國外航母艦載無人機關鍵技術及作戰運用

2013年5月、7月，美國海軍艦載無人作戰飛機驗證機X-47B先后在“布什”號航母上成功完成彈射起飛和攔阻著艦，標志著航母艦載無人機技術取得了根本性突破，引起世人的廣泛關注。美國海軍從2000年開始提出航母艦載無人機研究計劃以來，先后歷經航母艦載無人作戰飛機先進技術計劃（UCAV-NATP）、聯合無人空戰系統（J-UCAS）、艦載無人作戰飛機系統演示驗證（UCAS-D）、艦載無人空中監視與打擊系統（UCLASS）和艦載無人空中加油系統（CBARS）等5個階段。按照《美國海軍航空兵2030愿景》，2025年美國海軍艦載無人作戰飛機將開始取代F/A-18，與F-35混合編成，艦載無人機將成為編隊海空作戰的主力之一，大幅度提升海上態勢感知、高危區域突防以及遠距離空中打擊等能力，將會給航母編隊的作戰樣式帶來巨大變革。

國外航母艦載無人機發展情況

基于全球戰略調整和海上作戰需求考慮，美國海軍在航母艦載無人機技術發展方面起步較早、投入較大，其整體技術上已遠遠領先英、法、俄等軍事強國。2000年，美國國防預研局（DARPA）與海軍啟動UCAV-NATP計劃。2003年，美國國防部將UCAV-NATP計劃和空軍無人作戰飛機（UCAV-ATP）計劃合并為J-UCAS計劃，但由于海軍、空軍需求的巨大差異，2006年，J-UCAS項目終止。從2006年起，美國海軍獨立開展UCAS-D項目。2011年2月，X-47B驗證機實現首飛。兩年后，2013年5月14日，X-47B從“布什”號航母上完成首次彈射起飛，7月10日完成攔阻著艦。至此，美國航母艦載無人機技術取得了根本性突破，具備轉入型號研制的條件。

在開展技術驗證的同時，2012年，美國海軍啟動了首個航母艦載無人機系統研制項目——UCLASS。波音公司、洛馬公司、諾格公司、通用原子航空系統等4家公司參與競標工作。美國海軍原計劃2014年第二季度發布技術發展階段的正式招標書，從4家公司中選擇一家進入工程發展階段。2016年，美海軍將UCLASS項目調整為CBARS，為艦載有人戰斗機加油，使更多的F/A-18E/F、F-35艦載戰斗機遂行打擊任務，提高航母打擊群的作戰效率和作戰半徑。美國海軍已證實艦載無人機加油平臺還將具備情報、監視與偵察（ISR）、目標指示以及發射導彈和投放炸彈等多任務能力，但偵察和打擊不是主要任務，為提高其加油能力還降低對隱身能力的需求。航母艦載無人機加油平臺正式命名為“黃貂魚”無人機（代號MQ-25A）。美國海軍計劃2017年夏天將發布最終的需求建議書（RFP），從波音、洛馬、諾格、通用原子航空系統4家公司的競標方案中選定MQ-25A構型，2018年簽訂項目合同確定主承包商，2021年交付首架無人機。

雖然如此，美國海軍并未停止對高隱身遠程艦載無人作戰飛機的研究，2017年2月9日，美國戰略與預算評估中心（CSBA）發布《恢復美國海權：美國海軍新艦隊結構》報告，建議美國海軍在擁有空中優勢戰斗機的同時，發展一型遠程無人戰斗機，以應對反介入/區域封鎖帶來的威脅，在擬議的艦隊結構下，對機動部隊最不利的沖突地點是亞太區域，機動部隊可以從印度洋西海岸或太平洋中部出發，前往3219km以外沖突區域。然而，該距離將挑戰飛行員的耐力，可連續飛行10h的戰斗機由于體型巨大而難以在航母上起降。為此，CSBA建議美國海軍采用作戰半徑大于926km、可空中加油、具備優秀隱身能力的無人戰斗機。

參與競標的4家公司航母艦載無人機發展簡況如下：

（1） X-47系列

X-47系列艦載無人機由美國諾格公司研制。X-47A參加UCAV-NATP計劃，2003年首飛，采用類似風箏氣動布局，配裝1臺普惠JT15D-5C發動機，最大起飛重量約2.68t，翼展8.47m。2006年，諾格公司根據美國海軍UCAS-D要求，研發X-47B驗證機，與X-47A相比，體積更大，機長11.64m，翼展18.92m（折疊后9.42m），尺寸與F/A-18相近；采用無尾飛翼布局，擁有優異的雷達和紅外低可探測性，被稱為縮小版的B-2。最大起飛重量達到20.215t，最多可搭載2t武器，發動機采用1臺普惠F100-220U渦扇發動機，巡航速度Ma0.9，實用升限12190m，作戰半徑達到1481km。諾格公司以X-47C參與UCLASS方案競標，根據UCLASS系統關鍵性能指標要求，預計X-47C相比X-47B作戰半徑、航時都將增加（UCLASS要求3704km），可搭載4536～9072kg武器彈藥＼任務載荷深入敵縱深執行任務。

（2）“幻影射線”（Phantom Ray）

波音公司提出基于X-45C“幻影射線”的方案。X-45C于2011 年4月在愛德華空軍基地首飛，采用“箭頭”式飛翼布局，機長10.9m，翼展15.2m，最大起飛重量16.556t，發動機采用1臺通用電氣F404-GE-102D不帶加力渦扇發動機，巡航速度Ma0.8，實用升限12190m。

（3）“海上復仇者”（ Sea Avenger）

“海上復仇者”是通用原子航空系統“復仇者”無人機的改進型，正式名稱是“捕食者”C，為滿足上艦要求，采用翼尖折疊、加強起落架和加裝攔阻鉤，動力裝置配裝一臺普惠PW545B渦扇發動機，采用彎曲進氣以降低渦輪葉片造成的雷達反射，飛機V型尾翼可部分遮蔽尾噴口，從而降低紅外特征。與其他飛翼布局方案相比，“海上復仇者”隱身性能有限，但其大展弦比布局設計利于實現長時間執行ISR任務（航時20h）。

（4）“深海幽靈”（ Sea Ghost ）

2013年4月，洛馬公司公布了“深海幽靈”方案概念圖，方案明顯強調隱身能力，采用飛翼布局，類似擴大版的RQ-170（圖4），采用類似RQ-170和F-117的格柵式進氣道，在中線以下有一個傳感器罩，武器艙在起落架舷內。該方案利用了洛馬公司為RQ-170“哨兵”無人機、F-35C戰斗機和其他海軍項目所發展的各項技術，綜合考慮了適航性、機艦適配性和作戰安全性的要求。2017年3月，洛馬公司臭鼬工廠負責人稱，按照美國海軍最新修訂的MQ-25A“黃貂魚”艦載無人加油機項目要求，需要修改設計方案。雖然洛馬公司認為采用無尾飛翼布局具有較好的隱身性能，可在劇烈對抗環境下執行任務，但2017年美國海軍態度表明飛翼布局并非最合適的構型，要求競標方重新設計機身機翼和尾翼，以提高載油量和生存能力，根據新的要求，洛馬公司表示將采用翼身融合及尾翼一體化布局方案參與新一輪競標。

航母艦載無人機的關鍵技術

航母艦載無人機的研制包括高隱身/長航時/高升阻比總體設計技術、高推比低油耗渦扇發動機、精確導引與著艦控制、態勢感知與航路重規劃、集成化機載任務載荷、自主飛行控制與空中加油等關鍵技術。

高隱身/長航時/高升阻比總體設計技術

艦載無人機要在航母上操作使用，首先應滿足艦上起降和轉運的要求，對機體尺寸特別是翼展有嚴格限制；其次，艦載無人機要在百余米長的航母甲板上起降，必須具備優良的氣動特性和加速性能；而為了滿足遠距離突防任務需求，航母艦載無人機應具有盡可能大的作戰半徑和良好的隱身性能。

因此，艦載無人機在機艦適配性、飛行性能和生存能力方面，必須綜合權衡考慮。早期驗證機X-47A采用“風箏”構型氣動布局，雖然能滿足高生存力、空中壓制及打擊要求，但展弦比較小、升阻比低，不適宜執行大航程長時間偵察監視任務；為減小操縱面配平偏角（同時為減阻/隱身），造成重心配置過于靠前、內部空間利用率太小。為解決這些問題，X-47B加裝外段可折疊翼，且外段機翼前后緣均與“風箏”構型后緣平行，外翼后掠角減小，提高了“風箏”構型的力矩上仰邊界，允許飛機以更大迎角、更小速度進行著艦。采用的雙后掠外形綜合考慮了氣動和隱身的結果，雖然犧牲了一定的隱身性能，但提高了氣動性能。這說明艦載無人機設計過程中應當綜合考慮氣動、隱身的要求，單純按照某一方面的要求都難以獲得滿意的設計。

而要實現長航時，必須在艦載無人機機體結構設計中大量采用高性能復合材料，實現全機結構重量的輕量化，增加燃油的裝載量。X-47B艦載無人機機體結構中大量采用碳纖維復合材料，部分機體設計成模塊化結構，可直接作為燃油儲存油箱，其全機空重不到最大起飛重量的1/3。

精確導引與著艦控制技術

航母飛行甲板面積只有陸地機場的1/30～1/20，而且母艦還存在橫搖、縱搖和升沉等運動，還有著艦區域的大氣紊流擾動。在這種條件下，艦載無人機必須精確控制航跡，保持合適的速度、姿態以及相對航空母艦的位置，對準著艦甲板中心線，在預定著艦點嚙合，才能安全實施攔阻著艦。

因此，艦載無人機對進近導引、動態定位和飛行控制的要求極高。從功能上講，航母應將飛行甲板的運動參數不斷傳送給無人機，而無人機也需通過多種機載傳感器（如雷達/激光/紅外等）測定并預估飛行甲板著艦區域的運動參數，其飛控系統可實時處理大量位置和運動信息，具備在紊亂氣流中精確控制飛行軌跡的能力。據分析，航母艦載無人機著艦時的定位精度要比有人艦載機提高一個數量級，如三級海況時著艦位置精度為：對中±0.3m、前后±1.0m，六級海況時為：對中±1.0m、前后±3.0m。

美國海軍利用艦載飛機自動著艦系統（Automatic Carrier Landing System，ACLS）來提高艦載機著艦的安全性和成功率。ACLS相當于艦載飛機飛行員的“延伸”，可以部分取代飛行員完成艦載飛機進艦著艦的控制。ACLS的控制精度和抗擾動能力不僅取決于導航系統的測量精度和性能，還和飛機本身以及機載飛行控制系統的性能有關。

自主控制技術

自主控制水平是衡量一個無人機系統的最重要標志。自主控制能力既包括無人機的航路飛行控制，也包括機載傳感器對周邊態勢的感知，以及對威脅的自主判斷與自動規避，還包括航路重規劃、與有人機的協同飛行和控制等技術水平。

通常，艦載無人機需攜帶多種探測設備，如雷達、光電/紅外傳感器、電子偵察設備等，并可通過衛星、預警機或他平臺獲取戰場態勢信息，使艦載無人機具備對戰場態勢、目標位置以及威脅程度等感知與判斷的能力。航母艦載無人機按照預先規劃方案飛往戰區，執行作戰任務時，如果情況發生一些變化（如由于事先的情報不準，目標位置發生變化；或者事先目標已消失取而代之出現了新的目標等），艦載無人機必須在人不干預或極少干預的條件下，及時自主做出決策，進行任務/路徑重規劃，在目標機動規避或喪失即時打擊時機之前，進行識別、跟蹤和打擊。

未來海戰場情報獲取、指揮控制、火力打擊以及后勤保障通過綜合電子信息系統有機結合，作戰雙方實施“網絡中心戰”，強調“體系對抗”。艦載無人機需要具備多機協同、集群自主控制能力，作為海上C4ISRK網絡中的重要節點，與艦載有人機/無人機密切協同，共享戰場信息，以多平臺協同攻擊為主要作戰模式，擔負傳感器到射手的種種使命任務，增強編隊的綜合作戰能力。

推重比大、油耗低高性能渦扇發動機技術

航母艦載無人機要實現高亞聲速巡航、長時間留空，發動機應具有較高的推重比、更低的耗油率、良好的可靠性。為滿足飛翼式布局飛行控制需要，動力裝置還需采用推力矢量控制技術，減少對飛機氣動舵面的依賴。

未來采用自適應變循環結構的技術的先進渦扇發動機將有助于實現這一目標。自適應變循環發動機除了傳統渦扇發動機的高壓核心機和低壓外涵道，還將在外圈增加可以開合的第三涵道。第三涵道可在起飛和超聲速加速的時候關閉，降低涵道比并增加推力；在巡航和徘徊待機期間則打開，可以提高涵道比并降低油耗。第三涵道氣流能夠用作發動機熱端部件、加力燃燒室和尾噴管的冷卻氣流，部分氣流還可以用來填充飛機尾部的低壓區，達到降阻的效果。第三涵道的引入可以使發動機的工作狀況在所有推力范圍達到最優，顯著降低發動機的總油耗。

美國空軍和海軍為了2020年后下一代作戰飛機（有人或無人）的研制做準備，于2007年8月啟動了“自適應通用發動機技術”（ADVENT）計劃，其目標是采用自適應變循環結構技術，降低全包線范圍的總油耗，使油耗降低25%和航程增加30%。目前，通用電氣公司和羅羅北美公司已贏得ADVENT計劃驗證機的合同，目前正在開展試車試驗。

模塊化、集成化任務載荷技術

航母艦載無人機要承擔ISR、對地對海打擊等作戰任務，任務范圍廣，需要具有良好的多用途能力以提高任務靈活性和海上適應性。航母甲板面積有限，對載機數量和尺寸有嚴格限制，因此要求新型艦載無人機能夠一機多用，最大限度地發揮其作戰效能。采用標準化、模塊化的任務載荷，作戰時根據作戰任務的變更，迅速地更換不同的任務載荷模塊，可以使單架無人機滿足多種作戰任務的需要。而且減少載機種類也有利于提高艦面保障效率。

高集成度的機載電子與武器任務系統是先進航母艦載無人機的重要標志之一。因此，必須采取高度集成技術，把多種電子設備功能相結合，使傳感器與機身結構相融合。首先，要研制高性能小型相控陣雷達，實現預警探測和電子偵察功能的集成。其次，要采用高度集成技術，研制小型機載光電/紅外傳感器、適合內埋的高能制導武器。通過設計特殊構型機翼、機身或尾翼，采用有源天線與機翼共型、瓦片數值陣列模塊、智能蒙皮結構等技術，滿足傳感器天線全向掃描要求，提高無人機結構重量效率，真正實現無人機與傳感器的一體化。

任務載荷模塊化是提高無人機多用途能力的有效手段。若要實現模塊化任務載荷，不同的任務載荷必須具有相互兼容的機械、電氣、信息接口，從而對任務載荷研制提出了新的約束條件。而飛機的系統軟件也必須具有開放性的構架，能夠滿足“即插即用”的要求。此外，在有限的內部空間里布置多種任務載荷不僅要考慮對無人機飛行性能的影響，更要解決不同有效載荷的散熱、電磁兼容等技術難題。

自主空中加油技術

為了能進一步提升作戰半徑、增加留空時間，顯著提高航母在遠距離部署，執行作戰、打擊縱深目標和持久壓制與監視等任務的作戰效能，航母艦載無人機需要具備空中加油能力；此外，艦載無人機在等待時間過長、著艦不成功復飛等導致燃油不足的情況下，為確保有足夠的油量安全著艦，也需要艦載無人機具備空中加油能力。

無人機自主空中加油難度比有人機間空中加油大得多，重點需解決高精度定位和自動穩定控制技術。首先，無人機的控制權要由地面/艦面交給加油機；其次，無人機需具備自動精確跟蹤空中運動目標的能力，還要在大擾流情況下使空中對接誤差在厘米級，并較長時間保持無人機與有人加油機的間距。因此，必須采用諸多近距精確定位技術，如激光/紅外、雙目成像等定位技術。

X-47B在完成航母著陸試驗后，第二架測試機將執行美國空軍和海軍加油系統的自主空中加油試驗（AAR），美國空軍使用伸縮套管加油機，而海軍加油機則使用套頭和錐管型加油機，X-47B將使用組合GPS/基于視覺的相對導航系統，并配以飛機自身的自主飛行控制系統，在加油機和無人機之間建立和維持精確的距離。

通用化一體化艦面控制系統設計技術

艦船空間資源受限，艦面控制系統需要具備控制多型、多架艦載無人機的能力，因此，艦面控制系統需要采用通用化、一體化的體系架構，與航母艦機一體化設計。美國海軍近日對航母無人航空任務控制系統（UMCS）進行了首次測試，以未來加油和偵察任務為背景，對其軟件兼容性、數據通信能力、光電攝像頭進行了評估。海軍航空系統司令部發布聲明表示，評估主要聚焦無人航空任務控制系統軟硬件與現有航母網絡集成和通信的能力，UMCS硬件采用已在DDG1000驅逐艦上裝備的通用顯示系統和通用處理系統組成，系統軟件采用開放式、模塊化體系架構，使得通用架構內的用戶界面和組件能非常方便地與不同無人機系統進行集成，實現互操作能力。

航母艦載無人機的作戰運用

根據國外航母艦載無人機技術與裝備發展預測，未來10年可實現航母艦載無人機與有人駕駛飛機、水面艦船等其他作戰單元進行信息共享和協同作戰，在低強度沖突環境下獨立執行打擊任務，在高強度沖突環境下與艦隊和友鄰飛機系統協同作戰；隨著無人機自主控制技術的發展，未來20年航母艦載無人機可能遂行獨立作戰，使命任務會拓展到執行高威脅空域的空戰任務。

航母艦載無人機與艦載戰斗機協同作戰時，部署在艦載戰斗機前方，深入對方縱深區域或防空火力密集區域執行偵察監視任務，可以為其他作戰平臺遠程打擊武器提供目標指示信息，對敵防空系統的雷達實施電子干擾，并以自身攜帶的反輻射導彈實施打擊，對敵防空系統系統（地空導彈、防空高炮）進行壓制和摧毀，為艦載戰斗機奪取制空權清除障礙。艦載戰斗機注重對空作戰，打擊敵方戰斗機，作戰過程保持電子靜默，只接收無人作戰飛機機群、預警機、衛星和地面指揮中心發出的信息情報和自身探測器的信息，或用極短的脈沖指令來指揮無人作戰飛機實施攻擊。

航母艦載無人機的主要作戰使用方式有：

（1）持續偵察監視

在航母編隊進攻作戰行動中，航母艦載無人機主要用于對作戰對象活動海（地）域實施偵察監視，為編隊提供戰場態勢，為航母編隊實施遠程精確打擊提供目標指示信息，為打擊效果評估提供目標毀傷信息。根據任務不同，主要采取兩種不同使用方式：

方式一：在進攻作戰實施前，航母艦載無人機飛抵作戰任務區巡邏飛行，掌握任務區內作戰對象活動態勢，供編隊指揮員決策使用；根據打擊行動需要，在任務區巡邏飛行的航母艦載無人機可應召飛抵待打擊目標附近空域，實時獲取目標信息，供引導遠程打擊兵力占領陣位及為遠程精確制導武器目標指示使用。

方式二：根據毀傷評估任務需要，在航母編隊對作戰對象波（輪）次打擊行動結束后，預先部署至打擊目標活動海域附近的航母艦載無人機應召抵近打擊目標，獲取打擊目標毀傷圖像信息，并實時回傳至航母編隊供目標毀傷判讀使用。

（2）電子對抗

在航母編隊進攻作戰行動中，搭載電子干擾載荷的航母艦載無人作戰飛機可伴隨執行火力打擊任務的有人作戰飛機對作戰對象實施電子壓制。根據任務需要，搭載電子干擾載荷的航母艦載無人作戰飛機編成無人電子干擾群，伴隨艦載機群飛抵作戰海域，對打擊目標防空系統預先實施電子壓制，降低目標防空系統抗擊能力，保障艦載機群實現有效突防攻擊。由于實施電子干擾的航母艦載無人作戰飛機干擾陣位距離目標較近，危險性較大，通常采取多機交替進入干擾陣位接力開機方式實施干擾。

（3）火力打擊

在航母編隊進攻作戰行動中，掛載武器載荷的航母艦載無人機可與艦載戰斗機協同使用（高危情況下可單獨使用），擔負對作戰對手重要目標和作戰體系主要節點實施滲透火力打擊。

航母艦載無人機當與艦載機協同實施火力打擊時，根據艦載機提供的目標指示信息規劃航路對敵防空火力實施突防，并適時發射武器載荷對目標實施火力打擊；當航母艦載無人作戰飛機單獨執行危險區域打擊任務時，可根據編隊情報預設航路對敵防空火力實施突防，也可根據接收或自身獲取的目標信息調整航路實施突防，并適時發射武器載荷對目標實施火力打擊。

主要啟示

客觀地講，美國不但掌握了航母艦載機的研制技術，有充分的實戰使用經驗，而且其岸基中高端無人機飛行操控水平和任務管理能力也相當成熟，但美國海軍在發展航母艦載無人作戰飛機時，仍然采用關鍵技術地面和海上試飛驗證、多方案多公司間適度競爭等方式，化解新型裝備的研制風險。通過分析多型艦載無人機發展歷程以及關鍵技術的剖析，主要啟示如下：

一是作戰理念的升華，才能實現艦載無人機裝備技術的跨躍。

艦載機作為航母編隊的主要作戰武器，無人化和智能化是未來的發展方向。因此，需要進一步提高新型艦載無人機在未來航母編隊作戰中作用的認識，而在裝備技術和作戰理念上，既要跟蹤式發展，更需跨越式推進。無人機由于不受飛行員生理限制的影響，飛行航時、作戰半徑、隱身性能相比有人機有很大提升，且不需要考慮飛行員海上搜救問題。近幾次局部戰爭表明，無人機還可大大降低作戰運用的門檻和政治外交風險。在航母艦載無人機裝備技術發展方面，美國海軍已遠遠領先世界其他國家，而俄羅斯、英國、法國、印度等國海軍由于航母艦載機作戰理念落后以及經濟技術條件限制，其航母艦載無人機的發展已遠遠滯后于美國。

二是只有以海軍主導，才能滿足航母艦載使用的特殊要求。

2003年，美國國防部曾將海軍UCAV- NATP計劃和UCAV-ATP計劃合并為J-UCAS計劃，旨在研制出一種能同時滿足空軍和海軍不同作戰需要的無人作戰平臺。然而，美國空軍和海軍在無人機性能需求方面存在的分歧不可調和，直接導致這一項目在兩年后被迫取消。2006年以后，美國海軍主導發展的X-47B驗證機穩步推進，并于2013年取得重大進展和標志性成果。而美國空軍的目標是發展一種尺寸更大、航程更遠的無人機平臺，目前正在發展的RQ-180無人機雖然也采用飛翼布局，隱身性更好，但大展弦比設計使其翼展達到近40m，根本無法滿足航母上起降使用要求。航母艦載無人機受到甲板嚴格限制，對自主起飛和降落控制要求極高，因此，只有以海軍為主導研制，才能更好地滿足航母艦載使用的特殊要求。

三是抓住核心關鍵技術，才能穩步推進艦載無人機的發展。

美國海軍從2000年6月正式提出無人作戰飛機概念，到2007年8月最終選定X-47B驗證機方案，美國海軍花了7年時間。而從選定驗證機方案到現在，又花了5年多時間持續開展試驗驗證工作，才基本攻克飛翼布局無人作戰飛機彈射起飛和自動著艦等關鍵技術。航母艦載無人作戰飛機涉及的關鍵技術很多，難度也很大，只有抓住核心關鍵技術，合理規劃好技術路線圖，通過陸基驗證和艦上試驗等預先研究，才能穩步推進新型艦載無人機的發展。

四是積極引入競爭機制，共同攻克技術難點，加速研制步伐。

在UCLASS和CBARS項目中，美海軍并不單單依靠在UCAS-D計劃中研發X-47B驗證機的諾格公司，而是積極引入競爭機制，將波音、通用原子和洛馬等3家公司也接納進來。2016年10月美國海軍分別授予波音等4家公司各約4千萬美元的合同，用于開展降低研發風險的工作。這表明美軍在技術研究和型號研制過程中都充分開展多家單位參與和全面競爭的意圖。

（周磊 徐明 鄭震山，海軍裝備研究院）