無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展方向和技術(shù)難點(diǎn)

聶順鵬、姬樂(lè)強(qiáng)、蘆志明

中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)正朝著科技化、智能化和信息化方向高速發(fā)展，無(wú)人直升機(jī)作為重要的武器裝備，正成為各國(guó)的研究熱點(diǎn)。本文以國(guó)內(nèi)外無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀為切入點(diǎn)，結(jié)合無(wú)人直升機(jī)的分類(lèi)和作用等因素，對(duì)無(wú)人直升機(jī)的未來(lái)發(fā)展方向和技術(shù)難點(diǎn)展開(kāi)了深入剖析。

無(wú)人直升機(jī)具備直升機(jī)所有的飛行和應(yīng)用功能，因其無(wú)人化的優(yōu)勢(shì)、具備零傷亡的特點(diǎn)以及可在復(fù)雜惡劣環(huán)境下使用的功能，無(wú)人直升機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域，無(wú)人直升機(jī)可以遂行通信中繼、核輻射偵察、目標(biāo)打擊和偵察警戒等任務(wù)，在民用領(lǐng)域，無(wú)人直升機(jī)可以遂行電網(wǎng)巡線(xiàn)、圖像拍攝和地理探測(cè)等任務(wù)。

按照無(wú)人機(jī)飛行方式分類(lèi)，無(wú)人機(jī)可分為固定翼無(wú)人機(jī)、旋翼無(wú)人直升機(jī)和撲翼無(wú)人機(jī)等。當(dāng)前運(yùn)用于作戰(zhàn)的主要是固定翼無(wú)人機(jī)和旋翼無(wú)人直升機(jī)。與固定翼無(wú)人機(jī)相比，無(wú)人直升機(jī)在氣動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和傳熱學(xué)等技術(shù)問(wèn)題上更復(fù)雜。無(wú)人直升機(jī)具備垂直起降和定點(diǎn)懸停兩大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在作戰(zhàn)中，垂直起降的特點(diǎn)可使飛機(jī)受場(chǎng)地影響較小，不需要修建機(jī)場(chǎng)，即可在狹窄的山地、島嶼和艦船上進(jìn)行快速部署，具有良好的超低空和貼地飛行能力，增加了對(duì)其探測(cè)和跟蹤的難度。而定點(diǎn)懸停是無(wú)人直升機(jī)與固定翼無(wú)人機(jī)相比最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，無(wú)人直升機(jī)依靠旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，可在空中懸停，再搜索確認(rèn)目標(biāo)，可以提高目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率，且可以利用其可快、可慢、可空中懸停的優(yōu)勢(shì)和不易被敵方發(fā)現(xiàn)與攻擊的特點(diǎn)，對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行全天候360°偵察、監(jiān)視，也可擔(dān)負(fù)對(duì)地攻擊、空中格斗、攔截導(dǎo)彈、自殺性攻擊，還可以充當(dāng)瞄準(zhǔn)平臺(tái)，在空中與戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞，對(duì)敵人實(shí)施精準(zhǔn)打擊。

國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外無(wú)人直升機(jī)的研制始于20世紀(jì)50年代。起初，國(guó)外研發(fā)的無(wú)人直升機(jī)主要以輕小型為主，代表的產(chǎn)品有美國(guó)基羅達(dá)因公司（Gyrodyne）的QH-50艦載無(wú)人直升機(jī)、加拿大龐巴迪公司的CL-227“哨兵”無(wú)人直升機(jī)和日本雅馬哈公司的RX-50“小精靈”無(wú)人直升機(jī)。此后，由于許多技術(shù)難點(diǎn)未能突破，無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展較為緩慢，直到20世紀(jì)80年代，隨著控制技術(shù)、信息技術(shù)及傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)人直升機(jī)也躍入了一個(gè)新的階段，各種多功能、智能化、高可靠性的無(wú)人直升機(jī)相繼出現(xiàn)。比較典型的有美國(guó)諾斯羅普-格魯門(mén)公司研發(fā)的偵察打擊型RQ-8A/MQ-8B/MQ-8C“火力偵察兵”、美國(guó)卡曼公司研發(fā)的戰(zhàn)場(chǎng)運(yùn)輸型K-MAX無(wú)人直升機(jī)、美國(guó)波音公司研發(fā)的攻擊型A160“蜂鳥(niǎo)”無(wú)人直升機(jī)、美國(guó)貝爾公司研發(fā)的“鷹眼”（Eagle Eye）傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人直升機(jī)、奧地利西貝爾公司研發(fā)的S-100艦載無(wú)人直升機(jī)、瑞典薩伯公司研發(fā)的V-200無(wú)人直升機(jī)及意大利萊昂納多公司研發(fā)的SW-4無(wú)人直升機(jī)等。

QH-50 無(wú)人直升機(jī)

MQ-8B無(wú)人直升機(jī)

S-100“坎姆考普特”無(wú)人直升機(jī)

國(guó)內(nèi)無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展起步于20世紀(jì)80年代，主要是院校和民企開(kāi)展相關(guān)研究，但投入的資源十分有限，研制的產(chǎn)品基本是最大起飛重量為500kg以下的小型無(wú)人直升機(jī)。直到20世紀(jì)90年代，南京航空航天大學(xué)開(kāi)始研制“翔鳥(niǎo)”無(wú)人直升機(jī)，北京航空航天大學(xué)開(kāi)始研制BZK010共軸雙旋翼無(wú)人直升機(jī)，并于2004年實(shí)現(xiàn)自主飛行。進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展形勢(shì)有所好轉(zhuǎn)，一些專(zhuān)業(yè)研究機(jī)構(gòu)、國(guó)企和民企紛紛加入研發(fā)行列，研發(fā)了多款無(wú)人直升機(jī)，產(chǎn)品性能得以明顯提高，任務(wù)能力覆蓋了海事監(jiān)管、森林防火、安保消防及照明喊話(huà)等領(lǐng)域。中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所研發(fā)了AR-500系列無(wú)人直升機(jī)，產(chǎn)品在國(guó)際軍貿(mào)領(lǐng)域、國(guó)內(nèi)軍民領(lǐng)域得到了比較廣泛的運(yùn)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(chǎng)規(guī)模。南京模擬技術(shù)研究所研發(fā)了Z5系列無(wú)人直升機(jī)，產(chǎn)品在軍民領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用，形成了一定市場(chǎng)規(guī)模；北京中航智公司研發(fā)了TD系列無(wú)人直升機(jī)，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)銷(xiāo)售，也形成了一定市場(chǎng)規(guī)模；珠海隆華直升機(jī)科技有限公司研發(fā)了XV系列無(wú)人直升機(jī)，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(jī)有限公司研制了“小青龍”系列無(wú)人直升機(jī)等。

發(fā)展方向

良好的隱身性及多功能一體化

未來(lái)無(wú)人直升機(jī)將廣泛使用復(fù)合材料、雷達(dá)吸波材料和紅外隱身涂料，并將采用獨(dú)特的發(fā)動(dòng)機(jī)裝置與雷達(dá)橫截面設(shè)計(jì)，可有效減少紅外線(xiàn)信號(hào)，躲避雷達(dá)監(jiān)視，甚至可令敵方導(dǎo)彈“誤入歧途”。由于作戰(zhàn)任務(wù)的多樣性和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，未來(lái)無(wú)人直升機(jī)上將安裝穩(wěn)定的電視自動(dòng)攝像機(jī)、紅外照相機(jī)和電子對(duì)抗等任務(wù)設(shè)備，以便于在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的第一時(shí)間迅速反應(yīng)并直接精確打擊，這樣將大大縮短反應(yīng)時(shí)間，提高戰(zhàn)斗力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)“零傷亡”。

平臺(tái)通用化

縱觀各個(gè)國(guó)家武器裝備行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，平臺(tái)通用化是各國(guó)發(fā)展的大方向。無(wú)人直升機(jī)作為一款戰(zhàn)斗中不可或缺的武器裝備，其通用化的發(fā)展也是我們關(guān)注的發(fā)展焦點(diǎn)。平臺(tái)通用化主要包含“一機(jī)多型、一機(jī)多用”及全軍通用化兩方面。“一機(jī)多型，一機(jī)多用”指的是在一個(gè)無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)上，可發(fā)展偵察型、中繼型、武裝型、運(yùn)輸型等各種類(lèi)型。目前國(guó)內(nèi)外無(wú)人直升機(jī)在研制時(shí)都具有較為鮮明的軍兵種特色，全軍通用化指的是未來(lái)無(wú)人直升機(jī)裝備在設(shè)計(jì)之初應(yīng)站在全軍的使用角度考慮，考慮“陸、海、空、天”部隊(duì)的作戰(zhàn)使用需求。

“翔鳥(niǎo)”無(wú)人直升機(jī)

BZK01無(wú)人直升機(jī)

AR-500系列無(wú)人直升機(jī)

Z5系列無(wú)人直升機(jī)

TD220 無(wú)人直升機(jī)

“小青龍”系列無(wú)人直升機(jī)

大載重、長(zhǎng)航時(shí)

隨著飛行控制技術(shù)、測(cè)控技術(shù)等平臺(tái)控制技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)的性能將得到大幅提升，執(zhí)行任務(wù)的能力越來(lái)越強(qiáng)，無(wú)人直升機(jī)作戰(zhàn)半徑、任務(wù)時(shí)間的指標(biāo)需求也在不斷增加，對(duì)大型無(wú)人直升機(jī)的需求也越來(lái)越迫切。未來(lái)無(wú)人直升機(jī)空中續(xù)航時(shí)間將不小于10小時(shí)，且考慮到無(wú)人直升機(jī)需攜帶大量任務(wù)設(shè)備，因而無(wú)人直升機(jī)需具備大載重的平臺(tái)性能。鑒于國(guó)內(nèi)外缺乏大載重、長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人直升機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們可充分借鑒現(xiàn)有有人直升機(jī)的平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)改型設(shè)計(jì)，加快大型無(wú)人直升機(jī)的研制。

高智能化

目前無(wú)人直升機(jī)的主要缺點(diǎn)是缺少應(yīng)對(duì)突發(fā)性事件的能力，只能執(zhí)行預(yù)定的任務(wù)方案，智能化程度相對(duì)較低，戰(zhàn)場(chǎng)靈活度與有人直升機(jī)相差較大?；跓o(wú)人的特點(diǎn)，智能化將在未來(lái)無(wú)人直升機(jī)產(chǎn)業(yè)中有更廣泛的應(yīng)用。可以預(yù)見(jiàn)的是，智能化飛行控制、智能化航電系統(tǒng)、智能化機(jī)電系統(tǒng)、智能化任務(wù)控制系統(tǒng)等智能化系統(tǒng)將在未來(lái)無(wú)人直升機(jī)上大量普及，極大地減少地面操作人員的工作量，使地面人員從繁重的飛行操縱及任務(wù)操縱中解放出來(lái)，更多地投入到指揮決策中，從而提高作戰(zhàn)效能。

5G通信的結(jié)合

無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)傳輸時(shí)延有極為嚴(yán)格的要求，為保證無(wú)人機(jī)的操作準(zhǔn)確性，需要通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的運(yùn)用，保證無(wú)人機(jī)操作實(shí)時(shí)控制響應(yīng)效果。運(yùn)用5G通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延問(wèn)題的有效控制，有效提高單個(gè)用戶(hù)空口數(shù)據(jù)傳輸帶寬，為無(wú)人機(jī)應(yīng)用與數(shù)據(jù)信息采集提供可靠的技術(shù)保障。

技術(shù)難點(diǎn)

飛行控制技術(shù)無(wú)人直升機(jī)作為受控對(duì)象，具有多變量、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合性、時(shí)變性等特點(diǎn)，是一種穩(wěn)定性差、不易操縱和難以控制的飛行器。目前飛行控制技術(shù)是制約無(wú)人直升機(jī)發(fā)展的一大因素，也是決定無(wú)人直升機(jī)飛行品質(zhì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前無(wú)人直升機(jī)的飛行控制技術(shù)還不夠成熟，各國(guó)研發(fā)的無(wú)人直升機(jī)大多實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)飛行，但在不同環(huán)境和風(fēng)速條件下，自動(dòng)控制功能的可靠性和精度、自動(dòng)起飛、自動(dòng)著陸著艦等功能還在研究和仿真試驗(yàn)階段中，且缺乏應(yīng)付突發(fā)性事件的能力，系統(tǒng)只能執(zhí)行預(yù)定的作戰(zhàn)任務(wù)。

在飛行控制技術(shù)成熟后，無(wú)人直升機(jī)將集自主飛行、自動(dòng)飛行和人工實(shí)時(shí)遙控飛行于一身，并可通過(guò)指令切換飛行方式，從而既可適應(yīng)不同場(chǎng)合又可執(zhí)行不同任務(wù)，在緊急情況下還可以利用飛行控制技術(shù)提高生存力。

自主檢測(cè)及避障技術(shù)隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)加強(qiáng)自主檢測(cè)及避障技術(shù)方面的研究，這樣能夠及時(shí)避開(kāi)飛行路徑中的障礙物，極大地降低因?yàn)椴僮魇д`帶來(lái)的損失，減少撞機(jī)事故次數(shù)，而這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于自主檢測(cè)、環(huán)境感知、路徑規(guī)劃三方面。其主要的原理為：先通過(guò)無(wú)人機(jī)本體上所具備的傳感器對(duì)障礙物進(jìn)行自主檢測(cè)，再通過(guò)傳感器對(duì)障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)距離監(jiān)控并回傳，最后根據(jù)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)選擇合適的算法進(jìn)行路徑規(guī)劃進(jìn)而完成飛行。目前，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主檢測(cè)與避障技術(shù)的方式比較單一，但是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，自主檢測(cè)系統(tǒng)也將不斷完善。

遙測(cè)遙控技術(shù)在作戰(zhàn)時(shí)，無(wú)人直升機(jī)和地面控制站之間必須有穩(wěn)定、可靠、高速的數(shù)據(jù)傳輸通道，地面人員對(duì)飛機(jī)的各種監(jiān)視測(cè)量和操縱控制都依賴(lài)于提供數(shù)據(jù)通道的遙測(cè)遙控技術(shù)。由于無(wú)人直升機(jī)使用環(huán)境的特殊性，要求遙測(cè)遙控技術(shù)具有以下特點(diǎn)：遙測(cè)數(shù)據(jù)具有高可靠性和高實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)對(duì)異常情況能夠快速有效的提示和反應(yīng)；高機(jī)動(dòng)飛行的情況下確保通信鏈路穩(wěn)定可靠，為保證數(shù)據(jù)的正確穩(wěn)定，系統(tǒng)應(yīng)具有低誤碼率；由于重量限制，要求機(jī)載設(shè)備盡量降低復(fù)雜度，做到簡(jiǎn)單可靠；遙測(cè)數(shù)據(jù)具有良好的可視化方法，地面設(shè)備要求簡(jiǎn)潔、高效，以符合車(chē)載移動(dòng)地面站安裝和使用。

數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)目前無(wú)人機(jī)面臨的抗干擾挑戰(zhàn)主要有信息遠(yuǎn)距離傳輸帶來(lái)的路徑損耗、傳播途徑中的障礙物造成的衰落、無(wú)人機(jī)的高速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻移、復(fù)雜的頻譜環(huán)境帶來(lái)的干擾和阻塞。為提高無(wú)人機(jī)通信可靠性和有效性，今后需研究的重點(diǎn)方面有：低功耗MIMO系統(tǒng)的集成；以擴(kuò)頻和跳頻技術(shù)為代表的抗干擾技術(shù)的研究和使用；有限頻譜資源限制下，高吞吐量、高可靠性的物理層和MAC層協(xié)議和策略；無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及其他無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的整合。

動(dòng)力系統(tǒng)的合理匹配 動(dòng)力系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，而為不同種類(lèi)的無(wú)人直升機(jī)搭配相應(yīng)的“心臟”對(duì)其作戰(zhàn)用途而言意義重大。當(dāng)前階段，無(wú)人直升機(jī)的動(dòng)力裝置主要采用了電動(dòng)機(jī)、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)三種。其中電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)主要匹配續(xù)航時(shí)間短、起飛重量輕的多旋翼無(wú)人直升機(jī)；活塞發(fā)動(dòng)機(jī)主要匹配低空低速、起飛質(zhì)量小于1000kg的中小型無(wú)人直升機(jī)；渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)主要匹配高空長(zhǎng)航時(shí)、起飛質(zhì)量大于1000kg的大型無(wú)人直升機(jī)。

總的來(lái)說(shuō)，無(wú)人直升機(jī)作為信息技術(shù)時(shí)代的產(chǎn)物，憑借自身結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)場(chǎng)靈活、垂直起降等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、民用以及各類(lèi)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)，而從其實(shí)際發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，無(wú)人直升機(jī)面臨著技術(shù)和應(yīng)用的雙重壓力，需不斷打破傳統(tǒng)技術(shù)形式，積極引進(jìn)現(xiàn)代化信息技術(shù)，推動(dòng)無(wú)人直升機(jī)在技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。 ■