軍用無(wú)人機(jī)目標(biāo)特性綜述

薛　鵬,陽(yáng)再清

(解放軍92419部隊(duì),遼寧 興城　125106)

軍用無(wú)人機(jī)目標(biāo)特性綜述

薛鵬,陽(yáng)再清

(解放軍92419部隊(duì),遼寧 興城125106)

摘要:軍用無(wú)人機(jī)作為一類(lèi)典型的空中目標(biāo),分析其目標(biāo)特性有著重要的軍事意義和技術(shù)價(jià)值。為系統(tǒng)介紹軍用無(wú)人機(jī)的目標(biāo)特性,從應(yīng)用和設(shè)計(jì)的角度分析探討了其作戰(zhàn)使用、結(jié)構(gòu)、飛行和電磁輻射等特性的基本特點(diǎn),可為工程設(shè)計(jì)與使用人員提供參考。

關(guān)鍵詞:無(wú)人機(jī);目標(biāo)特性;結(jié)構(gòu)特性;運(yùn)動(dòng)特性;雷達(dá)散射特性;紅外輻射特性

目前,全球有近60個(gè)國(guó)家和地區(qū)的軍隊(duì)擁有無(wú)人機(jī)裝備,預(yù)計(jì)到2025年美國(guó)空軍擁有無(wú)人機(jī)數(shù)量將達(dá)到其遠(yuǎn)程航空兵力的90%[1],因此,無(wú)人機(jī)作為一種典型的空中目標(biāo)成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn),研究其目標(biāo)特性也成為重要的軍事技術(shù)方向。目標(biāo)特性是觀測(cè)目標(biāo)基本特征的表征參量,不同的觀測(cè)目的需要的特征量不完全相同,本文從作戰(zhàn)使用、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與電磁輻射等性能方面進(jìn)行研究,意在明確表征軍用無(wú)人機(jī)的典型參數(shù),分析基本特性與發(fā)展趨勢(shì),為相關(guān)研究提供借鑒。文中軍用無(wú)人機(jī)主要是指自主控制的任務(wù)式軍用無(wú)人機(jī)。目前,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展和國(guó)內(nèi)各研制單位對(duì)無(wú)人機(jī)研發(fā)的技術(shù)積累,大多數(shù)的軍用無(wú)人機(jī)已經(jīng)具備了自主控制飛行能力,可以根據(jù)特定的任務(wù)需要,事先規(guī)劃好待飛行的航路和預(yù)定點(diǎn)的預(yù)定任務(wù)自動(dòng)執(zhí)行,可以采取地面一鍵式起飛、自主飛行、自主完成任務(wù)、自主回收,更先進(jìn)的無(wú)人機(jī)還可以在飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)劃預(yù)定飛行航路,極大地提高了無(wú)人機(jī)的任務(wù)可靠性和飛行安全性。因?yàn)?軍用無(wú)人機(jī)的使用環(huán)境復(fù)雜性和操作人員非專(zhuān)業(yè)性特點(diǎn)更為突出。自主控制式的軍用無(wú)人機(jī)能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的演練、訓(xùn)練或?qū)崙?zhàn)環(huán)境,使非專(zhuān)業(yè)化的士兵操作手更快地掌握無(wú)人機(jī)的操控,加快新裝備戰(zhàn)斗力的生成。

1軍用無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)使用特性分析

無(wú)人機(jī)由于不受人的生理與心理極限的限制,使用性能可達(dá)到飛行極限,且適應(yīng)于危險(xiǎn)性大、高危惡劣環(huán)境[2],體現(xiàn)了比有人機(jī)更好的適應(yīng)與生存能力,能更好地滿足作戰(zhàn)使用的要求。軍用無(wú)人機(jī)是為遂行空中防御、攻擊及輔助作戰(zhàn)任務(wù)而存在的,其擔(dān)負(fù)的主要作戰(zhàn)任務(wù)有:空中偵察監(jiān)視與情報(bào)搜集、空中打擊、信息對(duì)抗、通信中繼、空中運(yùn)輸?shù)萚3]。

軍用無(wú)人機(jī)從使用空域上可分為高空型、中高空型、低空型、超低空型等。高空型的特點(diǎn)是臨近空間、大載荷、長(zhǎng)航時(shí),完成戰(zhàn)略、戰(zhàn)役級(jí)目標(biāo)偵察跟蹤甚至打擊任務(wù),典型目標(biāo)如RQ-4A/B“全球鷹”。中高空型的特點(diǎn)是高速、中等載荷、快速機(jī)動(dòng),完成戰(zhàn)術(shù)偵察、定點(diǎn)打擊等任務(wù),典型目標(biāo)如MQ-9。低空型主要完成凝視跟蹤、定點(diǎn)打擊、通信中繼等任務(wù),典型目標(biāo)如RQ-8B“火力偵察兵”。超低空型主要以單兵偵察裝備為主,典型目標(biāo)如微型無(wú)人機(jī)。近年來(lái)為滿足作戰(zhàn)使用的需要無(wú)人機(jī)發(fā)展開(kāi)始兩極分化,一方面為增強(qiáng)觀測(cè)與生存能力,各國(guó)競(jìng)相發(fā)展臨近空間固定翼無(wú)人機(jī),另一方面為解決戰(zhàn)術(shù)精確打擊需要,以微型固定翼和旋翼機(jī)為主的超低空甚至掠海無(wú)人機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。高空長(zhǎng)航時(shí)、低空微型或旋翼機(jī)是今后發(fā)展的重點(diǎn)方向,也是軍用無(wú)人機(jī)重點(diǎn)的作戰(zhàn)空域所在[4]。

軍用無(wú)人機(jī)的適用范圍不僅受到飛行能力的影響,而且受地面測(cè)控系統(tǒng)性能制約,目前國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)系統(tǒng)大多在視距內(nèi)通過(guò)地面測(cè)控系統(tǒng)實(shí)施控制,其作戰(zhàn)范圍一般局限在視距通信以內(nèi),只有美國(guó)和西方軍事大國(guó),擁有寬帶通信、衛(wèi)星通信、自主飛行控制等先進(jìn)技術(shù),其無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可以跨越地域在全球范圍內(nèi)實(shí)施控制[2]。隨著智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等的廣泛應(yīng)用,各國(guó)的軍用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的使用范圍將逐步突破地面測(cè)控系統(tǒng)性能的制約。

軍用無(wú)人機(jī)為完成作戰(zhàn)任務(wù)首先需要攜帶完成各類(lèi)任務(wù)的器材或裝備,如：偵察型無(wú)人機(jī)需要攜帶雷達(dá)、光電、紅外等設(shè)備,攻擊型無(wú)人機(jī)需要攜帶導(dǎo)彈或炸彈等,先進(jìn)無(wú)人機(jī)甚至?xí)黾幼陨矸佬l(wèi)的干擾機(jī)、告警裝置等,載荷能力成為其作戰(zhàn)使用首要的特性。一般地,單一偵察、通信中繼等功能的無(wú)人機(jī)載荷能力在100kg以內(nèi),高性能偵察無(wú)人機(jī)或察打一體的無(wú)人機(jī)由幾百千克至幾千千克。隨著任務(wù)設(shè)備的小型化、智能化發(fā)展,將不斷打破載荷能力的瓶頸,軍用無(wú)人機(jī)的性能與作戰(zhàn)能力將進(jìn)一步提升。

目前,軍用無(wú)人機(jī)功能單一、保障復(fù)雜、協(xié)同作戰(zhàn)能力差,其應(yīng)用模式大量采用獨(dú)立方式,少量采用多機(jī)編隊(duì)方式,因此,近期無(wú)人機(jī)目標(biāo)威脅主要以單一目標(biāo)為主多目標(biāo)為輔。隨著技術(shù)的發(fā)展,今后具有協(xié)同作戰(zhàn)能力,適應(yīng)機(jī)群作戰(zhàn)模式,無(wú)人機(jī)之間、無(wú)人機(jī)與有人機(jī)之間協(xié)同作戰(zhàn)將成為新的主要運(yùn)用模式[2],多目標(biāo)將成為未來(lái)無(wú)人機(jī)威脅的主要方式。

2軍用無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)特性分析

從設(shè)計(jì)的角度,結(jié)構(gòu)特性可以通過(guò)滿足使用與維護(hù)能力、使用條件的參數(shù)來(lái)描述,GJB67-2008《軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范》提供了參量的定義與描述方法,是軍用無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵從的技術(shù)規(guī)范,但用這些參數(shù)描述其目標(biāo)特性中的結(jié)構(gòu)特性,則太繁雜。從目標(biāo)特性的角度,重點(diǎn)從應(yīng)用的層面用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)外在呈現(xiàn)的特性來(lái)描述,這些特性參數(shù)主要包括:外形、材料材質(zhì)、載荷布局等。

外形是飛行器機(jī)體結(jié)構(gòu)的外在體現(xiàn),也是飛行器氣動(dòng)特性的主要實(shí)現(xiàn)形式,在目標(biāo)特性描述時(shí),一般用長(zhǎng)、高、翼展等外形尺寸來(lái)表述其空間分布。一般地,軍用無(wú)人機(jī)機(jī)體可分為三段：頭段、中段和尾段,頭段為流線的卵型、半球型、錐型等,中段為圓柱型或其它對(duì)稱(chēng)幾何型,裝配飛行翼,尾部延續(xù)中段形狀,裝配尾翼。為滿足超高速、隱身等需要,軍用無(wú)人機(jī)開(kāi)始向?qū)ΨQ(chēng)非規(guī)則幾何外形發(fā)展。

早期的軍用無(wú)人機(jī)多采用金屬材料制造,結(jié)構(gòu)重量大,有效載荷小。隨著復(fù)合材料的發(fā)展,無(wú)人機(jī)機(jī)體、翼、舵等結(jié)構(gòu)件大量采用玻璃纖維、碳纖維、環(huán)氧基等復(fù)合材料,典型的無(wú)人機(jī)如MQ-1“捕食者”結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料占比達(dá)92%,RQ-4A“全球鷹”達(dá)65%,復(fù)合材料的使用有效降低結(jié)構(gòu)重量可達(dá)20%-30%[5]。今后航空級(jí)樹(shù)脂材料、復(fù)合材料整體成形等技術(shù)的發(fā)展,金屬材料使用將越來(lái)越少,重量將進(jìn)一步降低,有效載荷將顯著增加。

載荷布局是指各有效載荷在機(jī)體的位置分布,由各部件的重量、重心位置、載荷變化等確定。軍用無(wú)人機(jī)的內(nèi)部載荷布局從頭到尾可分為5個(gè)艙：第一艙安放雷達(dá)天線或任務(wù)載荷；第二艙安放電子設(shè)備艙；第三艙位于重心位置，安放燃油、傘降設(shè)備等可變載荷；第四艙安放發(fā)動(dòng)機(jī)；第五艙安放舵控制設(shè)備,外掛載荷一般安裝在中部的翼下或機(jī)腹部。載荷布局會(huì)隨著無(wú)人機(jī)系統(tǒng)功能、重量分布等進(jìn)行調(diào)整,但基本的功能區(qū)域變化不大。對(duì)于目標(biāo)易損性,除了外形以外就是載荷分布,因此載荷布局是重要的目標(biāo)特性。

3軍用無(wú)人機(jī)飛行性能分析

應(yīng)用無(wú)人機(jī)完成任何任務(wù)都必須以其飛行能力為基礎(chǔ),軍用無(wú)人機(jī)技術(shù)正是圍繞飛行性能不斷優(yōu)化而進(jìn)步的。GJB2874規(guī)范了飛行品質(zhì)的要求,GJB3718規(guī)范了艦載機(jī)飛行性能的要求,盡管這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)有人機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提出的飛行性能要求,然而通過(guò)對(duì)其分析,可將軍用無(wú)人機(jī)目標(biāo)的飛行性能用飛行剖面、平飛能力、機(jī)動(dòng)能力等指標(biāo)來(lái)描述,它們既是自身設(shè)計(jì)與使用的重要參量,也是對(duì)其探測(cè)跟蹤的重要參量。

飛行剖面是一個(gè)設(shè)計(jì)與使用的綜合性指標(biāo),任何一個(gè)飛行器都是根據(jù)需求的飛行剖面進(jìn)行設(shè)計(jì)的,也是按照設(shè)計(jì)達(dá)到的飛行剖面的約束制定飛行任務(wù)的。飛行剖面在設(shè)計(jì)中主要體現(xiàn)為飛行包線,它集成了飛行升限、航程、環(huán)境條件等指標(biāo)的極值,描述了極限的飛行能力;在使用中一般表述為任務(wù)剖面,它是在飛行包線內(nèi)設(shè)定的飛行航線,綜合了平飛與機(jī)動(dòng)性能、戰(zhàn)術(shù)性能、環(huán)境條件等性能的約束關(guān)系,描述了最佳的使用方法。軍用無(wú)人機(jī)目標(biāo)的飛行包線決定了其基本能力,任務(wù)剖面確定了其優(yōu)化的使用方式。

平飛能力是軍用無(wú)人機(jī)最基本的飛行性能,主要由發(fā)動(dòng)機(jī)的能力決定,在應(yīng)用特性上表征為飛行速度、高度和航程等參數(shù)。低速、低空、長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)采用活塞發(fā)動(dòng)機(jī),適應(yīng)高度5km以下、速度0.2Ma;高速無(wú)人機(jī)采用渦噴或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),適應(yīng)高度20km以下、速度0.4Ma-2Ma[6];無(wú)人直升機(jī)采用渦漿或渦軸發(fā)動(dòng)機(jī),適應(yīng)高度3km以下、速度0.1Ma-0.2Ma。隨著渦輪增壓技術(shù)、電子燃油噴射技術(shù)等的發(fā)展,發(fā)動(dòng)機(jī)適用范圍有了很大的提高,平飛能力也隨之不斷提升。

機(jī)動(dòng)能力是軍用無(wú)人機(jī)在爬升、俯沖、轉(zhuǎn)彎等狀態(tài)下的飛行能力,一般用機(jī)動(dòng)過(guò)載來(lái)表示。大的機(jī)動(dòng)過(guò)載必須有大推力的發(fā)動(dòng)機(jī)、加強(qiáng)的機(jī)體結(jié)構(gòu)和良好的飛行穩(wěn)定性,機(jī)動(dòng)能力集中體現(xiàn)了飛機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性能。軍用飛機(jī)正常機(jī)動(dòng)的過(guò)載并不大,在特殊作戰(zhàn)時(shí)期需要作出大的機(jī)動(dòng),如緊急避讓、投放干擾或投彈后返航等時(shí)期,有人機(jī)考慮飛行員的承受能力一般機(jī)動(dòng)過(guò)載不超過(guò)8g。目前的軍用無(wú)人機(jī)大多只設(shè)計(jì)在正常狀態(tài)下飛行,其機(jī)動(dòng)能力不強(qiáng),一般不能進(jìn)行大機(jī)動(dòng)飛行,隨著其使用范圍擴(kuò)大,作戰(zhàn)要求提高,機(jī)動(dòng)性能也會(huì)提高。

4軍用無(wú)人機(jī)電磁特性分析

軍用無(wú)人機(jī)的電磁特性主要包括雷達(dá)輻射特性和紅外輻射特性。

雷達(dá)輻射特性一般用雷達(dá)反射面積(RCS)來(lái)表示。RCS綜合表達(dá)了在探測(cè)跟蹤中的雷達(dá)與目標(biāo)的特性,單從目標(biāo)角度看,外形結(jié)構(gòu)和材質(zhì)決定了RCS的幅值、誤差,位置和運(yùn)動(dòng)特性影響RCS的變化[7]。對(duì)雷達(dá)輻射特性的探測(cè)分為主動(dòng)探測(cè)和被動(dòng)探測(cè),雷達(dá)主動(dòng)探測(cè)是雷達(dá)探測(cè)跟蹤最常用的方式,軍用無(wú)人機(jī)一般采用復(fù)合材料,外形與有人機(jī)類(lèi)似但尺寸小于同類(lèi)機(jī)型,因此其RCS會(huì)較同類(lèi)有人機(jī)小。目前大多數(shù)軍用無(wú)人機(jī)未進(jìn)行隱身設(shè)計(jì),據(jù)估算,大型無(wú)人機(jī)RCS一般大于1m2,采用隱身設(shè)計(jì)后,其RCS可降至0.1m2以下,可大大提高無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。雷達(dá)被動(dòng)探測(cè)一般為雷達(dá)探測(cè)跟蹤的輔助方式,近年來(lái)被動(dòng)制導(dǎo)成為多種武器的主要方式,其主要是探測(cè)無(wú)人機(jī)上加裝的雷達(dá)、測(cè)控?cái)?shù)據(jù)傳輸設(shè)備或其它電子設(shè)備的電磁散射特性,只有在這些電子設(shè)備工作時(shí)被動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)才能正常跟蹤無(wú)人機(jī)。美國(guó)RQ-4A“全球鷹”無(wú)人機(jī)采用Ku波段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,采用UHF波段進(jìn)行指令傳輸,是一種較為典型的測(cè)控體制,目前應(yīng)用較多的無(wú)人機(jī)測(cè)控頻段大多集中在L、S、C波段,UHF為指令備用波段。

紅外輻射特性主要包括自身的輻射和反射輻射,自身輻射主要有蒙皮與噴管的固體表面輻射、噴流的參與性介質(zhì)輻射,是主要的輻射源,反射輻射主要有固體表面對(duì)太陽(yáng)、大氣、地面及噴流等入射形成的輻射[8]。蒙皮輻射主要集中在長(zhǎng)波波段內(nèi),其強(qiáng)度取決于表面面積和溫度,飛行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)氣動(dòng)加熱,速度越高越明顯;噴管輻射是典型的灰體輻射,其溫度與背景溫度相差較大,輻射強(qiáng)度較高,集中在中波波段;噴流是典型的參與性介質(zhì)輻射,是中波波段的主要輻射源,強(qiáng)度主要取決發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度與尾焰成分[9]。

5結(jié)束語(yǔ)

目標(biāo)特性的研究是一項(xiàng)復(fù)雜的、系統(tǒng)性的基礎(chǔ)性研究課題,是研究、發(fā)展和提高軍用無(wú)人機(jī)性能及使用效能的重要工作內(nèi)容之一。對(duì)于軍用無(wú)人機(jī)目標(biāo)特性的研究應(yīng)站在設(shè)計(jì)和使用的不同角度去綜合分析,這樣才能提高其戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。本文結(jié)合近年來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)目標(biāo)特性的研究成果,從設(shè)計(jì)和使用的角度對(duì)軍用無(wú)人機(jī)的目標(biāo)特性了概括性的總結(jié)歸納,可為軍用無(wú)人機(jī)的工程設(shè)計(jì)和實(shí)際使用提供一些參考和借鑒。

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Target Characteristics of the Military UAV

XUE Peng, YANG Zai-qing

(The Unit 92419 of PLA, Xingcheng 125106, China)

Abstract:Military UAV has become a kind of typical air targets with rapid development. The analysis of target characteristics has important military significance and technical value. To introduce the target characteristics of military UAV, from the perspective of the application and design, the paper discusses the operational use, structures, flying and the basic characteristics of the electro-mangnetic radiation characteristics, and provides a reference for engineering designer and user of personnel.

Key words:UAV; target characteristics; structural characteristics; flight characteristics; radar scattering characteristics; radar wave modulation characteristics

文章編號(hào)：1673-3819(2016)03-0076-03

收稿日期：2016-03-07

作者簡(jiǎn)介：薛鵬(1978-),男,陜西西安人,碩士,工程師,研究方向?yàn)榭瞻姓撟C與應(yīng)用。 陽(yáng)再清(1966-),男,高級(jí)工程師。

中圖分類(lèi)號(hào):V279

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.03.014

修回日期： 2016-04-08