無人直升機系統(tǒng)發(fā)展展望

摘要：隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)和智能技術(shù)的發(fā)展，無人機自主飛行能力和智能化程度不斷提高，在社會多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。無人直升機既具有直升機獨特的飛行和功能特點，又具有無人機的應(yīng)用優(yōu)勢，發(fā)展前景廣闊。本文簡要描述了無人直升機的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，展望了無人直升機發(fā)展的前景，分析了未來裝備發(fā)展趨勢和技術(shù)發(fā)展方向，并提出推動無人直升機技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的措施與建議，對國內(nèi)無人直升機技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：無人直升機；發(fā)展前景；發(fā)展歷程；發(fā)展方向；系統(tǒng)化；智能化

中圖分類號：V275+.1文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.006

無人直升機具備直升機所有的飛行和應(yīng)用功能，由于沒有使用人員生理限制，大大降低了裝備使用門檻；具備零傷亡特點，大大降低了裝備應(yīng)用風(fēng)險；可在惡劣環(huán)境使用，擴大了裝備應(yīng)用領(lǐng)域。無人直升機正部分替代有人機，甚至超越有人機，在社會生活中發(fā)揮重要作用[1-4]。在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，無人直升機可執(zhí)行偵察警戒、通信中繼、電子對抗、目標(biāo)指示、火力支援以及戰(zhàn)勤運輸?shù)热蝿?wù)。在民用領(lǐng)域，可執(zhí)行警務(wù)巡檢、新聞攝影、海洋監(jiān)測、電網(wǎng)巡檢、農(nóng)林作業(yè)等任務(wù)[5-8]。

智能化/無人化是當(dāng)今世界裝備發(fā)展的重要方向，無人機極大地拓展了人類與環(huán)境交互過程的體能和智能，是未來航空裝備發(fā)展的必然趨勢。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，無人直升機系統(tǒng)能力越來越強，體現(xiàn)在環(huán)境適應(yīng)性更好、人機交互更便捷、自主飛行能力更強、安全可靠性更高等方面。隨著多領(lǐng)域廣泛與深入的應(yīng)用，更多用戶的應(yīng)用需求與實用反饋，促進產(chǎn)品技術(shù)能力提升和工程化程度提高，目前國內(nèi)無人直升機產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出市場端與供給端相互促進、良性發(fā)展的局面。

本文將簡要描述無人直升機的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，展望無人直升機發(fā)展前景，分析未來裝備發(fā)展趨勢和技術(shù)發(fā)展方向，并提出推動無人直升機技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的措施與建議。

1國內(nèi)外發(fā)展歷程

1.1國外發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

國外無人直升機研制始于20世紀(jì)50年代，在經(jīng)歷了試用期、蕭條期、復(fù)蘇期之后，現(xiàn)已步入快速發(fā)展期。20世紀(jì)90年代以前，是無人直升機起步發(fā)展階段，國外研發(fā)的無人直升機產(chǎn)品以輕小型為主，主要由少數(shù)國家非主流公司承擔(dān)。典型如美國基羅達因公司（Gyrodyne）公司的QH-50（見圖1）小型艦載反潛旋翼無人機；加拿大龐巴迪公司的CL-227“哨兵”（見圖1）遙控旋翼無人機；日本雅馬哈公司的RX-50“小精靈”無人直升機（見圖1）。該階段產(chǎn)品主要特征為產(chǎn)品屬中小型，任務(wù)載荷有限，自動化程度低，操縱難度大。

20世紀(jì)90年代以后，隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)和智能技術(shù)發(fā)展，特別是受美軍《無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖》牽引（2000年以來，美軍每兩年發(fā)布一版無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖，至2018年已發(fā)布8版），全球掀起無人直升機發(fā)展高潮。參與研制無人直升機的國家越來越多，主流航空制造公司全面介入，產(chǎn)品覆蓋大、中、小型無人直升機，產(chǎn)品任務(wù)能力更強、自主飛行等級更高，典型如美國諾斯羅普-格魯門公司的RQ-8A/ MQ-8B/MQ-8C“火力偵察兵”（見圖2），任務(wù)以偵察打擊為主；美國卡曼公司的K-MAX無人直升機，任務(wù)以戰(zhàn)場運輸為主；美國波音公司的A160“蜂鳥”無人直升機，實現(xiàn)大載荷、長航時等。

“火力偵察兵”為美國海軍主導(dǎo)研制的多用途無人直升機，主要用于偵察，增強態(tài)勢協(xié)同感知和精確瞄準(zhǔn)能力，并可提供火力打擊，用來執(zhí)行反潛、布雷和水面作戰(zhàn)任務(wù)[9]。

“蜂鳥”（見圖3）因采用高效渦輪發(fā)動機以及變轉(zhuǎn)速等多項先進技術(shù)，留空時間可達20h，最大起飛重量（質(zhì)量）3t，其武裝型可掛8枚“海爾法”導(dǎo)彈，攻擊力強大。K-MAX（見圖3）主要執(zhí)行貨運補給任務(wù)，最大吊掛載荷約2t，續(xù)航時間約1h，2011年開始在阿富汗執(zhí)行任務(wù)，至2013年共執(zhí)行1300次任務(wù)，空投2000t貨物，累計飛行2000h。

1.2國內(nèi)發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

國內(nèi)無人直升機發(fā)展起步于20世紀(jì)80年代，2000年以前，主要是院校和民企開展相關(guān)研究，參與研制的單位不少，但投入資源有限，研制的產(chǎn)品多為500kg以下的小型無人直升機。這一時期總體處于技術(shù)攻關(guān)階段，產(chǎn)品性能不高，發(fā)展較緩慢。

20世紀(jì)90年代前后，南京航空航天大學(xué)開始研制“翔鳥”無人直升機（見圖4），以突破無人直升機關(guān)鍵技術(shù)為目標(biāo)，通過預(yù)研成果鑒定后，型號研制工作處于停止?fàn)顟B(tài)。1992年前后，北京航空航天大學(xué)開始研制BZK010共軸雙旋翼無人直升機（見圖4），2004年實現(xiàn)自主飛行，完成系統(tǒng)鑒定試飛，型號研制工作也處于停止?fàn)顟B(tài)。

南京模擬技術(shù)研究所從20世紀(jì)80年代開始，先后研制了Z1、Z2型遙控直升機、Z3型無人直升機（見圖4），產(chǎn)品實現(xiàn)了市場銷售，但產(chǎn)品性能有限，未能產(chǎn)業(yè)化。

上海雛鷹公司利用有人直升機，研制LE-110無人直升機，2004年完成超視距自主飛行，曾作為靶機使用過，后續(xù)研制工作處于停止?fàn)顟B(tài)。同期國內(nèi)還有眾多民企，如北京必威易、北京天途、深圳艾特、鶴壁天無、大連浦元、無錫漢和、濰坊天翔等單位投入力量進行中小型無人直升機的研制，由于經(jīng)營或技術(shù)等原因，多數(shù)未能在市場上形成影響力。

2000年以后，國內(nèi)無人直升機發(fā)展形勢好轉(zhuǎn)，一些專業(yè)研究機構(gòu)、國企、民企等紛紛加入研發(fā)行列，研發(fā)了多款無人直升機。產(chǎn)品性能明顯提高，任務(wù)能力覆蓋了偵察監(jiān)視、通信中繼、巡查巡視、安保消防、森林防火、海事監(jiān)管、輻射偵察、照明喊話等領(lǐng)域。

中國直升機設(shè)計研究所研發(fā)了AR500系列無人直升機（見圖5），產(chǎn)品系列在國際軍貿(mào)領(lǐng)域、國內(nèi)軍民領(lǐng)域得到應(yīng)用，任務(wù)覆蓋了偵察監(jiān)視、通信中繼、察打一體、巡查巡視、森林防火、海事監(jiān)管、輻射偵察等領(lǐng)域，形成了一定市場規(guī)模。

南京模擬技術(shù)研究所研發(fā)了Z5系列無人直升機，產(chǎn)品系列在軍民領(lǐng)域得到應(yīng)用，也形成了一定的市場規(guī)模。

北京中航智公司研發(fā)了TD系列無人直升機，產(chǎn)品實現(xiàn)了市場銷售，也形成了一定市場規(guī)模。珠海隆華直升機科技有限公司研發(fā)XV系列無人直升機，目前在民用領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用。北京通航江西直升機有限公司研制了“小青龍”系列無人直升機等。

縱觀國內(nèi)外無人直升機發(fā)展，都走過艱難的發(fā)展歷程：一是早期無人化發(fā)展的技術(shù)支撐力度有限，無人直升機技術(shù)復(fù)雜，控制難度大，裝備使用問題較多，無法滿足用戶的應(yīng)用需求，是前期發(fā)展受阻的主要原因；二是無人直升機具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢，無法被其他飛行器所替代，自身具有強大的生命力；三是技術(shù)進步和新時期軍民用應(yīng)用需求，促進了當(dāng)前無人直升機的快速發(fā)展。

2裝備發(fā)展趨勢

當(dāng)前無人直升機的關(guān)鍵技術(shù)（如飛控、測控等技術(shù)）已取得重大突破，從裝備發(fā)展頂層分析，無人直升機系統(tǒng)逐漸從以“平臺”為中心向以“任務(wù)”為中心轉(zhuǎn)變，從單機使用向多系統(tǒng)協(xié)同應(yīng)用方向轉(zhuǎn)變；任務(wù)能力向多元化、綜合化發(fā)展；構(gòu)型多樣化、控制更智能、網(wǎng)絡(luò)更安全。

（1）從單機/單系統(tǒng)走向多系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展

早期無人機研制“以平臺為中心”，單機/單系統(tǒng)概念較強。未來無人機研制將更加強調(diào)“以任務(wù)為中心”、系統(tǒng)之系統(tǒng)概念。無人機系統(tǒng)將成為更大系統(tǒng)中的節(jié)點，需要與無人機系統(tǒng)外的其他系統(tǒng)進行信息、任務(wù)協(xié)同，關(guān)注點轉(zhuǎn)到互用性、自主性、安全網(wǎng)絡(luò)和人機協(xié)同上，也將從大系統(tǒng)視角來評估無人機系統(tǒng)的能力和貢獻度。

（2）任務(wù)能力向多元化、綜合化、協(xié)同化發(fā)展

目前無人直升機以中小型為主，主要執(zhí)行偵察/監(jiān)視等信息支援類任務(wù)，換裝任務(wù)設(shè)備，任務(wù)擴展到察打一體等領(lǐng)域。未來無人直升機主要向長航時、模塊化、協(xié)同打擊等方向發(fā)展，形成與有人機協(xié)同作戰(zhàn)的能力，成為未來信息化作戰(zhàn)環(huán)境中的重要節(jié)點。

（3）構(gòu)型多樣化、控制更智能、網(wǎng)絡(luò)更安全

無人直升機構(gòu)型多樣化發(fā)展，有單旋翼帶尾槳式、共軸式、涵道/螺旋槳式、復(fù)合機翼/旋翼式、傾轉(zhuǎn)旋翼式等，重量從幾十千克到幾千千克，任務(wù)載荷和續(xù)航能力不斷提升。智能化水平和自主飛行控制能力不斷提高，故障診斷與自適應(yīng)、自主航路規(guī)劃、協(xié)同飛行等技術(shù)得到應(yīng)用。自主組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)得到進一步發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)更安全。

3技術(shù)發(fā)展方向

3.1總體系統(tǒng)化，突出系統(tǒng)能力

與有人直升機不同，無人直升機一般由飛行器平臺、地面系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成，系統(tǒng)特征更明顯。無人直升機總體技術(shù)除關(guān)注常規(guī)的平臺構(gòu)型、總體氣動布局和動力旋翼傳動技術(shù)外，必須關(guān)注地面系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈等技術(shù)?？傮w技術(shù)跨飛行器平臺、地面系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈等分系統(tǒng)，是多系統(tǒng)總體，必須支撐多系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化能力。

無人直升機系統(tǒng)能力將從傳統(tǒng)的強調(diào)系統(tǒng)性能，到強調(diào)用戶使用體驗轉(zhuǎn)變，更好的人機交互、人機協(xié)同，以及更高效和便捷的使用維護保障等將成為系統(tǒng)總體能力的重要標(biāo)志。未來無人直升機將更加強調(diào)“以任務(wù)為中心”，無人直升機將與其他系統(tǒng)共同執(zhí)行任務(wù)，系統(tǒng)將在更大的系統(tǒng)中運行，系統(tǒng)間的協(xié)同技術(shù)是新的關(guān)注點。評價一型無人直升機的性能，也更強調(diào)在大系統(tǒng)中體系貢獻能力，總體呈系統(tǒng)化發(fā)展。圖6為無人機系統(tǒng)化工作概念場景示意圖。

3.2平臺高速化，突破航時限制

常規(guī)構(gòu)型直升機受旋翼前行槳葉激波分離等限制，飛行速度一般不超過300km/h，難以滿足用戶高速高機動的能力需求，高速化是直升機界共同努力的方向。目前國外有人直升機高速化研究主要有兩大方向：一種是傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型，從V-22到V-280，其最大速度可超過500km/h，并具有大商載、遠航程等優(yōu)點；一種是共軸剛性雙旋翼加推力構(gòu)型，其最大速度也可達500km/h，且機動能力強。雖然常規(guī)構(gòu)型無人直升機還是應(yīng)用的主流，但高速化是發(fā)展的重要方向。一方面有人機的高速化研究成果將會快速應(yīng)用到無人直升機上，另一方面由于無人機構(gòu)型多樣化發(fā)展，也會產(chǎn)生更多復(fù)合新構(gòu)型，推進無人直升機的高速化發(fā)展。圖7為V-247傾轉(zhuǎn)無人機模型。

相比于有人機，長航時是無人直升機的優(yōu)勢，既可克服人員生理限制，又可提高任務(wù)效率。長航時無人直升機可在偵察、通信中繼、邊境巡邏等任務(wù)方面發(fā)揮更大的作用，發(fā)展留空時間大于24h的長航時無人直升機將是下一代無人直升機平臺發(fā)展的重要方向。波音公司的A160“蜂鳥”無人直升機，攜帶135kg任務(wù)載荷，飛行時間超過24h，是典型的長航時無人直升機的代表。長航時無人直升機需要高效總體氣動技術(shù)、先進輕質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)和動力傳動等技術(shù)作支撐，也必將牽引相關(guān)研究，促進技術(shù)進步。

3.3控制智能化，支撐多模式應(yīng)用

無人機從自動飛行向自主飛行發(fā)展的重要標(biāo)志就是智能化水平，智能化將重點提升無人直升機三方面的能力：一是環(huán)境適應(yīng)能力，基于對環(huán)境的態(tài)勢感知、推理、判斷和決策，提高在低空/超低空環(huán)境下，適應(yīng)地形地貌、復(fù)雜氣象的飛行能力；二是無憂操縱能力，支持無縫、敏捷、自主的人機協(xié)作和機器間協(xié)作，重點提升多模態(tài)飛行控制、在線航路規(guī)劃與重規(guī)劃、集群協(xié)同控制等方面的能力，并最終實現(xiàn)“無憂”操縱；三是故障診斷與隔離能力，智能化將全面提升故障識別與隔離能力，最終實現(xiàn)“零故障升空與飛行”。

智能化的重要目的是不斷把人從繁雜判斷和操作中解放出來，降低人工操作差錯，可選有人/無人駕駛將是未來重要的發(fā)展方向?？蛇x有人/無人使直升機同時具備有人駕駛和無人駕駛兩種使用模式，兩種使用模式相互兼容，可隨時切換，是未來直升機裝備甚至是航空裝備發(fā)展的重要趨勢。目前市場有大量的有人直升機，飛行員培訓(xùn)難度大、培訓(xùn)周期長，經(jīng)驗豐富的飛行員是最寶貴的資源，可選有人/無人直升機是解決飛行員數(shù)量少的主要措施?？蛇x有人/無人直升機既可使飛行員解脫于枯燥、長時間的常規(guī)操作，又可在關(guān)鍵任務(wù)時進行人工操縱，更大程度發(fā)揮直升機的使用效能。美國通過“有人/無人再補給空中運輸裝備”（MURAL）項目進行了可選有人/無人操縱技術(shù)驗證，卡曼公司K-MAX無人貨運直升機和波音公司“小鳥”直升機，都開展了可選有人/無人技術(shù)驗證，2014年美國西科斯基公司完成可選有人/無人駕駛“黑鷹”驗證機首飛，2019年基于電傳操縱技術(shù)配備可選駕駛（OPV）技術(shù)的“黑鷹”直升機（見圖8）首飛，是可選有人/無人操縱直升機發(fā)展的重要里程碑。

3.4結(jié)構(gòu)模塊化，產(chǎn)品兩極發(fā)展

模塊化是拓展無人直升機任務(wù)功能及減少后勤維護保障的重要途徑，一方面通過模塊化實現(xiàn)飛行和任務(wù)系統(tǒng)的分開設(shè)計，模塊化可實現(xiàn)機體和任務(wù)系統(tǒng)快速重構(gòu)，拓展無人直升機的任務(wù)能力和應(yīng)用方向，實現(xiàn)“一機多用”；另一方面模塊化設(shè)計將改變無人直升機的維護保障模式，模塊化設(shè)計帶來的“即插即用”功能，將極大提高裝備使用效率。

隨著直升機技術(shù)發(fā)展，無人直升機向速度更快、載荷更大、航時更長等方向發(fā)展的同時，向微小型化發(fā)展（見圖9）也是重要方向。一方面隨著平臺性能大幅提升，用戶對大型無人直升機的需求越來越迫切，要求續(xù)航時間大于12h，商載能力大于5t的大型無人直升機是當(dāng)務(wù)之急；另一方面，微小型無人直升機具有尺寸小、重量輕、隱蔽性好、操作簡單、攜帶方便等優(yōu)點，適用于執(zhí)行特殊任務(wù)，也是未來發(fā)展的重要方向。

3.5網(wǎng)絡(luò)安全化，支持多系統(tǒng)協(xié)同

無人直升機通過數(shù)據(jù)鏈路實現(xiàn)飛行器平臺與地面系統(tǒng)的互聯(lián)互通互操作，數(shù)據(jù)鏈路存在截獲、干擾、入侵、欺騙、破譯等威脅，數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)絡(luò)安全將直接影響任務(wù)實施，甚至飛行安全。無人直升機數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)將成為未來技術(shù)發(fā)展的重點方向，涉及功率控制技術(shù)、天線技術(shù)、頻譜與擴展感知、鏈路接入認(rèn)證和信息加密等技術(shù)，最終形成網(wǎng)絡(luò)攻擊恢復(fù)能力和自主網(wǎng)絡(luò)防御能力。

多系統(tǒng)協(xié)同的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多系統(tǒng)間的互聯(lián)互通互操作，重點離不開網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的支撐。

4結(jié)束語

無人直升機既具有直升機獨特的飛行和使用特點，又具有無人機的應(yīng)用優(yōu)勢，已經(jīng)在軍事和民用領(lǐng)域展示了良好的應(yīng)用前景，必將成為未來航空器發(fā)展的重要方向。同時無人直升機發(fā)展與裝備智能化發(fā)展高度契合，智能化技術(shù)發(fā)展也將促進無人直升機發(fā)展，拓展無人直升機應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用效能，無人直升機具有廣闊的發(fā)展空間。

當(dāng)前我國無人直升機發(fā)展受到社會各界高度關(guān)注，特別是在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級時代背景下，社會資源/資本不斷關(guān)注無人直升機的發(fā)展，參與研發(fā)的單位越來越多，市場需求旺盛，發(fā)展勢頭很猛。但我們必須清醒地認(rèn)識到：航空作為高端制造業(yè)，具有技術(shù)難度大、投資強度大、研發(fā)周期長等特點，無人直升機發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)并存；隨著技術(shù)進步和需求提高，無人直升機系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，技術(shù)難度更高，研發(fā)風(fēng)險更大，必須摒棄“無人機門檻低”的觀念；要實現(xiàn)無人直升機持續(xù)健康發(fā)展，技術(shù)是基礎(chǔ)，人才是關(guān)鍵，必須夯實技術(shù)基礎(chǔ)，堅持自主創(chuàng)新，必須引入市場化機制，堅持軍民協(xié)作，充分利用社會資源，創(chuàng)新體制機制，促進無人直升機技術(shù)和產(chǎn)業(yè)跨越發(fā)展。

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（責(zé)任編輯王昕）

作者簡介

方永紅（1967-）男，學(xué)士，研究員，航空工業(yè)無人機首席技術(shù)專家。主要研究方向：無人直升機。

Tel：0798-8465564E-mail：fangyh@avic.com

Development Prospect of Unmanned Helicopter System

Fang Yonghong*

China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China

Abstract： With the development of computer， network and intelligence technology， the level of autonomous capability of unmanned aerial vehicle （UAV） has been continuously improved； the UAV has been widely used in many fields. Unmanned helicopters not only have the unique flight and functional characteristics of helicopters， but also have the application advantages of UAV， and have broad development prospects. The development history and present situation of unmanned helicopter are briefly described， and the main development direction and key supporting technologies of unmanned helicopter in the future based on the development demand are analyzed. Finally， the measures and suggestions to promote the development of unmanned helicopter industry and technology are proposed.

Key Words： unmanned helicopter； development prospects； development history； development direction； systematization； intelligence