無人直升機發展趨勢

蘆志明，姬樂強，聶順鵬

中國直升機設計研究所

隨著智能化、自主化、網絡化等技術的發展，無人直升機在未來戰場上扮演著越來越重要的角色。本文結合國內外無人直升機的發展現狀，分別從有人直升機無人化改型、大載重、長航時、新構型、戰場生存力、自主性以及互聯互通互操作能力等方面闡述無人直升機的未來發展方向，為我國無人直升機技術的發展提供一定的參考。

有人直升機無人化改型技術持續發展

隨著無人直升機技術復雜程度的不斷增加，全新無人直升機從設計方案提出到試制、試驗、生產和投入使用，仍然需要長達若干年的周期。目前，制造商開發的有人直升機型譜已相當完善，可全面支撐有人直升機無人化改型技術和裝備的快速發展。因此，成熟的有人直升機采用飛行控制、自主導航、任務規劃、人機交互等無人機新技術與成果進行無人化改型，不但可以有效降低型號研制的技術風險，縮短研制周期，使裝備快速列裝并形成戰斗力，而且可以解決裝備持續使用的問題。例如，空客直升機公司最新開發的VSR700艦載無人直升機，是由甘巴爾直升機公司（Guimbal）“迅羊” G2（Cabri G2）有人直升機改型而成，可以搭載光電吊艙、雷達、聲吶浮標等任務載荷，執行情報、偵察、監視、目標指示、搜索與救援、毀傷評估、輔助探潛等作戰任務。該型無人直升機已于2019年11月8日在法國南部普羅旺斯地區艾克斯市附近的無人機測試中心完成首飛。

近年，有人直升機無人化改型技術已趨于成熟，國內外多家制造商在無人化改型過程中積累了大量的工程實踐經驗，并建立了規范化改型流程。未來，隨著信息化、網絡化、智能化等技術的發展，由有人直升機改型而成的無人直升機在一定程度上可滿足復雜戰場對無人直升機的使用需求。在有人/無人雙模式技術支撐下（如西科斯基公司“矩陣技術”（Matrix Technology）自動駕駛系統），同一裝備可具備有人和無人兩種模式，極大拓展了裝備執行任務的靈活性，即直升機可發揮有人直升機低空機動性的優勢，又可以采用無人模式執行危險、枯燥的任務。

圖1 VSR700艦載無人直升機。

圖2 “黑鷹”驗證機可采用有人/無人兩種模式飛行。

表1 由有人直升機改型而成的無人直升機。

大載重、長航時能力不斷提升

與有人直升機相比，無人直升機不含操縱臺、儀表板、操縱線系、環控系統（除電子設備艙的通風散熱設備外）、救生系統、滅火系統等。上述設備的重量可以提供給更多的任務載荷，留出的空間可供大容量油箱使用。同時，由于無人直升機設計不需要考慮前機身外形對駕駛艙視野的影響，技術人員可以最大限度地開展高效低阻機身外形設計。綜上所述，無人直升機通常比改型前的有人直升機具有更大的任務載荷重量和更長的續航時間。

作戰環境正在由低威脅環境逐步向復雜、高強度對抗環境拓展，這要求無人直升機必須具備較強的戰場生存力，以及執行察打一體、電子對抗、物資運輸、搜索與救援等任務。因此，無人直升機應具備較大的任務載荷重量。為滿足遠程、長航時作戰任務的需求，無人直升機的續航能力須要不斷提升。

隨著應用范圍的不斷擴展，無人直升機將采用大功重比、低油耗率的新一代渦軸發動機（如通用公司T901渦軸發動機），高強度、輕質機體，低噪聲高性能旋翼系統（如空客直升機公司“藍邊”（Blue Edge）槳葉），旋翼變轉速技術等，將進一步提升續航能力。

構型創新發展

早期的無人直升機主要部署在艦船上，以執行海上偵察任務，其任務能力和使用環境相對單一，大部分無人直升機由有人直升機無人化改型而成，并未開展面向任務的正向設計。近年，隨著無人直升機技術的加速發展以及無人直升機應用領域的不斷拓展，單一構型已經難以滿足不同作戰場景下的任務需求。因此，無人直升機出現了構型多樣化發展的趨勢，其主要構型如表2所示。

表2 各種無人直升機構型。

直升機所采用的新技術的比例通常控制在15%以下，超過15%就會有風險。因此，我國新構型無人直升機在發展過程中催生了一種全新的裝備研制模式，即與有人直升機具有相同構型的無人直升機預先研制可有效化解有人直升機項目的風險。“無人先行，梯度研制”將成為有人直升機新構型設計的全新探索模式，并進一步推動新構型無人直升機的加速發展。

戰場生存力不斷增強

圖3 無人直升機任務載荷重量、燃油重量與最大續航時間。

圖4 新一代T901渦軸發動機。

圖5 “藍邊”低噪聲高性能槳葉。

與有人直升機相比，無人直升機當前受到智能化和自主化水平的制約，其飛行譜所包含的飛行狀態相對單一，缺少螺旋轉彎、大坡度角水平轉彎、俯沖拉起等機動狀態，導致了無人直升機的機動能力相對有限。所以，無人直升機只適合在相對安全的環境中執行戰術偵察、后勤物質補給等作戰任務。未來，隨著無人化改型技術的進一步發展，無人直升機所承擔的作戰任務將愈加豐富，但是在戰場環境中可能面臨各種各樣的潛在威脅。因此，無人直升機戰場生存力提升是無人直升機的重要發展方向之一。

為了確保無人直升機順利完成任務后安全返航，在綜合權衡性能、重量和成本的前提下，技術人員必須開展無人直升機戰場生存力設計。無人直升機的生存力與如下四種措施密切相關。

防探測

部分無人直升機采用了低雷達散射特性、低噪聲特性及低可見度涂裝設計，降低了被探測的概率。但是，由于目前無人直升機的任務載荷能力有限，且絕大部分機型以航空活塞發動機作為動力裝置。因此，鮮有無人直升機采取降低紅外熱輻射特性的技術措施，如發動機紅外熱輻射抑制器等。

防擊中

無人直升機被發現后應躲避攻擊，降低被擊中的概率。受智能化與自主化水平的限制，無人直升機機動能力比有人直升機弱，難以通過機動飛行躲避敵方威脅。目前，無人直升機主要通過加裝預警雷達、紅外預警裝置、激光預警器及導彈逼近預警裝置等綜合自衛設備來降低被敵方武器擊中的概率。后期隨著相關技術的進步，無人直升機飛行譜中的飛行狀態將逐步接近或超越有人直升機，飛行管理計算機可以完全替代操控員，操控無人直升機完成一些復雜的戰術機動動作。

防擊落

為確保無人直升機被敵方火力擊中后不影響作戰任務的完成或能夠安全返回基地，一些中型無人直升機的主槳葉應具備一定的抗彈擊能力（如抗擊7.62mm口徑的子彈），傳動系統應具備一定的干運轉能力，降低易損性。后期在作戰需求牽引下，無人直升機關鍵系統和部件須要加裝防護裝甲；燃油系統須加裝火警器、滅火裝置等設備；燃油箱須具備密封功能。隨著應用場景的逐步拓展，技術人員應開展無人直升機抗墜毀設計。

圖6 MQ-8B無人直升機飛行譜。

圖7 發動機紅外熱輻射抑制器。

圖8 尾槳葉抗彈擊示意圖。

抗干擾

為滿足拒止環境下的作戰使用需求，組合導航系統在具備較強抗干擾能力的同時，還須采用自主導航手段作為備份導航，如視覺輔助導航、天體輔助導航及磁異常輔助導航等手段。數據鏈采用跳頻、擴頻等技術手段，以提高抗干擾能力。同時，當數據鏈中斷時，無人直升機需進一步提升自主飛行能力，確保順利完成作戰任務且安全返航，或者采用北斗短報文作為地面控制站與無人直升機之間的應急通信手段。

自主性不斷提高

自主控制技術發展

自主控制意味著無人直升機不需要人員操控，以最優方式執行給定的控制策略，而且具有快速而有效的自適應能力、在線環境態勢感知能力、信息處理能力和系統重構能力。自主控制技術作為無人直升機的“大腦”，其水平的高低直接影響無人直升機在復雜戰場環境下所承擔任務的種類、完成率。

自主控制能力評估的量化方法有多種，例如美國空軍研究實驗室(AFRL)定義的自主控制等級(ACL)評估方法，該方法共分10個等級。自主控制等級中的第10級可以被視為實現無人機自主性的第10級臺階。美國國防部發布的1～3版無人機路線圖對自主控制等級有所論述，但沒有明確各等級的定義。目前，國內外無人直升機自主控制等級大多集中在3～4級。

無人直升機自主控制技術的發展趨勢是逐步實現自適應和感知規避，即無人直升機具備按預定航線飛行、自動起降、自動返航、實時故障診斷、動態航線規劃、自主選擇目標、威脅規避等智能決策與控制能力。未來，無人直升機集群將具備多機協同控制、集群自主控制能力。

自主導航技術發展

自主導航技術作為當前無人機領域的重要發展方向，其重要程度不言而喻。目前，衛星/慣性組合導航系統在無人直升機領域已經得到廣泛應用。但是，在電磁環境日益復雜、頻譜對抗日益激烈的未來戰場環境中，GNSS極易受到外界有意或無意的干擾。在拒止環境下，為確保無人直升機定位、導航和授時（PNT）的主導權，無人直升機必須降低對GNSS的依賴，相關單位應著手發展無源、不易受外界干擾的自主導航系統。自主導航系統主要依靠各類機載傳感器來增強或輔助慣性導航系統，目前主流自主導航系統主要有視覺輔助導航系統、天體輔助導航系統和磁異常輔助導航系統。其中，視覺輔助導航系統依靠光電吊艙、合成孔徑雷達（SAR）等傳感器提供實時影像，并將傳感器獲取的影像與無人直升機上預先加載的高分辨率數字地圖進行比較，從而為無人直升機提供準確的位置信息；天體輔助導航系統是一種基于常駐空間物體（RSO）和恒星的導航解決方案；磁異常輔助導航通過測量地球的磁場強度，并將測量結果與磁性地圖進行比較，以準確識別無人直升機的地理位置。國內外研究機構和制造商均對上述自主導航技術進行了大量理論研究和驗證試驗，預計不久將開展裝機應用。

圖9 衛星導航系統的抗干擾天線。

互聯互通互操作能力實現

隨著軍事技術的發展，以平臺為中心的機械戰正在向以網絡為中心的信息戰方向發展，單平臺的傳統作戰模式正在向多平臺信息對抗和體系對抗模式發展，無人直升機對信息的依賴程度越來越高。為適應聯合作戰、協同作戰和機動作戰等未來高科技戰爭的基本作戰樣式，首先，無人直升機系統應與指揮系統互聯互通，信息接口及交換格式應遵循統一標準，時空基準遵循統一要求；其次，地面控制站需采用開放式體系架構和模塊化設計，軟硬件應使用大量商用貨架（COTS）產品，從而實現通用地面控制站控制不同型號無人機的目的，便于系統后期維護與升級。

總結

無人直升機作為未來作戰體系的重要組成部分，具有其他裝備不可替代的作用，將逐步向大載重、長航時、新構型、智能化、自主化、體系化等方向發展。新的作戰模式、設計理念和設計方法引入將推動無人直升機技術快速發展，以滿足各軍兵種在未來復雜戰場環境下的裝備使用需求。

圖10 無人機導航公司（UAV Navigation）開發的視覺輔助導航設備。

圖11 無人直升機體系化作戰示意圖。