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  • 軍用無人機研究綜述

      一、背景知識

      無人機,顧名思義,就是無人駕駛飛機,英文名稱為Unmanned Aerial Vehicle(UAV),是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置,或者由車載計算機完全地或間歇地自主性操作。軍用無人機可分為偵察無人機、誘餌無人機、電子對抗無人機、通信中繼無人機、無人戰斗機及靶機等,與載人飛機相比,具有體積小、造價低、使用方便、對作戰環境要求低、戰場生存能力較強等優點。隨著高新技術在武器裝備上的廣泛應用,無人機的研制取得了突破性的進展,并在幾場局部戰爭中頻頻亮相,屢立戰功,受到各國軍界人士的高度贊譽??梢灶A言:在21世紀戰場上,人們將面臨日益增多的無人機,軍用無人機將會重塑21世紀的作戰模式。

      二、發展歷史

      無人機從誕生起經過多年的發展,技術日趨成熟,經歷了如下的發展階段:第一次世界大戰至20世紀20年代的“早期無人機”時代;20世紀20年代至20世紀50年代的“靶機時代”;20世紀60年代至20世紀80年代的“無人偵察機”時代;20世紀80年代至今的“無人機系統”時代。

      現代戰爭是推動無人機發展的基本動力。世界第一架無人機誕生于1917年,而無人機真正投入作戰始于越南戰爭,主要用于戰場偵察。隨后,在中東戰爭、海灣戰爭、科索沃戰爭、阿富汗戰爭、伊拉克戰爭(第二次海灣戰爭)等局部戰爭中,無人機頻頻亮相、屢立戰功。尤其在阿富汗戰場上,無人機更是成為當之無愧的主角,多次成功實施“斬首”行動。

      早期無人機誕生于第一次世界大戰至20世紀20年代。出于戰爭需要,英國的卡德爾和皮切爾將軍提出了一個大膽的設想:研制一種無線電操作的非載人飛機,使它飛到目標敵方上空區域,將事先裝置的炸彈投下去。這一具有重要戰術價值的設想立刻得到英國軍事航空學會的賞識與支持。英國A.M.洛教授研制的“喉”式無人機和美國陸軍查爾斯·F·凱特林的“凱特林飛蟲”無人機是早期無人機的典型代表。

      20世紀40年代,二戰中無人靶機用于訓練防空炮手。靶機的來源有兩種:小型低速靶機(包括螺旋槳和噴氣式)高速大型靶機(包括退役戰斗機改裝)。

      1945年,第二次世界大戰之后將多余或者是退役的飛機改裝成為特殊研究或者是靶機,成為近代無人機使用趨勢的先河。隨著電子技術的進步,無人機在擔任偵查任務的角色上開始展露他的彈性與重要性。

      20世紀60年代至70年代情況發生重大變化,無人機迅速發展成為一種陸??杖姴豢扇鄙俚娜滦透拍畹淖鲬鹌脚_。例如越戰中,越軍猛烈的防空火力使得美軍飛機和駕駛員損失很大,因此美軍首次投入改裝后的“火蜂”等無人偵察機執行空中拍照偵察和電子情報偵察任務。此時,無人機的作用除靶機外,大量用作執行戰場軍事偵察任務的無人機。該時期我國由于蘇聯援助的取消、專家的撤離,解放軍空軍試驗用的拉-17無人靶機嚴重缺失,國家下決心搞自己的無人靶機,從而促生了長空一號。長空一號(CK-1)高速無人機。1966年12月6日,長空一號首飛成功。實際上長空一號就是仿制拉-17的產品,從開始仿制到總體設計成功用了三個月。后轉由南京航空學院具體負責,曾由中航二集團的常州飛機制造廠負責生產。在南航,該機型于1976年底設計定型,總設計師為該校的郭榮偉。早在60年代末,該所開始了無人機的研制。長空一號研制成功后,在我國空空武器等試驗中發揮了重要作用。

      20世紀八十年代以后,無人機用途大為擴充,廣泛應用于戰場監偵、電子對抗、目標指示、戰果評估、通信中繼以及大地測繪、資源探測、空氣采樣、環保監視、交通管理等方面。1991年的沙漠風暴作戰當中,美軍曾經發射專門設計欺騙雷達系統的小型無人機作為誘餌,這種誘餌也成為其他國家效彷的對象。1996年3月,美國國家航空航天局研制出兩架試驗機:X-36試驗型無尾無人戰斗機。該型長5.7米,重88公斤,其大小相當于普通戰斗機的28%。該型使用的分列副翼和轉向推力系統比常規戰斗機更具有靈活性。水平垂直的尾翼既減輕了重量和拉力,也縮小了雷達反射截面。無人駕駛戰斗機將執行的理想任務是壓制敵防空、遮斷、戰斗損失評估、戰區導彈防御以及超高空攻擊,特別適合在政治敏感區執行任務。20世紀晚期之前, 他們不過是比全尺寸的遙控飛機小一些而已。美國軍方在這類飛行器上的興趣不斷增長,因為他們提供了成本低廉,極富任務彈性的戰斗機器,這些戰斗機器可以被使用而不存在飛行員死亡的風險。

      20世紀90年代,海灣戰爭后,無人機開始飛速發展和廣泛運用。美國軍隊曾經購買和自制先鋒無人機在對伊拉克的第二次和第三次 海灣戰爭中作為可靠的系統。西方國家充分認識到無人機在戰爭中的作用,競相把高新技術應用到無人機的研制與發展上:新翼型和輕型材料大大增加了無人機的續航時間;采用先進的信號處理與通信技術提高了無人機的圖像傳遞速度和數字化傳輸速度;先進的自動駕駛儀使無人機不再需要陸基電視屏幕領航,而是按程序飛往盤旋點,改變高度和飛往下一個目標。

      三、國內外研究現狀

      國外研究現狀

      美國無人機領跑世界。美國最早于1939年開始研制無人靶機,先后研制出"火蜂(Firebee)"系列和" Chukar "系列靶機。從20世紀50~60年代開始,美國相繼研制成功"火蜂"、"先鋒"、"獵人 "、"捕食者"和"全球鷹"等戰術或戰略無人偵察機,以及"捕食者"改進型無人偵察作戰飛機,先后在越南戰爭、海灣戰爭、科索沃戰爭和這次對阿富汗的軍事行動中。

      美軍認為,21世紀的空中偵察系統主要由無人機組成。美軍計劃用預警無人機取代E-3和E-8有人駕駛預警機,使喚其成為21世紀航空偵察的主力。

      美國高級計劃研究局近日宣布新啟動“戰術利用偵察節點項目”,或稱之為“燕歐”項目,設想利用較小型的艦艇作為中空長航時固定翼無人機的機動發射與回收平臺。按照計劃,下一代無人機將能夠在小型水面戰艦上起降,從而拓展美軍無人機的作戰范圍,使之能夠觸及更加遙遠的戰場。“燕歐”將成為美國海軍無人機的重大飛躍。目前美國海軍能夠從驅逐艦和其他艦艇上起飛10英尺寬的“掃描鷹”無人機,能夠從瀕海戰斗艦上起飛“火力偵察兵”無人直升機。據美國高級計劃研究局稱,研發可靠發射與回收技術,是“燕歐”無人機項目面臨的一個重要技術障礙。瀕海戰斗艦和驅逐艦沒有可供無人機從長跑道上起飛所需的甲板空間,因此它們依靠借助飛機彈射器起飛的“掃描鷹”無人機和垂直起飛的無人直升機。與舊式無人機相比,高性能、固定翼無人機需要更強大的推動力,著艦難度更大。如果“燕歐”無人機獲得成功,美國高級計劃研究局將做好擴大美國海軍無人機的規模,很可能會把幾乎所有軍艦轉變成移動無人機基地。

      除研發X-47B原型機以及其航母艦載衍生型無人機之外,美國還在研發陸基非武裝巡邏“廣域海上監視(BAMS)”無人機,該款無人機以美國空軍的“全球鷹”無人機為研發基礎,而“全球鷹”無人機的體積與波音737相近。從理論上講,“廣域海上監視”無人機能夠借助美國多數水面戰艦起飛——美國海軍列裝有122艘水面戰艦——但這種無人機在航程、速度和載荷方面欠佳。因此,美國缺少一種中等重量無人機:一款占用甲板空間小,并可在多種水面艦艇上起降的速度快、航程遠的武裝無人機。

      美軍將推進無人機群研究任務,據英國《每日郵報》4月4日報道,美軍近日批準4家公司研制一種以群體協作方式工作的無人機計劃,以此代替人類開展危險任務,并希望以此極大降低多功能戰機的使用成本。美國國防部公布的一段官方視頻,展示了2016年10月在中國湖進行的一次無人機集群智能測試。這段視頻上,3架大黃蜂戰斗機用特種吊艙一次釋放了103架微型無人機。從地面操縱人員的顯示屏上清楚看到那些無人機(綠色點)根據目標/指令(紅色點)自主編隊并實施追蹤的畫面。它們時而根據目標編隊,時而根據指令快速移動,也可以根據環形指令排成一個圈,把一個區域圍得水泄不通。按照國防部的消息,這些“命令”是下達給“蜂群”的,而不是其中任何一個個體。“蜂群”之間彼此會不停地“交談”,在沒有個體指揮官情況下形成“蜂群智能”。在組成集群過程中,如果個別無人機發生故障或損失,剩余無人機會根據參與組網的無人機實際數量做出反應,自主調整編隊形式,繼續完成既定任務目標,這是無人機智能集群技術最為誘人的特征之一,即具備系統性的高生存力。這些無人機并不是經預設程序的協調行動的個體,而是像自然界中類似鳥群的動物群體那樣,共享決策的分配大腦,相互協調行動。預示美國正進入機器人戰爭的新時代。

      國內研究現狀

      2012年12月,由同濟大學航空航天與力學學院、上海奧科賽共同研制的中國第一架純燃料電池無人機“飛躍一號”,在上海奉賢海邊首次試飛成功。該無人機可升至2千米以內高空,時速為30公里,可連續飛行2小時,非常適合用于環境監測、戰場偵察等領域。“飛躍一號”翼展5米,起飛重量20公斤,有效載荷1公斤,巡航速度為30公里每小時,飛行高度小于2千米,續航時間2小時。它使用一個1千瓦的質子交換膜燃料電池作為動力。

      2015年,MOLA模拉TOURIST1問世。TOURIST1是一款具有記憶功能的無人機,除了跟隨、對點、繞點、多點飛行等智能飛行模式外,還能夠記憶多條規劃的路徑,系統智能存儲,當再次選擇儲存的飛行路徑時,自動按照規劃路線飛行,拍攝視角隨心控制。同時,TOURIST1擁有一整套完整的空中預警系統,特別是智能避障功能,能夠自動探測前方的障礙物,規避碰撞風險。

      “翼龍”無人機是一種集中空、長航時、偵察打擊一體的多用途無人機,它代表了目前我國無人攻擊機研制的最新水平,可謂中國無人機制造領域的“當家明星”。“翼龍”無人機機身尺寸與美國空軍的MQ-1B“捕食者”無人機相似,它具備全自主平輪式起降和飛行能力,最大起飛重量達1100公斤。機重1.1噸,長9米,航程超過4000公里,升限5000米,最大續航時間約為20小時??蓴y帶國產KD-10激光制導導彈、LS-6GPS制導炸彈等,對地面目標進行精確打擊,被稱為中國版的“捕食者”攻擊型無人機。

      “彩虹四號”(CH-4)中空長航時無人機是一款察打一體大型軍用無人機,是國內同級別無人機系統中掛載能力最強、飛行能力最優的無人機,被稱為中國軍用航空的領秀之作、中國版的“死神”。它既可以執行戰場偵察任務,搜集敵方作戰信息,進行超視距預警,也可以執行電子戰任務,還能對地面固定目標和低速移動目標實施精確打擊。“彩虹四號”有三大特點:首先是平臺出眾。它最大起飛重量1330公斤,最大載荷345公斤,最大升限8000米,最大續航時間38小時,最大航程3500公里,各項指標均超過“捕食者”。其次是察打一體。該無人機實現了偵察與打擊功能的二合一,機腹下裝有雷達,使之具有較強的全天候作戰/探測能力,它能在5000米高空發射導彈,攻擊地面和海面目標,不需要降低飛行高度即可實施攻擊。最后是高度智能。它實現了全自主起降,可靠性大為提高。無人機在飛行中可對目標進行定位,隨后發射導彈或制導炸彈實施攻擊。“攻擊-1”型無人機是中國空軍現役的察打一體無人機,被譽為信息化戰場的“新寵”。該機采用單發、大展弦比、平直翼、v型尾翼氣動布局設計,可擔負低威脅環境下戰場重點區域持久偵察、監視和攻擊、毀傷效能評估等任務。機上配備有激光指示器等光電偵察監視設備,不僅可以為自己發射的反坦克導彈進行制導,也可以為其他飛機或地面武器制導提供目標指示。目前,該無人機已形成戰斗力。

      WJ-600型高空高速無人機。它是一種大型無人機,外形類似巡航導彈,既可以裝載各種先進的光電偵察、合成孔徑雷達等電子偵測設備,也可以在機翼下方掛載KD-2等空對地導彈,使之變成“空中殺手”。WJ-600還可以充當通信中繼站,讓地面指揮中心通過它控制SH-1隱形無人機和“刀鋒”系列戰術無人機作戰,從而將偵察、通信、指揮和攻擊等多種作戰功能融合在一起,實現“偵——控——打——評”一體化作戰。

      無人機系統主要包括飛機機體、飛控系統、數據鏈系統、發射回收系統、電源系統等。飛控系統又稱為飛行管理與控制系統,相當于無人機系統的“心臟”部分,對無人機的穩定性、數據傳輸的可靠性、精確度、實時性等都有重要影響,對其飛行性能起決定性的作用;數據鏈系統可以保證對遙控指令的準確傳輸,以及無人機接收、發送信息的實時性和可靠性,以保證信息反饋的及時有效性和順利、準確的完成任務。發射回收系統保證無人機順利升空以達到安全的高度和速度飛行,并在執行完任務后從天空安全回落到地面。

      國內外研究對比

      國外以美國為主要代表,較早地開展軍用無人機項目研究,并在海灣戰爭等戰爭中,在偵察、電子戰領域取得優異表現。我國無人機雖然起步較晚,但在理論和應用領域正在逐漸追趕美國。國產無人機更加強調“察打一體”、“系統化作戰”等戰術概念,在最近的克什米爾沖突中有著優秀的表現。

      四、未來展望

      習總書記曾說:“武器裝備是軍隊現代化的重要標志,是國家安全和民族復興的重要支撐。“無人機,就是現代化武器中的重要一環。減少人員傷亡、獲取信息優勢,是各國各軍隊孜孜以求的目標,努力發展無人機,有助于我們走在信息化時代的前列。

      如今我們處在信息化戰爭和智能化戰爭的歷史節點,機器主戰、智能化無人裝備為主要作戰力量;集群優勢、大規模集群作戰為主要作戰樣式;極限作戰,突破人類生理和思維極限,實現全時空、全天候、全頻譜、全領域作戰。無人機,必將在智能化時代擁有自己的天地。

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