美军多旋翼无人机提升单兵战场感知能力

2016-07-14 16:58:02 航空世界 2016年4期

马强+宁波++陈宇

美军作为无人机实战应用的鼻祖,无人系统作战理念和飞行平台作战性能都非常先进,广泛担负侦察、打击和支援类任务。目前,美军正在将无人机作战从战略、战役级向战术级延伸,研发了“多旋翼无人机”系统,用于保障排、班、火力小组和士兵的地面作战需求。

作战概念先进:地面士兵获得战场态势感知能力

美军装备的无人作战平台主要应用在指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、目标定位、获取、侦察(C4ISTAR)领域,MQ-9“死神”等无人机也在担负火力打击任务,K-MAX在电子战、攻击支援、网络通信中继等领域也开始投入实战部署。但是这些无人作战行动以往大多在战役以上层次进行,美军对此并不满足,专门为战术级作战研发了多旋翼无人机系统。

多旋翼无人机的设计理念非常先进,要求作战平台在全地形全天候条件下提供持续侦察监视能力,增强士兵在地面战斗中对所处战场空间的持续态势感知能力,从而提高作战效能和生存能力。这种作战概念强调“当前战场空间”,无人机要掌握从每天到几个月的战场态势,所获取战场信息只供普通士兵使用,专门保障战术领域的作战需求,而不是战役、战略等更高层次的C4ISR作战。在所有地形条件下,“当前战场空间”在某一特定时刻都有某种距离限制,比如,在城市作战环境下,当前战场空间局限在半径15米左右的范围内,而在开放的沙漠环境下,当前战场空间可能在任何方向上都要超过1.6千米。

目前,美军地面部队使用的无人机型号虽然很多(详见表1),但是仍然不具备当前战场空间态势感知能力,比如,海军陆战队小队使用的“扫描鹰”无人机长1.22米,翼展3.05米,全重15千克,续航力15~48小时,最大飞行高度4900米,可以将机翼折叠后放入贮藏箱进行战术部署,但是不能提供真正的稳定图像,不能实现“悬停和对地持续监视”(PaS),也不能在森林和密集街区等狭窄地形发射和降落。

对于地面作战的士兵而言,当前战场空间没有“时间窗口”,情报信息必须通过有协同关系的无人机操作员传递给士兵,由于战场的情报信息时效性非常强,比如有些无线电传送的敌方战术机动的图像信息可能在几秒中内过时,无人机操作员要将这情报传递给地面作战的士兵,就必须进行密切的作战协同。目前,美军在战场上大型无人机部署密度较低,而各种层次的作战保障需求很多,要将传感器信号传递给在战术级行动的地面小分队,仍然需要事先进行详细的协同,这种协同耗费大量时间,而时间又是战术级行动或火力打击行动的关键要素,因此研发战术级多旋翼无人机就显得更有必要。

从战术级情报信息需求来看,一名士兵在既定环境下执行战斗任务,其直接视觉态势感知限制在二维空间内,只能通过先进战术光学瞄准镜(ACOG)等装置观察战场环境,而且视线不能穿过墙壁、山丘、树丛等障碍物,也不能发现黑暗、街角等高危环境中的目标。但是,士兵自己发射并操作一部小型无人机,就能获得所需的精确实时图像信息,通过全方位、可视化的能力实现对当前战场空间的三维态势感知,大幅提高地面士兵的作战效能和生存能力。除了提高士兵态势感知能力,多旋翼无人机还能提供自上而下的信息流,在时间上与当前战场空间不发生联系,无人机在士兵的直接指挥下,直接保障小分队行动,所获取信息自动整合进部队的机动计划,不分散士兵完成主要、次要甚至是第三战场职责的注意力。

性能要求极高:安全稳定持续的战场监控能力

通过分析执行地面作战任务的小分队在前线的特殊需求,美军的系统设计者按照以步兵为中心的理念,利用成熟的技术成果创造一种超越现有战场系统的多旋翼无人平台,即使在森林或城市这样最“狭窄”的地形条件下,也能安全隐蔽地发射、飞行、回收,避免潜在的敌方威胁,保障海军陆战队和陆军小分队未来的地面战斗。具体而言,多旋翼无人系统能够达到以下技术标准:

◆实现静音、隐形操作,保障所有类型的作战行动,通过强大的态势感知提高士兵的持续任务能力,同时将士兵的伤亡威胁降至最低。

◆具有超强的生存能力,能够实现全地形、全谱作战,关键任务组件应当进行冗余设计,确保出现故障时也能完成任务,所有部件都要做到便于在战场上更换。

◆具备操控和自动飞行能力,在操作员发出指令、动力耗尽等情况下安全降落,根据指令快速机动到指定位置,继续实施侦察任务。

◆在敌方干扰条件下提供稳定实时的地面目标图像,在各种不同风速下昼夜传送目标细节图像。图像相对动态,能够在士兵的便携式计算机终端上叠加显示,类似于有人驾驶飞机的飞行员头顶显示系统。

◆安装机载防干扰、加密飞行记录仪记录行动细节,用于行动后详细评估作战过程。评估使用的高清图像没有任何叠加,通过时间编码数据元分别记录,适用于多种类型的作战过程。

◆具备多向传输能力,系统不仅向分队指挥员提供图像,还能采用“指挥移交”的方式,同时向分队其他成员提供图像,每名士兵都能控制无人机或使用各种可视化传感器数据包,必要时也有权同时进行控制和使用。系统还能够向当前战场空间的其他友邻部(分)队提供态势感知,包括其他地面部队、隶属较高级别的无人机、有人驾驶飞机等,向整个C4ISR体系提供底层信息流。

◆支持多种指挥编码,系统采用操作员指挥码、半自治编码、混合编码等各种编码,包括通过操纵杆、触屏和音频指令等多种用户界面操作模式。系统操作具有自适应能力,与其他有人和无人平台进行一体化整合。

◆有针对性地设计任务模块,舍弃了红外信号标识等任务频谱,突出近距离空中支援中的态势感知,从而降低系统造价。

◆具备战损评估能力,无人机一旦发生坠毁事故,也能在事后进行恢复处理,通过防干扰、加密的高清机载图像做出分析评估。

◆采用简化设计,从机身结构、动力装置、机载传感器到数据传输装置都使用简易的成熟系统。

◆便于扩展升级,能够适应未来更先进的步兵中心态势感知成果,比如多光谱扫描仪、主/被动阵列,能够整合进更大型的C4ISR系统,比如蓝军追踪器等机载系统,能够与海军陆战队“战术发展与一体化无人机”家族实现整合。

技战术性能:便携式全地形快速部署

多旋翼无人机采用近几年流行的对称辐射臂结构,每条臂的末端安装1个或2个同轴旋翼,运用先进的电子处理和飞行部件小型化技术,一般用3个以上旋翼控制升降、倾斜度、翻滚、偏荡等动作。安装“微电子系统内部测量单元”(MEMS IMUs),包括加速度表、陀螺仪,将几千个飞行姿态以及性能数据包安装进一个飞行控制器,由并行处理的计算机进行控制。即使一架重2.2~3.5千克、翼展小于0.6米的多旋翼无人机也能实现快捷灵敏的操控,在大风条件下稳定地悬停,采集稳定的目标图像。

目前,美国海军陆战队研制的一种多旋翼无人机采用“Y6”结构,共3个悬臂,每个安装2个同轴螺旋桨,这种同轴六旋翼结构尺寸可以非常小,但是动力非常强大,无人机能够安装各种独立的作战传感器,任何方向的时速都能达到80千米,同轴螺旋桨保证其中一个桨出现故障另一个仍能正常工作。“Y6”结构还能设计成折叠式,装入士兵的野战背囊,具有便携式、轻型化、小型化、全地形、快速部署等特点。

机身。机身结构使用模块化的碳纤维材料,各部件通过黑色阳极化螺丝钉和阳极氧化铝(Nylock)螺栓连接,拥有超强的低空飞行能力。这种结构重量比模塑碳纤维大,但是特别坚固,支持部件快速更换,还能消除“微电子系统内部测量单元”在飞行控制模式下的振动感。美军的1号验证机试飞期间坠落了无数次,其中一次从9米高度坠落,除了机身出现一些划痕,内部组件没有任何损伤。此外,机身还具备低可视化和低噪声特征,对任何雷达和肉眼都能实现“隐身”。

动力、发动机、线路、连接和旋翼系统。多旋翼无人机1号验证机由超轻型锂电池提供动力,每块电池都能续航12~15分钟,未来经过升级后能实现30分钟~12小时的持续飞行。“先驱者”电动机不需要电刷,使用轻型、高效电子速度控制器,能够精确控制飞行速度。线路安装使用极细的、柔弱的电线,连接发动机、速度控制器等每一个部件。部件间采用镀金插塞式连接器,取代传统的焊接工艺,以适应模块化的机身结构,允许进行部件快速更换。旋翼系统设计成钛毂结构,铰链安装3个或4个碳纤维螺旋桨叶片,叶片的前缘和末端都进行了加固,利用铰链与增强型结构增加叶片重量,防止叶片碰撞后造成损伤,提高无人机的生存能力,同时减小整机尺寸。每条毂上的多个旋翼能够增加升力,降低螺旋桨的转速,因此能够降低噪声。

飞行控制、导航与三维接近感知系统。“微电子系统内部测量单元”的加速度计、陀螺仪和气压计的数据以及操作指令输入中心飞行控制计算机,进行主要飞行控制。机载GPS和高刷新率天线(每秒10次)向操作员提供精确导航和定位信息,可以实施航点导航、返场导航、跟随飞行、复飞等操作,可与运动中的操作员始终保持固定距离。全向三维接近感知系统利用光探测与定位(LIDAR)、超声或红外传感器,保证无人机自动规避障碍物,与GPS联合工作可实现自动发射和回收,操作员能够在15秒之内部署该系统,防撞系统允许飞机在城区和森林等视线受阻地带工作,还能保证无人机在无法接收GPS信号的地形工作,比如在暗室内由操作员直接发出指令工作。无人机上安装一系列接收机和发射机,用于接收操作员的直接指令和半自动指令代码,向操作员传送飞行的位置信息,在所有地形条件下保持与操作员的联系。系统还安装了低电量告警系统、无指令输入自动悬停系统,在没有指令输入时也可返航到指定地点。

可视化系统。多旋翼无人机安装双模高清数字摄像机,具备光学识别和红外夜视能力,光学镜头具备广角和摄远视野,机载闪存存储所拍摄的视频,高密度红外发光二极管(LED)和晶体管红外激光器负责夜视。系统不仅能够保证操作员的作战需求,也能协助其他地面部队或空中平台构建态势感知,进行目标定位、判断友邻位置,并与其他空中平台进行通联。摄像与红外系统安装在三轴平衡架上,在飞行和悬停中保持水平稳定,在强风环境下也能很好地减振,向操作员提供稳定的全方位图像。无人机还有地面持续观察模式,帮助操作员环视停靠的地区,或聚焦某一特定目标,用红外频闪仪标定目标。飞行控制器能够叠加相关信息,比如高度、距离、方位、速度、电池电压、拍摄模式、飞行模式、GPS数据,通过机载视频发射机将整合后的信息传送给操作员。

用户界面系统与维护系统。操作员使用小型(小于6英寸,即15.24厘米)终端操控无人机,终端通过触屏操作,带有防眩保护膜,显示屏左右各设置一个拇指控制器。操作员使用头盔式或独立轻型指挥收发机保持与无人机的通信联络,并与小型终端保持无线连接。拇指控制器包括拇指按压控制、刻度盘和各种开关,用于控制飞行和操作机载系统。显示屏可以通过链接臂安装到M16、M4、M249等步枪的MIL-STD-1913“皮卡汀尼”战术导轨上,同时在步枪扳机环上安装一个拇指控制器,帮助士兵在射击时观察周围情况,提供裸眼视线之外的全方位视野,提高士兵的战场空间态势感知能力。士兵可以在小型终端显示的地理数据上输入计划飞行路线,可以使用谷歌地图、猎鹰视图(Falcon View)等多种数字地图,也可输入随机指令修正航迹。无人机既可飞向指定地点,也可按指令的地理坐标飞行,也能随意调整摄像机角度,很像飞行员操作驾驶舱显示屏。操作员既可发送语音指令,也可发送数字指令,适应噪声较大的战场环境,满足狙击手隐蔽伪装的特殊作战要求。