军用无人机研究综述

  一、背景知识

  无人机,顾名思义,就是无人驾驶飞机,英文名称为Unmanned Aerial Vehicle(UAV),是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置,或者由车载计算机完全地或间歇地自主性操作。军用无人机可分为侦察无人机、诱饵无人机、电子对抗无人机、通信中继无人机、无人战斗机及靶机等,与载人飞机相比,具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。随着高新技术在武器装备上的广泛应用,无人机的研制取得了突破性的进展,并在几场局部战争中频频亮相,屡立战功,受到各国军界人士的高度赞誉。可以预言:在21世纪战场上,人们将面临日益增多的无人机,军用无人机将会重塑21世纪的作战模式。

  二、发展历史

  无人机从诞生起经过多年的发展,技术日趋成熟,经历了如下的发展阶段:第一次世界大战至20世纪20年代的“早期无人机”时代;20世纪20年代至20世纪50年代的“靶机时代”;20世纪60年代至20世纪80年代的“无人侦察机”时代;20世纪80年代至今的“无人机系统”时代。

  现代战争是推动无人机发展的基本动力。世界第一架无人机诞生于1917年,而无人机真正投入作战始于越南战争,主要用于战场侦察。随后,在中东战争、海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争(第二次海湾战争)等局部战争中,无人机频频亮相、屡立战功。尤其在阿富汗战场上,无人机更是成为当之无愧的主角,多次成功实施“斩首”行动。

  早期无人机诞生于第一次世界大战至20世纪20年代。出于战争需要,英国的卡德尔和皮切尔将军提出了一个大胆的设想:研制一种无线电操作的非载人飞机,使它飞到目标敌方上空区域,将事先装置的炸弹投下去。这一具有重要战术价值的设想立刻得到英国军事航空学会的赏识与支持。英国A.M.洛教授研制的“喉”式无人机和美国陆军查尔斯·F·凯特林的“凯特林飞虫”无人机是早期无人机的典型代表。

  20世纪40年代,二战中无人靶机用于训练防空炮手。靶机的来源有两种:小型低速靶机(包括螺旋桨和喷气式)高速大型靶机(包括退役战斗机改装)。

  1945年,第二次世界大战之后将多余或者是退役的飞机改装成为特殊研究或者是靶机,成为近代无人机使用趋势的先河。随着电子技术的进步,无人机在担任侦查任务的角色上开始展露他的弹性与重要性。

  20世纪60年代至70年代情况发生重大变化,无人机迅速发展成为一种陆海空三军不可缺少的全新型概念的作战平台。例如越战中,越军猛烈的防空火力使得美军飞机和驾驶员损失很大,因此美军首次投入改装后的“火蜂”等无人侦察机执行空中拍照侦察和电子情报侦察任务。此时,无人机的作用除靶机外,大量用作执行战场军事侦察任务的无人机。该时期我国由于苏联援助的取消、专家的撤离,解放军空军试验用的拉-17无人靶机严重缺失,国家下决心搞自己的无人靶机,从而促生了长空一号。长空一号(CK-1)高速无人机。1966年12月6日,长空一号首飞成功。实际上长空一号就是仿制拉-17的产品,从开始仿制到总体设计成功用了三个月。后转由南京航空学院具体负责,曾由中航二集团的常州飞机制造厂负责生产。在南航,该机型于1976年底设计定型,总设计师为该校的郭荣伟。早在60年代末,该所开始了无人机的研制。长空一号研制成功后,在我国空空武器等试验中发挥了重要作用。

  20世纪八十年代以后,无人机用途大为扩充,广泛应用于战场监侦、电子对抗、目标指示、战果评估、通信中继以及大地测绘、资源探测、空气采样、环保监视、交通管理等方面。1991年的沙漠风暴作战当中,美军曾经发射专门设计欺骗雷达系统的小型无人机作为诱饵,这种诱饵也成为其他国家效彷的对象。1996年3月,美国国家航空航天局研制出两架试验机:X-36试验型无尾无人战斗机。该型长5.7米,重88公斤,其大小相当于普通战斗机的28%。该型使用的分列副翼和转向推力系统比常规战斗机更具有灵活性。水平垂直的尾翼既减轻了重量和拉力,也缩小了雷达反射截面。无人驾驶战斗机将执行的理想任务是压制敌防空、遮断、战斗损失评估、战区导弹防御以及超高空攻击,特别适合在政治敏感区执行任务。20世纪晚期之前, 他们不过是比全尺寸的遥控飞机小一些而已。美国军方在这类飞行器上的兴趣不断增长,因为他们提供了成本低廉,极富任务弹性的战斗机器,这些战斗机器可以被使用而不存在飞行员死亡的风险。

  20世纪90年代,海湾战争后,无人机开始飞速发展和广泛运用。美国军队曾经购买和自制先锋无人机在对伊拉克的第二次和第三次 海湾战争中作为可靠的系统。西方国家充分认识到无人机在战争中的作用,竞相把高新技术应用到无人机的研制与发展上:新翼型和轻型材料大大增加了无人机的续航时间;采用先进的信号处理与通信技术提高了无人机的图像传递速度和数字化传输速度;先进的自动驾驶仪使无人机不再需要陆基电视屏幕领航,而是按程序飞往盘旋点,改变高度和飞往下一个目标。

  三、国内外研究现状

  国外研究现状

  美国无人机领跑世界。美国最早于1939年开始研制无人靶机,先后研制出"火蜂(Firebee)"系列和" Chukar "系列靶机。从20世纪50~60年代开始,美国相继研制成功"火蜂"、"先锋"、"猎人 "、"捕食者"和"全球鹰"等战术或战略无人侦察机,以及"捕食者"改进型无人侦察作战飞机,先后在越南战争、海湾战争、科索沃战争和这次对阿富汗的军事行动中。

  美军认为,21世纪的空中侦察系统主要由无人机组成。美军计划用预警无人机取代E-3和E-8有人驾驶预警机,使唤其成为21世纪航空侦察的主力。

  美国高级计划研究局近日宣布新启动“战术利用侦察节点项目”,或称之为“燕欧”项目,设想利用较小型的舰艇作为中空长航时固定翼无人机的机动发射与回收平台。按照计划,下一代无人机将能够在小型水面战舰上起降,从而拓展美军无人机的作战范围,使之能够触及更加遥远的战场。“燕欧”将成为美国海军无人机的重大飞跃。目前美国海军能够从驱逐舰和其他舰艇上起飞10英尺宽的“扫描鹰”无人机,能够从濒海战斗舰上起飞“火力侦察兵”无人直升机。据美国高级计划研究局称,研发可靠发射与回收技术,是“燕欧”无人机项目面临的一个重要技术障碍。濒海战斗舰和驱逐舰没有可供无人机从长跑道上起飞所需的甲板空间,因此它们依靠借助飞机弹射器起飞的“扫描鹰”无人机和垂直起飞的无人直升机。与旧式无人机相比,高性能、固定翼无人机需要更强大的推动力,着舰难度更大。如果“燕欧”无人机获得成功,美国高级计划研究局将做好扩大美国海军无人机的规模,很可能会把几乎所有军舰转变成移动无人机基地。

  除研发X-47B原型机以及其航母舰载衍生型无人机之外,美国还在研发陆基非武装巡逻“广域海上监视(BAMS)”无人机,该款无人机以美国空军的“全球鹰”无人机为研发基础,而“全球鹰”无人机的体积与波音737相近。从理论上讲,“广域海上监视”无人机能够借助美国多数水面战舰起飞——美国海军列装有122艘水面战舰——但这种无人机在航程、速度和载荷方面欠佳。因此,美国缺少一种中等重量无人机:一款占用甲板空间小,并可在多种水面舰艇上起降的速度快、航程远的武装无人机。

  美军将推进无人机群研究任务,据英国《每日邮报》4月4日报道,美军近日批准4家公司研制一种以群体协作方式工作的无人机计划,以此代替人类开展危险任务,并希望以此极大降低多功能战机的使用成本。美国国防部公布的一段官方视频,展示了2016年10月在中国湖进行的一次无人机集群智能测试。这段视频上,3架大黄蜂战斗机用特种吊舱一次释放了103架微型无人机。从地面操纵人员的显示屏上清楚看到那些无人机(绿色点)根据目标/指令(红色点)自主编队并实施追踪的画面。它们时而根据目标编队,时而根据指令快速移动,也可以根据环形指令排成一个圈,把一个区域围得水泄不通。按照国防部的消息,这些“命令”是下达给“蜂群”的,而不是其中任何一个个体。“蜂群”之间彼此会不停地“交谈”,在没有个体指挥官情况下形成“蜂群智能”。在组成集群过程中,如果个别无人机发生故障或损失,剩余无人机会根据参与组网的无人机实际数量做出反应,自主调整编队形式,继续完成既定任务目标,这是无人机智能集群技术最为诱人的特征之一,即具备系统性的高生存力。这些无人机并不是经预设程序的协调行动的个体,而是像自然界中类似鸟群的动物群体那样,共享决策的分配大脑,相互协调行动。预示美国正进入机器人战争的新时代。

  国内研究现状

  2012年12月,由同济大学航空航天与力学学院、上海奥科赛共同研制的中国第一架纯燃料电池无人机“飞跃一号”,在上海奉贤海边首次试飞成功。该无人机可升至2千米以内高空,时速为30公里,可连续飞行2小时,非常适合用于环境监测、战场侦察等领域。“飞跃一号”翼展5米,起飞重量20公斤,有效载荷1公斤,巡航速度为30公里每小时,飞行高度小于2千米,续航时间2小时。它使用一个1千瓦的质子交换膜燃料电池作为动力。

  2015年,MOLA模拉TOURIST1问世。TOURIST1是一款具有记忆功能的无人机,除了跟随、对点、绕点、多点飞行等智能飞行模式外,还能够记忆多条规划的路径,系统智能存储,当再次选择储存的飞行路径时,自动按照规划路线飞行,拍摄视角随心控制。同时,TOURIST1拥有一整套完整的空中预警系统,特别是智能避障功能,能够自动探测前方的障碍物,规避碰撞风险。

  “翼龙”无人机是一种集中空、长航时、侦察打击一体的多用途无人机,它代表了目前我国无人攻击机研制的最新水平,可谓中国无人机制造领域的“当家明星”。“翼龙”无人机机身尺寸与美国空军的MQ-1B“捕食者”无人机相似,它具备全自主平轮式起降和飞行能力,最大起飞重量达1100公斤。机重1.1吨,长9米,航程超过4000公里,升限5000米,最大续航时间约为20小时。可携带国产KD-10激光制导导弹、LS-6GPS制导炸弹等,对地面目标进行精确打击,被称为中国版的“捕食者”攻击型无人机。

  “彩虹四号”(CH-4)中空长航时无人机是一款察打一体大型军用无人机,是国内同级别无人机系统中挂载能力最强、飞行能力最优的无人机,被称为中国军用航空的领秀之作、中国版的“死神”。它既可以执行战场侦察任务,搜集敌方作战信息,进行超视距预警,也可以执行电子战任务,还能对地面固定目标和低速移动目标实施精确打击。“彩虹四号”有三大特点:首先是平台出众。它最大起飞重量1330公斤,最大载荷345公斤,最大升限8000米,最大续航时间38小时,最大航程3500公里,各项指标均超过“捕食者”。其次是察打一体。该无人机实现了侦察与打击功能的二合一,机腹下装有雷达,使之具有较强的全天候作战/探测能力,它能在5000米高空发射导弹,攻击地面和海面目标,不需要降低飞行高度即可实施攻击。最后是高度智能。它实现了全自主起降,可靠性大为提高。无人机在飞行中可对目标进行定位,随后发射导弹或制导炸弹实施攻击。“攻击-1”型无人机是中国空军现役的察打一体无人机,被誉为信息化战场的“新宠”。该机采用单发、大展弦比、平直翼、v型尾翼气动布局设计,可担负低威胁环境下战场重点区域持久侦察、监视和攻击、毁伤效能评估等任务。机上配备有激光指示器等光电侦察监视设备,不仅可以为自己发射的反坦克导弹进行制导,也可以为其他飞机或地面武器制导提供目标指示。目前,该无人机已形成战斗力。

  WJ-600型高空高速无人机。它是一种大型无人机,外形类似巡航导弹,既可以装载各种先进的光电侦察、合成孔径雷达等电子侦测设备,也可以在机翼下方挂载KD-2等空对地导弹,使之变成“空中杀手”。WJ-600还可以充当通信中继站,让地面指挥中心通过它控制SH-1隐形无人机和“刀锋”系列战术无人机作战,从而将侦察、通信、指挥和攻击等多种作战功能融合在一起,实现“侦——控——打——评”一体化作战。

  无人机系统主要包括飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等。飞控系统又称为飞行管理与控制系统,相当于无人机系统的“心脏”部分,对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响,对其飞行性能起决定性的作用;数据链系统可以保证对遥控指令的准确传输,以及无人机接收、发送信息的实时性和可靠性,以保证信息反馈的及时有效性和顺利、准确的完成任务。发射回收系统保证无人机顺利升空以达到安全的高度和速度飞行,并在执行完任务后从天空安全回落到地面。

  国内外研究对比

  国外以美国为主要代表,较早地开展军用无人机项目研究,并在海湾战争等战争中,在侦察、电子战领域取得优异表现。我国无人机虽然起步较晚,但在理论和应用领域正在逐渐追赶美国。国产无人机更加强调“察打一体”、“系统化作战”等战术概念,在最近的克什米尔冲突中有着优秀的表现。

  四、未来展望

  习总书记曾说:“武器装备是军队现代化的重要标志,是国家安全和民族复兴的重要支撑。“无人机,就是现代化武器中的重要一环。减少人员伤亡、获取信息优势,是各国各军队孜孜以求的目标,努力发展无人机,有助于我们走在信息化时代的前列。

  如今我们处在信息化战争和智能化战争的历史节点,机器主战、智能化无人装备为主要作战力量;集群优势、大规模集群作战为主要作战样式;极限作战,突破人类生理和思维极限,实现全时空、全天候、全频谱、全领域作战。无人机,必将在智能化时代拥有自己的天地。