艦載無人直升機的作戰應用及其關鍵技術

袁 濤，單俊杰，劉 明，宋 平

(1.海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局，湖北 武漢 430064；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

近年來，隨著無人機技術的不斷發展，無人機在戰場環境的應用越來越多，正逐漸成為現代戰場的主力裝備。大型驅護艦艇受限于起降條件，通常只能夠搭載直升機。為提高作戰艦艇的綜合能力，越來越多國家的海軍開始發展艦載無人直升機。艦載無人直升機特點顯著，應用前景廣泛，可搭載光電、雷達、中繼、反潛、武器等任務載荷設備，能夠為水面作戰艦船提供探測、中繼、反潛、打擊等手段。但在實際戰場環境中，艦載無人直升機面臨高海況使用、多任務載荷數據下傳、協同指揮與控制等問題。解決這些關鍵技術問題，將大幅提高艦載無人直升機的作戰效能。

1 艦載無人直升機作戰應用情況

1.1 艦載無人直升機的特點

除具備體積小、重量輕、成本低、訓練維護簡單等無人機都具備的一般特點外，相較于固定翼無人機，艦載無人直升機具有起降條件簡單、可定點懸停、能進行小速度機動等特點。相較有人直升機，艦載無人直升機以任務為中心，具備有效載荷大、續航時間長以及全天候執行任務的特點。

1.2 國外艦載無人直升機發展情況

從第一架艦載無人直升機QH-50服役到現在已經過去了60年。在此期間，無人直升機更新換代，但受限于無人機技術的制約，一直未得到大規模應用。直到21世紀初，隨著無人機技術的快速發展，艦載無人直升機受到各國海軍的重視，出現了越來越多的艦載無人直升機型號。以下為幾種國外典型的艦載無人直升機的應用情況[1]。

1)QH-50

QH-50是美國在20世紀60年代研制的一款雙旋翼共軸無人直升機，這也是世界上第一款軍用無人直升機，曾參加過越南戰爭，主要用于反潛作戰。

2)CL-327

CL-327“海上衛士”是加拿大龐巴迪公司20世紀90年代研制的一款艦載無人直升機，是在CL-227“哨兵”無人直升機基礎上進行改進研制的。作為一款艦載型無人直升機，CL-327曾在美國海軍“范德格里夫特”號護衛艦上進行試驗，并于1996年實現批量生產。

3)S-100

S-100無人直升機是奧地利西貝爾公司2003年研制出來的一款無人直升機，最大起飛重量為200kg，最大載重90kg，可攜帶多功能光電吊艙，主要用于偵察警戒。德國海軍K130級輕型護衛艦就曾部署S-100無人直升機，并開展了飛行試驗。

4)“火力偵察兵”系列

“火力偵察兵”系列無人直升機由諾斯羅普·格魯門公司研制。從2000年開始立項研制至今，“火力偵察兵”系列無人直升機技術一路領先。“火力偵察兵”系列包括MQ-8A、MQ-8B和MQ-8C。其中，MQ-8B是作戰應用經驗最多的艦載無人直升機，目前已小批量裝備于美國海軍的多型艦艇上，并于2011年被美國海軍派遣至阿富汗戰區執行實戰任務。

1.3 國內艦載無人直升機發展情況

國內發展艦載無人直升機的起步時間較晚，但發展較快，目前已出現多種型號。以下為幾種國內典型的艦載無人直升機的應用情況。

1)WZ-6B

WZ-6B無人直升機是一款多用途艦載無人直升機，有效載荷達到250kg，于2014年亮相于第五屆無人機大會暨展覽中。WZ-6B無人直升機具備運動艦面自主起降能力，能夠執行戰場偵察、目標指示、通信中繼、電子對抗等多種任務。

2)AR500艦載型

AR500艦載型無人直升機由航空工業直升機所研制，是在AR500基本型上改型而來的。其基本型早于2014年珠海航展亮相，2015年投入民用市場。AR500艦載型的出現是為滿足海事巡邏的需求，具備海上警戒探測、通信偵察、通信中繼等任務能力。AR500艦載型無人直升機采用基于差分衛星的著艦引導技術，具有較高的自動著艦精度。

2 艦載無人直升機的制約因素

2.1 作戰應用水平等級劃分

縱觀世界各國海軍的艦載無人直升機發展歷程，可根據艦載無人直升機的飛行能力、任務能力以及作戰能力程度，將艦載無人直升機的作戰應用水平分為可用級、實用級、戰術級三個等級。達到可用級需具備較強的飛行能力以及初步的任務能力；達到實用級需具備很強的飛行能力，較強的任務能力，以及初步的作戰能力；達到戰術級需具備很強的飛行能力，很強的任務能力以及較強的作戰能力。各作戰應用水平下艦載無人直升機應具備的能力見表1所示。

表1 各作戰應用水平下艦載無人直升機應具備的能力程度

在國外艦載無人直升機型號中，CL-327、S-100達到了可用級。QH-50嚴格意義上并未達到可用級，原因在于QH-50為冷戰倉促上馬的產物，其研究試驗不足、可靠性差、損失率高，且任務完成率低。MQ-8B已達到實用級，具備很強的飛行能力，且能搭載光電、雷達、武器等多種任務載荷,具備較強的任務能力。但MQ-8B仍未到戰術級：一方面其存在設計缺陷，在“哈利伯頓”號護衛艦上的任務完成率僅有50%；另一方面，一些早期型號艦艇遠在MQ-8B無人直升機裝備之前就完成了設計，艦艇的頂層設計中并未考慮MQ-8B艦載無人直升機的作戰需求，只能通過適應性改裝來實現MQ-8B的搭載，這導致MQ-8B無法發揮出作戰能力。美軍已在新的瀕海戰斗艦設計中增加了對無人直升機的作戰需求。通過搭載新型艦艇融入作戰體系，未來MQ-8C將能達到戰術級的作戰應用水平。

2.2 制約因素

1)高海況使用

艦載無人直升機通常要求在4至6級海況下能正常使用，而對艦載直升機(有人或無人)而言，最大的制約因素便是高海況。高海況對艦載直升機的影響包括兩方面，分別為對直升機艦面開車的影響和對直升機艦面起降的影響[2]，其中起降過程中艦載直升機受到的影響最為嚴重。根據世界氣象組織及相關標準的定義，4至6級海況下，自然風速可達6.5m/s～18.1m/s，海面浪高1.25m～6m。受高海況下風速風向的影響，飛行甲板易形成紊流區，會對艦載直升機產生湍流影響、下沖氣流影響、速度梯度影響；受海浪作用影響，艦船縱橫搖運動幅度很大，非常不利于艦載直升機起降。

2)多任務載荷數據下傳

作戰應用水平達到好用等級時，艦載無人直升機具備搭載足夠有效載荷的能力，可同時搭載如光電、雷達、中繼、反潛、武器等載荷，具備較強的任務能力。多載荷同時工作時，將面臨如何有效下傳這些載荷的任務數據的問題。通常光電、雷達等視頻類信息占據著大部分的下傳帶寬。以1080P/30Hz的可見光視頻信息為例，其產生的原始數據量高達178Mb/s，即使通過圖像壓縮技術大幅降低其數據量，因受到數據鏈傳輸帶寬的限制，要實現所有任務載荷數據高質量下傳仍面臨巨大的挑戰。

3)協同指揮與控制

艦載無人直升機作戰應用的發展趨勢是信息化、實時化、智能化[3]。在現代戰場環境下，艦載無人直升機作為作戰艦艇一個重要的節點，要與其它系統相互協同，具體包括與有人直升機協同、與艦艇編隊其它無人直升機協同等。在指揮層面，無人直升機面臨著艦船編隊內多層級指揮控制，需解決多個控制中心的指揮權限管理問題。在控制層面，無人直升機面臨著編隊下多機協同執行任務的問題。為發揮無人直升機的作戰能力，需解決多機編隊飛行、多機任務規劃等關鍵技術。

3 艦載無人直升機的關鍵技術及發展趨勢

1)高度自主的飛行控制技術

艦載無人直升機面臨著復雜的氣流環境，在起降階段尤為嚴峻，這大大增加了人工控制的難度。因此，高度自主的飛行控制技術是需解決的關鍵技術之一。傳統直升機飛行控制多采用PID控制，這種算法雖易實現，但抗干擾能力較差。為適應復雜的艦載環境，應在傳統控制方法的基礎上，發展非線性控制、自適應控制、智能控制等技術[4]，研發出高度自主的飛行控制系統。

2)著艦技術

艦載無人直升機的著艦技術主要包括著艦引導技術。著艦引導技術用于實現無人直升機對艦船的跟隨引導，使無人直升機能夠接近并保持與艦船相同的速度和姿態進行跟隨飛行。傳統的著艦引導技術包括衛星引導、雷達引導、光學引導等，幾種引導方式各有優缺點。著艦引導技術未來趨勢將是多技術融合、全天候、全自動等[5]。

3)高速率數據傳輸技術

艦載無人直升機同時下傳多任務載荷數據時，數據速率非常高。為滿足任務數據的實時下傳，一方面應采取壓縮編碼技術降低數據源速率，另一方面需提高數據鏈系統的傳輸帶寬。傳統的電磁波數據鏈主要通過提高發射功率，增加天線增益，降低器件損耗等技術來提高傳輸速率。未來還可發展激光通信技術，該技術具備數據傳輸速率高、不易被發現和截獲、頻譜資源充足等優點[6]，已驗證的單路傳輸速率可達10Gb/s。

4)多任務綜合處理技術

在現有數據鏈技術水平下，艦載無人直升機很難保證全部任務數據實時下傳，需發展多任務綜合處理技術。一方面，可通過對任務數據進行壓縮編碼、動態帶寬分配、分時下傳、數據融合等手段，實現有限傳輸能力下最大化的任務數據下傳；另一方面，可發展自主任務規劃、載荷自主控制等技術，加強任務系統的自主能力水平，減少下傳的數據量。

5)控制權切換技術

當艦載無人直升機部署在一個艦艇編隊中時，會面臨多個控制中心對無人直升機進行控制的情況。無人直升機在同一時隙內只接受一個中心的控制，根據任務需進行控制權切換。控制權切換的實現方式很多，但都應能保證交接過程的無縫、連續、穩定[7]。這要求：①無人直升機測控數據鏈統一設計，以保證無人直升機能與所有控制中心建立測控通信；②控制權限管理，能夠根據不同任務需求分配控制中心的指揮權限等級。

6)多機協同技術

根據美國空軍研究實驗室的定義，無人機自主控制能力分為10個等級，其中第5級為多機協同。國內研究人員也提出了無人機自主控制等級的劃分建議[8]，第5級為多機編隊與任務協同。多機協同技術主要包括多機任務規劃技術、多機編隊飛行技術。多機任務規劃涉及到資源分配、任務分配、時間協同等技術；多機編隊飛行技術主要包括編隊組織、編隊形成、編隊保持、編隊重構、障礙規避、機間碰撞規避等技術。

4 結束語

艦載無人直升機以其獨特的優勢，在未來很長一段時間內，都將是各國大中型水面艦艇的重要航空裝備。隨著關鍵技術的不斷突破，影響艦載無人直升機作戰應用水平的各種制約因素正逐步得到解決。隨著飛行控制技術和著艦技術的發展，能滿足高海況使用要求，達到可用級；隨著高速率數據傳輸技術和多任務綜合處理技術的發展，可實現多任務載荷數據下傳，達到實用級；未來隨著控制權切換以及多機協同技術的突破，將實現協同指揮與控制，從而達到戰術級。當前國內無人直升機領域處于快速發展期，對于航空工業單位來說，應把握艦載無人直升機關鍵技術發展方向，緊扣艦船作戰需求，盡早研制出滿足戰術級要求的艦載無人直升機，提升艦船的作戰能力。