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航母舰载无人机的主要关键技术与海上使用特点

2017-12-04 09:41:59 zhousi1199 5

编者按:2017年9月19-22日,由中国航空学会主办的2017第七届中国国际无人驾驶航空器系统大会暨展览/2017中国无人机系统峰会与北京航展同期同地在北京国家会议中心召开。在峰会上,来自北航、南航、西工大、总参60所等50家单位的专家进行了多场精彩的专题报告,其中海军装备研究院某所原副所长徐明为我们带来了一场题为《航母舰载无人机的主要关键技术与海上使用特点》的精彩报告,本刊特将报告的主要部分整理出来,奉献给广大读者。

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X47-B从航母上弹射起飞

美国航母舰载无人机的发展历程

    美国很早就开始了航母舰载无人机的技术验证工作。2012年,美海军启动了首个航母舰载无人机系统研制项目一一舰载无人空中监视与打击系统(UCLASS)。波音、洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼、通用原子航空系统等四家公司参与竞标工作。2016年,美海军将该项目调整为舰载无人机加油平台(CBARS),为舰载有人战斗机加油,使更多的F/A-18E/F和F-35舰载战斗机遂行打击任务,以提高整个航母打击群的作战效率和作战半径。美海军明确要求舰载无人机加油平台还应具备情报监视侦察、目标指示以及发射导弹等多任务能力。

    为提高该平台的加油能力,美海军降低了对其隐身能力的要求,航母舰载无人机加油平台正式命名为“黄貂鱼”无人机(代号MQ-25A),美海军计划从上述四家公司的设计方案中选定MQ-25构型,预计2018年签订项目合同,确定主承包商,2021年交付首架航母舰载无人机。对于美国海军为何将舰载无人空中作战系统调整为舰载无人机加油平台,已经引发多国军事专家的不同解读。

 诺斯罗普·格鲁曼公司的X-47B/C

根据美国海军UCAS-D要求,2006年诺斯罗普·格鲁曼公司研发了X-47B验证机,X-47B采用飞翼式布局,隐身良好,最大起飞重量20.2吨,可搭载2吨武器,配备一台F110-220U涡扇发动机,巡航速度0.9马赫,实用升限12千米,作战半径达到800海里,根据UCLASS性能指标要求,诺斯罗普·格鲁曼公司以新方案X-47C参与竞标,X-47C相比X-47B作战半径和航时都将增加,可搭载机载武器和任务载荷不少于4.5吨。

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美国海军首款无人舰载战斗机X-47B降落在“布什”号核动力航母

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机翼折叠的X-47B

 波音公司的“幻影射线”

波音公司提出基于X-45C“幻影射线”的方案,X-45C于2014年4月在爱德华空军基地首飞,采用箭头式飞翼布局,机长10.29米,翼展15.2米.最大起飞重量16.56吨,配装一台F404-GE-102D涡扇发动机,巡航速度0.8马赫,实用升限12千米。

 通用原子公司的“海上复仇者”

    “海上复仇者”是通用原子航空系统“复仇者”无人机的改进型,正式命名是“捕食者”C,为满足上舰要求,采用翼尖折叠,加强起落架和加装拦阻钩,配装一台PW545B涡扇发动机,采用弯曲进气道以降低涡轮叶片造成的雷达反射,V型尾翼可部分遮蔽尾喷口,有利于降低红外特性,与其他飞翼布局方案相比,该方案隐身性能较弱,但其大展弦比布局设计.有利于长航时执行ISR任务。

洛克西德·马丁公司的“深海幽灵”

    2013年4月,洛·马公司公布了“深海幽灵”设计方案,采用飞翼布局,是扩大版的RQ-170,采用类似F-117的格栅式进气道,该方案利用了洛·马公司为F-35C战斗机和其他项目所发展的多项技术,综合考虑了适航性,机舰适配性和安全性

的要求,2017年3月,洛·马公司臭鼬工厂负责人称,按照美国海军MQ-25“黄貂鱼”舰载无人加油机项目要求,公司正在修改设计方案。

    综上所述,采用无尾飞翼布局,具有较好的隐身性能,在高强度对抗环境下执行任务,具有较高的生存能力,但对舰载无人机加油平台项目而言,飞冀布局并非是最合适的构型,因此美海军要求各竞标方重新设计,机身机翼和尾翼,以提高全机载油量和生存能力。

航母舰载无人机的主要关健技术

    纵观美国近年来发展航母舰载无人机的主要关键技术,归结起来,可以概括为以下一些方面:高隐身/高升阻比的总体设计,精确引导与着舰控制,自主控制与任务重规划,自主空中加油,集成化机载任务载荷,高推重比低油耗涡扇发动机,一体化界面操控等。

 高隐身/高升阻比的总体设计

    舰载无人机要在航母上操作使用,首先应满足舰上起降和转运的要求,对机体尺寸特别是尾翼有严格限制,其次舰载无人机要在百余米长的航母甲板上起降,必须具备优良的气动特性和加速性能,而为了满足远距离突防任务,需求航母舰载无人机要有尽可能大的作战半

径和良好的隐身性能。

精确引导与着舰控制

    由于航母飞行甲板面积狭小,加上横摇、纵摇和升沉等运动,着舰区域存在较大的气流扰动,而舰载战斗机的着舰速度约240千米/小时,风险极大。因此,必须精确控制舰载机的航迹、姿态以及速度,对准着舰中心线,在规定的甲板位置啮合,才能确保安全拦阻着舰。

    航母舰载无人机对近进导航,动态定位和飞行控制的要求极高。首先航母应将飞行甲板的运动参数传送给无人机,而无人机也需要通过多种机载传感器预测飞行甲板着舰区域的运动;其次,机载飞行控制系统要实时处理大量位置和运动信息,能够在紊乱气流中精确控制无人机的飞行姿态和飞行轨迹。

    一般认为,航母舰载无人机着舰时的定位精度应该要比有人驾驶舰载机提高一个数量级,才能确保着舰安全,据初步分析,三级海况时着舰啮合点的精度为:对中±0.3米,前后±1.0米,六级海况时为:对中±1.0米、前后±3.0米。

自主控制与任务重规划技术

    舰载无人机携带多种探测设备,例如雷达、光电/红外传感器、电子侦察设备等,并可通过卫星、预警机或其他平台获取战场态势信息,使舰载无人机具备对战场态势、目标位置以及威胁程度等感知与判断的能力。航母舰载无人机按照预先规划方案飞往战区,执行作战任务时,如果目标位置发生变化或有新的威胁,舰载无人机必须在不干预的条件下,及时自主做出决策,进行任务和路径重新规划、及时对新的目标进行识别、跟踪或者打击。

舰载无人机还需要具备多机协同控制能力,作为海上C4ISRK网络中的重要节点,与舰载有人机共享战场信息,以多平台协同攻击为主要作战模式,遂行从传感器到射手的多样化任务,增强航母编队的整体作战能力。

 自主空中加油技术

    为提高航母编队执行打击纵深目标,持久压制和监视等任务的作战能力,航母舰载无人机需要具备空中加油能力,而航母舰载机机群在等待时间过长、着舰不成功复飞等导致燃油不足的情况下,为确保安全着舰,也需要舰载无人机执行空中加油任务。

    无人机自主空中加油难度比有人机之间的空中加受油大的多,重点要解决在高速运动物体间精确定位和持续稳定控制技术。据报道,大型飞机的尾部流场对其后下方几百米到几千米不等的范围都有影响(A380尾流影响达30千米)。因此,无人机需要具备自动精确跟踪空中运动目标的能力,在扰流影响下使空中对接误差在匣米级,并较长时间保持无人机与有人机的间距,采用的技术包括激光/红外、双目成像等多种近距离精确定位技术。

 集成化任务载荷技术

    无人机要完成侦察、监观、目标捕获、火力校正、排雷、障碍清除、通信中继、电子战、气象探测等作战任务,必须安装相应的光学或电子任务设备。无人机对挂载的任务载荷的重量、重心、耗电和外形有一定要求,而任务载荷对无人机平台的搭载重量、提供电源和外形限制也有较高需求,在无人机系统设计中应综合考虑系统安全性、可用性和先进性。

航母舰载无人机的海上应用

    据军事专家预测,未来十年可实现航母舰载无人机与有人驾驶飞机,水面舰船等其他作战单元进行信息共享和协同作战,在低强度冲突环境下独立执行打击任务,在高强度冲突环境下与舰队和友邻飞机协同作战,随着无人机自主控制技术的发展,未来二十年航母舰载无人机可以遂行独立作战,使命任务将会大大拓展。在未来若干年,航母舰载无人机海上使用

的首要任务是:中远海域的持续侦察监视;其次的作战任务是:对海上目标抵近电子压制与火力打击等。

 中远海域的持续侦察监视

    在航母编队的作战行动中,航母舰载无人机主要用于对作战海域实施大范围,持续的海空侦察监视,为编队提供战场态势,为航母编队实施远程精确打击提供目标指示信息,为打击效果评估提供目标毁伤信息。主要作战样式:一是航母舰载机无人机长时间在任务海域巡逻飞行,实时掌握作战对象活动态势,既可供编队指挥员决策使用,也可为舰载远程精确制导武器提供目标指示。二是在航母编队作战对象波次打击之后,舰载无人机应召抵近打击目标,获取毁伤信息并回传至编队指挥所。

对海上目标的抵近电子压制

    根据任务需要,搭载电子干扰设备的航母舰载无人机伴随有人驾驶的舰载机飞抵作战海域,对打击目标的防空系统实施电子压制,降低其防空系统效能,保障舰载机群实现有效突防攻击,由于实施电子干扰的舰载无人机阵位距离目标较近,危险性较大,通常采取多机交替进入干扰阵位接力开机方式实施干扰。

对中远距离海上目标的火力打击

    在航母编队的作战行动中,挂载导弹武器的航母舰载无人机可与舰载机协同使用(高危情况下可以单独使用),担负对作战对象的重要目标实施渗透火力打击,航母舰载无人机与舰载机协同实施火力打击时,根据舰载机提供的目标信息重新规划航路实施突防,并适时发射武器对目标进行火力打击。

美国发展航母舰载无人机对我们的几点启示

    客观地讲,美国不但掌握了航母舰载机的研制技术,其舰载机使用经验丰富,而且美军岸基高端无人机飞行操控水平和任务管理能力也相当成熟,但美国海军在发展航母舰载无人作战飞机时,仍采用关键技术多轮试飞验证,多方案适度等方式以化解该类新质装备的研制风险。通过分析,可以得到三点启示:

一是创新作战理念,才能实现航母舰载机作战运用的跨越。舰载机作为航母编队的主要作战武器,无人化和智能化是未来的发展方向。首先,需要进一步提高对先进舰载无人机在航母编队作战中重要作用的认识;其次在装备技术和作战理念上,既要跟踪式发展,更需要跨越式推进。舰载无人机的留空时间、作战半径隐身性能相比有人机有很大提升,而且不存在舰载机飞行员培养难,飞行技能保持费用高等问题。因此,高性能舰载无人机可以实现肮母舰载机联队海上运用的新跨越。

   二是抓住核心关键技术,才能稳步推进舰载无人机的发展。美国海军从2000年6月正式提出无人作战飞机的概念,到2007年8月最终选定X-47B验证机方案,共花了7年时间,而从选定验证机方案到现在,又花了5年多时间,持续开展试验验证工作,才突破飞翼布局无人作战飞机弹射起飞和自动着舰等关键技术,航母舰载无人机作战涉及的关键技术很多,难度也很大,只有抓住若干核心关键技术,通过陆基验证和舰上试验等,才能稳步推进高性

能舰载无人机的发展。

三是适度引进竞争机制,才能化解跨代新装备的研制风险。在UCLASS和CBARS项目中,美海军并不单单依靠在UCAS-D计划中研发X-47B验证机的诺斯罗普·格鲁曼公司,而是积极引入竞争机制,将波音、通用原子和洛克希德马丁公司也接纳进来,2015年10月,美国海军分别授予上述四家公司各约4千万美元的合同,用于开展降低研发风险的工作,这表明美军在方案设计和技术验证过程中都引入竞争机制,以化解新装备的研制风险。

未来航母舰载无人机与有人驾驶飞机协同作战将是美国海军大力发展的方向

 结语

2016年,美国海军把航母舰载无人作战飞机调整为无人空中加油系统的策略,或许是美国军方、国会以及多家军工企业相互博弈的结果,只要未正式列装,美国海军未来2到3年内也有可能再作调整,但航母舰载机无人化和智能化的发展趋势不会变。

对航母舰载机后发展国家而言,如果能抢占航母舰载无人机自主飞行控制以及舰载机自动着舰辅助驾驶等技术高地,则不但可降低舰载机起降飞行训练压力,大幅度减少人员和装备的使用费用,或许还可以在航母编队海上作战运用上实现弯道超车。


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