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军用无人机全球发展现状

军用无人机全球发展现状

前言:

无人机(缩写为UAV)又称空中机器人是一种动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器。它大体上是由无人机载体、地面站设备(无线电控制、任务控制、发射回收等起降装置)以及有效负荷三部分组成的。根据无人机的结构、飞行时间、飞行距离或执行任务的性质等特点我们可以把它划分成不同种类。从总体结构来看,无人机有固定翼、垂直旋翼、倾斜旋翼、旋翼/固定翼之分;根据活动半径和续航时间,无人机可大体分为近程、短程、中程和远程四类;根据用途,我们又可以把无人机分为军用和民用两大类。无人机是1917年由英国首先研制成功的。虽然它问世已久,但直到上      世纪50年代才得到了真正的发展。

 

国内外无人机发展现状:

国内无人机近几年来发展比较快,民企也多 通过第三届 尖兵之翼就可以看出 国内现在发展无人机的趋势越来越好。而除军事用途外,由于无人机成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等的优势,使得无人机在航空拍照、地质测量、高压输电线路巡视、油田管路检查、高速公路管理、森林防火巡查、毒气勘察、缉毒和应急救援、救护等民用领域应用前景极为广阔。正是因为看到未来无人机的民用市场潜力巨大,除一些科研院所外,民营企业也开始介入无人机市场。目前粗略估计全国约有170多家单位在生产无人机。“就低端产品而言,一套无人机系统的生产成本有可能不超过几十万元,这也是中国有众多厂家看重无人机市场前景的一个原因。我国无人机当前只具备侦查能力,无人机并不被现代战争看好,机器造价昂贵,战场灵敏度低,极易被敌人捕捉,无法防御最新的电磁干扰等种种弊端,即便是美国也无能力大规模生产。

国外近年来,无人机在民用方面的应用越来越多,各国在无人机的民用方面逐渐开放。无人机已经广泛应用于公共安全、应急搜救、农林、环保、交通、通信、气象、影视航拍等多领域。在过去几年,英国已经向130多家企业和政府机构颁发许可,美国签发了1400多份许可。毫无疑问,随着技术的更新和发展,民用无人机将迎来井喷式的发展,应用前景十分广阔。

国际无人机标杆国家极其发展情况如下:

美国:

美国作为全球第一军事强国,无人机的种类和数量都居全球第一,美国无人机的发展方向代表了世界无人机的发展趋势。为了指导和规划美国无人机的发展,美国国防部相继于2000,2002,2005和2007年公开发表了4个官方文件:《2000~2025年美国无人机路线图》,《2002~2027年美国无人机路线图》,《200~2030年美国无人机系统路线图》、《2007~2032年美国无人系统路线图》。前3个路线图分别给出了自主控制等级发展趋势图,对无人机自主控制级别( Autonomous control level,ACI ) 都采用了相同的提法,把自主控制的级别划分为了10级,对自主控制等级的衡量标 准中包括故障诊断能力、航线规划能力、机群协同能力、机群战术规划能力、分布式控制、机群战略目标等内荣。并对当前有代表性的、在研究的和未来规划的无人机系统如Pioneer,Global Hawk,X-45,AFRI Goal和ONR Goal等的ACI都进行了较明确的定义。ACI己经开始作为一种标准用来衡量无人机的自主性提高ACI是美国无人机发展的趋势之一。美国国家航空航天局(NASA)新成立了一个无人机应用中心,专门开展无人机的各种民用:研究,它同美国海洋与大气局(NOAA)合作利用无人机进行天气预报、地球变暖和冰川消融等科学研究。

以色列:

以色列是全球范围无人机设计制造技术最为先进的国家之一。以色列组建了一个民用无人机及其工作模式的试验委员会,埃尔比特系统公司领先完成了规定程序,其赫尔姆斯450无人机在2007年5月取得了民用证书。2008年,以色列飞机工业公司马拉特子公司的中高空长航时“苍鹭”无人机取得了在以色列空域中执行非军事任务的证书,此后有关部门合作进行了多种民用任务的试验飞行。

俄罗斯:  

A-03 Nart是由俄罗斯Antigrad Air公司研发的多用途无人机。执行如灾难性自然天气事件的预防,在干旱地区人工降雨的形成,监控道路,水和陆地表面,天气和环境条件等等。该机几何及性能参数如下:全长5.2m,翼展9.0m,最大起飞重量1100kg,驱动力2台PD-317螺旋桨发动机,最大速度450km/h,续航时间50小时,最高高度8000m,远程控制,包括自动化系统监控和气象局监控站,通过固定发射架或者卡车一定弹射架升空。可以装载MITS的多功能信息传输系统。按需求也可以广泛运用在执法部门。

 

欧洲:

欧洲2006年制定并立刻多方集资付诸实施“民用无人机发展路线图”,首期跨度为6年。“路线图”预计民用无人机市场从2010年开始迅猛发展,已突破1亿欧元大关,到2015年将上升到2.7亿欧元,其中地球观测约占市场的3.7%,通信与海上监视各占市场的13%,森林防火与灭火市场份额约12%,治安执法占3%。欧盟打算成立一个泛欧民用无人机协调组织,主要职责是市场评估、技术监视、空域管制、适航安全、标准制定、通用接口、成本控制等方面的试验研究。为解决最关键的空中安全与适航问题。荷兰已开始在非隔离空域进行“探测与回避”系统的研究与试验。

日本:

目前日本拥有2346架已注册农用无人直升机,操作人员14163人,成为世界上农用无人机喷药第一大国。

无人机发展关键技术:

无人机主要有五项关键技术,分别是机体结构设计技术、机体材料技术、飞行控制技术、无线通信遥控技术、无线图像回传技术,这五项技术支撑这现代化智能型无人机的发展与改进。

机体结构设计技术:

飞机结构强度研究与全尺寸飞机结构强度地面验证试验。在飞机结构强度技术研究方面,包括飞机结构抗疲劳断裂及可靠性设计技术,飞机结构动强度、复合材料结构强度、航空噪声、飞机结构综合环境强度、飞机结构试验技术以及计算结构技术等。

机体材料技术:

机体材料(包括结构材料和非结构材料)、发动机材料和涂料,其中最主要的是机体结构材料和发动机材料,结构材料应具有高的比强度和比刚度,以减轻飞机的结构重量,改善飞行性能或增加经济效益,还应具有良好的可加工性,便于制成所需要的零件。非结构材料量少而品种多,有:玻璃、塑料、纺织品、橡胶、铝合金、镁合金、铜合金和不锈钢等。

飞行控制技术:

提供无人机三维位置及时间数据的GPS差分定位系统、实时提供无人机状态数据的状态传感器、从无人机地面监控系统接收遥控指令并发送遥测数据的机载微波通讯数据链、控制无人机完成自动导航和任务计划的飞行控制计算机,所述飞行控制计算机分别与所述航姿传感器、GPS差分系统、状态传感器和机载微波通讯数据链连接。本实用新型采用一体化全数字总线控制技术、微波数据链和GPS导航定位技术,可使无人机平台满足多种陆地及海上低空快速监测要求。

无线通信遥控技术:

无人机通信一般采用微波通信,微波是一种无线电波,它传送的距离一般可达几十公里。频段一般是902-928MHZ,常见有MDSEL805,一般都选用可靠的跳频数字电台来实现无线遥控,北京节点通有成熟的应用。

无线图像回传技术:

采用COFDM调制方式,频段一般为300MHZ,实现视频高清图像实时回传到地面,比如NV301等,节点通有多种应用。

 

未来发展的关键方向:

随着无人机的发展,有许多关键难题需要攻克和解决。针对无人机发展中的关键方向,我们从隐身技术,通信链路抗干扰能力,小型化 、集成化、数字化光电任务设备,自主导航,自动规避和微型化六个方面来阐述。

一 隐身技术

早在年初,美国就在无人机上部分地采用了隐身技术。其隐身特征是用金属丝网罩住发动机进气道,在机身两侧贴敷雷达吸波材料覆盖层。机头涂不导电的油漆。自此以后,便有越来越多的无人机采用隐身技术。隐身技术的一项主要工作是提高反雷达探测的能力,也就是提髙目标在雷达探测下的隐身性能’通常用 目标的雷达截面积 表示。所谓目标的雷达截面积是指目标被雷达发射的电磁波射中时,其反射电磁波能量的程度。雷达截面积的大小反映了目标反射电磁波能量的强弱其越小雷达就越不易探测到 目标。在无人机上常从以下几个方面来减小。采用复合材料雷达发射的电磁波碰到金属材料时,由于其是电导体,在金属材料中易感应生成相同频率的电磁流。电磁流的流动会建立起电磁场,向雷达二次辐射能量。复合材料是由一些非金属材料如碳 和绝缘材料如环氧树脂组成。其导电率要比金属材料低得多 。因此,当雷达发射的电磁波碰到复合材料时,难以感应生成电磁流和建立起电磁场,所以向雷达二次辐射能量要少得多。无人机上采用的复合材料主要有玻璃纤维加强合成树脂、石墨与环氧树脂 、以芳纶纤维为基础的凯夫拉雷达吸波材料 。外形设计无人机在外形上采用机翼、机身、尾翼和短舱连接处光滑地过渡或机翼与机身高度融合的构型。机翼为下单翼时采用平整的翼身组合下侧面平滑的曲面外形。后掠的机翼后缘和尾翼后缘。注意凹状结构凹状结构具有角反射器的特性。角反射器是由3个互呈90°的表面角连接而成。当雷达的无线电波射入这个表面中的任一表面时可能形成三次“反弹从而在宽的视界角范围内返回强的电磁波能量到雷达。发动机进气道、尾喷管、排气口等都可看作凹状结构具有较大的雷达信号特征对发动机尾喷管来说还有红外辐射特征。因此,对这凹类状结构应采取隐身措施。

二 通信链路抗干扰能力

通信链路是无人机系统操纵的主要途径。因此无人机系统对有意或无意的电磁波干扰非常敏感一旦受到干扰,就会导致产生错误的控制指令,致使无法执行任务,甚至可能失控坠机 。在科索沃战争中,美军的一架先锋无人机由于受到南联盟的电子干扰而失去与航空母舰的联系最终燃油耗尽而坠毁。确保不间断的指挥与控制对无人机系统来说至关重要。因此 ,通信上要为无人机提供一个安全受保护的频率,并安装加密设备,同时增大机载链路设备发射功率,使其增加通信距离,提高抗干扰能力。同时 ,为了应对指挥与控制潜在的不可预料中断无人机系统都有相关预编程序和自主返回地面的预案如按照原飞行航线返航。

三 小型化 、集成化 、数字化光电任务设备

光电任务设备俗称光电平台,以光传感器为主如各种胶片相机、可见光和红外相机、激光器等 。未来光电任务设备主要朝以下三个方面发展:

随着技术和工业的飞速进步,体积小 、重量轻、功耗低的高性能集成机载传感器应运而生,可以在同一平 台下实现可见光、前视红外 、激光指示、激光测距等多种功能。

②航空侦察朝着空间的立体化发展要求光电平台技术先进、手段多样、空间广延、时间连续 。因此四框架两轴平台因其众多优点必然会越来越受到青睐。

③光电平台数字化。数字化有以下几方面优点。图像增强通过数字化对比度处理,使图像清晰度更好辨认和抽取感兴趣的区域可将场景以多种角度和尺寸显示出来,数字工具能够测算感兴趣的目标,采用数据压缩和错误校正编码,便于图像分析,避免传统模拟信号在传输时多次数模转换减少数据的损耗 ,真实地在地面还原原始图像。

四 自主导航

现如今大部分的无人机导航主要由组合定位定向导航系统完成组合导航系统实时闭环输出位置和姿态信息。为飞机提供精确的方向基准和位置坐标同时实时根据姿态信息对飞机飞行状态进行预測。基本组合导航系统 由激光陀螺捷联惯性导航系统、卫星定位系统接收机组成。在实际作战环境中,外界的电磁环境非常复杂,容易被干扰。而激光陀螺捷联惯性导航系统随着时间的增长误差会越来越大,在长时间的飞行中无法给 出飞机确定的位置、姿态和航向信息自主导航功能的应用变得非常重要。自主导航模式,顾名思义即飞机不依赖外部提供的电磁数据信号进行导航的模式。自主导航中,激光陀螺捷联惯性导航系统依然是主导航模式辅助导航方式 由 变换为天文导航和景象匹配导航等。天文导航是根据天体来测定飞行器位置和航向的航行技术 。天体的坐标位置和它的运动规律是已知的,测量天体相对于飞行器参考基准面的髙度角和方位角就可以计算出飞行器的位置和航向 。天文导航系统是自主式系统,不需要地面设备不受人工或 自然形成的电磁场的干扰,不向外辐射电磁波,隐蔽性好、定向、定位精度高,定位误差与时间无关。在低空飞行时因受云层覆盖的限制而较少采用天文导航,景象匹配导航能发挥更好的作用。预先通过光电侦察设备或雷达等手段获取飞行路径的景象信息,将这些景象数字化后存储在机栽的相关计算设备中,这些信息要求具有很好的可观测性。飞行中,通过机载的光电侦察设备或雷达获取飞行路径中的景象,然后利用机载数字景象匹配设备将其所测景象与预存的景象进行相关比较以确定飞机的位置。

五 自动规避

随着空中无人机飞行不断增多 要求合理规划航线、有效进行监管,防止无人机与有人驾驶飞机之间以及无人机相互之间发碰撞 。在伊拉克和阿富汗战场,无人机活动频繁,严重干扰了有人驾驶飞机的正常飞行。由于无人机环境感知能力缺乏、视野狭窄致使操作人员无法及时判明周围空域的情况,只能按照任务程序操作 。因此,有人驾驶飞机飞行员执行任务时需要时常留意闯入自己航线的无人机,以避免相撞。美军曾发生过几起低空无人机与直升机相撞的事故。自动规避系统可以利用机载安装的应答设备 ,每个无人机在飞行过程中向外广播自身的经度、纬度和髙度信息和其他在飞行中的无人机接收到这些信息后通过飞行控制计算机计算,在原有航线的基础上规划出合理的规避航线。

六 微型化

微型无人机将作为士兵可携带的战场侦察设备。其特点是体积小 、重量轻、机动性强、隐蔽性好、续航时间长特别适用于髙危环境下遂行任务 。微型无人机能够提升战场的信息化水平像飞虫一样盘旋在空中或者隐藏在某个角落不被发现的情况下进行侦察停在窗台上观察房间内或下面街道上发生的事情将目标区域的图像和声音传给数千米之外的控制人员 。在搭载了其他传感和侦察设备后徽型无人机还能用于执行 目标跟踪、战果评估、有害物质检测等任务。

 

未来无人机作战:

未来,无人机武器系统代替人员作战必然成为主流。但无人战机仍存在“固有缺点”,即智能化水平仍旧不足。目前无人战机多以单机方式执行作战任务,尚未具备无人机编队及协同作战能力。两机相遇,从抢先发现敌机到最后发出制胜一击,短短数秒内飞行员需要估测敌力、锁定敌位,追踪、反击。其他影响空中战斗的因素还包括:天气、地形、燃料水平、驾驶情绪、交战规则、对方飞行器种类判定,武器及防御装配、环境温度,等等。也就是在两机遭遇的刹那、在整个高速机动过程中,飞行员与武器操作员要综合所有这些情况,瞬间做出决定。以现在的无人机为基础,要想设计和制造出堪比职业飞行员反应速度的机械,至少要突破下面几个瓶颈:

一、综合传感器及综合分析所有数据

让飞行员远距离遥控无人机无疑是将来最可能的作战方式,然而局势瞬息万变,如何让飞行员瞬间而全面的知晓现场的天气、地形等等状况呢。现在的技术是不可能实现的,即使未来真的有这种传感器组能够及时获取信息,整合信息,发送给控制者,再把控制者的决定传回战斗机。其中数据传输的时间延迟在与传统战机对抗时又是否能够通过技术克服呢?

如果减少人力干预以高度智能的软件控制战斗,要想写出像人一样,能够实时研判风险、做出决定的算法,其难度更大。再者算法只能处理提前预料到的情形,软件能否将座舱里的飞行员靠训练、经验、能力、直觉等等综合做出的决定编写出来尚不可知,战场是个瞬息万变,事关多少人生死存亡的地方,诸多不确定因素左右着时局发展,技术的制约是一方面,另一方面,即便有了技术,我们是否敢于轻易应用于战场也还值得讨论。

二、信息传输系统受不确定因素的影响

如果能有一套完整的传感器组,无人机遥控人员自能获得各项必要信息,而且数据传输率足够高,开发出一套让飞机正确应对威胁的算法是有可能的,  但一旦信息链或网络遭到破坏,无人机就得玩完。“最大的问题在于如何与无人机保持通信。”距离越远,飞行员越容易与复杂的无人飞行器失去联系。

无人机混合编队及协同作战只是发展未来无人机集群协同作战的第一步,但也将是很长一段时间内,未来空中战争的一种发展趋势。无人战机未来发展的方向应该还是无人机之间的集群协同,这样可以更大的发挥无人机自己的优势,这也是各国研究的下一个重点目标。


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