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无人机研究报告(一)无人机的发展与演变

发布日期:2018-01-20我要投稿我要评论

《武器与装备研究选编》

第三部分:无人机研究报告

无人机研究报告(一)无人机的发展与演变

(一)

无人机的发展演变

无人机系统主要由飞行器(自主控制或遥控器控制)、传感器/有效载荷、指挥与控制数据链路、操作员工作站以及发射/回收所需的地面支持设备构成。截至目前,无人机大多为军事行动和特种作战而部署,但是逐渐运用到民用领域的趋势也日趋明显。

如美国通用原子公司(General Atomics)研制的携带AGM-114“地狱火”(Hellfire)空对地导弹的“捕食者”(Predator)和“死神”(Reaper)等武装无人机或无人驾驶作战飞机,具有强大的实战能力。“捕食者”无人机由位于最多远至12000公里外的操作员通过卫星数据链路远程控制。

另一方面,诺斯罗普•格鲁门公司(Northrop Grumman)研制的“全球鹰”(Global Hawk)无人机,几乎完全自主地运行和发送实时反馈,只需要一个“起飞和着陆”的命令。技术进步使更多的功能和小型无人机系统(SUAS)被部署到战场上。

因此,无人机的角色已经扩大到包括打击任务、压制和/或摧毁敌方防空、电子战、网络节点或通信中继、战斗搜索与救援以及它们的组合。

随着先进技术不断涌现,无人机系统的能力正在日益增强。

如今,一架无人机可以完成一系列任务,包括:打击任务、压制敌方防空、搜索救援和电子战等。

第二次世界大战期间的德国V型炸弹,是第一种无人武器投射系统。尽管在此次战争中许多无人驾驶武器被开发出来,但是都没有投入使用。

最早的作战无人机概念由美国的发明家L•D•福雷斯特(LD Forest)博士提出。当时,这种想法在1940年出版的《大众机械》(Popular Mechanics)杂志发表的一篇文章中提出,并引发了讨论。

现代军用无人机是核物理学家约翰•斯图亚特•小福雷斯特(John Stuart Foster Jr.)的心血结晶,美国国防预研局(DARPA)采用了他的计划,在1971年建造了两架原型机。现代自动驾驶仪、更好的导航技术以及完美无瑕的通信链路的问世,使无人驾驶系统进入了实用阶段。有人驾驶侦察机的高风险,加速了无人机计划的全面发展。

无人机曾经短暂出现在越南的军事行动中。在1982年的“贝卡谷地”行动(Bekaa valley operation)中,以色列首次展示了使用无人机进行实时监视、电子战和诱饵行动。在20世纪80年代末的两伊战争中,伊朗有史以来首次运用武装无人机在战争中发射空对地火箭弹。美国的无人机曾经出现在波斯尼亚的军事行动中。在1991年的海湾战争中,美国海军部署了美国和以色列航空航天工业公司马拉特分部联合研制的“先锋”(Pioneer)无人机。伊拉克战争期间,无人机变得家喻户晓,它们在阿富汗的成功作战运用使其在天空中永久存在。

无人机的情报、侦察与监视(Intelligence,Reconnaissance,and Surveillance,ISR)用途,已经导致它们安装了更多先进的有效载荷。指挥控制能力和传输大量数据的手段相结合,使无人机成为一种强大的平台。今天的无人航空系统(Unmanned Aerial Systems,UAS)大小从几盎司的微型无人机到客机规模,能够完成一系列任务。如果飞行员走出驾驶舱,没有必要安装机载人员支持和接口系统,人类的风险因素也将随之消失。随着空气动力性能提升,重量和总成本也相应降低。它还允许续航时间惊人的增长。不久,“遥控飞机”、“遥驾飞行器”(Remotely Piloted Vehicle,RPV)、“遥驾飞机”(Remotely Piloted Aircraft,RPA),甚至“无人机系统”等术语都在使用。美国联邦航空管理局(Federal Aviation Authority,FAA)和国际民用航空组织都首选保留“飞机”一词,以便其可以适用相同的规则。

目前世界上有60多个国家在使用无人机,有多个国家可以自己制造无人机。

美国是无人机领域的领导者,有超过1万架无人机投入使用,这一数量要比世界其他地区的无人机数量都加在一起还要多。美国武装部队的无人机数量已经超出有人驾驶飞机数量。在阿富汗战区层次的军事行动期间,无人机每年飞行近20万小时。美国是世界上占主导地位的无人机生产国,以色列紧跟其后。通用原子公司、诺斯罗普•格鲁门公司、以色列航空航天工业公司和埃尔比特系统公司(Elbit Systems)是领先的无人机生产商。以色列航空航天工业公司研制的“哈比”(Harpy)无人机、“哈罗普”(Harop)无人机、“搜索者”(Searcher)无人机和“苍鹭”(Heron)无人机在世界各地大量涌现,其中也包括在印度。埃尔比特系统公司研制的“赫尔墨斯450”(Hermes 450)攻击无人机携带两枚导弹。几毫米大小的微型无人机,被用于飞行在房间或者掩体等小范围内窥探视频和音频。无人机目前运行在65000英尺的高度,航程可达5600千米,续航时间长达数天。大多数无人机都是固定翼飞机,但旋翼无人机(RUAV),如诺斯罗普•格鲁曼公司研制的MQ-8B“火力侦察兵”(Fire Scouts)无人机,也正在被使用。越来越多的民事运用,如遥感、林业和土地管理、海岸治安、环境监测、联邦快递和UPS公司采用的物流业务等,越来越受欢迎。现在已经有了一个民用无人机操作员注册协会。

美国空军的《2030无人机远景》文件预测,每种可以想到的飞机功能,包括空运、空中预警机和反空袭等,都可以由无人机机群来处理。2020年,美国将有超过100架“全球鹰”无人机。尽管有人驾驶飞机获得超过90%的资金,但是无人机系统仍然是未来的发展重点,数量将继续增加。

随着有人驾驶和无人驾驶之间的激烈辩论,无人驾驶技术的价值愈发明显。无人机的扩散和成功,已经使人们开始质疑有人驾驶飞机未来的效用。由于国防预算削减和对稀缺资源需求的竞争,这种情况更加突出。2010年,五角大楼有史以来首次采购的无人机多于有人驾驶飞机。无人机已经成为任何空军武器装备中的一个强大组成部分,是全球反恐战争中不可缺少的武器。载人和无人系统的各个优势都可以被利用。在对抗的环境下,载人系统更好,在那种环境下,指挥与控制受限,需要自主性,存在政策限制。在其他地方,遥控航空系统将占据主导地位。

“无人机有着光明的前景,正日益普及和实用,但是任何机器都不可以复制人类的发现和态势感知才能,”印度空军前副参谋长、现任空中力量研究中心主任维诺德·帕尼(Vinod Patney)中将说。今天的技术足以使无人驾驶飞机能够在未知环境中进行独立和复杂的判断,然而这必须同地面上的人工判断联系起来。数据链路可以被拒绝或者欺骗。今天,网络攻击威胁要比“基地”组织更加有效。指挥的延迟即使不能够致命,也能导致严重的威胁。所有的无人机数据要由人来分析和判读。所以,直到今天,无人机只是在非对抗的空域飞行。随着美国军事重点转移到亚太地区,美国空军可能会在不友好的天空中面对敌方战斗机,一些人对无人机仍不能应对这种情况感到迷惘。

从技术上看,无人机的事故率仍然较高。

美国空军无人机事故率为1万小时0.9次,远高于有人驾驶飞机的1万小时0.2次。无人机在着陆阶段或者因数据链路失败而损失太多。但是无人机的安全记录正在迅速提高。自动着陆和更加安全的数据链路,不久会使它们更加安全。“全球鹰”无人机是一种第3类的高空长航时无人机,价格大约为7500万美元,要比许多现代战机更加昂贵。无人机攻击造成的附带损害继续高达32%。当大量平民在一次这样的袭击中丧生时,美国几乎失去了巴基斯坦这个朋友。据报道,无人机每杀死一名武装人员就会杀死50名巴基斯坦平民,命中率只有2%。

无人机已经能够独自起飞与降落,包括在移动的航空母舰上(诺斯罗普·格鲁门公司研制的X-47B无人机)。自主空中加油将使无人机执勤时间能够长达几个月,让它们能够承担起从战斗到货物运输的所有任务,分析师丹•帕森斯(Dan Parsons)说。

美国已经将F-4战斗机和F-16战斗机改装成遥控驾驶。

在法国,达索公司领导着一项多国的“神经元”(Neuron)三角翼无人机项目,这种无人机大小同“幻影2000”战斗机相当。

英国的“雷神”(Taranis)战略无人机(Strategic Unmanned Air Vehicle, SUAVE)项目由BAE系统公司领导,GE航空集团、罗尔斯-罗伊斯公司和奎奈蒂克公司(QinetiQ)公司合作参与。这种无人机将是一种自主的超音速隐形轰炸机,具有洲际航程。

美国国防部也正在研究在发现目标1小时内完成目标攻击的高超音速(6-20马赫)航空装置。美国空军的新型远程打击轰炸机很可能是可选择有人驾驶轰炸机。洛克希德•马丁公司(Lockheed Martin)和波音公司(Boeing)很可能合作开发该项目。诺斯罗普•格鲁门公司将成为第二个投标商。需求方案说明书回应将在2014年底完成。

《无人机系统路线图》描述了美国陆军在未来三十年几乎完全实现无人飞行的巨大转变。

美国空军的愿景文件《美国空军无人机系统飞行计划体系2009-2047》说,到2047年,包括重型运输在内的每一项任务都将实现无人化。

印度空军前副参谋长N•V•特亚吉上将认为,“明显的转变有利于无人系统。由于预算的限制,只有美国和以色列已经能够分配资源用于研发。由于这些机器将继续执行相同的基本功能,这只能意味着用处理器取代人。这种转换可能简单且顺利。”无人机已经变成太有吸引力和太强大的军事资产,以至于任何重要的大国都不能忽视。转折点就是现在。在2011财年,美国空军装备了255架现役“全球鹰”、“捕食者”和“死神”无人机。到2017财年,这一数字预计将增长到420架。在2011年,美国空军培训的无人机操作员数量,在历史上首次超过培训的战斗机飞行员和轰炸机飞行员数量总和。洛克希德•马丁公司研制的“海上幽灵”(Sea Ghost)舰载空中监视与攻击无人机看起来更像一架隐身轰炸机,预计将携带重1000磅武器的挂架。波音公司研制的“幻影之眼”(Phantom Eye)无人机,被当作战场上空的眼睛使用。它是一种高空长航时(HALE)无人机,可以在天空中连续飞行4天。

无人机不只是陆军和空军在使用,美国海军也投入巨资开发多种类型的无人机系统,包括:广域海洋监视(BAMS)无人机、无人战斗机验证机(UCAS-D)、垂直起降战术无人机(VTUAS),小型战术无人机(STUAS)和航母搭载的非隐身无人机等。

舰载无人机以成本低、体积小、作战使用灵活、费效比高、可避免人员伤亡等优势,得到世界各国海军的广泛认可。在1991的海湾战争中,“威斯康星”号和“密苏里”号战列舰凭借其无人机的杰出性能,充分发挥了406mm巨炮的火力,给伊拉克军队造成很大损失。舰载无人机向全世界展示了用于海战的广阔前景。可以预见,无人机将成为未来舰载武器系统中不可替代的重要组成部分。

无人机不只是在军事上证明了自身价值。据美国国防安全合作局(U.S. Defense Security Cooperation Agency)称,世界上195家公司生产了大约600种型号的无人机系统。太阳能无人机将是在不久将来的重大技术进步之一。双重用途的可更换飞机正在研发之中,这种飞机可以迅速从有人驾驶状态转换到无人驾驶状态。宇航环境公司(AeroVironment Company)研制的“大乌鸦”(Raven)、“美洲狮AE”(Puma AE)和“黄蜂”(Wasp)无人机系统,为小型无人机系统在最艰难的条件下能够完成那些任务设定了标准。小型无人机系统可以在白天或晚上快速发射,以提供精确态势感知能力。它们还可以监视边界,保护公民,监察公用事业资产,或者找到迷失和遇险的人员。美国国防高级研究计划局正在开发一系列能够发射和回收作战无人机的海军船舶,从而无需使用航空母舰。无人机也确保了没有“舆论敏感”的裹尸袋被运回。这也意味着,看似光明且安全的打击,使美国可以永远处于超出国会审议范围的没有人员在地面上的战争中。“当一架K-Max直升机首次向一个未指明的基地,成功地交付了吊索悬挂的食品、弹药和药品时,北约的后勤人员在阿富汗达到了一个重要里程碑,伸手触到了一只机器人战争‘圣杯’”,战略作家克·莱迪洛(Clay Dillow)说。将来,无人机也将担负起低价值测试平台的角色。它们将作为“风洞和各种各样的高风险技术有人驾驶飞行测试之间的桥梁”。无人机群将主宰未来的天空。协调飞行的成群无人机,能够给农作物授粉,监控交通流量,或者实施饱和打击。

今天,各国为自己的武装力量装备各种无人机已经成为一个稳定的趋势。原因并不在于无人机在今天是个时髦的话题,也不在于最高层也在谈论无人机,而在于,当前和未来技术的发展使无人机能够成功地发挥以前部队和装备不能实现的功能。例如,无人机在执行侦察、监视任务时显示出了很高的效能。无人机已成为“空中千里眼”,能使地面操纵员实时跟踪和监控预定区域或预定航线上情况的发展。

无人机执行打击任务的能力在逐年雪崩式地提高。

无人机数量相应地也在增加。

例如,根据五角大楼的计划,未来30年美军装备的无人机数量将增长3倍。

无人机的主要优势在于无人驾驶,因而军人的生命不会因无人机所执行的任务复杂和困难而受到威胁,这是专家们所公认的。无人机能在放射性和化学沾染区域行动。不需要复杂的机组人员生命保障系统。危急时无人机随时都可以牺牲。由于具有这些优势,无人机正在逐步具备许多有人驾驶飞机的功能。世界小型无人机发展经验证明,15-20年后,小型无人机可能执行绝大多数目前由有人驾驶飞机执行的任务,某些特殊任务除外,例如运送伤员。

与此同时,国外军事专家对于未来军用无人机的评价并不完全绝对。例如,2003年美国陆军对无人机和RAH-66“科曼奇”未来陆军侦察直升机的能力进行了比较研究。在比较试验过程中发现,无人机只能有效完成:67%的战场侦察任务,50% 的军队警戒任务,25%的作战摧毁任务。因此得出的结论是:无人机不能完全取代陆军航空兵武装直升机,它只能作为对后者能力的补充来使用。

尽管有了野战试验的客观结果,但无人机还是被寄予了厚望。

原因已经说了:无人机简便、便宜、人员生命所面临的风险更小,也就是说,无人机更高效。

文章来源:《武器与装备研究选编》国际防务科技丛书(2015年第5期,总第15期)中国电子科学研究院管理研究中心编译/ 图片来自于原报告或互联网。

《武器与装备研究选编》

第一部分:美国航母研究报告

《武器与装备研究选编》

第二部分:国外预警机研究报告

国外预警机研究报告(一):发展历程+预警机地图

国外预警机研究报告(二):美国E-3系列“望楼”预警机

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