無人機機載吊艙發展綜述

李佳倩

航空工業成都飛機設計研究所，四川 成都 610091

介紹了機載吊艙的分類，分析了吊艙設計的要點，介紹了三種國外先進的無人機吊艙“敏捷吊艙”(AgilePod)、“廣域監視傳感器系統”(Gorgon Stare)、“智能節點吊艙”(SNP)并進行比較分析。

對于無人機或有人機，吊艙是指吊掛在機身或機翼下方的流線型短艙，用于安裝一些機載設備、武器等，安裝方式分為固定安裝和可脫卸安裝，固定安裝多用于發動機吊艙，可脫卸安裝主要用于武器吊艙和其他可換機載設備。加裝吊艙的主要作用是使得飛機具有一些其本來沒有的功能。一般來說，這需要機載電子設備的支持，在設計吊艙位置的時候，也應當盡量不破壞飛機整體的空氣動力特性。

機載吊艙的分類

機載吊艙可分為武器吊艙、電子干擾吊艙、光電吊艙、電子偵察吊艙、后勤輔助吊艙(加油吊艙)等幾類。

武器吊艙是在航空機炮、航空火箭彈、空空導彈等機載武器的基礎上發展而來的。二戰之后，航空機炮這類武器逐漸被航空火箭彈和空空導彈淘汰，但越南戰爭的實踐表明，近距格斗在現代戰斗機空戰中依然有著重要的作用，近距空戰武器無法被導彈替代，因此，航空機炮再次被裝備到了現代戰斗機上，后來逐漸出現了機炮吊艙這類裝備，并且得到了迅速發展，成為了作戰飛機必備的裝備。隨著機載武器的發展及其逐漸繁多的種類，多功能組合式武器吊艙應運而生，使得飛機可以在武器掛點有限的情況下，采用組合式武器吊艙，在一個吊艙中裝載多種武器，提高飛機的載彈能力，從而提高其多目標攻擊的能力。

電子干擾吊艙是由于機身內部沒有足夠空間放置電子自衛干擾設備，只能將其吊掛在機身外，這樣既可以讓飛機搭載足夠的武器和燃料，還能根據不同種類飛機的作戰性能來調整、更換用途各異的電子自衛干擾設備，這些設備愈來愈往模塊化發展，模塊化的機載電子干擾吊艙將成為各類飛機電子干擾設備的主流。機載電子干擾吊艙的主要功能應當有系統自主工作，自動接受、處理和發射信號等；應當采用先進的信號處理技術，能夠重編程序；可以同時實現噪聲壓制干擾和欺騙性干擾；能與告警機和電子戰支援接收機協調工作后有較強的自檢能力，可靠性較高；模塊化的電子干擾系統易于更換。

機載光電吊艙目前主要分為機載導航吊艙和機載瞄準吊艙，一般裝有前視紅外攝像機、電視攝像機和激光指示器或測距儀等光電傳感器。隨著精確制導武器的發展，戰斗機的精確打擊程度在空戰中起到越來越重要的作用，因此機載光電吊艙成為現代戰機打擊系統的重要裝備。它能夠在一定程度上消除載機的姿態變化和機械振動對光電傳感器的不利影響，同時可以利用光電傳感器來搜索、定位和跟蹤要打擊的目標。航空光電吊艙是一個非線性系統，但要求有高跟蹤和穩定的精度，因此在控制器設計方面有較高的要求。

電子偵察吊艙的主要功能有信號情報獲取、信號判斷和信號定位三個方面，可獲取敵方戰略、戰術情報、信號源特征內容等，對決策者有著重要的參考價值，是電子戰的基礎和前提。由于獲取信號的種類不同，電子偵察可以分為電子情報偵察和電子支援偵察兩類。電子情報偵察需要獲取火中系統的信號，要求有較高的測量精度，但對時間要求不高，主要在和平時期進行電子情報的收集和分析，為決策者提供對方的戰略、戰術意圖，分析潛在威脅，未雨綢繆。

加油吊艙一般吊掛在機翼下方、機身下方或機身尾段外側，應用于專用的加油機，具有獨立加油功能的探管錐套式空中加油裝置。

吊艙設計的要點

總體布置

吊艙在飛機上的布置位置及形式關系到飛機諸多方面的性能，如電氣設備效率、艙體模塊化組合度、冷卻系統效率、電纜拆裝的維修性可靠性等。布置吊艙時需考慮飛機整體的氣動性能，合理安排其懸掛方式和安裝位置，同時保障整機良好的穩定性和操縱性。

應依照國軍標《機載懸掛物與懸掛裝置結合部位通用設計準則》選取吊艙掛點，并符合飛機外掛物重量、重心的要求，綜合考慮設備安裝、環控、維修性等要求。

吊艙結構

機載吊艙大多采用桁梁式結構，在兩側開有維護口蓋，結構設計時需綜合考慮艙內設備的使用要求、強度剛度要求、所受載荷情況，材料工藝水平等。吊艙結構應當安全可靠，應力分布狀況良好，避免出現應力集中，應當有較短的傳力路線，和良好的疲勞特性，同時需具有良好的維修性和較高的結構效率，在此基礎上，使用先進的制造技術，盡量控制成本。

接口協調

吊艙接口主要分為電氣接口和機械接口兩類。電氣接口是指吊艙與載機的電纜連接處，包括主電連接器和輔助電連接器，應盡量選用可快速分離式電連接器。吊艙與載機的信號交換都采用數字形式，除了少量的離散量信號外，吊艙均采用標準的串行數據總線與載機綜合航電系統接口，便于通用化、模塊化設計，后續拓展多種吊艙。吊艙的機載接口位置需滿足國軍標的要求，包括吊艙的止動區、支撐區、彈射區、電連接器和重心位置等，還應根據重量大小，運用不同的懸掛方式，同時需考慮懸掛物的吊耳技術條件要求。另外，還需考慮吊艙的安裝和拆卸條件，應當滿足吊艙與地面裝卸車、起吊設備和放置托架的接口協調。

計算與分析

關于吊艙的計算與分析包含六個方面：氣動力與載荷、重量重心、靜強度分析、顫振計算，以及全機的飛行性能、飛行品質等。需進行飛機掛吊艙后的氣動性能計算，評估吊艙對整機氣動特性的影響，從而計算各種載荷狀態；計算吊艙對飛機飛行性能的影響，包括飛行包線、起飛著陸性能等；對飛機掛裝吊艙的飛行品質進行計算分析，包括橫航向和縱航向的穩定性、操縱性；計算飛機的重心是否滿足限制條件，考慮吊艙燃油消耗的過程，計算飛機的重量重心變化，分析其質量特性；計算吊艙的靜強度及應力應變水平；進行全機地面共振試驗，分析飛機掛吊艙的顫振特性，檢驗是否滿足要求。

吊艙環控設計

吊艙由于位于機身外，無法使用載機提供的環控風進行冷卻，而吊艙自身體積較小又導致其電源比較緊張，所以吊艙環境控制系統的設計是吊艙設計的一大重點和難點。目前國內有水蒸發制冷系統、蒸汽循環制冷系統和逆升壓式空氣循環制冷系統三種制冷系統。在這三種制冷方式中，逆升壓式環控系統的應用最為廣泛。

圖1 AgilePod

先進無人機吊艙

“敏捷吊艙”

美國空軍研究實驗室研發的AgilePod敏捷吊艙是一種與載機無關的多情報電子偵察吊艙系統，可演示采用敏捷制造和模塊化開放式體系結構的優勢，提高使用吊艙獲取情報、進行偵查的經濟性和靈活性。敏捷吊艙具有可重構性和多平臺靈活性的特點，由多個隔艙組成的吊艙可以根據不同需求來配置多樣化的傳感器或通信包。

美軍計劃展示一種新的傳感器套件，將各種功能強大的多模式相機與激光成像系統結合在一起，形成一個相對緊湊的部件，計劃將其裝備至U-2S“龍夫人”(Dragon Lady)有人駕駛間諜飛機和RQ-4全球鷹無人機，大幅提升兩種機型的靈活性。AgilePod是一個“類似樂高”的系列組件，可以包含三至五個獨立的部分，而每個部分都可以用搭載不同的傳感器系統，新的傳感器套件還將包括一個“新型高光譜成像儀”。

美國空軍還在考慮將AgilePod整合到其他類型的載人飛機和無人機上，包括“收割者”MQ-9，并已經在DC-3、RC-26偵察機上測試了該吊艙，AgilePod的出現有助于節省資金，減少后勤壓力，軍隊可以批量購買AgilePod，裝備到不同的飛機上，而無需再逐個更改飛機的光電、紅外等方案。

AgilePod可以一種型號適應所有平臺，但同時也限制了它在多種平臺上使用多種傳感器的能力，這是目前的一個弊端。因此，美國空軍研究實驗室正在充分利用AgilePod多傳感器有效載荷原型進行新的“迷你”型AgilePod吊艙的的研發，優化原有AgilePod的設計和配置，由此形成的系列吊艙將有不同尺寸可供選擇，以滿足各種機載平臺的裝備使用。在新的設計中，將采用“開放平面配置空間”，使中間部分可以得到重新配置，并且采用可拆卸的鼻錐和尾椎。

“廣域監視傳感器系統”

Gorgon Stare女妖凝視光電吊艙是由美國軍方研發的視頻捕捉技術，是一個由九個攝像機連接到空中無人機的球形陣列，美國空軍稱之為“廣域監視傳感器系統”。Gorgon Stare作為機載吊艙裝備美國的中空長航時無人機MQ-9收割者。

圖2 搭載Gorgon Stare的MQ-9概念圖

圖3 搭載Gorgon Stare的MQ-9實拍

Gorgon Stare由MQ-9收割者無人機機翼下的兩個吊艙組成，每個吊艙重250kg。其中一個吊艙中裝著項目子承包商ITT公司研制的從吊艙底部突出的傳感器球，這個傳感器球包含位于不同位置的5部電光(EO)攝像機和4部紅外(IR)攝像機，光電攝像機和紅外攝像機分別用于白天和夜間的ISR任務，攝像機布置在不同位置，可以從不同角度獲得最大地面覆蓋能力，并生成三維圖像。這個吊艙中還裝有一個計算機處理器。攝像機以2幀／秒的速度拍攝動態視頻，而非30幀／秒的全動態視頻。5部光電攝像機每部每秒鐘拍攝兩幀1600萬像素的圖像，這些通過計算機處理為一幅8000萬像素的圖像。4臺紅外攝像機每秒拍攝兩張3200萬像素的圖像。Gorgon Stare的另一個吊艙包括處理和儲存圖像的計算機、數據鏈接調制解調器、兩對通用數據鏈和戰術通用數據鏈天線以及射頻天線設備等。

圖4 Gorgon Stare結構

Gorgon Stare能夠捕獲整個城市的運動圖像，然后可以由人或人工智能進行分析，這些運動圖像不以視頻的形式顯示，因為它在采集數據時每秒的幀數比視頻更少，Gorgon Stare需要利用標記和元數據系統才能充分發揮其有效性。Gorgon Stare的研發旨在為各種軍事用戶下載、分析65種不同的圖像，這就是所謂的“廣域持續監視”。

Gorgon Stare廣域監視傳感器系統為未來無人機的吊艙設計提供了參考，其“廣域持續監視”的特點將成為偵察無人機的最大優勢之一，也將引領未來偵察吊艙的發展方向。

智能節點吊艙

“智能節點吊艙”(SNP)是一種載荷，它包含有不同配置的地面/空中/海上通信系統，設計用于橋接和中繼不同系統間的數據和話音通信，將組網能力推送到戰場前線。體型更小的SNP設計用于為無人機提供輕型通信網關能力。

SNP有兩種基本架構，即“單吊艙架構”(SPA)和“多吊艙架構”(MPA)。SNP SPA和MPA通過在JALN中層通信網關飛機與其他支持地面單元的平臺之間提供“最后一英里”連接支持JALN和DARE網絡。SNP SPA單元可加載在旋翼飛機或MQ-9無人機上；而SNP MPA則主要安裝在MQ-1無人機上，它由2個吊艙(每個吊艙重量不超過120lb)組成，每個吊艙占用MQ-1飛機一側的一個掛彈架，飛機平臺要為吊艙提供電源和天線引導所需的導航輸入(SNP地面控制站接口也是如此)。

SNP具有靈活的任務能力，可根據尺寸限制和任務要求進行重配置，這也導致專門配置的吊艙或一組吊艙可能無法一次提供所有能力。

圖5 SNP示意

SNP的主要特點如下：

(1)經濟性能力更加的定制化能力特性和服務

SNP能夠針對各個機載平臺和吊艙組合的特殊任務特性來配置系統，以便獲得最佳的戰場連通性的同時支持現有的地面基礎設施。

美軍的JALN體系中包含有飛行在不同高度的多種飛機平臺，這些核心平臺包括：ER/MP MQ-1C“灰鷹”無人機、A-160“蜂雀”無人機、“影子”無人機、多用途直升機、C-12“空中國王”、阿帕奇、“比空氣輕”(LTA)的平臺以及多種系留平臺等。每種平臺的“尺寸、重量和功耗”(SWaP)、性能以及成本要求都各不相同，由于SNP架構引入了"通用網絡接口"(UNI)方法能夠適應多種平臺，因而可以通過在飛機與載荷之間確立分界點快速裝備部署新系統，無需觸及飛機的"作戰飛行程序"(OFP)。

(2)距離拓展/不同系統連通

戰場網絡連接的目標是在任意時間、任何地方支持作戰單元信息需求，但現有系統需要專用的用戶設備和廣泛部署的地面基礎設施。SNP可以為通信規劃人員提供將現有和新興無線電系統集成為綜合體系的能力，提供頻率交叉結合、消息格式轉換以及遠程無線電指揮與控制功能，使之前受物理(作用距離、地形)和不兼容系統限制而相互隔離的用戶之間實現連通。而且，多個SNP可以協同工作，利用空空鏈路提供距離拓展，縮短作戰時間和提高致命性。

SNP具有一種特殊的能力一一可以主動地操縱2個獨立的"通用數據鏈"(CDL)孔徑支持1條CDL鏈路。基于諾格公司網關系統的開發經驗，CDL天線的分集需求催生了SNP SPA的創新，使得吊艙最大限度地減小了機身阻礙。SNP還引入了CDL發現能力，它利用全向天線發現通信目標并交換位置信息以支持定向天線的指向鎖定，完成更高速率、更遠距離的通信。

配合SNP提供的解決方案，SPA系統元需考慮、另一個CDL調制解調器的SWaP，這樣就能通過提供空空中繼增強功能性。諾格公司未來還計劃升級SNP，使其可以連接JALN中高層中現有的CDL系統平臺如E-IIA和U-2，并且不需要對這些系統進行改造。

(3)話音橋接、態勢感知、非傳統ISR通信

高空通信為態勢感知提供支持的價值已是眾所周知，過去十幾年美軍一直在發展高空通信中繼能力，近期美國防部又正式提出了JALN，并通過E-IIA機載網關系統首次實現了這種網絡能力。SNP采用更小型的"機載執行處理器"(AEP)，它加載各種軟件應用、基礎程序和驅動程序、接口以及處理器，提供話音橋接和中繼、數據中繼和橋接、終端和載荷控制以及網絡管理能力。這可為操作員提供動態響應威脅優先級的能力，并能支持連接和相關現有"戰術數據網絡"(TDN)以創建戰區COP和為之前受各種因素限制無法獲得通信能力的部隊提供話音橋接和中繼能力。

網絡可用性由"網絡飽和"狀態改進到"網絡優化"狀態。UHF/VHF話音橋接使得作戰旅可以使用手持電臺跨4條山脊線保持通話，并為作戰旅火控支持提供專用信道。通過為地面部隊提供連接使其能夠向“近空支援”(CAS)態勢感知COP報告，可極大地降低友軍誤傷。

(4)戰術邊緣用戶連接GIG/IP連接

利用SNP從空中提供的網絡連接，地面士兵可以利用現有的電臺和電話實現跨越山區的通信和信息共享。無需終端用戶進行附加訓練。

小結

上述的三種國外先進的無人機吊艙在功能和特性方面各有側重。Gorgon Stare“廣域監視傳感器系統”側重于無人偵察機的“廣域持續監視”功能，目前僅應用于“MQ-9”收割者一個機型；AgilePod“敏捷吊艙”的主要特點是可重構性和多平臺靈活性，旨在利用模塊化提高使用吊艙獲取情報、進行偵查的經濟性和靈活性，可搭載于各種類型的載人飛機和無人機；SNP“智能節點吊艙”側重于戰場通信系統的靈活配置架構，強調定制化能力。

結束語

21世紀是信息化的戰場，在高技術條件下的戰場情況變化多端，戰爭方式復雜多樣，偽裝、欺騙措施無處不在，無人機電子偵察吊艙、干擾吊艙、光電吊艙等具有廣闊的發展前景。 ■