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国际金属加工网 2018年09月21日

各种类型的无人机性能各异、功能纷呈,具体的关键技术也千差万别,这正是无人机作为一种新型装备蓬勃发展的重要特色所在。无人机研制周期相对较短,研制经费较省,使用风险较低,各种新技术、新材料可大量应用于新型无人机的发展,各种关键技术也得到高度重视。在信息化、网络化、体系化背景下,无人机的发展将更加突飞猛进。

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X-47B 无人机

目前在全世界范围内已掀起了无人机的研制热潮,全球共有57个国家研制和发展无人机,种类达1000 多种,其中已成为无人机产品的有400 多种。     

研制无人机的公司主要是诺斯罗普·格鲁曼公司、通用原子航空系统公司、航空环境公司以及美国飞机军械有限公司,典型产品包括“扫描鹰”、“影子”、“捕食者”、“死神”、“全球鹰”、“RQ-170”等。

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捕食者无人机

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全球鹰无人机

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RQ-180 无人机

纵览国外无人机,其发展呈现出以下主要特点:

(1)大/ 中/ 小/ 微型、远/ 中/近程、高/ 中/ 低空各种类型无人机全谱系全面发展。

(2)无人机型号系列化发展。为满足不同客户需求或为尽快显著提高战术技术性能,多采用系列化改进改型。

(3)采取以任务为牵引、平台为核心的发展模式。

(4)无人机自主化水平有待提高。

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国外无人机发展趋势

(1)中小型无人机仍将占有重要的位置。

(2)无人作战飞机发展迅猛。

(3)用于侦察监视的高空长航时无人机需求旺盛。

(4)“飞翼布局”无人机是高端无人机发展的重要方向。

(5)临近空间超高速无人机将作为重要突防装备进行大力发展。

(6)近中程多用途无人直升机成为新的热点,将成为无人机大家族中不可或缺的重要组成部分。

(7)无人机系统技术全面协调发展。

无人机关键技术及发展预测

1 能源与动力技术

无人机采用的推进系统形式要比有人飞机多,采用的能源与动力类型各异,包括:传统的小型涡扇发动机、小型涡喷发动机、小型涡桨发动机、活塞发动机、转子发动机以及电池组、太阳能电池、燃料电池、超燃冲压发动机、定向能及核同位素等。

不同用途的无人机对动力装置的要求不同,但都希望动力装置燃油经济性好、重量轻、体积小、可靠性高、成本低、使用维修方便。从经济因素、可靠性等方面考虑,现阶段无人机均采用技术成熟的活塞、涡扇、涡喷、涡桨发动机或在这些发动机基础上进行适应性改进。

活塞式发动机适合于低空低速中小型、长航时无人机;

涡扇、涡桨发动机适合于高空长航时无人机以及无人作战机,这类发动机油耗低,发动机尺寸、重量和推力能与无人机达到较好的匹配;

涡喷发动机适合于低成本、短寿命、高机动的靶机或自杀攻击类无人机。

从长远发展来看,单纯对现有发动机进行改型并不能完全满足无人机对飞行速度、高速、续航性能等指标的要求,开发适合于无人机使用的发动机十分必要,尤其是中小推力的大涵道比、小尺寸核心机的涡扇发动机,这类发动机将是未来无人机动力装置发展的重点。此外,开展太阳能、燃料电池、液氢燃料系统等新型能源的应用研究,可为无人机提供更高效的动力源。

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太阳能无人机

2 无人机平台技术

高效气动力技术

无人机在气动力设计要求、设计理念方面与有人机存在较大差别。有人机气动设计通常以航程、速度作为优先优化目标,然而无人机通常以航时作为优先优化目标。无人机尺寸小、速度低,存在低雷诺数条件下的高升力、高升阻比、高续航因子设计要求。高效气动力技术是提高无人机性能的重要技术途径。

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隐身技术

提高无人机的生存能力的关键就是降低其可探测性。随着材料、电磁学、热力学、空气动力学等学科的不断发展,越来越多的新技术也将应用于无人机的隐身设计中,具体包括以下几个方面。

外形隐身技术。采用翼身高度融合的无尾飞翼布局、內埋式进气道、二维喷管等设计技术可有效降低雷达反射面积和红外特征,提高无人机的隐身能力。

等离子体隐身技术。理论和试验研究表明,等离子体技术是隐身技术发展的新方向之一,飞行器上安装的等离子发生器所产生的等离子体能对飞行器关键部位进行遮挡,并对雷达照射进行吸收,从而实现飞行器隐身。目前,这项技术在研究中暴露出了很多问题,仍有待解决。

主动隐身技术。主动隐身技术是根据照射到飞行器上的电磁波频率、入射方向等,利用机载有源射频发射装置主动地发射与散射回波相位相反、幅度一致的电磁波,实现与散射回波的对消。目前,主动隐身技术尚处于理论与试验研究阶段,但随着隐身技术的发展,特别是飞行器近场散射特性技术、ESM( 电子支援措施) 等技术的发展,主动有源对消隐身技术必将成为未来发展的重点。

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气动弹性技术

为追求长航时性能,无人机通常采用大展弦比布局以尽可能提高升阻比(如一些无人机展弦比达到30以上),采用轻量化机体结构降低飞行重量。但大展弦比布局、轻量化结构与机体强度和刚度要求会产生突出矛盾。

气动载荷设计技术

滞空型无人机一般飞行速度较低、翼载小、升力大,对于同样强度的阵风,无人机阵风载荷比有人机大得多。无人机结构强度一般需要将阵风载荷作为主要的设计工况,而阵风载荷大小决定了无人机结构设计的强度。如果以现有轻型飞机、通用飞机的强度设计标准进行无人机载荷设计,无人机结构将付出很大的代价。以轻量化结构为目标,综合无人机气动力特性、无人机飞行控制操纵方式、无人机设计寿命等因素开展无人机气动载荷设计技术是提高无人机综合性能的重要技术途径。

复合材料结构技术

无人机以复合材料结构为主,不同类型的无人机对复合材料结构有不同的要求,如大型无人机主要对大尺寸、全复材结构有较高要求,而小型无人机对复合材料结构的要求是低成本、快速加工制造、快速修复等。

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3 自主控制技术

态势感知技术

实现无人机自主控制必须不断发展态势感知技术,通过各种信息获取设备自主地对任务环境进行建模,包括对三维环境特征的提取、目标的识别、态势的评估等。

规划与协同技术

规划与协同技术涉及两个方面的技术:路径规划和协同控制。这两个方面相互依托,互相联系。无人机路径规划与重规划能力是无人机自主控制系统必须具有的,即系统可以根据探测到的态势变化,实时或近实时地规划、修改系统的任务路径,自动生成完成任务的可行飞行轨迹。自主飞行无人机典型的规划问题是如何有效、经济地避开威胁,防止碰撞,完成任务目标。

自主决策技术

对于复杂环境下工作的无人机,必然要求具有较强的自主决策能力,以适应未来的需要。自主决策技术需要解决的主要问题包括:任务设定、编队中不同无人机协调工作、机群的使命分解等。

执行任务技术

无人机自主控制发展的最终目的是使它对环境和任务的变化具有快速的反应能力。无人机自主控制应该具有开放的平台结构,并面向任务、面向效能包含最大的可拓展性。先进的无人机自主控制应当提供编队飞行、多机协同执行任务的能力。

4 网络化通信技术

目前的无人机系统作为相对独立的系统只在局域使用,未来的战场在同一空域将充斥着各种功能、各种类型的无人机与战斗机、直升机。无人机之间、无人机与有人机之间、无人机与地面作战系统必须进行有机协调,使无人机都成为“全球信息栅格”的一个节点,实现无人机与其他无人机或指挥控制系统之间的互联、互通、互操作。

针对无人机集群作战、协同作战以及网络化作战的应用需求,应突破无线宽带分布式动态多址接入、实时鲁棒的宽带传输、数据链网络顽存等关键技术,构建无人机集群数据链自适应网络体系,为实现实时、宽带、安全的无人机集群数据链提供技术支撑。

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5 多任务载荷一体化、平台/ 任务载荷一体化技术

有效载荷是无人机执行侦察、监视、电子对抗、打击、战效评估任务的关键因素,应用于无人机的有效载荷包括通用传感器( 光电、雷达、信号、气象、生化)、武器、货物( 传单、补给品) 等。

随着电子、通信、计算机等技术的进步,无人机的传感器技术发展主要表现在以下几个方面:多光谱/ 超光谱探测技术、先进的合成孔径雷达技术、激光雷达技术。

我国无人机发展现状

我国无人机研究起步于20 世纪50 年代,在90 年代取得实质性进展。经过不懈努力,无人机技术取得长足进步,性能不断提高,已形成较为完善的无人机体系,各种类型、各种功能无人机已投入使用。但从整体水平来看,我国无人机技术与美国和以色列等无人机强国相比差距明显,存在以下几个突出问题。

行业规划与规范问题

虽然我国在无人机技术发展方面取得长足发展,产品种类繁多,但存在重复投资、低水平重复、高端无人机发展依然较落后的突出问题。

发动机瓶颈问题

我国无人机的发展很大程度上受制于发动机,一方面我国发动机研制基础本身较为薄弱;另一方面在无人机特定的高空低雷诺、大过载等飞行条件下,对发动机也提出了特殊的要求。目前,我国无人机动力主要以活塞和燃气涡轮发动机为主,活塞发动机技术成熟、应用广泛。但作为未来主流,无人机动力所采用的涡扇发动机与国外差距明显,不能完全满足无人机对飞行速度、航时等指标的要求。

网络化通信问题

我国在无人机数据链技术方面取得了长足进步,但需要进一步提高不同类别无人机之间,无人机与有人机之间,不同使用单位之间大范围、大规模使用无人机的互操作能力;规范完善数据链与任务载荷、数据链与航电系统之间的接口标准体系;提高网络化水平;进一步提高测控与信息传输速率,以满足高分辨率、多光谱/ 超光谱、多载荷的传输速率需求。

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(陶于金 航空制造网)

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