無人直升機的發展方向和技術難點

聶順鵬、姬樂強、蘆志明

中國直升機設計研究所

現代戰爭正朝著科技化、智能化和信息化方向高速發展，無人直升機作為重要的武器裝備，正成為各國的研究熱點。本文以國內外無人直升機的發展現狀為切入點，結合無人直升機的分類和作用等因素，對無人直升機的未來發展方向和技術難點展開了深入剖析。

無人直升機具備直升機所有的飛行和應用功能，因其無人化的優勢、具備零傷亡的特點以及可在復雜惡劣環境下使用的功能，無人直升機在軍事和民用領域得到廣泛的應用。在軍事領域，無人直升機可以遂行通信中繼、核輻射偵察、目標打擊和偵察警戒等任務，在民用領域，無人直升機可以遂行電網巡線、圖像拍攝和地理探測等任務。

按照無人機飛行方式分類，無人機可分為固定翼無人機、旋翼無人直升機和撲翼無人機等。當前運用于作戰的主要是固定翼無人機和旋翼無人直升機。與固定翼無人機相比，無人直升機在氣動力學、動力學和傳熱學等技術問題上更復雜。無人直升機具備垂直起降和定點懸停兩大技術優勢。在作戰中，垂直起降的特點可使飛機受場地影響較小，不需要修建機場，即可在狹窄的山地、島嶼和艦船上進行快速部署，具有良好的超低空和貼地飛行能力，增加了對其探測和跟蹤的難度。而定點懸停是無人直升機與固定翼無人機相比最大的技術優勢，無人直升機依靠旋翼旋轉產生升力，可在空中懸停，再搜索確認目標，可以提高目標的發現概率，且可以利用其可快、可慢、可空中懸停的優勢和不易被敵方發現與攻擊的特點，對熱點地區進行全天候360°偵察、監視，也可擔負對地攻擊、空中格斗、攔截導彈、自殺性攻擊，還可以充當瞄準平臺，在空中與戰斗機進行實時數據傳遞，對敵人實施精準打擊。

國內外發展現狀

國外無人直升機的研制始于20世紀50年代。起初，國外研發的無人直升機主要以輕小型為主，代表的產品有美國基羅達因公司（Gyrodyne）的QH-50艦載無人直升機、加拿大龐巴迪公司的CL-227“哨兵”無人直升機和日本雅馬哈公司的RX-50“小精靈”無人直升機。此后，由于許多技術難點未能突破，無人直升機的發展較為緩慢，直到20世紀80年代，隨著控制技術、信息技術及傳感器技術的迅速發展，無人直升機也躍入了一個新的階段，各種多功能、智能化、高可靠性的無人直升機相繼出現。比較典型的有美國諾斯羅普-格魯門公司研發的偵察打擊型RQ-8A/MQ-8B/MQ-8C“火力偵察兵”、美國卡曼公司研發的戰場運輸型K-MAX無人直升機、美國波音公司研發的攻擊型A160“蜂鳥”無人直升機、美國貝爾公司研發的“鷹眼”（Eagle Eye）傾轉旋翼無人直升機、奧地利西貝爾公司研發的S-100艦載無人直升機、瑞典薩伯公司研發的V-200無人直升機及意大利萊昂納多公司研發的SW-4無人直升機等。

QH-50 無人直升機

MQ-8B無人直升機

S-100“坎姆考普特”無人直升機

國內無人直升機的發展起步于20世紀80年代，主要是院校和民企開展相關研究，但投入的資源十分有限，研制的產品基本是最大起飛重量為500kg以下的小型無人直升機。直到20世紀90年代，南京航空航天大學開始研制“翔鳥”無人直升機，北京航空航天大學開始研制BZK010共軸雙旋翼無人直升機，并于2004年實現自主飛行。進入21世紀，國內無人直升機的發展形勢有所好轉，一些專業研究機構、國企和民企紛紛加入研發行列，研發了多款無人直升機，產品性能得以明顯提高，任務能力覆蓋了海事監管、森林防火、安保消防及照明喊話等領域。中國直升機設計研究所研發了AR-500系列無人直升機，產品在國際軍貿領域、國內軍民領域得到了比較廣泛的運用，任務覆蓋了偵察監視、通信中繼、察打一體、巡查巡視、森林防火、海事監管、輻射偵察等領域，形成了一定市場規模。南京模擬技術研究所研發了Z5系列無人直升機，產品在軍民領域得到了廣泛運用，形成了一定市場規模；北京中航智公司研發了TD系列無人直升機，產品實現了市場銷售，也形成了一定市場規模；珠海隆華直升機科技有限公司研發了XV系列無人直升機，目前在民用領域已經得到應用；北京通航江西直升機有限公司研制了“小青龍”系列無人直升機等。

發展方向

良好的隱身性及多功能一體化

未來無人直升機將廣泛使用復合材料、雷達吸波材料和紅外隱身涂料，并將采用獨特的發動機裝置與雷達橫截面設計，可有效減少紅外線信號，躲避雷達監視，甚至可令敵方導彈“誤入歧途”。由于作戰任務的多樣性和戰場環境的復雜性，未來無人直升機上將安裝穩定的電視自動攝像機、紅外照相機和電子對抗等任務設備，以便于在發現目標的第一時間迅速反應并直接精確打擊，這樣將大大縮短反應時間，提高戰斗力，同時實現戰場“零傷亡”。

平臺通用化

縱觀各個國家武器裝備行業的發展趨勢，平臺通用化是各國發展的大方向。無人直升機作為一款戰斗中不可或缺的武器裝備，其通用化的發展也是我們關注的發展焦點。平臺通用化主要包含“一機多型、一機多用”及全軍通用化兩方面。“一機多型，一機多用”指的是在一個無人直升機平臺上，可發展偵察型、中繼型、武裝型、運輸型等各種類型。目前國內外無人直升機在研制時都具有較為鮮明的軍兵種特色，全軍通用化指的是未來無人直升機裝備在設計之初應站在全軍的使用角度考慮，考慮“陸、海、空、天”部隊的作戰使用需求。

“翔鳥”無人直升機

BZK01無人直升機

AR-500系列無人直升機

Z5系列無人直升機

TD220 無人直升機

“小青龍”系列無人直升機

大載重、長航時

隨著飛行控制技術、測控技術等平臺控制技術的發展，無人直升機平臺的性能將得到大幅提升，執行任務的能力越來越強，無人直升機作戰半徑、任務時間的指標需求也在不斷增加，對大型無人直升機的需求也越來越迫切。未來無人直升機空中續航時間將不小于10小時，且考慮到無人直升機需攜帶大量任務設備，因而無人直升機需具備大載重的平臺性能。鑒于國內外缺乏大載重、長航時無人直升機的設計經驗，我們可充分借鑒現有有人直升機的平臺進行改進改型設計，加快大型無人直升機的研制。

高智能化

目前無人直升機的主要缺點是缺少應對突發性事件的能力，只能執行預定的任務方案，智能化程度相對較低，戰場靈活度與有人直升機相差較大。基于無人的特點，智能化將在未來無人直升機產業中有更廣泛的應用。可以預見的是，智能化飛行控制、智能化航電系統、智能化機電系統、智能化任務控制系統等智能化系統將在未來無人直升機上大量普及，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操縱中解放出來，更多地投入到指揮決策中，從而提高作戰效能。

5G通信的結合

無人機控制系統對信號傳輸時延有極為嚴格的要求，為保證無人機的操作準確性，需要通過對控制系統的運用，保證無人機操作實時控制響應效果。運用5G通信技術可實現對數據傳輸時延問題的有效控制，有效提高單個用戶空口數據傳輸帶寬，為無人機應用與數據信息采集提供可靠的技術保障。

技術難點

飛行控制技術無人直升機作為受控對象，具有多變量、非線性、強耦合性、時變性等特點，是一種穩定性差、不易操縱和難以控制的飛行器。目前飛行控制技術是制約無人直升機發展的一大因素，也是決定無人直升機飛行品質的一項關鍵技術。當前無人直升機的飛行控制技術還不夠成熟，各國研發的無人直升機大多實現了自動飛行，但在不同環境和風速條件下，自動控制功能的可靠性和精度、自動起飛、自動著陸著艦等功能還在研究和仿真試驗階段中，且缺乏應付突發性事件的能力，系統只能執行預定的作戰任務。

在飛行控制技術成熟后，無人直升機將集自主飛行、自動飛行和人工實時遙控飛行于一身，并可通過指令切換飛行方式，從而既可適應不同場合又可執行不同任務，在緊急情況下還可以利用飛行控制技術提高生存力。

自主檢測及避障技術隨著人工智能時代的到來，無人機技術應加強自主檢測及避障技術方面的研究，這樣能夠及時避開飛行路徑中的障礙物，極大地降低因為操作失誤帶來的損失，減少撞機事故次數，而這項技術的關鍵在于自主檢測、環境感知、路徑規劃三方面。其主要的原理為：先通過無人機本體上所具備的傳感器對障礙物進行自主檢測，再通過傳感器對障礙物進行實時距離監控并回傳，最后根據實時的數據通過系統選擇合適的算法進行路徑規劃進而完成飛行。目前，實現無人機自主檢測與避障技術的方式比較單一，但是隨著技術的不斷發展，自主檢測系統也將不斷完善。

遙測遙控技術在作戰時，無人直升機和地面控制站之間必須有穩定、可靠、高速的數據傳輸通道，地面人員對飛機的各種監視測量和操縱控制都依賴于提供數據通道的遙測遙控技術。由于無人直升機使用環境的特殊性，要求遙測遙控技術具有以下特點：遙測數據具有高可靠性和高實時性，系統對異常情況能夠快速有效的提示和反應；高機動飛行的情況下確保通信鏈路穩定可靠，為保證數據的正確穩定，系統應具有低誤碼率；由于重量限制，要求機載設備盡量降低復雜度，做到簡單可靠；遙測數據具有良好的可視化方法，地面設備要求簡潔、高效，以符合車載移動地面站安裝和使用。

數據鏈抗干擾技術目前無人機面臨的抗干擾挑戰主要有信息遠距離傳輸帶來的路徑損耗、傳播途徑中的障礙物造成的衰落、無人機的高速運動帶來的多普勒頻移、復雜的頻譜環境帶來的干擾和阻塞。為提高無人機通信可靠性和有效性，今后需研究的重點方面有：低功耗MIMO系統的集成；以擴頻和跳頻技術為代表的抗干擾技術的研究和使用；有限頻譜資源限制下，高吞吐量、高可靠性的物理層和MAC層協議和策略；無人機數據鏈系統和衛星通信系統以及其他無線通信系統的整合。

動力系統的合理匹配 動力系統是發動機的“心臟”，而為不同種類的無人直升機搭配相應的“心臟”對其作戰用途而言意義重大。當前階段，無人直升機的動力裝置主要采用了電動機、活塞發動機和渦軸發動機三種。其中電池驅動的電動機主要匹配續航時間短、起飛重量輕的多旋翼無人直升機；活塞發動機主要匹配低空低速、起飛質量小于1000kg的中小型無人直升機；渦軸發動機主要匹配高空長航時、起飛質量大于1000kg的大型無人直升機。

總的來說，無人直升機作為信息技術時代的產物，憑借自身結構緊湊、轉場靈活、垂直起降等特點，廣泛應用于軍事、民用以及各類農林業生產，而從其實際發展現狀來看，無人直升機面臨著技術和應用的雙重壓力，需不斷打破傳統技術形式，積極引進現代化信息技術，推動無人直升機在技術方面實現跨越式發展。 ■