美国空军已制定开发下一代无人驾驶航空系统计划

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2002-10-07
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就在8年前,人们庆祝了载人航空一百周年,2018年3月6日将是庆祝无人驾驶航空诞辰100周年的时刻。无人驾驶航空包含范围非常广泛的空中平台,从“航空鱼雷”(aerial torpedo)或者今天的巡航导弹的前身到现在正在开发的用于探索其他星系的未来派的星际飞机(astral-planes)。无人驾驶航空还包括航空模型、靶机、空中诱饵、空中无人驾驶侦察与武装平台等,它们通常被称为无人驾驶飞行器(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)。目前,遥控飞行器正替代由飞行员驾驶的战斗机与武装直升机去执行各种各样的危险任务,具有更广泛内涵的新术语 无人驾驶飞机系统(UAS, Unmanned Aircraft Systems)或无人驾驶航空系统(UAS, Unmanned Aerial Systems)将取代无人驾驶飞行器这一术语。

无人驾驶飞机的开发主要依靠名为自动稳定(automatic stabilization)、远程控制(remote control)和自主导航(autonomous navigation)的三项关键技术的综合集成。美国空军(USA)的埃尔默 斯佩里(Elmer Sperry)是第一个试图设计具有以上三种特性的无人驾驶飞行器的人。这种努力的结果是发明了航空鱼雷。接下来,美国和英国都开始设计由无线电遥控的可回收空靶,1924年9月这种空靶试验成功。1930年推出的靶机是这些早期努力的意外收获。到第二次世界大战之前,这两个国家都在使用靶机训练防空炮手。有趣的是,一个名叫诺玛 简 多尔蒂(Norma Jean Dougherty)的19岁女雇员装配了其中的部分靶机,她后来成了大明星玛丽莲 梦露(Marilyn Monroe)。

在随后多年中,无人驾驶航空进展相当缓慢。在越南战争中美国空军大体上只是使用了无人驾驶侦察机。虽然,美军继续对全球定位系统辅助修正惯性导航与数据链结合应用的微型化研究,但首次成功利用这些能力的是以色列国防军(Israel Defense Forces)。1973年,在戈兰高地(Golan Heights)进行的“赎罪日”(Yom Kippur)战争中,以色列军队使用无人驾驶飞行器获取了推进中的叙利亚装甲部队的重要信息,这使他们能够成功伏击叙利亚装甲部队,从而取得了一个决定性的胜利,尽管敌人在数量上占优势也无济于事。然而,只是在1982年的贝卡谷地(Bekaa Valley)军事行动后,人们才了解到了无人驾驶飞行器的真正能力。在那里,以色列人在诸如侦察、欺骗和电子战(Electronic Warfare)等各种各样的任务中将无人驾驶飞行器作为“力量倍增器”使用。

未来的发展趋势

随着无人驾驶飞行器百年诞辰即将到来,许多国家已经制定了综合运用尺寸、形状和载重等各方面的先进技术的超前方案。美国空军已经制定了开发下一代无人驾驶航空系统(NG-UAS, Next Generation Unmanned Aerial System)的计划。2009年5月,无人驾驶飞行器制造行业收到美国空军的通知,它将寻求非常成功的MQ-1“捕食者”(Predator)和MQ-9“收割者”(Reaper)的后续无人驾驶飞行器。MQ-9“收割者”是Q-1系列无人驾驶飞行器的大幅度改进型,前缀“M”表示多种任务能力,美军在阿富汗和伊拉克的军事行动证明了带有此前缀的无人驾驶飞行器的价值是无法衡量的。

后来,美国国防高级研究计划局(DARPA, Defence Advanced Research Projects Agency)立项开发了能够在空中停留五年的“秃鹰”(Vulture)无人驾驶飞行器。最近的报道称,该发展计划已经进入第二阶段。“秃鹰”无人驾驶飞行器的设计细节或它因使用什么样的燃料而能够在空中持续飞行五年是无论如何也无从得知的。下一代无人驾驶航空系统平台将会具有超出现有的无人驾驶飞行器的能力。与1994首次飞行的MQ-1“捕食者”和2001年出产的MQ-9“收割者”相比,这种新型无人驾驶飞行器的可操作性和的战位时间(time-on-station)都会有大幅度提高。根据计划,下一代无人驾驶航空系统可能在2015年具备初始作战能力。通用原子公司(General Atomics)已经开发出如今称为“捕食者”-C的无人驾驶飞行器作为下一代无人驾驶航空系统的候选对象。据分析,这种无人驾驶飞行器是具有隐身特性的后掠翼飞机。其它的几个公司,特别是生产出非常成功的RQ-4“全球鹰”(Global Hawk)无人驾驶飞行器的诺思罗普-格鲁曼公司(Northrop Grumman)也有望加入下一代无人驾驶飞行器的竞争。

以色列的无人驾驶飞行器“埃坦”(Eitan)安装了三余度航空电子设备,能够进行全天候飞行,续航时间70小时,具有广阔的前景。“埃坦”无人驾驶飞行器最大载重量为2000磅。各国正在开发的太阳能驱动无人驾驶飞行器的高空隐形飞行时间将会有进一步的提高。令人感到惊讶的是,俄罗斯在这个领域一直是个迟来的参赛者,如今也推出了一项雄心勃勃的战术无人驾驶飞行器发展计划。在过去十年中,中国在无人驾驶飞行器领域取得了稳步进展。在2010年11月中旬举行的珠海航展(Zhuhai air-show)上,中国人展示了40多架无人驾驶飞行器模型。这些无人驾驶飞行器既有固定机翼设计,又有旋转机翼设计,不仅可用于执行情报、监视和侦察任务,而且可用于执行攻击任务。

增加的作战任务

两年前,在经过激烈的辩论后,美国总统奥巴马同意进一步增强驻阿富汗美军的力量。然而,可能人们没有注意到美军在阿富汗使用的无人机系统也在成倍增加。在阿富汗,美国空军正广泛地使用这些平台,不仅用于作战支援,而且用于向毫无防备的目标发射远程精确制导弹药和其它武器。据报道,在这次美军向伊拉克和阿富汗的无人驾驶飞机大“增兵”中,无人驾驶飞行系统每年的飞行架次较2006年的飞行架次已经增加了百分之一百二十。同样,“捕食者”无人驾驶飞行器的数量和由此产生的导弹攻击数量也成倍增长。

无人驾驶飞行器用途广泛、杀伤力巨大,因此,美国向巴基斯坦提供12架“捕食者”无人驾驶飞行器的提议已经引起了印度的严重关注。尽管美国官员也曾提到,这些“捕食者”无人驾驶飞行器不会装备“地狱火”(Hellfire)或其他类似的空对地导弹,但巴基斯坦可轻易地从其它渠道得到秘密援助,从而使这些无人驾驶飞行器具备同样的能力。巴基斯坦已经与中国、土耳其和南非共同开发无人驾驶飞行器。

现在,美国已经向巴基斯坦提供了续航时间较长的小型的“扫描鹰”(Scan Eagle)无人驾驶飞行器。“扫描鹰”无人驾驶飞行器的重量为18千克,翼展3米,并使用新视频技术(像元影像)获得更高的图像分辨率。它能够以5200米的高度在空中飞行长达15小时。这种无人驾驶飞行器携带一个在飞行状态下能够稳定地聚焦目标的光学系统。

印度的无人驾驶飞行器的发展

印度空军(IAF, Indian Air Force)在2000年引进了“搜索者Ⅱ”(Searcher Ⅱ)和“苍鹭”(Heron)无人驾驶飞行器。在过去几年,它们在利用光电/红外(EO/IR)设备、电子战设备和合成孔径雷达(SAR)获取各种情报上的表现非常出色。印度空军已经能够利用地面和机载的中继设备来扩大无人驾驶飞行器的使用范围,也能够在包括喜马拉雅山脉(Himalayas)在内的不同地形使用它们。“帕拉克拉姆行动”(Op Parakram)为印度空军提供了发展其缩短“传感器到射手”周期的专业技术的机会。另一方面,印度空军在国内不同地区的部署,使其获得了更多的基础设施,这将有助于实现无人驾驶飞行器在各种任务中的使用,例如国内安全和包括与最近日本福岛(Fukushima)的核辐射泄漏检测类似的灾害管理。印度陆军和印度海军也已经购买了相似的平台,这使无人驾驶飞行器的训练、基础设施和维护能够实现三军通用。

在国产无人驾驶飞行器方面,印度空军于20世纪80年代初装备了“查考尔”(Chakor)遥控靶机,它是诺斯罗普公司生产的“投掷者”(Chucker)遥控飞行器(RPV)改进型。不过,国防研究开发局(DRDO)设计的“拉克什亚”(Lakshya)无人靶机的开发被延误了。然而,随着“拉克什亚”无人靶机在尾部机身和发动机上有所改进,它的性能已经明显地有所提高,包括其在超视距导弹射击练习应用中的表现。其他方面,另一个由弹射器发射的装配新型“汪克尔”(Wankel)发动机的“尼尚特”(Nishant)无人驾驶飞行器已经取得了稳步进展。这将为印度开发先进的GPS辅助型静地轨道增强导航系统(Gagan)无人驾驶飞行器铺平道路。“尼尚特”无人驾驶飞行器也将携带合成孔径雷达。国防研究开发局现在已经着手一项研制各类型国产无人驾驶飞行器的全面计划。在去年10月份,国防研究开发局成功完成了中高空长航时“鲁斯图姆-Ⅰ”(Rustom-Ⅰ)无人驾驶飞行器的第二次试飞。国防研究开发局也开发出一种名为“内特拉”(Netra)的微型无人驾驶飞行器,专门用于反恐和平叛军事行动。这种重1.5千克的无人驾驶飞行器由国防研究开发局和位于孟买的印度理工学院(IIT)合作开发,具有可以在包括类似孟买“11 26”恐怖袭击发生时市区情形在内的所有冲突地区作战的能力。

目前,印度空军正在各种用途中使用无人驾驶飞行器,如包括侦察和监视的搜集情报,无人驾驶飞行器辅助战斗机/直升机打击(UAFS/UAHS)和激光指定目标。无人驾驶飞行器也可用于战斗损伤评估(BDA, Battle Damage Assessment)和对战斗机进行输入实时打击任务。使用合成孔径雷达和红外雷达,使得这种平台具有近乎全天候的能力。无人驾驶飞行器还可以用于搜集电子情报(ELINT),它利用指挥情报的(COMINT)输入,能够逃避和拦截敌方的战斗机或直升机。当前,印度空军正在考虑发展像美国的“捕食者”无人驾驶飞行器一样的武器平台,为其发展未来的无人驾驶作战飞行器铺平道路。

据报道,美军的无人驾驶飞行器每年飞行超过35万小时,以色列将近一半的军中相关的工作用在这些远程操作平台上。随着无人驾驶飞行器机数量的增加,印度实现其国产化变得更加重要。印度需要发展用于开发如“全球鹰”无人机、X-47B隐身无人机、“捕食者”攻击无人机之类的大型平台以及6英寸长的SR-30“黑寡妇”(Black Widow)旋转机翼微型无人机的能力。

令人感到高兴的是,不仅国防研究开发局与航空航天工业加强了在无人驾驶飞行器开发上的合作,而且印度国内的与外商合作的私营企业也已经加入了这一领域。有印度在软件方面专业技术为后盾,开发无人驾驶飞行器与地面支持设备所需软件而进行的工作,将会使军事和民事用户都受益良多。印度能否认真执行现在和将来的无人驾驶飞行器发展计划是十分重要的。如果印度不能严格执行发展计划,无人驾驶飞行器项目可能会重复已经延误的轻型战斗机(LCA)或中级教练机(IJT)项目的老路,假使这样,我们将永远摆脱不了进口的束缚。

无人驾驶飞行器与有人驾驶飞行器相比,不存在人员伤亡的可能,也省去了在飞行员身上的投资,这些证明了无人驾驶飞行器的基本使用价值。无人驾驶飞行器开发项目效费比非常高,一些研究人员正在“后院作坊”中研发无人驾驶飞行器。由印度理工学院与其它技术学院创新研发无人驾驶飞行器和部分私营企业营销无人驾驶飞行器的时刻已经到来了。

“摩尔定律”(Moore s Law)预言在2015年前后微处理器的运算速度将与人脑的反应速度相当。据估计,在2030年前夕,计算机的存储容量将达到人类的记忆水平。因此,无人驾驶飞行器在将来会大有用场。无人驾驶飞行器将会从远程操作的机械装置发展成能够自主完成任务的独立机械装置。但是,如果要实现完全自主,它必须具备与人脑相似的反应速度和记忆能力。现在人们仍然不清楚多少行的软件代码能够使机器人实现“思考”功能,但印度需要快速发展本国的机器人技术和人工智能方面的研发能力,以免错过未来的“军事变革”(RMA)。

操作样式

在微米与纳米技术快速发展的推动下,制造商们正在对军事和非军事用途的无人驾驶飞行器进行增大载重量以及开发协同支持系统的研究。协同支持系统将用于诸如打击恐怖主义行动、灾害管理、边防与城市监测、地面与海上交通监查、农作物诊断与杀虫剂喷洒以及地面测绘等工作中。无人驾驶系统(Unmanned Systems)技术密集,其开发过程充满许多挑战。随着无人驾驶飞行器数量不断增加,印度需要从全局上解决遇到的挑战。

这些挑战包括诸如人力资源管理(Human Resource Management)、无人驾驶系统与其他平台间的互操作性(Interoperability)、无人驾驶系统的标准化(Standardisation of Unmanned Systems)、通讯(Communications)、网络中心作战(NCO, Network Centric Operations)以及空中交通管理(Air Traffic Management)等。无人驾驶飞行器在起飞和降落、躲避敌人堵截过程中或者在诸如失去联系的紧急情况下,会有一定程度的错误出现。这需要我们建立一支庞大的技能熟练、积极进取的操控和维修人员队伍。无人驾驶飞行器非常适合持续很长时间的工作,这需要多组工作人员昼夜轮流操控。在将来会使用无人驾驶作战飞行器,因而印度有必要对诸如人员选拔、训练、工作精神、客户关系管理(CRM)以及职业进展等方面的所有人力资源(HR)问题进行评估。使用模拟器材训练会有助于缩短操控人员尤其是外部操作员(EP)的训练周期,同时,也有助于加强紧急情况下进行协调的客户关系管理。

无人驾驶飞行器与包括战斗机和武装直升机的其它平台间的互操作性也是一个难题。事实已经证明,无人驾驶飞行器系统与其他系统交换数据的能力是不容置疑的。在“持久自由”行动(Operation Enduring Freedom)、黎巴嫩冲突和阿富汗战争中,它们已经展示了这种互操作性。使用现有的网络中心作战设备,印度空军也能为所有的指挥、控制、通信、计算机、情报与信息系统(C4I2)用户提供电子支援措施(ESM)数据和流畅的实时视频。成功的试验表明,电子支援措施与合成孔径雷达图像可以有效地综合在一起使用。由于无人驾驶飞行器监视与侦察覆盖面广、持续时间长和具有在责任区域(AOR)的巡航能力,不同的部队可以协同使用它们。无人驾驶飞行器的多种载荷使其能够定位和指明敌方的火力点,为战斗指挥官提供用以做出决定和塑造战场态势的实时视频流。当前的无人驾驶飞行器平台的使用为其在将来更加复杂和相互交织的空中战役中成为指挥官的“眼睛”奠定了基础。像“捕食者”之类的武装无人驾驶飞行器将进一步使战场上的“观察、调整、决策以及行动”(OODA, Observe, Orient, Decide, and Act)循环缩短至几近实时处理。

按照军方提出的要求,欧洲与美国的无人驾驶飞行器设计者和制造商都在进行系统互操作性(System Interoperability)方面的研究工作。印度武装部队(Indian Armed Forces)引进了相类似的无人驾驶飞行器,强调需要制定适用于现有和未来的无人驾驶飞行器的标准化体系架构。由于陆海空三军目前正在使用同一个原始设备制造商生产的无人驾驶飞行器,因此所有的地面站、数据终端以及它们的架构是相类似的。接下来,印度陆海空三军的无人驾驶飞行器总规模在未来五年内可能扩大一倍,在未来十年内可能扩大近五倍。在未来几年内,随着几个当前正准备着进入印度军用和民用无人驾驶飞行器市场的制造商的加入,印度迫切需要制定关于互操作性的通用标准。因实现标准化而产生的互操作性将有助于寻求在带宽、空域管理和机动性等方面制约的解决方案。实现标准化也将有助于明确努力方向与产生竞争,这些是加快技术进步必需的两个关键要素。最后,实现标准化也将有助于降低培训成本、降低项目风险、提高互操作性和降低运营成本。

在可靠导航和无缝数据链路方面的当前限制是另一个难题。在受到地形限制的战术区域或市区,这些都是无人驾驶飞行器成功执行打击机动目标的复杂任务所必备的先决条件。利用“微型”、“轻量级”的解决方案,人们不可能实现在相当远的距离外操控无人驾驶飞行器或将其作为一个强大的自主系统使用。如果使用地面数据链路进行无人驾驶飞行器操控,人们必须部署多处地面控制站(GCS, Ground Control Stations)及其数据终端以实现信号最大限度的无阻碍覆盖。虽然在平坦、开阔的地形上,这些方面的影响可以被忽略,但是,在崎岖的地形或高大建筑物、树木非常接近地面控制站情况下这种影响非常明显。因为视距(LOS, Line-of-sight)的限制也需要在观察目标的前沿位置部署额外的地面控制站。

然而,在迅速变化战术情景中这些未必可行。由于多路径信号、折射、衍射、天波的影响和吸收,卫星数据链路在室内或市区也没有足够的准确性。在无人驾驶飞行器操控过程中,大量的数据交换是不可避免的。在这个过程中,除了可靠性、受保护的通信外,通讯协议也是十分重要的。因此,控制器只有通过多条路径向接收传感器传输数据,才能实现确保任务成功完成的数据无缝交换。为了达到这个目标,需要建立一套合适的“多路径用户网络(MULPUN, Multiple Path User Network)”。该网络可以利用现有的专用数据链路与卫星数据链路硬件,也可以是利用现有的蜂窝网络(cellular networks)与便携式汇聚路由器(portable convergence routers)建立的虚拟专用网络。

空域管理

随着越来越多无人驾驶飞行器应用于军事和民事领域,空域管理将是需要应对的另一个挑战。由于像“全球鹰”这样的军用无人驾驶飞行器飞行空域与民用航空交通空域相同,美国联邦航空局(FAA)和欧洲空管局(Euro Control)已经起草了空中交通管理法规。俄罗斯在开发“感知与规避”(sense and avoid)概念同时,根据全球导航卫星系统(GNSS, Global Navigation Satellite System)转发器的用法,也出版了无人驾驶飞行器使用说明。人们为了理解有人驾驶与无人驾驶之间的不同之处,正在开发“可选择驾驶空中飞行器”(OPAV, Optionally Piloted Air Vehicle)的概念。

“可选择驾驶空中飞行器”是在一种介于有人驾驶飞行器与无人驾驶飞行器之间的飞行器。美国贝尔公司(Bell Company)成功研制出直升机型可选择驾驶空中飞行器,同样,俄罗斯伊尔库特公司的“伊尔库特-850”(Irkut-850)与德国斯泰默(Stemme)公司的S-10型垂直起飞(VT, vertical takeoff)固定机翼可选择驾驶空中飞行器也已经成功飞行。这些公司不仅是开发新技术与概念的杰出“飞行实验室”,也有助于诸如认证、标准化和空中交通管制条例制定等问题的解决。


随着无人驾驶飞行器数量的增加,人们迫切需要加强空域管理。美军在阿富汗损失飞机的主要原因之一,是飞机一直以来与较小的、低空飞行的无人驾驶飞行器发生碰撞。在2006年的黎以战争中,以色列不得不特别关注这个方面的问题。在这场战争中,因在较小面积的天空中每天飞行400多架次的作战飞机、直升机和无人驾驶飞行器,作战区域的天空变得异常拥挤。所以,一些国家为了加强空域管理,在无人驾驶飞行器上安装了敌我识别装置(IFF)。如何加强空域管理也是印度空军需要尽快思考的一个问题。

前景展望

随着2018年的无人驾驶航空百年诞辰纪念的到来,它正迈向非比寻常的未来。想象一下这样一个场景,被通缉的恐怖袭击事件的主谋正在款待媒体广泛报道的名人,以庆祝阴谋的成功。恐怖袭击主谋突然气喘吁吁地捂住喉咙,逐步走向死亡。在随后的混乱中,没有人注意到一个在千里之外遥控的、射出毒镖的小蜂蜜样的飞行物。现在,这些可能是虚构的情景,但随着纳米技术和诸如太阳能提供扑翼动力、多信道等能力的发展,人们可能在不远的将来见证到这种情景。
 
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