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发展无人作战飞机的技术与战略问题  

2007-04-25 09:50:50|  分类: 装备科技F |  标签: |举报 |字号 订阅

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进入21世纪,随着新型无人机种——无人作战飞机的出现,无人机将一改在战场上仅仅充当辅助角色的状况,除了执行空中侦察、战场监视和毁伤评估等作战支援任务外,还能执行压制敌防空系统,对地攻击,甚至对空作战等主要作战任务。无人作战飞机不仅能在未来战场上与有人战斗机并肩作战,甚至在某些情况下替代后者,成为未来空中作战的主力航空武器装备之一。无人作战飞机的出现具有重要的战略意义,必将引起未来空中作战的组织编制、条例条令、作战原则.战术思想乃至装备采购策略等方面的变革。

发展无人作战飞机的特殊性

目前,有人驾驶的战斗机、轰炸机和攻击机是空中作战与对面攻击的主力。随着空战武器和一体化防空系统的飞速发展,有人驾驶飞机在未来战场执行对空、对地作战任务的危险加大,战争损耗与政治风险将难以承受。为此,世界各军事强国已着手研究和评估无人作战飞机的军事效用和实战价值,并投巨资探索各种无人作战飞机方案。无人作战飞机在设计和使用上与有人作战飞机有很大差异:

设计中不考虑人的因素

无人作战飞机以任务为中心来设计,不用考虑人的因素,许多受到人的生理因素限制、可能危及人的生命安全的技术,都可以在无人作战飞机的设计中大胆使用。因而无人作战飞机的飞行速度、高度、航程有很大突破,机动能力成倍增长(过载可达20g),作战使用灵活多样。因为没有常规驾驶舱,飞机可以设计得比常规作战飞机小得多(其大小主要取决于武器),对提高飞机的飞行参数和隐身性能有明显好处。

结构简单但系统复杂

无人作战飞机没有驾驶舱和座椅、仪表、生命保障系统等设备,因此机体结构比较简单,可以采用模块式设计,便于更换任务组件。但是,整个无人作战飞机系统却比较复杂,一般包括无人作战飞机、遥控站和数据链。机载系统包括信息存储与传输系统、信息感知与对抗系统、任务规划与管理系统,以及飞行器飞行控制与管理系统。能源管理系统、突防系统、自主起飞着陆系统等。遥控站可以设在地面上,也可以设在飞行器和舰船上,对无人机进行跟踪、定位和数据传输。这样复杂的系统要求人与飞机及各种设备共同工作、相互配合,才能完成无人机的起飞、空中飞行、作战以及降落。

可在危险环境下作战

在“非接触”战争和“零伤亡”目标的驱动下,美军比以往更重视飞行员的人身安全,愿意把一些危险系数较大的工作交给无人作战飞机去执行。另外,无人作战飞机在与有人驾驶飞机协同编队作战时,还可以在关键时刻牺牲自己,保全有人飞机飞行员的生命。

使用费用大大降低

无人作战飞机不需要座舱、显示器、环境控制和防护救生系统,制造费用会低一些;但是这些费用的降低,又被传感器及智能控制管理系统的费用增加抵消掉一部分。无人作战飞机节省的主要费用,是使用与保障费用。它的使用效率远远高于有人驾驶飞机,有人作战飞机95%左右的飞行时间用于训练,而无人作战飞机不需要训练飞行员,几乎是“招之即来,来之即用”。另外,无人作战飞机在和平时期可长期封存,所节省的直接使用成本和后勤保障成本尤为可观。

发展中涉及的技术问题

推进系统

国外正在发展的各种无人作战飞机,都采用技术成熟的动力系统,在已有发动机基础上进行改进。美国正在积极发展的三种验证样机都选择了涡扇发动机:X-45A选用霍尼韦尔的F124发动机,X-45B选用GE的F4M发动机,X-47选用普惠加拿大的JTl5D-5C。

无人作战飞机目前大都选用涡扇发动机,最根本的还是考虑经济因素。在过去的10年内,通过空军研究实验室主导开展的综合高性能涡轮发动机技术(IHFTET)项目,涡扇发动机的效率得到了很大提高,小型涡轮发动机(如F124)的推重比提高了40%、耗油率降低了20%,发动机系统的生产和维护费用降低了40%。该项目于2003年结束,代替它的是多用途经济可承受高级涡轮发动机(VAATE)计划,到2015年的计划截止期时,以上3个性能将在2003年的基础上再改善50%。

还有很多正处于研究阶段的新概念动力系统可用于无人机,其中最具潜力的是脉冲爆震发动机和电推进系统。脉冲爆震发动机可用于导弹、有人机和无人机,是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念吸气式发动机,一般由进气道、爆震室、尾喷管,推力壁、爆震触发器、燃料供给和喷射系统及控制系统组成。脉冲爆震发动机循环的热效率高;没有压气机、涡轮等转动部件,因此结构简单、重量轻、推重比大;工作范围宽,可以0~10马赫的速度在50千米高度飞行。它与冲压发动机不同,可静态起动;可使用自由来流或机载氧化剂,分别以吸空气发动机或火箭发动机方式工作。脉冲爆震发动机中爆震波以超声速传播,燃气压力高、比冲大、耗油率较低。相对于涡轮喷气发动机,噪声不算大。由于采用间歇式循环,壁温不高,可采用普通材料。

机载通信系统

无人机机载通信系统的发展趋势是提高数据率,主要依赖于红外通信和光学通信的发展。光学通信系统以激光为基础,数据率比红外通信系统的最大值还要大2~3倍。据美国在1996年对一套激光通信(Lasercom)系统的验证试验,在150千米远的距离上,数据率达到1.1太字节/秒。预计到2025年,机载激光通信系统及空间激光通信系统将会得到应用。红外通信系统尽管数据率远远低于激光通信系统,但能够在各种气象条件下工作,在很长一段时间内仍然有用。虽然数据压缩也是一个重要问题,但从目前情况看,美国国防部对它的重视程度远远低于发展宽带通信设施。

武器和设备

无人作战飞机将采用小型、灵巧、精确的炸弹和导弹,以优化有效载荷。美国己开始研究专门针对无人作战飞机的弹药系统,如美国海军开展的“飞碟武器”研究计划、空军的“小灵巧炸弹”等。另外,电子设备也将更先进。如采用内嵌式传感器以实现360°感知,采用合成孔径雷达以提高掌握战场态势的能力,采用低截获率的通信设备并增加抗干扰能力。

生存能力

无人作战飞机的生存能力,是在一定威胁环境下,战术、技术和费用之间的平衡折衷,随任务的不同而改变。美国海军和空军在设计无人作战飞机时,把生存性和其他性能做了最佳折衷,在预算费用范围内把生存性提到最高水平。为了实现低可探测性,从1960年以来,无人机的噪声水平每10年降低了15%。

飞行控制系统、推进系统和操作训练方面的因素,约占无人机事故的75%,是提高无人机可靠性和生存性的

主要着手点。在未来无人作战飞机的设计中,要权衡这三方面与无人机的可靠性和生存性之间的关系,争取在费用和性能的折衷上达到平衡。

保障与维修

无人作战飞机的使用过载不受人生理极限的限制,因此飞机将承受的极限载荷会很高。另外,飞行控制要求无人机具有更高的自主监控和诊断能力,对可靠性、可测试性提出了更高要求。

无人机系统的保障工作包括使用保障与维修保障两大类。在使用保障方面,飞机和任务控制站都应考虑到。在维修保障方面,无人机常常几个月、几年都保存在仓库中,外场使用维修时间少,从而大量节省人力、物力与材料消耗。无人作战飞机的使用和保障费用有望比目前的战术飞机低50%~80%。在贮存期间,应尽量减少对无人机系统的直接接触和动手维修(hands-on)。

美军的无人作战飞机分散在各联队,就近存放在密封的贮存箱中,最长可贮存10年以上。这种贮存箱能自动进行湿度控制和飞行器诊断,维修人员通过计算机网络监视飞行器状态。1架无人作战飞机装在1个贮存箱内,一架C-17运输机能运送6个贮存箱。

训练

无人作战飞机的操作程序其实并不简单,因而操作员的训练很重要。从一定意义上说,对无人机系统操作员的要求甚至比对一般飞行员还要高。由于将来无人机要与有人驾驶飞机一起协同作战,因此操作员除了要熟悉无人机外,还要了解其他飞行平台的操作。无人机系统操作员的初始训练、任务训练和后续训练都可以在模拟器上进行。

美国国防部认为,未来无人机的飞行训练应当确保以下几点:①保留维护人员以满足战时需求;②健全基础结构设施以适应整个体系的要求;③操作员要有一定的真实飞机驾驶经验:④操作员要了解编队作战;⑤操作员要有灵活性,随作战计划的改变调整作战任务;⑥操作员要及时了解敌我双方的情况,不被假象所蒙蔽。

发展中涉及的战略问题

无人作战飞机与有人作战飞机的关系

在未来相当长的一段时间内,两者将是相互补充而不是取而代之的关系。虽然无人作战飞机的使用范围会逐渐增大,有人作战飞机执行的任务有些可以由无人作战飞机替代,但有些则不行。因为说到底,无人作战飞机的智能化的水平不可能在短期内达到有人战斗机的水平,特别是在对付伪装目标、执行随机任务、克服复杂干扰时更是如此。今后,无人作战飞机可以充分利用机动能力强、成本低、隐身性能好的优势,在恶劣条件下实施作战攻击任务,降低有人作战飞机飞行员执行任务时的风险:有人作战飞机则可以充分利用人的智慧和综合判断能力,在复杂条件下排除干扰,自己驾驶作战飞机或指挥无人作战飞机实施作战攻击。有人和无人作战飞机配合使用能起到“一加一大于二”的效果。

无人作战飞机对未来作战模式的影响

无人作战飞机的使用肯定会对未来作战模式产生重大影响,作战样式、指挥、组织、训练样式等都会不同,但人们对于影响的程度和产生根本性影响的时间早晚看法不一。比较乐观的看法是,无人战斗机的出现将彻底改变21世纪的作战模式,甚至把激烈的空战变成坐在计算机屏幕前的一场“游戏”,参战人员只需按下鼠标键,就可摧毁千里之外的建筑、设施、装备……

美国国防部认为,在未来战争中,有人驾驶飞机和无人作战飞机及其他无人支援飞机联合编队作战,将产生一种新的作战模式。在这种作战模式中,多种无人机和有人机优势互补、分工协作,可以将各自的效率发挥到最大;侦察型、作战型、干扰型无人机通过通信设施与有人驾驶飞机形成局域网、实现信息共享,而这个局域网又包括在整个空天地一体化的大网络中;无人机通过局域网接受来自指挥机构的指令,按照作战的需要及时出现在最佳位置,执行各自的任务。

在上述作战模式中,无人机必须具有以下能力:编队能力,无人机机群要能够编队作战,以有效压制敌防空力量,将自己的损失降到最低;较高的灵活性,要能够随着作战计划的改变实时调整作战任务;战场态势感知能力,要能够及时了解敌我双方的状况,不被假象所蒙蔽。

美国空军认为,无人作战飞机的出现会引起空战理论的变革,以及对地攻击和空中作战方式的改变。今后很可能是一架有人飞机带领多架无人机作战,无人支援飞机延伸了探测距离、无人作战飞机延伸了攻击距离,同时使得有人飞机延伸了安全距离。

美空军专家预测:无人作战飞机将采用机群作战方式,在有人驾驶攻击机群外圈10余千米处飞行,相互间通过视距内数据链通信,并由卫星通信进行控制指令的传送。为了减少攻击机群驾驶员的负荷,无人作战飞机可由地面人员或防区外飞机上的成员控制。当某架无人作战飞机发现敌方雷达后,将调用另一架无人作战飞机的数据、利用三角原理确定发射源的位置,随后接近目标、投下精确制导武器,有时还会再次飞越目标以确认战果。

美军专家设想的一种作战方式,是由1架F-22控制3架无人作战飞机混合编队飞行,无人作战飞机在F—22前面约150~200千米处打头阵。F-22平时保持电子静默,只接收由无人作战飞机、高空侦察机,甚至卫星传送的数据;进行攻击时,F-22只需2个短脉冲,即可指挥无人战斗机发射武器。另一种作战方法是由KC-10一类的加油机,带着一群无人作战飞机进行远程突防,并在途中给无人机加油。到达目的地后,加油机就可以把这群无人作战飞机“放”出去执行指定的作战任务。

另外,随着无人作战飞机机体设计技术和小型机载武器技术的成熟,战场环境感知能力和实时作战能力的提高,无人机将会直接用于空战。无人战斗机借助其高隐身和高机动性能,能够突然地出现在作战攻击区、迅速接近敌机,对敌机形成包围之势。所以军事专家把这种空战战术称为“群狼”战术。

今后,根据无人机执行任务的不同,可能会出现两种标准模式的无人机,即基于数据处理的“空中中心模式”,以及基于通信的“地面中心模式”。前一种模式,无人机与地面系统的联系很少,对无人机的自动化和智能化要求很高;后一种模式,对无人机机载数据处理的要求不高,但由于要互相传递大量的作战数据,对通信的要求非常高。这两种模式各有优缺点,在将来都有发展前途。

无人攻击机和无人战斗机的区别

无人作战飞机可分为无人攻击机(对地攻击)和无人战斗机(进行空战)。前者攻击的是固定的或低速移动的目标,任务相对简单,因此会首先面世s后者的技术难度要大得多、智能化程度要高得多、信息传输能力要强得多,在近20年内出现的可能性不大。

无人攻击机对于有人驾驶攻击机和巡航导弹的发展无疑是强有力的挑战。无人攻击机可以悄然飞至目标附近,用精确制导武器进行出其不意的攻击。因此在作战中,可以先于有人攻击机出发,摧毁敌防空武器:然后在战场上空保持“持续警戒”,始终压制着敌人的防空系统,并可随时对时间敏感目标发起攻击。

在X-45和X-47无人机的任务需求中,有明确的对地攻击要求。攻击对象包括掩体、建筑物等固定目标,坦克、装甲车等机动目标,以及加固的生化武器仓库和地下指挥中心等。所用的机载武器包括反坦克导弹、制导炸弹及灵巧子弹药等。X-45和X-47的任务需求中,还明确了防空火力压制任务。攻击目标包括雷达、高炮和地空导弹发射系统等,有先发制人和随机反应两种攻击模式。前者是按预定程序将无人机投放到战场,有选择地攻击地面目标;后者则是在护航或巡逻的过程中,对突然出现的目标进行响应。

相比之下,无人战斗机面临的战场环境变化快,任务复杂得多,因此发展难度很大、费时费力。最大的困难就是智能控制和自主作战。地面控制站顶多给一点指令性的干预,如发出攻击指令,至于无人战斗机怎么攻击就是它自己的事了。

综上所述,无人作战飞机将是21世纪航空技术发展的一个重点领域,它的出现将大大改变未来战争的模式。无人作战飞机将在一个大系统内、作为一个作战单元进行作战,因此会更加倚仗信息技术。从这个意义上讲,无人作战飞机作为信息技术与航空技术完美结合的产品,其发展前景将无限广阔。

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