美國靜音無人機發展及關鍵技術探析

近年來，美國在無人機領域不斷取得突破，尤其是靜音無人機的發展。靜音無人機具備出色的隱蔽性，用于軍事領域，能夠悄無聲息地接近目標區域，避免被對方偵測系統及人員發現，從而大大提高了任務成功率。特別是在敵對環境中，能長時間安靜飛行的無人機毫無疑問能降低被發現的可能性，能夠在對方縱深執行偵察任務，長時間在目標區域上空滯留，進行持續監視，獲取動態變化信息，實現對目標的持續抵近監視，獲取寶貴的第一手情報。

美國靜音無人機主要型號

“大角貓頭鷹”隱身無人機

大約十年前，美國空軍實驗室（AFRL）受美國情報高級研究計劃局（IARPA）委托，開始研究先進混合動力推進系統的實驗型超靜音偵察無人機。

“大角貓頭鷹”編號為XRQ-72A，由諾斯羅普·格魯曼子公司縮比復材（Scaled Composites）研制，空軍研究實驗室（AFRL）支持了“大角貓頭鷹”計劃，IARPA于2011年首次披露了該計劃。

為了實現低噪音，XRQ-72A采用了不同尋常的混合動力系統。中央機身內部安裝了兩臺直接燃燒燃料的發電機來產生電能，再用電能驅動安裝在飛翼頂部的四個涵道風扇產生推力。示意圖還顯示XRQ-72A在下顎安裝了球形傳感器轉塔，可以內置各種類型的攝像機。

XRQ-72A采用飛翼布局，翼展9.14m，機長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。從該機設計圖看，機翼上表面的進氣口和排氣口帶有一定隱身特征，該機基本上由復合材料制成。

“Ghost4”AI靜音無人機

2020年9月，美國國防科技初創公司Anduri宣布正式推出AI無人機“Ghost4”，“Ghost4”是一款小型、超靜音的無人機，這讓它難以被探測到。該無人機可在60s內完成安裝，長約兩米，飛行時間超過100分鐘，具備實時情報、監視和偵察等功能，可自動完成檢測、分類等任務，可以在低頻寬或擁擠的環境中追蹤目標，已應用于美國海關與邊境保護局識別穿越邊境人員。

美陸軍與優步公司開發的靜音無人機

2018年5月，美國陸軍與優步公司合作開發更安全、更致命的無人機。通過開發靜音旋翼技術，降低傳統無人機旋翼產生的噪音。

優步公司尋求解決噪音問題的一種技術是在飛行器上安裝向同一方向旋轉的堆疊旋翼。傳統上無人機使用相反方向旋轉的堆疊旋翼，當旋翼相互向相反方向旋轉時，就會產生一種氣流，導致行動中的噪音。研究表明，讓它們向同一方向旋轉并調整它們的相互位置，與傳統操作相比，利用這種技術能提供性能優勢，同時降低噪音。

Exosonic低聲爆超聲速無人機

2021年10月，開發低聲爆超聲速飛機的Exosonic公司贏得了美空軍對其無人驗證機的資助。空軍生命周期管理中心的AFWERX創新中心授予其直接到第二階段的小企業創新研究（SBIR）合同，進行超聲速無人驗證機的研發。

由于訓練預算有限和飛行員短缺，美空軍無法高效地培養出新的、訓練有素的戰斗機飛行員。因此數量有限的戰斗機飛行員正在接受足夠數量的實彈訓練，以保證美國對抗近對等對手。

Exosonic的超聲速無人機將作為一個模擬對手，在實戰飛行訓練演習中給戰斗機飛行員施加壓力。該無人機配備了各種有效載荷和傳感器，可以以現有空中訓練解決方案的一小部分成本進行訓練，不僅可以節省數百萬美元的訓練費用，還可以減少美空軍現有作戰飛機的磨損。除此之外還可以將戰斗機飛行員的飛行時間集中在己方飛機的訓練上，而無需再花時間模擬敵方飛機，Exosonic將繼續探索其超聲速無人機的更多應用，以幫助國防部在面臨即將到來的近對等對手威脅時實現有效應對。

靜音離子推進驗證機

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

2018年11月，MIT教授史蒂文·巴雷特領導的研究團隊試飛了一架采用EAD推進的飛機，飛機重量僅為2.3kg，產生的推力不到4.45N，在空中飛行了49m。這是第一架采用固態推進的飛機。MIT研究表明，使用傾斜電動空氣動力學（EAD）推進器的無人垂直起降（VTOL）飛機理論上能夠執行有用的城市空中交通任務，這種近乎靜音的推進系統消除了可能導致社區反對的噪聲干擾，第一階段的重點是概念飛機設計和推進器建模。第二階段撥款是根據NASA創新先進概念（NIAC）計劃授予的，將繼續致力于電動空氣動力學（EAD）推進。

W h i s p e r Drone電動無人機

2 0 2 3年4月，美國初創公司Whisper航空公司已經籌集了3200萬美元的A輪融資，為美國國防部開發從地面聽不到聲音的情報、監視和偵察（ISR）無人偵察機。Whisper航空公司已為五角大樓完成了對其新型超靜音、高效、電動飛機推進技術的驗證測試，旨在用于情報、監視、偵察（ISR）。

該公司設計了一型ISR無人機，驗證其技術。該機重25kg，推力44N，飛行高度約60m，無人機在此高度飛行時，地面的觀察員無法探聽到無人機的聲音。

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

北極星公司無人機

美國北極星公司在2023年波蘭軍警防務展上推出一款用于長航時靜音飛行的無人機，與現有類似無人機相比，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展了無人機的飛行能力。該無人機翼展2.2m，最大起飛重量4.5kg，飛行速度為45-110千米/小時，最高升限4000m，作戰環境溫度-20℃-50℃，可用背包攜帶；機身采用碳纖維-玻璃纖維復合材料，輕便耐用；由一個帶有可折疊螺旋槳的靜音電動機提供動力；飛行準備時間只需5分鐘，能以45°角度手動發射，無需任何地面基礎設施；采用了人工智能算法，使無人機能夠定位和利用熱上升氣流，從而增加其無發動機飛行時間。依靠這一算法該無人機續航時長可達4h。

“小角貓頭鷹”超靜音無人機

2024年4月，美情報高級研究計劃局（IARPA）表示，將在未來幾周內向情報機構提供4架“小角貓頭鷹”（LHO）項目原型機。作為IARPA的機密項目之一，“小角貓頭鷹”是一款超靜音、迷你型無人機，重點在靜音機身、靜音推進系統、新提升力、控制方式等方面進行了改進，可提供聲學“足跡”預測工具，以進一步執行重要的情報和軍事任務。“小角貓頭鷹”原型機總質量25kg，可攜帶44.5kg情報、監視和偵察傳感器有效載荷，任務飛行半徑48km，停留時間小于30分鐘。

關鍵技術

美軍超靜音無人機所涉及的關鍵技術包括混合動力推進系統、低噪音設計、隱身技術、高效能源利用和智能化控制等。這些技術共同作用，使得超靜音無人機能夠在執行偵察、監視等任務時，具有高度的隱蔽性和有效性。

混合動力推進系統通過結合燃料發動機和電動機的優勢，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月美國航空航天學會（AIAA）航空論壇上透露了一種非常安靜的涵道風扇技術。該公司表示，已經設計并制造了一種葉尖速度非常慢的涵道風扇發動機，由于一些噪聲發生在人耳聽不見的超聲波范圍內，因此具有很好的靜音性能。其涵道風扇的推力效率比目前使用的最好的涵道風扇高20%，低語航空公司發動機現在處于第九代設計和測試階段，通過一架25kg的無人機對其進行了驗證。該公司透露，這種無人機即便在頭頂61m的高度飛行時，人耳也不會聽見噪聲。

靜音技術是靜音無人機的核心特征，它涉及降噪措施的設計和實施，以減少無人機的聲學特征，靜音技術的關鍵在于降低發動機噪聲、氣動噪聲和機械噪聲。降低發動機噪音通常涉及到使用特殊的發動機設計，如混合動力推進系統，以及采用低噪聲的發動機葉片和隔音材料。氣動噪聲的減少則通過優化機身和機翼的形狀，減少氣流分離和渦流的形成，以及使用吸音材料。機械噪聲的降低則涉及到使用減震材料和設計，減少機身內部機械部件的噪聲。

2020年11月，美陸軍研究實驗室的研究人員與優步公司和得克薩斯大學奧斯汀分校合作，研究發現同軸共旋轉轉子或堆疊轉子，可能提供更好的性能和更低的噪聲。與傳統的旋翼將葉片排列在一個平面上不同，堆疊式旋翼將葉片放置在多個平面上。研究結果顯示，等間距轉子葉片的堆疊轉子產生的噪聲水平最低。2023年2月報道的美國麻省理工學院林肯實驗室的一個研究團隊針對多旋翼飛行器螺旋槳工作時噪聲問題探究了不同形狀螺旋槳對噪聲的影響，并提出一種新構型環形靜音螺旋槳概念。團隊成員利用3D打印技術實現實物制造，通過多次迭代，其最終設計在提供同等推力的情況下，降低了1-5kHz范圍內的噪聲水平以及總體噪聲水平。該團隊發布的視頻顯示，如果感知同樣強度的噪聲，離環形螺旋槳的無人機的距離僅為離普通旋翼的無人機的一半。

隱身技術通過采用特殊材料和設計，降低了無人機的雷達截面積，提高了其在敵方偵測系統下的生存能力。高效能源利用技術使得無人機能夠在長時間內保持穩定的飛行性能。智能化控制技術則提高了無人機的自主飛行能力和任務執行效率。

結束語

隨著技術的不斷進步，靜音無人機的性能將得到進一步提升，技術的發展必將促使無人機戰術戰法不斷創新，并將重新定義戰爭規則，這將給我國安全環境造成很大挑戰。我們必須持續跟蹤美軍靜音無人機的發展情況，分析其關鍵技術，通過對美軍靜音無人機的深入研究，有助于我國加快相關技術發展，提高無人機作戰效能。