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莫斯科不相信眼泪

 
 
 

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无人机系统发展中的若干问题  

2008-01-30 11:06:31|  分类: 装备科技G |  标签: |举报 |字号 订阅

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       20世纪80年代中期无人机(UAV)研发逐步升温,到90年代中期无人作战飞棚(UCAV)的研究又风起云涌使无人机系统(UAS含UAV和UCAV)成为世界航空科技领域的热点之一。下面以站在发展前列的美国为例 谈谈UAS发展中几个值得关注问题。
  
  对无人机系统的作战需求
  
  谈到对无人机系统的作战需求可以先看看美国国防部发表的无人机路线圈欧洲国家的思路与之大同小异。美军第一份无人机路线图是在2000年颁布的截Z2005年经过两次修订共发布了3版无人机路线图从中体现出美军对UAS在未来战争中地位和作用的构想路线图还提供了美国防部对UAS的逐年投入1990-2000年,11年共投入36.15亿美元年均3.29亿美元,而2001~2005年5年共投入63.71亿美元年均12.74亿美元其中2005年达到21.66亿美元反映出美军对于UAS研发和采办的日益重视。
  路线图中专门有一节谈及对UAS的任务/使命需求分析了40多年来使用UAS的经验教训,针对战场作战能力中存在的缺陷提出了优先需求 并公布了参联会对UAS需求的投票结果。其中对于小型战术型战区型作战型四类通用型UAS按18种任务分别排定了优先级顺序。这18种任务以四年防务评审报告中的五个要素来分类属于战场空间态势感知的有6种属于兵力防护的有2种属于兵力使用的有6种属于指挥与控制的有3种属于集中后勤的有1种优先级顺序中的前6种。
  从表可以看出各种UAS都把侦察任务放在首位,其次是精确目标定位与指示以便本机(如UCAV)或他机(UCAV或其他作战飞机)实施攻击:只有战区级的UAS(如全球鹰)把信号情报收集排在目标定位与指示之前 这可能与它服务于战区司令部的性质有关。作战型无人机(即UCAV)既要遂行火力打击任务也要优先承担电子战和信息战任务。在非作战型的无人机中,战术无人机优先承担火力打击任务虽然武器载荷不会太大但在携带高威力小型制导武器精确打击稍纵即逝的目标时还是很有价值的。
  UAS适于承担“3D”即枯燥乏味(Dull)危险(Dangerous),有污染(DIny)的工作。路线图中列此也有要求。
  
  无人机系统的螺旋式发展
  
  经过近15-20年的发展以实时/准实时获取信息为主要用途的作战支援型UAV已列装进入服役它们以美国的“捕食者”和“全球鹰”为代表。作为一种信息型长航时UAV,“捕食者”多次参加实战已成为CISR网络中承担ClSR功能的重要空中平台。截至2004年美军无人机队已累积飞行了15万小时以上。同时各国的UCAV验证机陆续上天如美国的X-45和X47系列,法国的缩比验证试验机(AVE)瑞典的“瑞典高级先进研究布局”(sHARC)和“飞行创新隐身无人研究(FlLUR)无人作战验证机、德国的”,梭鱼(Ba rrakuda)无人作战验证机等标志UCAV已进入验证机阶段。俄罗斯虽然在UAS的研发上落后了一步但从最近公布的方案看也是紧追不舍的如雅克福列夫设计局的突防系列无人机方案。
  在数字仿真技术高度发达的今天这么多国家竞相进行实物样机的试飞演示验证只有上世纪70-80年代的主动控制技术验证机计划可与之相比,当时世界上各航空科研国家如美英、法、苏德日瑞典印度等纷纷开展验证机的试飞演示验证,使得这项主动控制技术随即成为第三代战斗机的主要技术特征之一然后又以此为基础开展了自修复控制技术和综合控制技术等系列新概念新原理的研究与开发使其成为第四代战斗机的技术基础之一,而且主动控制技术还推广到民机领域空客320系列就是以最先应用电传操纵系统作为主要特色的。
  各航空强国历来有将重大科研成果尽快投入新产品开发或已有产品升级改型的传统。因此可以推断再过10~15年UCAV将会进入列装服役阶段,从目前的发展态势看UCAV已属于重要的“后四代”(即与第四代和第三代改型战斗机搭配使用的)装备而且还可能是“四代后”(即新代的)装备。
  美欧国家都对UAS的研究和开发采用滚动式(螺旋式)发展的方式以便把基础研究和应用基础研究的成果不断引入到UAS既出阶段成果又向深度进军实现从量变到质变的飞跃。美军无人机路线图中就有分近中、远期的25年规划的方法以及新版的按5年计划的方法。
  以2005年为例美国陆、海、空三军及国防先期研究计划局四家共安排了79个与UAS有关的研究发展项目如美国空军将在多平台雷达引入计划(MP—RTIP)中发展可用于UAS的传感器系统并在E-8“联合星”和“全球鹰”上进行试验和部署用以发现具有隐身能力的飞机和低空飞行的巡航导弹亚音速的UAV还可能向临近空间飞行器方向发展,以进一步提高生存力。美俄都宣称已掌握了改进动力系统以适应高空飞行的技术秘诀(know—how)。
  
  临近空间的低速浮力飞行器
  
  未来战争是空天地海电磁五位一体的体系对抗空天是重要的战略制高点。距地表高度约20-100千米的空域被称为临近空间(NearSpace),近些年来,临近空间飞行器(包括无人驾驶的低速浮力飞行器)的战略价值引起世界各国的重视。
  我们知道地球被厚厚的大气层所包围 航空器正是在大气中利用气动升力来飞行的,升力与大气密度成正比,由于大气密度随飞行高度的增加而下降20千米高度时的大气密度仅为海平面的7%因此自飞机问世的100多年里航空活动主要在20千米以下高度进行只有少量的特种用途飞机飞到过30千米以上高度X-15试验机曾飞到过70千米。另一方面在稠密大气层中高速运行的航天器(如弹道导弹载人飞船) 则会受到很大的阻力和急剧的气动力而被加热。于是,临近空间就成了飞行器的一个新战场,无人飞行器闯入临近空间领域也就成了顺理成章的事。
  临近空间飞行器具有突防能力强生存力高和应用范围广的特点能遂行快速远程投放、侦察监视和预警,通信中继导航信息干扰等诸多空间攻防任务。临近空间飞行器按飞行速度大体上分为高超声速飞行器(如X-43)、超声速飞行器(如D-21 SR-71、米格-25)亚声速飞行器(U-2)低速升力飞行器(如“太阳神”、“百人队长”),以及低速浮力飞行器如高空飞艇(HAA),“上升者”临近空间机动飞行器(NSMV)等几种类型。
  这里只对临近空间的低速浮力飞行器(氦气飞艇)做一些分析。这种飞行器的特点是留空时间长可机动和定位驻留,对环境友好费用相对低廉。美国在空间浮力飞行器的研发上处于领先地位。他们采用了分步实施的方案如HAA就先按20千米高度为目标,随着相关关键技术的攻克再进一步提升驻留高度增大飞艇容积。
  在工程实现上需要解决材料,能源、动力和控制四大关键问题,当然制造工艺和地面保障设施也必须配套解决。
  (1)材料问题。飞艇的材料除了要有一定的力学性能以承载内外作用力之外还要求耐低温、抗温度交替或梯度变化耐太阳辐射 而最基本的要求是单位面积的重量要轻——因为飞艇要上升到25千米以上高度,艇身的自重可能占飞艇总重的70%~90%上升的高度愈高,自重所占比重愈大,因此,降低材料的单位面积重量极为重要。
  (2)能源问题。飞艇携带任务载荷维持数据通信进行机动与定位都需要消耗能量。临近空间存在着紊流区域尽管平均风速不大但驻留时克服风的扰动的功耗依然占较大比例。飞艇可以利用太阳能但仍然需要配以高能量密度电池构成组合电源才能维持不中断供电。目前电池的能量密度水平尚低、电池组重量很大严重制约了飞艇的上升高度,此外飞艇的太阳能电池只能采用薄膜式而不能采用帆板式否则阻力造成的功耗将大大增加。鉴于民用领域对太阳能氢燃料电池等的开发力度较大,军方也高度重视对致密能源的研究估计能源问题有望在未来5年左右得到解决。
  (3)勐力问题。飞艇需要动力来控制上升过程和机动定位。低速或静止的飞艇采用电动螺旋桨产生推力的可行性在高度30千米的临近空间已得到飞行验证,但高度进一步上升电动螺旋桨可能会力不从心。目前有人主张采用低温等离子体推进技术但尚待攻关与验证。
  (4)控制问题。飞艇的控制包括采用零压体制的飞艇在上升过程中,随外界大气压力和温度进行飞艇容积与上升速度的控制,地点到预期驻留点的路径规划与控制,在预期驻留高度上的机动和定位控制,艇上任务设备的控制;以及可能需要的回收控制等。难点在于上升至预期驻留点的控制以及回收控制,因为这些过程不仅时间较长而且受外界大气环境影响的不确定性比较大。
  
  关于无人作战飞机的发展
  
  无人作战飞机(UCAV)是近期受到特别重视的无人机分支它在发展中涉及到如下问题:
  
  
  气动布局
  
  目前已进入试飞的UCAV验证机平台的气动布局基本上都是亚声速高隐身的,构型偏好飞翼布局真正超声速 高机动的气动布局方案尚不多见。这可能与美国的X-45 A/B西欧的验证机侧重于执行压制敌方空防(sEAD)任务X-45C趋向于执行远程轰炸任务而执行空战任务的UCAV的研究尚待时日有关。
  
  动力装置
  
  UCAV动力装置的使用寿命不如有人驾驶飞机那么长又不像巡航导弹那么短属于有限寿命一类。目前UCAV验证机所用的动力装置都来自现役发动机,而将来UCAV的动力装置则会根据综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划和可负担的先进通用涡轮发动机(VAATE)计划的研究进展待机行动列UCAV动力装置的要求涉及到性能费用可贮存性等方面关键是要采用先进的制造技术独特的部件设计以及一机多用等措施降低研发和生产的费用。
  
  自主控制
  
  实现无人机飞行主要有“自主飞行”和“人在回路中控制”两种方法目前大多数UAV是按预先编程和人在回路中控制实现自动飞行的;已投入试飞的验证机则具备一定的自主控制水平可以应急处置突发事件、重新规划机上航路进行编队协调虽然人工智能控制理论和技术的发展较快但要使UCAV真正具备高度的自主行为能力,尚有待微处理器技术和仿生科学取得突破性的成果。
  工程技术界比较一致的看法是要想以自动装置最终替代人来驾驶飞机它就必须达到(甚至超过)人脑的思维速度、记忆容量具有从经验中获得的判断能力。目前人脑的处理速度已达到108MlPS(即10指令/秒)记忆容量达10亿兆字节。即便借助光学生化、量子干涉开关cQlS)和分子处理器等新技术的组合处理器硬件要达到这个指标,以目前的速度要到2015年。
  软件(算法)的进展就不如硬件那么好判断了。目前已开发出的许多人工智能算法都有实际应用的限制对人脑的认知 分析和决策过程还有不少需要深入研究的问题。比如,人脑具有对复杂问题进行简化处理的本领而要机器实现困难就大了。何况软件的正确性检查也是十分复杂的工作主动控制技术验证试飞计划和目前的UCAV验证机计划都包含有对机载软件进行运行考验的内容这是地面仿真所不能替代的。
  即使慎之又慎,验证机出事故的情况并不少德国梭鱼验证机第二个起落就失事了。尽管如此UCAV在未来10~15年完成编队战术任务重规划、实现编队战术任务目标达到分布式的自主控制水平,还是有可能的。
  
  指挥控制与通信
  
  由于历史原因原先对UAV的指挥控制是通过地面站实施的。在最初的UCAV研究计划中曾对地面站控制指挥UCAV的数量进行了扩充提出了“一站四机”的方案。但随着研究工作和作战模拟的深入最近又提出了指挥所式地面控制结构方案,即由一个指挥所控制多批、多架(30架以上)UCAV实现任务和航路预规划和人一机对话并且有较强的辅助决策能力(能提出方案供选择并比较优劣)。
  通信系统包括数据链和网络两大部分。目前的数据链主要是无线电通道它适应全天候工作但传输速率受到频谱和带宽的限制,而抗干扰和安全性要求更会挤占带宽,光学和激光通信链路正在发展中虽然传输速率抗干扰能力和安全性有了很大提高但截获对准、跟踪交互等性能容易受到气象条件的影响。
  UAV的通信先前多是点对点的到全球鹰等高技术UAV时已成为混合式既有点对点通信能力又有经由卫星组网的通信能力。美国计划到2016年左右,使每架UAV/UCAV都成为全球信息栅格(GIG)中的一个节点依照UCAV的作战使用特点无中心自组织具备自修复能力的自组网(AdHoc网)是比较合适的,而美国陆海空三军都建有这样的网络、美军对军民用资源互补通信标准化研究与建标等方面都比较重视,再加上联合战术无线电系统等通信装备的发展,可以认为美军无人作战飞机在通信领域会有合适的解决方案。
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