击的强大机群，包括具备TRAM性能的A6E“侵入者”和载有内装PAVETACK系统的F111战机。批准夜间攻击是出于两个明确理由。首先是利比亚的米格25战机飞行员的夜航能力有限，不大可能在攻击之后与美机交战。其二是由于大多数平民百姓都在家中睡觉，使夜间攻击的附带损伤风险降至最低。攻击战机上的机载红外传感器和激光制导炸弹，也都是减低附带损伤的因素。
　　F111夜间轰炸利比亚机场的情景
　　A6E攻击机使用TRAM技术避开了敌方的地对空导弹和高射炮，摧毁了目标并且安全返回各自的母舰。F111战机以834公里的时速在150米高度飞行，动用了激光制导的2000磅GBU10炸弹。第一架F111使用PAVETACK红外目标定位和激光系统对炸弹进行制导，所投下的四枚炸弹落在距利比亚领导人总部仅50米的范围内。尽管美国损失了两名飞行员，埃尔多拉多峡谷战役仍然是一个巨大成功。夜间行动保障了战术上的优势和突然性。红外传感器在军用飞机上的用途已成共识，美国工业界自会努力研制比TRAM和PAVETACK更加优越的下一代红外传感器。
　　LANTIRN、F16、NVG以及未来的红外目标定位系统
　　F16“战隼”于1979年1月进入美国空军战斗序列。制造这种单座多用途战斗机的原本意图是将其作为一种低造价的轻型日间作战平台。早期的Block20型F16AB经历了发动机性能与航空控制系统能力方面的逐步提升。八十年代中期，25、30、及32型F16CD平台问世。这些型号装备了比F16AB更新颖的雷达，在平显和发动机性能方面也有所改进。到八十年代末期，通用动力公司（GeneralDynamics）已准备推出一种更先进的F16型号，即40型。这种战斗机虽然与早期的F16十分近似，却是空军武库中第一种由单座平台演变而来的具备空对空与空对地夜战能力的战斗机。这在实质上意味着40型可以突入敌方区域，使用雷达制导导弹对付空中威胁，然后用激光制导精确炸弹摧毁地面威胁，所有这一切都是在夜暗的掩护之下进行。使这种夜间应用成为可能的系统叫做“夜间低空红外导航与目标定位系统”（LANTIRN）。
　　挂载LANTIRN双吊舱的F16CBlock40
　　与此同时，F15E“战鹰”歼击机也装备了LANTIRN系统。LANTIRN系统是马丁公司（MartinMarietta）从1980年始在佛罗里达州奥兰多的工程基地中研发的。马丁公司的工程师们起初设计出一种能在低空进行全天候夜间精确攻击的外挂系统。该LANTIRN系统实际上包含两个红外传感器：一个用于导航，另一个用于目标定位，并分别位于两个单独的外挂吊舱内。其中，AAQ13导航吊舱中除了FLIR之外，还装有一台地形跟踪雷达。这种40型F16所独有的导航吊舱FLIR首次为空中优势战斗机提供了广角视界。
　　为了叠加FLIR图像，Block40采用了广角HUD
　　40型具有扩展功能的平显，可将导航吊舱提供的FLIR图像叠加到平显上，为飞行员提供一幅从飞机头部看出去的周围地形的红外图像。而AAQ14目标定位吊舱用来识别与摧毁地面目标，具体是使用FLIR和激光指示器照射目标以便投放激光制导炸弹。目标定位吊舱与激光制导炸弹互相配合，大体如同F4及F111战机上的早期PAVETACK系统一样。目标的红外照片与激光瞄准用的十字标线一起经由下视显示器（下显）提供给飞行员。
　　左侧是AAQ13导航吊舱，右侧是AAQ14瞄准吊舱
　　LANTIRN技术使空军的单座战斗机具备了凭靠导航吊舱的地形跟踪雷达保护、在几百英尺低空进行夜战的能力。飞行员即使在关闭灯光情况下也能透过平显参看FLIR而与领队机保持目视并跟随飞行。两架40型F16战机以这种编队夜间飞行能够使用雷达主动搜索空中威胁，运用FLIR彼此保持目视，在低空环境借助地形跟踪雷达保护，并使用目标定位吊舱向目标投放精确制导炸弹。随着带有LANTIRN系统的40型F16问世，FLIR战机功能的进展终于达到推出一种生存力强、杀伤力大、成本相对较低（与F15E和F111相比）、并能进行夜战的单座战斗机。空军预见到九十年代的军事冲突山雨欲来，已准备接受265架40型F16战机的订货。
　　在“沙漠风暴”（DesertStorm）作战期间，虽然40型F16上只有导航吊舱能够工作，军事指挥官们仍用此战机攻击地面目标，不过成功有限。空军原本所受的训练是在欧洲的恶劣气候下针对苏联威胁而作战，现在却能够在相对高空飞行、远离某些地面威胁，而仍然能够投放精确制导炸弹。当时40型战机尝试参看FLIR来捕获目标、做中等高度非制导轰炸，但未达到与精确制导投射平台近乎同等的成功率。尽管如此，在夜间中等高度投放精确制导炸弹的尝试从总体上说是成功的，并在那场冲突之后载入空军准则。从此空军继续利用这种夜间作战功能，同时减少对其在低空环境使用的要求。这种调整的直接结果就是对LANTIRN导航吊舱的需要减少，而对目标定位吊舱的需求增加。
　　自1996年到1997年间，空军取消了对40型F16飞行员在作战中使用地形跟踪雷达的要求。战机上继续挂载LANTIRN导航吊
　　舱只是为使用其FLIR功能。但因FLIR的视界有限，空军逐步转向使用夜视镜（NVG）。相对于导航吊舱而言，NVG可提供更高的灵活性。导航吊舱显示的是透过飞机头部看出去的固定FLIR图像，而装在飞行员头盔上的NVG却能随头盔转动。
　　夜视镜比导航吊舱更为实用
　　陆军不断改进夜视镜技术，并于八十年代开始装备到直升机上投入战场，获得很大成功。此举引起空军注意，1997年，空军在亚利桑那州卢克空军基地（LukeAFB）的F16训练场开始教练使用NVG。在波斯尼亚和科索沃战事中，从意大利阿维亚诺空军基地（AvianoAB）起飞的40型F16运用NVG和目标定位吊舱投入战斗。不久以后，所有的40型分队都停止挂载导航吊舱。
　　合并使用两个吊舱的LANTIRN系统已日渐稀少，虽在外国军售中仍有提供。然而红外目标定位系统已变成战斗机上的重要设备。除40型之外的F16战机均开始挂载并使用红外目标定位吊舱飞行。空中国民警卫队的25、30、和32型F16战机成功地装备了格鲁曼公司（NorthropGrumman）的Litening目标定位吊舱系统。Litening对40型目标定位吊舱的改进之处在于加装了一个黑白电视跟踪器并提高红外分辨率和迫近视界。Litening系统经受了阿富汗和伊拉克战争的考验，取得成功。
　　挂载Litening吊舱的F16C
　　作为进一步提高其战斗机红外目标定位功能的努力，空军现正在开发第三代FLIR吊舱。空军希望FLIR吊舱能在更高高度（达海平面以上4万英尺）操作、并从更远的隔离距离（达20海里斜距）提供关于目标的精细分辨率红外详图。制造最新红外吊舱的公司及其产品包括：雷神公司（Raytheon）的ATFLIR、格鲁曼公司的LiteningII、以及洛马公司（LockheedMartin）的Sniper吊舱。空军和空中国民警卫队现已采用了Sniper吊舱来更新F16战机的航空控制系统。同40型目标定位吊舱架相比，Sniper在阻力和重量方面均极大降低，并包含第三代中波FLIR、双模式激光、黑白电视跟踪器、激光点照跟踪器和激光点照标定器。空军于2003年开始接收Sniper吊舱订货。Sniper预期将会是最后一种外挂式红外目标定位系统。未来的喷气战斗机如F22及联合打击战斗机很可能包含某种类型的内装目标定位系统。
　　ATFLIR是美国海军战斗机的制式装备
　　Sniper吊舱的外形有利于减阻
　　IFTS与60型
　　尽管红外目标定位系统和夜视镜在过去十年中已被认可为战斗机的基线装备，导航FLIR并没有完全销声匿迹。洛马公司于1987年进行了一系列试飞，都是围绕安装在机首的FLIR。该项目被称为“隼眼”（FalconEye），包含安装于机首的FLIR和装在头盔内的显示器。这项革命性技术的特点是在F16战机雷达天线罩顶端安装一个小型FLIR，该FLIR可随飞行员的头盔转动，FLIR图像即被投影到装在头盔显示器的护目镜中。这样一来，无论飞行员向哪里看，都会从护目镜中看到周围地形的完整FLIR图像，由此真正实现了化黑夜为白昼。
　　“隼眼”系统中安装于机首的FLIR
　　“隼眼”系统的头盔显示器
　　“隼眼”计划有两点值得注意。其一是将FLIR安装在雷达天线罩顶端（恰好在座舱盖前方），使FLIR与飞行员的实际头部位置更加一致。其二，将FLIR投影图像显示在护目镜中意味着不再需要时常显得笨重的夜视镜。九十年代末期，“隼眼”的改进型被纳入最新出厂的F16（60型）中。
　　美国于1999年5月25日批准阿拉伯联合酋长国（UAE）购买80架60型F16战斗机。该项军售价值80亿美元，外加由UAE负担的30亿美元研发经费。60型承诺具备现行F16所没有的若干新性能。其中较大的进展包括与机翼上部机身融为一体的整体燃料油箱以增加航程、具电子扫描天线的捷变波束雷达、以及“内装前视红外目标定位系统”（IFTS）。IFTS的设计看上去类似于“隼眼”，尽管它不包括装在头盔上的显示器，也没有随飞行员头部转动而移动的FLIR，但它却很象“隼眼”的安装于机首的FLIR。称为ANAAQ32的IFTS具有内装和外装的红外传感器。导航FLIR是炮塔型广角FLIR，安装位置恰好在座舱前方；目标定位FLIR吊舱是装在发动机进气口下方的外装传感器。
　　F16F的ANAAQ32分成两部分，一是安装在机鼻的内置式FLIR，二是进气口侧面的吊舱