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深度:美国无人机自主空中加油技术取得突破(全文)

时间:2019/5/6 11:24:00 点击:

  核心提示:   导读:X-47B验证机在自主空中加油技术上迈出的重要一步,表明美国已经掌握了大幅延长无人驾驶作战飞机续航时间的关键技术,或将影响美国海军的作战理念并改变未来侦察监视与远程打击的作战模式。   【...

  导读:X-47B验证机在自主空中加油技术上迈出的重要一步,表明美国已经掌握了大幅延长无人驾驶作战飞机续航时间的关键技术,或将影响美国海军的作战理念并改变未来侦察监视与远程打击的作战模式。

  【环球无人机报道】4月22日,X-47B验证机(502号)从帕图克森特河海军航空站起飞,在切萨皮克湾上空与一架K-707加油机会合,成功地完成了自主空中加油(AAR),开创了无人驾驶飞机自主空中加油的新纪元。这是继2013年首次从航空母舰上自主起飞与降落后,X-47B验证机达到的又一个里程碑。

  对此,美国海军负责“无人作战航空系统验证”(UCAS-D)计划的杜拉特上校表示,此次AAR试验的成功有助于“形成未来的无人机通过空中加油执行标准作战任务的概念,并且可以与舰载机联队的有人驾驶作战飞机实现无缝协同作战”。作为一个承前启后的关键角色,X-47B验证机在AAR测试中的出色表现必将对“舰载无人空中监视与打击系统”(UCLASS)计划的任务需求和投标方案产生重要影响。

  AAR技术的研究与发展得益于2000年启动的自主编队飞行(AFF)计划。NASA希望这项计划通过模拟鸟类的V字形编队飞行,充分利用前方飞机机翼的翼尖涡,为后面紧随的飞机提供一股上洗气流,可以有效地产生升力,减小飞行阻力,从而达到节省油耗和减少排放物的目的。2000-2001年,AFF计划通过飞行试验取得了理想的减阻效果,可以节省燃油14%。

  在AAF计划实施过程中,波音公司扮演了至关重要的角色。该公司与加州大学洛杉矶分校共同研制了编队飞行测量系统(FFIS),利用全球定位系统(GPS)加上机载运动测试设备,将两架飞机之间的相对位置精度保持在30cm以内。同时,波音公司还与德莱顿飞行研究中心合作,为两架F/A-18试验机加装了编队飞行控制系统(FFCS)。

  更为重要的是,波音公司为AFF计划开发了机载无线局域网技术,可以使有人驾驶飞机和无人驾驶飞机同时登陆机载网络,共享精确的位置信息和飞行控制数据。这项技术利用差分全球定位系统(DGPS)的数据,可以获得精度达到厘米级的定位信息。而且,这种机载无线局域网还可以使加油机的机组人员精确控制UAV进行加油,从而极大地增强安全性。之后,NASA意识到这项技术在未来的无人机AAR方面具有潜在的应用前景。

  初步研究表明,未来具备隐身能力的远程无人侦察与攻击平台只有通过空中加油才能达到最大航程的要求,但是考虑到卫星链路存在时间滞后的问题,空中加油不能仅仅依赖地面控制人员的指令,必须实现自主化,即完全根据传感器的输入而排除人工干预的程序化操作。近年来,相关学科和技术的快速发展使AAR成为可能。

  2002年,美国国防预研局(DARPA)针对发展UCAS持久作战能力的需要,考虑将AAR技术的后续研究正式列为“联合无人作战航空系统”(J-UCAS)计划的一个子项目。尽管J-UCAS计划半途中止,但美国海军在投资发展UCAS-D计划时依然将AAR列为必不可少的试飞科目,旨在借助X-47B验证机飞行测试证明AAR技术的可行性。

  与现役战斗机相比,无人机实现AAR无疑面临着诸多技术挑战。2005年,DARPA牵头发起了“自主空中加油验证”(AARD)项目,旨在通过飞行测试研究受油机和加油探管在气流中的运动规律,为UCAS-D计划发展出可以在作战条件下自主完成空中加油的各项关键技术。其中,至关重要的是实现对接的技术。

  从空中加油方式来看,美国空军使用的伸缩套管式硬管空中加油比较容易实现自主对接,而美国海军使用的探管-锥套式软管空中加油相对难度较大。为此,DARPA决定直接验证无人机采用探管-锥套式加油技术能够精确地保持空间相对位置,在对接时达到厘米级精度。

  AARD项目利用了欧米伽空中加油服务公司的K-707加油机和NASA的一架F/A-18试验机,均加装了GPS接收机、惯性测量装置和低速宽带数据链。为了能使受油机的加油探管准确地插入到加油机后拖曳的锥套中,NASA专门为F/A-18试验机加装了一套VisNav传感器系统,主要由半导体位置探测器(PSD)、信号处理器和LED指示灯组成,有效地提高了AAR系统的性能。PSD将探测到的光信号转换为电信号,并依据电流的强弱获得光投影坐标,采用三角法测量原理,再通过信号处理来测量加油探管与锥套间的距离。

  然而,AARD项目的试验过程并非一帆风顺。在为期15个月的概念验证阶段,加油探管在前6次试飞中仅有2次进入到锥套范围内,直到在第7次试飞中才首次实现了自主空中加油。2006年8月30日,F/A-18试验机在进入自动操纵状态后,按照预先设计的程序与加油机组成编队,并控制加油探管准确无误地插入到锥套内,实现了自主空中对接。

  此后,飞行试验进展顺利,在十几次试飞中先后测试了转弯过程中探管与锥套对接,并完成了在更远距离、更大高度差和更大偏航角度情况下接近加油机的试验。试飞结果表明,AAR系统已经验证了在加油机后方3.7km、下方约300m和偏离航向30的情况下成功实现对接的能力。据试飞员介绍,AARD系统的最终构型已经表现出优于熟练飞行员的控制能力,借助于进一步增强的视频处理能力,其在每次试飞中成功实现对接的次数已经提升了3倍。

  更为重要的是,AARD项目充分表明了无人机完全可以先借助GPS飞行到指定的航路点,然后切换到一个全自主的空中加油模式,从而在作战条件下自主地完成空中加油。

  基于AARD计划所取得的成果,DARPA认为无人机在AAR技术方面已不存在问题,只需进一步优化相关技术,通过型号试飞加以验证。此时,DARPA针对UCAS-D计划的预期目标,开始关注无人机的伙伴加油能力,作为AARD计划的后续研究。当时,DARPA所面临的一个棘手问题是如何补偿无人机在会合期间卫星控制链路出现的3.5s延迟。

  2007年,美国空军研究实验室(AFRL)发起了一项“超长续航”(Ultra Long Endurance)研究计划,旨在评估用可担负得起的固定翼无人机替代监视飞艇的可行性,除了“全球观察者”和“猎户座”等无人机方案外,同时还探索能够突破“全球鹰”的续航时间限制的相关技术。

  针对美国海军和空军的共同需求,DARPA在2010年7月1日授予诺格公司一项价值3300万美元的KQ-X计划,用于验证“全球鹰”无人机通过伙伴加油技术,自主完成空中加油。这项计划旨在验证两架无人机之间实现空中加油的技术可行性,使其飞行时间延长到1周以上。

  如果试验获得成功,“全球鹰”可以在配备更重的传感器载荷、携带较少燃料的情况下起飞,随后在空中进行空中加油,以便在空中持续飞行更长时间。此外,同一型号无人机具备伙伴加油能力也意味着,无人机完全可以自行编队执行任务,这对探索未来无人机自主作战,甚至组成轰炸编队的可行性同样具有开创性意义。

  从技术验证角度来看,KQ-X计划专注于无人机系统、感知和气动等方面的挑战,其难度远远高于AARD计划。根据合同,诺格公司对两架“全球鹰”实施了相应改装,承担在空中自主完成对接和加油的测试任务。其中,一架无人机充当加油机,在腹部加装了软管-锥套加油系统,输油管长4.3m,另一架无人机充当受油机,在机头前部加装了一根探管式受油管。两架“全球鹰”将利用GPS和光学跟踪系统,实现探管与锥套的对接,并将燃油从加油机的机身油箱输送到受油机的机身油箱中。

  2011年1月21日,诺格公司利用一架“海神”试验机在同温层高度与一架“全球鹰”无人机会合,前后相距只有12.2m,评估了“全球鹰”尾部产生的湍流对受油机的潜在影响。2012年8月,两架经过改装的“全球鹰”完成了空中加油编队飞行。遗憾的是,DARPA在9月30日决定不再继续推进“全球鹰”伙伴加油的试飞工作,终止了KQ-X计划。

  作为UCAS-D计划的一个重要部分,美国海军和诺格公司从2012年底开始准备AAR技术的相关测试工作。按照原计划,美国海军在2014年进行包括软管加油和硬管加油的飞行试验,但是美国国防部取消了2014财年预算申请中的X-47B验证机自主空中加油试验。直到2014年6月,诺格公司才收到美国海军授予的一项6300万美元的附加合同,着手开展探管-锥套式空中加油的验证工作。

  4月22日,X-47B验证机在试验过程中首先借助于自主飞行控制系统和组合GPS飞行到会合空域,在1600m外开始跟踪K-707加油机,并逐渐接近到加油机一侧相距6m的位置,保持编队飞行方式。接下来,X-47B验证机由“GPS引导”过渡到“光学引导”。

  该机先利用传感器观察加油机的机翼一侧标志点,再通过机动飞行调整到加油机后方,然后利用一种新型光学传感器和摄像机组成的光学跟踪系统“锁定”加油机,再通过不断调整逐步建立和维持精确的对接距离。最后,X-47B验证机自主地控制右侧机翼上受油管与加油锥套对接。接着,K-707加油机在近7min时间内向其输送了1810kg的燃料。在完成空中加油后,X-47B验证机自动地控制探管脱离锥套,离开加油机,然后返回基地。

  作为成功对接的关键技术,X-47B验证机使用的新型光学传感器是经过升级的VisNav传感器系统。它采用了红外焦面阵探测器,可以在杂乱的环境中有效地分辨出指示灯的光信号。它的前方视场为90,可以观察到加油锥套上的8个指示灯,其中4个均匀分布在锥套外沿,另外4个均匀分布在内部的加油口,同时受油探管上也设计了一个指示灯,为相对导航系统提供参照,可以直接判断对接过程中的实时位置是否存在偏差。

  从设计功能来看,这种光学跟踪系统承担了长期以来飞行员在空中加油对接时的主要任务。不同于飞行员操纵战斗机尽量不跟随锥套的每一次跳动,光学跟踪系统采取的方法是控制X-47B验证机逐渐跟上锥套移动的节奏,让探管与锥套保持同步移动,从而有效地避免了战斗机在对接过程中存在着探管向上撞击到锥套、从软管上扯掉锥套或者探管损坏的缺点。

  此次测试表明,美国海军已经完全掌握了AAR技术,从而可以有效地增加无人机的作战范围,它对未来发展长续航能力的无人机至关重要。此外,这一技术还可以增强有人驾驶作战飞机在空中加油过程中的可靠性和安全性,并适应各种作战条件的需要。

  在结束AAR测试项目后,两架X-47B验证机已经完成了UCAS-D计划的全部试飞内容。从首次从航母上起飞到首次自主降落在航母上,再从首次与有人驾驶舰载机协同起飞和降落到成功完成自主空中加油,X-47B验证机在两年多时间里创造了多个“第一”,而经过验证的关键技术将直接推动美国海军UCLASS计划的发展。

  美国海军希望发展一种可以更加高效地实现远距离飞行的ISR平台,不需要具有空中加油的能力。从战术考虑,AAR要求全面规划无人机和加油机在高强度空战中的航路,由此会带来一系列复杂的问题,如空中加油机必须在空中盘旋等待,可能会浪费宝贵的时间,这都需要通过更多的试验和规划来解决。

  但是,包括麦凯恩和兰迪福布斯在内的国会议员则希望UCLASS计划发展一种远程隐身攻击平台,应该通过空中加油获得更大的航程。按照UCAS-D计划的估计,X-47B验证机的航程大约为2780~3890km,如果未来发展的全新平台借助空中加油,将进一步扩大作战半径。因此,AAR能力对执行纵深打击或ISR任务的无人机来说是必不可少的。

  为此,美国国防部推迟了UCLASS计划相关需求文件的发布时间,以便对美国海军的发展战略与国会议员的反对意见进行更深入的研究。目前,美国国防部正在开展ISR评估,探讨UCLASS计划的理想能力范围。此次评审的关注重点放在新型舰载无人机需要具备什么程度的隐身能力、可携带的武器载荷大小和投放能力、是否设计成具有空中加油性能。其中,空中加油技术是UCLASS计划争论的核心,因为更大的油箱将影响飞机的尺寸和外形,并且改变飞机雷达截面会对飞机的隐身特性产生影响。

  近日,美国海军前副部长、现任职于战略与预算中心的罗伯特马蒂纳基表示:“目前,美国海军对UCLASS的要求是在不加油情况下具备14h以上的续航能力,这需要在任务载荷与隐身性能方面做出牺牲。如果无人机具备了空中加油能力,那么支持超长不加油续航时间一方的观点将被削弱。”

作者:不详 来源:网络
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