飞行器的分类
不同用途的飞机
不同形式的飞机
直升机
无人驾驶飞机
 
第五节 无人驾驶飞机


尽管早在1909年就试飞了第一架无线电遥控的飞机,二十年代前后美、英、法、苏也先后研制了无人驾 驶飞机,然而由于受到科学水平的限制,早期的无人机可靠性低、性能差、价格高、使用不便,因此在二次大战前,无人机并末得到实际应用。战后特别是近十年来以电子技术为中心的各项控制和信息传输手段的空前飞跃,微型器件的应用,使无人机的性能和用途打开了新局面,初步统计,至少有17个国家,多家公司从事这方面的研制。迄今己先后研制出200多个型号,生产总数达20万架,它已经成为一个崭新的机种。在军事、民用和科研方面起到巨大的作用。
                    无人机在形形色色的飞行器中应处于什么位置呢?可以说它是介于飞机和飞航式导弹之间的一种飞行器。它和导弹一样允许高过载飞行,成本较低,又和飞机一样可多次使用,活动空间较大。但它和巡航导弹又有本质区别,因为导弹主要携带战斗部作为对敌方实施一次性攻击的武器,而无人机可携带不同装备,执行多种任务,可以回收多次使用。
                    无人机可分为无人驾驶飞机(Drone)和遥控飞机(Remote Piloted Vehicle缩写为RPV)两类,其区别主要在于控制手段,即是否能遥控驾驶。
                    无人驾驶飞机起飞后就在机上程序装置的控制下,按预定航迹飞行,主要用作靶机或指定航线上的侦察机,遥控飞机上装有电视摄象机和传感器,在飞行中通过快速通信或数据传输系统不断地把飞行多数和空中现场景象提供给指挥站,再由指挥站发出无线电指令进行实时控制,可以随机应变地完成各种任务。实际上,按程序飞行的无人驾驶飞机,飞行中可能加上辅助性无线电遥控;在电子战中,遥控飞机也能转为自主控制摆脱敌方干扰,两者的区别往往很小,另外有些活动半径小,任务单纯的简易无人机,既无程控也不具备遥控驾驶手段,只凭操纵手通过无线电遥控飞行。
                    无人机品种多样,性能各异。起飞重量由几公斤到若干吨二飞行高度可由贴海面0.5米到20000米;飞行速度由每小时几公里到M大于等于2;续航时间可长达几小时,个别的几小时二活动半径可由几百米到上千公里。近年来,起飞重量在几十公斤范围内,发动机功率在十几千瓦以下的微型无人机(Mini RPV),特别受到重视。
                    动力装置方面,涡轮喷气发动机,脉动式和冲压式喷气发动机,火箭发动机和活塞式发动机均在无人机上得到应用,还有个别的系留式垂直升降平台用电动机作动力。遥控直升机也得到迅速发展,型式上有单桨带尾桨式、共轴式和垂直升降平台等。无人机的起飞方式有滑跑起飞,用专用起飞车起飞,火箭起飞,利用蒸汽、压缩空气、液压和像筋掸肘起飞以及母机投放等几种。回收则有降落伞回收,降落伞空中回收,撞网回收和滑翔着陆等方式。还正在试验气垫回收和泡沫塑料缓冲着陆系统等新技术。活跃的设计思想使多种形式各展其长,促进了无人机的飞速发展。
                    二次大战之后,美国着重于活塞式发动机推进的小型靶机,诺斯罗普公司的KD2R-5就是其中最成功的一种。该机翼展4. 03米,机长3. 74米,起飞重量148公斤,装有53千瓦的四缸发动机,最大平飞速度353公里/小时,升限7030米,续航时间一小时,可作视界外飞行,自1946年迄今,该机己生产65OQ0架,行销25个国家和地区。朝鲜战争之后,各种防空导弹相继问世,迫切要求提供模拟喷气式飞机的空中靶标,喷气推进和电子技术的发展,使研制新型靶机成为可能,从而出现了各种高速、高机动性能的靶机,其中最著名的是美国瑞安(后合并为特列达因-瑞安, Teledyne-Ryan)公司研制的火(Firebee)无人机。
                    火蜂的原型机朋一A于1951年3月进行无动力滑翔试验一1953年首次交付部队使用; 1958年在02A的基础上开始研制火蜂l型, 1961年试飞成功。以后进行了各种用途的改进,至1980年5月止,己生产了6103染,销售到许多国家和地区。
                    火烽-1型靶机装有一台柏什T29涡轮喷气发动机,其推力为7070牛顿,主要由比DC-130飞机空中发射,若加装推力为50260牛顿的固体火箭助推器(JAT0型)也可沿地面或舰上导轨作零长发射。用降落伞回收。这架靶机总长6. 98米,翼展3. 93米,最大起飞重量为1134公斤,最大速度为1015公里/小时(在15000米的高度上),工作高度为15~18300米,最大肮程为1282公里,续航时间为75分钟。它可作5-6g的转弯而不掉高度,借助于雷达个高度衷可作离地面30米,或离水面15米的超低空飞行。机上可以装L、S、X和C波段的雷达回波增强器或各种强度的红外源显靶设备,从而模拟从战斗机到轰炸机的各种机型,机上还装有脱靶量显示器。
                    1963~1969年期间,瑞安公司又在1型的基础上研制成火蜂2型超吝速靶机,军方编号为的BQM-34E,并于1972年装备部队,到1980年止生产了269架。火蜂11型装有推力为8540牛顿的J69一N06型涡轮喷气发动机,机身总长增为8. 73米,翼展减为2. 71米,以适应高速飞行的要求。该机的空中发射重量为855.7~951公斤,地面发射重量为1036~1110公斤,最大飞行速度M=1.8(H=13715米),工作高度15~18000米,最大航程1434公里,续航时间74分钟。
                    火蜂11型靶机的控制主要用超高频无线电制导系统来实现,机上装有自动飞行控制系统,遥测系统,显靶系统和命中记录系统,发射、回收和1型类瓜。该机结构上有个特点是没有副翼;通过全动平尾的差动来实现滚转操纵。
                    六十年代到七十年代,无人机转向侦察机的方向发展。瑞安公司1962年仅用90天时间就把BQM-34A型靶机改装成无人侦察机(瑞安-147A)。随着控制手段和电子技术的进展,又对该机进行了20余次改型。在控制距离,抗干扰性,隐蔽性和侦察精确性等方面都有长足进步,形成了瑞安147无人侦察机系列。
                    瑞安-147T是高空无人侦察机,它的巡航高度达到18300米,巡航速度为780公里/时,最大航程2400公里。为适应高空飞行,它在火蜂l型朝机的基础上,把翼展加大一倍,换上了推力为8453牛顿的J69-741型发动机,并加长了燃油箱。机上来用把遥控、遥测并入雷达的一种时分编码组合系统,即TD一3型控制系统,用于起飞段和回收段的近距离控制。在侦察阶段,则转为机上的由特里达因程序装置,多普勒霜达和罗盘系统组成的自主控制系统控制。主要侦浆设备为HR233A型照像机作空中摄影。
                    低空型无人侦察机包括瑞安一147sD等型号,其典型侦察高度为4印米,速度为780~1038公里/时,航程285~1205公里,摄影完毕爬升至15000米高度返航,机上利用多普勒导航仪和数字程序器构成的程序导航系统,同时可通过微波指令导航系统和无线电微波接力传输线路,由空中或地面遥控站实施遥控。主要侦察手段是用F4l5Y摄影机进行空中摄影,一次拍片2000幅,亦可通过一台宽频带数据传输发送设备把视频信息传送到240公里外的机上授收站。也可投放微型无线电收发机进行电子侦察。
                    在此基础上,还发展了一种高档度低空无人机,机上装备有航空电子自动飞行控制系统,以罗兰接收机为主导传感仪,还有微波指令制导系统、数据处理计算机,雷达高度表、多普勒雷达、回收控制系统等,可能还有惯性导航系统,据说其定位误差不超过75米,可作离地60米的精确飞行,还可在罗兰系统失效时,利用地形匹配仪、根据装定高度和实测高度的对比,确定飞机位置,引导飞行;甚至装有应急返肮系统,能在一切导航仪全部失灵时,引导无人机返回基地。因此,它不仅是一种侦察手段,还可改成强击机向地面投放炸弹或导弹,用于空防抑制。
                    继瑞安-147后,该公司还发展了154型和235型两种无人驾驶侦察机。
                    瑞文-154型采用大展弦比布局,翼尾14.95米,机身长6.1米,装有推力为23438牛顿的J97-GE-100发动机,采用主动导妨系统,回收用V叩微波指令制导系统,主要侦察手段是KM一80A光栅全景照相机,电子活息收巢仪和红外传感器。
                    这架飞机在设计上采取了大量隐形措施,以减少襄达回波和红外幅时:机体下表面外形平滑,双立尾内倾以减少电波角反对,发动机装在脊上以遮蔽尾喷口,大量采用玻璃钢材料,铝合金蒙皮上复盖吸收电磁波的材料等。
                    瑞宝-235型(军方编号地YQM-89A)高空远程战略无人侦架机的基本布局与154型相似,机翼更为狭长,(翼展24. 75米,展弦比19),机身细长(长度11.68米),双立尾。推力为22240牛顿的ATF3型涡轮风扇式发动机背在拱背上,机体结构采用了大量复合材科,红外辐对及电磁波反射强度都很弱,声晌个,高空性能好。它的飞行高度在16500米以上,续航时间20小时,巡肮速度为0.5~0.6M,有效负荷300~680公斤,主凳用途是战略侦察,情形搜粟,通迅转遗,海洋监测等。
                    战场情况瞬息万变,虽有卫星多光谱侦察等现代化大规模侦察手段,然而对一个即将发起冲击的区域,其地形地貌,兵力部署等作准备、及时、详尽的战术侦察,仍是十分必要的。在空中为炮兵指示目标,枝正射击蔓能收事半功倍之效。这里介绍的RAVAN是英国八十年代发展起来的低成本遥控侦察机,可以拍摄和实时传输电视图象,在白天可拍摄照片。虽然飞机很小,起飞全重仅15公斤,翼展不超过27米,相当于一架大的航空模型,但由于采用了先进的特种设备,能起的战术作用却相当大。
                    RAVAN无人机上装有1. 84千瓦的方立方厘米单缸发动机,飞行速度范围为74~126公里/时,实用升限为2500米,以每个时88公里的速度飞行时续航时间为80分钟。机翼和尾翼均由泡沫塑料夹芯的玻璃纲制造,机身则由玻璃钢和木隔框制成。结构简单,可用滑撬起飞,亦可弹射起飞。
                    机上来用集成电路化的自动驾驶仪,飞机起飞后则进入自动稳定状态。指令和信息传输通过甚高频和超高频通道,遥测和视颔系统在D波段工作。指令可以人工给定也可以通过地面站的微处理机和跟踪雷达共同给定,自动状态下,飞行路线和航线中的监测点均为可事先列人预排程序。在执行任务中亦可改变程序或出入工另行指定程序。
                    执行任务时,首先根据现场状况和任务要求,把飞行计划路线和航线中的监测点输入地面站的计算机,同时雷达跟踪系统开始工作。此时计算机的显示器上就显示出地面跟踪的数据,操纵员就能对任务作出全面模拟和评价,亦可进行必要的修正。航线上的第一个监测点最好在上风方向,以便飞机逆风发射并迅速爬升到有利高度。在飞行中,地面站的计算机把雷达跟踪系统传送来的飞机位置和既定航线相比较,发出必要的指令使横向偏差趋于零。同时持续地把航迹标志在地面站的标图仪上。机上电视系统可用指令打开或关闭,摄制的图象可以在地面控制站的监现器上实时显示,也可记录在磁带上。到了指定摄影点后,照相机自动打开,拍照方式有方两种,可以由操作者根据地图参考物拍摄,也可参照电视监视器的显示人工控制拍摄。任务完成后,发出“返回”指令,此时可引人附加的监测点数握,以便核对刚才飞行的路线,随后飞机被自动地引向下风处降落,如果地形平整,即可滑撬着陆,否则,则由机上电视摄象机引导飞向回收网,网后设有另一台电视
                    摄象机控制飞机的下滑斜度,引导它撞网回收。
                    无人机作为防空武器的役验鉴定和部队训练的靶标,以及作为空中军事侦察的手段,已经比较常见。近年来,作为一种新型飞行豁,更开拓了极为广泛的新用途。
                    1.用于电子战。电子对抗将是决定未来战争胜负的主要手段之一,无人机在这个领域大有作为,井己在当前的一些局部战争中显示出威力。无人机功用有:
                    a. 装线电子干扰机对故方通讯和雷达实施主动干扰,升空的干扰机,作用距离可以增加数百倍。
                    b.在空中澈播铝箔或镀铝的塑料片,对敌实施阻塞式被动干扰,为己方有人机突防铺设空中安全走廊,据说第四次中东战争中以色列采取这种战术,使对方妇肘的50枚导弹无一命中。
                    c. 向敌方阵地投放窃听器,收集电子情报。
                    d.小型伴飞无人机可作为有人机突防的辅助工具。・美国有一种代号为“鹃鸦”的无人机(军用代号AD)I-20c),可以2~3架一组吊装到8一52轰作机的翼下,到敌防区时放出,按预定航线飞行。它上面装的雷达回波增强器使它的雷达形象酷似大型轰炸机,从而以假乱真,吸引改方防空火力,掩护主机进攻。
                    e. 诱饵机,用小型无人机在敌方战区飞行,籍以诱骗、消耗敌方防空力量。据说以色列曾用一架AQ-34L无人机飞至埃及上空,消耗了埃及32枚昂贵的SM-4导弹。
                    1982年6月9日,在黎巴嫩东部贝卡谷地的大空战中,电子对抗显示了巨大效能。战前,以色列多次派出“侦察员”型和“猛犬”型小型无人机进行侦察,获得了对方SM-6导弹发射阵地的准确位置。随即派出诱饵无人机引诱SM-6导弹发时,从而测得导弹制导富达的频率。实施突袭时,以色列在强烈的电子干扰掩护下,出动了了一15, Fl6,F-4等战斗机进行猛烈空袭,尽管对方也派出米格一23,米格一21战斗机62架拦鼓,但由于答戒雷达被干扰,捕捉不到目标,导弹的引导雷达也受干扰,使SM-6导弹发生偏斜,控制失灵。以色列仅用六分钟的时间将贝卡谷地的19个SM-6导弹基地全部摧毁。一种专门攻击雳达无线的小型无人机也正发展之中,它本身构造简单,起飞重量不过几十公斤,因为装了无线电频率自动搜索传感器,却可跟踪搜索并攻击雷达。若用飞机将它大量散布到前沿阵地,一旦搜索到雷达电波,就冲向雷达无线,将其炸毁。
                    2.用于增加激光和雷达的作用距离。激光和雷达波都是直线传播,受地球曲率影响和地面干扰饺大,微型遥控直升机和垂直升降系留平台,可停留在200~300米高度上,从而大大增强机上预警霓达的作用范围。用激光制导的导弹现已装备部队,用微型无人机装朝激光源照射和标定敌方目标,引导激光武器攻击更是十分经济有效的。
                    3.无人的遥控战斗机也正在发展之中,现代战争中通常是机群格斗,加之防空火力日益增强,预计未来战争中空勤人员损失将十分巨大(73年来四次中东战争仅三个星期,双方就损失飞机500架,损失率达二次世界大战的2~3倍)。同时,有人驾驶战斗机的成本,随性能的提高而迅速上升,平均每年上涨2毗,例1974年交付的F-15战斗机,单价为2490万美元,为1949年交付的F86的80倍。成本中,化在成员防护上的费用高达54%,而且载人机的结构强度,发动机寿命,系统的可靠裕度都比无人机高得多。因此,据分析,一架75万美元的无人机可以完成价值2400万美元的有人驾驶的大部分任务。若再计及飞行员的培训费用,那差别就更大了。
                    战术方面,决定空战胜负的一个重要原因就是飞机的机动性,然而有人机由于受人的生理限制不能作大机动飞行,(一般不能超6g),而无人机可作12g甚至高达30~40g的机动动作,高速飞行中转弯半径只有550米,能够迅速咬住敌机尾巴。加以尺寸小,发动机的红外幅射小,非金属材料多,不易被雷达和红外探测仪发现,容易实施隐蔽攻击,更是有人机难以比的
                    研究中的遥控战斗机的控制方案主要有两种,一种是电视实时控制系统:另一方案是由地面引导雷达将遥控飞机引导到空战区,机上的截击雷达和瞄准雷达开始搜索目标,.旦发现目标便转为对目标的自动跟踪、不断测量目标和遥控机的相对位置,并将信号传输给计算机,从而计算出最佳攻击方向,输送给自动驾驶仪,控制遥控飞机逼近目标,达到射击距离时,计算机便命令开火射击。
                    无人机技术的飞速发展,特别是实时控制,图像传输,抗干扰,快速度应变,立体显示装置,高级遥感和传感技术以及现代控制论的发展应用,为多用途无人机和遥控战斗机开拓了迢路。可以想见,指挥员用遥控战斗机决胜于干里之外的空战方式已经为期不远了。
                    4.用作空中试验机。在设计新飞机以及航空科学研究中,多用无人机来验证新的气动布局,新结构、新材料、新发动机和电子系统等,把一些有用的新技术综合起来进行试飞,然后推广应用到新飞机上。这样作代价低、风险小、周期短、同时技术上跨越的幅度大,性能有明显突破。至于用无人机进行一些危险的飞行状态,如尾旋的研究,更是其地方式无法办到的。
                    目前引起航空乔广泛注意的是美国字航局提出的HiMAT高机动遥控研究机。这是一架用于验证未来高速飞机新技术的研究机,主要研究项目有超临界机翼、变弯度机翼,变形自调外翼、随控布置技术,数字控制,复合材料和新合金等。它采用积木式方案,进气道,加力燃烧室、外翼、机翼前缘、垂尾、舵面、起落架都可以替换、进行最佳匹配研究。
                    HIMAT的机身总长6. 43米,翼展4. 63米,发射重量1542公斤,最大速度达Ml.5(高12000米),最大机动能力8g。两架样机己在1978年开始试飞,由B-52带上13720米的高空射,地面座舱中的飞行员根据仪表扳的显示和电视图象通过机上无线电系统、计算机、电传操纵系统进行控制。普遍认为,该机的研究成果不仅将对八十年代,九十年代的飞机设计产生重大影响,而且是航空科研中沟通理论探讨,风洞试验,模拟研究和飞行试验的桥梁。
                    5.用无人机进行航空摄影或者测量地球物理参数(如地磁)的变化,对于个地区的大比例尺测绘或勘查,在城市规划,水文调查,地质勘探方面无不具有重要意义。在国民经济和其它方面,如边境巡观,污染监测,农林植保、气象观测、火情监视、交通管理、放射性侦查等方面的用途就不一一叙述了。
                    世界上无人机品种很多,性能各异,如澳大利亚研制的金迪维克(Jindivik)靶机和法国的CT20靶机均可和美国火蜂靶机相媲美,金迪维克靴机自1952年试飞成功,到1982年己生产了486架,其中曾有一架成功地飞行了285个起落,可称无人机中伎伎者。CT20靶机自1958年开始生产,到1980年己生产了1431架,装备了北约各国。意大利的米切尔公司也研制生产了一系列螺旋桨式和喷气式无人机。
                    中国在无人机方面也取得很大发展,高空无人机和亚音速无人机先后研制成功。在微型无人机方面,六十年代初期就研制和生产了供高炮射击用的遥控航模靶机,目前这种飞机及其改型早已普遍使用,并出口欧、亚、非7国,就使用广泛性来说,在世界上名列前茅。七十年代初,我国又研制和批生产了起飞重量为53公斤,发动机功率为11千瓦的11型靶机,其冀展2 7米,机长2. 57米,用火箭起飞,降落伞回收,飞行速度为240公里/时,高度为2000米,有效作用半径15公里,目前己累计生产了两千多架。近年来又研制成功了主要用于地质勘探和空中摄影、测绘的D-4型多用途无人机:实现11型靶机的多架编队飞行,微型遥控直升机也已经设计定型投入成批生产。
                    1984年6月,我国又研制成功第一种高机动无人驾驶飞机CK-IC。该机全长8. 435米,总高2. 955米,翼展7.5米。总重为2450公斤。采用起飞车起飞,滑翔着陆回收。CK-1C能在500米到16500米内以每小时850公里到910公里的速度飞行;能做转弯坡度为70到77度的高速水平大机动飞行;在低空和中空的续航时间可达45分钟左右;最大航程900公里。从该机的总体性能看,已经进入世界先进靶机的行列。

  


              

©2004 南京航空航天大学飞机设计研究所