無(wú)人直升機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

蘆志明，姬樂(lè)強(qiáng)，聶順鵬

中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所

隨著智能化、自主化、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人直升機(jī)在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上扮演著越來(lái)越重要的角色。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，分別從有人直升機(jī)無(wú)人化改型、大載重、長(zhǎng)航時(shí)、新構(gòu)型、戰(zhàn)場(chǎng)生存力、自主性以及互聯(lián)互通互操作能力等方面闡述無(wú)人直升機(jī)的未來(lái)發(fā)展方向，為我國(guó)無(wú)人直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

有人直升機(jī)無(wú)人化改型技術(shù)持續(xù)發(fā)展

隨著無(wú)人直升機(jī)技術(shù)復(fù)雜程度的不斷增加，全新無(wú)人直升機(jī)從設(shè)計(jì)方案提出到試制、試驗(yàn)、生產(chǎn)和投入使用，仍然需要長(zhǎng)達(dá)若干年的周期。目前，制造商開(kāi)發(fā)的有人直升機(jī)型譜已相當(dāng)完善，可全面支撐有人直升機(jī)無(wú)人化改型技術(shù)和裝備的快速發(fā)展。因此，成熟的有人直升機(jī)采用飛行控制、自主導(dǎo)航、任務(wù)規(guī)劃、人機(jī)交互等無(wú)人機(jī)新技術(shù)與成果進(jìn)行無(wú)人化改型，不但可以有效降低型號(hào)研制的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，縮短研制周期，使裝備快速列裝并形成戰(zhàn)斗力，而且可以解決裝備持續(xù)使用的問(wèn)題。例如，空客直升機(jī)公司最新開(kāi)發(fā)的VSR700艦載無(wú)人直升機(jī)，是由甘巴爾直升機(jī)公司（Guimbal）“迅羊” G2（Cabri G2）有人直升機(jī)改型而成，可以搭載光電吊艙、雷達(dá)、聲吶浮標(biāo)等任務(wù)載荷，執(zhí)行情報(bào)、偵察、監(jiān)視、目標(biāo)指示、搜索與救援、毀傷評(píng)估、輔助探潛等作戰(zhàn)任務(wù)。該型無(wú)人直升機(jī)已于2019年11月8日在法國(guó)南部普羅旺斯地區(qū)艾克斯市附近的無(wú)人機(jī)測(cè)試中心完成首飛。

近年，有人直升機(jī)無(wú)人化改型技術(shù)已趨于成熟，國(guó)內(nèi)外多家制造商在無(wú)人化改型過(guò)程中積累了大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并建立了規(guī)范化改型流程。未來(lái)，隨著信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等技術(shù)的發(fā)展，由有人直升機(jī)改型而成的無(wú)人直升機(jī)在一定程度上可滿足復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)無(wú)人直升機(jī)的使用需求。在有人/無(wú)人雙模式技術(shù)支撐下（如西科斯基公司“矩陣技術(shù)”（Matrix Technology）自動(dòng)駕駛系統(tǒng)），同一裝備可具備有人和無(wú)人兩種模式，極大拓展了裝備執(zhí)行任務(wù)的靈活性，即直升機(jī)可發(fā)揮有人直升機(jī)低空機(jī)動(dòng)性的優(yōu)勢(shì)，又可以采用無(wú)人模式執(zhí)行危險(xiǎn)、枯燥的任務(wù)。

圖1 VSR700艦載無(wú)人直升機(jī)。

圖2 “黑鷹”驗(yàn)證機(jī)可采用有人/無(wú)人兩種模式飛行。

表1 由有人直升機(jī)改型而成的無(wú)人直升機(jī)。

大載重、長(zhǎng)航時(shí)能力不斷提升

與有人直升機(jī)相比，無(wú)人直升機(jī)不含操縱臺(tái)、儀表板、操縱線系、環(huán)控系統(tǒng)（除電子設(shè)備艙的通風(fēng)散熱設(shè)備外）、救生系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)等。上述設(shè)備的重量可以提供給更多的任務(wù)載荷，留出的空間可供大容量油箱使用。同時(shí)，由于無(wú)人直升機(jī)設(shè)計(jì)不需要考慮前機(jī)身外形對(duì)駕駛艙視野的影響，技術(shù)人員可以最大限度地開(kāi)展高效低阻機(jī)身外形設(shè)計(jì)。綜上所述，無(wú)人直升機(jī)通常比改型前的有人直升機(jī)具有更大的任務(wù)載荷重量和更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。

作戰(zhàn)環(huán)境正在由低威脅環(huán)境逐步向復(fù)雜、高強(qiáng)度對(duì)抗環(huán)境拓展，這要求無(wú)人直升機(jī)必須具備較強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)生存力，以及執(zhí)行察打一體、電子對(duì)抗、物資運(yùn)輸、搜索與救援等任務(wù)。因此，無(wú)人直升機(jī)應(yīng)具備較大的任務(wù)載荷重量。為滿足遠(yuǎn)程、長(zhǎng)航時(shí)作戰(zhàn)任務(wù)的需求，無(wú)人直升機(jī)的續(xù)航能力須要不斷提升。

隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，無(wú)人直升機(jī)將采用大功重比、低油耗率的新一代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)（如通用公司T901渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)），高強(qiáng)度、輕質(zhì)機(jī)體，低噪聲高性能旋翼系統(tǒng)（如空客直升機(jī)公司“藍(lán)邊”（Blue Edge）槳葉），旋翼變轉(zhuǎn)速技術(shù)等，將進(jìn)一步提升續(xù)航能力。

構(gòu)型創(chuàng)新發(fā)展

早期的無(wú)人直升機(jī)主要部署在艦船上，以執(zhí)行海上偵察任務(wù)，其任務(wù)能力和使用環(huán)境相對(duì)單一，大部分無(wú)人直升機(jī)由有人直升機(jī)無(wú)人化改型而成，并未開(kāi)展面向任務(wù)的正向設(shè)計(jì)。近年，隨著無(wú)人直升機(jī)技術(shù)的加速發(fā)展以及無(wú)人直升機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，單一構(gòu)型已經(jīng)難以滿足不同作戰(zhàn)場(chǎng)景下的任務(wù)需求。因此，無(wú)人直升機(jī)出現(xiàn)了構(gòu)型多樣化發(fā)展的趨勢(shì)，其主要構(gòu)型如表2所示。

表2 各種無(wú)人直升機(jī)構(gòu)型。

直升機(jī)所采用的新技術(shù)的比例通?？刂圃?5%以下，超過(guò)15%就會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)。因此，我國(guó)新構(gòu)型無(wú)人直升機(jī)在發(fā)展過(guò)程中催生了一種全新的裝備研制模式，即與有人直升機(jī)具有相同構(gòu)型的無(wú)人直升機(jī)預(yù)先研制可有效化解有人直升機(jī)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)?！盁o(wú)人先行，梯度研制”將成為有人直升機(jī)新構(gòu)型設(shè)計(jì)的全新探索模式，并進(jìn)一步推動(dòng)新構(gòu)型無(wú)人直升機(jī)的加速發(fā)展。

戰(zhàn)場(chǎng)生存力不斷增強(qiáng)

圖3 無(wú)人直升機(jī)任務(wù)載荷重量、燃油重量與最大續(xù)航時(shí)間。

圖4 新一代T901渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖5 “藍(lán)邊”低噪聲高性能槳葉。

與有人直升機(jī)相比，無(wú)人直升機(jī)當(dāng)前受到智能化和自主化水平的制約，其飛行譜所包含的飛行狀態(tài)相對(duì)單一，缺少螺旋轉(zhuǎn)彎、大坡度角水平轉(zhuǎn)彎、俯沖拉起等機(jī)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致了無(wú)人直升機(jī)的機(jī)動(dòng)能力相對(duì)有限。所以，無(wú)人直升機(jī)只適合在相對(duì)安全的環(huán)境中執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)偵察、后勤物質(zhì)補(bǔ)給等作戰(zhàn)任務(wù)。未來(lái)，隨著無(wú)人化改型技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)人直升機(jī)所承擔(dān)的作戰(zhàn)任務(wù)將愈加豐富，但是在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中可能面臨各種各樣的潛在威脅。因此，無(wú)人直升機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)生存力提升是無(wú)人直升機(jī)的重要發(fā)展方向之一。

為了確保無(wú)人直升機(jī)順利完成任務(wù)后安全返航，在綜合權(quán)衡性能、重量和成本的前提下，技術(shù)人員必須開(kāi)展無(wú)人直升機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)生存力設(shè)計(jì)。無(wú)人直升機(jī)的生存力與如下四種措施密切相關(guān)。

防探測(cè)

部分無(wú)人直升機(jī)采用了低雷達(dá)散射特性、低噪聲特性及低可見(jiàn)度涂裝設(shè)計(jì)，降低了被探測(cè)的概率。但是，由于目前無(wú)人直升機(jī)的任務(wù)載荷能力有限，且絕大部分機(jī)型以航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置。因此，鮮有無(wú)人直升機(jī)采取降低紅外熱輻射特性的技術(shù)措施，如發(fā)動(dòng)機(jī)紅外熱輻射抑制器等。

防擊中

無(wú)人直升機(jī)被發(fā)現(xiàn)后應(yīng)躲避攻擊，降低被擊中的概率。受智能化與自主化水平的限制，無(wú)人直升機(jī)機(jī)動(dòng)能力比有人直升機(jī)弱，難以通過(guò)機(jī)動(dòng)飛行躲避敵方威脅。目前，無(wú)人直升機(jī)主要通過(guò)加裝預(yù)警雷達(dá)、紅外預(yù)警裝置、激光預(yù)警器及導(dǎo)彈逼近預(yù)警裝置等綜合自衛(wèi)設(shè)備來(lái)降低被敵方武器擊中的概率。后期隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人直升機(jī)飛行譜中的飛行狀態(tài)將逐步接近或超越有人直升機(jī)，飛行管理計(jì)算機(jī)可以完全替代操控員，操控?zé)o人直升機(jī)完成一些復(fù)雜的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)動(dòng)作。

防擊落

為確保無(wú)人直升機(jī)被敵方火力擊中后不影響作戰(zhàn)任務(wù)的完成或能夠安全返回基地，一些中型無(wú)人直升機(jī)的主槳葉應(yīng)具備一定的抗彈擊能力（如抗擊7.62mm口徑的子彈），傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具備一定的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力，降低易損性。后期在作戰(zhàn)需求牽引下，無(wú)人直升機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)和部件須要加裝防護(hù)裝甲；燃油系統(tǒng)須加裝火警器、滅火裝置等設(shè)備；燃油箱須具備密封功能。隨著應(yīng)用場(chǎng)景的逐步拓展，技術(shù)人員應(yīng)開(kāi)展無(wú)人直升機(jī)抗墜毀設(shè)計(jì)。

圖6 MQ-8B無(wú)人直升機(jī)飛行譜。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)紅外熱輻射抑制器。

圖8 尾槳葉抗彈擊示意圖。

抗干擾

為滿足拒止環(huán)境下的作戰(zhàn)使用需求，組合導(dǎo)航系統(tǒng)在具備較強(qiáng)抗干擾能力的同時(shí)，還須采用自主導(dǎo)航手段作為備份導(dǎo)航，如視覺(jué)輔助導(dǎo)航、天體輔助導(dǎo)航及磁異常輔助導(dǎo)航等手段。數(shù)據(jù)鏈采用跳頻、擴(kuò)頻等技術(shù)手段，以提高抗干擾能力。同時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)鏈中斷時(shí)，無(wú)人直升機(jī)需進(jìn)一步提升自主飛行能力，確保順利完成作戰(zhàn)任務(wù)且安全返航，或者采用北斗短報(bào)文作為地面控制站與無(wú)人直升機(jī)之間的應(yīng)急通信手段。

自主性不斷提高

自主控制技術(shù)發(fā)展

自主控制意味著無(wú)人直升機(jī)不需要人員操控，以最優(yōu)方式執(zhí)行給定的控制策略，而且具有快速而有效的自適應(yīng)能力、在線環(huán)境態(tài)勢(shì)感知能力、信息處理能力和系統(tǒng)重構(gòu)能力。自主控制技術(shù)作為無(wú)人直升機(jī)的“大腦”，其水平的高低直接影響無(wú)人直升機(jī)在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下所承擔(dān)任務(wù)的種類、完成率。

自主控制能力評(píng)估的量化方法有多種，例如美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)定義的自主控制等級(jí)(ACL)評(píng)估方法，該方法共分10個(gè)等級(jí)。自主控制等級(jí)中的第10級(jí)可以被視為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主性的第10級(jí)臺(tái)階。美國(guó)國(guó)防部發(fā)布的1～3版無(wú)人機(jī)路線圖對(duì)自主控制等級(jí)有所論述，但沒(méi)有明確各等級(jí)的定義。目前，國(guó)內(nèi)外無(wú)人直升機(jī)自主控制等級(jí)大多集中在3～4級(jí)。

無(wú)人直升機(jī)自主控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是逐步實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)和感知規(guī)避，即無(wú)人直升機(jī)具備按預(yù)定航線飛行、自動(dòng)起降、自動(dòng)返航、實(shí)時(shí)故障診斷、動(dòng)態(tài)航線規(guī)劃、自主選擇目標(biāo)、威脅規(guī)避等智能決策與控制能力。未來(lái)，無(wú)人直升機(jī)集群將具備多機(jī)協(xié)同控制、集群自主控制能力。

自主導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展

自主導(dǎo)航技術(shù)作為當(dāng)前無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，其重要程度不言而喻。目前，衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)在無(wú)人直升機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但是，在電磁環(huán)境日益復(fù)雜、頻譜對(duì)抗日益激烈的未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，GNSS極易受到外界有意或無(wú)意的干擾。在拒止環(huán)境下，為確保無(wú)人直升機(jī)定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）的主導(dǎo)權(quán)，無(wú)人直升機(jī)必須降低對(duì)GNSS的依賴，相關(guān)單位應(yīng)著手發(fā)展無(wú)源、不易受外界干擾的自主導(dǎo)航系統(tǒng)。自主導(dǎo)航系統(tǒng)主要依靠各類機(jī)載傳感器來(lái)增強(qiáng)或輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，目前主流自主導(dǎo)航系統(tǒng)主要有視覺(jué)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)、天體輔助導(dǎo)航系統(tǒng)和磁異常輔助導(dǎo)航系統(tǒng)。其中，視覺(jué)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)依靠光電吊艙、合成孔徑雷達(dá)（SAR）等傳感器提供實(shí)時(shí)影像，并將傳感器獲取的影像與無(wú)人直升機(jī)上預(yù)先加載的高分辨率數(shù)字地圖進(jìn)行比較，從而為無(wú)人直升機(jī)提供準(zhǔn)確的位置信息；天體輔助導(dǎo)航系統(tǒng)是一種基于常駐空間物體（RSO）和恒星的導(dǎo)航解決方案；磁異常輔助導(dǎo)航通過(guò)測(cè)量地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度，并將測(cè)量結(jié)果與磁性地圖進(jìn)行比較，以準(zhǔn)確識(shí)別無(wú)人直升機(jī)的地理位置。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和制造商均對(duì)上述自主導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了大量理論研究和驗(yàn)證試驗(yàn)，預(yù)計(jì)不久將開(kāi)展裝機(jī)應(yīng)用。

圖9 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾天線。

互聯(lián)互通互操作能力實(shí)現(xiàn)

隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，以平臺(tái)為中心的機(jī)械戰(zhàn)正在向以網(wǎng)絡(luò)為中心的信息戰(zhàn)方向發(fā)展，單平臺(tái)的傳統(tǒng)作戰(zhàn)模式正在向多平臺(tái)信息對(duì)抗和體系對(duì)抗模式發(fā)展，無(wú)人直升機(jī)對(duì)信息的依賴程度越來(lái)越高。為適應(yīng)聯(lián)合作戰(zhàn)、協(xié)同作戰(zhàn)和機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)等未來(lái)高科技戰(zhàn)爭(zhēng)的基本作戰(zhàn)樣式，首先，無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)應(yīng)與指揮系統(tǒng)互聯(lián)互通，信息接口及交換格式應(yīng)遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)空基準(zhǔn)遵循統(tǒng)一要求；其次，地面控制站需采用開(kāi)放式體系架構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，軟硬件應(yīng)使用大量商用貨架（COTS）產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)通用地面控制站控制不同型號(hào)無(wú)人機(jī)的目的，便于系統(tǒng)后期維護(hù)與升級(jí)。

總結(jié)

無(wú)人直升機(jī)作為未來(lái)作戰(zhàn)體系的重要組成部分，具有其他裝備不可替代的作用，將逐步向大載重、長(zhǎng)航時(shí)、新構(gòu)型、智能化、自主化、體系化等方向發(fā)展。新的作戰(zhàn)模式、設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法引入將推動(dòng)無(wú)人直升機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，以滿足各軍兵種在未來(lái)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的裝備使用需求。

圖10 無(wú)人機(jī)導(dǎo)航公司（UAV Navigation）開(kāi)發(fā)的視覺(jué)輔助導(dǎo)航設(shè)備。

圖11 無(wú)人直升機(jī)體系化作戰(zhàn)示意圖。