完成突破——X-47B無人機AAR技術發展回顧及影響分析

文/程龍

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完成突破——X-47B無人機AAR技術發展回顧及影響分析

文/程龍

2015年4月22日，美國海軍X-47B無人機與歐米伽空中加油服務公司KC-707加油機完成了自主空中受油（AAR）試飛驗證。此次試驗的成功，引得軍方和航空界高度關注。那么，美國無人機自主空中受油技術是如何一步步取得突破的？它對未來作戰有什么影響？我們又該如何應對？本文進行了一些初步探討分析，供讀者朋友們參考。

技術實現——歷時3個“五年”，終結碩果

關于飛機自主空中受油技術，雖然是美軍在X-47B無人機上首次實現，但其并不是在航空領域的首次嘗試，成績的取得絕非一蹴而就，而是在以往多項試驗和技術進展基礎之上所進行的新一輪實質性試驗。

兩架F/A-18試驗機進行AFF計劃的測試

2000年自主編隊飛行（AFF）項目無意插柳，開啟AAR技術的潛在應用前景

早在20世紀90年代后期，“捕食者”無人機的廣泛部署與使用、全球定位系統（GPS）衛星星座達到全狀態作戰能力等催生多項技術發展指向AAR。2000年時，美國國家航空航天局（NASA）啟動了自主編隊飛行（AFF）項目，希望能夠通過模擬鳥類的“V”字形編隊飛行，充分利用前方飛機的翼尖渦，為后面緊隨飛機提供上洗氣流，增加后方飛機的升力并減少飛行阻力，進而節約燃油、減少排放。該計劃實施過程中，波音公司作為骨干研制了編隊飛行測量系統（FFIS），利用GPS和機載運動測試設備將兩架飛機的相對位置精度保持750px以內，為兩架F/A-18試驗機加裝了編隊飛行控制系統（FFCS），特別是開發了機載無線電局域網技術以共享精確的位置信息和飛行控制數據，利用差分GPS數據使得定位信息精度可以達到厘米級，也使得加油機的機組人員可以精確控制無人機進行空中受油。這些技術成果，使得NASA意識到其在無人機自主空中受油（AAR）領域的潛在應用前景。

X-47B無人機進行AAR試驗

F/A-18試驗機與KC-707加油機進行AAR對接試飛

KC-135加油機與“里爾噴氣”模擬的無人機進行硬管式加油試飛

2005年自主空中受油演示驗證（AARD）項目跟進時代技術提升，不斷促使AAR成為可能

由于對無人機的操控主要是通過無線電和衛星通信指令進行，在遠程飛行任務中則必須依靠衛星通信手段，而由此產生的延時問題無法解決，使得無人機的空中受油操作不能由操作員在地面上完成，于是完全自主的空中受油技術便成為了成敗的關鍵。然而，要實現這一技術，需要解決一系列基礎領域的問題，包括機器人學與專家系統、遙測與通信、電子光學、賽博安全、處理測量與控制、傳感器、無線應用、系統集成、測試測量等。隨著時代的發展，這些領域的許多進步使得AAR成為了可能。

2005年，美國國防部預研局（DARPA）和NASA聯合發起自主空中受油演示驗證（AARD）項目，以期望通過飛行測試研究加油機硬管伸縮插頭和受油機在氣流中的運動響應數據。研究發現，對接是關鍵。2006年，NASA的1架F/A-18試驗機使用自動系統與歐米伽空中加油服務公司的1架KC-707加油機按照預先設計的程序，開展了自主受油空中對接試驗。試驗過程中，GPS輔助的慣性導航引導受油機飛向加油機。一旦接近，受油機插頭與加油錐套通過光學系統（包括攝像機和LED發射極）跟蹤進行。不足之處是，在一些準備機動的位置點，這些飛行仍然需要得到飛行員的授權。到2007年時，AARD項目取得了圓滿成功——受油機可以從加油機后方約4千米、下方300米、30°航向位置首先使用GPS進入導航點，然后切換至自主空中受油模式。

KQ-X項目中，兩架“全球鷹”無人機模擬伙伴AAR

與此同時，空軍也試驗了硬管式自主空中受油，畢竟這種方式可以達到4500升/分的加油流量，特別適合為排隊等待加油的戰斗機群和大型的轟炸機（如B-2）、預警機（如E-3）、對地監視飛機（如E-8）或者其他自身也需要補充燃油以延長留空時間的加油機進行快速加油。而且，硬式加油也是空軍飛行員所習慣的空中受油方式。自動的硬管操縱是另一種挑戰，因為其所活動范圍的包容度不如軟管式加油錐套。空軍曾嘗試過兩種方法：一種是使用GPS引導，然而該方法似乎只適合于編隊飛行，不能適應加油機尾流影響所引起的扭曲；另一種為模式識別，但在弱光條件下不起作用，而且趨向于占用過多的機上計算資源。最終，空軍選擇了第三種方法，即一種基于光學識別的技術，在算法的幫助下改進預測。2007年，一架“里爾噴氣”試驗機加裝了自動空中受油系統，飛行員操縱飛機起飛，由AAR系統操縱飛機（模擬無人機飛行）與KC-135加油機演示驗證空中加油會合，之后分別進入空中受油的對接、預對接、左/右翼內側觀察、左/右翼外側觀察和脫開等7個關鍵位置，并在對接位置保持了20分鐘。

這一系列飛行試驗，突破了美國在系統集成、改進的相對導航算法的連貫性與可用性、控制律、硬件等方面的巨大進步。2009年，波音公司還贏得美國空軍研究實驗室（AFRL）的一個合同，主要研究直接使用先進的光學跟蹤對使用圖像布置的遙控飛機（RPA）進行硬管式加油的技術，以期望用于未來的有人駕駛遠程轟炸機上。2010年底至2011年初，諾斯羅普·格魯門公司使用“里爾噴氣”試驗機與美國空軍第190空中加油聯隊進行了一系列試飛。“里爾噴氣”試驗機在飛行員操縱下到達一定高度，爾后轉入自主飛行模式，之后飛機進入加油員硬管加油位置，演示了一系列位置保持的良好技能，并開啟了為所有的有人/無人飛機進行空中加油的可能性。然而，這卻并不是全部，他們的下一步目標是無人駕駛的加油機。

KC-707加油機與“里爾噴氣”模擬的無人機進行軟管式加油試飛

2010年KQ-X項目進行更大挑戰，開展無人機伙伴式AAR試驗驗證

在AARD項目成果基礎上，DARPA認為無人機的AAR技術儲備已經相當充分，只是需要進一步優化相關技術，通過型號試飛繼續加以驗證，并解決衛星鏈路操控無人機完成與加油機會合過程中存在較大延時（約3.5秒）的問題。

2010年，DARPA開始應對這項挑戰，基于空軍和海軍共同的需求，啟動了KQ-X項目，旨在利用現有的“全球鷹”無人機及其地面控制站、AARD項目中研發的算法和空中加/受油相關貨架產品硬件等，驗證兩架“全球鷹”無人機（一架為無人加油機，另一架無人受油機）之間自主高空長航時空中加油（AHR）技術，使得空中受油的“全球鷹”無人機留空時間達到一周以上，從而有望替代機動性相對較差的監視飛艇。按照計劃，兩架“全球鷹”將利用GPS和光學跟蹤系統，實現受油插頭與加油錐套的對接，并將燃油從無人加油機上傳輸到無人受油機。2011年初，兩架無人機進行了會合飛行試驗，前后相距僅12.2米（“全球鷹”機長13.5米，翼展35.4米），評估了加油無人機尾部湍流對受油無人機的潛在影響；2012年8月，進行模擬空中加/受油的超密集編隊和接近預對接位置編隊飛行。可惜的是，2013年9月，DARPA終止了KQ-X項目。

KC-707加油機為X-47B無人機完成AAR試驗

2014年無人作戰系統演示驗證（UCAS-D）項目推向驗證巔峰，選擇難度更大的軟管式AAR技術在X-47B無人機具體型號上進行突破

美國海軍X-47B無人機的AAR技術是UCAS-D項目的一個重要部分。X-47B無人機兼具了軟管、硬管兩種空中受油方式，但是在實際飛行試驗中卻只進行了軟管式試驗，并沒有進行硬管式試驗。原因何在？據分析，經過一系列的前期試驗探索，美國人認為軟管式AAR的技術難度比硬管式要大，而且硬管式的技術基礎已經足夠充分，因此選擇了難度相對較大的軟管式AAR進行具體型號的技術突破。

2015年4月，美國海軍進行了X-47B無人機與歐米伽空中加油服務公司KC-707加油機之間的AAR試驗，共進行了5次對接，并在最后一次進行了輸油，在近7分鐘時間內受油約1.8噸。此外，X-47B無人機還與KC-707加油機完成了2次邊轉彎邊受油飛行試驗。通過此次試驗，美國通過具體型號綜合驗證了無人機AAR所必須的超密集編隊飛行、多模式精確導航、氣動、飛行控制、對接與脫開、燃油系統管理等多項關鍵技術，特別是在各階段綜合運用了多種高精度、動態導航技術：一是在加入加油機編隊之前使用高精度GPS和慣導系統導航，實現會合和編隊飛行；二是在預對接前使用差分GPS的“加油機-相對”導航，實現超密集編隊和預對接準備；三是對接和輸油過程中使用視景系統的“錐套-相對”導航，實現空中受油；四是受油完成后切換回“加油機-相對”導航，實現脫開對接；五是使用高精度GPS和慣導系統導航退出加油機編隊。

X-47B無人機AAR試驗過程中各階段所用導航設備/系統

艦載機的作戰半徑遠小于陸基轟炸機的攻擊范圍

航母在高威脅戰場環境下的部署與運用設想

美海軍未來空海一體作戰運用設想

軍事影響——增加航母作戰使用靈活性及改變未來空海作戰面貌

無人機AAR技術能夠走到今天并取得具有時代性里程碑意義的突出成績，固然與DARPA、NASA等部門對先進技術的牽引與支持密不可分，但更是該項技術不斷順應時代潮流、不斷適應發展要求的結果。21世紀初的這十幾年，無人機無論在執行任務的領域，還是裝備規模和投入使用規模等方面，均處于井噴式發展階段，有望在2030年前后超越有人機成為航空裝備的主體。空中受油能力已經是美軍各型軍用飛機的基本能力，飛機在執行任務中經過空中加油在作戰概念上才算是完整的，對于無人機而言，自然也會成為必然要求。然而，從戰場威脅環境的發展情況和趨勢看，無人機實現空中受油，還具有更加深遠的軍事意義。

為航母提供新的獠牙，使其更好地適應未來高端威脅戰場，并在更大作戰空間內發揮作用

無人機的運用，符合時代不可逆轉的潮流。未來的航母，如果不用無人機，可能作戰使用靈活性受限。用了無人機，不經空中加油，也會受限。為什么這么說？航母既是現代戰爭中的進攻武器平臺，同時也是被瞄準的目標。在當前和未來的戰場環境中，對手的區域拒止與反介入能力愈來愈強，使得航母出于安全考慮，必須盡量遠離戰區部署，如可能后退到2000～3000海里（3700～5600千米）的距離。在這個距離上，如果使用有人攻擊機（如F/A-18E/F，或者F-35C），往返戰區與航母平臺的飛行時間過于長久，對飛行員而言是巨大的生理極限挑戰，身體上難以承受，還必將影響執行作戰任務的效果，進而影響航母的作戰效能。所以，在這種威脅環境下，在不能確保自身安全的情況時，航母戰爭初期會部署在離岸更遠的海域，首輪攻擊只能出動對留空時間“毫無怨言”的、具備良好隱身性能的艦載無人空中監視與打擊系統（UClASS）無人機，給它們進行空中加油，實施近乎跨大洋級的遠程打擊，奪取必要的戰場控制權。隨著戰區威脅的逐步降低，航母逐步逼近戰區，逐步發揮有人機的作用。故此無人化作戰將成為航母重要手段，這也維護了航母在未來作戰體系中的地位。

極大拓展海、空軍航空兵作戰半徑和留空時間，使得美空、海軍空中力量的行動從“更加自由”逼近“無限自由”

毋庸置疑，與有人機類似的情況是，無人機經過空中加油，其在作戰效能方面的增益，不但將全部繼承，而且是“有過之而無不及”。目前，無人機已經能夠執行持久的“情報/監視/偵察（ISR）”、“一體化偵察-打擊”等任務，并且已然顯著地增加了留空時間，如“捕食者”、“全球鷹”留空時間都是十幾至幾十小時。經初步分析，無人機經過空中加油，可以增加留空時間2～3倍，允許單架無人機執行2～3架未經空中加油的無人機才能完成的任務。更關鍵的是，無人機不會“抱怨超時加班”。因此，無人機所執行的作戰任務留空時間將更加持久、作戰半徑更加廣闊，其作戰效能已經遠非有人機可以企及，勢必甩出后者幾條街，使得空中加油帶來的行動從“更加自由”逼近“無限自由”。

2010年，美國戰略和預算評估中心（CSBA）公布的《空海一體戰的初步構想》報告認為，“空海一體戰”將極大地增強美國與盟國空海軍力量在西太平洋地區的作戰效能。可以預見，當前的有人機空海一體戰概念，在未來將有很多任務由無人機替代有人機執行，從美國海軍X-47B無人驗證機兼具軟管式和硬管式兩種受油設備的配置看，美海軍無人機顯然非常看重空軍硬管式加油的大流量加油能力。另外，“空海一體戰”作戰樣式中，無人機將替代有人機執行大量作戰任務；且從X-47B無人機兼具軟、硬管式受油能力分析，美海軍注重空軍大型加油機的硬管式快速加油能力和外供油量等方面的保障優勢。

無人機多機編隊的空中受油

促使有人/無人密切協同，勢必改變未來聯合作戰面貌，使戰爭加速進入無人主戰時代

通過充分利用無人機資源和AAR技術，軍方將能夠以極低的全壽命周期成本帶來更長的任務執勤時間，并降低對裝備規模的需求，進而為滿足在多個地區同時作戰的需求提供支撐。隨著無人機大量參戰，美國空、海軍的協同作戰模式將向著無人化方向發展，這或將改變美軍未來兵力結構和規模。如ISR無人機、對地攻擊無人機等或將增大比例，有人轟炸機或將降低比例，用于飛行員搜救的特戰力量或將壓縮，空襲行動或將不再以搜救力量的前置部署完成為前提，7天24小時的監視與壓制行動或將常態化，對時敏目標的殺傷或將達到“秒殺”的水平……這些變化，使得空、海軍的空中力量在未來作戰運用中擁有更加靈活的戰術制定、更開闊的戰略部署與運用，改變未來的空海聯合作戰面貌。

技術發展與推廣——深修內功，極大泛化

多機群編隊的空中受油

推動無人機AAR技術走向深入和實用

此次X-47B無人機AAR飛行試驗的圓滿成功，給美國海軍UCAS-D項目畫上了一個完美的“句號”。但是，它同時也點上了一個“省略號”，促使大量空軍、海軍的各型無人機的陸續開展AAR試驗，為無人機全面參與未來空中戰爭和實現戰爭無人化提供技術支撐。總體上看，無人機AAR技術還有待進一步發展：一是技術層次——需要實現具體型號的無人機單機與KC-767、A330MRT等不同加油機進行軟/硬式自主受油，實現夜間、不同飛行速度和高度、不同武器掛載等情況下的空中受油，以便獲得更大的使用靈活性；二是戰術層次——逐步實現單一機型的無人機多機編隊、多機型無人機多機編隊、與有人機混合多機編隊，以及多機群編隊等空中受油能力。

變革有人機空中受油能力建設手段并拓展應用范圍

無人機的AAR技術不但可以向其他無人機移植，而且也可以向有人機移植，飛行員也可由操作者的角色轉換為監控管理者，將精力更多地用于作戰。自主空中受油將減輕飛行員的工作負擔，提高對接成功率和安全性，也進一步縮短對接時間和節約燃油。據介紹，對一種型號飛機已經有飛行經驗而毫無空中受油經驗的飛行員，經改裝訓練使其成為一名能夠安全勝任同型受油機的飛行員，至少需要40次對接訓練，加油機和受油機一起飛行約8小時。由此可見，若在有人機上成功實施自主空中受油技術，則或可取消對飛行員的相關改裝訓練，亦或提供全新“空中帶教”方式，縮短飛行員掌握空中受油飛行技能周期，大幅減少訓練費用。AAP技術未來也可能繼續由軍用領域拓展到民用航空運輸領域，為跨洋、洲際遠途飛行的民航客機/貨機提供技術支撐和空中加油保障，提高其投送效能和經濟效益，并減少污染排放。

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