美國靜音無人機(jī)發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)探析

近年來，美國在無人機(jī)領(lǐng)域不斷取得突破，尤其是靜音無人機(jī)的發(fā)展。靜音無人機(jī)具備出色的隱蔽性，用于軍事領(lǐng)域，能夠悄無聲息地接近目標(biāo)區(qū)域，避免被對(duì)方偵測系統(tǒng)及人員發(fā)現(xiàn)，從而大大提高了任務(wù)成功率。特別是在敵對(duì)環(huán)境中，能長時(shí)間安靜飛行的無人機(jī)毫無疑問能降低被發(fā)現(xiàn)的可能性，能夠在對(duì)方縱深執(zhí)行偵察任務(wù)，長時(shí)間在目標(biāo)區(qū)域上空滯留，進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視，獲取動(dòng)態(tài)變化信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的持續(xù)抵近監(jiān)視，獲取寶貴的第一手情報(bào)。

美國靜音無人機(jī)主要型號(hào)

“大角貓頭鷹”隱身無人機(jī)

大約十年前，美國空軍實(shí)驗(yàn)室（AFRL）受美國情報(bào)高級(jí)研究計(jì)劃局（IARPA）委托，開始研究先進(jìn)混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)型超靜音偵察無人機(jī)。

“大角貓頭鷹”編號(hào)為XRQ-72A，由諾斯羅普·格魯曼子公司縮比復(fù)材（Scaled Composites）研制，空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）支持了“大角貓頭鷹”計(jì)劃，IARPA于2011年首次披露了該計(jì)劃。

為了實(shí)現(xiàn)低噪音，XRQ-72A采用了不同尋常的混合動(dòng)力系統(tǒng)。中央機(jī)身內(nèi)部安裝了兩臺(tái)直接燃燒燃料的發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生電能，再用電能驅(qū)動(dòng)安裝在飛翼頂部的四個(gè)涵道風(fēng)扇產(chǎn)生推力。示意圖還顯示XRQ-72A在下顎安裝了球形傳感器轉(zhuǎn)塔，可以內(nèi)置各種類型的攝像機(jī)。

XRQ-72A采用飛翼布局，翼展9.14m，機(jī)長3.41m，高度1.22m。一份文件稱“大角貓頭鷹”是一種重量136-181kg的小型無人機(jī)。從該機(jī)設(shè)計(jì)圖看，機(jī)翼上表面的進(jìn)氣口和排氣口帶有一定隱身特征，該機(jī)基本上由復(fù)合材料制成。

“Ghost4”AI靜音無人機(jī)

2020年9月，美國國防科技初創(chuàng)公司Anduri宣布正式推出AI無人機(jī)“Ghost4”，“Ghost4”是一款小型、超靜音的無人機(jī)，這讓它難以被探測到。該無人機(jī)可在60s內(nèi)完成安裝，長約兩米，飛行時(shí)間超過100分鐘，具備實(shí)時(shí)情報(bào)、監(jiān)視和偵察等功能，可自動(dòng)完成檢測、分類等任務(wù)，可以在低頻寬或擁擠的環(huán)境中追蹤目標(biāo)，已應(yīng)用于美國海關(guān)與邊境保護(hù)局識(shí)別穿越邊境人員。

美陸軍與優(yōu)步公司開發(fā)的靜音無人機(jī)

2018年5月，美國陸軍與優(yōu)步公司合作開發(fā)更安全、更致命的無人機(jī)。通過開發(fā)靜音旋翼技術(shù)，降低傳統(tǒng)無人機(jī)旋翼產(chǎn)生的噪音。

優(yōu)步公司尋求解決噪音問題的一種技術(shù)是在飛行器上安裝向同一方向旋轉(zhuǎn)的堆疊旋翼。傳統(tǒng)上無人機(jī)使用相反方向旋轉(zhuǎn)的堆疊旋翼，當(dāng)旋翼相互向相反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種氣流，導(dǎo)致行動(dòng)中的噪音。研究表明，讓它們向同一方向旋轉(zhuǎn)并調(diào)整它們的相互位置，與傳統(tǒng)操作相比，利用這種技術(shù)能提供性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)降低噪音。

Exosonic低聲爆超聲速無人機(jī)

2021年10月，開發(fā)低聲爆超聲速飛機(jī)的Exosonic公司贏得了美空軍對(duì)其無人驗(yàn)證機(jī)的資助?？哲娚芷诠芾碇行牡腁FWERX創(chuàng)新中心授予其直接到第二階段的小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）合同，進(jìn)行超聲速無人驗(yàn)證機(jī)的研發(fā)。

由于訓(xùn)練預(yù)算有限和飛行員短缺，美空軍無法高效地培養(yǎng)出新的、訓(xùn)練有素的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員。因此數(shù)量有限的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員正在接受足夠數(shù)量的實(shí)彈訓(xùn)練，以保證美國對(duì)抗近對(duì)等對(duì)手。

Exosonic的超聲速無人機(jī)將作為一個(gè)模擬對(duì)手，在實(shí)戰(zhàn)飛行訓(xùn)練演習(xí)中給戰(zhàn)斗機(jī)飛行員施加壓力。該無人機(jī)配備了各種有效載荷和傳感器，可以以現(xiàn)有空中訓(xùn)練解決方案的一小部分成本進(jìn)行訓(xùn)練，不僅可以節(jié)省數(shù)百萬美元的訓(xùn)練費(fèi)用，還可以減少美空軍現(xiàn)有作戰(zhàn)飛機(jī)的磨損。除此之外還可以將戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的飛行時(shí)間集中在己方飛機(jī)的訓(xùn)練上，而無需再花時(shí)間模擬敵方飛機(jī)，Exosonic將繼續(xù)探索其超聲速無人機(jī)的更多應(yīng)用，以幫助國防部在面臨即將到來的近對(duì)等對(duì)手威脅時(shí)實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)對(duì)。

靜音離子推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)

NASA正在資助麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員為城市無人機(jī)和潛在的空中出租車開發(fā)近乎靜音的推進(jìn)系統(tǒng)。

2018年11月，MIT教授史蒂文·巴雷特領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)試飛了一架采用EAD推進(jìn)的飛機(jī)，飛機(jī)重量僅為2.3kg，產(chǎn)生的推力不到4.45N，在空中飛行了49m。這是第一架采用固態(tài)推進(jìn)的飛機(jī)。MIT研究表明，使用傾斜電動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)（EAD）推進(jìn)器的無人垂直起降（VTOL）飛機(jī)理論上能夠執(zhí)行有用的城市空中交通任務(wù)，這種近乎靜音的推進(jìn)系統(tǒng)消除了可能導(dǎo)致社區(qū)反對(duì)的噪聲干擾，第一階段的重點(diǎn)是概念飛機(jī)設(shè)計(jì)和推進(jìn)器建模。第二階段撥款是根據(jù)NASA創(chuàng)新先進(jìn)概念（NIAC）計(jì)劃授予的，將繼續(xù)致力于電動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)（EAD）推進(jìn)。

W h i s p e r Drone電動(dòng)無人機(jī)

2 0 2 3年4月，美國初創(chuàng)公司W(wǎng)hisper航空公司已經(jīng)籌集了3200萬美元的A輪融資，為美國國防部開發(fā)從地面聽不到聲音的情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）無人偵察機(jī)。Whisper航空公司已為五角大樓完成了對(duì)其新型超靜音、高效、電動(dòng)飛機(jī)推進(jìn)技術(shù)的驗(yàn)證測試，旨在用于情報(bào)、監(jiān)視、偵察（ISR）。

該公司設(shè)計(jì)了一型ISR無人機(jī)，驗(yàn)證其技術(shù)。該機(jī)重25kg，推力44N，飛行高度約60m，無人機(jī)在此高度飛行時(shí)，地面的觀察員無法探聽到無人機(jī)的聲音。

Whisper降低無人機(jī)推進(jìn)器噪聲的方法是：檢查所有噪聲源，然后調(diào)整每個(gè)源的聲音內(nèi)容，以最小化振幅并調(diào)整頻率，從而減少對(duì)人類的影響，并融入背景噪聲。一些音調(diào)被移到超聲波范圍內(nèi)，超出了人類的聽覺范圍。Whisper還在考慮將其低噪聲推進(jìn)器集成到高速垂直起降飛機(jī)（HSVTOL）中，以供空軍和美國特種作戰(zhàn)司令部使用。

北極星公司無人機(jī)

美國北極星公司在2023年波蘭軍警防務(wù)展上推出一款用于長航時(shí)靜音飛行的無人機(jī)，與現(xiàn)有類似無人機(jī)相比，其重量更輕、成本效益更高，具有較好的通用性，可攜帶多種有效載荷，特別是利用人工智能算法擴(kuò)展了無人機(jī)的飛行能力。該無人機(jī)翼展2.2m，最大起飛重量4.5kg，飛行速度為45-110千米/小時(shí)，最高升限4000m，作戰(zhàn)環(huán)境溫度-20℃-50℃，可用背包攜帶；機(jī)身采用碳纖維-玻璃纖維復(fù)合材料，輕便耐用；由一個(gè)帶有可折疊螺旋槳的靜音電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力；飛行準(zhǔn)備時(shí)間只需5分鐘，能以45°角度手動(dòng)發(fā)射，無需任何地面基礎(chǔ)設(shè)施；采用了人工智能算法，使無人機(jī)能夠定位和利用熱上升氣流，從而增加其無發(fā)動(dòng)機(jī)飛行時(shí)間。依靠這一算法該無人機(jī)續(xù)航時(shí)長可達(dá)4h。

“小角貓頭鷹”超靜音無人機(jī)

2024年4月，美情報(bào)高級(jí)研究計(jì)劃局（IARPA）表示，將在未來幾周內(nèi)向情報(bào)機(jī)構(gòu)提供4架“小角貓頭鷹”（LHO）項(xiàng)目原型機(jī)。作為IARPA的機(jī)密項(xiàng)目之一，“小角貓頭鷹”是一款超靜音、迷你型無人機(jī)，重點(diǎn)在靜音機(jī)身、靜音推進(jìn)系統(tǒng)、新提升力、控制方式等方面進(jìn)行了改進(jìn)，可提供聲學(xué)“足跡”預(yù)測工具，以進(jìn)一步執(zhí)行重要的情報(bào)和軍事任務(wù)?！靶〗秦堫^鷹”原型機(jī)總質(zhì)量25kg，可攜帶44.5kg情報(bào)、監(jiān)視和偵察傳感器有效載荷，任務(wù)飛行半徑48km，停留時(shí)間小于30分鐘。

關(guān)鍵技術(shù)

美軍超靜音無人機(jī)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、低噪音設(shè)計(jì)、隱身技術(shù)、高效能源利用和智能化控制等。這些技術(shù)共同作用，使得超靜音無人機(jī)能夠在執(zhí)行偵察、監(jiān)視等任務(wù)時(shí)，具有高度的隱蔽性和有效性。

混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)通過結(jié)合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，提高了燃油效率和降低了噪音水平。例如，低語航空公司在2023年6月美國航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）航空論壇上透露了一種非常安靜的涵道風(fēng)扇技術(shù)。該公司表示，已經(jīng)設(shè)計(jì)并制造了一種葉尖速度非常慢的涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，由于一些噪聲發(fā)生在人耳聽不見的超聲波范圍內(nèi)，因此具有很好的靜音性能。其涵道風(fēng)扇的推力效率比目前使用的最好的涵道風(fēng)扇高20%，低語航空公司發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)在處于第九代設(shè)計(jì)和測試階段，通過一架25kg的無人機(jī)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。該公司透露，這種無人機(jī)即便在頭頂61m的高度飛行時(shí)，人耳也不會(huì)聽見噪聲。

靜音技術(shù)是靜音無人機(jī)的核心特征，它涉及降噪措施的設(shè)計(jì)和實(shí)施，以減少無人機(jī)的聲學(xué)特征，靜音技術(shù)的關(guān)鍵在于降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、氣動(dòng)噪聲和機(jī)械噪聲。降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音通常涉及到使用特殊的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，如混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，以及采用低噪聲的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和隔音材料。氣動(dòng)噪聲的減少則通過優(yōu)化機(jī)身和機(jī)翼的形狀，減少氣流分離和渦流的形成，以及使用吸音材料。機(jī)械噪聲的降低則涉及到使用減震材料和設(shè)計(jì)，減少機(jī)身內(nèi)部機(jī)械部件的噪聲。

2020年11月，美陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員與優(yōu)步公司和得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校合作，研究發(fā)現(xiàn)同軸共旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子或堆疊轉(zhuǎn)子，可能提供更好的性能和更低的噪聲。與傳統(tǒng)的旋翼將葉片排列在一個(gè)平面上不同，堆疊式旋翼將葉片放置在多個(gè)平面上。研究結(jié)果顯示，等間距轉(zhuǎn)子葉片的堆疊轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的噪聲水平最低。2023年2月報(bào)道的美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)多旋翼飛行器螺旋槳工作時(shí)噪聲問題探究了不同形狀螺旋槳對(duì)噪聲的影響，并提出一種新構(gòu)型環(huán)形靜音螺旋槳概念。團(tuán)隊(duì)成員利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)物制造，通過多次迭代，其最終設(shè)計(jì)在提供同等推力的情況下，降低了1-5kHz范圍內(nèi)的噪聲水平以及總體噪聲水平。該團(tuán)隊(duì)發(fā)布的視頻顯示，如果感知同樣強(qiáng)度的噪聲，離環(huán)形螺旋槳的無人機(jī)的距離僅為離普通旋翼的無人機(jī)的一半。

隱身技術(shù)通過采用特殊材料和設(shè)計(jì)，降低了無人機(jī)的雷達(dá)截面積，提高了其在敵方偵測系統(tǒng)下的生存能力。高效能源利用技術(shù)使得無人機(jī)能夠在長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的飛行性能。智能化控制技術(shù)則提高了無人機(jī)的自主飛行能力和任務(wù)執(zhí)行效率。

結(jié)束語

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，靜音無人機(jī)的性能將得到進(jìn)一步提升，技術(shù)的發(fā)展必將促使無人機(jī)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法不斷創(chuàng)新，并將重新定義戰(zhàn)爭規(guī)則，這將給我國安全環(huán)境造成很大挑戰(zhàn)。我們必須持續(xù)跟蹤美軍靜音無人機(jī)的發(fā)展情況，分析其關(guān)鍵技術(shù)，通過對(duì)美軍靜音無人機(jī)的深入研究，有助于我國加快相關(guān)技術(shù)發(fā)展，提高無人機(jī)作戰(zhàn)效能。