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无人机的未来(科普原创)

沈海军 

2002113夜,也门马里布沙漠,一辆卡车拖着烟尘正向前疾驰。突然间,一道闪光从天而降正中卡车,后者随即在爆炸声中化为碎片。这并不是一起意外事件,卡车上的乘客也非同寻常——曾策划袭击美舰“科尔”号以及法国油轮爆炸案的恐怖分子。那道从天而降的闪光来自美国中央情报局所属的一架“捕食者”(Predator)无人机, 是一枚从数千英尺高空发射而来的“地狱火”空对地导弹。而攻击的遥控操纵者则处于数百英里外的吉布提。

这次攻击行动来无影,去无踪,根本无从防范。这就是号称“空中机器人”的现代军用无人驾驶飞机(UAV)完成的一次典型的对地精确制导攻击战例。

迅猛发展

无人驾驶飞机,英文常用Unmanned Aerial Vehicle (UAV) 表示。它是一种机上无人驾驶、利用无线电遥控设备机上自备程序控制装置操纵的可重复使用的航空飞行器。与载人飞机相比,它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点,备受世界各国的青睐,尤其是在军事领域,一些局部战争中,无人驾驶飞机凭借其准确、高效和灵便的侦察、干扰、欺骗、搜索、校射及在非正规条件下作战等多种能力,发挥着显著的作用,并推动了层出不穷的军事科学、装备技术等相关领域的研究和进步。

其实,早在1917年,世界上第一架无人机就问世了;只是由于受当时技术条件的限制,在相当长的一段时期里发展缓慢。到了20世纪四五十年代,随着自稳定、远程控制和自主导航等技术的成熟,无人机才逐渐进入稳定发展时期;但那时的无人机依然主要作为靶机使用。

进入20世纪60年代后,美国出于冷战需要,将无人机研究重点放在侦察用途方面,RQ系列、 FQM-151AGNAT-750等都是这一时期无人机技术的典型代表,并在数次军事冲突中发挥了超乎人们想象的作用。

目前,以信息获取为应用目的侦察型无人机正在向超高空(大于3万米)、长航时(大于30小时)和超远程(大于1千米)等方向发展。有些无人机甚至在某些方面已经具备了执行战略侦察的能力,从而与卫星的应用形成有机互补。

20世纪80年代以后,国际上无人机的另一个明显的发展趋势是小型化,以使其投放、回收更简便。人们还通过使用各种高新技术材料和改进设计方案,使无人机具备了隐身性能。大多数小型无人机的质量降至百千克甚至几十千克,往往一辆汽车甚至单兵便能载放一架无人机,敌方雷达也不易发现。

无人战斗机逐渐成为当前无人机研究的热点。经过改装后,RQ-1型无人机首次成为可以发射导弹的攻击型无人机,开创了无人机作战的先河。

关键技术

无人机的发展过程中,很多技术起到了关键性的作用,未来无人机的发展也离不开这些关机技术的提升。其中最主要的有以下几项:

气动技术  由于无人机对灵敏度、飞行高度以及雷达反射截面等有特殊要求;因此,对各种先进技术气动布局的研究,就显得尤为重要,如无尾、三角翼构型。

推进技术  无人机一般要求长航程,因此,必须采用高效率的动力技术。此外,还可以开发新的轻型高效燃料,如高效的航空煤油和使用太阳能做动力等。

人工智能技术  无人机——特别是无人战斗机——存在的主要问题是飞机的自主程序。这需要一些智能的、基于规定的任务管理软件来驱动安置在无人机上的综合传感器,保证通信联接,完成无人机与操纵人员间的交互。这不仅使无人机能确保按命令或预编程来完成预定任务,对已知的目标做出反应,还能对随机出现的目标做出相应反应。

通信技术  宽带、大数据流量的数据链技术可以使无人机远距、快速地传输信息,实施超视距控制, 是发展无人战斗机的关键技术。如果在远距或敌人干扰的情况下不能实施通信或不能可靠工作,信息无法发给指挥控制中心,指令也无法发给正在作战的无人战斗机,人就无法在其中发挥作用,无人战斗机也将失去其优势。

发射与回收技术  21世纪要求无人机的发射和回收更加简便,如果不依赖跑道起降,将有可能改变未来空中作战模式,无人机也将具有更大的竞争力。因此,大型无人机的先进发射技术和安全回收技术能否取得突破具有重大意义。

武器和设备的小型化技术  在机载武器系统方面,将会采用最先进的空对空和空对地武器,使用非常小、非常灵巧的炸弹和导弹,使有效载荷能力最优,在同样的质量下,其破坏能力比现在增加10倍。

纳米技术  纳米技术是制造超微型零部件的技术依托,纳米技术的成熟与否,将关系到微型无人机的前景。

未来方向

综观世界各国无人机发展现状及未来无人机技术发展趋势其发展方向可概括为以下几方面:

多功能模块化

随着无人机技术和机载遥感技术、精确制导武器技术、侦察和电子技术的发展无人机的应用领域将越来越广高技术的迅速发展使模块化、通用化、系列化成为可能,今后的无人机平台和地面站很可能是通用的,将朝着一机多能的方向发展。进行无人机系统设计时,研制人员将通过优化内部结构,采用模块化技术,使无人机可以根据具体任务及时更换不同功能的机载设备,执行不同的任务,最终实现一机多用。

在伊拉克战争中, 美军使用的捕食者”无人机除能够进行低空照相侦察任务以外, 还可加装海尔法激光制导导弹, 对敏感目标和敌人的防空力量进行精确轰炸。如今美军在捕食者基础上研制的捕食-B”,飞行高度超过15000。这种新型捕食者无人机飞行高度高, 承载能力强, 不仅能够进行侦察、监视、瞄准, 而且能够进行武器发射,可以在执行情报任务时,对所发现的目标立即实施打击。美国通用原子能公司研制AMBER 多用途无人机,可用于战场机动通讯中继平台或电子战。该机装有前视红外仪、红外线扫描仪或高分辨率照相机、通讯/视频中继雷达、信号情报侦察综合/电子支援设备等。英制“小妖精”无人机可根据担负的战场监视、目标指示、电子战等不同任务,分别搭载传感器、激光目标指示器和电子干扰机等各种不同设备。在靶机上装上侦察、电子战设备或各种战斗部,即可将其改装成侦察、电子战无人机或巡航导弹。

高空长航时

从无人机的发展趋势来看,长航时高空无人机已成为世界各国无人侦察机的发展重点之一。长航时高空无人机可在空中停留几天甚至几个星期,以获取目标区的完整信息。它较军用侦察卫星应用灵活价格便宜,可随时按指挥员意图选定作战区域并尽可能接近战区,以获取更精确情报它还不受目标上空云雾的影响,可获取高分辨率图像还可机动跟踪目标提供实时信息。

美国的“全球鹰”是这种高空长航时无人机中的典型机种。该机装有喷气式发动机,13翼展35飞行高度达19500大大超过喷气式歼击机和陆基防空导弹的高度。它可以不间断飞行达40个小时

尽管“全球鹰”可以不间断飞行40个小时,但它仍不能完全满足人们对无人机长航时的需求。为此,美国早在2002年就启动了无人机“自动空中加油(AAR)”项目,目的是开发出一套系统,能使无人机安全接近加油机,并在加油机周围机动飞行,从而使加油机伸出加油管套住无人机的受油头实施加油。

2012930,美国国防部国防预研计划局(DARPA)的“高空自主空中加油”(Autonomous High-Altitude RefuelingAHR)项目在实施两年之后结束。在该项目中,DARPA、诺格公司和美国国家航空航天局(NASA)代顿飞行研究中心利用两架经过改装的“全球鹰”无人机,成功完成了接近和编队试飞,验证两架“全球鹰”无人机之间的自主空中加油技术,使该机的续航时间可延长至长达1周。

如果无人机获得自主空中加油能力,将大大增加其作战半径和留空时间,也可以大幅降低作战部署和反应所需要的时间。这将深化和扩展无人机的用途,使其未来很有可能发挥小型间谍卫星的作用。

从美国对无人机用途的研究来看,充当间谍卫星的重要补充已经成为高空无人侦察机的未来发展方向。尽管美国间谍卫星的侦察精确度也能达到1,但由于卫星为定轨运行,其侦察的范围及时间都受到限制。而无人侦察机则可以对某一地域进行全天候的定点侦察。同时,由于无人侦察机能够在2万米的高空巡航,难以被对手发现,即使被发现,被防空系统拦截的可能性也不大。此外,美国认为,随着天基武器的发展,间谍卫星在太空中面临着危险,而一旦被摧毁,很难重新部署。但高空无人侦察机的机动性很强,可随时发射。因此,无人机具备了自动空中加油能力,无异于如虎添翼,可以长时间滞留在战场区域上空,完成间谍卫星在被摧毁或被干扰时“无法完成的任务”。

如今,长航时高空无人机已成为军用侦察卫星的重要补充手段。美国航天局称将推出能在2.4高空飞行的试验型太阳能无人机——太阳神(Helios),它可在同一位置停留数月甚至更长时间。

微型化

随着高精密计算机技术和纳米技术的发展微型无人机在军事领域越来越显示出巨大的应用价值。

利用纳米技术,可以把传感器、电动机等数字智能装置集中在一块芯片上制造出几厘米甚至更小的微型装置。

美国的“黑寡妇”超微型空中运载器质量仅7, 机上有GPS、微型摄像机和传感器等多种精良装备。1997年,美国推出了为期4年的微型无人机计划。其中,“微星”项目已研制出一种可由单兵手持发射的微型无人机,其长度小于0.15质量不足18即使在对方雷达上空20~100处盘也难以被探测到。此外还有用肉眼几乎看不见的发动机它们将成为未来微型无人机的先导。

微型无人机具有良好的隐蔽性可执行低空侦察、通信、电子干扰等任务。

智能化

计算机的飞速发展使得无人机更具攻击性和灵活性。

大量采用人工智能和群体智能理论技术,无人机可自动寻找和识别目标,确定攻击目标的优先顺序,选择恰当武器,做出战术决策,执行必要的攻击机动动作。

欧洲正在进行的神经元无人机作战单元阵列计划就是应用群体智能的典型。之所以被命名为“神经元”,是因为神经元是神经系统的结构与功能单位之一,其基本功能是通过接受、整合、传导和输出信息来实现信息交换。神经元”综合运用了自动容错、神经网络、人工智能等先进技术,因此,这款无人机能够实现自主空中编队飞行和自动捕获、自主识别目标,然后向地面站发出请求信息,得到批准后,可以在隐身模式下自主发射武器,其智能化程度达到了较高水平。201212月,“神经元”无人机在法国南部的伊斯特尔空军基地顺利完成了两次试飞。

全隐身

现代战争当中,军用无人机需要在敌方空间完成任务,其环境危险,容易被发现。采用先进隐身技术,对提升军用无人机的战场生存能力具有重要意义。

军用无人机对机身材料给予改进,设计机体构造以降低雷达信号,在机体表面可使用复合材料与吸波材料,当RCS 较小时,通过目标散射电磁波能力会减弱,其生存性就会越好,并且军用无人机,还应使用降低电磁波反射机身来构造,可在机身各个部位连接处实施光滑处理,降低角度形成,在凹处也应采用隐身处理。可在无人机表面实施充电表面涂层,让其发生变色,在地面上看,无人机跟天空颜色是相同的,在空中看,无人机跟大地又是同样的颜色。

对军用无人机来说,隐身技术的发展不仅可以使其安全性得到有效提高,而且采用隐身技术的无人机可迅速隐蔽接敌,长时间与敌接触。

未来,新型军用无人机将采用最先进的隐身技术:一是采用复合材料、雷达吸波材料和低噪声发动机;二是采用限制红外反射技术,在无人机表面涂上能吸收红外光的特制漆,在发动机燃料中注入防红外辐射的化学制剂;三是减少表面缝隙,采用新工艺将无人机的副翼、襟翼等各传动面都制成综合面,进一步减少缝隙,缩小雷达反射面;四是采用充电表面涂层;五是采用最新的等离子隐形技术。

美国波音公2002年研制的新型隐形无人机猎鸟具有极低的雷达反射截面全新的隐形外观,标志着无人机隐形技术达到了一个新高度。美国国防发展局报告透露未来喷气式无人机主要采用雷达隐形技术包括新型雷达波束吸收涂层。美军一直在积极研制新型无人战机, 同时计划在无人联合战(UCAV) 基础上研制新型无人侦察机、X-45A 极超音速无人机。

俄罗斯也在积极研制隐形无人战斗机俄罗斯Kvand司研制的无风”垂直起降喷气式隐形无人机由辐射透明材料制成具有较强雷达隐形能力最高时速780可执行地质勘察、管道巡逻、制造干扰、军事侦察、目标指示等任务。该新型隐形无人机的有效载荷视地面操纵员选择的飞行模式而定如果采取滑跑起飞方式有效载荷可达到数十千克。

通信与微型化技术

军用无人机大多使用微波通信,此微波通信仅能视距应用,没法穿透墙壁,要想确定无人机位置,需要运用地图导航与GPS 系统来确定,现在无人机当中天线尺寸与功率等方面存在问题,要提高无人机通信能力,需要对这些问题给予解决。

在无人机上,需要携带侦察器,像生化探测器、摄像机与红外探测器等,像CCD像机可在百米高空中分辨所探测到车辆与人员,在传感器与生化探测器等方面研究还需要加大力度,以提高传感器技术微型化与通信技术准确性等能力,从而提高军用无人机整体技术能力。
 



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