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【三海一核】哈尔滨工程大学
【装备】从MQ-8C漫谈无人直升机:比有人机更合适军舰
13-10-15 作者:佚名   编辑:周青骅

前言:2013920日,诺格公司在美国文图拉郡海军基地进行了美国海军首架MQ-8C“火力侦察兵”无人直升机的最初地面静态测试和发动机试车,打开了飞机的动力系统,诺格公司中距离战术系统副总裁乔治.瓦多来克表示,这些测试的完成意味着,已经为无人直升机的首飞做好了准备。一时间,无人直升机成为各个媒体关注的热点,因此我们有必要了解一下无人直升机尤其是舰载无人直升机的相关知识。

无人直升机是无人机重要的一类

通过历次局部战争,世界各国已经充分认识到了无人机在现代战争中的地位和重要性,目前无人机装备已经进入了快速发展阶段,全世界已有近百个国家装备了无人机。由此可见,无人机无疑是21世纪武器装备发展中的一大亮点,发展军用无人机意义重大。

无人直升机是无人机中重要的一类,是指由无线电地面遥控飞行或/和自主控制飞行的可垂直起降(VTOL)不载人飞行器,在构造形式上属于旋翼飞行器,在功能上属于垂直起降飞行器。近十几年来,随着复合材料、动力系统、传感器、尤其是飞行控制等技术的研究进展,无人直升机得到了迅速的发展,正日益成为人们关注的焦点。无人直升机具有独特的飞行性能及使用价值。与有人直升机相比,无人直升机由于无人员伤亡、体积小、造价低、战场生存力强等特点,在许多方面具有无法比拟的优越性。与固定翼无人机相比,无人直升机可垂直起降、空中悬停,朝任意方向飞行,其起飞着陆场地小,不必配备象固定翼无人机那样复杂、大体积的发射回收系统。在军用方面,无人直升机既能执行各种非杀伤性任务,又能执行各种软硬杀伤性任务,包括侦察、监视、目标截获、诱饵、攻击、通信中继等。

各国争先发展无人直升机

世界各国已充分认识到无人直升机在未来战争民用中的作用,发展无人直升机已成为旋翼飞行器发展的一个重要方向,80年代后,许多发达国家加快了无人直升机研制的步伐,到目前国外已有许多国家在研究和生产无人直升机,包括美国、以色列、英国、德国、法国、奥地利、瑞典、日本等。然而,由于技术的复杂性,迄今只有少数无人直升机正式装备部队或投入实际应用。

无人直升机的发展经历了一个较长的、逐步改进与提高的过程。在战斗无人直升机研制方面,可以说美国在全球独领风骚,不仅最先开展研究,制订了完整、详细的研制计划,其无人直升机的研制工作一直没有停顿,并且目前已进行了一些武器试验,其它国家则相差甚远。美海军在上世纪50年代,将一种单人驾驶的微型直升机改装为QH-50舰载无人直升机,这也是美国第一种无人直升机,主要用于反潜。QH-50在越南战场进行了实战检验。它有效载荷517公斤,活动半径50公里,可以利用自身携带的鱼雷发射平台发射鱼雷或施放深水炸弹。。但由于当时技术水平的限制,无人直升机的性能和功能与军方的使用要求有很大差距。

世界第一架实战无人直升机:QH-50

美国在70年代曾考虑过诸如CL-227“哨兵”共轴双旋翼无人直升机等其它机型作为舰载无人机,但是考虑到费用和技术成熟性等问题,转而采用了技术比较成熟的Pioneer“先锋”固定翼无人机,“先锋”无人机在其服役的相当长一段时间内创造了辉煌的战绩,尤其在“沙漠风暴”/“沙漠盾牌”战争中创造的佳绩更是史无前例。但是在性能、操纵性等方面的不足使其不适合于海军的需要。固定翼无人飞行器在中、小型舰艇上起飞和着陆需要复杂的辅助装置,起飞时需要火箭助推器,返回时需要撞网回收,常常会撞坏螺旋桨、天线和机翼,甚至损伤母舰,特别是若使用易挥发的航空汽油,更会对母舰安全构成威胁。于是美国海军转向了战术无人机计划(TUAV)。战术无人机计划企图为美陆军、海军提供同样的无人机平台,拟采用Outrider“前驱”无人机,后因技术、工期和性能等问题,不得不取消,陆军和海军因此而分道扬镳。在“前驱”无人机计划进行中,美海军仍很关注垂直起降无人机(VTOLUAV)的发展。

1990年开始,美海军开始了垂直起降无人机的论证、技术评估等工作,对垂直起降战术无人机提出的性能要求,1999年开始了进一步的试验工作,最后参加竞争的只有三家,即Sikorsky公司的Cypher“圈”式共轴双旋翼/涵道式无人直升机,诺斯罗普·格鲁门公司的FireScout“火力侦察兵”无人直升机和贝尔公司的“鹰眼”无人机。最后诺斯罗普·格鲁门公司的“火力侦察兵”无人直升机中标成为海军的垂直起降战术无人机(UTUAV)。贝尔公司的“鹰眼”无人机虽然达到了美海军的技术指标,但未中标。后来,在其不懈的努力和进一步的完善下,在2003年,“鹰眼”倾转旋翼无人直升机被美国海岸警卫队选中,作为“深水计划”的垂直起降无人机系统的一部分。

贝尔“鹰眼”垂直起落倾转旋翼直升机被美国海岸警卫队选中

除上述几种美国的无人直升机外,还有奥地利西贝尔公司的CamcopterS-100“军刀”、瑞典萨博公司的SkeldarV-150、法国和南非合作研发的“警惕”等无人直升机也正在装备或研发之中。此外,在共轴双旋翼无人直升机方面,俄罗斯Ka-137无人直升机,加拿大CL-327无人直升机,德国“西莫”(SEAMO)无人直升机都非常的知名。

近年来,倾转旋翼式无人直升机既具备直升机垂直起降的特性,又具有固定翼飞机的快速水平飞行性能,也受到了很多国家的青睐,美国贝尔直升机公司研制的“鹰眼”(EagleEye)无人机是一种典型的倾转旋翼式无人直升机,它是在V-22“鱼鹰”有人倾转旋翼飞机的基础上发展起来的。

无人直升机的关键技术

无人直升机是利用计算机等测控设备取代飞行员对直升机的操作,与有人直升机一样,研制无人直升机也要首先掌握旋翼、传动系统与发动机三大部件的核心技术,在此基础上,再依靠飞行控制和测控技术,使计算机能够像人一样驾驶直升机,总体上来说,无人直升机的主要技术特点有以下几种:

1、总体构型与气动布局设计技术

无人直升机的气动布局是指直升机气动外形、各部件的外形、参数及相互位置的确定,其目的是使直升机具有所要求的空气动力性能——飞行性能及操纵性、稳定性。总体构型与气动布局设计是无人直升机总体设计的主要内容,要依据技术要求选择恰当的型式,合理布置各气动部件的位置及形状,从而提出总体布局方案。总体构型与气动布局设计技术涉及型式、参数和外形的设计,融合了空气动力学、飞行力学、航空材料与工艺学、结构强度和动力学等多个方面的专业技术,是一项决定无人直升机飞行性能的关键技术。

俄罗斯ka-137无人直升机

2、飞行控制与导航技术

从飞行控制和导航技术来看,由于无人直升机作为受控对象具有多变量、非线性、强耦合性、时变性等特性,是一种稳定性差、不易操纵和难以控制的飞行器。所以目前飞行控制和导航技术是制约无人直升机投入实际应用中的瓶颈,也是一项决定无人直升机飞行品质的一项关键技术。飞行控制和导航技术涉及状态测量、信息综合与管理、姿态控制等方面的技术,包含了起降/飞行控制律设计、航线规划及全向导航设计、发动机控制律设计、人工智能与容错控制策略设计、智能化故障模式识别与处理、综合电气管理等相关内容。

3、遥测遥控技术

由于在大部分的时间里无人直升机都在地面人员的视野之外飞行,在飞行器和地面控制站之间必须有稳定、可靠、高速的数据传输通道,地面人员对飞机的各种监视测量和操纵控制都依赖于提供数据通道的遥测遥控系统。遥测遥控技术是解决通信链路和遥测遥控数据高可靠性、稳定性、实时性,以及飞机各种状态的准确测量技术难题,建立遥测遥控系统的关键技术,是一项保证无人直升机超视距安全可靠飞行的关键技术。无人直升机的遥测遥控系统不仅包括通信信道部分,还包括无人直升机地面检测、指挥、操纵与协同等部分内容。

除了上述关键技术以外,无人直升机的发展还离不开动力、传动、机载设备、航空材料等技术的支持。

美国军事人员通过多屏操作台驾驶和控制无人机执行军事任务

舰载无人直升机是无人直升机中的重要一员

有人舰载直升机面临的困难

舰载直升机上舰多年来,由于管理与使用上存在诸多问题,导致驻泊时间短,机舰融合性差。主要原因是舰载直升机使用程序繁琐、空勤人员管理难、舰面保障复杂。既有观念上原因,也有体制上的问题。船上人员认为:直升机的使用应该很方便,而实际上直升机的使用具有较烦琐的程序。直升机驾驶员则认为:舰船上的条件太严酷,保障条件难以满足。由于机舰融合不好,平时很少驻泊,且没有充分的机舰协同训练,因此,有人驾驶的舰载直升机的作用和效能都没有充分地发挥出来。

在海上,没有多种信息探测手段,再强的攻击武器也无法取胜。海战场信息获取、电子侦察与对抗等,要求舰载直升机抵近敌舰或岛屿,这对于有人驾驶直升机来讲,除单机价格高外,由于被弹面积大且有飞行员,无论平时还是战时都是危险的。

无人直升机适合海军作战的需要

空间作战舰艇的危胁一般来自敌方空中的飞机、水面的舰艇和水下的潜艇。对于水面目标,舰载雷达因安装高度有限,探测距离一般在40km左右,而舰载火力却可达200km以外;对于水下目标,舰艇吊放声纳的探测范围有限。因此,为了获得更加快捷和宽广的战场情报,需借助于舰载飞行器来完成这些任务。舰载飞行器的首要任务是进行远距离的侦察、目标定位、战损评估等。预警飞机虽然探测范围大,但由于需要很大的起降场地,所以一般为岸基,不便与出航舰只协调。有人直升机可以胜任此任务,但是,为达到较大的预警范围,须出航较远,脱离舰只的保护范围,而且容易遭到敌方炮火的攻击,造成人员的伤亡。很明显,舰载无人直升机没有驾驶员,使用费低,机舰伴随性和相融性好,无论平时还是战时都可抵近敌舰或岛屿飞行,可作为前出的信息获取、信息传输、电子对抗平台,无人直升机更适合于担任此任务。

电子战的需要现代战争已经发展到“陆、海、空、天、电”多维立体战,制电磁权成为现代战争的第四维战场。执行电子干扰任务的飞行器要求有好的低空低速性能和较长的留空时间。飞机不适于低空低速飞行,又难以长时间保持固定的干扰方向,有人直升机长时间执行此种任务容易使飞行员疲劳。因此,无人直升机更能胜任。

所以,无人直升机不仅具有尺寸小、重量轻、制造和使用费用低,不必考虑飞行员的安全、疲劳等优点,尤其能在舰面上垂直起降,低空低速飞行及机动性能好等突出特点,特别适宜于现代海军作战的需要。

英国《简氏防务周刊》2012年引述日本防卫省对外展示的两张P-3C反潜机跟踪进出宫古水道中国海军舰队时拍到的大陆无人机训练照片,其中1张照片显示有3架无人机停放在054A型护卫舰“舟山”号尾部甲板上。这种无人机形似奥地利席贝尔公司研发的S-100无人直升机,这是迄今世界上顶尖的无人直升机之一,可伴随中型以上水面舰执行远洋任务。

无人直升机的未来发展趋势

近年来,世界上兴起了无人直升机的研发热潮,新研发的无人直升机相继出现。然而迄今为止,由于技术的复杂性,只有少数无人直升机正式装备部队,投入实战使用,其余均处于概念预研状态。但随着技术革新的加速,军用无人机的发展将日趋迅猛,其未来趋势主要包括以下四个方面:

1)长航时、高航程是未来无人直升机发展的重要方向。

长航时、高航程无人直升机可在侦察、通信中继、边境巡逻等军民用任务方面发挥更大的作用。因为与有人直升机相比,无人直升机不必考虑飞行员生理限制的问题。目前美国已开始加紧研究此类无人直升机,如A160T飞行最大航程达5560km,续航时间长达48h

2)良好隐身性能是未来无人直升机发展的生存保障。

无人直升机由于速度小、飞行高度低,其隐身性能就显得更加重要。因此,增强军用无人机的隐身性能、提高其战场生存率将是一个发展趋势。采取的措施包括气动外形考虑隐身设计,大量使用复合材料和减低雷达散射截面(RCS)的涂料,以满足雷达隐身要求,同时还要考虑无人机的红外和噪声隐身,使无人直升机对雷达、红外、声隐形性能达到相当高的程度。

3)尺寸两极化是未来无人直升机发展的必然方向。

根据不同用途,无人直升机的尺寸大小朝两极化方向发展:为获得长航时、高航程的大载荷平台,无人直升机将向更大的外形尺寸发展,并可代替目前的有人驾驶机载监视和通信平台;与此相反,为提高机动性、生存力及效费比,战术型、微型无人直升机将朝着缩减尺寸方向发展。总的来讲,最终将逐步形成高、中、低空,大、中、小型无人直升机搭配的合理结构,从而更好地满足未来作战需求。

4)多用途、高智能是未来无人直升机发展的最终目标。

目前的无人直升机的主要缺点和不足是,缺少应对突发性事件的能力,只能执行预定的任务,功能单一,且智能化程度较低,特别是在战场上,这一点与有人驾驶飞行器相差较大,且不容易操纵。因此,随着电子技术、信息技术,特别是控制技术等的飞速进步,发展多用途、高智能化、且易于操纵的无人直升机是一个重要的发展趋势。在未来战场“零伤亡”要求和战场信息化的大背景下,无人直升机的发展恰恰满足了未来作战需求,将在未来战场上发挥重要角色。

2013958日举办天津国际直升机博览会上,中国新概高速念直升机“绝影8”无人飞行器模型在醒目的位置展出。


来源:网易军事
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