即察即打,把握稍纵即逝的战机。

1.动力装置:无人机的“心脏”

无人机动力装置主要为无人机提供满足飞行速度和高度要求的推力,并为无人机航电系统和任务载荷系统提供电力及功率支持,作为无人机的“心脏”,其性能在很大程度上决定了无人机的作战性能。为了满足无人机在飞行高度、航时、工作任务等方面的不同需求,无人机动力装置的功率和推力变化范围很大,但基本上是属于中小型发动机的范畴,按类型分为电动动力系统、活塞动力系统和空气喷气动力系统。

活塞发动机是无人机最早、最广泛使用的动力装置,技术较为成熟,具有良好的经济性和可靠性,一直在中低速无人机和长航时无人机领域占据主导地位,相较汽油活塞发动机,重油活塞发动机具备更优异的燃油性能和高空性能。相比活塞发动机,涡轴/涡桨发动机具有功重比大、结构紧凑、振动小、高原性能好、燃料适用性好、便于维修等优点,因而涡轴发动机代替了活塞发动机成为直升机的主要动力装置,尤其 0.7t 级以上的直升机平台多采用涡轴发动机,在中空长航时领域,涡桨发动机也在中大型固定翼无人机中具有广泛应用。在万米以上高空条件下,活塞发动机因空气稀薄性能急剧衰减,螺旋桨的推进效率也同样会大幅降低,能够解决活塞发动机升限和高原起降问题的多级增压技术尚待攻克,因而必须使用高增压比高性能的燃气涡轮发动机,其中涡喷发动机具有结构紧凑、质量轻、尺寸小、推重比大、响应快和相比涡扇发动机成本低等显著优点,能使飞行器实现高速飞行,高空、高速无人机动力装置一般会首选涡喷发动机,另外在高速靶机、靶弹等特殊的应用领域小推力涡喷发动机仍然具有独特的地位,而涡扇发动机具有耗油率低、寿命长、易于实现系列化等优点,其质量和推力等级能与无人机实现较好匹配,对于高空长航时无人机,涡扇发动机仍是最佳动力选择,其升限一般在 10000~20000 m,最大飞行马赫数(Ma)可以达到 0.85,世界最高水平的无人机多数配备的是涡扇发动机。冲压发动机在飞行马赫数大于3 的条件下使用相比燃气涡轮发动机有较高的经济性,适合高空高速飞行,但缺点是不能自行起动,需借助其他发动机助推飞行至 0.5Ma 以上才能有效工作。电动无人机目前常用的是锂电池供电,多用于小型固定翼和多旋翼无人机,但锂电池存在续航时间短、低温下性能差的问题,因而衍生出氢燃料电池和太阳能电池动力能源,多用于中型固定翼和体型较大的多旋翼。

由于无人机动力需求与有人驾驶飞机有一定区别,而国内大部分资源都投入到主力战机的配套发动机研发中,导致目前国内无人机动力的发展滞后于无人机系统的发展。活塞发动机方面,国外主要有奥地利罗塔克斯(Rotax)公司、美国莱康明(Lycoming)公司、美国大陆(Continental)公司、德国Limbach公司、英国 RCV 公司以及美国猛禽涡轮增压柴油机公司等,国内主要有宗申动力(001696.SZ)、安徽航瑞、航天科工三院 31 所等。涡轮燃气发动机方面,中国航发的 AEF50E/AEF100 涡扇发动机、AEP50E/AEP60E涡桨发动机以及 AEF20E 涡喷发动机,航天科工某院所的 CTF-3 涡扇发动机,中发天信的XX850涡喷发动机等可用于无人机的发动机。

2. 任务载荷:扩展了无人机的应用价值

无人机的任务载荷是为无人机完成特定任务所安装的某种或几种设备组合,无人机可携带的任务载荷的种类和功能很大程度上决定了无人机的应用价值。察打一体无人机的任务载荷主要包括成像侦察类载荷、电子战类载荷和武器弹药类载荷。 成像侦察类载荷主要指光电/雷达侦察设备,用于完成光电探测与对抗、辅助导航、情报收集、侦察与监视以及搜索跟踪瞄准等作战任务。成像侦察类载荷主要有可见光传感(EO)、红外传感器(IR)、合成孔径雷达(SAR)、激光雷达和激光测距机/激光目标指示器等。可见光传感器主要在昼间使用,红外传感器可以获得夜间图像,二者相结合可以实现全天时工作,是光电侦察平台的基本配置,若再配上激光雷达和激光测距机/激光目标指示器又可以实现对目标的测量及成像跟踪,光电侦察设备最大作用距离一般在10-15km,适合于察打一体无人机在最后攻击阶段的探测和攻击任务。与可见光/红外传感器相比,合成孔径雷达不受雨雪云雾等恶劣气象条件限制具有全天候和远距离使用的优点,适合于察打一体无人机在战场的早期大范围搜索,也是目前常选配的侦察监视类载荷,近年来合成孔径雷达一般都具有动目标指示能力(GMTI),非常适合察打一体无人机对地面运动目标的搜索、发现和跟踪。

随着遥感、微电子等科学技术的进步以及任务需求的发展,光电任务载荷不断多样化、小型化、轻型化和模块化,光电侦察平台从最初的单一载荷向多载荷集成发展。无人机载光电载荷通常采用球形稳定转塔结构形式,光电传感器安装在球形转塔内,光电传感器会根据载机任务的不同需求有不同搭配,目前主流的基础配置是中长波红外热像仪、彩色高清可见光摄像机和激光测距机,有些产品还会集成惯性测量单元、全球定位系统、低照度照相机、激光照明装置等。

电子战类载荷是无人机执行电子自卫和电子对抗任务的设备。一方面,无人作战飞机面临敌方以雷达为导引的武器攻击,需要进行及时的威胁告警、态势感知和电磁对抗;另一方面,无人机也可以对敌方的雷达和通信设备发起电子攻击,干扰和摧毁敌方的雷达和通信设备。 电子战划分为电子支援、电子对抗(或电子攻击)和电子防护三大部分。电子支援通过对敌方辐射源(包括通信和雷达信号源)的截获、识别、分析和定位,为电子攻击、电子防护、武器规避、目标瞄准或其他兵力战术部署的快速决策提供依据;电子对抗指主动使用电磁频谱或定向能削弱或破坏敌方战斗力;电子防护指主动使用多种措施削弱或完全抵消电子攻击效果的行动。除了专门的信号情报侦察载荷执行电子支援任务外,电子支援和电子对抗通常是紧密结合为一体,成为一个完整的电子战设备。随着现代战争从单一武器和平台对抗向系统级、体系级对抗转变,采用一体化和通用模块化架构设计,将多种电子战功能融为一体的一体化综合电子战系统已成为现代电子战装备发展的主流方向。

3. 通信数据链:决定了无人机的控制距离

无人机通信数据链是无人机系统的“神经”,通过采用标准化的消息格式、传输协议和无线传输信道,在传感器、指控系统和武器单元之间实时传输作战信息。无人机通信数据链分为地空数据链和空空数据链(机间链)。地空数据链是无人机的关键子系统,为无人机系统和地面控制站提供双向通信能力,实现遥控遥测基本功能,即实现将地面控制站的飞控指令、任务载荷控制指令、链路控制指令等遥控指令实时上行传输至飞行平台,同时将飞行平台的飞行状态信息、飞行参数、任务载荷工作状态参数、侦察信息(或视频信息)以及链路工作状态等遥测信息实时下行传输至地面控制站。空空数据链(机间链)为无人机系统和指通机之间提供双向通信能力,实现有人机对无人机的控制以及无人机之间的信息传输。

无人机与地面控制站之间的信息传输属于视距通信,当无人机飞行距离超过地面控制站的作用范围时,数据链必须采用中继的通信方式。由于中继设备所处位置的不同可分为地面中继、空中中继和卫星中继三种典型中继方式,其中卫星中继覆盖范围大,不易受敌方干扰,可实现高带宽大数据量传输,是目前无人机中继通信的主要模式,美国的捕食者和全球鹰等主流长航时无人机均采用卫星中继的方式。

无人机的通信系统一般由机载、地面和中继三个部分组成。机载部分包括机载数据终端(ADT,AirborneData Terminal)和天线。前者包含 RF(Radio Frequency)接收机、发射机和调制解调器几个部分,有些机载数据终端受到链路带宽限制,集成了数据压缩处理器。地面部分也称为地面数据终端(GDT,GroundDataTerminal),由天线、RF 接收机、发射机和调制解调器组成。如果数据在机载部分经过了压缩,那么对应地面部分还需配备数据重建处理器,以便将数据还原。中继部分对于需要延伸链路作用距离的中、长航时无人机才需要配备,它一般由中继平台和转发设备构成。

视距通信链路分为宽带链路和窄带链路,其中宽带链路一般工作在 C 或L 波段,主要用于遥控遥测和宽带任务数据传输,窄带链路一般工作在 UHF 或 L 波段,仅用于遥控遥测数据传输。超视距卫通中继链路通常工作在 Ku 或 Ka 波段,主要用于遥控遥测和宽带任务数据传输。小型战术无人机一般只安装视距通信链路,甚至只安装视距宽带链路,中高空、长航时无人机会配备视距和超视距等多条通信链路。随着无人机任务载荷能力的不断提高,机上任务传感器的数据量将越来越大,高性能的宽带数据链将成为无人机测控数据链的主流。

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