龙翔九天 ----国产“翔龙”无人机

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导读:龙翔九天 ----国产“翔龙”无人机

龙翔九天


薛 霸



高空长航时无人机从上个世纪90年代开始出现,最初的发展目的只是打算取代有人驾驶的U-2/TR-1高空侦察机。美国对高空侦察机的喜爱从50年代开始,广泛用于对苏联、中国等敌对国家的战略战术侦察。在古巴导弹危机中,U-2有人高空侦察机立下了赫赫战功;在对苏联的侦察中,也成功发现米亚-4战略轰炸机的数量讹诈,对美国的战略态度和军事发展方向都起到了决定性作用。不过,随着地空导弹和高空高速战斗机性能的日益增强,有人驾驶低速高空侦察机的生存力开始下降,特别是驾驶U-2飞机穿越苏联上空进行侦察的鲍尔斯被苏联俘虏后,差点引发两国直接交火。在联合国大会上,苏联证据确凿地指责美国侵略,让整个美国在道义上和态度上都极端尴尬。随后,侦察卫星的出现一定程度上取代了传统高空侦察机的地位。但是1990年海湾战争期间,美国发现他们数量庞大、性能先进的卫星并不能完全满足侦察需要,传统的高空侦察机不但没有被取代,反而越来越重要——U-2/TR-1侦察机大量活动在伊拉克上空,甚至不得不把已经退役的SR-71“黑鸟”侦察机拖出来,担任繁重的侦察任务。


国 外 发 展


海湾战争结束以后,根据在战争中对侦察情报信息的需求,美国开始发展高空长航时无人侦察机。因为不需要飞行员驾驶,飞机可以不考虑复杂的操纵系统和高空维生系统,可以做得很轻,体形可以做得更修长、阻力更低,能够飞得更高。最初,该计划带有很大的试验性质,由美国先进技术发展局(DARPA)负责。他们规划了三种不同等级的无人机设计指标,方案被称为“蒂尔”I/II/III,其中因为试验的大获成功,“蒂尔”II由空军接手后发展成为大名鼎鼎的“全球鹰”。

无人机的兴起是从1979前后开始的,以色列以战术侦察、诱饵等目的发展了一系列轻型无人机,最初主要用于地面火炮部队的侦察和校正,随后在入侵黎巴嫩以及贝卡谷地的战斗中大放异彩,受到世界各国追捧,连美国都采购了其生产的“先锋”无人机,用于陆军火炮侦察和海军炮位校正等。不过,美国很快把注意力放在能力更强更大的高空无人机上。与之前使用的无人机不同,美国发展的高空无人机体积和重量都非常大,有着较高的载荷能力。大载荷允许这些无人机使用一些更复杂和更先进的设备,比如移动卫星通讯设备、红外成像监视设备、高清晰度电视监视设别、数字式高分辨率侦察照片、合成孔径雷达的地形地貌侦察以及用于监视地面机动目标的逆合成孔径雷达等。


和传统的U-2/TR-1高空侦察机不同,高空无人机的能力不仅是多频谱、多波段的,而且都是数字化,能够提供实时视频和图片,当有云层遮掩或者清晰度不足的时候,还允许飞机降低飞行高度增加辨识能力。一架高空长航时无人侦察机可以提供的目标信息,需要数十架“先锋”这一类低空侦察机才能达到同样功效,并且简单的低空侦察无人机携带设备种类单一,要实现多频谱侦察,需要出动更多的飞机才行。其实,最主要的理由还不是高效能的问题,战术无人机的大规模应用受到通讯技术的限制,传统数字化远程无线电台的传输速度对于简单的文字语音是完全可以的,如果用来传输高分辨率数字照片和实时动态视频就比较困难了,特别是当空域中有多架飞机使用时,频道和频率占用的问题相当严重,如果出现电子干扰,这种通讯的保障就更加困难。大型无人机既可以使用短波数字无线电台,也可以使用移动式数字卫星通讯装置。移动卫星通讯装置可以和太空中的通讯卫星通过定向通讯进行高速数据传输,不管是保密性抗干扰性还是传输速度都数十倍于传统的无线通讯。不过,目前的点对点卫星通讯频道还是比较有限的,并不能普及到每一架无人机上去。大型高效能无人机可以大大减少使用空域的无人机数量,进而减少通讯频道的占用压力。象“全球鹰”那样的无人机,数千平方公里的大战区里最多同时会有 5~8架,卫星通讯频道占用程度在许可范围,远程短波通信频道占用程度也能接受。


中 国 起 步


中国在80年代开始使用无人机,最初主要作为防空系统的靶机和干扰诱饵等。80年代末,中国从以色列购买一批“先锋”无人机,用于炮兵定位和校射侦察,数量不多,带有很强的试验性质。另外,中国也利用原来的高空高速靶机尝试改进成为侦察无人机。90年代末,某型中低空战术无人机系统定型成功,正式大量装备部队,并在多次合成军事演习中获得好评。该型中低空无人机极大扩展了中国陆军长期缺乏的灵活高效实时侦察能力,特别是具有多波段观察手段和实时反馈的侦察信息。不过,这种无人侦察机活动时间较短、飞行速度低,只适合师以下作战单位使用,需要单独的控制中心和通讯中心才能正常工作,常常以野战小分队的形式进行操作,覆盖一个野战师典型作战宽度200公里、纵深80~120公里的面积需要10~15架,24小时不中断信息需要超过50架,连续一周以上需要上百架进行支持。此外,还需要考虑到低空活动会有较大的战时损耗,数量有限的无人机野战小分队是不可能满足这样要求的。


中国现在缺乏集团军级别使用的有效快速侦察系统。空军的侦察机主要以照片拍摄型为主、雷达侦察型为辅,很难立刻提供实时视频信号,情报需要经过分析以后才能转交到战区指挥所,一来一去最快也要24小时以上,以至于在小型无人机装备后战区级别的信息更新速度还不及下级指挥所。针对这种情况,参照美国无人机开发计划和在第二次海湾战争、阿富汗战争、波斯尼亚战争中的实战应用和表现,中国感到需要开发一种大型高空长航时无人机系统。这种系统飞行速度快、留空高度高。俗话说“站得高看得远”,高空无人机因为飞行高度高,只需要通过转动镜头或者雷达就能监视很大宽度的战场情况。以“先锋”无人机来说,其飞行高度在 1000~2000米,侧向观察距离小于6公里,两侧宽度加起来才10~12公里左右;而“全球鹰”的飞行高度是18000米,侧视观察距离可以远达 40~60公里,飞行轨迹两侧80~120公里的宽度都在视野范围以内。另外,“先锋”这一类低空活动的无人机飞行速度慢,一般飞行速度在120公里/ 时,而“全球鹰”这一类飞机的飞行速度大于650公里/时,结合两者的视野差距,一个小时内两者可探查面积差别可以达到50倍以上,也就是说一架“全球鹰”的侦察信息量和侦察面积需要至少40~70架以上的“先锋”无人机才能达到同样的效果。由此可见高空系统和低空系统的效能差距有多么大。

另外,高空无人机的观察高度高,使用大视场镜头或者宽波束扫描雷达可以监视车队、大批量流动的人员、空旷的荒漠和海面零星目标活动等动态趋势,可以提供大范围内战术信息的统计和判别,这是低空侦察机比较难以实现的功能。和先进的侦察卫星相比,高空无人机距离地面只有18公里,而性能最好的KH-12“锁眼”卫星在最低的轨道时距离地面也要超过120公里。卫星虽然可以提供更宽的观察范围,但是分辨率远远不如高空侦察机。如果说“锁眼”能看清楚地面汽车的型号,那么“全球鹰”可以看清楚驾驶汽车的人是谁。卫星最大的弱点在于观察信息不连续。受轨道运行规则的限制,卫星一天虽然能绕地球18圈,但每一天通过同一个地方的次数并不太多,每一次能观察的时间不到半小时,持续监视能力非常差。美国“锁眼”卫星虽然可以通过变轨实现很高的重复通过率和低轨道观察能力,但是一旦频繁动用这样的观察能力,原本可以在天空服役5~12年的卫星,在轨存活能力就会迅速缩短到7天。“锁眼”这样的大型卫星美国目前只有航天飞机能够发射,“哥伦比亚”号事故发生以后,航天飞机的能力几乎被剥夺,卫星的使用限制也变得相当高了。高空无人机的优点正好能弥补卫星的缺点,其运行轨迹比较自由,可以长时间在一个地方盘旋,在目标上滞留的时间可以超过10小时以上,只需要交替出动两架飞机就能保证24小时不间断实时监控。同时,当卫星受到云、雾等干扰时,无人机可以下降到6000米以下观察,受气候限制非常小。鉴于高空无人机的巨大的性能优势,中国在国家级重大科技发展规划“863计划”中正式将高空长航时无人机列为重点开发计划之一,以中国航空研究院为中心,全国各相关研究所、大学科研中心分别担负各种分系统的开发和研究攻关。




翔 龙 出 云


在前不久结束的珠海航展上展出的“翔龙”高空长航时无人机,就是由我国自主研究和设计的一种大型无人机。和美国目前应用的几种无人机不同,“翔龙”无人机没有一味追求性能上的高指标,一切以国内的实用条件和用户需求为主。由于没有美国那么强烈的远程全球战略要求,飞机的留空时间没有很高的要求,外形尺寸和重量载荷都小于“全球鹰”。不过,这并不说明该机是一种“全球鹰”低性能版的折衷,相反,国内还有另一种更大型的无人机用于执行类似于“全球鹰”的任务。“翔龙”则是定位于“捕食者”和“全球鹰”之间的一种无人机。

“翔龙”没有采用目前高空长航时无人机最流行的传统大展弦比单翼设计,而是采用了一个新颖的菱形联翼结构设计。联翼气动布局出现在70年代初,NASA曾经制造过小型的联翼技术验证机,对这种新颖的气动布局进行测试。联翼概念主要是将机翼后掠,尾翼前掠,两者通过垂直安定面或者直接刚性连接,连接点可以在机翼的中段,也可以在机翼的端点。菱形联翼的设计主要是机翼后掠角和尾翼前掠角保持一致。联翼机气动布局是一种适合高亚音速下使用的高升阻比、高结构效益先进气动布局,其最大特点是具有特别高的自然姿态恢复能力和良好的气动静安定特性。高姿态恢复能力主要来源于这种布局的前后翼良好干扰,因为尾翼要前掠与机翼相连,而且连接点比较靠外,尾翼比正常布局的飞机要大很多,而且距离机翼近,受到机翼下洗气流影响较大。下洗流能够降低尾翼的真实气流迎角,因此,当前面的机翼上仰到失速迎角时,尾翼在下洗流的影响下还处于正常升力状态;机翼失速失去升力以后,尾翼的升力还是正常的,这就给飞机一个强烈的自然低头恢复力矩,让其迅速恢复正常飞行姿态。由于尾翼前掠,其迎角失速范围本身就比后掠翼的前翼宽,叠加下洗流的作用,飞机飞行大迎角自然恢复角度相当宽,很难进入失速状态。以上这些优点对于简化飞机控制系统设计有着不可估量的作用。

联翼布局还有一个好处——升阻比高。“全球鹰”采用简单的高展弦比平直机翼,依靠超过36的超大展弦比来换取高升阻比。但平直机翼不适应高亚音速飞行, “全球鹰”的飞行速度只能达到650公里/时左右。我们知道高空的空气稀薄,19000米高度的空气密度只有海平面的8.4%,要飞得高要么提高速度,要么增大机翼面积、减小翼载荷。联翼布局的翼面积比单纯的正常布局要大,翼载荷轻。此外,联翼布局特别是菱形联翼布局的机翼都会采用后掠翼。机翼后掠可以减小高亚音速时的波阻,因此可以飞得更快,飞得快也就意味着可以用更小的机翼和更高的翼载荷。小的机翼和高翼载荷都能大大减小飞机阻力,或者说同样的机翼和翼载荷可以飞得更高。联翼布局的升力系数比普通平直机翼低,但因为相互干扰可以减小诱导阻力,联翼布局的实际阻力系数也很低,总的升阻比还是相当高的,非常适合高空高速长航时的飞行任务需求。此外,联翼布局还有一些控制上的特殊能力,比如可以很方便的实现直接力控制,这个特性对于侦察机还是比较有用的。飞机可以在不改变姿态的情况下对飞行轨迹进行控制,有利于减小执行侦察任务时因姿态变化引起的图像中断等干扰。联翼布局的优点还有一个非常重要的方面,就是在结构上的天然优势——传统机翼都是采用梁式承力,这种结构特别是对于大展弦比机翼来说材料弹性所导致的飞机机翼变形都会影响实际飞行性能。“全球鹰”依靠实力超群的材料技术和工艺获得一副超高展弦比机翼,在以最大载荷从地面起飞时,机翼向上弯曲的幅度可达1.5米以上。而联翼布局前后翼相连的巧妙设计让传统机翼的受力结构发生了巨大改变,抗扭翼盒的结构因为两个具有相当大高差的翼相连而变成了一种闭合的具有大厚度的结构支撑框架,这让机翼的刚性和弹性控制要求大为降低。同时,由于受力结构更加合理和稳定,它可以让飞机结构重量大大减轻,对于提高高空飞行能力和飞行时间都有很重要的意义。


“翔龙”的设计还有很多独特的闪光点,比如考虑到需要快速拆卸并将所有组件都装在一个可被运8/C-130空运的包装箱内。同时,要能够在只有两到三个人的情况下,飞机只需要30分钟就能被装配到可以使用的状态。因此,飞机一些结构间的尺度设计就有特殊的限制要求。“翔龙”机体长度为14.9米,翼展 25米,机翼可以通过快速螺栓拆卸,翼根专门增加了强度和加长了弦长,有利于分散集中的力载荷。拆下的机翼长度约12.3米,可以并列在机身两侧固定,尾翼在尾部专门设计了凸台,也通过快速埋头螺栓固定。前后机翼相连的固定点在全翼展70%左右位置,通过一个小的垂直安定面使用螺栓固定在机翼上。这个位置充分考虑了联翼布局的气动效率和飞机机翼的承力结构效应。垂尾可以单独拆下,整架飞机可以被装进一个宽度不超过2米的包装箱,使用战术运输机进行运输。未来有可能将前机身独立设计,也可以快速拆卸。前机身主要是电子舱段,独立包装和运输有利于电子设备的养护,同时也可以形成模块化前机身,可以互换搭配。机翼组件和动力组件也有可能形成模块化设计,允许通过更换更大的机翼获得更高的飞行高度,或者更大的动力组件获得更大的飞行重量和有效载荷。


翔 龙 之 心


目前,“翔龙”无人机采用一台老式无加力涡喷-7发动机作为主动力,这体现了这种无人机和“全球鹰”一类无人机的重大区别。涡喷-7发动机是我国早期歼 -7系列战斗机的发动机,最大推力可达4200公斤,重达1吨。以“翔龙”的高空升阻比来说,似乎并不需要如此推力强劲的发动机——“翔龙”最大起飞重量不过7500公斤,而发动机推力达到4200公斤,推重比达到0.56,一般只有载人的战术飞机才有如此高的推重比,重达14吨的“全球鹰”也不过使用一台3450公斤推力级别的发动机而已。造成这样的现象原因有很多,首先中国航空发动机产业水平低、产品线小,在3000~4000公斤推力级别中缺乏可用的产品。中国的小推力涡扇只有推力为1700公斤的WS-11,配装该发动机的K-8教练机起飞重量才4300公斤,还有推力更小、用于巡航导弹类的WS -500。在2000公斤以上推力级别一直到10000公斤之间中国没有一种涡扇发动机,只有数种60年代初从苏联引进仿制的涡喷发动机,特别是在 2000~4000公斤这一个级别,只能利用涡喷-7发动机降级使用。涡喷-7发动机空气流量接近60公斤/秒,耗油率高达0.98克·牛/秒,接近“全球鹰”发动机油耗的2倍。另外,由于发动机推力过大,在高空巡航时燃烧效率并不在发动机的最佳工作区,油耗差别更大。高油耗严重影响了飞机的留空时间,不过在最初试验阶段,使用这种发动机作为权宜之计也是可行的。

“翔龙”无人机的动力组按照模块化设计,可以在未来换装更先进的WS-15涡扇发动机。当然,如果可以,最理想的发动机还是国产ARJ-21支线运输机的发动机——美国通用公司的CF-34-10A。改型发动机可以提供4185公斤推力,重量仅有760公斤,最关键的是油耗仅有0.35克·牛/秒。CF-34是长寿命民用发动机,可靠性非常高。无人机寿命不能和客机比,“翔龙”的机体寿命大约只有2500小时,而客机一般都在数万小时以上,直接使用CF-34发动机显然很奢侈。不过,如果能使用这种发动机的降级低寿命廉价版本,也非常理想。

采用大推力发动机让“翔龙”和美国“全球鹰”和“捕食者”无人机区分开来。“全球鹰”的推重比很低,从地面起飞到爬升到 19000 米的工作高度需要80分钟以上,而“捕食者”爬升到8000米高度就需要60分钟。这两种飞机大多数时候都只能在单一高度巡航飞行,特别是“全球鹰”一旦执行高度降低到9000米的抵近观察任务后,要恢复到19000米的工作高度需要一个小时以上,一定程度上影响了该机的使用。“翔龙”无人机具有高速和高推重比的特点,执行与“全球鹰”同样的降低高度到恢复高度的侦察任务所需要时间仅有后者的1/4。因此,“翔龙”可以象“全球鹰”那样运作,获得“捕食者”那样的辨识和跟踪精度,是一种兼顾两者所长的无人机系统。这样的设计主要考虑到中国使用无人机的条件和美国的区别——高空巡航的侦察能力是主要的,必要的时候可以快速下降高度执行战术侦察和近距离辨识跟踪的任务。



中国的周边环境比美国恶劣,邻国大多都部署有“萨姆”-2和“爱国者”一类的高空防御系统,选择10000米高度执行任务的生存力相当低。18000~20000米则不同,这个高度大多数防空导弹都很难对付机动目标,F-16这一类战斗机的升限大多只有15000米,好一点的F-15战斗机也只有18000米左右。“翔龙”这类无人机具有 20000米以上的飞行能力,拦截并不像想象那样容易。这和我们在60年代对抗美国U-2侦察机的情形是一样的,唯一不一样的是无人机系统价格便宜多了,可以投入更多的数量,并不会因为被击落等条件而中断使用。


翔 龙 之 威


“翔龙”无人机还大量采用复合材料,机翼设计采用菱形布局,机身上曲线连续而光滑,都符合减小RCS反射面积的原则。飞机的雷达截面积并不算大,据推测会小于典型的战斗机目标,加上会采用复合材料和吸波材料,RCS估计在1平米左右,缩短远程监视雷达和高空防御系统的发现距离。总体来说,飞行高度达到20000米的时候,像 “萨姆”-2这类射程为40公里左右的导弹,顶多只能防御阵地外侧不足15公里左右的半径范围,而“爱国者”1/2也不足30公里。无人机在这个高度可以使用光学侦察设备在防区外观察,如果有合成孔径雷达还可以距离得更远,系统生存力非常高。

“翔龙”无人机目前能够保证具有10小时以上的留空时间,巡航飞行速度超过750公里/时,比“全球鹰”快15%以上,有效任务载荷为650公斤,比“捕食者”大一倍多。该机携带的电子设备更类似于 “全球鹰”,有高清晰度数字照相机、包括单色高分辨率和彩色图像两种模式,可提供分辨率很高的静态侦察照片供阅读和判别;有高清晰度数字电视,能够提供动态的数字视频图像,方便实时监控,视频信号还有夜视能力,有独立的红外热成像通道,可以提供8~12微米长波自然热辐射视频或者更先进的高清晰度凝视 3~5微米中波热成像,后者对机器动力的机动目标观察效果更好。先进的合成孔径雷达和逆合成孔径雷达不一定会出现在每一架侦察机上,因为这种雷达的造价比较高昂。雷达能在恶劣气候下获得高清晰度的地面三维图像,具备在恶劣气候条件下的机动目标跟踪和监视能力,往往用于更高级别的侦察和监视任务,与光学侦察组件联合使用。“翔龙”无人机有可能装备几套相互平行的通讯系统,多通道战术短波数字电台可用于直接与地面指挥所、地面信息共享单位的直接联系和信息播发,允许通过授权将信息通道的下载权限下放到更低的作战单位,比如师、旅、团等等。飞机还上有更高传输速度的定向通讯装置,可以与地面接收站或者卫星进行点对点高速数据传输。

另外,“翔龙”无人机也可以通过更换模块化的机头电子任务舱段,执行数字通讯中继任务,担负起一个很高的信号转发塔作用。用于类似于蜂窝移动通讯概念的时候,一个无人机机站工作在20000米高度,可以为半径为200公里的数十万门以上的无线短波通讯提供中继和数字交换。同时,还允许多架同样任务的无人机在天空中组网,实现战时临时架设的无线数字通讯中继交换网络,这比以前用有人飞机来实现同样的目的费用要低廉得多,效能却要高出数十倍以上。除了通讯中继,“翔龙”还可以执行电子干扰任务。一个电子干扰吊舱的重量并不是很大,“翔龙”的任务载荷可允许使用两个吊舱,将干扰源架设在高度18000米以上高度,不易遭受到反辐射导弹的威胁。特别是现在使用新型的GPS干扰机,“翔龙”的载荷允许搭载超过20种不同原理的 GPS干扰机,能够有效干扰和压制半径400公里以内的简单GPS设备,以及压制半径150公里以内有一定抗干扰能力的GPS接收机,并让60公里半径以内的GPS接收机致盲。这对于目前GPS制导武器满天飞的状况不异于釜底抽薪!

在使用重量只有100多公斤光学侦察设备的情况下,“翔龙”无人机可以携带 1~2枚FT-3这一类250公斤级别制导炸弹,能够初步实现美国中央情报局在阿富汗研究成果——“发现即摧毁”。如果进一步扩展,还能够使用激光制导炸弹或者C-701一类的电视制导导弹。这种“时髦”的能力在进行不对称作战的时候非常有效,是未来一个重点发展方向。

目前,“翔龙”高空高速长航时无人机使用的发动机还不算理想,导致其载荷能力较低且留空时间较短,只有10小时,和“全球鹰”接近20小时不能相比。未来换装先进低油耗并且通过特别优化以适应高空工作的WS-15涡轮风扇发动机,“翔龙”的留空时间将有可能提高到20~24小时,有效载荷也将达到900公斤以上。同时,该机可在较低的高度采用慢速飞行来提高对某一特定目标的监视和细节辨认能力。不远的将来,“翔龙”将会成为中国的“全球鹰”和“掠食者”的集大成者,在中国军事力量从数量化到质量化转型的高科技建军重要转变中,担任非常独特而重要的一环。

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