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从“全球鹰”看长航时无人机！！！
长航时无人机是多种技术的高度综合
“全球鹰”属于典型的长航时无人机，这是无人机的一种主要类型。所谓长航时飞机就是在性能上突出滞空时间。尽管有人驾驶飞机也能做到很大的航程和航时，并可以用自动驾驶仪来减轻驾驶员的压力，还可以配置正负驾驶来进行轮流驾驶，但飞行员疲劳的问题仍然是客观存在的。因此无人机一直以来都被看做是长航时飞机的一种合适选择，可以轻松执行12小时以上的超长任务。一旦取消了飞行员，相关设备都可以取消，从而大大减轻飞机的重量，例如氧气就不用带，也无需设置增压座舱，环境控制系统只需要考虑设备要求。而且有人驾驶侦察机要承担损失飞行员的风险，一旦飞行员被击毙或俘获在政治上也非常敏感，例如当年U-2在苏联和古巴上空被击落。长航时无人机面临的最大挑战是控制，通过自动驾驶仪和飞行路线预设，无人侦察机很容易执行简单的侦察任务，但缺少飞行员使随机应变的能力明显变差。如果要在飞行过程中实现遥控，就必须要建立与无人机的远程通信能力。长航时无人侦察机看似简单，却涉及了航天和航空两个领域，是自动控制技术、传感器技术、卫星通信技术等的高度综合。  图：U-2飞行员必须穿着近乎宇航服的高空代偿服，长航时飞行的工作条件十分艰苦 无人机与遥控模型绝不可简单类比 无人飞机和遥控模型飞机完全不能等量齐观，因为遥控模型飞机一般是在视距范围内遥控的，操作员实现的手眼协调，即眼看飞机的同时手控遥控器，遥控时滞非常小，而且人机间通信通常采用的是简单的模拟方式，也没有数据采集和数据遥测的问题。而长航时无人机执行远程甚至洲际侦察任务，与地面站之间的通信距离巨大，一般需要通过卫星数据链路进行中继，传输内容不仅包括控制指令，也包括各种飞行参数和设备参数，控制人员并不能直接感受到飞机的实际飞行状态，只能依靠控制台上显示的各种参数来进行类似仪表飞行的控制。无人机的远程遥控虽然目前已经比较成熟，但应急处置能力毕竟与有人驾驶有巨大差距，主要是机上自主飞行控制系统处置复杂突发情况的能力还很有限，地面控制又具有时滞，美国拥有全球最庞大的无人机机队，控制人员数量最多，实战经验也最丰富，但是同样因为操作失误损失了大量无人机。所以现在美国正在开发更加智能的无人机自主能力，例如在机翼突然破损甚至折断的情况下，迅速感知到飞行姿态和飞机状态的变化，并迅速切换到相适应的控制规律上来。  图：RQ-4机头整流罩内安装了硕大的碟装天线，主要用于由卫星中继的远程通信 长航时无人机为什么采用长平直翼 从总体布局上来看，几乎所有的长航时飞机都采用展弦比巨大的平直机翼，这种机翼显然不适合高速飞行，但在低速状态下却拥有很高的升阻比，并且十分适合高空飞行。大展弦比平直翼常见于滑翔机，出自洛克希德臭鼬工厂凯利·约翰逊之手的U-2，当年就被称为是装喷气发动机的滑翔机。在这一点上“全球鹰”和U-2没有本质的区别，但U-2和“全球鹰”毕竟是两个时代的飞机了，在机翼结构上有巨大差别。在U-2诞生的50年代初复合材料的用量还很小，而到了“全球鹰”复合材料用量大幅增加，在机翼上广泛使用了碳纤维/环氧树脂材料，不仅减轻了机翼的重量还提高了刚度，而到了RQ-4B Block 40全机复合材料用量进一步提高。尽管如此，由于“全球鹰”的机翼实在太长，其结构重量还是超过了1.5吨，RQ-4B放大10%后的机翼更是达到了1.8吨，在全机结构重量中还是占到了很高的比例。值得一提的是，“全球鹰”的这幅机翼也是系出名厂，由沃特飞机工业公司的达拉斯工厂生产，诺斯罗普在90年代初的时候曾经会同凯雷财团收购过该公司，虽然2000年又将其卖还给了凯雷，但是业务联系一直没有中断。  图：RQ-4和RQ-4B的差异，后者的机翼进一步加长、加大 RQ-4A的翼展为35.41米，RQ-4B进一步提高到39.8米，比U-2系列的各型号都要大。U-2为了在地面停放和滑跑时支撑机翼，在左右机翼下各设置了一个可以抛弃的支撑轮。而“全球鹰”则无需这样的设计，刚度较好的机翼地面停放时下垂也不明显。不过，“全球鹰”并不像U-2那样刻意追求高空性能，虽然重量要小了近一半，但阿里逊·罗尔斯－罗伊斯AE3007H涡扇发动机仅能提供31.4千牛的推力，较U-2的J57或者F118要小很多，在很大程度上限制了实用升限和最大升限。“全球鹰”的正常侦察高度都在2万米以下，相比U-2还要差了几千米。这主要是因为在地空导弹已经普及的情况下，简单地提高飞行高度已经无法保证侦察机的安全了。RQ-4B虽然将机翼加大了10%，但主要用来将载荷从2000磅（908千克）提高到3000磅（1362千克），其使用升限仍然是受到人为控制的。但其60000英尺（18288米）的侦察高度，比民用飞机的正常巡航高度依旧高出一倍。 更高的载油系数和更省油的发动机 保证长航时飞行的另一个要点是提高载油系数。事实上，疯子设计师伯特·鲁坦20世纪80年代在设计“航海家”（Voyager）飞机时，为了实现史诗般的不加油环球飞行，就采用了极端高的载油系数，这架飞机最大起飞重量中超过72%是燃料。“全球鹰”也采用了类似的设计，而且由于没有飞行员的限制，因此可以载更多的燃料。其载油量在6.5吨左右，载油系数大约是63%，虽然比“航海家”要小了差不多10个百分点，但是考虑到作为侦察机要携带大量设备，因此这一载油系数也是非常高的了。目前空中自动加油技术还在完善过程中，因此“全球鹰”没有配备相应的设备，但为了进一步提高航时和航程，美国未来很可能会给“全球鹰”这样的无人机增加空中加油能力。一旦具有了这样的能力，“全球鹰”有望在空中逗留3天以上，对战区的监视进一步向全天候发展。  图：1986年的“航海家”和2004年的“全球飞行者”，它们都是伯特·鲁坦设计的长航时飞机 为了能够更有效地利用燃料，“全球鹰”采用了高性能的小型涡扇发动机。AE3007是一种商用发动机，不仅用在“全球鹰”上，还用在巴西航空工业公司非常热销的ERJ145上，装载这款发动机的其他民用机还包括塞斯纳“奖状”X公务机，从90年代中期投入使用以来已经装机超过2000台，是相当可靠的发动机，其燃料经济性也很不错。军用型的AE3007H不仅可用推力较高，并对高空工作进行了某些优化，而且为了适应“全球鹰”的单发动力配置和超过24小时的航时，可靠性得到了进一步的强化。在气动布局和高载油量的保证下，RQ-4A的最大航程可达25945千米，自主飞行时间长达41小时，可以完成跨洲际飞行。可在距发射区5556千米的范围内活动，可在目标区上空60000英尺处停留24小时。2001年4月22日，“全球鹰”完成了从美国到澳大利亚的越洋飞行创举，表现了非常强劲的洲际侦察能力和自部署能力。 国产长航时无人机需求并不明确 近年来，“全球鹰”和“捕食者”/“收割者”无人机可谓风光无限，成为了长航时无人机的典范，前者主要用于侦察和监视，后者已经用于战场打击，两者相互配合，在阿富汗和伊拉克都有很好的表现。美国开始向主要德国等主要盟国出口“全球鹰”，特别是计划通过日本和韩国等近邻在中国周边部署，则引起了国内的警觉和紧张，更有人建议应该研制中国自己的长航时无人机。在国庆60周年阅兵式上展出了短程和中程两种国产无人机，但距离“全球鹰”显然差距十分悬殊。撇开侦察系统不谈，仅仅“全球鹰”级别无人机平台的研制，对于国内来说就有很大的难度，但最关键的还是需求不足。 美国的全球战略对长航时无人机的需求十分迫切，但应该强调的是“全球鹰”的主要任务其实是监视而非侦察，类似U-2早期秘密间谍任务的越境侦察已经被侦察卫星所取代，“全球鹰”如果在越境侦察中被击落也会引发外交争端。“全球鹰”使用最多的区域是伊拉克和阿富汗，而这两个地区长期实际长期都是交战区，“全球鹰”执行监视任务自然没有问题，也是伊拉克和阿富汗政府所认可的。但如果“全球鹰”直接越境侦察伊朗就存在问题，使用上必然会非常谨慎，要冒增加海湾地区紧张局势的风险。尽管巴基斯坦是美国全球反恐战争的盟国，但“全球鹰”对巴阿边界部落地区进行侦察，同样也争得了巴方的同意（虽然不大可能反对）。  图：RQ-4C BAMS可以用于海上监视，但类似机型未必是中国的最佳选择 如果中国研制出24小时级别的长航时无人机，用在什么地方显然是个大问题。黄海、东海和南海地区确实有航空监视的需求，但这一地区并不需要太大的航时来进行全天候监视，使用12小时级别无人机也是可以接受的，主要是12小时级别飞机的载荷偏小。综合来看，海监船＋直升机＋陆上和水上固定翼飞机的配置似乎更为便宜，而且形成监视能力也比较快。在大陆上，三北方向国土广阔，特别是西北地区尤甚，但对于国境以内是否非常迫切地需要24小时级别无人机也是问题。过去20年来，中国多次参加国际维和行动，过去三年又参与了索马里反海盗联合护航，对于这片海区的监视可能是24小时级别无人机的一个较好应用舞台，但类似这样的区域似乎太少了点。从外需来看，中国的一些友好国家的确有使用长航时无人机的某些实际需求，但这种需求并不能过分高估。 |
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