國外無人機技術的發展*

劉重陽

(海軍裝備數據庫 北京 100841)

國外無人機技術的發展*

劉重陽

(海軍裝備數據庫 北京 100841)

無人機技術在現代戰爭中發揮著越來越重要的作用。文章介紹了國外無人機技術的發展歷程以及裝備的研制、改進情況,指出了在現代戰爭中發展無人機技術的優勢和重要性,重點探討了幾種無人機技術的性能及其特點,最后論述了無人機技術的發展動向與分析。

無人機技術;發展分析

Class NumberTN97

1 引言

為了適應未來戰爭的需要,各軍事強國都在極力發展能夠主宰未來戰場的先進武器,其中引人注目的是無人機的發展。盡管從目前的實際情況來看,無人機不可能很快取代轟炸機、戰斗機成為戰爭的主力,但無人機與有人駕駛飛機的配合使用將進一步提高攻擊一方的進攻能力和作戰靈活性,使戰爭的形態發生變化,因此,有必要關注國外無人機技術的發展,深入研究無人機可能對未來戰爭產生的深遠影響。本文就國外長航無人機、微型無人機、偵察無人機、隱身無人機、戰斗無人機、多功能無人機等,作進一步的研究和探討[1]。

2 長航無人機

長航無人機的能力不僅是多頻譜、多波段的,而且都是數字化,能夠提供實時視頻和圖片,當有云層遮掩或者清晰度不足的時候,還允許飛機降低飛行高度增加辨識能力。大型高效能無人機可以大大減少使用空域的無人機數量,進而減少通訊頻道的占用壓力。像全球鷹那樣的無人機,數千平方公里的大戰區里最多同時會有5～8架,衛星通訊頻道占用程度在許可范圍,遠程短波通信頻道占用程度也能接受[2]。

2009年11月20日美國《空中打擊》網站報道:美國空軍授予了諾斯羅普·格魯門公司的價值3.029億美元刺激資金的合同,采購5架RQ-4全球鷹高空長航時(HALE)無人飛行器系統。根據第7批采購合同中要求,諾·格公司將向俄亥俄州Wright Patterson空軍基地的303航空系統小組交付2架第30批次和3架第40批次飛行器。

交付中還包括一套地面站,附帶發射及回收單元以及任務控制單元,外加2部額外的傳感器套件,用于升級原有的飛行器。該合同將于2011年前完成。

諾·格公司將于2010年交付2架裝備了增強型集成傳感器套件(EISS)的第30批次飛機,該套件可提供電-光/紅外以及合成孔徑雷達成像能力。這批飛機還將增加飛機信號情報載荷。第7批采購合同還包括第一個多平臺雷達技術附著項目的載荷,根據合同,該設備將于今年晚些時候交付。諾格公司還將在飛機交付之前交付2套EISS套件。

作為全世界第一個全自主飛行的HALE無人機系統,全球鷹的飛行高度可以超過60000ft,并持續飛行32h,向空中、地面和海上武裝力量提供幾乎是實時的偵察圖像和信號情報數據。與性能相當的有人飛行器相比,全球鷹的航程是其三倍,且花費僅相當于有人飛行器的一小部分。與其他類似的無人機系統相比,一架全球鷹采集的信息相當于18架較小的中等飛行高度的無人機系統的總和。

3 微型無人機

微型無人機,是指翼展和長度小于15cm的無人機,也就是說,最大的大約只有飛行中的燕子那么大,小的就只有昆蟲大小[3～5]。

2009年9月23日法國《防務宇航》報道:美國海軍已經決定全面部署經過多項改進的 T-Hawk微型無人機。

這一決定標志著該無人機的全系統改進已經經過驗證與評估,適合作戰使用,且在后勤支援上也是可行的。美國海軍系統司令部海軍與海軍陸戰隊小型及戰術無人機系統項目辦公室已經從霍尼韋爾公司購買了90套該微型無人機系統。THawk無人機正被伊拉克和阿富汗等地的聯軍用于爆炸物處理,定位與識別簡易爆炸裝置。此90套無人機的部署將于2009年12月以前部署完畢。

T-Hawk的一個改進型號之一是 T-Hawk Block II,它裝備了一套燃料空氣自動混合控制系統,可以減少操作人員在任務執行之前的準備工作。此外,T-Hawk在改進中加入了帶萬向架的光電或紅外載荷,以及一個數字式視頻設備。

2009年11月16日美國《空軍技術》網站報道:波音公司從美國空軍研究實驗室獲得一份價值50萬美元的第一期合同,演示用于無人機的微型武器技術。波音鬼怪工廠部門主管Carl Avila說:“無人機越來越多地要求執行打擊任務,這項武器技術是專門為那些任務而設計的,其技術目的是減少附帶損傷,并允許作戰人員應對包括郊區地形環境在內的各種不同目標。”初始項目為期9個月。作為主承包商,波音公司將利用其在聯合直接攻擊彈藥和小直徑炸彈項目的經驗來開發綜合系統、導引頭、航電設備、制導控制和任務規劃系統。主供應商KaZaK復合材料公司將建造機身,Ensign Bickford航空國防公司將設計和制造戰斗部,Systima技術公司將提供發射器的集成和測試服務。SAIC公司將提供導引頭系統工程和導引頭算法,Mustang技術公司將提供爆高和可供選擇的雷達。第二期合同為期兩年,合同總額為650萬美元。波音公司是美國無人機生產的主要廠商之一。小直徑炸彈(簡稱SDB)是美國航空武器中心和空軍研究試驗室牽頭開發的一種新型武器。從2003年開始,美軍一直在研制、試驗這種新型精確制導炸彈。波音公司目前正在實施一項為期3年的、稱之為“微型巡航導彈彈體技術”驗證計劃,該項計劃是為了滿足美國空軍遠征部隊所需使用武器要求。微型巡航導彈的速度約為M數0.8,最大飛行高度為7620m,重量為454kg,采用旋轉式彈翼,帶子母式戰斗部,裝激光雷達導引頭,用于無人戰斗機。

4 偵察告警無人機

采用先進的信號處理與通信技術提高了無人機的圖像傳遞速度和數字化傳輸速度;先進的自動駕駛儀使無人機不再需要陸基電視屏幕領航,而是按程序飛往盤旋點,改變高度和飛往下一個目標。新一代的無人機能從多種平臺上發射和回收,例如從地面車輛、艦船、航空器、亞軌道飛行器和衛星進行發射和回收。地面操縱員可以通過計算機檢驗它的程序并根據需要改變無人機的航向。而其他一些更先進的技術裝備、如高級竊聽裝置、穿透樹葉的雷達、提供化學能力的微型分光計設備等,也都安裝在無人機上[5]。

2009年7月15日諾斯羅普·格魯曼公司報道:最近,諾斯羅普·格魯曼公司開發的MQ-8E火力偵察兵(Fire Scout)垂直起降戰術無人機(VT UAV)進行了一項試驗,在美國進行測試的無人機將光電/紅外傳感器的實時視頻流發送給了參加巴黎航展的工作人員。

這段視頻流是該架美國海軍無人機在飛越馬里蘭州帕圖森美國國家科學院(NAS Patuxent River)韋伯斯特大樓時拍攝的。無人機是在一個海上訓練場操縱的,能夠提供視頻中所選擇的切薩皮克灣(Chesapeake Bay)和馬里蘭州南海岸的實時連續圖像流。此外,為了測試火力偵察兵的通信中繼功能,美國海岸警衛隊操縱一只剛性充氣橡皮艇(RHIB)作為水上主要目標,無人機操作員(AVO)通過火力偵察兵直接與 RHIB進行通信。無人機被用作清晰語音中繼(Clear Voice Relay),使用一臺無線電和一個經核準未使用的UHF頻率,其他無線電被設為海事頻段。這種結構允許海岸上的AVO與水中的RHIB直接進行通信。

MQ-8E火力偵察兵采用了FLIR系統公司的BriteStar II,其中含有光電/紅外傳感器和激光測距機/照射器,可以探測戰術目標并對其進行識別、跟蹤和照射,將瞄準信息精確傳輸給打擊平臺并進行作戰毀傷評估。

5 隱身無人機

現在軍用紅外觀察儀已經用得很普及,肩射地空導彈差不多都采用紅外制導,因此無人機的紅外輻射特性是隱身性能的一個重要方面[6]。

無人機的紅外輻射源主要有兩個,一是機體,另一是發動機。而紅外輻射強度及輻射頻譜中的峰值波長是兩個必須考慮的重要因素。兩者都主要與輻射源的溫度有關。

根據韋恩定律(Wien's Law),對于黑體,即輻射率為1.0的物體,紅外輻射峰值波長λ max=2898/T(μ m),其中(式中 T為物體絕對溫度)。

而紅外輻射強度與物體溫度關系更大。每單位面積單位時間輻射的能量與物體的絕對溫度的四次方成正比。

因此降低紅外輻射源的溫度是紅外隱身的關鍵。

對于亞音速中、小型噴氣式無人機來說,機體溫度很低,一般只比外界大氣溫度高一、二十度,其紅外輻射特性可不予考慮,所以噴氣發動機的尾噴流是主要的紅外輻射特征。

2009年7月23日美國《每日航宇》報道:駐亞太地區空軍對隱身飛機的需求不限于有人戰斗機,具有隱身性能的無人偵察與攻擊飛機也在需求之列。

即將提升為空軍副參謀長的現任太平洋空軍(PACAF)司令Howie Chandler將軍認為,駐太平洋地區空軍對隱身無人情報、監視與偵察(ISR)飛機有著緊迫的需求,如果能稱心如愿對他們來說將是一件非常有益的事情。

全球鷹是美國空軍高空、長航時情報收集無人飛機的選型機,但是更便宜的新型隱身無人機對一些需要形成網絡和隱身ISR能力的防務預算較小的國家來說更具有吸引力,像通用原子航空系統公司的捕食者C,雖然它的航程和飛行高度均不及全球鷹。

Chandler稱,對于那些由于預算問題或其他原因不能采購全球鷹的國家,要確保捕食者C之類的無人機能成為他們的意向對象。他表示:“我知道日本對此非常感興趣。他們已經參與了我們有關全球鷹的所有論壇,如果我們都擁有相同的裝備,事情將變得很簡單。只要他們在數據層上保持一致,這將不是問題。”但是他也表示,數據共享將可能會遭到反對。

2009年8月22日英國《國際飛行》報道:美國海軍和空軍研討重啟已經暫停了3年的隱身無人空中作戰系統(UCAS)研發項目。

此次研討協商主要是將空軍有關工作人員納入到海軍無人空中作戰系統驗證機項目管理辦公室,其目的是為了聯合驗證諾斯羅普·格魯曼公司生產的X-47B在航空母艦甲板上的著陸能力,擬在2013財年實現中空加油。

據海軍無人空中作戰系統項目經理馬丁·戴珀稱,雙方的介入是為了促進雙方互相了解對方所做的工作,這也是雙方合作的一個良好開端,因為海軍和空軍對類似這樣的系統有相似的需求。

在項目取消的3年時間里,美國海軍獨自啟動了無人空中作戰系統驗證機項目,在2007年從X-47B和 X-45C中選擇了X-47B。X-45競標失敗后,波音公司決定自籌資金,在X-45氣動結構的基礎上,發展鬼怪鰩魚(Phantom Ray)無人空中作戰系統,計劃2010年12月首飛。

6 戰斗無人機

無人戰斗機將攜帶與有人戰斗機類似的雷達、紅外搜索和跟蹤系統以及自身防衛等傳感器,其研究方向主要是降低尺寸、重量和成本、以及如何將這些傳感器與無人戰斗機更好地優化集成[7]。

提高制導精度和改進戰斗部是無人戰斗機武器系統發展的關鍵,小口徑智能炸彈(SSB)和低成本自主攻擊系統(LOCAAS)將是無人戰斗機目前最理想的武器。高功率微波和激光等能束武器及其致命和精準將是未來無人戰斗機的最有效的武器。

2009年 7月12日美國《海軍時報》報道:X-47B作戰無人機將于11月在洛杉磯北部的莫哈韋沙漠進行首次實飛。無人機在加利福尼亞州愛德華茲空軍基地的首飛將成為其試驗過程中的關鍵里程碑,之后的重要試驗將是在航母上著艦。

蝙蝠翼形的X-47B無人機是由諾·格公司設計的無尾無人機,能夠在航母上遙控起降。由諾·格公司和美國海軍研制的作戰無人機(UCAS)演示樣機于2008年12月正式亮相。

諾·格公司領導X-47B無人機與航母集成項目的蒂姆·比爾德稱,該無人機計劃2011年開始海試,試驗將在美國東海岸附近的杜魯門號和艾森豪威爾號航母上進行。

2009年9月2日法國《防務航宇》報道:美國在白沙導彈靶場成功用諾斯羅普·格魯曼公司獵人無人機對GPS制導型毒蛇(GPS VS)武器系統進行了試驗。GPS制導型毒蛇將很快能夠裝備到獵人無人機上,為緊急作戰任務提供支持。

在GPS制導型毒蛇武器系統中,GPS提供了以GPS坐標為基礎的非精確導航,與此同時,該武器仍保留了激光制導提供的精確制導能力。以前的普通型毒蛇彈藥需要獵人無人機飛至目標上空,而GPS制導型可以從9.6km(6mile)外發射。此外,GPS制導型毒蛇能同時跟蹤移動和靜止目標。

2009年11月23日美國《防務工業日報》報道:MQ-9死神無人機(UAV)(曾被稱為捕食者B)在外觀上與捕食者無人機有幾分類似。不同之處在于無人機的尺寸、尾部結構以及掛載的武器。MQ-9無人機長10.97m,翼展20.12m。最大起飛重量達4763kg(10500 lb),能夠攜載1814kg(4000 lb)燃料、386kg(850 lb)的內置載荷/傳感器載荷以及1361kg(3000 lb)的武器載荷。無人機翼下配有6個掛點,能夠掛載杰達姆(JDAM)GPS制導炸彈、寶石路激光制導炸彈、響尾蛇空空導彈(用于空中自防御)等與MIL STD 1760兼容的武器。另外,該無人機還可掛載海爾法反坦克導彈及激光制導型海德拉火箭彈。當掛載激光制導型海德拉火箭彈時,死神就變身為近空支援戰斗機(只是態勢感知能力稍差、速度略低、生存能力較弱),能夠保持更長時間的戰斗狀態。有人已將MQ-9歸為首批裝備的無人戰斗機(UCAV)。

7 多任務無人機

就任務而言,無人機今后將承擔更多的角色。例如,無人機與直升機一樣能執行戰術補給任務;無人機在偵察與攻擊任務中,電子戰任務是由EA-6B徘徊者和EC-130羅盤呼叫飛機執行的[8]。

2009年7月20日美國《航空航天技術周刊》報道:美國導彈防御局(MDA)正在考慮使用已部署的無人機傳感器和發展輕型攔截器,作為助推段彈道導彈的攔截方案。

一直以來,MDA重點關注發展中段彈道導彈的攔截能力。但是,由于在2010財年預算中MDA的預算被削減12億美元,使得MDA轉向發展上升段彈道導彈攔截能力。目前,MDA的多攔截器(MKV)計劃被中止,動能攔截器(KEI)計劃經費被削減。

MDA主任、陸軍中將Patrick O'Reilly表示,目前探測系統還無法全程跟蹤彈道導彈發射。天基預警衛星,如國防支援計劃(DSP)衛星和天基紅外系統衛星,在導彈穿出云層前,還不能準確跟蹤導彈發射情況。因此,為實施準確攔截,應提供更為前沿的預警跟蹤能力。目前,無人機顯示了在前線跟蹤彈道導彈發射的潛力。

2009年4月7日,美空軍進行了無人機跟蹤彈道導彈發射的試驗。在試驗中,MQ-9收割機(Reaper)無人機攜帶MTS-B光電/紅外傳感器,跟蹤了以色列箭-2導彈的發射,箭-2能模擬伊朗的“流星”-3(Shahab-3)中程彈道導彈。MTS-B傳感器由雷聲公司研制,能跟蹤處于上升段以多種速度飛行的目標。美軍沒有透露無人機的跟蹤位置與跟蹤距離的相關數據。MQ-9無人機獲取的跟蹤數據通過衛星傳回了國防部的分布式共用地面系統,該系統還處理U-2飛機、全球鷹無人機、捕食者無人機等獲取的信息。

O'Reilly認為無人機以及MTS-B傳感器再經過幾次測試,可在2年內形成作戰能力。為實現導彈攔截,MDA還需提高標準-3導彈的發射速度和研制質量更小的輕型攔截彈,攔截能力有望在數年內實現。目前,攔截彈的備選方案有:標準-3導彈的Block I B彈頭和Block IIA彈頭。

2009年8月13日英國《飛行國際》報道:一系列已經準備就緒用于飛行和地面測試的技術將加速美國有人機和無人機的綜合,這些飛機既執行戰略任務也執行復雜的戰術感知任務。

8月21日,針對探測和規避等戰術任務的空中測試將在紐約開始,目標是測試為全球鷹(潛在平臺包括大型民用無人機系統)設計的新型感知和規避算法。

工程師正在為Calspan公司的龐巴迪利爾噴氣(Learjet)25飛機安裝諾斯羅普·格魯門公司研制的新型計算機(使用升級型DRA光學器件和處理器),該機將模擬全球鷹的飛行,感知和規避算法將決定飛機針對入侵目標做出的反應。

三部光學傳感器外,利爾噴氣25還將在機頭裝備一部ICx公司研制的空對空雷達、一部交通和防撞系統(TCAS II)以及FAA提供的自動相關監視廣播系統。

根據與諾·格公司的合同,去年,Calspan公司測試了用于生成規避路線的早期型硬件和軟件。本月將進行的7次飛行中,Calspan公司的另外一架利爾噴氣作為入侵目標。9月的7次飛行中,將使用兩架FAA擁有的飛機作為入侵目標,全球鷹的模擬機將首次進行自主規避機動。

明年合同到期之前,Calspan公司將試飛全球鷹選裝的新型空對空雷達。在馬里蘭州,GE航空將很快啟動戰略飛行軌跡項目,從而將無人航空系統綜合進空中交通管制系統。項目成果是可以減少未來客貨航班的機組人員。

在與FAA和AAI(無人機制造商)等機構聯合進行的研究項目中,GE將改進其新一代飛行管理系統(FMS),在飛機、飛機地面站和空中交通管制之間進行聯合的四維飛行軌跡協調。項目的目標是使有人機和無人機都融入空中交通管制系統。

2009年9月18日美國《航宇日報》報道:洛克希德·馬丁公司正聯合通用原子航空系統公司計劃在2010年下半年將 F-35用光電瞄準系統(EOTS)的改型—先進低觀測性嵌入式偵察標準(ALERT)系統應用到復仇者無人機上。

由于被安裝在多面體藍寶石玻璃窗口后方,該中波紅外傳感器與捕食者或死神無人機用的傳統、外置型光電/紅外(EO/IR)轉塔相比,能夠有效降低采取后掠翼機型和噴氣式推進方式的復仇者無人機的信號特征。但洛克希德·馬丁公司指出,通過將傳感器安裝在窗口后方的方式使得傳統的EO/IR傳感器具備隱身性能,傳感器性能會降低。F-35用EOTS為了最大化孔徑尺寸,其光學裝置被設計安裝在靠近窗口的地方。

復仇者無人機是通用原子公司正在研發的用來滿足美國空軍MQ-X無人機需求的備選對象。MQ-X是該公司MQ-1捕食者和MQ-9死神無人機的后繼機,擬于2015年后進入服役。

8 結語

隨著通信技術、控制技術、材料技術以及計算技術的飛速發展,無人機的技術越來越成熟,在未來現代化戰爭或局部戰爭中,對于防空反導、對敵進行近距偵察、對于移動或重點目標,實施有效干擾、突然襲擊等,適時運用無人機,都會達到預期的效果[9]。

[1]滄桑.國外正在研制的無人戰斗機[J].國外科技動態,2005(5):35～38

[2]EADS希望在2010年簽署Talarion中空長航時無人機協定[DB/OL].2009:11,23,中國國防科技信息網

[3]波音公司演示用于無人機的微型武器技術[Z].每日防務快訊,2009,12,3

[4]劉煥松.微型無人機的尖端領域[J].輕兵器,2005(11):32～34

[5]波音公司公司獲得跟蹤潛艇無人機系統研究合同[Z].每日防務快訊,2009,11,1

[6]美空軍和海軍將繼續合作開發隱身無人機[Z].每日防務快訊,2009,8,31

[7]美國MQ-9死神無人機或將成為第一種無人作戰飛機[Z].每日防務快訊,2009,11,30

[8]美國陸軍計劃用天空勇士無人機實彈射擊海爾法導彈[DB/OL].中國國防科技信息網,2009,12,4

[9]王永壽.美國加緊開發無人戰斗機[J].飛航導彈,2004(1):40～43

Development of UAV Technology Abroad

Liu Chongyang
(Naval Equipment Database,Beijing 100841)

The UAV technology play more and more roles in the war today.The process of development of the UAV technology abroad and equipments in all countries over the world and its modification are described.The technique performance and properties of several UAV technology seekers are analyzed,and development trend and analysis of the UAV technology are discussed.

UAV technology,development analysis

TN97

2009年9月15日,

2009年10月21日

劉重陽,男,碩士研究生,工程師,研究方向:電子工程技術。