未来无人机发展的6大技术驱动因素
关注红山智云，订阅最新情报十多年来，无人驾驶飞行器 (UAV) 一直是大国的致命武器，仅由少数几个国家部署，通常用于常规战场之外以限制部队的暴露、克服具有挑战性的地形或创造低空-卷入冲突的风险选项。然而，无人机技术和使用已经激增，并成为全球武装冲突的主要内容。从纳戈尔诺-卡拉巴赫到利比亚、伊拉克、尼日利亚以及其他地区，国家行为者、非国家叛乱组织、恐怖组织和犯罪团伙以及个人都在常规和非常规战场上使用无人机。乌克兰战争已经看到无人机的广泛使用。技术进步为无人机带来了新的能力和功能，在不断增加的任务集中，它们可以成为可行的、具有成本效益的替代方案。无人机现在正处于十字路口，不断增长的技术能力开始满足作战需求。本文梳理了未来无人机发展的6大技术驱动因素。无人机的主要技术驱动因素可大致分为：自主、通信、传感器、武器系统、生存能力和可靠性、推进和地面控制站。如有必要，它可以在没有人在回路（MITL）干预的情况下完成整个任务。下面的图3显示了以每秒百万条指令（MIPS）为单位的日志规模的处理进度。到2010年，在越来越多的任务和使命中，大量可用的蛮力计算能力将使人类操作员过时。自主技术发展的关键焦点将包括容错飞行控制系统（FCS）、飞行中任务管理、协同作战、分布式数据融合和自动目标识别/作战。当主操纵效应器失效时，正在开发的容错FCS可以利用剩余操纵面的替代组合来保持飞行稳定性，如X-36计划期间演示的那样。飞行中任务管理是指重新配置飞行路径和导航控制的能力，与机载能力相结合，以应对不断变化的任务需求。到2003年底，X-45预计将实现“自适应自主”——配备传感器，根据威胁和其他动态变化的信息对其环境进行可视化，并配备机载决策逻辑来管理其飞行任务。指数级增长的信号处理速度将实现更高水平的自主性，从而最终实现免提无人机见图。UCAV将能够利用人工智能和强大的、每秒数千兆字节的数据链进行群战，在修改飞行任务以应对改变的战术情况之前，开发一个分散的、多无人机的威胁和目标的战术画面汇编。X-45计划的目标是在2005年之前演示两架飞行器的“协调自适应自主”飞行。其中，集群无人作战飞机可以重新分配彼此的任务，通过合作搜索最大限度地减少目标搜索时间，并与其他无人作战飞机探测到的目标和威胁交战。在分散数据融合（DDF）方面，BAE系统（澳大利亚）公司已经开始了一项自主导航和传感实验研究（ANSER）计划，以演示在没有中央处理设施的情况下，融合来自各种传感器（包括机载和非机载传感器）的数据的能力。这将为无人机提供态势感知能力，而不必将占用带宽的视频图像传输回中央处理设施。进入下一阶段，这种战斗感知能力将使下一代无人作战飞机能够自动识别目标，并使用适当的弹药与之交战。他们将展示对合法目标的一致积极识别和对非法目标的拒绝——准确识别的程度影响了人在回路（MITL）要求，因此也影响了操作此类系统所需的ORBAT（战斗序列）。快速响应的C3战斗管理需要高数据率、宽带、低截获概率（LPI）、安全、全天候的数据链。UAV必须与其他有人驾驶飞机、无人作战飞机、机外传感器和地面站联网，以进行全面的战斗管理，从而形成单一的综合空中图像。基于激光的光学系统有可能提供比未来最好的射频系统大两到三个数量级的数据速率。陆基激光通信系统于1996年进行了验证，在140公里范围内的数据速率为1.1 Tbps，机载和星载Tbps激光通信系统预计将在2020-2025年期间投入使用。使用低功率半导体激光器的小孔径（7cm至13cm）机载激光通信系统的探测概率明显较低，重量为同类射频系统的30%至50%，功耗较低，同时提供Tbps的数据传输速率。除了增加可用传输速率外，正在进行的连接概念研究，如小单位作战态势感知（SUO SAS）计划，将推动使用“局域网中的局域网”概念的高效带宽管理。动态数据链路大小和节点管理将允许用户根据接近度和兴趣社区与不断移动和变化的节点主机保持低、中或高数据速率连接。先进的探索者。内部运载和飞机生存能力已经推动下一代导弹导引头朝着“发射后不管”的能力发展，远离那些需要人类指导和干预的能力。这些新武器将可能依赖于已经可用的低成本红外成像或毫米波导引头。这些武器的自主程度将影响所需的人类参与程度，直接关系到在给定的时间内可以攻击多少目标，并转化为武器化的无人机和无人作战飞机的杀伤力和任务效率。较小的弹药。对于武器化的无人机和无人作战飞机来说，为了通过比载人无人机更小的体积来实现其初始成本和隐形优势，它们将需要更小、更强大、更精确的弹药。一种先进的弹头使用等离子体能量，通过集中的平面波来实现破坏，其爆炸压力比传统炸药大很多倍。因此，即使使用少量的等离子弹头，聚焦的平面能量也能够轻松“切割”金属结构，如雷达天线。另一种有趣的弹药是小直径炸弹（SDB）——一种114公斤的武器，其破坏力相当于907公斤的常规炸弹，能够穿透1.5米厚的混凝土，摧毁埋在地下的指挥所和坚固的掩体。一种高智能、喷气动力、中程、巡航型的3M CEP预计将于2012年推出。定向能武器（DEW）在十年内，武器化的无人机和无人作战飞机预计将部署DEW，如高功率微波（HPM）武器系统。高功率微波武器系统会发射出一种瞬时的高功率能量尖峰，使密集的晶体管线路短路，从而摧毁微制造的传感器和处理器。它旨在使平台、C3中心的发射机、敌方雷达和带有电子传感器的武器失效。因此，无人平台最适合部署此类武器，在这种情况下，感应蒙皮电流和电磁干扰（EMI）造成自我伤害的可能性绝非微不足道。具有低截获概率的被动和低特征信号传感器对于提高无人机的隐身性和生存能力至关重要。值得注意的进展包括高光谱成像（HSI）、激光雷达（LADAR）、具有移动目标指示器（MTI）的合成孔径雷达（SAR）。多维传感器将通过扫描大量离散的光谱带（多光谱，10-100个，高光谱，超过100个）来提供更多的目标特征信息，以获得关于每个图像像素的更多信息，叠加从每个波段收集的信息，形成比单、双波段系统更完整的图像。美国海军的濒海机载传感器/超光谱（LASH）允许对埋藏和水下物体进行机载成像和探测，这在反潜艇和反水雷（MCM）任务中非常有用（Rockwell，2001）。HSI的好处包括改进的杂波抑制、假目标识别、更高的检测可靠性和目标测距。Jigsaw是一种3D激光雷达传感器，将部署在美国陆军的战术无人机上。它将与树叶穿透（FOPEN）系统一起工作，以建立目标的3D实时图像，允许通过光学频率提供的更高分辨率的遮蔽物进行成像。FOPEN系统覆盖的区域更大，错误警报也更多。然后，Jigsaw将负责在最终武器投放前提供高可靠性的目标验证。探测地面和空中目标的自主SAR/MTI雷达被设想为未来主要用于空对地作战的无人机的主要传感器。SAR/GMTI雷达具有30厘米或更高的高分辨率，可精确定位固定和移动地面目标，而空中态势感知可能需要AMTI雷达监视模式。由桑迪亚国家实验室和通用原子公司共同开发的最新Lynx合成孔径雷达（SAR）在Ku波段工作，斜距为30公里，降雨量为4毫米/小时，分辨率为0.1米。实现低检测概率（LPD）的其他技术包括频率选择性天线罩设计、步进线性调频（LFM）、伪噪声雷达发射、民用波形模拟和双基地雷达合作成像。无人机的生存能力水平必须严格定义在特定的损耗水平上，超过这个水平，性能和成本就不能进行交易。这将决定其相对于现有平台（如有人驾驶战斗机和巡航导弹）的任务有效性。平台的生存能力将取决于其速度和隐蔽性。隐身设计考虑因素包括发动机进气口/排气口设计、内部武器舱、无缝复合材料蒙皮、较少的窗口和舱口、较小的平台尺寸以及雷达吸收结构和材料，以减少IR/RF信号。使战术UAV的探测最小化的一种方法是通过使用更安静的电推进系统来减少声学特征。然而，尽管对机载应用进行了广泛的研究，但在不久的将来，电力推进系统只能满足数量有限的无人机应用的功率要求。相反，在短期内，减少声学特征将集中在传统上与船舶和潜艇设计相关的领域，如吸声材料；信号建模、现象学和控制；和结构表征。随着尺寸、平台和传感器成本的增加，未来无人机系统的目标是至少10，000小时的平均间隔时间（MTBL）。价值更高的无人机，如战略级无人机，目标是100，000小时，相当于一架商务喷气式飞机。使用载人额定发动机、三余度飞行关键设备、采用与具有适航资格的载人飞机相当的软件和硬件架构，只是满足未来对高可靠性无人机的预期需求的解决方案的一部分。不再受人类生理限制，无人机推进器和机身现在可以设计为超过10g的状态，达到20g的理论极限，而目前的涡轮机由于离心力而不圆。更快的速度和更高的机动性意味着更强的生存能力。高超音速无人机除了具有更高的推重比和更低的重量外，可以考虑高超音速无人机--除了具有更高的推重比和减少空气动力阻力外，它们不需要容纳人类所需的增压和温度屏蔽。美国国家航空航天局（NASA）正在开发的脉冲爆震发动机（PDE）代表了推进技术的巨大飞跃。这是一种吸气式间歇燃烧喷气发动机，它依靠行进的爆震波作为推进循环的燃烧和压缩元件。它的速度范围从0马赫到3马赫，允许非常高的冲刺速度（超音速）到达目标区域，在目标区域有很长的徘徊时间，并且在低速时是有效的。该发动机的机械简单性提供了低成本和高可靠性。与其工业合作伙伴一起，美国宇航局预计在2005年演示一种发展中的PDE，并在2009年提供全尺寸的运行发动机。未来的无人机操作概念要求地面控制站（GCS）具有控制多个不同无人机的能力，以便为网络的各种用户提供服务。这样的地面控制站可以很容易地在战场上重新配置，以控制不同的无人机或另一种有效载荷。此外，可扩展性促进了地面控制站控制台的增加，以控制许多无人机并执行额外的应用程序或离线处理。未来的地面控制站设计将实现不同硬件的可移植性，允许海军、陆地和空中应用的轻松定制。它包括商用现货（COTS）项目，以获得更大的可支持性，并利用最新技术，结合智能设计，以减少与无人机控制和监控相关的操作员的任务负担。作为无人机系统中的一个关键要素，下一代地面控制站需要高度可靠。在系统运行的不同级别中，关键控制功能的热备份必须设计为具有故障安全和软故障特性。索取