无人特种飞机的发展现状与未来

路　静,曹　晨

(1. 中国电子科技集团公司第27研究所，河南 郑州　450047；2. 中国电子科学研究院，北京　100041)



综述

无人特种飞机的发展现状与未来

路静1,曹晨2

(1. 中国电子科技集团公司第27研究所，河南 郑州450047；2. 中国电子科学研究院，北京100041)

摘要：无人特种飞机是指用于执行侦察监视、预警探测、电子战和通信中继等特种任务的无人机或无人驾驶飞行器系统，其五十余年的发展主要归因于监视对象扩展、突防能力扩展、平台升限扩展和任务时间扩展。未来的无人特种飞机，将具备多元任务、先天一体、高空长时、软件定义和智能管理等五个方面的主要特征。

关键词：预警探测；侦察；监视；无人机；特种飞机中图分类号：V249.1

文献标识码：A

文章编号：1673-5692(2016)03-223-06

1无人特种飞机的发展回顾

无人特种飞机是指用于执行侦察监视、预警探测、电子战和通信中继等特种任务的无人机或无人驾驶飞行器系统。

无人特种飞机是无人机较早的装备形态之一。第一次世界大战期间，英国首先开始了无人机应用于攻击德军地面目标的探索，但是未能成功；第二次世界大战以后，无人机首先应用于靶机，20世纪50年代，美军开始基于“火蜂”Q-2C无人靶机改装为无人侦察机[1]，标志着无人特种飞机的诞生，此后，美军在越南战争期间将BQM-34D等无人机投入使用，自20世纪60年代中期以前，可以认为是无人特种飞机的初生时期。

自20世纪60年代中期至90年代中期，无人特种飞机进入推广应用阶段。这一阶段在功能特征方面，以战术侦察为主；在技术特征方面，其平台普遍较小，采用常规布局，飞行高度较低，航时较短，任务系统使用光波探测，主要搭载光电传感器。在海湾战争中，以美军为首的多国部队动用了大量无人侦察机，如以色列的“先锋”、“敢死蜂”BQM-147A和“指针”FQM-151A等，法国也使用了“玛尔特”无人侦察机，这些无人侦察机在侦察、监视、目标捕获、战场管理、舰炮火力支援和战损评估等方面发挥了极其重要的作用[2]。

1993年，美国成立了“国防机载侦察办公室(DARO)”，在其统一领导下，无人机装备与技术研究快速发展，先后提出了Tier、Tier II、Tier II+和Tier III-等多个无人特种飞机发展计划[2]，形成了RQ-1A/MQ-1B“捕食者”和RQ-4 “全球鹰”等多种无人机系统装备，之后还发展出“死神”MQ-9和“海神”MQ-4C等重要型号[3]，标志着无人特种飞机进入繁荣发展阶段。这一时期的无人特种飞机，普遍具备长航时、高升限的特点，前者主要体现出由于无人操作而不要考虑操作员疲劳所带来的生活设施配备甚至乘员更替问题的优势，后者则为了获得更远的电磁波工作视距，综合体现了无人机经济性较好和作战效能较高的特点。在这一阶段，任务系统开始搭载合成孔径雷达，标志着无人特种飞机对电磁波的使用从光波跨入微波阶段。虽然合成孔径雷达相比光电传感器其工作频段降低，从而对孔径需求更大，但其全天候和远距离性能更好，同时由于搭载平台规模的增大，可以满足大孔径的需求。这一阶段无人特种飞机的功能定位，虽然仍以对地对海侦察为主，但由于平台升限和航时的改善，以及传感器技术体制的变化，已经能够执行战略级或广域侦察任务；同时，无人特种飞机开始搭载武器系统，具备“察打一体”能力，“捕食者”无人机代号由RQ变更为MQ(M代表多任务)，即反映出这种发展特点。

在这一阶段，无人特种飞机自“暗星”RQ-3A开始隐身化的探索，RQ-170则是第一型具备隐身特征的正式装备，2005年投入使用。无人机隐身化，标志着无人特种飞机的任务区域需要从许可环境向争议或拒止区域拓展，应该具备一定的突防或自卫能力。2008年，美军启动RQ-180无人隐身侦察机研制，用以替代SR-71，其任务能力和隐身性能也全面优于RQ-170。RQ-180不仅搭载了有源和无源射频传感器，还装备有电子战载荷，可以执行电子攻击任务，表明了无人特种飞机继搭载武器系统之后，进一步呈现出“多元任务”的发展趋势。

2005年，美军提出《无人机系统路线图2005～2030》[4]，认为无人机的任务将迅速扩展到电子干扰、通信截听、隐含电磁频谱的图像生成、弱信号测量等领域，并将具备对地面辐射源精确定位、侵入并接管敌方网络系统、将算法包植入敌网络、利用新型有源相控阵雷达对敌方导弹和机载雷达进行干扰或攻击等能力。尤其为无人机装备射频、定向能武器，执行侵入、窃听、接管控制或攻击敌网络的任务，更是首次提出，显示了无人机信息化战争条件下多元任务的重要发展方向，先进电子与信息技术的采用将使无人机的作战能力产生飞跃。

2无人特种飞机发展的推动因素

综观无人特种飞机五十年来的发展，可以看到有四类典型的扩展问题在逐渐呈现，它们既与军事需求有关，也与技术进步有关；对这四类问题的处理，在很大程度上决定了无人特种飞机装备发展的形态，是无人特种飞机发展的主要推动因素。

第一类扩展是监视对象扩展，核心是对地与对空的问题。以美军装备为代表，其主要任务集中在对面目标的侦察与监视任务，对空探测则没有形成正式装备。1998年，美军提出“传感器飞机”概念[5]并开展研究，期望同时具备E-3预警机对空监视和E-8对地侦察的功能(图1)。传感器飞机项目以传感器性能最大化为出发点，改变在已有飞机平台上集成任务系统的传统做法，在飞机设计的一开始就考虑任务系统的集成需求，寻求飞机系统与任务系统(如机身结构即任务系统天线)以及不同功能的任务系统(如探测、通信与电子战)之间最大限度的重用与共用。虽然对空和对地的雷达探测至今仍然难以统一产品形态，但据传感器飞机当初的设想，分别集成在同一平台上的不同部位并实现与平台的部件一体化，是可能的。因为项目技术难度大，后续研制未见报道，但传感器飞机的设计思路将对未来无人特种飞机的定位、技术形态和产品形态产生重大而深远的影响。

图1　美军《无人机系统路线图》中关于无人特种飞机的规划

第二类扩展是突防能力扩展，主要是隐身与非隐身的问题。无人特种飞机的使用环境将由当前的低威胁和弱对抗为主扩展到高威胁和强对抗环境，因此需要提高其突防与生存能力，无人特种飞机的隐身需求正在不断强化。提高隐身能力，要求无人特种飞机具备新的技术特征来减小敌方探测器的探测能力，如隐身外形设计(飞翼布局)、吸波/透波材料、蛇形进气道，有源对消甚至等离子体等技术来获得全向和宽频的雷达隐身性能，通过非常规喷管外形、燃油添加剂、隔热/屏蔽等技术来消减自身的红外信号特征[4]。为提高无人特种飞机的突防和生存能力，在做好隐身设计的同时，加装电子支援与对抗设备，也是重要措施。除了这两种技术措施以外，应该注重无人平台的飞行速度提升问题。理论上，隐身设计代价较高，若将雷达探测距离降低1倍，RCS需要降低16倍。由于探测系统的能力是可以用反应时间来度量的，在发现距离不变的情况下，飞行器速度提升1倍，可以起到相同效果。因此，无人特种飞机隐身与非隐身的问题，要求系统设计需要在更高更广的层面上进行折衷。

第三类扩展是平台升限扩展，即低空和高空的问题。这里的低空并不是绝对意义上的，而是同临近空间比较而言。临近空间处于现有飞机最高飞行高度与卫星最低轨道高度之间，由于其视线距离更远，因此在执行以电磁波为主要工作介质的侦察、预警、通信和电子战等任务时，具有明显优势，还可作为进入太空的中转平台，甚至直接配备武器系统(包括弹药或高能激光)。与平流层高度的飞艇所呈现的低速特点不同，临近空间的无人特种飞机将呈现出高速特点，以提供全新的突防侦察与打击能力。美军于2015年1月提出发展专门为高超声速飞机设计的雷达[6]，特别用于30 km高度以5至7马赫速度巡航的飞机合成孔径雷达/地面运动目标指示器(SAR/GMTI)，项目分为三个阶段，第一阶段完成以1 m分辨率覆盖70 km宽范围的雷达设计，第二阶段利用仿真工具评估雷达在多种高超声速飞行器和弹道中的性能，第三阶段提供实际产品。

第四类扩展是任务时间扩展，即长时和短时的问题。世界各国在发展无人机时，均在通过优化外形布局、增大燃油容量、采用先进动力甚至是自主空中加油等技术来延长无人机续航时间，实现不间断战场控制和常规威慑[4]。通过采用飞翼布局、更大展弦比的机翼、局部优化设计等优化外形布局以至流体控制等技术，增大升力、降低阻力；通过提高涡扇发动机部件效率和引入自适应技术，将有望大幅度提高续航时间；太阳能动力技术的光伏转换效率将持续提高，可支持临近空间无人机数天、数月以至数年的持续飞行；自主空中加油将成为以后无人平台的必备能力，将会带来作战半径延伸、任务时间延长和减少对前方基地的依赖等作战优势。

3未来无人特种飞机的主要特征

3.1技术基础

未来的无人特种飞机是航空与电子等多专业多门类多技术的集成，特别是电子与信息技术的快速发展[7]，将为未来无人特种飞机在功能定位和产品形态上可能发生的重大变革提供重要支撑。

图2　美军基于模块化的无人机系列任务系统

微电子技术正在步入不断挑战极限的后摩尔时期。以SOC(片上系统)和SIP(系统级封装)为支撑、以SOP(封装级系统)为目标的3S技术，正在以摩尔定律的速度减小体积、增加功能，革命性的超多功能电子器件正在不断涌现。第三代半导体已经投入现役装备使用，瑞典萨博公司推出的环球6000型有人预警机[8]，搭载“爱立眼”两面相控阵雷达，即采用氮化镓技术，其工作带宽进一步增长，能量利用效率显著提升，不仅降低了发电设备的要求，也减小了冷却设备的代价，相比此前的最大搭载平台——萨博2000，在飞机最大起飞重量减少200 kg的情况下，雷达探测距离增加20%以上。由于这种类似措施特别适应于机载环境，必将从有人平台向无人平台推广应用。在微电子技术的推动下，一种无人机载毫米波雷达系统，其直径约为原型系统的2/3(28 cm以下)，质量约为原型系统的1/3(8 kg 以下)[9]。同时，基于3S技术的微系统不断发展，不仅能够集成计算、存储、感知与执行模块和通信模块，而且能够集成电源模块，功能日趋完善，从而使得未来的无人机载系统可能具备功能和设备高度一体化的特点。此外，量子和光子日益成为新型信息载体，量子导航、量子雷达、量子成像和量子通信等技术蓬勃发展，在机载平台上的应用前景广阔[10]。

在计算机技术方面，CPU正在经历从单核向众核、同构向异构的转变，众核数量趋于100；刀片服务器进入大规模应用，早在2011年前便被美军最新型号的预警机E-2D使用[11]；虚拟化系统逐渐实用，对于基于中低性能芯片实现高性能计算提供了重要技术基础；巨型机方面，内核数早已突破50万，最高速度达数十Tb/s；量子计算的实用化进程加快，可以提供比传统计算机快多个量级的计算能力。计算技术的变革，将使得在有人和无人特种飞机上，大幅度减少计算机种类和数量，并使得采用高度综合化的处理器成为可能，从而显著提升性能和改善装机适应性。

通信与网络技术中，光纤通信技术发展速度已经超过摩尔定律，未来可以依托速度更快的高密度波分复用光纤通信系统进行机载条件下各类任务系统的本地集成，从而进一步提升系统响应速度；由于IPv6(互联网工程任务组设计用于替代现行v4版本的下一代互联网协议)在安全和管理方面的优势，使其在军事应用方面具备极大的潜力，从而为各类分布式的系统提供可靠和快速的集成手段。在接入网方面，民用4G技术将加快在军事通信中的应用[12]，通过智能天线、多入多出和多跳路由等技术，将为数据链系统提供更好的自组织、抗干扰、互操作和宽带接入能力。

与军用信息系统有关的软件发展，则呈现出两个重要趋势，一是比例不断增加。软件正在越来越多地实现硬件的功能，而硬件的数字化和综合化，正在不断加快雷达和通信等无线电系统软件化的进程，直至形成软件化雷达和软件无线电系统装备。二是智能化水平不断提升。计算机与人工智能技术的进一步发展，将使得软件能够具备对语义和情感的处理能力，从而大大提升信息系统的智能化水平。

3.2主要特征

在军事需求和技术推动的双重作用下，未来的无人特种飞机将呈现出多元任务、先天一体、高空长时、多模应用和智能管理等五个方面的主要特征。

多元任务。未来无人特种飞机将向更为广阔的任务领域扩展，将全面涉足对地(防空压制、时敏目标打击、近距空中支援和纵深或战略目标打击等)、对海(反水面舰艇、反潜作战)、对空(打击敌方高价值空中目标、中远距离空中拦截和近距格斗空战)、导弹防御(助推段弹道导弹拦截、巡航导弹防御)和网电攻防(网电攻击、网电防御)等各个任务领域[4]。无人特种飞机的使用环境也将越来越复杂，要求更好地适应复杂地理环境、复杂干扰环境，甚至是高威胁环境。当然，多元任务并不一定要求执行各类作战任务的信息系统在同一平台上实现，只是信息技术综合化和一体化的发展趋势，为在一个平台上，以同样的装机代价，实现系统在雷达、通信、电子战或导航等方面的更多能力和满足更多任务需求提供了可能。多元任务的另一个实现方式是，有可能有多类无人装备，它们基于高度模块化的设计[4]，根据需要配置在不同平台，分别用于执行不同任务。

先天一体。任务系统在无人空中平台上的集成，有三种途径，即利用现有有人平台进行改造，或选用已用无人机进行加改装，或是从设计的一开始就专门研发无人平台，将任务系统同平台进行一体化设计，其中，第三种途径难度最大，但因能够实现任务系统探测性能与载机气动性能的整体最优，从而能够代表无人特种飞机的发展趋势。在传感器飞机[13]项目中，以传感器或任务系统的效能最大化为核心，在无人特种飞机系统设计的一开始就追求最大程度的综合(即先天一体)，飞行结构就是传感器或其部件；因此，也许将其称为“可飞行传感器”，更能表达出以传感器为核心的设计理念，这种设计理念有可能带来未来无人特种飞机同时解决对空和对地监视问题的可能性。因为对空预警要求更大的功率孔径积和全方位覆盖能力，只有利用平台本身的结构件规模(如将飞机较大尺寸的机翼设计为传感器的天线)，将其转化为任务系统可以利用的资源，才真正有可能在实现对地监视的同时也提供足够视野和足够威力的对空探测功能。

高空长时。虽然不同高度上、不同航时和航程的无人特种平台均有其应用价值，但是高空长时的要求更能牵引无人机的技术进步和装备发展。提高无人特种飞机的飞行高度，就能提高电磁波系统的视距，同时也降低了受防空武器攻击的可能性，其作战效能提高明显；延长无人系统的续航时间，既是无人系统优势的主要体现，也是减少装备数量、提高任务连续性的重要措施。高空长时要求更大的升阻比，由此可能要求平台采用飞翼和连接翼等非常规气动布局[4]。这些非常规气动布局虽然气动效率较高，并且可以考虑与任务系统天线集成或先天一体设计，以提供更大孔径，但同时也可能带来结构形变较大影响天线性能以及飞控或操纵等问题。

多模应用。高度一体化设计、能够执行多种作战任务的未来无人特种飞机，可能有三种应用方式。一是在和平时期或战时，能够独立并且经常性完成责任空域(和海域)的巡逻监视任务，包括对四代机隐身目标、临近空间高速目标、低空/超低空目标和海面目标的预警与监视任务，这是其基本使用模式。由于平台的无人且能长期滞空，与有人飞机相比更适宜执行日常巡逻任务。二是在战时，采用一架大型有人预警监视平台与多架无人特种飞机协同工作的方式，扩大预警监视威力与覆盖范围，并提供对我方有人或无人作战飞机执行对空突袭的指挥引导任务，或者提供防区外对海/对地突袭时的防区外监视与突击引导任务。三是在战时，多架无人特种平台进行集群应用，实现协同探测与定位，减少自身被探测和暴露的可能性，同时又提供足够质量的战场情报[14]。

图3　美军在SoSITE项目中规划的无人机集群应用

智能管理。未来无人特种飞机的任务系统在硬件上采用宽频带数字化和综合化设计，为功能软件化提供支持，并不断提高软件占比，系统主要功能可以由软件进行定义，从而为智能管理创造条件。同时，在有人预警机和监视飞机的配合下，具有高度智能化的任务管理能力，一方面，无人平台具备与有人平台具备同等能力的、从机器到机器和无需人工干预的智能化情报综合能力，以支持复杂环境下有人平台相应功能的分布式应用，并且根据当前任务需要和链路状态智能进行情报分发；另一方面，能够自动完成对空、对地、电子战等任务，甚至是基于中继通信手段辅助进行战机指挥引导与突击作战，从而有效支撑多元化作战任务的实施。

4结语

无人特种飞机将成为未来特种飞机的重要形态，未来无人特种飞机的装备种类将日渐丰富，功能定位将更加多样。建议国内在开展相关装备研制和技术储备过程中，考虑到任务系统与飞行平台高度综合化设计具有难度大、技术牵引性强、研制周期长的特点，宜尽早启动并持续投入开展相应研究，同时重点处理好对空探测和对地监视的关系以及隐身和非隐身的关系，更好地满足未来作战需求。

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[14]中国电科发展战略研究中心，电子快报2015年合订本.北京：2015.

Current Status and Future Development of Special Mission Unmanned Aircrafts

LU Jing1,CAO Chen2

(1. The 27thResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Zhengzhou 450047，China；2. China Academy of Electronics and information Technology，Beijing 100041, China)

Abstract:Special mission unmanned aircrafts refer to unmanned aerial vehicles or unmanned aerial systems designated for special missions，such as surveillance and reconnaissance, early warning, electronic warfare, communication relay and so on. Such unmanned aircrafts have been developed continually for more than 50 years mainly owing to mission objects expanding, penetration capability enhancing, platform ceiling hoisting and mission time extending. In the future, special mission unmanned aircrafts will be characterized by five key features as multi-mission, platform-payload integration, high altitude with long endurance, software definition and intelligent management.

Key words:early warning detection; reconnaissance; surveillance; UAV; special mission aircraft

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.03.002

收稿日期：2016-02-03

修订日期：2016-05-30

作者简介

路静(1972—)，女，河南郑州人，高级工程师，主要研究方向为信息通信和雷达信号处理；

E-mail: caochen998@sina.com

曹晨(1974—)，男，湖北当阳人，博士，研究员级高级工程师，博士生导师，主要研究方向为复杂信息系统总体设计。