“管杀不管埋”的无人直升机
腾讯军事2013-10-14 17:01我要分享 68
作为一个军迷，如果你没看过《幽灵行动：阿尔法》这部电影，那么你就太落伍了，这部影片中充斥着各种“碉堡”级武器，当然也有现在耳熟能详的主流武器装备，比如M82A1、光学迷彩外套、单兵外骨骼、G36、OTS14（类似）、AK、伯莱塔Px4、BMP-1、米-26等等，还有诸如隐身斗篷、超级机械狗绝对科幻的装备，最引人注目的要数那架涵道风扇式轻型无人直升机，幽灵小队在推进过程中一直使用无人直升机进行战场监视，对目标的跟踪、甄别都是由该平台完成，甚至可执行管杀不管埋的空中绝杀任务，将无人直升机的作用发挥得淋漓尽致。

《幽灵行动：阿尔法》中的执行多种监视、跟踪、甄别和空中火力打击等任务

影片中的无人直升机不论在战术运用还是性能指标上都可以作为未来无人直升机项目研制的标杆，作为当今世界上最“火”的无人直升机MQ-8B“火力侦察兵”（Fire Scout），其任务覆盖面极广，不仅可用于执行空中侦察任务，还可以携带激光制导炸弹对敌方目标进行清除，因此美军对其期望值很高。然而，数天前中国航空报报道了中航工业直升机所掌握无人直升机的核心技术，研发团队突破了发动机控制、悬停控制、中速飞行、自动起降等一系列关键技术，技术的进步使得我国多个级别的无人直升机向全系列发展前进，但与世界顶级无人直升机相比，还有不小的差距。可以预见，无人直升机将是继固定翼无人机之后又一个充满硝烟的“战场”。

无人驾驶直升机与战场应用

无人直升机是无人驾驶直升机的简称，可通过遥控、自主导航等方式进行飞行和垂直起降，其依然归类于旋翼飞行器，并继承了此类飞行器的优点，其不载人的特点不仅使得任务范围得到极大地扩展，而且在设计上呈现出百家齐放的局面，仅从旋翼外形可划分为常规单旋翼结构、非常规双旋翼和共轴双旋翼结构，其中非常规双旋翼还可分为轴对称的涵道式结构和倾转旋翼结构，比较典型的代表为西科斯基公司的CypherII无人直升机和贝尔公司的鹰眼(Eagle-Eye)倾转旋翼无人直升机。从作战特点上还可以划分出一列突出续航时间的无人直升机，比如美军研制的A160蜂鸟无人直升机，设计要求突出了大巡航半径，最大航程数千公里，续航时间更是要达到60个小时，无地效悬停高度可达到4000米以上，隐蔽性能较强，这些指标是无人直升机史上前所未有的。

MQ-8B“火力侦察兵”可执行空对面火力打击

造价低、起降灵活、自动化程度高、机动性强和战场生存能力是无人直升机的几大特点，由于其属于旋翼飞行器，因此在气动力学和动力学方面较为复杂，贴地飞行能力的优异性使得无人直升机可执行多种秘密任务，同时可以在狭小的空域飞行，值得一提的是，舰载无人直升机是该平台未来发展的方向，可执行舰队反潜、远程监视等任务。如果按最大起飞重量进行划分，无人直升机一般可划分为四大类，1吨以上的为大型无人直升机、介于0.5吨至1吨之间的为中型无人直升机、介于0.1吨至0.5吨的为轻型无人直升机、最大起飞重量在0.1吨以下的为小型无人直升机。从飞行控制技术上看，无人直升机从早期的视距内遥控飞行到现在主流的超视距人工智能飞行，视距内遥控飞行显然有点儿像大型玩具，此类玩具的鼻祖竟然是可携带鱼雷的QH-50系列无人直升机。上个世纪80年代，飞控技术开始陆续应用于无人平台，通过编程将预设航线“植入”机载计算机，当然人工辅助遥控也是必不可少的。

从某种意义上看，无人直升机可视为力量倍增器，通过光电或者红外、合成孔径雷达技术对地面进行监视，而且无人直升机通过旋翼控制可自由上升、悬停等机动，充分利用地形进行隐蔽侦察，不需要降落的场地设施，战场生存能力较强。美国防科学委员会曾提出将无人飞行器作为作战单位，执行空中侦察、监视、情报收集、中继控制、电子战、指挥、战场评估和炮兵射击纠正等任务。无人直升机则突出了低空低速飞行特性，其作战任务辐射面较广，是固定翼长航时无人机的有力补充，通过机载光电、雷达、红外等设备对目标进行侦察，同时可配备空对面武器实施发现即摧毁式的打击。1998年初，DARPA提出一种超级省油，需要时间超长的无人直升机计划，不仅要验证长航时飞行技术，还应该将该型直升机投入战场，即“特种作战超长续航性能”，在渗透任务中实现从侦查到摧毁“一条龙”服务，这就是后来诞生的A-160T，不仅具有强大的战场侦察、跟踪能力，还可挂载8枚“阿尔法”导弹，通过携带诸如AACER自适应保形有缘相控阵雷达对地面移动目标进行跟踪监视。在作战设想上，A-160T主要用于特种作战，并完成前线物质补给和撤离伤员任务，后者主要依靠吊舱实现。

舰艇装备无人直升机有较大的作战需求，可以执行舰周监视、侦察、攻击、补给、救援、反潜等领域，通途极广

对于海军而言，中近程对海监视/攻击、反潜作战都可以用到无人直升机，从护卫舰到航母平台都可以搭载无人直升机，可以掌握并控制200公里以内海面情况。以MQ-8B为例，搭载了以色列制造的光电和红外传感器、激光测距仪，其主要通途为侦察、攻击和补给任务，侦察自然不在话下，同时也可以通过战术通用数据链控制多架MQ-8B对单一目标进行集中攻击，在战场评估和态势感知方面有着较大的优势，战术合成孔径雷达可在烟雾或能见度极低的环境中完成战场实时成像，实现全时覆盖。武器系统主要以小型空对面制导武器为主，比如海尔法空地导弹、APKWS激光制导火箭弹、制导炸弹等，可与排级部队联动。此外，MQ-8B还在通信、反潜声纳浮标投放以及远距离补给方面都有较大的优势，与固定翼无人机相比，基于多用途平台的无人直升机可以在濒海作战体系中发挥巨大作用，集侦察和打击于一身，通过装配不同任务模块，执行多种作战任务，尤其是和平时期，舰载无人直升机可担负起大多数舰周监视、侦察和攻击任务。

就目前来看，无人直升机作战应用主要集中的侦察监视和中继通信领域，尤其是侦察监视的应用最广，无人直升机通过携带目前已经非常成熟的各种光电、红外、雷达装置或吊舱对监视区域进行侦察。由于无人直升机飞行高度较低，可以弥补大型固定翼无人机低空侦察的不足，特别在前视红外上拥有较大的优势，对大型目标进行侦察、悬停成像不间断跟踪。雷达系统可以穿透树林，对运动目标或者隐蔽在树木、高草堆背后的目标进行定位。比较典型的型号为加拿大研制的CL-327，是一种共轴反转无人直升机，主要用于侦察，通过前视红外传感器对敌目标进行跟踪；奥地利研制的“坎姆考普特”Camcopter平台为单旋翼尾桨，携带了更多侦察模块，比如CCD相机、红外传感器，可以完成监视、侦察、探雷和交通管制任务。无人直升机在执行中继通信任务时，可以组成临时指挥与通信平台，在山地作战中有较大的发挥空间，具有隐蔽性强、快速形成通信网络的特点，可进行无人直升机间、无人直升机与卫星、无人直升机与地面作战部队之间的通讯网络，目前无人直升机主要通过VHF和UHF频段进行通信。

列装美国海岸警备队综合"深水"计划的“鹰眼”（Eagle Eye）倾转旋翼无人机

无人驾驶直升机发展及趋势分析

无人直升机的研制最早可追溯到上个世纪50年代，美国、英国、德国等国家率先对无人直升机进行研究。1960年，世界上第一架无人驾驶反潜直升机QH-50A完成试飞，其用途是携带2枚MK44型鱼雷担任舰队反潜作战任务，美国海军一共购买了大约800架的QH-50系列无人反潜直升机，显然从无人直升机诞生伊始，该平台就作为体现的舰载的特点，当然美国陆军也不会放过无人直升机这一平台，QH-50D就是一款参加了越南战争的无人直升机，可为己方部队提供战场监视、炮瞄、侦察等任务。20世纪80至90年代，无人直升机的发展出现了百家齐放的特点，出现了各种气动外形的无人直升机，比如CypherII无人直升机就使用了共轴旋翼的涵道式设计，两副四片桨和一个负责推进的涵道风扇提供全部的动力，一对短翼提供部分升力；贝尔公司的“鹰眼”倾转旋翼无人直升机，其结合了直升机和固定翼飞行器的特点，飞行包线更宽，最大飞行速度可达到370千米每小时；值得一提的是，卡莫夫设计局将它的共轴双旋翼带入了无人直升机的设计领域，在1994年研制的Ka-137就是典型代表。1998年，美制定了“先进概念技术验证”计划，研究各类型的无人直升机，2000年后，在飞行控制系统和电子技术带动下，无人直升机完全自主飞行开始普及，比如由诺斯罗普·格鲁曼为美国海军研制的“火力侦察兵” 战术无人直升机可从海军舰艇上起飞、飞行和降落，全程不需要人工干涉。

QH-50C携带两枚鱼雷（MK44）进行反潜作战

无人直升机未来发展趋势将体现以下几点：尺寸两极化、隐身多用途化、智能武器化、长航时化。无人直升机的尺寸将向两极化发展，发展出微型直升机和1吨级以上的无人直升机。大吨位无人直升机可担任运输、中继通信等任务，比如执行中继通信任务的无人直升机飞行高度要求在4000米以上，可对半径为500公里之内的己方作战分队进行中继通讯服务，如果无人直升机的升限更高，那么中继通信的覆盖范围就更大，可进行大范围的无人直升机与卫星间通信、无人直升机之间的数据链建立以及通过C波段和UHF波段的地面通讯；微型直升机将是一个全新的发展领域，按照美国军方的定义，起飞重量在200克以下的无人飞行器可称为微型，低于10克标准的为超微型，微型无人直升机的设计涉及到先进的微机械传感器技术，可进入隧道或者室内等狭小的空间，旋翼直径一般为200毫米以下，目前这方面顶尖技术集中的北美地区，比如在IARC（国际无人飞行器竞赛）的一次演示任务指定微型无人机从三公里外开始寻找一栋标志性的房子，再寻找一个入口进入房间内，利用传感器发现规定目标，最后将目标的图像信息传递回来，该任务体现了微型无人机实战化应用，可执行间谍式侦察，如果其携带剧毒物质，可投入暗杀目标的水杯中。

在武器化和长航时化方面，以美军为例，MQ-8B“火力侦察兵”可携带地狱火导弹、激光制导炸弹，部署在濒海战斗舰上时可执行反舰反潜任务，陆军配备的MQ-8B“火力侦察兵”作战单元配备了4架MQ-8B和2个控制站，美军的未来战斗系统旅级作战单位可部署16架MQ-8B，可对面积接近7000平方公里、纵深75公里的区域进行连续3天的监视。波音公司研制的A-160T蜂鸟无人直升机是典型的长航时、高航程无人直升机，滞空时间可达到40个小时，普遍使用复合材料进行制造，最大起飞重量可达到3吨。由于其载荷量大，波音公司还计划赋予其作战功能，可携带8枚地狱火导弹，攻击能力非常强悍。

在长航时方面最为突出的要数波音公司研制的A-160T无人直升机，A-160T是DARPA研制的超长航时无人直升机，设计指标为60小时以上，最大航程8500公里，但是目前A-160T的航时并没有达到60小时，2008年试飞中续航时间为18个小时，但已经是世界记录了。长航时的实现需要突破以往的旋翼技术，A-160T就使用了OSR最佳转速旋翼技术，特点是改变旋翼转速，这对省油而言是非常重要的。此外，A-160T也应用了基于复合材料的四桨叶旋翼系统，并配备了PW207D发动机，优化设计的双速变速箱可以充分发挥最佳转速旋翼技术的特点。A-160T无人直升机的长航时秘诀在于通过对动力系统的革命性设计以控制耗油量，使用更加轻盈的机身降低空重，实现长航时飞行。

波音公司“鬼怪”工厂研制的A-160蜂鸟无人直升机突出长航程优势

无人直升机研制的技术难点

自动起飞与着陆技术

无人直升机的特点是具有自主飞行能力，垂直起降过程中不需要人工干预，这也决定了无人直升机技术要在气动和控制方面有所突破，飞行包线包含了起降、低速悬停以及前飞等动作，其中自主飞行控制系统是无人直升机研制过程中的关键技术（麻省理工学院的X-Cell 60无人直升机完成高速副翼横向滚动的高难度动作），早期的飞行自动控制系统有美式的PB-20D，逐渐发展到随控布局，协调气动和发动机推力控制，通过飞控系统调节飞行器的稳定性。微数字计算机普及后，增加了飞控系统的可靠性，但是在起飞和着陆阶段，在地效等因素影响下增加了控制难度，较为复杂的气动特性还伴随着轴间耦合现象，起飞和降落阶段下洗流场可改变旋翼诱导速度。此外，无人直升机在起飞和降落时风速风向等环境因素不确定性较大，在此过程中，机身的配平姿态也处于不断变化之中，同时在小速度阶段，对姿控的要求更高，稍有不慎就会侧翻。

前飞段抗风技术

无人直升机的起飞过程可分为留地、浮升和悬停阶段，经过悬停前飞过渡段后才开始稳定前飞，这一过程中速度小，容易受到紊流风、均值风的干扰，因此前飞段的抗风技术是无人直升机设计的关键领域之一。通常情况下，无人直升机受到横向、纵向和垂直三个通道的气流干扰，使得无人直升机偏航力矩改变、滚转，升力控制范围出现变化，因此无人直升机的抗风才策略是一项基本设计要求，也是一个设计难点，尤其是对微型直升机而言，其旋翼操纵机构对外界环境变化需要迅速做出反应，控制电机的输出功率，保持姿态平衡。

无人直升机在起降等小速度情况下容易受到紊流风、均值风的干扰

悬停（过渡）与姿态控制技术

无人直升机悬停最基本的飞行方式，悬停过渡段则是对无人直升机位置、速度和高度的精确控制，美军在研发相关技术时使用UH-60黑鹰直升机进行数字/光电控制系统的设计，由于无人直升机的各通道耦合现象较为严重，作为一种高度耦合飞行器，其中一个通道的变化可导致其他通道出现改变，在悬停过渡和姿态控制策略上需要精确设计控制模型和飞行控制律。

全向导航控制技术

无人直升机的飞控系统第一要务是保持无人直升机的飞行姿态稳定，然后是导航和定位。在导航方面除妖建立目标和无人直升机之间的位置关系，并在飞行过程中对航线进行修正，其中涉及伺服舵机、电源和机载传感器技术，如果是基于共轴涵道设计的多发无人直升机，那么就存在全向导航控制策略的问题，需要在姿态控制回路、速度控制回路、高度控制回路以及航向控制回路方面有所突破，无人直升机完成悬停阶段飞行后直接切换到前飞模式。如果是对微型无人直升机而言，在狭小空间内的自主飞行对导航控制要求就更高，不仅仅要要传感器的功能，还具有引导控制的能力。

舰载无人直升机着舰技术

舰载无人直升机是海军舰艇下一阶段发展必须携带平台之一，撇开侦察、监视不说，无人直升机可以作为离舰有源诱饵，对来袭导弹实施干扰。欧洲、北美已经着手发展多型舰载无人直升机，比如EADS研制的ORKA、“火力侦察兵”、普赖莫斯等， CL-327等等，该平台虽然优越，但是有诸多关键技术限制。比如离舰和着舰过程中对飞控提出了新的要求，舰上建筑可产生不可预测的气流干扰。由于海上缺少可视基准标志，对无人直升机的导航精度要求较高，通常采用多种引导手段，比如雷达、差分GPS和微波引导技术。此外，舰艇上的电磁干扰也会对无人直升机造成影响。

舰上建筑可对无人直升机起降形成干扰

对我国无人直升机研发的启示

我国在1992年左右开始着手无人直升机的研发工作，1993年一架被命名为“海鸥”（北航）的共轴双旋翼无人直升机完成首飞，2000年后，雏鹰科技研制出LE-110无人直升机，总参六零所研制的“天鹰”无人直升机，到目前为止已经研发出多种级别的无人直升机，比如相对较先进的U8无人直升机、Z-3无人直升机、BZK-010共轴无人直升机等，在传感器技术、飞行控制技术等各方面与世界先进水平相比还有较大的差距，尤其是在自动化控制起飞和降落技术上依然需要有新的突破，事实上，前几年研发的几个型号在起飞和降落过程中还需要人工介入。

目前，中航工业直升机所已经进行75至1000公斤多个级别的无人直升机研发，比如1000公斤级的无人直升机可以220公里每小时的速度飞行，对200公里之间的区域进行5个小时的持续性监视，使用升限达到4000米。比较典型的有U8项目，该型无人直升机在2005年进行发动机地面测试，602所解决了无人直升机的飞控技术瓶颈，并在2006年完成首架U8无人直升机的总装，2011年完成首次高原试飞实验，并进行了地面试验、有/无地效悬停等试飞科目，最大起飞重量230千克，载荷40千克，可对半径100公里内的区域进行4个小时监视。

涵道式共轴旋翼布局是我国未来无人直升机发展方向

我国未来的无人直升机平台需要按通用化思路设计，可发展涵道式共轴双旋翼无人直升机，由于该气动布局没有尾桨干扰，而且轴对称布局可大大降低机身重量，其结构也可以精简，该平台不仅可衍生出大型无人直升机，也可以向微型直升机方向发展，共轴式双旋翼布局有着先天优势，气动对称、惯量对称、起落架可撑开，稳定性极佳，可发展为舰载无人直升机平台，在技术特点上，共轴式双旋翼结构可减少振源，并将振源问题解决掉，风扇处于涵道内，旋翼和前飞气流的干扰就会简化。同时需要采用隐身式设计，涵道形机身在一定程度上具备隐身改造的潜力，可将旋翼桨尖的速度进行消音控制，降低发动机噪声，为了达到隐身目的，必须使用雷达透波性较好的复合材料。基于共轴涵道式的无人直升机具备发展出全系列的潜力，覆盖范围从微型无人直升机到1吨以上的大型无人直升机，通过并联发动机涵道增加推力，在横轴和纵轴交叉处位置内设武器舱，可集侦察、跟踪、中继通信、火力打击于一身。

采用涵道式布局的无人直升机，同时又结合了倾转旋翼的特点

结语：U8无人直升机的研发使得我国在无人直升机领域积累一些研制经验，不排除该平台未来发展成舰载无人直升机的可能性，但是U8技术状态与世界领先水平相比还有不小的差距，尤其在飞控系统设计上还有很大的提升空间，此外在隐身技术、传感器技术、先进的机载观瞄侦察设备方面依然处于上个世纪的水平，未来无人直升机平台可借鉴涵道式共轴旋翼布局，衍生出多个级别的无人直升机，可执行侦察、跟踪监视、暗杀、火力打击、舰炮支援、反潜、战损评估、中继通讯等任务。

文：文渊阁大学士