舰载无人直升机的作战应用及其关键技术

袁 涛，单俊杰，刘 明，宋 平

(1.海军装备部驻武汉地区军事代表局，湖北 武汉 430064；2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

近年来，随着无人机技术的不断发展，无人机在战场环境的应用越来越多，正逐渐成为现代战场的主力装备。大型驱护舰艇受限于起降条件，通常只能够搭载直升机。为提高作战舰艇的综合能力，越来越多国家的海军开始发展舰载无人直升机。舰载无人直升机特点显著，应用前景广泛，可搭载光电、雷达、中继、反潜、武器等任务载荷设备，能够为水面作战舰船提供探测、中继、反潜、打击等手段。但在实际战场环境中，舰载无人直升机面临高海况使用、多任务载荷数据下传、协同指挥与控制等问题。解决这些关键技术问题，将大幅提高舰载无人直升机的作战效能。

1 舰载无人直升机作战应用情况

1.1 舰载无人直升机的特点

除具备体积小、重量轻、成本低、训练维护简单等无人机都具备的一般特点外，相较于固定翼无人机，舰载无人直升机具有起降条件简单、可定点悬停、能进行小速度机动等特点。相较有人直升机，舰载无人直升机以任务为中心，具备有效载荷大、续航时间长以及全天候执行任务的特点。

1.2 国外舰载无人直升机发展情况

从第一架舰载无人直升机QH-50服役到现在已经过去了60年。在此期间，无人直升机更新换代，但受限于无人机技术的制约，一直未得到大规模应用。直到21世纪初，随着无人机技术的快速发展，舰载无人直升机受到各国海军的重视，出现了越来越多的舰载无人直升机型号。以下为几种国外典型的舰载无人直升机的应用情况[1]。

1)QH-50

QH-50是美国在20世纪60年代研制的一款双旋翼共轴无人直升机，这也是世界上第一款军用无人直升机，曾参加过越南战争，主要用于反潜作战。

2)CL-327

CL-327“海上卫士”是加拿大庞巴迪公司20世纪90年代研制的一款舰载无人直升机，是在CL-227“哨兵”无人直升机基础上进行改进研制的。作为一款舰载型无人直升机，CL-327曾在美国海军“范德格里夫特”号护卫舰上进行试验，并于1996年实现批量生产。

3)S-100

S-100无人直升机是奥地利西贝尔公司2003年研制出来的一款无人直升机，最大起飞重量为200kg，最大载重90kg，可携带多功能光电吊舱，主要用于侦察警戒。德国海军K130级轻型护卫舰就曾部署S-100无人直升机，并开展了飞行试验。

4)“火力侦察兵”系列

“火力侦察兵”系列无人直升机由诺斯罗普·格鲁门公司研制。从2000年开始立项研制至今，“火力侦察兵”系列无人直升机技术一路领先。“火力侦察兵”系列包括MQ-8A、MQ-8B和MQ-8C。其中，MQ-8B是作战应用经验最多的舰载无人直升机，目前已小批量装备于美国海军的多型舰艇上，并于2011年被美国海军派遣至阿富汗战区执行实战任务。

1.3 国内舰载无人直升机发展情况

国内发展舰载无人直升机的起步时间较晚，但发展较快，目前已出现多种型号。以下为几种国内典型的舰载无人直升机的应用情况。

1)WZ-6B

WZ-6B无人直升机是一款多用途舰载无人直升机，有效载荷达到250kg，于2014年亮相于第五届无人机大会暨展览中。WZ-6B无人直升机具备运动舰面自主起降能力，能够执行战场侦察、目标指示、通信中继、电子对抗等多种任务。

2)AR500舰载型

AR500舰载型无人直升机由航空工业直升机所研制，是在AR500基本型上改型而来的。其基本型早于2014年珠海航展亮相，2015年投入民用市场。AR500舰载型的出现是为满足海事巡逻的需求，具备海上警戒探测、通信侦察、通信中继等任务能力。AR500舰载型无人直升机采用基于差分卫星的着舰引导技术，具有较高的自动着舰精度。

2 舰载无人直升机的制约因素

2.1 作战应用水平等级划分

纵观世界各国海军的舰载无人直升机发展历程，可根据舰载无人直升机的飞行能力、任务能力以及作战能力程度，将舰载无人直升机的作战应用水平分为可用级、实用级、战术级三个等级。达到可用级需具备较强的飞行能力以及初步的任务能力；达到实用级需具备很强的飞行能力，较强的任务能力，以及初步的作战能力；达到战术级需具备很强的飞行能力，很强的任务能力以及较强的作战能力。各作战应用水平下舰载无人直升机应具备的能力见表1所示。

表1 各作战应用水平下舰载无人直升机应具备的能力程度

在国外舰载无人直升机型号中，CL-327、S-100达到了可用级。QH-50严格意义上并未达到可用级，原因在于QH-50为冷战仓促上马的产物，其研究试验不足、可靠性差、损失率高，且任务完成率低。MQ-8B已达到实用级，具备很强的飞行能力，且能搭载光电、雷达、武器等多种任务载荷,具备较强的任务能力。但MQ-8B仍未到战术级：一方面其存在设计缺陷，在“哈利伯顿”号护卫舰上的任务完成率仅有50%；另一方面，一些早期型号舰艇远在MQ-8B无人直升机装备之前就完成了设计，舰艇的顶层设计中并未考虑MQ-8B舰载无人直升机的作战需求，只能通过适应性改装来实现MQ-8B的搭载，这导致MQ-8B无法发挥出作战能力。美军已在新的濒海战斗舰设计中增加了对无人直升机的作战需求。通过搭载新型舰艇融入作战体系，未来MQ-8C将能达到战术级的作战应用水平。

2.2 制约因素

1)高海况使用

舰载无人直升机通常要求在4至6级海况下能正常使用，而对舰载直升机(有人或无人)而言，最大的制约因素便是高海况。高海况对舰载直升机的影响包括两方面，分别为对直升机舰面开车的影响和对直升机舰面起降的影响[2]，其中起降过程中舰载直升机受到的影响最为严重。根据世界气象组织及相关标准的定义，4至6级海况下，自然风速可达6.5m/s～18.1m/s，海面浪高1.25m～6m。受高海况下风速风向的影响，飞行甲板易形成紊流区，会对舰载直升机产生湍流影响、下冲气流影响、速度梯度影响；受海浪作用影响，舰船纵横摇运动幅度很大，非常不利于舰载直升机起降。

2)多任务载荷数据下传

作战应用水平达到好用等级时，舰载无人直升机具备搭载足够有效载荷的能力，可同时搭载如光电、雷达、中继、反潜、武器等载荷，具备较强的任务能力。多载荷同时工作时，将面临如何有效下传这些载荷的任务数据的问题。通常光电、雷达等视频类信息占据着大部分的下传带宽。以1080P/30Hz的可见光视频信息为例，其产生的原始数据量高达178Mb/s，即使通过图像压缩技术大幅降低其数据量，因受到数据链传输带宽的限制，要实现所有任务载荷数据高质量下传仍面临巨大的挑战。

3)协同指挥与控制

舰载无人直升机作战应用的发展趋势是信息化、实时化、智能化[3]。在现代战场环境下，舰载无人直升机作为作战舰艇一个重要的节点，要与其它系统相互协同，具体包括与有人直升机协同、与舰艇编队其它无人直升机协同等。在指挥层面，无人直升机面临着舰船编队内多层级指挥控制，需解决多个控制中心的指挥权限管理问题。在控制层面，无人直升机面临着编队下多机协同执行任务的问题。为发挥无人直升机的作战能力，需解决多机编队飞行、多机任务规划等关键技术。

3 舰载无人直升机的关键技术及发展趋势

1)高度自主的飞行控制技术

舰载无人直升机面临着复杂的气流环境，在起降阶段尤为严峻，这大大增加了人工控制的难度。因此，高度自主的飞行控制技术是需解决的关键技术之一。传统直升机飞行控制多采用PID控制，这种算法虽易实现，但抗干扰能力较差。为适应复杂的舰载环境，应在传统控制方法的基础上，发展非线性控制、自适应控制、智能控制等技术[4]，研发出高度自主的飞行控制系统。

2)着舰技术

舰载无人直升机的着舰技术主要包括着舰引导技术。着舰引导技术用于实现无人直升机对舰船的跟随引导，使无人直升机能够接近并保持与舰船相同的速度和姿态进行跟随飞行。传统的着舰引导技术包括卫星引导、雷达引导、光学引导等，几种引导方式各有优缺点。着舰引导技术未来趋势将是多技术融合、全天候、全自动等[5]。

3)高速率数据传输技术

舰载无人直升机同时下传多任务载荷数据时，数据速率非常高。为满足任务数据的实时下传，一方面应采取压缩编码技术降低数据源速率，另一方面需提高数据链系统的传输带宽。传统的电磁波数据链主要通过提高发射功率，增加天线增益，降低器件损耗等技术来提高传输速率。未来还可发展激光通信技术，该技术具备数据传输速率高、不易被发现和截获、频谱资源充足等优点[6]，已验证的单路传输速率可达10Gb/s。

4)多任务综合处理技术

在现有数据链技术水平下，舰载无人直升机很难保证全部任务数据实时下传，需发展多任务综合处理技术。一方面，可通过对任务数据进行压缩编码、动态带宽分配、分时下传、数据融合等手段，实现有限传输能力下最大化的任务数据下传；另一方面，可发展自主任务规划、载荷自主控制等技术，加强任务系统的自主能力水平，减少下传的数据量。

5)控制权切换技术

当舰载无人直升机部署在一个舰艇编队中时，会面临多个控制中心对无人直升机进行控制的情况。无人直升机在同一时隙内只接受一个中心的控制，根据任务需进行控制权切换。控制权切换的实现方式很多，但都应能保证交接过程的无缝、连续、稳定[7]。这要求：①无人直升机测控数据链统一设计，以保证无人直升机能与所有控制中心建立测控通信；②控制权限管理，能够根据不同任务需求分配控制中心的指挥权限等级。

6)多机协同技术

根据美国空军研究实验室的定义，无人机自主控制能力分为10个等级，其中第5级为多机协同。国内研究人员也提出了无人机自主控制等级的划分建议[8]，第5级为多机编队与任务协同。多机协同技术主要包括多机任务规划技术、多机编队飞行技术。多机任务规划涉及到资源分配、任务分配、时间协同等技术；多机编队飞行技术主要包括编队组织、编队形成、编队保持、编队重构、障碍规避、机间碰撞规避等技术。

4 结束语

舰载无人直升机以其独特的优势，在未来很长一段时间内，都将是各国大中型水面舰艇的重要航空装备。随着关键技术的不断突破，影响舰载无人直升机作战应用水平的各种制约因素正逐步得到解决。随着飞行控制技术和着舰技术的发展，能满足高海况使用要求，达到可用级；随着高速率数据传输技术和多任务综合处理技术的发展，可实现多任务载荷数据下传，达到实用级；未来随着控制权切换以及多机协同技术的突破，将实现协同指挥与控制，从而达到战术级。当前国内无人直升机领域处于快速发展期，对于航空工业单位来说，应把握舰载无人直升机关键技术发展方向，紧扣舰船作战需求，尽早研制出满足战术级要求的舰载无人直升机，提升舰船的作战能力。