軍用無人機(jī)載緊湊型光電吊艙發(fā)展及作戰(zhàn)運(yùn)用

吳依倫,孫春生

(1.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院,湖北 武漢 430000;2.中國人民解放軍92038部隊(duì),山東 青島 266000)

1 引 言

光電載荷是伴隨著無人系統(tǒng)的軍事用途而產(chǎn)生的,按照作戰(zhàn)功能,機(jī)載光電載荷主要分為凝視觀瞄、情報(bào)偵察、紅外搜索與跟蹤、告警與對(duì)抗四類[1],載機(jī)通過光電載荷能夠掌握態(tài)勢(shì)的演變和瞬息萬變的情報(bào)信息,并為制導(dǎo)武器提供指引和毀傷評(píng)估。國外代表性的機(jī)載光電載荷有美國的“阻擊手”光電瞄準(zhǔn)吊艙、LITENING 瞄準(zhǔn)吊艙、EOTS光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、MTS多光譜瞄準(zhǔn)轉(zhuǎn)塔、Star SAFIRE系列產(chǎn)品,以色列的ESP-600C、MOSP、POP300 系列產(chǎn)品,加拿大的MX系列和Sonoma系列產(chǎn)品等[2-4],以上裝備雖然技術(shù)成熟、性能卓越,但是廣泛用于戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)、大型無人機(jī)等平臺(tái),重量和體積很大。早期小微型無人機(jī)受載荷能力限制,掛載的光電吊艙能力通常較為單一,多執(zhí)行抵近偵察及監(jiān)視任務(wù),隨著對(duì)機(jī)載光電系統(tǒng)性能要求的提高以及尺寸、重量和功率(Size、Weight and Power,SWaP)的限制,機(jī)載光電載荷向著精準(zhǔn)化、小型化、智能化、多任務(wù)綜合化發(fā)展[5]。

2022年,美國相繼推出了多款配備可見光、紅外、激光指示、激光照射等光電載荷的緊湊型光電吊艙,不僅具備全天候偵察、監(jiān)視、目標(biāo)定位跟蹤能力,還能引導(dǎo)精確制導(dǎo)武器實(shí)施打擊,作戰(zhàn)功能較為完備。隨著美國陸軍“多域戰(zhàn)”概念的提出[6],將此類光電吊艙搭載于傳統(tǒng)防空系統(tǒng)難以攔截的小微型無人機(jī)[7-8],配合微型制導(dǎo)彈藥,將打破傳統(tǒng)作戰(zhàn)領(lǐng)域的界限,在戰(zhàn)術(shù)末端對(duì)未來戰(zhàn)場(chǎng)的作戰(zhàn)樣式產(chǎn)生重大影響。

2 國內(nèi)外典型多功能緊湊型光電吊艙

美國陸軍無人機(jī)系統(tǒng)卓越中心根據(jù)起飛重量、飛行高度和飛行速度等要素,將ISR無人機(jī)劃分為五類[9],如表1所示。本文將第Ⅰ、Ⅱ類無人機(jī)及起飛重量小于50 kg的第Ⅲ類無人機(jī)稱作小微型無人機(jī),能夠搭載于小微型無人機(jī)且重量不超過8 kg的光電載荷定義為緊湊型光電吊艙。

表1 美軍無人機(jī)分類標(biāo)準(zhǔn)

2.1 StormCaster系列光電吊艙

美國Teledyne FLIR公司有著先進(jìn)的傳感器技術(shù),為包括大疆在內(nèi)的世界各大無人機(jī)制造商提供傳感器支持。2019年,推出Ⅰ類無人機(jī)載光電載荷Storm Caster系列,旨在為單兵或小型作戰(zhàn)單元提供多功能、高性能ISR能力。第一代產(chǎn)品有連續(xù)變焦長波紅外成像的Storm Caster-T,以及具備微光成像、跟蹤和測(cè)繪能力的Storm Caster-L光電吊艙。2022年5月,發(fā)布該系列最新型號(hào)Storm Caster-DX[10],這是一款具有突破性的多功能激光目標(biāo)指示光電載荷,能夠提供符合STANAG 3733標(biāo)準(zhǔn)的指示激光,引導(dǎo)北約成員國激光制導(dǎo)彈藥末端制導(dǎo),重量僅有1250 g,它的出現(xiàn)使激光指示能力首次由第Ⅰ類無人機(jī)實(shí)現(xiàn)。此外,Storm Caster-DX還配備了兩臺(tái)FLIRBoson 640長波紅外熱像儀,支持畫中畫,內(nèi)置用于輔助定位的人工智能/計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng),并具備非合作激光檢測(cè)、解碼及定位能力。

2.2 Alticam 11EOIR系列光電吊艙

美國HoodTech Vision公司,是全球穩(wěn)定成像系統(tǒng)的領(lǐng)先供應(yīng)商,其設(shè)計(jì)具有低SWaP的特點(diǎn),與加拿大L3公司的MX-10相比,在擁有更高探測(cè)能力的同時(shí)其產(chǎn)品的重量減少了10 kg。Alticam 11EOIR系列是其典型的多功能緊湊型光電吊艙,最新型號(hào)Alticam 11EOIR5由Hood Federal研發(fā)[11]。Alticam 11EOIR5具備小巧、輕便、低功耗的優(yōu)點(diǎn),重6200 g,直徑254 mm,配備可見光、中波紅外、激光指示和激光照射光電載荷,具備全天候偵察、定位、跟蹤能力,兩個(gè)同時(shí)的視頻流允許同步開展寬視場(chǎng)的態(tài)勢(shì)感知和窄視場(chǎng)的目標(biāo)識(shí)別,激光目標(biāo)指示器可為激光制導(dǎo)彈藥提供符合北約標(biāo)準(zhǔn)的指示激光。

2.3 Orion HD系列光電吊艙

美國Trillium Engineering公司是為小型無人機(jī)系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)開發(fā)光電載荷的領(lǐng)先者,其尖端成像技術(shù)已被整合到各種領(lǐng)先的無人機(jī)平臺(tái)中,包括在美國陸軍現(xiàn)役的德事隆系統(tǒng)Aerosonde、量子系統(tǒng)Vector和馬丁無人機(jī)V-BAT。Trillium Engineering公司和Martin UAV公司建立了密切的關(guān)系,為其機(jī)身開發(fā)特殊的集成,2021年6月,Trillium宣布向Martin UAV公司提供Orion HD80光電載荷系統(tǒng),同年與美國海軍簽訂原型設(shè)計(jì)合同。Orion HD系列光電吊艙從2014年開始生產(chǎn)[12],全系提供720 p高清數(shù)字監(jiān)控功能,配備可見光和紅外攝像頭,用戶可根據(jù)需求選裝中波紅外和前視紅外相機(jī),具備850 nm激光照射和數(shù)字測(cè)距功能。其最新型號(hào)Orion HD95專門為美國陸軍設(shè)計(jì)制造,安裝在Aerosonde Mk.4.8 Hybrid Quad小型無人機(jī)系統(tǒng)上,來滿足美國陸軍對(duì)未來垂直升降機(jī)的要求。配備0.9 FOV中波紅外攝像機(jī),可在更遠(yuǎn)的距離提供更高的分辨率,以及發(fā)散角400 μrad的符合STANAG 3733標(biāo)準(zhǔn)的激光目標(biāo)指示器。

2.4 STAMP系列光電吊艙

以色列Controp精密技術(shù)公司的 STAMP系列是專為小型無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一類穩(wěn)定微型光電載荷[13],裝配了獨(dú)特的機(jī)械陀螺穩(wěn)定系統(tǒng),能夠提供高質(zhì)量圖像和視覺融合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。該系列型號(hào)繁多,且已搭載于“云雀”、“鳥眼”和Skylite等小型無人機(jī)服役多年,主要用于執(zhí)行偵察任務(wù),成像質(zhì)量堪比大型無人機(jī)光電載荷。2016年,Controp發(fā)布T-STAMP三重傳感(可見光/紅外/0.8 μm激光照射)微型載荷,被色列國防部門及其他國際客戶采購使用。2017年和2019年,相繼推出了T-STAMP-XR和T-STAMP-XD光電吊艙,XR是該系列首款具備激光指示功能的產(chǎn)品,重3.5 kg,XD在XR基礎(chǔ)上提升了指示激光的功率并增加了激光測(cè)距模塊。

2.5 Epsilon系列光電吊艙

美國UAV Factory公司是小型無人機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者,旗下Octopus ISR 系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)的Epsilon系列陀螺穩(wěn)定雙傳感器吊艙可用于監(jiān)視、偵察和軍事保護(hù)[14]。2015年,發(fā)布該系列第一款產(chǎn)品Epsilon 135,目前最新型號(hào)為Epsilon 180,集成全高清電視,中波紅外,激光測(cè)距儀和激光照射器4種光學(xué)傳感器,對(duì)人類目標(biāo)(1.7 m×0.5 m)的探測(cè)、識(shí)別距離分別為8.6 km,2.9 km,對(duì)北約標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)(2.3 m×2.3 m)的探測(cè)、識(shí)別距離分別為12.4 km,7.0 km。產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 國外典型緊湊型光電吊艙主要技術(shù)參數(shù)

2.6 國內(nèi)緊湊型光電吊艙

我國對(duì)光電載荷的研究與發(fā)達(dá)國家相比起步較晚,現(xiàn)役軍用光電吊艙技術(shù)指標(biāo)處于美國上世紀(jì)90年代初的水準(zhǔn)[15],小型化光電吊艙的差距更為明顯。近年來,隨著軍民融合程度不斷加深和無人化智能化技術(shù)的推廣,國內(nèi)緊湊型光電吊艙的發(fā)展也逐步成熟。

大疆致力于成為全球飛行影像的開拓者,其行業(yè)級(jí)光電載荷在國內(nèi)處于行業(yè)領(lǐng)先水平。禪思H20系列是大疆推出的首個(gè)混合傳感器云臺(tái),H20T配備23倍混合光學(xué)變焦系統(tǒng),2000萬像素變焦相機(jī),1200萬像素廣角相機(jī),30幀紅外熱成像相機(jī),1200 m激光測(cè)距儀,H20N配備具備夜視能力的可見光相機(jī)和長焦、廣角雙熱成像相機(jī)。搭配大疆經(jīng)緯M300 RTK無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)跟蹤和定位。除此之外,貫中精儀、浮浩科技、深圳品靈、中科立德等公司的產(chǎn)品也具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。國內(nèi)典型緊湊型光電吊艙的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 國內(nèi)典型緊湊型光電吊艙主要技術(shù)參數(shù)

通過對(duì)比表3和表2列舉的參數(shù)指標(biāo),不難看出,我國緊湊型光電吊艙與國外先進(jìn)型號(hào)的差距是全方位的。主要體現(xiàn)在:(1)載荷集成度——國外小型吊艙標(biāo)配可見光、紅外、激光測(cè)距三光傳感器,基本都能選裝激光照射器,部分型號(hào)可以集成激光指示器,且普遍集成IMU/GPS導(dǎo)航模塊,國內(nèi)目前多集成三光傳感器,具備激光照射和指示功能的光電吊艙體積和重量都大大增加,緊湊型吊艙集成難度大;(2)載荷性能——國外紅外相機(jī)焦距長、靈敏度高,激光測(cè)距最大量程達(dá)15 km,而國產(chǎn)傳感器綜合性能和國外相比依然存在差距,緊湊型光電吊艙激光測(cè)距可查資料最遠(yuǎn)約5 km。

3 緊湊型光電吊艙作戰(zhàn)運(yùn)用

在實(shí)力懸殊的非對(duì)稱戰(zhàn)爭(zhēng)中,擁有絕對(duì)空中優(yōu)勢(shì)的一方能夠建立近距離空中支援,然而在面對(duì)具有先進(jìn)拒止能力的作戰(zhàn)對(duì)手時(shí),能夠攜帶高性能光電載荷的大型作戰(zhàn)飛機(jī)容易被敵方雷達(dá)鎖定攻擊,很難抵近作戰(zhàn)空域提供支援[16-17]。隨著智能化、無人化技術(shù)的不斷進(jìn)步,小微型無人機(jī)憑借其目標(biāo)特征微弱、靈活機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、作戰(zhàn)效費(fèi)比高、傳統(tǒng)防空系統(tǒng)難以攔截的優(yōu)勢(shì),在軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[18]。光電吊艙作為無人機(jī)關(guān)鍵核心載荷,其性能指標(biāo)在很大程度上影響著無人機(jī)能夠擔(dān)負(fù)的作戰(zhàn)任務(wù)以及任務(wù)執(zhí)行效果。緊湊型光電吊艙的發(fā)展,使小微型無人機(jī)從單純的情報(bào)搜集、偵察監(jiān)視設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榧閳?bào)偵察、目標(biāo)引導(dǎo)、毀傷評(píng)估等于一體的作戰(zhàn)平臺(tái)[19-21]。

3.1 開展情報(bào)搜集

實(shí)時(shí)可靠的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)信息是制勝關(guān)鍵,從全球近幾次武裝沖突和局部戰(zhàn)爭(zhēng)來看,傳統(tǒng)無人機(jī)作為戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)搜集、偵察監(jiān)視的主要手段,只能執(zhí)行日常環(huán)境偵察、戰(zhàn)時(shí)中低威脅環(huán)境偵察及高威脅環(huán)境防區(qū)外遠(yuǎn)距偵察任務(wù),執(zhí)行高威脅環(huán)境隱蔽抵近偵察難度大、風(fēng)險(xiǎn)高,導(dǎo)致高對(duì)抗條件下情報(bào)搜集能力不足[22]。緊湊型光電載荷性能的提升,使得隱身性能好、生存能力強(qiáng)的小微型無人機(jī)有效彌補(bǔ)了該能力的缺失。在俄烏沖突中,俄炮兵部隊(duì)廣泛使用攜帶全天候光學(xué)相機(jī)的“海雕-10”無人機(jī)進(jìn)行目標(biāo)搜索和定位,烏克蘭則通過美國援助的“美洲獅”、“量子偵察”等小型無人機(jī)快速偵察抵近困難的作戰(zhàn)區(qū)域,地面部隊(duì)的態(tài)勢(shì)感知能力得到有效保障。

3.2 提供目標(biāo)引導(dǎo)

3.2.1 提供目標(biāo)位置信息引導(dǎo)攻擊

2018年,美國宇航環(huán)境公司對(duì)“傳感器—射手”一體化系統(tǒng)進(jìn)行了展示,通過操控搭載了Mantis i45三光載荷的“美洲獅”小型無人機(jī)進(jìn)行巡航偵察,發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)后,將持續(xù)傳輸目標(biāo)位置給“彈簧刀”巡飛彈,直至目標(biāo)進(jìn)入巡飛彈自身傳感器視野,操作人員通過觀察巡飛彈實(shí)時(shí)傳送的視頻畫面,判定目標(biāo)敵我信息,從而決定是否鎖定目標(biāo)實(shí)施打擊。這種“無人機(jī)+巡飛彈”的組合,通過無人機(jī)提前尋找圈定攻擊目標(biāo),使得巡飛彈縮短了鎖定時(shí)間、拓展了攻擊距離、提高了命中精度,打通了“射手到傳感器”的殺傷鏈條[23]。“美洲獅”無人機(jī)和“彈簧刀”巡飛彈在俄烏沖突中被美國大批量援助給烏克蘭,取得顯著戰(zhàn)果。

類似的作戰(zhàn)樣式其實(shí)早就得到運(yùn)用,2014年俄羅斯軍隊(duì)通過無人機(jī)發(fā)現(xiàn)并引導(dǎo)火箭炮對(duì)烏克蘭的營級(jí)、旅級(jí)作戰(zhàn)部隊(duì)實(shí)施打擊,我國也在國際軍事比賽中演示了無人機(jī)引導(dǎo)遠(yuǎn)程火箭炮精確打擊科目,達(dá)到米級(jí)末端命中精度。

無論是“無人機(jī)+巡飛彈”組合還是“無人機(jī)+火箭炮”組合,都是利用小微型無人機(jī)抵近目標(biāo)空域,通過光電吊艙搜索、識(shí)別打擊目標(biāo),結(jié)合吊艙IMU/GPS模塊解算目標(biāo)坐標(biāo)位置,引導(dǎo)精確制導(dǎo)武器實(shí)施打擊,然而這種作戰(zhàn)方式存在其不足,GPS制導(dǎo)在打擊移動(dòng)目標(biāo)時(shí)精度不足,電視/紅外制導(dǎo)效費(fèi)比較低。

3.2.2 提供激光指示信號(hào)引導(dǎo)攻擊

半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器有著高精度、低成本、適合打擊動(dòng)態(tài)目標(biāo)的優(yōu)勢(shì)[24],隨著吊艙小型化和多功能化的深入發(fā)展,緊湊型吊艙能夠集成的傳感器種類逐漸增多,使其為半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器提供引導(dǎo)成為可能。

2019年,以色列Controp公司推出T-STAMP-XD的同時(shí),同步推出了新型小型化光電載荷STAMP-VMD,并引入了一個(gè)完整的作戰(zhàn)概念。使用搭載STAMP-VMD的Ⅰ類無人機(jī)接近偵察區(qū)域,獲取目標(biāo)區(qū)域清晰的實(shí)施圖像并識(shí)別打擊目標(biāo),VMD將目標(biāo)精確坐標(biāo)發(fā)送給搭載T-STAMP-XD的Ⅱ類無人機(jī),引導(dǎo)激光制導(dǎo)彈藥實(shí)施精準(zhǔn)打擊,甚至可以直接擊中移動(dòng)目標(biāo),從而提高任務(wù)效率[25]。

2022年3月,烏克蘭軍隊(duì)發(fā)布了一段在俄烏沖突中使用民用小型多旋翼無人機(jī)加裝RGK-1600小型航彈對(duì)俄羅斯裝甲部隊(duì)實(shí)施攻擊的視頻,雖然此類彈藥無制導(dǎo),但是證明了小型無人機(jī)投放彈藥的實(shí)戰(zhàn)能力。同年10月,美國宇航環(huán)境公司參加美國陸軍未來司令部主導(dǎo)的“會(huì)聚工程2022”(Project Convergence 2022,PC22)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn),通過搭載了Alticam 11EOIR5緊湊型光電吊艙的Jump20固定翼垂直起降無人機(jī)為“短柄斧”微型半主動(dòng)激光制導(dǎo)彈藥提供目標(biāo)指示,驗(yàn)證了“小型無人機(jī)+微型制導(dǎo)彈藥”察打一體殺傷鏈的可能性。

2022年,Teledyne FLIR推出的首款能夠搭載于第Ⅰ類無人機(jī)的多功能激光目標(biāo)指示光電載荷StormCaster-DX,將對(duì)未來小型作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)樣式產(chǎn)生重要影響。由于其體積非常小,重量特別輕,作戰(zhàn)人員可隨身攜帶并安裝于小型旋翼式無人機(jī)上執(zhí)行任務(wù),同時(shí)StormCaster-DX還能對(duì)敵方激光威脅信號(hào)進(jìn)行探測(cè)解碼,并鎖定敵激光發(fā)射器位置,便于己方優(yōu)先打擊。

在常規(guī)作戰(zhàn)中,激光目標(biāo)指示器需要較大的空中載具攜帶,在目標(biāo)空域盤旋并持續(xù)照射打擊目標(biāo),陸地版本也需要作戰(zhàn)人員于前線部署操作,無論哪種方式都易暴露位置、遭受攻擊。緊湊型激光目標(biāo)指示光電吊艙的出現(xiàn),將提升載機(jī)的隱蔽性和生存力,改善激光制導(dǎo)武器使用限制,配合微型激光制導(dǎo)武器或強(qiáng)大的后方遠(yuǎn)程火力,作戰(zhàn)任務(wù)成功率將大大增加。

3.3 實(shí)施毀傷評(píng)估

無人機(jī)載光電吊艙能夠協(xié)助后方評(píng)估目標(biāo)毀傷效果。在引導(dǎo)武器對(duì)目標(biāo)實(shí)施精確打擊后,吊艙將現(xiàn)場(chǎng)視頻同步發(fā)送給攻擊號(hào)手和前線指揮機(jī)構(gòu),通過轟炸后的畫面判斷是否再次攻擊,以避免重復(fù)殺傷。俄烏沖突中,俄軍展示的對(duì)烏軍和亞速營據(jù)點(diǎn)實(shí)施精確打擊的畫面以及烏軍無人機(jī)摧毀俄羅斯防空系統(tǒng)的視頻,皆為近距離無人機(jī)視角,小微型無人機(jī)憑借自身優(yōu)勢(shì),在打擊空域懸停,待爆炸煙塵消散后觀察打擊效果。

4 結(jié) 語

光電吊艙作為各種空中平臺(tái)的關(guān)鍵載荷,面對(duì)未來多域作戰(zhàn),其運(yùn)用也將打破軍種和領(lǐng)域之間的界限。目前國內(nèi)緊湊型光電吊艙與國外先進(jìn)產(chǎn)品依然存在較大差距,為適應(yīng)快速發(fā)展的武器裝備和不斷變化的戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì),綜合分析國外典型產(chǎn)品現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),我國軍用無人機(jī)載緊湊型光電吊艙應(yīng)著力于以下幾個(gè)方面:(1)自主可控的高性能傳感器。目前國內(nèi)消費(fèi)級(jí)光電載荷的傳感器多為進(jìn)口產(chǎn)品,國產(chǎn)器件性能相對(duì)落后,用于國防軍事領(lǐng)域必須實(shí)現(xiàn)自主可控,努力提升研發(fā)能力,開展高性能傳感器研究。(2)多集成與小型化設(shè)計(jì)。將光電偵察、跟蹤、觀瞄、指示、告警等作戰(zhàn)能力以及高精度IMU/GPS定位能力集成于一體的同時(shí)完成小型化和輕量化設(shè)計(jì),降低載機(jī)使用門檻,提高作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行能力。(3)通用化與模塊化標(biāo)準(zhǔn)。開展吊艙型號(hào)統(tǒng)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定,統(tǒng)一傳感器接口,采用即插即用的模塊化設(shè)計(jì),縮短研發(fā)周期,降低研制與維護(hù)成本。