无人机本文2006-03-20收到,作者分别系中南大学机电工程学院讲师、教授和副教授无人机发展现状及相关技术邹湘伏 何清华 贺继林摘 要 较详细地论述了无人机的发展现状以及无人机技术要素,并从无人机技术发展的角度分析了无人机的发展趋势。

关键词 无人机 无人机技术 发展趋势引 言信息是决定现代和未来战争胜负的关键因素,谁能夺取信息优势,谁就能掌握战争的主动权。

要打赢未来高技术条件下的信息化战争,只有最大限度地获取更多更准确的信息,为战争决策所用。

无人机正是能够满足这一需求的有效手段。

随着信息技术、电子技术、计算机技术等高新技术在航空领域的广泛应用以及现代战争的需要,无人机的应用范围和性能都将得到不断提高和扩展。

本文针对国外近年出现的无人机新动向,就无人机的发展现状和无人机技术以及无人机的发展趋势进行了论述。

1 无人机的发展现状无人机的发展至今已有80余年的历史。

最早的无人机就被人们用于军事侦察。

迄今为止,无人机已经历了五次局部战争的实战使用考验。

在20世纪60年代的越南战争、70年代的中东战争、90年代的海湾战争和科索沃战争及本世纪的阿富汗战争中,无人机卓有成效地执行了多种军事任务,如照相侦察、撒传单、信号情报搜集、布撒雷达干扰箔条、防空火力诱饵、防空阵地位置标识、直升机航路侦察,为武器系统提供目标定位、目标指示、目标动态监视和目标毁伤评估的实时情报。

无人机以突出的战绩使各国高层军事首脑对它刮目相看,对其作为军队战斗力倍增器的作用与地位及其潜在的军事价值取得了共识,从而为无人机的迅速发展提供了强大动力。

据统计,从1990年到2010年,世界上小型无人机的数量将以每10年翻一番的速度发展。

1990年为2.5万架,2000年已超过4万架。

预计到2010年将达10万架以上,加上中型和大型无人机,数量将达到12万架,将超过全部有人驾驶飞机1倍以上。

目前,世界各国军用无人机尤以美国和以色列发展最快,西欧和一些发展中国家也有不同程度的进展。

目前全球无人机已发展到了200多种型号。

当前军用无人机的种类繁多,还掺杂许多改型机,因此其分类标注和方法也多种多样。

一般以无人机续航时间(航程)或军事用途两种分类方法应用比较普遍。

2 无人机的种类根据军事用途分,无人机可分为以下几类。

2.1 靶机靶机是发展较早的无人机,主要是用来模拟各种飞机和导弹的飞行状态和攻击过程,鉴定各类航空武器的性能和训练战斗机飞行人员、高炮和地空导弹及雷达的操纵人员,也可研究空战和防空战术。

随着武器性能的不断提高,促使靶机不断地更新换代。

近年出现的有:美国特里达因 瑞安公司的高空高速AQM 281A 靶机、法国航空航天公司导弹分部的用于新一代空空导弹的CT-22靶机、英国空中加油公司的新式亚声速空中靶机(ASA T)、日本富士重工业公司用于空空导弹训练的空中发射一次性使用XJ AQM 21靶机等。

此外,还有由空地导弹改成的靶机,如法国的CT -20和CT-30靶机,就是分别由AS -20空地导弹和AS-30空地导弹改成的,主要用于地空武器的研制试验和训练防空人员;澳大利亚的图尔纳(Turna )靶机也是在依卡拉反潜导弹的基础上改成的。

靶机为新型战术导弹在研制过程中的试验、鉴定和性能评估提供了逼真的模拟设备,保障了新型号研制的顺利进行,同时也大大降低了研制费用。

2.2 无人侦察机主要用于战略、战役和战术侦察以及战场监视,为部队的作战行动提供情报。

无人侦察机目前门类比较齐全,并在实战中大量应用。

它很少受气候条件的限制,能潜入敌目标上空进行昼夜侦察,并向作战指挥中心准确地传输实时目标图像和信息,使战场指挥官及时掌握战场情况,制定作战计划,为取得战斗胜利起了决定性作用。

在20世纪70年代的中东战争和1982年的以色列对叙利亚的局部战争中,利用无人机提供的作战支援所取得的成功战例,使无人侦察机的身价倍增。

在最近多次局部冲突,特别是在海湾战争和阿富汗战争中,无人机根据战场侦察信息引导攻击战斗机成功摧毁了多处重要的军事目标,在战场上无人侦察机大显身手,发挥了重要作用,为解决高精度、低人员风险的侦察任务开辟了广阔的前景。

目前,无人侦察机已成为无人机中占比例最多的机种,也是实战中使用最多的机种,已成为当今发展的主流。

2.3 诱饵无人机诱饵无人机主要功能是:诱使敌雷达等电子侦察设备开机,获取有关电波信息;模拟显示假目标,引诱敌防空兵器射击,吸引敌火力,消耗敌人防空武器,掩护己方机群突防1982年6月,以色列对部署在黎巴嫩东部贝卡谷地的叙利亚地空导弹阵地实施大规模空袭前,先派无人机从1500m的高度进入贝卡谷地上空,发射酷似以色列战斗机大小的电子图像,诱使叙利亚导弹阵地的雷达开机并发射地空导弹;同时,以色列又派侦察兵无人机获取叙方雷达位置、信号频率等信息,并把这些信息及时传给地面作战指挥中心。

以色列出动一批战斗机,只用了6m i n就使叙利亚19个导弹阵地化为乌有。

这场惊心动魄的闪电战使无人机名声大振。

在中东战争中,以色列使用鹧鸪(Chukar)、侦察兵等无人机实施诱骗并摧毁埃及、叙利亚的地空导弹阵地。

美国在海湾战争中利用鹧鸪诱饵无人机与反辐射导弹配合,成功地摧毁了伊拉克防空系统的雷达。

利用战术空中发射诱饵(TALD)无人机,进行佯攻欺骗,掩护轰炸机对伊实施轰炸。

在这些战争中,诱饵无人机大显身手。

2.4 电子对抗无人机电子对抗无人机用于电子侦察和电子干扰。

如将无人机用作反辐射武器,反辐射无人机的出现更使敌方雷达不敢轻举妄动。

这种无人机属于电子战系统中的硬杀伤武器,它攻击距离远,续航时间长,从敌方防区外发射,攻击敌警戒引导雷达、目标搜索雷达和拦截指挥雷达等。

它的可多次进攻特性,成为反辐射武器的一个发展方向。

它的大量使用可给敌防空系统造成巨大的压力。

目前美国、德国、英国、法国、南非、以色列等国都已有了这种反辐射无人机。

雷达对抗无人机,主要用于雷达侦察、干扰。

它携带雷达侦察和干扰设备,对敌地面雷达进行侦察、积极干扰或消极干扰,携带雷达回波增强器或红外模拟器,模拟空中目标,欺骗敌方雷达和导弹。

目前用作雷达对抗的无人机有先锋、褐雨燕、天眼、勇敢200、勇敢300和独联体的UR21等无人机。

2.5 无人战斗机(UC AV)无人机和战斗机的结合,构成了一种全新的武器系统 无人战斗机。

它一般携带小型和大威力的精确制导武器、激光武器或反辐射导弹,能够攻击、拦截地面和空中目标。

无人战斗机是下一代战斗机的发展方向,各国无人战斗机设计构想多数尚处于论证、研制和试验阶段,其中最典型的有美国诺格公司为海军设计的X-47;波音公司准备将JSF战斗机改装为两种成本较低的无人驾驶战术战斗机;欧洲国家在研制出第四代战斗机EF2000和阵风之后,英国和法国决定联手研究一种具有强大攻击力的无人驾驶航空器。

携带各种武器的无人机将于2007到2025年投入实战。

3 无人机技术3.1 无人机气动布局设计技术飞机总体设计的主要任务是选择飞机的布局,计算机辅助确定飞机总体设计参数的最佳组合,以满足飞机的性能要求。

无人机的设计和有人驾驶飞机一样,在初始阶段都需要对大的方案进行分析、比较和论证;需要对飞机的气动特性、动力特性、质量特性和飞行性能等进行估算。

计算机辅助进行总体设计参数优化的好处是能对众多可行方案进行快速比较,寻找最优方案。

从而发掘方案潜力,提高设计质量,缩短设计周期,降低设计成本。

与有人驾驶飞机相比,无人机有许多特点,因而对已有的计算机辅助有人驾驶飞机总体设计参数优化系统不能直接搬用。

无人机的最大特点是必须采用自动控制系统,以保证其正常飞行。

因此机上的遥控、遥测和飞行控制系统等电子设备的质量相对全机总质量的比例较大。

而且无人机增加了发射(如助推火箭等)与回收(如降落伞等)装置。

由于无人机不需人驾驶,机身布置、全机结构的受载、操纵系统的设计诸方面都和有人驾驶飞机存在差异。

飞机设计是一种非常复杂的工程设计,很难将目标函数表达为优化参数的某个数学表达式并求导。

只能通过计算目标函数值,由函数值提供的信息决定寻优的策略。

所以飞机总体设计参数优化问题只能采用多变量优化的直接方法。

对于隐身无人侦察机来说,气动设计首先要在隐身性能和气动性能之间进行较好的折衷。

对于无人战斗机来说,其气动外形除了要满足隐身和高升阻比的要求外,还要满足高机动性的要求。

现在提出的无人战斗机的布局方案大多是无尾方案,并采用推力矢量控制。

对于无尾构形来说,在气动方面的最大挑战是寻找新的操纵机构,能代替被取消的垂直尾翼,产生足够的偏航力矩,使飞机能完成高敏捷性所要求的各种动作。

为了满足无人战斗机气动设计的要求,空气动力学的研究与发展工作必须先行一步。

研究与发展工作的重点是:隐身外形及其气动性能,大攻角时的旋涡流动,先进操纵面方案及其气动性能,推力矢量控制中的喷流干扰问题,超声速减阻问题等。

研究与发展工作除了依靠风洞试验、计算空气动力学等手段外,还应重视飞行试验的验证。

3.2 动力装置技术随着无人机两极发展趋势的逐步形成,都对无人机的发动机技术提出了新的更高要求。

超长续航时间的大型无人机的长滞空特性,使得在承载燃油受到限制的情况下,要求必须有低油耗、高可靠性的新型发动机技术来满足其功能要求。

相反,对于微型无人机的发展,微型动力装置成为其核心研究内容之一。

动力新概念已经在许多正在开发的微型无人机上加以实践和研究,如生物能转化技术就是将化学能转化为往复式化学肌肉运动;太阳能动力技术也正处于实验研究阶段。

无人机的动力系统必须满足长寿命、低油耗、高推重比的要求。

当前,无人机使用的发动机主要有:活塞发动机、涡轮发动机、转子发动机、电动发动机、太阳能发动机、微波动力发动机等。

1)航空活塞发动机 活塞发动机油耗低、故障率低、噪声小、质量轻等优点使它成为无人机动力装置的首选。

带一级涡轮增压器的活塞发动机可以使发动机在5km高度内爬升时保持最大连续功率工作,二级涡轮增压活塞发动机可以将上述功率保持到11km。

目前无人机选用的几种典型活塞发动机主要有奥地利的ROTAX912、ROTAX914、德国的L i m bach、加拿大的Ly-co m i n g。

2)涡轮发动机 主要指涡喷发动机、涡扇发动机和涡桨发动机。

活塞发动机虽然有很多优点,但它的高空性能还是比不上喷气式发动机,再者随着无人机任务载荷、空机质量的逐渐增加,活塞发动机已经不能满足大型无人机的使用要求,涡轮发动机良好的高空性能可以很好地满足无人机设计上这方面的要求。

这类发动机具有高推重比、低油耗率和长寿命的特点。

但对发动机的控制技术有待更深入的研究。

涡喷发动机主要用于高空、高速无人机,涡扇发动机主要用于中高空长航时无人机。

目前无人机选用的几种典型的涡喷、涡扇发动机有AE3007H、FJ44和W P211。