空投型無人子機系統研究與設計

楊新宇，雷廷萬，鐘 昆，張 翰，劉 寬

(航空工業(yè)成都飛機設計研究所，成都 610031)

0 引言

近年來世界各國反介入/區(qū)域拒止能力不斷發(fā)展。在國土防空領域，防空作戰(zhàn)體系通過構建全域殺傷網絡，正在逐步完善全域感知、全域指控、全域打擊的能力。單一的作戰(zhàn)飛機平臺在遂行低空低速的偵察或對地打擊任務時，面臨著敵方防空作戰(zhàn)體系的探測、干擾和攻擊，其單獨作戰(zhàn)不具備足夠的安全性，或者在具備安全性的前提下不具備對目標偵察、毀傷的有效性。因此，在今后的一段時間內，多機間的協同作戰(zhàn)將會是主流趨勢。

多機間的協同，其核心主旨是借助不同分工的飛機，形成分布、廣域、彈性的作戰(zhàn)能力，以期對主戰(zhàn)裝備起到作戰(zhàn)能力擴展、作戰(zhàn)資源補充、作戰(zhàn)任務分擔的作用。多機間的協同，本質上是多機在同一時間，某一任務區(qū)域為達成同一作戰(zhàn)意圖的作戰(zhàn)行動。在多機協同中，從地面起飛的僚機受制于飛行速度、空域協同、數據融合等問題，很難快速準確伴隨長機完成協同任務。

載機平臺和無人子機實施協同偵察探測的作戰(zhàn)方式，充分發(fā)掘和利用無人子機隱蔽性強、可探測性低的特點，在前期載機平臺對目標實施偵察或根據地面情報預先進行任務規(guī)劃的基礎上，通過無人子機抵近偵察，實現對目標的精細化成像。偵察信息則通過數據鏈回傳至載機平臺地面站，供情報人員判讀。因此，從載機平臺投放的空投型無人子機可以很好地解決多機間協同的問題。

1 美國無人子機系統發(fā)展情況

本文將分別結合美軍在直升機、有人機、無人機平臺上進行的多次發(fā)射無人子機的試驗，對美軍無人子機的發(fā)展進行介紹，并總結其特點。

1.1 直升機平臺空射無人子機

在“多域作戰(zhàn)”思想和縱深攻擊概念的牽引下，美國陸軍開展了“未來攻擊偵察機” FARA項目。FARA項目采用“模塊化開放式系統架構”，以網絡為中心思路，通過攻擊直升機和無人機混合編隊實現遠程精確攻擊。無人子機的定位采用模塊化任務負載，執(zhí)行偵察、欺騙、干擾、網絡中繼等任務。

在項目實施上，攻擊直升機并不進入敵方防空火力范圍，而是由直升機空中發(fā)射的“空中發(fā)射效應單元”(ALE)執(zhí)行任務。ALE進入敵防空圈執(zhí)行偵察任務，獲取相關戰(zhàn)場信息，然后由敵防空圈外的直升機發(fā)射遠程制導彈藥摧毀目標。

2020年3月，美國陸軍在UH-60“黑鷹”直升機上進行了前射艾利爾埃(Area-I)公司“發(fā)射管整合空射無人系統”(ALTIUS)的演示。2020年5月，美國陸軍再次基于“黑鷹”直升機空射ALTIUS無人機，進一步演示了空中發(fā)射無人機概念。

在試驗中，ALTIUS-600從UH-60“黑鷹”直升機短翼下的發(fā)射筒中彈出，機翼展開，后螺旋槳啟動，然后ALTIUS-600在到達任務區(qū)后，在“黑鷹”直升機的控制和指揮下飛行，并通過數據鏈將偵察圖像實時回傳。

1.2 有人機平臺投放無人子機

2013年，美國軍方為P-8A具備對抗?jié)撏У母邞?zhàn)斗力創(chuàng)造了條件。為了解決P-8A磁異常探測器(MAD)不能在高空使用，導致潛艇定位不足的問題，美國海軍研究辦公室批準BAE公司開發(fā)一種“無人瞄準航空系統”(UTAS)微型無人機，可直接從P-8A發(fā)射。UTAS微型無人機如圖3所示。UAV可以裝備MAD尋找潛艇，UTAS可以自動將目標數據返回到P-8A。

配備UTAS的P-8A可以直接投放高空魚雷，在GPS系統的引導下攻擊敵方水面艦艇或潛艇，而無需接近敵方防空武器的射程然后開火，這大大提高了機組人員的生存和突襲能力。

2015年9月，美國DARPA啟動了小精靈項目的研究。項目計劃通過C-130運輸機和B-52/B-1轟炸機等大型飛機平臺投放無人機群。在敵方防御區(qū)邊緣遠程識別目標后，編隊協同進入防御邊界，在短距離內對某些目標執(zhí)行敵情探測、電子攻擊和空間定位等作戰(zhàn)任務。任務完成后，離開敵方防御區(qū)，用C-130運輸機回收機群。

“小精靈”項目的關鍵技術包括：空中發(fā)射回收技術；協作技術；低成本耐磨無人機機身設計和發(fā)射平臺的低成本改裝技術。

2016年10月，美國國防部長戰(zhàn)略辦公室計劃并實施了無人機“蜂群”戰(zhàn)術演習的空中發(fā)射。2017年1月，3架F/A-18F“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機在Ma0.6下，連續(xù)投放103架“灰山鶉”無人機。無人機“蜂群”在地面站指揮下，通過機間通信與合作，成功完成了集體決策、自主修正和自適應編隊飛行。

1.3 無人機平臺投放無人子機

2020年9月，美國通用原子公司在MQ-9“死神”無人機上開展了“雀鷹”小型無人機掛載試驗。該無人機掛載于MQ-9無人機機翼通用掛架下，投放分離后旋轉90度展開。

“雀鷹”無人機可擴展MQ-9無人機的傳感器探測范圍，也可用于實施電子戰(zhàn)、迷惑和干擾敵方防空，還可發(fā)展為巡航導彈，完成硬摧毀任務。

2021年3月，美國空軍的XQ-58A“女武神”隱形無人機首次從其內埋武器艙發(fā)射了ALTIUS-600小型無人機系統。ALTIUS-600可以配合XQ-58A遂行攝像、情報收集甚至執(zhí)行殺傷任務。

2021年5月，通用原子航空系統公司表示其正在開發(fā)一種新型“空射效應”無人機。無人機有V形尾翼，由螺旋槳推進。其可協助MQ-9或MQ-1C無人機滲透、瓦解和對抗反介入/區(qū)域拒止防空力量，使大型飛機遠離戰(zhàn)術地空導彈的攻擊區(qū)域，并提高大型飛機的生存能力。

1.4 美國空投型無人子機使命能力和關鍵技術

本文對美國基于直升機、有人機、無人機平臺空投無人子機進行相關分析，總結出其網絡化、低成本、可損耗、多功能的特點。在作戰(zhàn)使命上，無人子機平臺既要保證主戰(zhàn)平臺有效生存，又要實現對敵偵察壓制。

為滿足這一系列作戰(zhàn)使命，無人子機需要具備三大方面的能力。一是快速編隊協同能力，無人子機從載機平臺投放分離之后，子機和載機平臺之間需要快速編隊組網，具備較高的時效性。對于無人機的機群，需要具備較強的組網能力。二是適用于強對抗、強拒止的作戰(zhàn)環(huán)境，無人子機需要代替載機前出，進入危險區(qū)域執(zhí)行偵察任務，然后將偵察數據回傳，由載機平臺對目標進行打擊。三是要求無人子機有較強的自主性，其需要具備在不受人的干預、非預知環(huán)境下自動實現給定任務的能力。

無人子機涉及的關鍵技術主要有：空中發(fā)射與回收技術；載機與子機、子機與子機間協同技術；集群無人子機自動發(fā)射策略；小型分布式有效載荷集成；集群自主協同技術等。

2 國內空投型無人子機定位需求

無人機平臺在執(zhí)行偵察打擊任務時，由于存在實戰(zhàn)條件限制、地形和天氣等各種因素所導致的不利情況，暴露出載機缺乏對小目標抵近偵察、判斷目標細節(jié)的能力，造成貽誤戰(zhàn)機或不必要的附加傷害。而無人子機從載機平臺投放后，可按需對目標進行抵近偵察，并通過數據鏈將偵察信息回傳載機平臺和地面站。無人子機典型應用場景如圖1所示。

圖1 空投型無人子機典型應用場景

為了進一步提高在特定作戰(zhàn)環(huán)境下的近距偵察能力，結合目前國內無人機的實際應用場景，無人子機應主要協助載機提升三項能力。

1)提升對隱蔽目標的偵察能力，對于地形、建筑等特殊環(huán)境，要求通過無人子機低空懸停、繞飛等方式，多視角協同載機偵察。

2)提升對人員類目標細節(jié)特征獲取能力，通過無人子機實現近距偵照，獲取人員類目標細節(jié)特征，為載機進一步打擊提供準確決策依據。

3)提升環(huán)境適應能力，利用投放無人子機的方式彌補載機在有云氣象條件下任務執(zhí)行效果下降的不足。

3 國內空投型無人子機設計思路

根據國內近距偵察的任務需求，本文創(chuàng)新性提出一種不同于美軍固定翼無人子機的共軸雙旋翼無人子機設計思路。與美軍固定翼無人子機相比，這種設計主要針對近距偵察的作戰(zhàn)場景，共軸雙旋翼無人機能夠實現空中高效高穩(wěn)地懸停，進而對目標進行偵察。

4 國內空投型無人子機詳細設計

4.1 載機平臺系統組成

載機平臺主要由三大系統組成，分別是無人機系統、地面控制站系統和地面保障系統。無人機系統主要包括機體、飛控系統、發(fā)動機系統、機電系統、飛機接口及線束、機載鏈路終端和任務系統。地面控制站系統主要包括指揮控制系統、地面鏈路終端和情報處理系統。地面保障系統主要包括信息資源保障系統和保障資源。

在載機平臺上掛裝空投型無人子機，主要涉及到任務系統中任務管理系統和外掛與武器系統的更改。對于任務管理系統，需要加裝子母機通訊終端和子母機通訊天線。對于外掛與武器系統，需要新研無人子機掛架。載機平臺系統組成如圖2所示。

圖2 載機平臺系統組成

4.2 無人子機系統組成

無人子機系統由用于進行減速及姿態(tài)調整的分離減速裝置，為無人子機提供保溫功能的保護筒和無人子機組成。無人子機系統組成如圖3所示。

減速分離裝置包含減速傘艙、減速傘系統。減速傘艙用于安裝、固定減速傘。減速傘系統由一級傘、二級傘和連接分離機構構成，其中連接分離機構包括傘艙蓋與傘艙連接分離機構、保護筒與傘艙連接分離機構和無人子機與傘艙連接分離機構。

共軸雙旋翼無人子機由旋翼系統、飛控系統、動力系統、機身結構、電氣系統、任務載荷及數據鏈終端等部分組成。共軸雙旋翼無人子機組成如圖4所示。

4.3 載機平臺任務系統流程設計

載機平臺攜帶無人子機巡航至目標區(qū)域上空，在一定距離外，載機平臺使用EO等光電偵察設備對目標區(qū)域實施偵察，判定目標位置，投放、指引無人子機抵近目標；無人子機接近目標后，選擇有利視角，對目標進行近距精細化成像，無人子機偵察信息通過子機數據鏈回傳至載機平臺，然后載機平臺將數據傳至載機平臺地面站，供情報人員判讀，為進一步打擊提供更為詳實的決策依據。

無人子機執(zhí)行任務過程中主要分為掛機階段、下降展開、任務階段、回收/自毀階段。

4.3.1 掛機階段

無人子機通過掛架懸掛于載機平臺。

4.3.2 下降展開階段

無人子機投放后開傘降落到預定位置，穩(wěn)定姿態(tài)后展開旋翼，脫傘后開始可控動力飛行。

4.3.3 任務階段

無人子機動力工作且進入可控狀態(tài)后，無人子機根據指令或任務規(guī)劃執(zhí)行任務。

4.3.4 回收階段

無人子機根據指令或條件自動判斷從任務階段進入回收飛行。

4.3.5 自毀階段

無人子機根據指令或條件自動判斷進入自毀階段。

無人子機各階段任務流程如圖5所示。

圖3 無人子機系統

圖4 共軸雙旋翼無人子機組成

圖5 無人子機任務流程

無人子機從載機平臺投放后，無人子機進入下降展開階段，經過自動開傘、脫傘和旋翼展開，無人子機與載機平臺通過數據鏈建立無線通信，上傳當前工作狀態(tài)和參數。地面站接收子機信號并控制飛行，無人子機進入動力飛行階段，后續(xù)自動進入任務階段。

無人子機的飛行模式主要包含：目標跟飛、目標繞飛、航路點導航飛行、懸停飛行和手動控制飛行。無人子機飛行模式切換如圖6所示。

圖6 子機飛行模式切換

目標跟飛是無人子機根據載機平臺共享的目標信息或子機本身偵察的目標信息，與目標保持一定的距離并跟蹤飛行。目標繞飛是無人子機根據載機平臺共享的目標信息或子機本身偵察的目標信息，與目標保持一定的距離并繞行飛行。航路點導航飛行時無人子機根據預先加載給任務機的規(guī)劃，按照航路點進行飛行，子機到點后返回到點狀態(tài)，載機任務機再向子機發(fā)送下一航點位置信息。懸停飛行是指無人子機在當前位置保持懸停飛行。手動控制飛行是指無人子機根據地面人員操控指令進行飛行。

當無人子機進入任務階段后，地面站對子機攜帶的EO進行控制，首先載機任務機將接收到的地面站控制指令和參數發(fā)送給數傳端機，端機再通過無線信號發(fā)送給無人子機。子機載荷根據指令進行響應，并將響應后的狀態(tài)和EO視頻信息回傳給地面站。

若無人子機需要回收，載機將回收點坐標轉發(fā)給無人子機，無人子機確認回收點狀態(tài)信息并將其回傳給地面站，無人子機進入回收階段并朝目標點飛行；若無人子機不需要回收，則載機不向無人子機轉發(fā)回收點坐標。若無人子機剩余電量只滿足飛往當前回收點時，無人子機自動進入回收階段。當地面人員發(fā)出子機進入自毀指令時，無人子機進入人工自毀階段。若無人子機剩余電量減小到一定門限，子機自動進入自毀階段，地面人員也可以發(fā)出指令，中止子機的自毀。

4.4 無人子機投放分離過程設計

無人子機投放后需要經歷3次分離過程。第一次分離過程中，傘艙蓋分離，一級減速傘打開，對無人子機進行減速及調速姿態(tài)。一級減速傘展開后，牽引二級減速傘打開，進一步對子機進行減速。子機判斷滿足二級傘開傘條件后，發(fā)出指令點爆連接分離機構，保護筒和無人子機分離，子機空中起槳。最后，無人子機與二級減速傘分離，子機進入自主飛行階段。無人子機投放分離過程如圖7所示。

圖7 無人子機投放分離過程

4.5 載機平臺與無人子機關鍵技術

4.5.1 載機平臺與無人子機的協同

基于數據鏈實現載機平臺和子機間的自動協同。在本設計中，根據無人子機實時位置和無人子機數據鏈的作用限制，任務系統實時計算出所需的任務航向，并將航線信息轉為控制參數發(fā)送給載機平臺，完成對載機平臺的自動導引飛行。在后續(xù)設計中，除了考慮單個載機平臺和單個無人子機的協同，還需要考慮載機平臺與載機平臺之間、載機平臺和多個子機之間的協同，即完成從獨立平臺間的協同組網到分布式平臺間的協同組網。

4.5.2 無人子機多階段的機構分離技術

無人子機前后需要經過3次分離過程，兩次降落傘展開并脫傘的過程，以及無人子機空中起控的過程，相比于美國從載機平臺上空射無人子機的設計，本設計對于無人子機的分離控制提出了較高的要求。但本設計帶來的優(yōu)點也是顯而易見的，采用載機平臺重力投放、降落傘傘降的減速方式，發(fā)射后，與牢固安裝的機翼相比，無人機受載機平臺產生的廢氣和載機相對運動速度的影響較小。

4.5.3 高效高穩(wěn)懸停無人偵察子機技術

對于遂行高精度偵察的無人子機平臺，要求無人子機任務載荷能夠快速穩(wěn)定地跟蹤目標，其懸停穩(wěn)定性是完成任務的關鍵技術，這里無人子機采用了共軸雙旋翼技術，以滿足懸停穩(wěn)定性的要求。影響載荷偵察精度的因素主要有兩個，一是無人子機位置漂移，二是系統的姿態(tài)控制。為了保證無人子機平臺的位置、姿態(tài)穩(wěn)定性，需要嚴格控制其俯仰、方位角速率誤差，將俯仰、方位姿態(tài)穩(wěn)定控制限幅速率限定在一個合適的范圍，以保證任務載荷快速穩(wěn)定跟蹤目標。

4.5.4 目標定位及識別技術

目標觀測需要實現對目標區(qū)域的高精度定位識別。當無人子機處于識別模式時，要實時跟蹤目標，僅依靠載荷本身的跟蹤能力難度較大，還需要依賴載機本身的移動特性。同時，需采用關鍵點檢測技術、圖像預處理技術、圖像特征提取技術、圖像對比識別技術、ERR識別效果評測、3D模型生成技術等技術手段，加強無人子機目標識別的能力。

4.5.5 無人子機隱蔽安全性設計技術

無人子機隱蔽技術包括光電隱蔽、降噪控制、反電磁探測等技術。對于共軸雙旋翼無人子機，要實現近距隱蔽偵察的目標，其降噪控制十分關鍵。降噪控制可以從兩個方面進行考慮:1)通過技術改進將共軸雙旋翼無人子機本身的噪聲降低；2)提高子機平臺傳感器的探測能力，使無人子機能夠在更遠的距離上探測目標，從而使無人子機更不容易被敵方發(fā)現。在現有技術狀態(tài)下，要解決因噪聲帶來的共軸雙旋翼無人子機隱蔽問題，需要綜合評估子機傳感器能力和噪聲程度，得出一個最小隱蔽探測距離，無人子機應該在此距離外探測目標。

4.5.6 無線數傳技術

為了實現無人子機系統與地面平臺之間的數據交換，必須選擇無線電數據傳輸模塊作為它們之間的數據傳輸橋梁，完成無人機飛行控制系統設置的傳輸以及遙控和地面平臺控制命令的上傳。鑒于機體的載荷限制和尺寸要求，選擇NRF24L01作為數據傳輸模塊。工作頻段為2.4 GHz，數據傳輸范圍可達100～200 m，數據傳輸速率為1 MB/s，完全滿足本階段設計要求。微控制器通過串行USART端口讀取數據傳輸模塊的信息，另一端連接到地面平臺，無人機位置信息通過數據傳輸模塊傳輸到地面控制中心。

5 結束語

隨著先進武器裝備的發(fā)展和作戰(zhàn)環(huán)境的變化，對無人子機系統提出了新的要求。當下對無人子機的需求極其迫切，不管是城市治安或是可能遇到的局部低烈度戰(zhàn)爭，乃至大國間的體系化戰(zhàn)爭，無人子機都能開拓新的作戰(zhàn)場景，提供新的解決思路。目前，我國仍處于無人子機應用的初期探索階段，本文在總結分析美國無人子機應用場景的基礎上，提出了一種基于無人機平臺空投偵察型無人子機的應用場景，并就無人子機掛裝于載機平臺，對載機任務系統上進行了相關設計。在空投型無人子機的后續(xù)發(fā)展中，從無人子機的角度需要考慮任務載荷的有效性、匹配性等問題，從載機平臺的角度需要關注無人子機集群場景下的協同、回收等問題。就無人子機而言，其發(fā)展不應當局限于自身的各項性能要求，而是應該從整體出發(fā)，由載機平臺推動，由需求引領，推動無人子機的探索和發(fā)展。