無人直升機系統發展展望

摘要：隨著計算機、網絡和智能技術的發展，無人機自主飛行能力和智能化程度不斷提高，在社會多領域得到廣泛應用。無人直升機既具有直升機獨特的飛行和功能特點，又具有無人機的應用優勢，發展前景廣闊。本文簡要描述了無人直升機的發展歷程及現狀，展望了無人直升機發展的前景，分析了未來裝備發展趨勢和技術發展方向，并提出推動無人直升機技術及產業發展的措施與建議，對國內無人直升機技術和產業發展有一定的參考價值。

關鍵詞：無人直升機；發展前景；發展歷程；發展方向；系統化；智能化

中圖分類號：V275+.1文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.006

無人直升機具備直升機所有的飛行和應用功能，由于沒有使用人員生理限制，大大降低了裝備使用門檻；具備零傷亡特點，大大降低了裝備應用風險；可在惡劣環境使用，擴大了裝備應用領域。無人直升機正部分替代有人機，甚至超越有人機，在社會生活中發揮重要作用[1-4]。在軍事應用領域，無人直升機可執行偵察警戒、通信中繼、電子對抗、目標指示、火力支援以及戰勤運輸等任務。在民用領域，可執行警務巡檢、新聞攝影、海洋監測、電網巡檢、農林作業等任務[5-8]。

智能化/無人化是當今世界裝備發展的重要方向，無人機極大地拓展了人類與環境交互過程的體能和智能，是未來航空裝備發展的必然趨勢。隨著科學技術的不斷進步，無人直升機系統能力越來越強，體現在環境適應性更好、人機交互更便捷、自主飛行能力更強、安全可靠性更高等方面。隨著多領域廣泛與深入的應用，更多用戶的應用需求與實用反饋，促進產品技術能力提升和工程化程度提高，目前國內無人直升機產業呈現出市場端與供給端相互促進、良性發展的局面。

本文將簡要描述無人直升機的發展歷程及現狀，展望無人直升機發展前景，分析未來裝備發展趨勢和技術發展方向，并提出推動無人直升機技術及產業發展的措施與建議。

1國內外發展歷程

1.1國外發展歷程與現狀

國外無人直升機研制始于20世紀50年代，在經歷了試用期、蕭條期、復蘇期之后，現已步入快速發展期。20世紀90年代以前，是無人直升機起步發展階段，國外研發的無人直升機產品以輕小型為主，主要由少數國家非主流公司承擔。典型如美國基羅達因公司（Gyrodyne）公司的QH-50（見圖1）小型艦載反潛旋翼無人機；加拿大龐巴迪公司的CL-227“哨兵”（見圖1）遙控旋翼無人機；日本雅馬哈公司的RX-50“小精靈”無人直升機（見圖1）。該階段產品主要特征為產品屬中小型，任務載荷有限，自動化程度低，操縱難度大。

20世紀90年代以后，隨著計算機、網絡和智能技術發展，特別是受美軍《無人系統發展路線圖》牽引（2000年以來，美軍每兩年發布一版無人系統發展路線圖，至2018年已發布8版），全球掀起無人直升機發展高潮。參與研制無人直升機的國家越來越多，主流航空制造公司全面介入，產品覆蓋大、中、小型無人直升機，產品任務能力更強、自主飛行等級更高，典型如美國諾斯羅普-格魯門公司的RQ-8A/ MQ-8B/MQ-8C“火力偵察兵”（見圖2），任務以偵察打擊為主；美國卡曼公司的K-MAX無人直升機，任務以戰場運輸為主；美國波音公司的A160“蜂鳥”無人直升機，實現大載荷、長航時等。

“火力偵察兵”為美國海軍主導研制的多用途無人直升機，主要用于偵察，增強態勢協同感知和精確瞄準能力，并可提供火力打擊，用來執行反潛、布雷和水面作戰任務[9]。

“蜂鳥”（見圖3）因采用高效渦輪發動機以及變轉速等多項先進技術，留空時間可達20h，最大起飛重量（質量）3t，其武裝型可掛8枚“海爾法”導彈，攻擊力強大。K-MAX（見圖3）主要執行貨運補給任務，最大吊掛載荷約2t，續航時間約1h，2011年開始在阿富汗執行任務，至2013年共執行1300次任務，空投2000t貨物，累計飛行2000h。

1.2國內發展歷程與現狀

國內無人直升機發展起步于20世紀80年代，2000年以前，主要是院校和民企開展相關研究，參與研制的單位不少，但投入資源有限，研制的產品多為500kg以下的小型無人直升機。這一時期總體處于技術攻關階段，產品性能不高，發展較緩慢。

20世紀90年代前后，南京航空航天大學開始研制“翔鳥”無人直升機（見圖4），以突破無人直升機關鍵技術為目標，通過預研成果鑒定后，型號研制工作處于停止狀態。1992年前后，北京航空航天大學開始研制BZK010共軸雙旋翼無人直升機（見圖4），2004年實現自主飛行，完成系統鑒定試飛，型號研制工作也處于停止狀態。

南京模擬技術研究所從20世紀80年代開始，先后研制了Z1、Z2型遙控直升機、Z3型無人直升機（見圖4），產品實現了市場銷售，但產品性能有限，未能產業化。

上海雛鷹公司利用有人直升機，研制LE-110無人直升機，2004年完成超視距自主飛行，曾作為靶機使用過，后續研制工作處于停止狀態。同期國內還有眾多民企，如北京必威易、北京天途、深圳艾特、鶴壁天無、大連浦元、無錫漢和、濰坊天翔等單位投入力量進行中小型無人直升機的研制，由于經營或技術等原因，多數未能在市場上形成影響力。

2000年以后，國內無人直升機發展形勢好轉，一些專業研究機構、國企、民企等紛紛加入研發行列，研發了多款無人直升機。產品性能明顯提高，任務能力覆蓋了偵察監視、通信中繼、巡查巡視、安保消防、森林防火、海事監管、輻射偵察、照明喊話等領域。

中國直升機設計研究所研發了AR500系列無人直升機（見圖5），產品系列在國際軍貿領域、國內軍民領域得到應用，任務覆蓋了偵察監視、通信中繼、察打一體、巡查巡視、森林防火、海事監管、輻射偵察等領域，形成了一定市場規模。

南京模擬技術研究所研發了Z5系列無人直升機，產品系列在軍民領域得到應用，也形成了一定的市場規模。

北京中航智公司研發了TD系列無人直升機，產品實現了市場銷售，也形成了一定市場規模。珠海隆華直升機科技有限公司研發XV系列無人直升機，目前在民用領域已經得到應用。北京通航江西直升機有限公司研制了“小青龍”系列無人直升機等。

縱觀國內外無人直升機發展，都走過艱難的發展歷程：一是早期無人化發展的技術支撐力度有限，無人直升機技術復雜，控制難度大，裝備使用問題較多，無法滿足用戶的應用需求，是前期發展受阻的主要原因；二是無人直升機具有獨特的應用優勢，無法被其他飛行器所替代，自身具有強大的生命力；三是技術進步和新時期軍民用應用需求，促進了當前無人直升機的快速發展。

2裝備發展趨勢

當前無人直升機的關鍵技術（如飛控、測控等技術）已取得重大突破，從裝備發展頂層分析，無人直升機系統逐漸從以“平臺”為中心向以“任務”為中心轉變，從單機使用向多系統協同應用方向轉變；任務能力向多元化、綜合化發展；構型多樣化、控制更智能、網絡更安全。

（1）從單機/單系統走向多系統協同發展

早期無人機研制“以平臺為中心”，單機/單系統概念較強。未來無人機研制將更加強調“以任務為中心”、系統之系統概念。無人機系統將成為更大系統中的節點，需要與無人機系統外的其他系統進行信息、任務協同，關注點轉到互用性、自主性、安全網絡和人機協同上，也將從大系統視角來評估無人機系統的能力和貢獻度。

（2）任務能力向多元化、綜合化、協同化發展

目前無人直升機以中小型為主，主要執行偵察/監視等信息支援類任務，換裝任務設備，任務擴展到察打一體等領域。未來無人直升機主要向長航時、模塊化、協同打擊等方向發展，形成與有人機協同作戰的能力，成為未來信息化作戰環境中的重要節點。

（3）構型多樣化、控制更智能、網絡更安全

無人直升機構型多樣化發展，有單旋翼帶尾槳式、共軸式、涵道/螺旋槳式、復合機翼/旋翼式、傾轉旋翼式等，重量從幾十千克到幾千千克，任務載荷和續航能力不斷提升。智能化水平和自主飛行控制能力不斷提高，故障診斷與自適應、自主航路規劃、協同飛行等技術得到應用。自主組網和網絡安全技術得到進一步發展，網絡更安全。

3技術發展方向

3.1總體系統化，突出系統能力

與有人直升機不同，無人直升機一般由飛行器平臺、地面系統和數據鏈構成，系統特征更明顯。無人直升機總體技術除關注常規的平臺構型、總體氣動布局和動力旋翼傳動技術外，必須關注地面系統和數據鏈等技術。總體技術跨飛行器平臺、地面系統和數據鏈等分系統，是多系統總體，必須支撐多系統設計與優化能力。

無人直升機系統能力將從傳統的強調系統性能，到強調用戶使用體驗轉變，更好的人機交互、人機協同，以及更高效和便捷的使用維護保障等將成為系統總體能力的重要標志。未來無人直升機將更加強調“以任務為中心”，無人直升機將與其他系統共同執行任務，系統將在更大的系統中運行，系統間的協同技術是新的關注點。評價一型無人直升機的性能，也更強調在大系統中體系貢獻能力，總體呈系統化發展。圖6為無人機系統化工作概念場景示意圖。

3.2平臺高速化，突破航時限制

常規構型直升機受旋翼前行槳葉激波分離等限制，飛行速度一般不超過300km/h，難以滿足用戶高速高機動的能力需求，高速化是直升機界共同努力的方向。目前國外有人直升機高速化研究主要有兩大方向：一種是傾轉旋翼構型，從V-22到V-280，其最大速度可超過500km/h，并具有大商載、遠航程等優點；一種是共軸剛性雙旋翼加推力構型，其最大速度也可達500km/h，且機動能力強。雖然常規構型無人直升機還是應用的主流，但高速化是發展的重要方向。一方面有人機的高速化研究成果將會快速應用到無人直升機上，另一方面由于無人機構型多樣化發展，也會產生更多復合新構型，推進無人直升機的高速化發展。圖7為V-247傾轉無人機模型。

相比于有人機，長航時是無人直升機的優勢，既可克服人員生理限制，又可提高任務效率。長航時無人直升機可在偵察、通信中繼、邊境巡邏等任務方面發揮更大的作用，發展留空時間大于24h的長航時無人直升機將是下一代無人直升機平臺發展的重要方向。波音公司的A160“蜂鳥”無人直升機，攜帶135kg任務載荷，飛行時間超過24h，是典型的長航時無人直升機的代表。長航時無人直升機需要高效總體氣動技術、先進輕質結構技術和動力傳動等技術作支撐，也必將牽引相關研究，促進技術進步。

3.3控制智能化，支撐多模式應用

無人機從自動飛行向自主飛行發展的重要標志就是智能化水平，智能化將重點提升無人直升機三方面的能力：一是環境適應能力，基于對環境的態勢感知、推理、判斷和決策，提高在低空/超低空環境下，適應地形地貌、復雜氣象的飛行能力；二是無憂操縱能力，支持無縫、敏捷、自主的人機協作和機器間協作，重點提升多模態飛行控制、在線航路規劃與重規劃、集群協同控制等方面的能力，并最終實現“無憂”操縱；三是故障診斷與隔離能力，智能化將全面提升故障識別與隔離能力，最終實現“零故障升空與飛行”。

智能化的重要目的是不斷把人從繁雜判斷和操作中解放出來，降低人工操作差錯，可選有人/無人駕駛將是未來重要的發展方向。可選有人/無人使直升機同時具備有人駕駛和無人駕駛兩種使用模式，兩種使用模式相互兼容，可隨時切換，是未來直升機裝備甚至是航空裝備發展的重要趨勢。目前市場有大量的有人直升機，飛行員培訓難度大、培訓周期長，經驗豐富的飛行員是最寶貴的資源，可選有人/無人直升機是解決飛行員數量少的主要措施。可選有人/無人直升機既可使飛行員解脫于枯燥、長時間的常規操作，又可在關鍵任務時進行人工操縱，更大程度發揮直升機的使用效能。美國通過“有人/無人再補給空中運輸裝備”（MURAL）項目進行了可選有人/無人操縱技術驗證，卡曼公司K-MAX無人貨運直升機和波音公司“小鳥”直升機，都開展了可選有人/無人技術驗證，2014年美國西科斯基公司完成可選有人/無人駕駛“黑鷹”驗證機首飛，2019年基于電傳操縱技術配備可選駕駛（OPV）技術的“黑鷹”直升機（見圖8）首飛，是可選有人/無人操縱直升機發展的重要里程碑。

3.4結構模塊化，產品兩極發展

模塊化是拓展無人直升機任務功能及減少后勤維護保障的重要途徑，一方面通過模塊化實現飛行和任務系統的分開設計，模塊化可實現機體和任務系統快速重構，拓展無人直升機的任務能力和應用方向，實現“一機多用”；另一方面模塊化設計將改變無人直升機的維護保障模式，模塊化設計帶來的“即插即用”功能，將極大提高裝備使用效率。

隨著直升機技術發展，無人直升機向速度更快、載荷更大、航時更長等方向發展的同時，向微小型化發展（見圖9）也是重要方向。一方面隨著平臺性能大幅提升，用戶對大型無人直升機的需求越來越迫切，要求續航時間大于12h，商載能力大于5t的大型無人直升機是當務之急；另一方面，微小型無人直升機具有尺寸小、重量輕、隱蔽性好、操作簡單、攜帶方便等優點，適用于執行特殊任務，也是未來發展的重要方向。

3.5網絡安全化，支持多系統協同

無人直升機通過數據鏈路實現飛行器平臺與地面系統的互聯互通互操作，數據鏈路存在截獲、干擾、入侵、欺騙、破譯等威脅，數據鏈路網絡安全將直接影響任務實施，甚至飛行安全。無人直升機數據鏈路網絡安全技術將成為未來技術發展的重點方向，涉及功率控制技術、天線技術、頻譜與擴展感知、鏈路接入認證和信息加密等技術，最終形成網絡攻擊恢復能力和自主網絡防御能力。

多系統協同的基礎是網絡，實現多系統間的互聯互通互操作，重點離不開網絡構建和網絡安全技術的支撐。

4結束語

無人直升機既具有直升機獨特的飛行和使用特點，又具有無人機的應用優勢，已經在軍事和民用領域展示了良好的應用前景，必將成為未來航空器發展的重要方向。同時無人直升機發展與裝備智能化發展高度契合，智能化技術發展也將促進無人直升機發展，拓展無人直升機應用領域和應用效能，無人直升機具有廣闊的發展空間。

當前我國無人直升機發展受到社會各界高度關注，特別是在產業結構調整、經濟轉型升級時代背景下，社會資源/資本不斷關注無人直升機的發展，參與研發的單位越來越多，市場需求旺盛，發展勢頭很猛。但我們必須清醒地認識到：航空作為高端制造業，具有技術難度大、投資強度大、研發周期長等特點，無人直升機發展機遇與挑戰并存；隨著技術進步和需求提高，無人直升機系統變得越來越復雜，技術難度更高，研發風險更大，必須摒棄“無人機門檻低”的觀念；要實現無人直升機持續健康發展，技術是基礎，人才是關鍵，必須夯實技術基礎，堅持自主創新，必須引入市場化機制，堅持軍民協作，充分利用社會資源，創新體制機制，促進無人直升機技術和產業跨越發展。

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（責任編輯王昕）

作者簡介

方永紅（1967-）男，學士，研究員，航空工業無人機首席技術專家。主要研究方向：無人直升機。

Tel：0798-8465564E-mail：fangyh@avic.com

Development Prospect of Unmanned Helicopter System

Fang Yonghong*

China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China

Abstract： With the development of computer， network and intelligence technology， the level of autonomous capability of unmanned aerial vehicle （UAV） has been continuously improved； the UAV has been widely used in many fields. Unmanned helicopters not only have the unique flight and functional characteristics of helicopters， but also have the application advantages of UAV， and have broad development prospects. The development history and present situation of unmanned helicopter are briefly described， and the main development direction and key supporting technologies of unmanned helicopter in the future based on the development demand are analyzed. Finally， the measures and suggestions to promote the development of unmanned helicopter industry and technology are proposed.

Key Words： unmanned helicopter； development prospects； development history； development direction； systematization； intelligence