艦載無人直升機(jī)的作戰(zhàn)應(yīng)用及其關(guān)鍵技術(shù)

袁 濤，單俊杰，劉 明，宋 平

(1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北 武漢 430064；2.中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)在戰(zhàn)場環(huán)境的應(yīng)用越來越多，正逐漸成為現(xiàn)代戰(zhàn)場的主力裝備。大型驅(qū)護(hù)艦艇受限于起降條件，通常只能夠搭載直升機(jī)。為提高作戰(zhàn)艦艇的綜合能力，越來越多國家的海軍開始發(fā)展艦載無人直升機(jī)。艦載無人直升機(jī)特點(diǎn)顯著，應(yīng)用前景廣泛，可搭載光電、雷達(dá)、中繼、反潛、武器等任務(wù)載荷設(shè)備，能夠?yàn)樗孀鲬?zhàn)艦船提供探測、中繼、反潛、打擊等手段。但在實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境中，艦載無人直升機(jī)面臨高海況使用、多任務(wù)載荷數(shù)據(jù)下傳、協(xié)同指揮與控制等問題。解決這些關(guān)鍵技術(shù)問題，將大幅提高艦載無人直升機(jī)的作戰(zhàn)效能。

1 艦載無人直升機(jī)作戰(zhàn)應(yīng)用情況

1.1 艦載無人直升機(jī)的特點(diǎn)

除具備體積小、重量輕、成本低、訓(xùn)練維護(hù)簡單等無人機(jī)都具備的一般特點(diǎn)外，相較于固定翼無人機(jī)，艦載無人直升機(jī)具有起降條件簡單、可定點(diǎn)懸停、能進(jìn)行小速度機(jī)動等特點(diǎn)。相較有人直升機(jī)，艦載無人直升機(jī)以任務(wù)為中心，具備有效載荷大、續(xù)航時間長以及全天候執(zhí)行任務(wù)的特點(diǎn)。

1.2 國外艦載無人直升機(jī)發(fā)展情況

從第一架艦載無人直升機(jī)QH-50服役到現(xiàn)在已經(jīng)過去了60年。在此期間，無人直升機(jī)更新?lián)Q代，但受限于無人機(jī)技術(shù)的制約，一直未得到大規(guī)模應(yīng)用。直到21世紀(jì)初，隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，艦載無人直升機(jī)受到各國海軍的重視，出現(xiàn)了越來越多的艦載無人直升機(jī)型號。以下為幾種國外典型的艦載無人直升機(jī)的應(yīng)用情況[1]。

1)QH-50

QH-50是美國在20世紀(jì)60年代研制的一款雙旋翼共軸無人直升機(jī)，這也是世界上第一款軍用無人直升機(jī)，曾參加過越南戰(zhàn)爭，主要用于反潛作戰(zhàn)。

2)CL-327

CL-327“海上衛(wèi)士”是加拿大龐巴迪公司20世紀(jì)90年代研制的一款艦載無人直升機(jī)，是在CL-227“哨兵”無人直升機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)研制的。作為一款艦載型無人直升機(jī)，CL-327曾在美國海軍“范德格里夫特”號護(hù)衛(wèi)艦上進(jìn)行試驗(yàn)，并于1996年實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

3)S-100

S-100無人直升機(jī)是奧地利西貝爾公司2003年研制出來的一款無人直升機(jī)，最大起飛重量為200kg，最大載重90kg，可攜帶多功能光電吊艙，主要用于偵察警戒。德國海軍K130級輕型護(hù)衛(wèi)艦就曾部署S-100無人直升機(jī)，并開展了飛行試驗(yàn)。

4)“火力偵察兵”系列

“火力偵察兵”系列無人直升機(jī)由諾斯羅普·格魯門公司研制。從2000年開始立項研制至今，“火力偵察兵”系列無人直升機(jī)技術(shù)一路領(lǐng)先?！盎鹆刹毂毕盗邪∕Q-8A、MQ-8B和MQ-8C。其中，MQ-8B是作戰(zhàn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)最多的艦載無人直升機(jī)，目前已小批量裝備于美國海軍的多型艦艇上，并于2011年被美國海軍派遣至阿富汗戰(zhàn)區(qū)執(zhí)行實(shí)戰(zhàn)任務(wù)。

1.3 國內(nèi)艦載無人直升機(jī)發(fā)展情況

國內(nèi)發(fā)展艦載無人直升機(jī)的起步時間較晚，但發(fā)展較快，目前已出現(xiàn)多種型號。以下為幾種國內(nèi)典型的艦載無人直升機(jī)的應(yīng)用情況。

1)WZ-6B

WZ-6B無人直升機(jī)是一款多用途艦載無人直升機(jī)，有效載荷達(dá)到250kg，于2014年亮相于第五屆無人機(jī)大會暨展覽中。WZ-6B無人直升機(jī)具備運(yùn)動艦面自主起降能力，能夠執(zhí)行戰(zhàn)場偵察、目標(biāo)指示、通信中繼、電子對抗等多種任務(wù)。

2)AR500艦載型

AR500艦載型無人直升機(jī)由航空工業(yè)直升機(jī)所研制，是在AR500基本型上改型而來的。其基本型早于2014年珠海航展亮相，2015年投入民用市場。AR500艦載型的出現(xiàn)是為滿足海事巡邏的需求，具備海上警戒探測、通信偵察、通信中繼等任務(wù)能力。AR500艦載型無人直升機(jī)采用基于差分衛(wèi)星的著艦引導(dǎo)技術(shù)，具有較高的自動著艦精度。

2 艦載無人直升機(jī)的制約因素

2.1 作戰(zhàn)應(yīng)用水平等級劃分

縱觀世界各國海軍的艦載無人直升機(jī)發(fā)展歷程，可根據(jù)艦載無人直升機(jī)的飛行能力、任務(wù)能力以及作戰(zhàn)能力程度，將艦載無人直升機(jī)的作戰(zhàn)應(yīng)用水平分為可用級、實(shí)用級、戰(zhàn)術(shù)級三個等級。達(dá)到可用級需具備較強(qiáng)的飛行能力以及初步的任務(wù)能力；達(dá)到實(shí)用級需具備很強(qiáng)的飛行能力，較強(qiáng)的任務(wù)能力，以及初步的作戰(zhàn)能力；達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級需具備很強(qiáng)的飛行能力，很強(qiáng)的任務(wù)能力以及較強(qiáng)的作戰(zhàn)能力。各作戰(zhàn)應(yīng)用水平下艦載無人直升機(jī)應(yīng)具備的能力見表1所示。

表1 各作戰(zhàn)應(yīng)用水平下艦載無人直升機(jī)應(yīng)具備的能力程度

在國外艦載無人直升機(jī)型號中，CL-327、S-100達(dá)到了可用級。QH-50嚴(yán)格意義上并未達(dá)到可用級，原因在于QH-50為冷戰(zhàn)倉促上馬的產(chǎn)物，其研究試驗(yàn)不足、可靠性差、損失率高，且任務(wù)完成率低。MQ-8B已達(dá)到實(shí)用級，具備很強(qiáng)的飛行能力，且能搭載光電、雷達(dá)、武器等多種任務(wù)載荷,具備較強(qiáng)的任務(wù)能力。但MQ-8B仍未到戰(zhàn)術(shù)級：一方面其存在設(shè)計缺陷，在“哈利伯頓”號護(hù)衛(wèi)艦上的任務(wù)完成率僅有50%；另一方面，一些早期型號艦艇遠(yuǎn)在MQ-8B無人直升機(jī)裝備之前就完成了設(shè)計，艦艇的頂層設(shè)計中并未考慮MQ-8B艦載無人直升機(jī)的作戰(zhàn)需求，只能通過適應(yīng)性改裝來實(shí)現(xiàn)MQ-8B的搭載，這導(dǎo)致MQ-8B無法發(fā)揮出作戰(zhàn)能力。美軍已在新的瀕海戰(zhàn)斗艦設(shè)計中增加了對無人直升機(jī)的作戰(zhàn)需求。通過搭載新型艦艇融入作戰(zhàn)體系，未來MQ-8C將能達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級的作戰(zhàn)應(yīng)用水平。

2.2 制約因素

1)高海況使用

艦載無人直升機(jī)通常要求在4至6級海況下能正常使用，而對艦載直升機(jī)(有人或無人)而言，最大的制約因素便是高海況。高海況對艦載直升機(jī)的影響包括兩方面，分別為對直升機(jī)艦面開車的影響和對直升機(jī)艦面起降的影響[2]，其中起降過程中艦載直升機(jī)受到的影響最為嚴(yán)重。根據(jù)世界氣象組織及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的定義，4至6級海況下，自然風(fēng)速可達(dá)6.5m/s～18.1m/s，海面浪高1.25m～6m。受高海況下風(fēng)速風(fēng)向的影響，飛行甲板易形成紊流區(qū)，會對艦載直升機(jī)產(chǎn)生湍流影響、下沖氣流影響、速度梯度影響；受海浪作用影響，艦船縱橫搖運(yùn)動幅度很大，非常不利于艦載直升機(jī)起降。

2)多任務(wù)載荷數(shù)據(jù)下傳

作戰(zhàn)應(yīng)用水平達(dá)到好用等級時，艦載無人直升機(jī)具備搭載足夠有效載荷的能力，可同時搭載如光電、雷達(dá)、中繼、反潛、武器等載荷，具備較強(qiáng)的任務(wù)能力。多載荷同時工作時，將面臨如何有效下傳這些載荷的任務(wù)數(shù)據(jù)的問題。通常光電、雷達(dá)等視頻類信息占據(jù)著大部分的下傳帶寬。以1080P/30Hz的可見光視頻信息為例，其產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)量高達(dá)178Mb/s，即使通過圖像壓縮技術(shù)大幅降低其數(shù)據(jù)量，因受到數(shù)據(jù)鏈傳輸帶寬的限制，要實(shí)現(xiàn)所有任務(wù)載荷數(shù)據(jù)高質(zhì)量下傳仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。

3)協(xié)同指揮與控制

艦載無人直升機(jī)作戰(zhàn)應(yīng)用的發(fā)展趨勢是信息化、實(shí)時化、智能化[3]。在現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境下，艦載無人直升機(jī)作為作戰(zhàn)艦艇一個重要的節(jié)點(diǎn)，要與其它系統(tǒng)相互協(xié)同，具體包括與有人直升機(jī)協(xié)同、與艦艇編隊其它無人直升機(jī)協(xié)同等。在指揮層面，無人直升機(jī)面臨著艦船編隊內(nèi)多層級指揮控制，需解決多個控制中心的指揮權(quán)限管理問題。在控制層面，無人直升機(jī)面臨著編隊下多機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的問題。為發(fā)揮無人直升機(jī)的作戰(zhàn)能力，需解決多機(jī)編隊飛行、多機(jī)任務(wù)規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)。

3 艦載無人直升機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

1)高度自主的飛行控制技術(shù)

艦載無人直升機(jī)面臨著復(fù)雜的氣流環(huán)境，在起降階段尤為嚴(yán)峻，這大大增加了人工控制的難度。因此，高度自主的飛行控制技術(shù)是需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)直升機(jī)飛行控制多采用PID控制，這種算法雖易實(shí)現(xiàn)，但抗干擾能力較差。為適應(yīng)復(fù)雜的艦載環(huán)境，應(yīng)在傳統(tǒng)控制方法的基礎(chǔ)上，發(fā)展非線性控制、自適應(yīng)控制、智能控制等技術(shù)[4]，研發(fā)出高度自主的飛行控制系統(tǒng)。

2)著艦技術(shù)

艦載無人直升機(jī)的著艦技術(shù)主要包括著艦引導(dǎo)技術(shù)。著艦引導(dǎo)技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)對艦船的跟隨引導(dǎo)，使無人直升機(jī)能夠接近并保持與艦船相同的速度和姿態(tài)進(jìn)行跟隨飛行。傳統(tǒng)的著艦引導(dǎo)技術(shù)包括衛(wèi)星引導(dǎo)、雷達(dá)引導(dǎo)、光學(xué)引導(dǎo)等，幾種引導(dǎo)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。著艦引導(dǎo)技術(shù)未來趨勢將是多技術(shù)融合、全天候、全自動等[5]。

3)高速率數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

艦載無人直升機(jī)同時下傳多任務(wù)載荷數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)速率非常高。為滿足任務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時下傳，一方面應(yīng)采取壓縮編碼技術(shù)降低數(shù)據(jù)源速率，另一方面需提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的傳輸帶寬。傳統(tǒng)的電磁波數(shù)據(jù)鏈主要通過提高發(fā)射功率，增加天線增益，降低器件損耗等技術(shù)來提高傳輸速率。未來還可發(fā)展激光通信技術(shù)，該技術(shù)具備數(shù)據(jù)傳輸速率高、不易被發(fā)現(xiàn)和截獲、頻譜資源充足等優(yōu)點(diǎn)[6]，已驗(yàn)證的單路傳輸速率可達(dá)10Gb/s。

4)多任務(wù)綜合處理技術(shù)

在現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈技術(shù)水平下，艦載無人直升機(jī)很難保證全部任務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)時下傳，需發(fā)展多任務(wù)綜合處理技術(shù)。一方面，可通過對任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼、動態(tài)帶寬分配、分時下傳、數(shù)據(jù)融合等手段，實(shí)現(xiàn)有限傳輸能力下最大化的任務(wù)數(shù)據(jù)下傳；另一方面，可發(fā)展自主任務(wù)規(guī)劃、載荷自主控制等技術(shù)，加強(qiáng)任務(wù)系統(tǒng)的自主能力水平，減少下傳的數(shù)據(jù)量。

5)控制權(quán)切換技術(shù)

當(dāng)艦載無人直升機(jī)部署在一個艦艇編隊中時，會面臨多個控制中心對無人直升機(jī)進(jìn)行控制的情況。無人直升機(jī)在同一時隙內(nèi)只接受一個中心的控制，根據(jù)任務(wù)需進(jìn)行控制權(quán)切換。控制權(quán)切換的實(shí)現(xiàn)方式很多，但都應(yīng)能保證交接過程的無縫、連續(xù)、穩(wěn)定[7]。這要求：①無人直升機(jī)測控數(shù)據(jù)鏈統(tǒng)一設(shè)計，以保證無人直升機(jī)能與所有控制中心建立測控通信；②控制權(quán)限管理，能夠根據(jù)不同任務(wù)需求分配控制中心的指揮權(quán)限等級。

6)多機(jī)協(xié)同技術(shù)

根據(jù)美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的定義，無人機(jī)自主控制能力分為10個等級，其中第5級為多機(jī)協(xié)同。國內(nèi)研究人員也提出了無人機(jī)自主控制等級的劃分建議[8]，第5級為多機(jī)編隊與任務(wù)協(xié)同。多機(jī)協(xié)同技術(shù)主要包括多機(jī)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、多機(jī)編隊飛行技術(shù)。多機(jī)任務(wù)規(guī)劃涉及到資源分配、任務(wù)分配、時間協(xié)同等技術(shù)；多機(jī)編隊飛行技術(shù)主要包括編隊組織、編隊形成、編隊保持、編隊重構(gòu)、障礙規(guī)避、機(jī)間碰撞規(guī)避等技術(shù)。

4 結(jié)束語

艦載無人直升機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢，在未來很長一段時間內(nèi)，都將是各國大中型水面艦艇的重要航空裝備。隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，影響艦載無人直升機(jī)作戰(zhàn)應(yīng)用水平的各種制約因素正逐步得到解決。隨著飛行控制技術(shù)和著艦技術(shù)的發(fā)展，能滿足高海況使用要求，達(dá)到可用級；隨著高速率數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和多任務(wù)綜合處理技術(shù)的發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)載荷數(shù)據(jù)下傳，達(dá)到實(shí)用級；未來隨著控制權(quán)切換以及多機(jī)協(xié)同技術(shù)的突破，將實(shí)現(xiàn)協(xié)同指揮與控制，從而達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級。當(dāng)前國內(nèi)無人直升機(jī)領(lǐng)域處于快速發(fā)展期，對于航空工業(yè)單位來說，應(yīng)把握艦載無人直升機(jī)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向，緊扣艦船作戰(zhàn)需求，盡早研制出滿足戰(zhàn)術(shù)級要求的艦載無人直升機(jī)，提升艦船的作戰(zhàn)能力。