未來(lái)無(wú)人機(jī)多型密集陣列模式技術(shù)的研究及應(yīng)用

胡譯勻，廖露陽(yáng)

未來(lái)無(wú)人機(jī)多型密集陣列模式技術(shù)的研究及應(yīng)用

胡譯勻1，廖露陽(yáng)2

（1.四川省綿陽(yáng)市東辰國(guó)際學(xué)校高中部，綿陽(yáng) 621000；2.四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610065）

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、任務(wù)靈活性高、傷亡風(fēng)險(xiǎn)低和運(yùn)維成本低等優(yōu)勢(shì)，因而成為未來(lái)航空飛行器的主要發(fā)展方向之一。無(wú)人機(jī)可廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，也必將成為未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的主角。當(dāng)前，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用仍處于單機(jī)單任務(wù)或單機(jī)多任務(wù)的模式，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和作戰(zhàn)潛力并未得到充分發(fā)揮。在分析無(wú)人機(jī)產(chǎn)生、應(yīng)用和優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)無(wú)人機(jī)全譜系和智能化發(fā)展的趨勢(shì)，并根據(jù)仿生學(xué)原理，提出發(fā)展多類(lèi)型密集陣列的軍事應(yīng)用架構(gòu)，以充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和作戰(zhàn)潛力，形成相對(duì)領(lǐng)先的軍事優(yōu)勢(shì)，為贏得未來(lái)軍事斗爭(zhēng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)；仿生學(xué)平臺(tái)；多型密集陣列

0 引言

自古以來(lái)，自然界就是人類(lèi)各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。像飛鳥(niǎo)一樣在天空翱翔，從來(lái)都是人類(lèi)長(zhǎng)久以來(lái)的偉大夢(mèng)想。據(jù)《韓非子》記載，魯班用竹木作鳥(niǎo)“成而飛之，三日不下”，希臘神話中也有伊卡洛斯與父親代達(dá)羅斯使用蠟和羽毛造的翼逃離克里特島的傳說(shuō)。但直到近代物理學(xué)不斷發(fā)展后，人類(lèi)終于在1903年發(fā)明了飛機(jī)，使人類(lèi)進(jìn)入了航空時(shí)代。隨后100年，航空技術(shù)和工程依托機(jī)械、電子、動(dòng)力學(xué)科的進(jìn)展而突飛猛進(jìn)。發(fā)端于軍事應(yīng)用的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)[1]（以下簡(jiǎn)稱“無(wú)人機(jī)”），以其巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力成為下一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，這將改變整個(gè)航空和軍事應(yīng)用的面貌。

當(dāng)前，世界各國(guó)均在加緊開(kāi)展無(wú)人機(jī)及其應(yīng)用的研究，在無(wú)人機(jī)的軍事應(yīng)用上各國(guó)基本處于同一水平，無(wú)人機(jī)也在訓(xùn)練、偵察、電子對(duì)抗、探測(cè)、通信等軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[2]。實(shí)際上，雖然我國(guó)綜合國(guó)力不斷提升，但仍將長(zhǎng)期面臨嚴(yán)峻的國(guó)家安全挑戰(zhàn)。如何形成軍事優(yōu)勢(shì)，如何形成和平時(shí)期戰(zhàn)略威懾是維護(hù)國(guó)家安全的首要問(wèn)題。因此，基于我國(guó)工業(yè)制造的巨大優(yōu)勢(shì)，研究無(wú)人機(jī)在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的各種新的軍事應(yīng)用，是贏得未來(lái)軍事勝利的重要研究方向之一。

1 無(wú)人機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 無(wú)人機(jī)的產(chǎn)生及特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)是一種有動(dòng)力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)并能重復(fù)使用的無(wú)人駕駛航空器。無(wú)人機(jī)是戰(zhàn)爭(zhēng)的產(chǎn)物，有悠久的發(fā)展歷史。第一架無(wú)人機(jī)是1917年由英國(guó)研制成功的。早期的無(wú)人機(jī)由退役飛機(jī)改裝而成，按預(yù)設(shè)程序沿固定航線飛行完成簡(jiǎn)單任務(wù)，主要用于炮兵輔助靶標(biāo)演練。

20世紀(jì)60年代以后，隨著無(wú)線電技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，用于計(jì)算機(jī)飛行控制系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)可以按照負(fù)載的任務(wù)剖面飛行，靈活執(zhí)行多種任務(wù)。越戰(zhàn)期間，面臨越軍的蘇制地空導(dǎo)彈帶來(lái)的威脅，美國(guó)使用“火蜂”無(wú)人機(jī)收集越軍防空部署的情報(bào)，共飛行了近3500架次，返回2900架次，回收率達(dá)到80%以上，提供的情報(bào)占美軍總情報(bào)量的80%，大大減少了人員傷亡或被俘虜?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)[3]。1982年“貝卡谷地”之戰(zhàn)，以軍以無(wú)人機(jī)為誘餌配合戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)，以極小的代價(jià)摧毀了敘軍整個(gè)防空導(dǎo)彈陣地。隨后，無(wú)人機(jī)以其準(zhǔn)確、高效和靈便的偵查、干擾、欺騙、搜索、校射能力和在非正規(guī)條件下作戰(zhàn)等多種作戰(zhàn)能力，在兩次中東戰(zhàn)爭(zhēng)、海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)和伊拉克作戰(zhàn)中，發(fā)揮了顯著的作用。因此，無(wú)人機(jī)具有不受人員生理、生命風(fēng)險(xiǎn)限制和適合執(zhí)行“枯燥”、“危險(xiǎn)”、“佯攻”等任務(wù)的突出優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而受到世界各國(guó)的高度重視。

無(wú)人機(jī)與有人駕駛飛機(jī)相比，有著不可比擬的突出優(yōu)勢(shì)。一是機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，無(wú)人機(jī)以任務(wù)為中心進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以忽略飛行員的因素，能突破現(xiàn)有飛行限制；二是任務(wù)靈活性高，就無(wú)人機(jī)本身而言，雖然其氣動(dòng)外形與有人駕駛飛機(jī)相同或大同小異，但不需要駕駛艙以及相應(yīng)的一些設(shè)備（如座椅、儀表、生命保障等），因此結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單；三是傷亡風(fēng)險(xiǎn)低，由于無(wú)人機(jī)操作員只需要在遠(yuǎn)離作戰(zhàn)區(qū)域的地面或艦船上的控制站里進(jìn)行操控，借助無(wú)人機(jī)以及其他戰(zhàn)場(chǎng)偵察系統(tǒng)傳回的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，即可指揮無(wú)人機(jī)執(zhí)行各種急難險(xiǎn)重的作戰(zhàn)任務(wù)。

1.2 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

一方面，隨著無(wú)線電技術(shù)、能源與動(dòng)力技術(shù)、高效氣動(dòng)技術(shù)、自主控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化通信技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)在各個(gè)應(yīng)用層面上不斷進(jìn)步。例如美國(guó)的X-47系列無(wú)人機(jī)進(jìn)行了航母搭載和飛行試驗(yàn)，美制“全球鷹”無(wú)人偵察機(jī)能高空長(zhǎng)航時(shí)飛行，續(xù)航時(shí)間已達(dá)到42小時(shí)[3]，有些采用太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間將達(dá)到96小時(shí)，飛行高度可以達(dá)到2萬(wàn)米。隨著諸如“飛翼布局無(wú)人機(jī)”和臨近空間超高速無(wú)人機(jī)、近中程多用途無(wú)人機(jī)直升機(jī)等成為發(fā)展熱點(diǎn)，無(wú)人機(jī)將朝著全譜系、全系列、全領(lǐng)域的方向發(fā)展。

另一方面，隨著智能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)與有人機(jī)之間的界限將逐步模糊，航空器朝著無(wú)人、有人混合駕駛的智能模式發(fā)展。隨著無(wú)人機(jī)的平臺(tái)通用化不斷完善，自主能力不斷提高，有人作戰(zhàn)模式的應(yīng)用（例如編隊(duì)、空中充電/加油、戰(zhàn)略巡航）同樣可以由無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)，并且能達(dá)到比有人模式更強(qiáng)的戰(zhàn)斗力、更好的適應(yīng)性、更低的風(fēng)險(xiǎn)和更低的成本，從而在未來(lái)的作戰(zhàn)中起到無(wú)可替代的作用。

未來(lái)，無(wú)人機(jī)會(huì)在“大中小微”、“遠(yuǎn)中近”、“高中低”各類(lèi)無(wú)人機(jī)全譜系全面發(fā)展，采取以任務(wù)為牽引、平臺(tái)為核心的發(fā)展模式[4]，即采用“通用平臺(tái)、針對(duì)不同任務(wù)需求系列化發(fā)展模式”。根據(jù)不同任務(wù)需要，基于通用化飛行平臺(tái)，通過(guò)換裝光電、紅外、多光譜、雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信中繼、氣象探測(cè)、地形測(cè)繪、磁力探測(cè)等任務(wù)設(shè)備以及武器等各類(lèi)任務(wù)載荷，發(fā)展出偵察、電子對(duì)抗、探潛、察打一體等多種功能的無(wú)人機(jī)，為未來(lái)新應(yīng)用構(gòu)想提供技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 多型密集陣列模式技術(shù)研究及應(yīng)用

2.1 應(yīng)用背景

在全球化席卷而來(lái)的今天，我國(guó)綜合國(guó)力不斷提升，隨之而來(lái)的是戰(zhàn)略利益的不斷拓展，這將與原有世界格局產(chǎn)生沖擊，必定面臨著與大國(guó)間的對(duì)抗。與“二戰(zhàn)”、“冷戰(zhàn)”和歷次局部戰(zhàn)爭(zhēng)的特征不同，當(dāng)前和未來(lái)我國(guó)面臨的對(duì)抗將逐漸呈現(xiàn)新的特征和趨勢(shì)，即伴隨高技術(shù)出現(xiàn)的未來(lái)無(wú)人化和智能化特征。在表現(xiàn)形式上，是介于有人和無(wú)人的混合形態(tài)，是以無(wú)人控制和智能計(jì)算為核心，在現(xiàn)有主戰(zhàn)裝備、信息裝備和保障裝備上相互融合、促進(jìn)和應(yīng)用的形態(tài)。在發(fā)展趨勢(shì)上，無(wú)人控制、智能計(jì)算將逐步代替有人控制和規(guī)則化腦力計(jì)算，使人們專(zhuān)注更高級(jí)的指揮藝術(shù)和既定目標(biāo)。

在目前以及今后的軍事斗爭(zhēng)準(zhǔn)備中，無(wú)人機(jī)必將是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的主角之一，我國(guó)無(wú)人機(jī)的發(fā)展水平，與美國(guó)、歐洲、俄羅斯等處于同一起跑線上。在有人無(wú)人的混合形態(tài)下，如何充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如何在未來(lái)爭(zhēng)取領(lǐng)先、取得特色優(yōu)勢(shì)或全面優(yōu)勢(shì)，是取得未來(lái)軍事勝利的必要條件。

2.2 仿生學(xué)研究過(guò)程

仿生學(xué)是一門(mén)綜合性邊緣學(xué)科，是生命科學(xué)與工程技術(shù)科學(xué)互相滲透，彼此結(jié)合而產(chǎn)生的，最早由美國(guó)空軍科研處于1991年提出，目的就是為了尋求生物學(xué)為材料設(shè)計(jì)和處理提供幫助[5]?？梢詫?duì)仿生學(xué)做如下定義：研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)學(xué)科。仿生學(xué)的研究過(guò)程包括下圖中的幾個(gè)步驟：

圖1 仿生學(xué)研究過(guò)程

本文應(yīng)用仿生學(xué)的研究方法，從自然界中鳥(niǎo)類(lèi)集體飛行的生物群體性狀原型，抽象模擬出多類(lèi)型密集列陣的技術(shù)模型。

2.3 多類(lèi)型密集陣列技術(shù)

在自然界中，大型鳥(niǎo)類(lèi)有時(shí)會(huì)集體飛行以節(jié)省能量并增加飛行距離。列陣飛行時(shí)，領(lǐng)頭鳥(niǎo)的翅膀會(huì)產(chǎn)生漩渦狀氣流，其后的鳥(niǎo)會(huì)得到額外升力，機(jī)翼也可以有同樣的效果，稱之為“尾渦”，軍用飛機(jī)經(jīng)常利用列陣飛行減少能耗（燃油量）[6]。

無(wú)人機(jī)也可以借助列陣飛行方式，通過(guò)無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制實(shí)施列陣飛行，不僅可以提高動(dòng)力學(xué)特性，有效增加航程和飛行時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)可以通過(guò)密集編隊(duì)的方式，由不同任務(wù)類(lèi)型的無(wú)人機(jī)或有人機(jī)構(gòu)成具有全部作戰(zhàn)能力的密集陣，從而形成新的作戰(zhàn)應(yīng)用。

多類(lèi)型密集列陣的無(wú)人機(jī)應(yīng)用模式，在實(shí)施上具有靈活多變的特征，可以是單機(jī)/雙機(jī)有人編隊(duì)，單無(wú)人機(jī)、多無(wú)人機(jī)編隊(duì)，也可以有人無(wú)人編隊(duì)，以及各類(lèi)型編隊(duì)組成的多類(lèi)型編隊(duì)等；在技術(shù)上需要解決無(wú)人機(jī)控制和智能計(jì)算的問(wèn)題，以及對(duì)現(xiàn)有體系的沖擊與變革問(wèn)題，需要解決飛行活動(dòng)必須的“通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、管理”問(wèn)題，并在未來(lái)統(tǒng)一到“網(wǎng)絡(luò)、指揮控制”一體化體系中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有人無(wú)人混淆形態(tài)“飛遠(yuǎn)、飛高、飛久”的能力。

綜上，多類(lèi)型密集陣列模型的抽象過(guò)程如下：

圖2 模型的建立過(guò)程

人類(lèi)因模仿鳥(niǎo)類(lèi)的飛翔而發(fā)明了飛機(jī)，同樣，可以通過(guò)模仿動(dòng)物族群活動(dòng)特征[7]，應(yīng)用仿生學(xué)研究方法，以智能計(jì)算為工具，使未來(lái)軍事戰(zhàn)爭(zhēng)主角之一的無(wú)人機(jī)，突破單機(jī)單任務(wù)或單機(jī)多任務(wù)的模式，發(fā)展多機(jī)多編隊(duì)、有人無(wú)人混合編隊(duì)、多任務(wù)分工編隊(duì)等應(yīng)用模式，充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和作戰(zhàn)潛力，形成相對(duì)

領(lǐng)先的軍事應(yīng)用構(gòu)想，從而形成所需的軍事優(yōu)勢(shì)。

2.4 無(wú)人機(jī)多型密集陣列模型的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的多類(lèi)型密集列陣應(yīng)用模式，可以應(yīng)用于島礁巡航。實(shí)際上，我國(guó)正面對(duì)東海和南海的復(fù)雜局勢(shì)，為有效應(yīng)對(duì)敵方不同強(qiáng)度的介入情況，可以依托現(xiàn)有島礁平臺(tái)提供“飛”、“管”、“控”、“?！钡润w系，盡可能利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡航[8]。實(shí)施無(wú)人機(jī)密集列陣飛行，快速?gòu)浹a(bǔ)我軍在情報(bào)、偵查和監(jiān)視領(lǐng)域的短板，同時(shí)充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)的小成本優(yōu)勢(shì)，由無(wú)人機(jī)混合編隊(duì)實(shí)施島礁大批次巡航，盡可能降低人工巡航成本和風(fēng)險(xiǎn)，形成實(shí)際控制和威懾能力，逐步收回被占島礁，并形成主動(dòng)防御能力。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的多類(lèi)型密集列陣應(yīng)用模式，可以應(yīng)用于高原山地等惡劣環(huán)境下的突襲奇襲。我國(guó)西南西北地區(qū)高原多山的復(fù)雜環(huán)境條件，極大限制了現(xiàn)役各型主戰(zhàn)裝備，特別是重型武器的使用，而另一側(cè)印度等國(guó)則是以平原丘陵為主，便于大規(guī)模應(yīng)用部署，形成戰(zhàn)略上的不平衡。多類(lèi)型密集列陣應(yīng)用模式，可以采用多機(jī)分任務(wù)編隊(duì)模式，由負(fù)責(zé)引導(dǎo)、偵察、環(huán)境感知、攻擊和通信中繼等多種類(lèi)型的無(wú)人機(jī)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)以地形匹配導(dǎo)航、自主飛行和低空快速突防等作戰(zhàn)能力，避讓地形、障礙物和危險(xiǎn)天氣，突破地域限制、時(shí)間限制和飛行員生理限制，實(shí)現(xiàn)峽谷低空飛行和突防，穿越喜馬拉雅山脈進(jìn)入印度河平原，實(shí)施戰(zhàn)役低空奇襲，形成和保持巨大的戰(zhàn)略威懾力，使敵邊防和裝甲進(jìn)攻成為無(wú)效手段。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著信息技術(shù)進(jìn)入云計(jì)算和智能化時(shí)代，越來(lái)越多的智能計(jì)算技術(shù)逐步應(yīng)用到了傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)也不例外。如何形成聯(lián)合作戰(zhàn)條件下的有人機(jī)、無(wú)人機(jī)、導(dǎo)彈和火力彈藥、電磁等高效打擊和對(duì)抗防護(hù)能力？如何利用無(wú)人機(jī)編隊(duì)、有人無(wú)人混合編隊(duì)等實(shí)施長(zhǎng)航程大范圍偵察預(yù)警？如何利用臨近空間或高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大范圍空中戰(zhàn)略機(jī)動(dòng)？在無(wú)人機(jī)工業(yè)制造技術(shù)和智能化技術(shù)不斷完善的前提下，基于仿生學(xué)理論發(fā)現(xiàn)新的軍事構(gòu)想從而形成新的技術(shù)架構(gòu)，是解決上述問(wèn)題一種的可行方法，可以作為今后研究的重點(diǎn)方向。

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Research and Application of Multi-Type Dense Array Mode on UAV for Future

HU Yi-yun1，LIAO Lu-yang2

（1．High School of Dong-Chen International School,Mianyang621000；2.College of Computer Science,Sichuan University,Chengdu610065）

Unmanned aerial vehicle(UAV)system has the advantages of strong maneuverability,high task flexibility,low risk of casualty and low cost of operation and maintenance,and thus become one of the main development directions of the future aviation aircraft.UAV can be widely used in the military field,will also become the protagonist of the future battlefield.At present,the application of UAV is still in singlemachine single task or single machine multi-task mode,its application advantage and combat potential have not been fully exerted.Based on the analysis of UAV production,application and advantages,summarizes the trend of UAV full spectrum and intelligent development. According to bionics theory,puts forward the military application conception of developing multi-type dense array,Machine's unique advantages and operational potential,the formation of a relatively leading military superiority,to win the future military victory contribution.

Unmanned Aerial Vehicle System;Bionics Platform;Multi-Type Dense Array

1007-1423（2017）02-0045-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.02.012

2016-11-22

2017-01-05

胡譯勻，女，江西吉安人，綿陽(yáng)市東辰國(guó)際學(xué)校高中部通訊作者：廖露陽(yáng)，男，江西新余人，碩士