2021年国外军用无人机装备技术发展综述

发布日期:2022-08-14 00:47    点击次数:58

图片

来源:战术导弹技术作者:朱超磊,袁成,杨佳会,康国卫

 摘 要:2021年以来,国外先进军用无人机装备在多个领域及技术方面取得重大突破。从无人僚机、空射无人机、垂直起降无人机、无人加油机、太阳能无人机等方面针对2021年度军用无人机装备技术最新进展情况进行梳理归纳,总结分析美国等军事强国在无人机领域重要发展方向。外军聚焦新质无人作战力量开展大量技术攻关、能力验证和型号研制工作,以无人化智能化为发展核心,以期在短期内发展出谱系完整的无人装备体系,持续塑造新型战场优势,极大拓展未来空中战场复杂性。

关键词无人机;蜂群;忠诚僚机;空中加油;垂直起降;智能空战;协同

图片

1 引 言

    

图片

   

21世纪以来,军用无人机装备在世界范围内迅速扩散,频繁出现在阿富汗、叙利亚、利比亚等局部地区战场,由执行情监侦等支援性作战任务向火力打击等主战任务转变,应用潜力不断提升。此外,人工智能、飞控导航、网络通信等技术的发展,加快了无人机装备能力提升,使其任务谱系日益完善,先后发展出低成本可消耗无人机、无人僚机、无人加油机、空射无人机等多种新质装备,衍生出有人无人协同、无人机蜂群等新型概念,使无人机装备运用形式不断拓展,加速推动无人化智能化战争时代到来。

图片

2 无人僚机

    

图片

   

无人僚机是指可与有人作战飞机密集编队、高效协同,遂行制空作战、防空压制、空中护航等作战任务的无人机系统。2009年,美空军正式提出“忠诚僚机”作战构想,一方面,可以解决有人机服役规模有限、飞机老龄化等问题;另一方面,通过发展新质无人作战力量,构建有人无人协同的作战形态,支撑争议地区的自由军事行动,颠覆未来空战样式。

2.1 俄罗斯“猎人”无人机

S-70“猎人”重型无人机是由俄罗斯苏霍伊设计局研发的无人作战飞机,采用无尾飞翼式气动布局,机长14 m,翼展19 m,最大起飞质量20 t,可独立遂行制空作战、防空压制等战场任务,也可与苏-57战斗机协同编组运用,首架原型机于2019年首飞。2021年,俄罗斯新西伯利亚航空工厂完成第二架预生产改进型S-70“猎人”无人机总装,该架机与首飞型具有明显结构差异,预计于2022年初开展系列地面和飞行测试,并计划2024年列装俄罗斯部队。

2.2 土耳其“旗手”无人战斗机

2021年8月,土耳其贝卡尔公司首次公开“旗手”(MIUS)新型无人战斗机,该机设计飞行高度12192 m,续航时间5 h,巡航马赫数为0.8,最大飞行马赫数为1,最大任务载重1500 kg,可装配空空导弹、空地导弹等精确制导炸弹,遂行进攻性制空、防空压制、近距空中支援等作战任务,该公司计划2023年完成原型机首飞。

图片

▲ 图1   土耳其贝卡尔公司“旗手”无人战斗机概念图

2.3 “天空博格人”系统

“天空博格人”(Skyborg)系统是美国空军研究实验室最新研制的无人自主空战系统,旨在将人工智能等算法集成于低成本可消耗无人机等平台,提供强对抗战场环境下具备高度自主水平的无人作战装备。2021年以来,美军持续推进“天空博格人”系统研发工作,运用多型无人平台开展“自主核心系统”(ACS)试飞验证,加快推动自主核心系统实战化能力生成。

2021年4月,“天空博格人”项目团队使用克拉托斯公司研制的UTAP-22“灰鲭鲨”无人机,在佛罗里达州廷德尔空军基地完成了历时2 h 10 min的“自主核心系统”首飞测试,验证了包括导航飞控、包线适应、地理栅栏响应等一系列能力。8月,美空军分别授予克拉托斯公司和通用原子系统公司一份总额1320万美元和700万美元的”天空博格人”项目合同,以支持其在2022财年开展“自主核心系统”平台集成和作战试验。10月,测试团队首次完成“天空博格人”系统有人无人编组飞行试验,操作人员在“空中国王”200公务机上使用一台RCU-1000平板电脑操控MQ-20无人机验证了协同机间通信、态势感知、操纵控制等能力。

2021年9月,诺格公司提出Model 437无人机概念,旨在响应美空军“天空博格人”项目需求,探索具备一定隐身能力、可自主执行情监侦和空中护航等作战任务的新型无人系统。Model 437无人机在缩尺复合体公司的Model 401飞机基础上改进而来,单机成本将控制在500~600万美元,改装工作将耗时14个月。Model 401飞机机长11.6 m,翼展11.6 m,巡航速度720 km/h,可携带907 kg燃料,续航时间4 h,最大起飞质量3630 kg,最大有效载荷907 kg(内埋),动力系统为1台可提供13.2 kN推力的惠普JTD-15D-5涡轮发动机。

图片

▲ 图2   诺格公司Model 437无人机概念图

2.4 低成本可消耗无人机

低成本可消耗无人机是美空军研究实验室综合数字化、低成本、模块化等发展理念提出的新型无人机系统,是无人僚机的重要潜在平台。美空军设立专门研究项目,探索和验证有限寿命/架次的低成本开发技术、新式航空武器研发和采办流程,加速能力生产。美空军和克拉托斯、波音等公司持续加大在该领域投入,先后提出XQ-58A“女武神”、“空中力量编组”(ATS)、“空狼”无人机等平台,并相继由技术验证转入原型试飞和批量生产。

2021年3月,美空军研究实验室在犹他州尤马试验场完成XQ-58A“女武神”无人机第六次飞行试验,进一步扩展了该机的飞行高度和速度包线,并在飞行中打开内置弹舱发射“阿尔提乌斯”-600无人机,首次展示了XQ-58A无人机内埋弹仓的挂载能力。2021年11月,克拉托斯公司启动XQ-58A第2生产批次规划,预计2022年启动制造工作。此前,美空军寿命周期管理中心曾与克拉托斯公司签订3770万美元的采购合同,依计划,该公司年内将完成6-10架XQ-58A“女武神”无人机交付工作。

图片

▲ 图3   克拉托斯公司研制的XQ-58A无人机

2021年8月,克拉托斯公司“空狼”低成本可消耗战术无人机在美国俄克拉荷马州伯恩斯弗拉特靶场完成首飞,测试多型任务载荷和人工智能/自主软件系统。10月,美空军研究实验室授予克拉托斯公司一份总金额1767万美元的合同,设计和开发“机外传感站”(OBSS)项目,以验证基于开放式架构的低成本可消耗无人机概念,实现新系统的低成本采购和快速投产目标,项目将于2022年10月完成。

图片

▲ 图4   克拉托斯公司“空狼”无人机示意图

波音澳大利亚公司于2019年启动了ATS无人机系统研制计划,旨在开拓其“忠诚僚机”无人机全球市场,该机由波音公司联合澳大利亚数十家企业开展研制,已获澳大利亚皇家空军支持,并参与英国皇家空军轻型可消耗新型战斗机(LANCA)计划竞标工作,其衍生产品将参与“天空博格人”项目竞标工作。2021年2月,波音澳大利亚公司在澳皇家空军基地完成ATS原型机首飞。11月,完成双机编队试飞,期间开展了一系列关键系统性能测试和飞行数据采集,试验数据用于波音公司数字孪生相关技术研究,以支持从开发设计到生产维护的全寿命周期数字建模。

图片

3 空射无人机

    

图片

   

空射无人机是指主要由有人或无人空中载机平台挂载并实施空中发射的一类无人机,一般采用不回收、地面或空中等多种回收模式,此类无人机可携带红外/光电雷达、电子战等载荷,抵近敌防区, 克里斯托弗李执行预警侦察、通信中继、火力打击、电子战、诱饵等作战任务,大幅拓展有人机态势感知、通信等能力,提高任务安全性。2021年,国外发展出多型空射无人机平台,并突破空中回收等关键技术,发展极为迅速。

3.1 “远射”无人机

“远射”无人机是DARPA提出的一种新型空射无人机武器系统,旨在探索由有人机、无人机和中远程空空导弹组成的多杀伤路径、多交战目标、多运行模态的新型空中交战概念。“远射”无人机可由运输机、战斗机等在交战区外空中投放,挂载不少于2枚空空导弹,与先进隐身战机等协同执行制空等作战任务,大幅拓展有人机的打击范围和生存能力。DARPA在2021财年预算中提出了2200万美元的“远射”无人机项目预算需求,依计划,项目将分三个阶段进行,先后完成初步方案设计审查、详细方案设计开发和全尺寸验证机研制试飞等工作。

图片

▲ 图5   “远射”无人机概念图

2021年2月8日,DARPA分别向通用原子系统公司、洛马公司和诺格公司授出“远射”无人机项目第一阶段合同,以支持开展该武器系统初步设计与研发。依据DARPA公布的概念方案,“远射”无人机外形类似AGM-158联合防区外空面导弹(JASSM),机身上部安装可折叠后掠式机翼,采用背负式进气道设计,配装一台喷气式发动机,推测具备一定的亚声速巡航和隐身突防能力。随后,通用原子系统和诺格公司分别公布了其“远射”无人机概念,与DARPA的方案类似,两个新方案均采用隐身设计方案,携带内埋式武器舱,安装V型尾翼,可发射小型中程空空导弹。

3.2 “小精灵”无人机

X-61A“小精灵”无人机是戴内提克斯公司为DARPA研制的可空中投放和回收型无人机,旨在验证空中投放回收、先进飞行控制、低成本可消耗设计等多项关键技术,项目于2016年启动,2019年以来开展大量飞行试验。2021年10月,DARPA成功完成C-130运输机空中回收X-61A“小精灵”无人机试验,验证了无人机空中回收技术的可行性。

“小精灵”无人机的回收系统包含了夹持装置、拖曳装置、稳定装置和C-130货舱内的装载系统等,试验共完成四次飞行测试,收集了包括平台性能、回收装置、气动参数等相关实验数据。试验期间,DARPA回收并维修了一架X-61“小精灵”无人机,在24 h内完成第二次部署使用。一架无人机因电气系统故障在此次飞行试验中坠毁,表明美军虽然已解决“小精灵”投放回收关键技术,但距成熟化实战运用仍有差距。

图片

▲ 图6   戴内提克斯公司研制的“小精灵”无人机

3.3 “阿尔提乌斯”无人机

“阿尔提乌斯”(ALTIUS)系列无人机是艾利尔埃公司研制支持美空军“空中发射管式无人机系统”项目的小型空射无人机,目前已发展出“阿尔提乌斯”-600和“阿尔提乌斯”-700等多型,该系列无人机可储存在美空军通用发射管系统,由美军C-130运输机、AC-130J炮艇机、UH-60直升机、P-3巡逻机等进行空中投放,执行情监侦、电子战等作战任务。

2021年8月,艾利尔埃公司完成“阿尔提乌斯”-700型空射无人机首飞,该机翼展3.66 m,可携带18 kg的模块化载荷,续航时间1~5 h,可灵活更换任务载荷及电源模块,可手抛或由发射箱发射。10月,该公司在美陆军亚利桑那州尤马试验场使用“阿尔提乌斯”-600无人机成功完成“微型枪”电子战系统演示验证。期间,无人机鼻锥中的模块化电子战载荷在90 s内“精准”定位雷达位置,展示了小型无人机的探测、识别、定位等任务能力。11月,DARPA在尤马试验场完成了UH-60A“黑鹰”直升机发射两架“阿尔提乌斯”-600无人机试验,并测试了协同对地监视能力。

3.4 “郊狼”无人机

2015年,美国海军研究办公室启动“低成本无人机蜂群”项目,选择雷锡恩公司开发“郊狼”小型蜂群无人机,课程分类此后该公司在项目基础上开展了空射型“郊狼”无人机研制工作。2021年9月,雷锡恩公司完成了空射型“郊狼”无人机首飞,验证了平台性能、载荷等多项能力。该机可为AH-64“阿帕奇”直升机、MQ-1C“灰鹰”无人机和下一代“未来攻击侦察机”提供拓展的情监侦、通信中继、火力打击等能力。雷锡恩公司在系统研发过程中采用了模块化、开放式系统架构,实现了载荷、计算机和制导等模块的高效集成。

3.5 “闪电”无人机

2021年8月,俄罗斯无人机制造商克朗施塔特集团公司公开“闪电”蜂群无人机模型。该机采用折叠机翼和V型尾翼布局,装配喷气式发动机,机长1.5 m,翼展1.2 m,巡航速度600~700 km/h,有效载重约5~7 kg。“闪电”无人机采用了隐身涂层、扁平尾喷管和背负式进气道等多项隐身技术,具有较小的雷达反射和热辐射信号特征,具备强对抗环境下的作战能力。该机已发展出侦察型、打击型和电子战型,可由运输机、战斗机、大型无人机等平台挂载,部署灵活,每架苏-57战斗机可携带8架“闪电”无人机。

图片

4 垂直起降无人机

    

图片

   

垂直起降无人机具备可不依赖跑道起降、可悬停等优势,为地面和海上作战部队提供近距空中情监侦、物资投送、通信中继等支持,提升部队的灵活部署和机动能力。近年来,美海军、陆军等大力发展垂直起降无人机,提升未来复杂战场适应性。

4.1 V-BAT无人机

2021年4月,美海军选定马丁无人机公司的V-BAT无人机进行垂直起降原型机设计和开发工作。马丁无人机公司发布最新型V-BAT 128无人机采用尾坐式设计,翼展3 m,有效载重11.3 kg,续航时间11 h,最大飞行速度约167 km/h,实用升限约6100 m。无人机采用模块化任务载荷设计,两名操作人员在30 min内即可完成组装。

图片

▲ 图7   马丁无人机公司的V-BAT无人机

2021年5月,美陆军发布信息征询书,寻求加快“未来战术无人机系统”(FTUAS)项目进度。8月,陆军需求监督委员会签署“能力发展概要文件”,正式批准“未来战术无人机系统”项目需求,该项目转入快速原型阶段。美陆军已于2019年在五个旅级部队开展了四种FTUAS竞标机型的演示和试验活动,其中包括了马丁无人机公司的V-BAT无人机,陆军计划2024财年选择最终中标方案并启动全速率生产。

4.2 VOLY系列无人机

2021年8月,美国Volansi公司完成首次海军和海岸警卫队舰艇间无人机自主货物投送试验,验证了美军新型海上后勤运输补给方式。Volansi公司新任首席执行官是美空军前任采购、技术和后勤助理部长威尔·罗珀,该公司此前曾获美空军小型企业创新研究合同。演示活动共展示VOLY C10和VOLY M20两型垂直起降无人机,其中C10无人机机长2.1 m,翼展2.93 m,航程约80 km,可携带4.5 kg载荷。M20无人机航程约560 km,续航时间8 h,可携带9 kg货物和4.5 kg传感器载荷。

4.3 KARGO无人机

2021年9月,卡曼公司推出了KARGO无人机,面向军用和商业市场,可满足海军陆战队和陆军对于自主货运无人机的潜在需求。该机采用折叠式旋翼设计,机长和机宽均为4.7 m,最大飞行速度224 km/h,空重607 kg,有效载重362 kg,安装一台功率223 kW的涡轮发动机,携带外部燃料情况下航程可达960 km。KARGO无人机可由标准集装箱运输,两名操作员即可完成装卸,目前卡曼飞行器公司正在开展2:1缩比验证机试飞工作,计划2022年开展全尺寸验证原型机试飞。

图片

▲ 图8   卡曼公司开发的KARGO无人机

图片

5 无人加油机

    

图片

   

加油机已成为战斗机、轰炸机等空中作战平台远程打击的重要支援力量,随着人工智能、飞行控制、目标检测等技术快速发展,无人加油机相关技术不断成熟。美海军重视远海作战能力建设,大力发展MQ-25A“黄貂鱼”无人加油机,提升航母舰载机联队在强对抗环境的体系作战效能。2021年3月,美国海军提出在古牧角文图拉基地部署20架MQ-25A“黄貂鱼”无人加油机的发展计划,以拓展其西海岸航母联队的作战半径和覆盖范围。

2021年以来,美海军与波音公司开展多项MQ-25A“黄貂鱼”飞行测试,验证了包括密集编队协同、尾流测试、锥套跟踪对接、空中受油等多项关键技术。6月,波音公司MQ-25 T1原型机完成对F/A-18F舰载战斗机空中加油试验,实现历史首次无人机对有人机空中加油;8月,波音公司MQ-25 T1原型机成功完成对E-2D预警机空中加油试验;9月,首次完成对F-35C隐身战斗机的空中加油测试。一系列试验表明,美海军MQ-25A无人加油机已初步具备对其航母舰载机联队三型主要机型的空中自主加油能力。

图片

▲ 图9   MQ-25A无人机为F-35C完成空中加油

2021年10月,美海军为MQ-25A“黄貂鱼”舰载无人加油机研制的新型“甲板控制装置”完成为期数天的演示验证,该系统可配合MQ-25A进行一系列模拟甲板调运与操控活动,支撑MQ-25A舰上测试工作。12月,美海军MQ-25 T1原型机在弗吉尼亚州诺福克海军基地的“乔治·布什”号航母上首次完成甲板调运测试。

图片

6 太阳能无人机

    

图片

   

太阳能无人机具有续航时间长、飞行高度高、翼展大、质量轻、高升阻比等特点,可实现数十天甚至数月的长久滞空,执行高空持久情监侦、通信中继等任务,以应对卫星等天基情监侦装备通信被降级风险,具有极高应用潜力。

2021年4月,美海军和中央司令部联合发布方案征询公告,寻求使用人工智能技术提升无人系统遂行平流层战略情监侦任务的解决方案,该计划由中央司令部和海军水面作战中心牵头,旨在通过平流层太阳能无人机或气球提供战场早期威胁预警和情报支持,还可作为通信节点为地面部队构建平流层通信中继和数据传输网络,提升广域态势感知能力。

2021年4月,德国航空航天中心提出开发高空伪卫星“阿尔法”(HAPS Alpha)平流层太阳能无人机。该机翼展27 m,最大飞行高度达20 km,质量约36 kg,有效载重5 kg,可换装多型任务载荷。研究团队正在开展关键设计审查,以验证详细设计方案是否可达预期目标。按计划,该机将于2022年底首飞,后续同步开展各阶段飞行试验。

图片

▲ 图10   德国航空航天中心高空伪卫星“阿尔法”示意图

2021年8月,美海军授予Skydweller航空公司一份500万美元的太阳能无人机演示验证合同,计划2022年第2季度前完成系列演示。该公司研制的Skydweller太阳能无人机于2020年12月完成首飞,2021年4月完成包括飞控、传感器、自主能力等在内的一系列试飞验证工作。Skydweller无人机翼展72 m,设计使用高度为9100~13700 m,最大任务载重363 kg,最大起飞质量2495 kg,该机可携带多类任务载荷,遂行情监侦、通信中继、灾害监测、地理测绘等任务。

2021年9月,空客Zephyr S“西风”太阳能无人机完成年内最后一次试飞活动,使其平流层总飞行时间达2435 h,并创造了23195 m的同类无人机绝对飞行高度纪录,该机还保持着此前创造的25天23 h 57 min空中不加油续航纪录。“西风”无人机采用超轻碳纤维材料,质量不足75 kg,翼展达25 m,该机已获美国联邦航空管理局运行许可,可满足A类空域使用条件以及空中交通管制系统和交通防撞系统的互操作要求。此次试验中,空客公司验证了基于5G的数据传输能力,验证了在2 GHz频谱下使用高空伪卫星提供数据服务的可行性,测试了450 MHz窄波段下长达140 km的通信连接能力,还测试了平流层精确机动和位置保持等多项控制能力。

图片

▲ 图11   空客公司研制的“西风”太阳能无人机

图片

7 主要趋势

    

图片

   

2021年以来,无人机装备技术发展迅速,新质无人机系统不断涌现,人工智能等新兴技术应用日益广泛,有人无人协同能力持续提升,实战化和主战化趋势十分明显,逐渐发展为航空装备体系重要组成,重塑未来空战模式。

7.1 强化智能自主,提升无人机作战效能

传统无人机装备多采用预编程或人员操控模式执行侦察监视、目标指示和火力打击等作战任务,自主化水平相对较低,依赖人在环路控制,对数据链路带宽和时延要求较高,难以在强对抗战场环境和复杂作战任务中充分发挥作战效能。近年来,人工智能技术不断发展,智能算法开始大量应用于图像识别、目标分类、自主决策等任务领域,国外通过开展空战进化、“天空博格人”、进攻性蜂群等项目,充分发挥无人机类型丰富、研制周期短、新技术迭代快等优势,发展具备自主遂行近距空中格斗、空中加油、情监侦等能力的无人装备,减轻指挥和操控人员任务负担,提高战场任务效率。

7.2 注重人机协同,构建新型航空装备体系

国外重视无人机与有人机、无人机与无人机的协同运用能力,大力发展无人僚机、无人蜂群、空射诱饵、无人加油机等新质装备,构建具有集群化、分布式特征的空中作战体系,实现有人作战装备的能力倍增。美军战略与预算评估中心发布的《美空军未来战斗空中力量的五大优先事项》提出了多种无人机与有人机协同运用概念,包括RQ-4、MQ-9等大型固定翼无人机携带情监侦、电子战等载荷,协助执行国土防御任务;携带空空导弹和激光武器的无人僚机与战斗机协同,为预警机和大型加油机提供空中护航;无人僚机与战斗机编组进入强对抗环境,执行进攻性和防御性制空作战任务;无人机作为多域指控的网络节点,接入天基网络、E-3G等战场管理指控节点和地面站,协助执行远距探测任务等。

7.3 强调低价高效,发挥无人机低成本优势

国外近年来高度重视空射无人机、蜂群无人机、可消耗无人机等小型化、低成本无人机装备发展,不断提升中小型无人机任务能力,探索诱饵战、蜂群战等新型作战形态,谋求构筑高强度作战环境下的规模化优势。例如,美军X-61A“小精灵”无人机单价低于70万美元,XQ-58A“女武神”无人机低于200万美元。为实现无人装备的低成本化目标,国外采用多种设计研发手段,包括:一是大力推进数字工程,从论证分析、总体方案、详细设计到生产制造全面采用数字模型,实现降本增效;二是采用有限寿命设计方法,例如空军XQ-58A“女武神”发动机等核心部件使用寿命约20~50次,可大幅降低运行和维护成本;三是大量使用成熟任务载荷,国外生产商通常根据任务需求,大量使用成熟的货架产品和商用软件,大幅降低升级和损耗成本。

图片

8 结束语

    

图片

   

无人化智能化已成为未来重要发展方向,美国等军事强国围绕无人作战飞机、忠诚僚机、无人蜂群、空射无人机等新质无人作战力量开展大量技术攻关、能力验证和型号研制工作,瞄准未来大国间强对抗战场环境,研发具备一定隐身、自主和互用能力的无人平台,可在短期内发展出覆盖高中低空、大中小型、战略战术战役级的无人装备体系,持续塑造新型战场优势,极大拓展未来空中战场复杂性。

图片



相关资讯