傳感器無人機技術進展及相關發展策略的思考

洪森濤+楊國松

摘 要： 介紹了傳感器無人機的項目背景、技術特點，并梳理了技術發展的脈絡，初步分析了美國空軍實驗室在項目技術管理上采取的策略，以供無人機研發人員和技術管理者借鑒。SensorCraft的發展歷程和發展策略對無人機領域的后來者有著極為重要的借鑒意義。

關鍵詞： 傳感器無人機； 共形天線； 技術進展； 項目技術管理

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）18?0091?03

Consideration for technology progress and development strategies of sensor UAV

HONG Sen?tao， YANG Guo?song

（No. 27 Research Institute of CETC， Zhengzhou 450015， China）

Abstract：The project background and technology characteristics of sensor UAV are introduced in this paper. Technology progress about sensor UAVs is summarized. The strategies adopted by Air Force Research Laboratory （AFRL） in project technology management are analyzed briefly， so as to provide a reference for UAV developers and technology administrators.

Keyword： sensor UAV； conformal?antenna； technology progress； project technology management

0 項目背景

傳感器無人機（SensorCraft）是美國空軍實驗室（AFRL）在2000年左右提出的多項未來作戰能力關鍵技術研究中的一個重點，其目的是開發一個高空長航時（HALE）的空中ISR平臺，全面取代美軍現役的E?3預警機和E?8地面監視飛機，在美軍未來全球感知系統中擔當空中核心的角色。全球感知系統將整個空、天、地的ISR設施有機地集成到一起，技術架構遠遠超出了信息融合的概念，上升到自動集成的水平， 目的是大幅提升整體傳感性能， 識別偽裝的、隱蔽的和具有欺騙性的目標，因此除本身探測能力極為突出之外， SensorCraft還能夠與天基設施進行多點靜態協同， 并能從地面傳感器獲取數據[1]。

AFRL要求SensorCraft必須能夠實現傳感器的360°全向探測；并且要求與現役E?3預警機相比，AMTI（對空移動目標探測）提升至少30 dB；與現役E?8地面監視飛機相比，GMTI（對地移動目標探測）提升[2]至少12 dB。

規劃中SensorCraft的重點應用方向是針對于時間敏感性目標，執行監視、偵察和打擊火力的指揮控制。根據美國空軍2009財年規劃，SensorCraft將在2015—2017年間開始裝備，并逐步取代第一代HALE無人空中平臺——全球鷹（Globe Hawk）

1 技術特點

在SensorCraft概念中，首次體現了傳感器與無人機的綜合一體化設計思想。其設計理念要求突破傳統飛行器設計中傳感器的附屬地位，將傳感器性能發揮作為一種總體設計約束，增加到系統的方案設計過程中。對無人機飛行性能和傳感器性能進行系統級綜合設計，將雷達、天線、數據鏈、電子監聽裝置等集成為功能性結構組件，通過與飛機的氣動結構設計協調，最終實現“傳感器即無人機（Sensor is Craft）”的一體化目的[3]。

與傳統ISR無人機相比，SensorCraft在初始設計階段即與ISR載荷密切交互，可以最大程度消除飛行器平臺本身對ISR載荷性能的負面影響。常規情況下機載天線的布置受到安裝方式、結構強度、體積重量等多重約束，尺寸往往限定在一定范圍內；在具備良好氣動特性的基礎上，SensorCraft大量采用傳感器共形技術將天線通過與機翼共形布置在機翼內部，其結構剛度由機翼保證，其發射孔徑可以與機翼面積相當，因此可以將天線的功率孔徑積提升至少一個數量級，從而使雷達的性能得到極大發揮。

2 發展歷程

通過搜集近年來SensorCraft的相關報道，將其技術發展的基本脈絡歸納，如圖1所示[1，4?5]。

圖1 傳感器無人機技術發展脈絡圖

縱觀SensorCraft到目前為止技術發展的整個過程，自“靈巧蒙皮結構”的最初技術探索到“SensorCraft”概念的提出再到項目的正式開展，可以看出四個明顯的階段劃分：

第一階段為1993—1997年，為共形天線技術的起步階段。AFRL在此階段對共形天線技術的發展前景和應用潛力進行了初步的評估。

第二階段為1997—2000年，為共形天線技術的應用階段。共形天線技術開始在以“GlobeHawk”和“Predator（捕食者）”為代表的新一代無人機上得到應用。在此基礎上，以傳感器為核心，全面采用共形天線技術、具備360°全方位探測能力的空中無人預警探測飛行器概念——“SensorCraft”開始醞釀并逐漸成熟。

第三階段為2000—2004年，為概念可行性研究評估階段。從2003年的“X波段天線陣列”和2004年的“聯接翼縮比樣機”兩個項目可以看出，AFRL從天線陣列技術和飛行器平臺技術兩個方面對傳感器無人機的可行性進行了先期檢驗。

第四個階段為2004年至今，為工程化研制階段。自SensorCraft項目正式發布后，波音公司和諾斯羅普?格魯曼公司兩大軍工巨頭正式開始介入。波音公司采用聯接翼布局滿足360°全向探測要求；諾斯羅普?格魯曼公司采用一種能夠從側面輻射電磁波的雷達天線技術—“Endfire”搭配其成熟的飛翼布局來實現360°全向探測。波音公司和諾斯羅普?格魯曼公司方案基本參數表（2007年數據）見表1。

表1 波音公司和諾斯羅普?格魯曼公司方案基本參數表（2007年數據）

根據資料顯示，2009年波音公司的聯接翼布局平臺完成了4%縮比模型的風洞試驗，對其在該項目中所采用的先進CFD（計算流體力學）技術進行了驗證，為后續平臺的分析和優化提供了依據。此外，與聯接翼布局形式相配合的X波段和C波段共形天線陣列蒙皮技術已基本進入工程化研制階段。

2007年，諾斯羅普?格魯曼公司針對飛翼構型所面臨的動態氣動彈性穩定問題進行了12%縮比的飛翼布局模型風洞試驗。結果表明，其全新設計的異性可使臨界突風載荷減小50%，顫振臨界速度提升22%。

2009年AFRL宣布：“Endfire”元件已完成數種不同結構形式的5×5單元的陣列制造，正在進行相關電性能和結構性能的測試；此外一個20 ft×20 ft的工程樣件也已進入加工階段。等待進行更詳細的工程可行性評估，并最終確定其作為機翼組建的可行性。

此外，UHF（甚高頻）、VHF（超高頻）結構一體化共形天線技術已經進入到工程實驗階段。

顯然，兩大主承包商在技術進展方面各有千秋。波音公司方案的傳感器技術成熟度高，而聯接翼布局的平臺進展較慢；諾斯羅普?格魯曼公司飛翼布局平臺相對成熟，而“Endfire”傳感器技術則剛剛轉入工程化評估階段。按照美國空軍2009財年計劃安排，SensorCraft的正式服役時間定在2015—2017年之間，從目前看來項目計劃進展順利。

3 發展策略

從上述SensorCraft發展歷程的分析中不難看出，AFRL在技術引導和推進過程中盡顯“大膽假設，小心求證”的指導思想。從“靈巧蒙皮結構”提出共形天線技術，到天馬行空“傳感器即無人機”的SensorCraft概念清晰，再到項目的正式展開，既體現了AFRL對技術發展方向的直接引導，又顯示了其對技術發展進程的正確把握。此外，在“靈巧蒙皮結構”項目后期和“SensorCraft”項目正式發布前的兩次技術評估，還充分體現了其對待新技術的謹慎態度。從目前傳感器無人機項目的進展來看，這種發展策略無疑是成功的。

事實上，這種發展策略是美軍歷年無人機項目發展經驗的一個總結。早期美軍在發展無人機系統的過程中頻頻遇到問題，屢屢導致無人計劃的中途夭折。多年來的近百個無人機項目，最終能夠成功交付用戶的屈指可數。細究各類無人機計劃中出現的問題，主要是由以下幾個相互關聯的因素引起。

首先，計劃管理者對技術難度過于低估，往往在嚴格的成本要求下提出過高的指標要求，最終導致經費不斷超支，項目終止。管理者往往認為無人機只是低成本器件的簡單集成，與航模遙控飛機差別不大。但實際上將發動機、傳感器、軟件、通信鏈路、數據鏈路、航空電子設備綜合到一個很小的機體內，同時保證其成本低于有人戰術飛機，這本身就是一個工程上的巨大挑戰。

其次，無人機計劃中存在著嚴重的“需求蔓延”趨勢。這主要是指從無人機項目開始研制，用戶便不斷對系統增加越來越多的要求，直到其在技術上完全不可行為止。

基于對第一個問題的考慮，AFRL在項目中引入了多次評估機制，分別在立項前進行技術可行性評估、項目前期進行技術成熟度評估、項目中后期安排進行用戶操作評估和軍事效用評估。顯然多次評估機制有效地控制了系統的研制風險，增加了項目的可行性。

基于對第二個問題的考慮，AFRL并未對無人機系統設置嚴格的性能指標要求，而只是方向性意見，從而有利于承包商展現各自技術潛力；并在研制過程中的早期引入實際用戶對系統進行評估，保證系統性能與最終用戶的需求一致；此外，通過建立系統作戰原理的方式，限制用戶增加新要求的機會[6]。從而避免出現“需求蔓延”。

4 結 語

SensorCraft是美軍未來全球感知系統的重要節點之一，其發展方向代表了無人化空中預警探測技術的未來。同時作為美國近年來對無人機計劃進展順利的一個縮影，SensorCraft的發展歷程和發展策略對無人機領域的后來者有著極為重要的借鑒意義。

參考文獻

[1] Martinez J， Flick P， Perdzock J. An overview of sensorcraft capabilities and key enabling technologies[R]. AIAA?2008?27185，2008.

[2] 阿雯，胡冬冬.傳感無人機的關鍵技術及其研究進展[J].飛航導彈，2010（2）：12?13.

[4] 趙永輝.氣動彈性力學與控制[M].北京：科學出版社，2007.

[3] 仲峰.飛翼式無人機總體概念性設計與分析[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[4] 趙永輝.氣動彈性力學與控制[M].北京：科學出版社，2007.

[5] 李軍，李占科，宋筆鋒.聯翼高空長航時無人機布局設計研究[J].飛行力學，2009，27（4）：1?4.

[6] 胡問鳴.無人機系統技術[M].北京：國防工業出版社，2009.

第四個階段為2004年至今，為工程化研制階段。自SensorCraft項目正式發布后，波音公司和諾斯羅普?格魯曼公司兩大軍工巨頭正式開始介入。波音公司采用聯接翼布局滿足360°全向探測要求；諾斯羅普?格魯曼公司采用一種能夠從側面輻射電磁波的雷達天線技術—“Endfire”搭配其成熟的飛翼布局來實現360°全向探測。波音公司和諾斯羅普?格魯曼公司方案基本參數表（2007年數據）見表1。

表1 波音公司和諾斯羅普?格魯曼公司方案基本參數表（2007年數據）

根據資料顯示，2009年波音公司的聯接翼布局平臺完成了4%縮比模型的風洞試驗，對其在該項目中所采用的先進CFD（計算流體力學）技術進行了驗證，為后續平臺的分析和優化提供了依據。此外，與聯接翼布局形式相配合的X波段和C波段共形天線陣列蒙皮技術已基本進入工程化研制階段。

2007年，諾斯羅普?格魯曼公司針對飛翼構型所面臨的動態氣動彈性穩定問題進行了12%縮比的飛翼布局模型風洞試驗。結果表明，其全新設計的異性可使臨界突風載荷減小50%，顫振臨界速度提升22%。

2009年AFRL宣布：“Endfire”元件已完成數種不同結構形式的5×5單元的陣列制造，正在進行相關電性能和結構性能的測試；此外一個20 ft×20 ft的工程樣件也已進入加工階段。等待進行更詳細的工程可行性評估，并最終確定其作為機翼組建的可行性。

此外，UHF（甚高頻）、VHF（超高頻）結構一體化共形天線技術已經進入到工程實驗階段。

顯然，兩大主承包商在技術進展方面各有千秋。波音公司方案的傳感器技術成熟度高，而聯接翼布局的平臺進展較慢；諾斯羅普?格魯曼公司飛翼布局平臺相對成熟，而“Endfire”傳感器技術則剛剛轉入工程化評估階段。按照美國空軍2009財年計劃安排，SensorCraft的正式服役時間定在2015—2017年之間，從目前看來項目計劃進展順利。

3 發展策略

從上述SensorCraft發展歷程的分析中不難看出，AFRL在技術引導和推進過程中盡顯“大膽假設，小心求證”的指導思想。從“靈巧蒙皮結構”提出共形天線技術，到天馬行空“傳感器即無人機”的SensorCraft概念清晰，再到項目的正式展開，既體現了AFRL對技術發展方向的直接引導，又顯示了其對技術發展進程的正確把握。此外，在“靈巧蒙皮結構”項目后期和“SensorCraft”項目正式發布前的兩次技術評估，還充分體現了其對待新技術的謹慎態度。從目前傳感器無人機項目的進展來看，這種發展策略無疑是成功的。

事實上，這種發展策略是美軍歷年無人機項目發展經驗的一個總結。早期美軍在發展無人機系統的過程中頻頻遇到問題，屢屢導致無人計劃的中途夭折。多年來的近百個無人機項目，最終能夠成功交付用戶的屈指可數。細究各類無人機計劃中出現的問題，主要是由以下幾個相互關聯的因素引起。

首先，計劃管理者對技術難度過于低估，往往在嚴格的成本要求下提出過高的指標要求，最終導致經費不斷超支，項目終止。管理者往往認為無人機只是低成本器件的簡單集成，與航模遙控飛機差別不大。但實際上將發動機、傳感器、軟件、通信鏈路、數據鏈路、航空電子設備綜合到一個很小的機體內，同時保證其成本低于有人戰術飛機，這本身就是一個工程上的巨大挑戰。

其次，無人機計劃中存在著嚴重的“需求蔓延”趨勢。這主要是指從無人機項目開始研制，用戶便不斷對系統增加越來越多的要求，直到其在技術上完全不可行為止。

基于對第一個問題的考慮，AFRL在項目中引入了多次評估機制，分別在立項前進行技術可行性評估、項目前期進行技術成熟度評估、項目中后期安排進行用戶操作評估和軍事效用評估。顯然多次評估機制有效地控制了系統的研制風險，增加了項目的可行性。

基于對第二個問題的考慮，AFRL并未對無人機系統設置嚴格的性能指標要求，而只是方向性意見，從而有利于承包商展現各自技術潛力；并在研制過程中的早期引入實際用戶對系統進行評估，保證系統性能與最終用戶的需求一致；此外，通過建立系統作戰原理的方式，限制用戶增加新要求的機會[6]。從而避免出現“需求蔓延”。

4 結 語

SensorCraft是美軍未來全球感知系統的重要節點之一，其發展方向代表了無人化空中預警探測技術的未來。同時作為美國近年來對無人機計劃進展順利的一個縮影，SensorCraft的發展歷程和發展策略對無人機領域的后來者有著極為重要的借鑒意義。

參考文獻

[1] Martinez J， Flick P， Perdzock J. An overview of sensorcraft capabilities and key enabling technologies[R]. AIAA?2008?27185，2008.

[2] 阿雯，胡冬冬.傳感無人機的關鍵技術及其研究進展[J].飛航導彈，2010（2）：12?13.

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[3] 仲峰.飛翼式無人機總體概念性設計與分析[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[4] 趙永輝.氣動彈性力學與控制[M].北京：科學出版社，2007.

[5] 李軍，李占科，宋筆鋒.聯翼高空長航時無人機布局設計研究[J].飛行力學，2009，27（4）：1?4.

[6] 胡問鳴.無人機系統技術[M].北京：國防工業出版社，2009.

第四個階段為2004年至今，為工程化研制階段。自SensorCraft項目正式發布后，波音公司和諾斯羅普?格魯曼公司兩大軍工巨頭正式開始介入。波音公司采用聯接翼布局滿足360°全向探測要求；諾斯羅普?格魯曼公司采用一種能夠從側面輻射電磁波的雷達天線技術—“Endfire”搭配其成熟的飛翼布局來實現360°全向探測。波音公司和諾斯羅普?格魯曼公司方案基本參數表（2007年數據）見表1。

表1 波音公司和諾斯羅普?格魯曼公司方案基本參數表（2007年數據）

根據資料顯示，2009年波音公司的聯接翼布局平臺完成了4%縮比模型的風洞試驗，對其在該項目中所采用的先進CFD（計算流體力學）技術進行了驗證，為后續平臺的分析和優化提供了依據。此外，與聯接翼布局形式相配合的X波段和C波段共形天線陣列蒙皮技術已基本進入工程化研制階段。

2007年，諾斯羅普?格魯曼公司針對飛翼構型所面臨的動態氣動彈性穩定問題進行了12%縮比的飛翼布局模型風洞試驗。結果表明，其全新設計的異性可使臨界突風載荷減小50%，顫振臨界速度提升22%。

2009年AFRL宣布：“Endfire”元件已完成數種不同結構形式的5×5單元的陣列制造，正在進行相關電性能和結構性能的測試；此外一個20 ft×20 ft的工程樣件也已進入加工階段。等待進行更詳細的工程可行性評估，并最終確定其作為機翼組建的可行性。

此外，UHF（甚高頻）、VHF（超高頻）結構一體化共形天線技術已經進入到工程實驗階段。

顯然，兩大主承包商在技術進展方面各有千秋。波音公司方案的傳感器技術成熟度高，而聯接翼布局的平臺進展較慢；諾斯羅普?格魯曼公司飛翼布局平臺相對成熟，而“Endfire”傳感器技術則剛剛轉入工程化評估階段。按照美國空軍2009財年計劃安排，SensorCraft的正式服役時間定在2015—2017年之間，從目前看來項目計劃進展順利。

3 發展策略

從上述SensorCraft發展歷程的分析中不難看出，AFRL在技術引導和推進過程中盡顯“大膽假設，小心求證”的指導思想。從“靈巧蒙皮結構”提出共形天線技術，到天馬行空“傳感器即無人機”的SensorCraft概念清晰，再到項目的正式展開，既體現了AFRL對技術發展方向的直接引導，又顯示了其對技術發展進程的正確把握。此外，在“靈巧蒙皮結構”項目后期和“SensorCraft”項目正式發布前的兩次技術評估，還充分體現了其對待新技術的謹慎態度。從目前傳感器無人機項目的進展來看，這種發展策略無疑是成功的。

事實上，這種發展策略是美軍歷年無人機項目發展經驗的一個總結。早期美軍在發展無人機系統的過程中頻頻遇到問題，屢屢導致無人計劃的中途夭折。多年來的近百個無人機項目，最終能夠成功交付用戶的屈指可數。細究各類無人機計劃中出現的問題，主要是由以下幾個相互關聯的因素引起。

首先，計劃管理者對技術難度過于低估，往往在嚴格的成本要求下提出過高的指標要求，最終導致經費不斷超支，項目終止。管理者往往認為無人機只是低成本器件的簡單集成，與航模遙控飛機差別不大。但實際上將發動機、傳感器、軟件、通信鏈路、數據鏈路、航空電子設備綜合到一個很小的機體內，同時保證其成本低于有人戰術飛機，這本身就是一個工程上的巨大挑戰。

其次，無人機計劃中存在著嚴重的“需求蔓延”趨勢。這主要是指從無人機項目開始研制，用戶便不斷對系統增加越來越多的要求，直到其在技術上完全不可行為止。

基于對第一個問題的考慮，AFRL在項目中引入了多次評估機制，分別在立項前進行技術可行性評估、項目前期進行技術成熟度評估、項目中后期安排進行用戶操作評估和軍事效用評估。顯然多次評估機制有效地控制了系統的研制風險，增加了項目的可行性。

基于對第二個問題的考慮，AFRL并未對無人機系統設置嚴格的性能指標要求，而只是方向性意見，從而有利于承包商展現各自技術潛力；并在研制過程中的早期引入實際用戶對系統進行評估，保證系統性能與最終用戶的需求一致；此外，通過建立系統作戰原理的方式，限制用戶增加新要求的機會[6]。從而避免出現“需求蔓延”。

4 結 語

SensorCraft是美軍未來全球感知系統的重要節點之一，其發展方向代表了無人化空中預警探測技術的未來。同時作為美國近年來對無人機計劃進展順利的一個縮影，SensorCraft的發展歷程和發展策略對無人機領域的后來者有著極為重要的借鑒意義。

參考文獻

[1] Martinez J， Flick P， Perdzock J. An overview of sensorcraft capabilities and key enabling technologies[R]. AIAA?2008?27185，2008.

[2] 阿雯，胡冬冬.傳感無人機的關鍵技術及其研究進展[J].飛航導彈，2010（2）：12?13.

[4] 趙永輝.氣動彈性力學與控制[M].北京：科學出版社，2007.

[3] 仲峰.飛翼式無人機總體概念性設計與分析[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[4] 趙永輝.氣動彈性力學與控制[M].北京：科學出版社，2007.

[5] 李軍，李占科，宋筆鋒.聯翼高空長航時無人機布局設計研究[J].飛行力學，2009，27（4）：1?4.

[6] 胡問鳴.無人機系統技術[M].北京：國防工業出版社，2009.