预警机总体构型设计综述一

预警机总体构型设计综述一陈竹梅;欧阳绍修【摘要】本文对预警机总体构型及其任务载荷适应性设计技术进行了综述,对预警机总体构型发展历程和分类进行了说明,重点阐述了预警机总体构型及任务载荷适应性设计技术和关键要素,总结了当前预警机总体构型设计的一般流程和方法提出了基于多目标优化的总体构型设计思路和技术路线，以及基于模型的系统工程方法MBSE.对载机与任务系统一体化构型设计研究进行了展望.本文可供预警机需求分析研究及同类装备总体设计工作借鉴.【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》【年卷，期】2016011002【总页数】15页P115-128,143【关键词】总体构型;任务系统;任务载荷适应性;系统工程;多目标优化【作者】陈竹梅;欧阳绍修【作者单位】中国电子科学研究院，北京100041;陕西飞机工业集团有限公司汉【正文语种】中文【中图分类】N

945.23中723105空中预警指挥控制系统AWACS已经发展成为兼备监视、跟踪、指挥、控制功能的完善系统，成为C4ISR系统的重要一环，具有迅速获得有关战场态势并据此作出正确决策的［］不可缺少的关键系统1预警机作为一种重要的信息化武器装备，不过，由于这种构型在很长一定时期内，可以较好地服务预警机作战功能性能不断增加的需求，所以也较快促成了预警机装备的系列化发展态势

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5.2背负式圆盘罩构型为了适应预警机作战功能性能不断增强的发展需要，预警机被要求看得更远，这直接要求了任务系统雷达天线口径必须足够大背负式圆盘罩构型由于圆盘形状的天线罩容易形成以对称轴线为中心旋成体，特别适用于机械扫描体制天线的安装要求，同时由于360旋转不至于过大影响飞机气动特性，其外形结构简单，因此，这种总体构型设计被广泛应用，技术也相对成熟由于背负式圆盘罩构型同时适用于旋转式圆盘罩和固定式圆盘罩两种，顾名思义可分为））a背负式圆盘旋罩构型，一般直接称为背负式旋罩构型；b背负式圆盘固定罩构型，一般直接称为背负式圆盘罩构型背负式旋罩构型是目前国际上大多数预警机经常使用的经典构型，具有典型代表的（）（）是美国E-2鹰眼Hawkeye系列预警机（在役）、E-3望楼Sentry系列预警机（在役）、波音E-767预警机（在役），俄罗斯Tu-126预警机（退役）、An-71预警机（取消）、Yak-44预警机（取消）、A-50预警机（在役）、以色列C295预警机（在研），以及中国出口型ZDK03预警机（现役）E-2系列预警机起源于20世纪60年代1961年，由格鲁门公司研制成功的E-2A预警［］机，是第一架专门为空中预警和控制任务研制的预警机3,1969年，E-2A改进升级E-2B1971年E-2C预警机于试飞成功，E-2c先后装备APS-

120.APS-125,APS-

138.OAPS-139,APS-145雷达2001年，格鲁门公司向海军交付首架鹰眼2000”,对任务（）［］系统进行全面改进，具备协同交战能力CEC62007年,格鲁门公司联合雷神、马丁、L-3通讯、BAE几家公司对许多任务系统重新设计，升级先进鹰眼，换装按雷达（）［］现代化计划RMP研制的电子扫描雷达8E-2系列预警机以螺旋桨式飞机为平台，雷达均采用背负式形式架高安装在机身背部圆盘形旋罩内，天线口径和有效载荷得到大幅增加，使预警机站得高、看得远成为了现实得益于波音飞机和电子技术发展，E-3系列预警机开发于20世纪70年代，标志着预警机从螺旋桨时代跨入喷气式动力时代⑶E-3A系统复杂，性能先进，能探测水上、陆顺口空中目标，指挥引导己方飞机作战，采用P3I原则持续改进了A、B、C、D、F系列E-3B换装AN/APY-2雷达、CC-1计算机，E-3c增设5座显控台、抗干扰通信、JTIDS及GPS导航设备E3-D为英国型，E3-F为法国型⑹E-3系列预警机均采用了背负式旋罩构型，将雷达架高安装在机身背部，雷达采用机械扫描体制，有效载荷大，为任务系统提供了足够安装空间和载荷能力，是真正意义的空中预警指挥控制飞机（）AWACS20世纪90年代美国为日本研制的E-767预警机,同样采用了背负式旋罩的总体构型俄罗斯早期Tu-126预警机（北约代号苔辞），以及1965年别里耶夫航空科学技术（）联合体将赤蜂眼Shmel雷达安装到II-76MD上研制成功的A-50预警机（北约代［］号中坚）7,均采用了〃背负式旋罩的总体构型如上所述，背负式旋罩构型以其充足的雷达天线安装空间、足够的架设高度避免了机身影响、360机械旋转实现360方位覆盖、旋罩以一定转速绕对称轴转动不会导致飞机过大的气动外形变化等技术优势，已经成为了当今世界预警机的主流构型为了适应相控阵雷达技术的快速发展，背负式旋罩构型形式也得到快速扩展应用，将旋转式调整成固定式，快速形成了一种新的固定式、背负式的圆盘罩构型形式我国成功研制的国产系列预警机，就采用了这种固定式背负式圆盘罩构型背负式圆盘罩构型适应了相控阵技术发展，成为目前世界上较为先进的一种总体构型设计，将电扫描直接替代了旋罩所实现的机械扫描，无需360机械旋转，固定式”带来最直接的好处是减少了旋罩带来的飞机共振等工程问题,从技术发展角度来看，也正在逐步成为一种主流的总体构型

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5.3背负式异形罩构型为了进一步提高突出式罩体的结构安装空间，最大化利用突出结构体的内部空间，以期进一步增加相控阵天线的物理口径，服务于远程探测性能，基于这样的设计理念，提出了一种俗称为背负式异形罩的总体构型形式，其实质是一种背负式、固定式、轴对称的罩体构型形式这种构型的显著特点是考虑载机操稳性等飞机平台性能，采用轴对称形式，而不是像圆盘形构型那样采用中心对称的形式，通常将相控阵雷达天线对称安装在飞机机背，采用天线口径尺寸较大且气动阻力较小的天线罩，这就形成了固定式、轴对称式的异形罩构型，因此通常被称为背负式异形罩构型采用背负式异形罩构型的典型有S-3预警机（取消）、EV-22预警机（取消）将天线安装在轴对称的背负式罩体内，罩体采用支架支撑形式安装在飞机背部，利用三面或四面组合式的相控阵天线阵来实现360方位覆盖，天线罩剖面形状可以是非圆形状这种构型以“如何充分利用突出的罩体结构空间”为设计理念，对预警机任务天线口径”贡献较大，其要求是在尽可能满足载机气动特性的前提下，尽可能最大化服务于任务系统天线性能要求，这实际上也带来了设计理念的另一个转变采用这种固定式、轴对称式的背负式异形罩总体构型，同样减少了飞机共振的问题轴对称式也可以很好地服务在三个或四方向上安装相控阵天线的需要，满足了360全方位覆盖的任务要求但由于为了尽可能地增大了任务天线口径，也带来了天线罩截面的增大，致使迎面的气动阻力较大，在侧滑情况下对飞机操纵性和稳定性影响增加了技术难度，同时也增加了技术风险的评估难度，因此，这种总体构型虽然在学科研究上是一个发展方向，但世界各国均未完成这一类总体构型的装备研制和服役

1.6预警机总体构型设计研究命题综上所述，为了实现预警机或特种机的作战功能和性能要求，从技术上提出了在载机平台上进行任务系统天线的加改装要求，分析预警机总体构型的分类及其设计现状，不难看出，预警机总体构型设计不再是单纯地以平台的气动构型为主要对象的一种气动构型设计，也不再是以任务系统结构布局设计”为主要对象的一种布局设计，而是在进行飞机平台改装或新机型总体构型设计时，对预警机任务系统功能性能、装载平台气动安全性与飞行性能、任务载荷适应性等多个设计目标要素进行系统思考、综合设计、全域权衡的一种顶层设计过程例如绝非是单纯地针对在载机平台上加装雷达旋罩的气动外形设计，也不是将任务系统作为一种独立装载的任务载荷而进行的传统适装性设计，或者在已知载机限制下对任务系统进行协调和调整的“被动设计，而是在多个设计要素之间、针对其相互之间的相互影响、相互关联等进行综合设计的过程，是一种主动”的设计过程传统设计由于受限电子、航空两个行业多个学科领域的问题，均采取了在各自领域自成体系的研究思路，基于各自领域的研究结果反馈研制总要求，由于涉及到两个行业的协调，使得工程设计和实现变得十分复杂；同时由于缺乏将预警机总体构型”作为单独设计对象进行系统研究的过程，因此系统顶层设计经常性依靠经验设计、大量的摸底试验来保证，致使研制代价非常巨大，而结果也未必完全科学基于此，亟待将预警机总体构型设计”作为一个客观的研究命题，研究其所涉及的需求指标体系、设计技术项目、关键要素、设计方法以及设计流程等，以期可以采用系统工程方法的思想来指导系统全域内的顶层设计，或许可以得到寻求系统最佳解的有效方法这种研究问题的基本思路如下图，基本想法是从系统工程理论出发，将总体构型设计”作为客观研究主体，研究其服务于系统装备的需求指标、系统性分析各类设计要求、进行多个专业的设计与联合仿真，各承研单位均对系统设计的技术指标负责，从系统总体的角度去研究和分析问题，以期充分发挥任务系统最大效能，同时尽可能降低对平台性能的影响或损失，改善传统的以行业为主导的设计模式

2.1总体构型的主要设计任务任务系统提供预警机的作战功能，载机平台作为任务系统的空中载体，同时也为任务系统提供正常工作所需的任务支持系统因此，预警机总体构型设计是一个涉及航空（产品形态是载机）和电子信息技术（产品形态是任务系统）两大领域的复杂顶层设计活动，其设计结果直接影响了装备的战术技术指标，直接影响了预警指挥功能实现及其飞行性能指标预警机总体构型设计直接决定了预警机功能性能指标和飞机整体性能，在安装平台的资源限制、气动特性等要求与任务系统所表现出的多功能、高性能等装备要求之间多个设计指标的均衡性就成了急需解决的矛盾研究预警机总体构型设计及任务载荷适应性设计技术，就是要从系统顶层出发，采用系统工程方法，按需求进行“自顶而下”的完整设计过程，综合考虑载机平台资源的限制、任务系统功能性能实现等要求，研究实现预警机任务系统的功能、工作模式与相关性能等战术和技术指标要求，使预警机装备整体功能性能更高同时，任务系统安装在装载平台上所面临的装机适应性、任务支持系统等设计内容，也将被作为预警机总体构型设计的一部分，需要进行整体性、协调性的综合设计，不再是传统的以载机限制条件为输入进行任务系统装机适应性设计”的设计方式上述研究要素所关联的多个设计要素以及所包含的设计技术十分复杂，因此，总体构型设计可以被理解为是一个需要同时满足以下各类设计要求而进行的综合设计、优化和决策的过程））a满足载机平台气动构型、结构强度以及飞行特性等要求；b满足任务系统功能性能、电性能以及电磁性能等要求，以及任务系统各类硬件设备的结构、重量、装机适应性包括布局安装等要求；）C满足加装任务系统后所带来的载机适应性改装、任务支持系统等要求

2.2总体构型设计的一般相关性预警机总体构型设计及任务载荷的适应性技术，已经突破了传统意义上的飞机总体设计技术领域，是一个对电子、航空两个大领域系统进行跨行业、跨专业、多学科的系统设计过程，需要研究、表达设计其相关性，并企图解决这些相关性之间的耦合、协同与综合决策构型设计的一般相关性有）a装备作战功能性能决定了任务系统技术体制和性能指标，进而提出了天线在飞机上布局要求、天线位置、天线方向性以及波段、增益、副瓣电平性能等要求，这些设计要求反过来就对飞机提出了设计或改装要求例如为了减少天线罩位置对雷达的影响和垂尾对天线向后扫描的干扰，A-50预警机在设计中使天线罩的平面明显高出机身而低于平尾，而E2-C为了降低机尾对天线波瓣的影响，4个垂尾都采用了透波的玻璃钢材料口；）b在平台限制条件下，任务系统天线、电子设备等不仅要满足系统功能性能要求，也要满足载机平台约束的任务系统适装性，一般包括天线结构、口径和安装精度等满足飞机结构要求，任务系统散热、重量控制等要求符合载机设计限制，透波罩满足电性能的同时也要符合气动特性要求系统重量应符合飞机整体重量控制要求，任务系统设备应进行减重设计，并制定明确的措施，满足飞机重量指标和重心控制等限制；）c总体构型应满足任务系统天线性能要求，同时又必须满足飞机空气动力与结构强度要求，包括气动布局和载机改装特性评估满足任务天线布局、载机气动外形设计、气动特性分析、安全性分析、强度、疲劳、飞行性能、操稳性等，系统结构强度要求应不破坏飞机机体受力构件完整性，应尽可能减小天线对飞机气动特性特别是飞机阻力增加的影响；）d任务系统加装平台后的全机电磁兼容性应满足与飞机平台的协同工作要求，任务系统天线应综合考虑机上其他设备工作频率、谐波，满足天线隔离度要求同一波段或相邻波段的工作天线应尽量避免相距很近，发射天线和接收天线间要保持适当距离；）e加装任务系统后对载机平台所进行的适应性改装，不得对任务天线性能造成不可接受的影响大尺寸任务天线使飞机多数部件处在天线近场内，飞机机体也会直接影响天线方向图性能飞机飞行导致的振动、弯曲和扭转变形，不得造成任务天线的褶曲、弯曲或变形，不得影响天线性能降低或破坏天线整体性能例如大尺寸平面阵天线处于机载环境条件下时，其平面阵天线的平面度变化将直接影响天线的增益、副瓣及波束指向精［］度等重要指标，应进行天线的动态平面度控制8飞机运动部件造成的振动、冲击、噪声等不得引起任务系统电路或元件相关参数改变和降低振动引起的噪声不对谐波上的射频输出或输入信号调制产生影响等；）f任务系统与载机系统存在多方面的相关性，也使系统的可靠性、维修性、测试性、保障性存在跨行业的专业设计综合等问题变得比较复杂

2.3总体构型及任务载荷适应性设计技术任务系统作为载机平台的有效载荷，装机适应性也常常成为了预警机总体设计的一项工程难题，如果不解决，也很难实现总体构型设计的技术可行性因此，在预警机总体构型设计中，任务载荷适应性设计技术必须重点考虑，必须满足相关作战需求对任务系统的功能性能设计要求，同时，在载机限制下，适应性设计不得造成装备作战出巡对平台功能性能要求的降低任务载荷的适应性设计一般要求）a总体构型带来的载机气动改装不能影响飞机总体指标要求；）b任务系统装机适应性应满足其自身功能和性能要求；0载机提供给任务系统的任务支持系统，必须保障任务系统装机和正常工作；）d任务系统与载机航电系统需要进行必要的匹配性改造，以满足空中监视、交联、告警等要求

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3.1预警机总体布局设计预警机总体构型设计首先要解决的是任务系统的布局安装设计，总体布局设计是在原机气动特性基础上，对多部任务天线、多功能电子设备进行总体布局，保证载机气动特性最优、任务系统布局结构性能和电性能，并且应满足载机对天线性能影响最小、任务系统互连最优等综合要求任务系统总体布局方案好坏，反过来也直接影响了预警机总体构型设计的效果按照任务系统安装在飞机上的分布，可分为舱外设备和舱内设备，舱外设备主要是任务系统各类传感器天线和前端设备各类传感器天线布局直接影响了飞机总体布局，一般应考虑以下设计要求和限制）a布局设计的任务天线数量和尺寸，应符合任务天线阵口径要求和载机外部尺寸限制；）b布局设计时应考虑任务天线搜索方位要求，例如

360、±90探测范围或定向探测等要求；）c布局设计应满足任务系统需要同时工作的天线之间、任务天线与载机航电系统天线之间等的电磁兼容性要求，尽可能减少天线相互之间的自干扰性和互干扰性应严格控制任务系统收、发天线之间的隔离度，或者不同频段天线的隔离度等要求，工程上尽可能利用机舱自身隔离、拉大天线之间距离等来满足隔离度要求；）d布局设计应综合考虑任务系统天线方向图等性能指标要求，天线布局应不受飞机机身遮挡，或者由于机身遮挡导致的影响最小，通常选择不容易遮挡的部位安装天线，例如在机头、机腹、机背、翼尖、机尾、尾翼或垂尾等部位应控制天线在机身上的架设高度、远离遮挡物等相关要求，以免引起方向图畸变或者考虑任务天线极化方式，控制安装角度要求如图所示，布局任务天线时应充分考虑天线扫描探测范围及精度等技术要求，提出天线对机身的架高要求、天线安装中心线与飞机水平构造线的夹角等布局设计上的细节限制；）a布局设计应控制任务天线外形结构，尽可能符合飞机气动要求，尽可能减少气动特性降低或影响；）b布局设计应严格控制重量、机械特性、互连电缆等要求，使之满足全机重量重心控制限制，并兼顾考虑系统升级可能的预留布局接口同时，用于支撑任务天线罩的支架结构，布局设计时也应综合考虑其在机上的分布部位、结构强度、电缆通道、气动特性、维护性、测试性等多方面因素而在任务系统舱内设备布局设计时，应根据总体构型所涉及到任务系统天线设备等舱外设备的布局，综合考虑作战操作人员布置、全机舱室分区设置、全机重量控制、机舱限制要求、机械环境适应性、互连电缆、维护性、人机工程以及任务支持系统等多方面要求，进行综合和优化

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3.2载机平台气动补偿设计预警机总体构型设计的主要任务是解决任务系统装机要求与载机平台飞行性能要求之间矛盾但由于预警机的发展使任务天线口径越来越大，大尺寸天线在载机上的加装就成为了一个技术难题采用大尺寸天线罩的布局势必对载机带来气动特性变化，通常会造成对原有平台的改变，引起了飞机气动特性改变甚至损失，破坏了基本飞机原有的设计平衡

[3],因此需要反复计算、分析和风动试验验证等，尽可能保证在满足飞行安全性要求下，确定出最佳的天线罩外形、尺寸和布局等技术参数气动设计直接影响到载机的安全性和飞行性能，不仅是预警机或特种机总体构型的全局性问题，更是载机平台的总体设计问题简言之，就是在尽可能协调满足预警机任务系统功能性能的情况下，尽可能选择一个对载机平台气动特性影响最小的气动构型，同时力求寻找补偿设计措施，尽可能降低由于加装任务天线、电子设备以及天线罩体等，造成对载机平台气动特性的影响气动设计常常以基本飞机气动特性为基准，通常采用“增量法”来评估加装的任务系统天线和罩体、补偿措施的影响，在载机平台改装设计中取得气动设计的“增量法”，主［］要是对比性的风洞试验3一般来说，载机平台加装任务载荷以后，导致飞机的总体构型外形发生显著的变化,改变后的总体构型对载机平台气动特性的改变主要表现在）a增加了飞机的阻力，降低飞机的升阻比；）b减少飞机的航向稳定性，特别是小侧滑角范围内的航向稳定性，甚至影响飞机操纵性；气动特性变化的压缩性影响；）c加装大尺寸天线罩前缘结冰对气动特性的影响以及尾翼振动特性的变化等方面以图12为例，所增加的背负式旋罩，相对面积为

39.2%,对上述的气动特性均产生了一定的改变在纵向气动特性上会产生阻力增加，纵向力矩系数变大而使得纵向静安定性增加等；在横侧气动特性上，会引起航向力矩系数巨大变化，使得飞机进入横侧不稳定，［］出现飘摆等现象9为保证载机平台的安全性和飞行性能，必须要进行载机气动特性的补偿适应性设计措施，一般包括减阻设计、减阻腹鳍、翼梢修形减阻、提高升阻比、增稳设计、增稳腹鳍、增装增稳器、加装平尾端板等技术措施以图12为例，采用后机身修形可以减阻11%~13%,腹鳍对飞机大迎角飞行时的航向静稳定性贡献是肯定的；为了改善该类飞机的横侧特性，通常也采用了飞机垂尾尖增加端板的措施，该措施能改善飞机的横侧不稳［］定性，使得飞机在背负任务系统后具有较好的横侧气动特性9在设计端板时，进行大、o）（小两种端板（相对垂尾的面积分别为30%、20%研究对比，发现小侧滑-6邛06）范围航向静稳定性明显提高，小端板贡献ACnp=33%、大端板贡献ACng62%,基本补回了加装背负式圆盘形旋罩后航向静稳定性损失，但也带来了最小阻力系数CDmin增）加的情况（小端板增加了

4.5%、大端板增加了

6.7%因此，加装平尾端板后在改善航向静稳定性的同时也带来了新的问题，应全面考虑当然具体技术措施的应用用，应根据飞机的实际情况，并集成了越来越多的传感器天线和多功能电子设备，是由任务系统和载机平台组成的复杂装备系统所谓任务系统mission system,是用于完成特定使命与任务的电子装备系统，是用以执行预警探测、指挥控制、战场侦察、通信中继及自卫干扰等作战任务的各种机载光电子信息系统的集合从功能上来说，任务系统是预警探测、指挥控制、战场侦察、综合通信、电子对抗、火力控制、搜潜攻潜等单个能力或多个能力的综合搭载任务系统的飞机，称为载机平台aircraft platform,作为执行任务的飞行平台兼顾任务系统的结构安装平台，并为满足任务系统正常工作所提供需要的供电、液冷、液压、环控等任务支持系统mission supportsystem.因此，从飞机装载能力的角度来说，任务系统也可以被理解为有效任务载荷在预警机顶层设计时，如何将任务系统与载机平台更好地结合起来，尽可能达到或改善装备的整体功能性能，这是预警机总体设计的一个很艰难的问题，当然，其它具有特殊作战功能的特种机，也一样面临这个问题这个问题的实质是要将电子、航空两个复杂大系统统一协调设计为一个复杂系统的过程，尤其是涉及到任务系统在载机上的安装，就需要研究设计怎样的构型来满足任务系统功能性能要求而又不至于影响载机性能对［］比分析预警机这个综合功能、性能和物理设计的过程，这与航天器系统构型设计2具有极大的相似性，均是以复杂系统的整体”为研究对象而进行的构造设计当然，也有［］专家从飞机气动设计的角度，提出了特种机基本的总体一气动构型概念3综合上述理念，我们可以将这个涵盖电子航空两大领域的综合协调设计活动统称为总体构型设计本文期望将预警机总体构型设计”作为一个整体设计概念提出，目的是想将这种统一协调的设计过程作为一个设计对象本身，研究预警机总体构型设计所应该考虑到的各种设计要素，探讨如何进行均衡性设计以期得到一种系统全局性的设计效益当然，这个总体构型设计思想与方法同样适用于其它具有特殊作战功能的特种机，［］通过大量的风动选型试验和对飞行品质检查的基础上确定

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3.3任务系统适装性设计预警机任务系统组成复杂、设备量大，对于任何一型预警机来说，在飞机有效载荷的限制下，必须解决加装任务系统所带来的机械特性矛盾，采取多种技术措施解决任务系统适装性问题，实现任务系统的装机适应性、重量重心控制、振动噪声控制等适应性能力，使之满足载机平台有效载荷的指标要求，包括起飞重量、航时等指标要求任务系统适装性设计，一方面是在原机环境、结构和有效载荷等限制条件下，对任务系统进行适装性设计，另一方面是按任务系统适装性设计要求对载机进行适应性改装任务系统适装性设计是预警机总体构型设计的一项重要任务一般包括）a功能配置的符合性任务系统的组成和布局，应符合系统的功能配置要求，天线应满足波段、增益、副瓣电平等要求，结构布局因满足系统互联等要求；）b重量与结构的受限任务系统装机设备结构和重量，应符合飞机的有效载重和有效容积限制要求，任务系统结构应满足全机重量控制，结构布局完全符合载机平台的空间约束和尺寸限制，布局符合全机重心控制要求；）c机载环境的适应性加装到载机平台上的任务系统设备应完全满足装机的环境条件要求，符合机载各类自然环境和使用环境在机载环境适应能力方面，应满足结构强度、疲劳等机械适应能力要求，保证电子设备的结构安全性；）d全机的电磁兼容性一般根据气动和结构布局，对安装在飞机机身上的任务天线与设备进行电磁分析，评估电磁性能，保证任务系统功能性能不会受到载机的影响,以及系统能够协同工作；）e载机改装的可行性任务系统天线罩、天线、设备、电缆以及管路等加装到载机平台上，所进行的载机结构改装满足载机气动、结构、强度等要求，并应尽可能减轻改装的难度；）f系统的匹配性任务系统适装性设计，还包括任务系统与航电系统交联，并进行任务系统与任务支持系统的供电、散热、监控之间的匹配性设计同时，还需要考虑任务系统的外观设计、结构装联、维修操作、人机工程等多方面设计的匹配程度,并尽可能提高系统舒适程度

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3.4任务系统与航电系统交联设计载机航电系统包括导航定位、通信、应答机以及气象雷达等，加装任务系统后，由于预警机作为独立作战单元，必然存在航电系统与任务系统之间的信息共享、监视、告警等综合功能因此，需要针对相关功能交联进行必要的匹配性设计，往往是需要加装新的设备通道、空中监控设备或交联系统等，来满足集成后的预警机系统能正常工作任务系统与载机航电系统的交联设计一般包括）a载机负责向任务系统提供导航信号及相关接口，信号主要包含惯导原始数据、卫星导航原始数据、塔康原始数据等要求；）b通讯信号接口，包括机内通话、短波通信等音频接口、信号接口、数据接口、指示以及载机征用或任务征用的逻辑、时序等要求；）c时间统一信号，载机与任务系统协调一致提供全机时间统一；）d雷达信号接口，包括液冷告警及关机命令等；）e电子侦察告警信号；敌我识别信号接口及应答机状态等；）g音视频记录信号接口，包括飞行参数、座舱音频和视频、舱外视频及任务系统视频记录数据；）h保密数据毁钥信号，任务系统提供保密数据毁钥信号）i中央告警信号、事故记录信号等；）j闭锁信号载机提供塔康、气象雷达、TCAS等系统的闭锁信号特性等；）k任务支持系统的监视与告警信号，液冷信号包括温度、流量、压力等参数；）I载机与任务系统的态势和信息共享例如任务执行前和飞行时，载机和任务系统之间传输信息包括大气机高度、姿态数据、航线数据、剩余油量、自动驾驶仪状态、敌我识别应答机状态、无线电罗盘状态、GPS设备状态、GPS/北斗位置和时间数据、综合态势信息等

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3.5任务支持系统设计为了满足在飞机上加装的大量大功率、高耗散的任务系统电子设备正常工作，需要在载机平台上增装任务支持系统，为任务系统提供充足的结构安装支持、电源、散热资源（包括液冷、风冷等）、环控系统、监视系统等资源保障，满足任务系统各类设备的装机以及系统稳定可靠工作对于载机平台来说，应按任务系统的供电需求、功耗热耗等要求，设置一套任务支持系统以提供电源、液压、环控、冷却（液冷、冲压空气）和波导增压等任务支持功能，一般包括）a电源系统对任务系统的正常工作提供电源支持，如果任务载荷功耗较大，还需要载机平台对电源系统进行设计更改，提升供电能力以满足任务载荷的需求同时应注意任务系统与载机平台电源系统之间的匹配性，避免由于用电设备和电源的不匹配造成的影响；）b液压系统对任务系统天线的旋转提供动力支持，设计是要注意防止该部分管路反过来影响载机液压系统的正常工作；））c环控系统为任务系统操作员提供工作环境，同时为任务系统电子设备散热；d冷却系统为任务系统中大功率、高密度热耗设备提供散热方式；）e波导增压系统为任务系统中天线波导管路提供增压，保证波导性能；）f为保证任务系统设备安装所需的结构安装支持，确保电子设备能够安装在飞机机身内，或者改装飞机外形设计支架和背负式罩体等支撑结构，满足任务天线和电子设备的结构安装需要

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3.6全机电磁兼容性设计预警机的全机电磁环境十分复杂，在载机狭小空间内，需要分别在不同位置加装多部任务系统天线、大量高功率设备，而任务系统各种传感器天线又往往工作在不同频段，因此，需要进行全机的电磁兼容性设计提供各系统协同工作的策略和措施，一般包括）a任务系统天线布局设计应以保持发射与接收之间的隔离，确保系统兼容工作，保证相互干扰降至最低或在干扰条件下能正常工作；）b对任务系统复杂电子设备进行电磁兼容性设计，保证任务任务电子设备之间、任务任务电子设备与航电设备之间不产生干扰、或将干扰降至最低、或在干扰条件下能独立正常工作；）c通常采用闭锁交联设备，对各电子设备的发射和接收通道工作时序进行控制；采用军用或民用标准进行测试、评定，以保证与其它系统或电子设备的兼容性；）e任务系统机舱内所有设备，应按其辐射、传导以及敏感性质等统一配置；）f分系统之间及各分系统内部连接线路应按其功能、性质进行分类布局，必要时加以屏蔽和滤波，并统一考虑系统的接地方式等；）g任务系统应以将直接或间接雷击危害减少到最小的方式进行安装，而其搭接措施是电回路和电位控制管理，以保证所需系统性能和人员安全；）h系统电缆分类、选择以及布线应符合电磁兼容性要求；）i建立频率管理分系统及其相应管理软件，统一分配和管理机内设备的工作频

2.

3.7全机重量控制设计飞机的重量与平衡控制是总体构型设计中的一个重要环节，飞机重量特性是飞机最重要的基本参数，直接影响着飞机的飞行性能和飞行安全因此，全机重量控制设计十分重要，其主要任务是实现飞机的重量指标和重心控制要求，确保任务系统装机后能够保证飞机的飞行性能、稳定性和操纵性符战术技术要求首先是全机重量限制的设计与控制，其核心准则是任务系统的直接装机重量、由于任务系统加装带来的载机改装结构带来的重量以及任务支持系统的重量，以及载机平台自身重量，这些重量指标或进行相关计算后的总重不得大于载机平台的限制性特征重量飞机的限制特种重量一般包括最大起飞重量、正常起飞重量、最大着陆重量、正常着陆重量、空机重量、最大载油量、地板载重（集中或分散承载）;其次是重心范围限制的设计与控制，其核心准则是飞机的重心位置限制控制在飞机使用过程被允许的最前位置和最后位置飞机重心的最前位置（前限）由飞机的纵向操纵（方向舵/平尾）能力决定，最后位置是由飞机的纵向稳定性要求决定飞机重心范围影响着飞机的稳定性、操纵性和安全性，一般应保持和基本飞机相同飞机的重心范围限制常用的一般包括允许重心范围、正常使用范围、最佳使用范围、纵向静稳定性余度，重心控制应保证飞机的静稳定度

2.4总体构型设计的现实问题与研究思想基于上述理解，预警机总体构型设计旨在从飞机外形、布置、重量、电磁兼容以及其它具有全局性的设计问题出发，全面协调、权衡各专业的设计矛盾，达到系统最佳设计平衡，从飞机全局和任务系统整体上保证预警机作为信息化武器装的总体设计质量最优这不仅要求必须保证飞机是安全的，并满足装备的航时、航程等巡航要求，而且能够实现任务系统各项功能性能指标，保证装备的作战性能最优这实际上是一个在传统飞机总体设计、任务系统总体设计、任务载荷适应性及飞机改装设计等诸多矛盾中进行取优和决策的过程一型预警机或特种机的总体构型设计是否合理、优化或兼顾全面，不仅直接决定了预警机装备的顶层指标体系和技术风险，而且也决定了预警机装备的综合效能，包括先进性、风险控制、成本代价、改装可行性、研制周期及综合效能比等我们知道，不恰当的总体构型设计最直接后果是势必会导致对原有飞机平台的气动特性变化和改装难度，甚至会导致飞行性能降低或者使用性隐患，或者由于构型设计技术成熟度问题需要大量风动试验和试飞试验验证，进而耗费巨额资金；或者欠设计经历大量试验后再进反设计，影响研制进程等等问题预警机或特种机总体构型设计直接关系了装备研制成本、作战力生成和技术风险，目前由于在电子、航空两个行业众多专业之间的协调设计方面，还存在很多设计冲突和急待解决的现实问题例如采用基于经验或局部设计，就常常会遇到以下设计部均衡、不匹配、不完善等现实技术问题）a过于强调飞机气动的总体构型设计直接影响了任务系统功能性能实现在预警机总体构型设计中，如果只考虑飞机的气动特性或过于强调气动特性，将直接导致任务系统天线布局不合理、或者天线口径根本不满足任务天线电性能指标和精度要求、或者不能满足作战性能指标等要求如图所示，仅仅考虑飞机气动特性和飞行性能，将直接导致飞机整体效能低下，甚至装备无法生成拟定的作战功能和性能，型号研制的意义也就失去了）b过于强调任务系统功能性能直接影响了飞机气动特性甚至安全性在预警机总体构型设计中，如果只考虑任务系统功能性能或天线局部性能，将直接导致飞机的气动特性降低，或者根本无法飞如图所示，过于强调任务系统的电性能要求，对飞机提出了相当难度的改装需求，因此飞机气动特性导致飞机基本不能用或者性能降低，加装任务系统的意义也就失去了）c过于强调任务系统结构性能或空间限制要求直接影响了飞机的飞行品质与飞行性能在预警机总体构型设计中，如果只考虑或过于强调任务系统结构性能，例如任务天线的结构强度提出了更高的重量代价，或者过于强调空间限制要求，例如考虑飞机机身的遮挡问题，基于电磁场控制要求，提出了任务天线在机身的架高高度很高的空间控制要求等，将使得飞机气动构型出现头重脚轻，直接导致飞机整体气动特性降低或者可能根本无法飞行综上所述，要得到一个更加合理的总体构型设计，技术上必须要更多兼顾以上所述的总体构型设计相关性、总体构型及任务载荷适应性等多方面技术要求，应高度重视集多系统、多要素的综合分析、优化、权衡与决策的综合设计研究但是，由于面临跨行业、多专业、多学科高度交叉的复杂系统综合设计研究活动，还存在行业与行业之间技术差异、高度交叉多学科优化理论尚不健全等技术现实、行业行为和思维习惯差异等，要系统性解决总体构型及任务载荷适应性设计技术，绝非短时间可以得到完善解决的本文旨在呼吁和强调作为装备系统级的总体构型设计的重要性，提出应当重点研究预警机总体构型设计，将其视为一个系统性、完整性的研究命题，作为预警机装备系统级顶层设计的重要内容如L6节所述，这要求电子、航空两个行业设计师抛掉传统的电子系统或设备加装到飞机上的适装性”设计理念，视其为任务系统和载机两个合集之上的系统级的顶层设计，站在装备顶层，系统性地研究、分析和决策，以期更好地解决好任务系统总体指标与载机总体指标的匹配性，得到装备系统总体性能最优如

1.6节所述，以预警机总体构型设计为研究对象，采用图10所述的基本研究思路，不仅可以使系统性提出全域解决方案方面的能力得到改善，而且或将融合电子技术和航空技术的协调设计过程、尝试研究电子航空两个跨行业所涉及的交叉学科、逐步完善跨学科设计理论和协同设计方法，进一步使预警机总体构型设计这一顶层设计更好地服务于系统指标，降低研制风险与成本采用系统工程思想，总体构型设计的综合与优化预期效果示意见图16今后，将从这个角度出发，进一步阐述预警机总体构型设计的方法和技术展望陈竹梅Q973—，女，四川人，研究员，主要研究方向为空基信息系统总体技术、预警机系统构型、系统结构、热控与环境适应性技术以及多物理场机电磁热及流固耦合研究；E-mail:欧阳绍修1956—,男，湖南人，研究员，中航工业飞行器技术首席技术专家,博士生导师，主要研究方向为飞机总体设计和技术预先研究【相关文献】曲东才.机载预警和控制技术发展及关键技术.航空兵器［］［］1J,2005,3,36-

39.彭成荣,航天器总体设计中国科学技术出版社年月.［］［］2M.,20111欧阳绍修等.特种飞机的改装设计.航空工业出版社年月.［］［］，3M201410李苏楠.预警机家族透视国际航空杂志［］［］，4J.20045:26-

28.宋伟峰.空中鹰眼〃费尔康〃自述［几中国青年科技，［］52003,11:47-

50.王昊，赵玉洁.预警机发展现状与趋势［几国防技术基础，［］62005,5:43-

44.连鲁军.俄与美预警机性能比较.国防科技［］［］，7A-50E-2C J20051:34-

36.陈竹梅等.机载大尺寸天线平面度控制与测试研究［几现代雷达，［］82010,4:82-

87.欧阳绍修等.飞机背负任务系统后横侧气动特性及改进措施数值分析.南京航空航天大学学报,［］［］9J20106:694-

698.仅仅是设计要求和难度不同而已早期预警机主要服役于20世纪40年代中至60年代初，从雷达安装方式来看，均受到载机空间约束和有效载荷限制，从而采用了鼓包式”的总体构型，其显著特点是任务载荷较小、装载雷达天线口径较小以及对低空目标探测能力不足面对信息战场纵深和快速变化，预警机呈现出了功能多样的特点，包括作战探测距离越来越远、功能越来越多、装载的任务载荷重量越来越重、天线尺寸越来越大等技术特点，为了适应这些大尺寸天线和功能繁多电子设备的安装要求，加之载机平台从螺旋桨飞机发展到喷气式飞机所能提供的装载能力越来越大，总体构型已由传统鼓包式构型发展为机身背负式旋罩的总体构型［］随着预警机载机平台从大型军用运输机或客机向支线飞机和公务飞机拓展4,这一类预警机主要采用了背鳍式总体构型相控阵技术与航空技术的高速发展，也使共形技术也逐步成为研究热点，提出的“共形阵企图将任务天线与飞机外形进行完美结合，正逐步成为一种新形态的总体构型设计技术

1.1预警机总体构型基本分类在研究世界上现役多型预警机和特种机的装备发展及其各类总体构型特点的基础上,有专家认为特种机的基本的总体一气动构型”可分为四个大类裸露型、鼓包式、背负式、［］悬挂式3这四种构型形式的分类，主要是从载机平台改装设计的气动布局特点来进行划分的由于预警机特殊的作战功能要求，要求预警机具备强大的功能和性能，对任务系统的组成规模和复杂程度的需求也远远超过了一般特种机的要求，因此，预警机总体构型设计相比一般特种机构型设计而言相对复杂，需要综合考虑相关因素以及需要综合设计的要素，也是比较多的本文从预警机总体构型的结构外形与载机外形之间的匹配度出发，综合考虑任务系统载荷特点、任务系统电子设备的加装、载机平台改装等要求，分析现役各类预警机总体构型设计思想，拟将这些形式多样的总体构型划分为四类⑶裸露型构型；b悬挂式构型;⑹洪形式构型说明考虑鼓包式和洪形式”设计理念的出发点十分相似，仅仅因为装备作战功能以及技术发展支持不同而带来设计效果不太一样，因此,将传统的“鼓包式构型划入了“共形式构型；d背负式构型

1.2裸露型构型所谓裸露型构型，是指将天线裸露安装在飞机机体表面上，直接暴露于大气中,不需要［］进行专门整流3这种构型通常被应用到一般飞机、预警机、特种机的小载荷天线系统构型设计中这些天线载荷相对较轻、天线尺寸较小，几乎不会对飞机外形造成改变，对飞机改装设计带来的难度不大在预警机总体构型设计中，这种“裸露型构型设计也经常性被采用，通常被称为机身天线，任务系统机身天线一般包括通信、识别、数据链等传感器天线，通常会采用钢索天线、刀形天线等结构形式“裸露型构型也适用于飞机航电系统,一般包括通信、告警、导航等航电传感器天线综合来看，裸露型构型适用于小载荷任务天线，对功能较少或性能较低的特种机适用；对于功能强大的预警机，这种构型仅仅是需要采用的构型之一，还需要与其它构型进行综合与协调

1.3悬挂式构型为了避免机身对雷达天线性能的影响，一些预警机或特种机采用了在机身外部加装悬挂的天线，一般在飞机机腹、机身左右侧等部位安装悬挂式天线罩体，也就是现役装备较多采用的在飞机机腹下加装吊舱”的结构形式，在吊舱内加装所需任务系统天线或设备这种悬挂式构型设计的设计思想十分朴素，设计目的就是在机身外部直接加装”外部天线，同时又尽可能满足载机气动性能要求其显著特点是加装的悬挂式罩体尺寸不会太大，不会引起飞机气动特性带来较大的变化，从飞机改装的角度看,这种构型的好处是方法直接，且不会对飞机本体结构改装带来较大的设计难度或工作量但由于所加装的悬挂式结构受到载机平台的直接约束，因此所能装载的任务载荷相对较小，例如一些光电、成像雷达等天线系统，均采用了这种总体构型设计采用悬挂式构型的装备主要有Seaking AEW.2预警直升机（现役）、SH-3/SH.9预警直升机（现役）、EH101Mkll2预警直升机（现役）、Ka-29/Ka-31系列预警直升机（现役）警戒直升机考虑到飞机外形和载荷的限制，一般采用“悬挂式构型将天线悬挂在机身外，并结合应用了升降装置，在执行任务时将天线放下，不执行任务时将天线向后或向上收起

1.4共形式构型将任务系统各类传感器天线直接安装在飞机机体靠近表面的部位，并且采取一定的外形保证措施，使得任务系统天线布局安装与飞机机身外形协调一致这种构型设计思想实质就是企图采用与机身外形协调一致，争取达到外形共形或外形可能共形”的目的共形式构型在早期主要受限于飞机平台能力，从尽可能不对飞机气动外形造成大的改变这样的主导思想出发，形成了比较流行的鼓包式构型，可以说，鼓包式构型是一种相对粗犷的共形构型原型，因此可以划分到“共形式构型大类别中，只不过不是真正意义的外形共形而已，最多仅仅属于准共形或疑似共形，其显著特点是与机身外形协调设计，尽可能减少对载机平台气动特性的降低或损失进一步地，建议的共形式构型可划分为）a鼓包式”构型;）b准共形式构型；）c共形式构型（即完全共形”）

1.

4.1鼓包式构型世界早期预警机常采用鼓包式构型，在载机平台已知的限制条件下对载机平台进行“鼓包式改装设计，以满足任务天线的功能性能，同时尽可能不对飞机基本外形特征造成大的改变，不至于对飞机气动特性造成过多改变、或对飞行性能造成过大影响、或对载荷造成过多负担通常将天线直接安装在飞机机体靠近表面机头、机尾、机腹的部位，形成多个鼓包或较大的鼓包这种构型适用于一般飞机、预警机、特种机，鼓包式构型的天线一般包括预警雷达天线、卫星通信天线、电子侦察天线、合成孔径雷达天线、载机气象雷达天线等，均在考虑天线阵口径、天线系统载荷以及加装鼓包后对飞机气动特性影响等要素基础上，进行综合设计后形成的一种鼓包式构型鼓包式构型曾一度是世界早期预警机的主流构型，在很长时期内适应了载机平台为装载的任务系统功能性能不断增强的发展需求，同时也是警戒、反潜、巡逻、侦察等特种机的经典构型形式世界上采用“鼓包式构型的特种机主要有TBM-3W预警机（退役）、PB-1W预警机（退役）、AF-2W预警机（退役）、AD系列预警机（退役）、WV-2/EC-121预警机（退役）、Gannet AEW.3预警机（退役）、Nimrod AEW预警机（取消）、Defender预警机（退役），一定程度上适应了既定作战功能和任务载荷装载的需求鼓包式”构型的显著特点是既能够基本满足任务天线特定功能性能，又能基本维持飞机外形不受到较大改变，降低了研制风险这一类构型设计通常将传感器天线直接安装在飞机机体靠近表面部位，如机头、机尾或机腹，形成的鼓包虽然会影响飞机局部外形但能够基本维持飞机流线外形，对飞机气动和安全性的影响可以被控制在较低的范围但是，由于载机平台只能提供有限的结构空间，并且也存在机身遮挡等限制，所以很难实现全方位扫描性能，一般被应用在卫星通信天线、电子侦察天线、合成孔径雷达天线、探测性能要求不高的特种机任务天线、以及预警机一部分任务天线构型设计中

1.

4.2准共形式构型世界上已经出现了一些可以称为“准共形式构型的预警机，其本意是采用外形共形设计思想，使预警机任务天线本身就完全符合飞机机身外形但是到目前为止，尚未出现真正意义上的共形天线，尽管对飞机外形改变较小，但是还是能从飞机机身上明显分辨出雷达天线的所以，虽然号称共形或准共形，但是实际上与鼓包”式构型没有本质上的区别，只是相比传统的鼓包式来说，任务天线外形更逼近飞机外形结构，对飞机气动特性影响更小，从外观来看更具有隐蔽性因此，将其划分为准共形构型，可能更能符合其所表现的技术特点和共形技术发展趋势这种准共形式”构型的显著特点是任务天线一般采用相控阵体制的天线阵，依附安装在机身表面，以期尽可能地减少对飞机气动外形的影响，一些小型和轻型预警机或特种机受载机平台载荷能力的限制，也会采用这种小鼓包的准共形式”构型目前部分在役预警机采用了这种准共形式构型，典型的有G550预警机（在役）和（费尔康Phalcon,又称秃鹰）预警机（在役）准共形式构型适应了相控阵技术发展，使任务系统具备了更加强大作战能力以色列埃尔塔公司研制的费尔康预警机，采用了飞机外皮与天线融合一体的共形技术，分别在机头、机身两侧和后部加装6部相控阵天线,实现了360全方位覆盖，探测距离达到670km（大型高空目标）、445km（中型目标）、370km（空中小目标）、180km（直升机），可搭［］载17名任务操作员

51.

4.3共形式构型随着电子技术的高度发展，特别是相控阵技术、数字技术、微系统技术发展，预警机功能越来越强大、探测距离越来越远，要求加装的任务天线数量越来越多、天线口径也越来越大，为了尽量降低加装任务天线对飞机外形造成的影响或者局部影响,开始出现了一种比较大胆的创新设计想法能否有一种构型设计可以将任务天线直接贴到机身表面，实现天线罩与机身外形做到真正意义的“完全共形设计？完全共形的设计思想旨在不改变机身外形的前提下，依托机身外表附加任务天线，使任务天线完全符合飞机机身外形，或者反过来说，使得飞机机身外形完全符合任务天线的功能性能要求但到目前为止，由于受电子技术和航空技术的制约，真正意义完全共形技术尚未成熟，现役或在研预警机并未实现真正意义的共形式构型国外从20世纪90年代起开始进行相关研究，先后进行过“灵巧蒙皮、SensorCraft、Endfire等相关研究,国内也有开展瓦片天线、传感器飞机”相关研究,但由于航空电子两个跨行业所涉及的交叉学科尚存在一些理论空白和协同设计方法上的不完善，要真正实现“完全共形”还有相当的距离目前正在随着电子技术和航空技术的发展，各国也开展了一些新的研究计划，逐步成为未来的一个主流研究方向与此同时，无人机技术发展使其有效载荷逐步增加成为可能，［］因此以无人机为平台的预警机也是发展的一个方向

61.5背负式构型由于预警机越来越多的作战功能以及越来越高的作战性能要求，这要求任务系统的设备体积越来越大、天线尺寸越来越大、任务系统组成越来越复杂、任务载荷越来越重，以及相应的任务载荷适应性要求越来越高因此，基于载机平台进行局部改装”的设计已经不能满足任务系统的装机要求，需要在机身外部进行增装或加装突出式结构罩体，以满足任务天线和任务载荷的安装要求这种构型设计的设计思想发生了显著的转变传统设计是研究将雷达如何安装到飞机上，这种设计理念的实质是以载机平台安全性为中心的适装性设计，由于这种设计已经不能够满足预警机作战功能性能不断提高的要求，因此需要研究以任务系统功能性能为中心、且兼顾载机平台气动特性”的改装设计”突出式罩体构型形式正是在这种改装设计理念下，综合了任务系统整体功能性能与载机平台气动特性、并使其尽可能均衡，是一种较为彻底的总体构型设计方法这种总体构型实际上是采用一种突出机身结构的罩体的方式，通过加装突出的独立于机身外部的罩体结构，来满足任务系统天线口径要求及其任务载荷的加装与改装现役预警机常用的背鳍式、背负式、悬挂式

[4],应该都属于突出式罩体的构型形式类别，可纳入一个范畴考虑当然，也可以按突出结构罩体在机身的部位、突出结构罩体的形状、以及罩体的支撑结构比如单支架、双支架、三支架、四支架等来进行定义和区分基于对当今现役预警机总体构型的研制经验和理念认识，这一类总体构型一般可按突出的罩体主体结构形式来进行分类b背负式圆盘罩构型，一般包括旋转式和a背鳍式构型;C〃背负式固定式轴对称罩〃构型，由于是非中心对称，因此一般也被称〃异形罩〃构型

1.

5.1〃背鳍式〃构型背鳍式构型是世界预警机总体构型发展的另一个主要技术路线，比较经典的是S100B百眼巨人Argus

[4]、EMB145SA^»^n E-737楔尾Wedgetail预警机背鳍式构型一般采用了在机身上部加装平衡木形状、帽状形状的罩体结构，来实现较大尺寸任务天线的安装，大口径结构尺寸同时适应了相控阵技术的发展需要，但对飞机气动特性会带来较大变化，飞机的改装设计因此逐渐变得复杂。