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美国无人作战飞机的路线斗争

2012-3-31 08:53| 发布者: admin| 查看: 2243| 评论: 0|原作者: admin|来自: 航空港

摘要: 刚刚出厂的X-45C。 正在进行投弹试验的X-45B。 2011年2月4日首飞的X-47B。 挂载着“地狱火”反坦克导弹的MQ-9无人机。   尽管美国空军和美

刚刚出厂的X-45C。

正在进行投弹试验的X-45B。

2011年2月4日首飞的X-47B。

挂载着“地狱火”反坦克导弹的MQ-9无人机。

  尽管美国空军和美国海军在无人作战飞机上采取不同的技术路线,两家在下一代轰炸机和伴随的无人作战飞机上或许会形成交集。美国海军和空军远景规划的核心是海空一体战。

  美国海军是把无人作战飞机作为舰载航空力量的例行组成部分设计的。但美国空军的重点则是把无人作战飞机作为有人作战飞机的补充,而不是替代。

  一般认为,过去20年里最重要的军事技术进步来自于两个方面:精确制导弹药和无人机。精确制导弹药是另外一个话题,但无人机的作用已经超越早期的侦察、通信中继、反辐射等作战支援任务,开始承担直接的战斗任务。在可预见的未来,无人作战飞机将成为航空科技和空军战略战术的重要组成部分,不过无人作战飞机的发展正在面临一个微妙的转折点。无人作战飞机最终或许会承担空战任务,但在可预见的将来,无人作战飞机的主要任务还是对地攻击,这一点在各国和各军种之间没有太大的分歧。但无人作战飞机是作为有人对地攻击飞机的替代者,还是作为有人对地攻击飞机的补充;以自主作战为主,还是以人工监控为主,这是一个很大的分歧,而且正在美国海军和美国空军的无人作战飞机研发计划中体现出来。

海空双煞——X-47与X-45

  美国国防部预先研究计划局(DARPA)在2000年向波音和诺斯罗普公司各拨款200万美元,研究无人作战飞机的问题,包括在海洋环境的抗腐蚀、航母上的起落、甲板和机库运作、与海军指挥通信体系的整合、与舰队强电磁环境的电磁相容性等问题。诺斯罗普的方案为X-47A,这是一种无垂尾的纯飞翼设计,平面形状像一个梭镖头,或者说像前缘比后缘更尖锐的菱形,采用全复合材料构造。单台JT-15D的推力只有14.2千牛,但对于这架正常起飞重量只有2.2吨的小飞机来说够用了。进气口在机背,还有S形进气道,但为了控制成本,喷口是简单圆形,没有任何雷达或者红外隐身的考虑。一年后的2001年7月30日,X-47A下线,2003年2月23日首飞成功。X-47A具有机内武器舱,可以携带一枚225千克的训练炸弹,但X-47A没有进行过投弹试验。X-47A没有着陆尾钩,也没有航母甲板上停放必需的系留挂钩,维修舱盖缺乏专门设计的固定搭扣,甲板上的风一大,就吹得乒乓乱响。2006年2月,DARPA的计划中止,美国海军和美国空军分道扬镳,美国海军按X-47B继续研发无人作战飞机。

  X-47B比X-47A更大,起飞重量和F-16相当,航程约4000千米,留空时间6小时以上。和F-16一样,采用一台普惠公司F100-220涡扇发动机作为动力,但速度为高亚声速,巡航速度为马赫数0.45,甚至低于民航客机。X-47B是按照作战飞机的重量和尺寸设计的,而不单是研究机。X-47B解决了X-47A的上舰问题,也有一个全尺寸机内弹仓。不过X-47B没有火控系统,只能进行武器投放试验,不能试验完整的攻击程序,尤其是不能试验从任务下达、目标捕获、目标识别和确认、防空火力压制(包括电子对抗)、攻击效果评估的实战全过程。X-47B计划装载红外、光电、合成孔径雷达、电子侦察和测向侦听等设备。不过X-47B将重点试验航母上的使用,包括任务规划、自主起飞、自动编队飞行、远程任务更新、自主空中加油、自主着陆等技术,这是舰载无人作战飞机的技术基础。X-47B在2011年2月4日在加利福尼亚的爱德华空军基地首飞成功,计划2013年开始上舰试验。X-47B可以挂载2000千克的炸弹,更大的X-47C计划挂载能力达到4500千克。

  波音X-45则是DARPA计划的另一部分。X-45也经历了几代演进。在气动设计上,X-45A是比X-47B更夸张的人字形,机体部分不再是菱形,而是拉长的六边形,两侧靠后的位置延伸出一对机翼。相对于X-47B来说,X-45A的设计比较传统,可算是高度隐身修形的传统机体-机翼布局,只是没有平尾和垂尾。第一架X-45A在2002年5月22日首飞,第二架随后也首飞成功。X-45A最初是为防空压制研制的,用于在高威胁环境下攻击敌人的雷达、指挥中心和导弹阵地。相对长大的机体有全尺寸机内武器舱,用于武器投放试验。2004年4月18日,X-45A在爱德华空军基地成功地进行了首次投弹试验。112千克的制导炸弹准确地击中了目标。X-45A具有高度自主飞行能力,2004年8月1日,成功地进行了单人同时控制两架X-45A的试验。2005年2月4日,在一次模拟巡逻-攻击中,两架X-45A在空中巡逻,接到攻击命令后,在自动评估两机的距离、挂载武器的种类和数量、燃油状态后,自动确定由最近的那架X-45A执行攻击。地面控制确认自动决策后,其中一架X-45A自动改变航向,转入攻击航线,并成功地执行了攻击。在此期间,另一个隐蔽目标突然出现,第二架X-45A自动转入攻击,也在模拟攻击中摧毁了目标。这是自主巡逻、自主攻击能力的重要演示,验证了比预案攻击难度高得多的对突发目标的自动识别和攻击,代表了无人作战飞机发展的里程碑。这两架X-45A现在华盛顿国家航空航天博物馆和代顿美国空军博物馆里陈列展出。波音对于全自主飞行不陌生,80年代的“秃鹫”就是自主起飞、巡航和降落的。

  波音随后设计了X-45B和更大的X-45C,两者采用更“纯粹”的人字形布局,前缘较为尖锐,后缘是浅W形,进气口依然在机背。诺斯罗普X-47系列也采用机背进气口,这不仅改善隐身,还简化了机腹的设计,有利于布置大型机内武器舱。X-45家族里最大号的X-45C依然比X-47B小,采用一台通用电气F404涡扇发动机,较小的X-45A索性采用小巧玲珑的霍尼韦尔F124涡扇发动机。2006年,美国空军中止了X-45计划,但波音转向美国海军,以X-45C为基础,推出具有航母起飞着陆能力的X-45N,不过诺斯罗普最终以X-47B赢得了美国海军的研发合同。

  波音没有放弃,以X-45N为基础,研制了“鬼怪鳐鱼”,2010年5月10日公之于世。“鬼怪鳐鱼”不从属于美国军方正在进行的任一具体的项目,是波音的自费研发项目,用于验证情报收集、监视、侦察、防空压制、电磁攻击、对地猎歼、自主空中加油等技术。该机在2011年4月27日在爱德华空军基地首飞。

空军海军路线不同

  与此同时,DARPA还在继续和无人机有关的研究,用F-16、F/A-18、A-10作无人化改装,用于和有人驾驶的同型飞机作对比研究。无人化改装的F/A-18已经成功地进行了自动空中加油的试验,飞机的起飞、巡航、着陆依然有人控制,在进入空中加油状态时,转入自动控制,飞行员双手脱离操纵杆,但可以在一旦出现问题的时候立刻接过控制。这样的有人控制作备份的无人机作战研究还将用于更多高难度、高风险的试验项目,包括全自主对地攻击甚至全自主空战的研究。

  美国海军和空军的无人作战飞机研究在更实用的层面上进行。美国海军是把无人作战飞机作为舰载航空力量的例行组成部分设计的,飞机需要日常出动,需要考虑长期使用的全寿命费用、维修和升级要求。因此,美国海军的无人作战飞机较大较重,技术程度较复杂,特别强调自主能力。美国海军计划在5年内验证无人作战飞机的航母操作常规化、实战化,为大规模装备做好准备。但美国空军的重点则是把无人作战飞机作为有人作战飞机的补充,而不是替代。具体来说,有人作战飞机依然是主力,无人作战飞机是在有人作战飞机不够用、不值得用或者面临过度风险时才出动的补充和增援。因此,美国空军的无人作战飞机相对较小、较简单。另一个重要特点是要求能长期贮存,在需要的时候可以迅速投入使用。换句话说,无人作战飞机对于美国海军是舰载航空力量的有机组成部分,而对于美国空军来说更像可以重复使用的具有更高智能的巡航导弹。美国空军和海军的不同技术路线是各自对无人作战飞机的定位决定的。

无人机带来的革命

  海军航空兵受到航母起落的制约,很难在技术上超越同时代的空军作战飞机,毕竟机场跑道更容易满足重型高性能飞机的起落要求,陆基作战飞机也不必为上舰改装而承受额外的重量和复杂性代价。正因为此,在传统上,海航更加注重战术、武器和训练的作用,而不在航空技术上执意开拓前沿。但无人作战飞机似乎正在悄悄地打破这一传统。

  美国海军正在重新审视未来作战飞机的采购计划,有传言说可能会在F-35B和C之间下马一种,并把采购总数压缩下来,节约的经费转用于实战化的X-47B一级或者更大更重的无人作战飞机。和美国空军有所不同的是,无人作战飞机对以航母为主力的美国海军有特别的吸引力。无人作战飞机并不一定比有人作战飞机便宜,要达到相当的作战能力,就需要相当的机体、发动机和机载系统,省下的飞行员座舱和生命保障设备被遥控和自主控制设备取代,在成本和重量上不会有原则性的差别。无人作战飞机也不比有人作战飞机的飞行性能更高,超过飞行员生理极限的机动性也意味着超过现有机体、动力和气动控制的极限,大幅度提高机动性意味着大幅度提高尺寸、重量和成本,况且用相对较大较重和更为昂贵的无人作战飞机去和小巧、一次性使用的空空导弹拼机动性不是一个明智的做法。但通过多次空中加油,无人作战飞机可以轻易地超过有人作战飞机的航程和留空时间,而且不受飞行员生理限制的影响,这对美国海军十分重要。在潜在对手反介入和战区阻入能力迫使美国航母退到离海岸线约2700千米以外的远海后,舰载作战飞机的航程和留空时间就特别重要,F/A-18E/F那样800千米的作战半径对由海到陆的作战作用甚微,即使反复空中加油,也受到飞行员生理限制而影响留空时间。

  无人作战飞机的另一个好处是不需要考虑飞行员搜救的问题。飞行员搜救不光是一个军心民心的问题,也是一个实际问题,训练一个飞行员不容易,训练一个舰载飞行员更难,无端损失舰载飞行员是美国海军无法忍受的。出动有人舰载作战飞机时,搜救直升机在附近空中待命,随时准备营救在起飞、着陆事故中弹射的飞行员。另有战斗搜救力量待命,准备到远海去营救由于战损或机械故障而落海的飞行员。这都要占用航母上有限的机库空间、维修力量和空勤地勤力量。无人机就可以把这些负担解放出来。

  事实上,无人作战飞机不仅不需要考虑飞行员搜救问题,连飞行员训练都可以省却。自主起飞、着陆和一般飞行控制在技术上没有不可解决的困难,因此无人机控制员可以更像一个战术指挥官,负责评估战场态势和制定战术决定,而不是深陷于具体的飞行操作。这有两方面的影响,一是省却了新飞行员的入门训练,二是省却了老飞行员保持飞行技能的经常性训练。这不光节约了训练设施,也节约了飞行小时数和相关的燃油、维修、折旧费用。这些具体的因素累加起来,对航母操作是不小的改观。

  美国空军无人机的战斗巡逻编组通常有3~4架飞机,典型飞机为MQ-1“捕食者”或MQ-9“收割者”,一架实际出动作战斗巡逻,一到两架在飞往战区或者返航的途中,一架在基地维修、加油。每个战斗巡逻编组有一个前沿地面指挥站,负责起飞、着陆控制,并负责在前沿基地的维修、加油、装弹,但在战区的作战控制由美国内华达州的克里奇空军基地统一负责,这也是前不久被曝遭到计算机病毒攻击的那个地方。国内基地便于支持无人机控制员的生活和工作,通过卫星统一指挥全球的无人机行动可以保证作战行动的一致性,必要时,一个控制员可以同时控制多架无人机,容易协调。典型无人机控制组包括一名“飞行员”,两名传感器控制员,趋势是用更多的自主飞控解放人工遥控,并用人工智能和模式识别解放传感器的人工监视,但人工监控的主导地位不可动摇。无人机控制员实行轮班倒的制度,8小时一班,一天最多三班,可以保证无人机长时间留空,但有时控制员人手不够,燃油没有耗尽就提前返航。典型“捕食者”和“收割者”的出击长达18小时,平均每次出击可以发现两个有价值的目标,约15%的出击最后发展到直接支援交火中的地面部队,20%的出击用于引导突击队攻击。

  无人机控制员通过屏幕、游戏杆、踏板和键盘操控无人机,多个大屏幕用于显示机上系统状态、战场态势地图、作战指令等,控制终端还有相当于聊天室一样的功能,可以和前线官兵或其他无人机控制员保持联络。无人机控制员并无过载等剧烈飞行造成的生理挑战,原则上不一定非要飞行员才能担当。传统上,美国空军的飞行员都是军官,这是美国空军创始人阿诺德将军坚持的结果,尽管在二战前期还有“飞行军士”飞行员。美国陆军一直用士官作直升机飞行员,资深士官的待遇可比中级军官,但依然是专业飞行员,不具备指挥职责。另一方面,军官的主要职责是指挥,没有专业技术军官的空间。由于这个传统,美国陆军对启用军士和士官作为无人机控制员毫无心理和组织上的障碍。美国海军在飞行员问题上追随美国空军,所有飞行员也必须是军官,但现在在无人机控制员问题上松动了,开始启用军士和士官。美国空军依然坚持无人机控制员必须是军官,不过不再坚持必须具有飞行员资格,对缓解无人机控制员的人手紧张有所帮助。

  相对于有人机飞行员来说,无人机控制员的“飞行小时”要高得多,动辄每年1200小时以上。相比之下,美国陆军直升机飞行员一般每年在450小时左右,美国空军战斗机飞行员每年的飞行时间约180小时,其中实战飞行小时要少得多。不过无人机控制员大部分的“飞行小时”是监视,只有3%的时间才涉及发射“地狱火”反坦克导弹之类的实际攻击。在多年使用无人机的基础上,美国空军组建了无人机武器学校,用于在已经有一定经验的无人机控制员中培养飞行尖子,和战斗机飞行员的TopGun学校是一个意思。无人机武器学校也作战术研究,比如防空压制、失去通信和人工监控后的自主攻击和返航等。不过现在美国空军的无人机控制员高度紧缺,无奈之中只有把教官也派上去。

  美国空军现有18个无人机中队,其中一些属于预备役。每个中队约200人,共有约250架“捕食者”和“收割者”,每年飞行约25万小时。“捕食者”主要用于侦察和战场监视,可以带两枚“地狱火”反坦克导弹;但“收割者”是可以用作侦察和监视的作战飞机,可以带1吨制导炸弹,包括SDB和“地狱火”。“捕食者”单价约450万美元,“收割者”约1120万美元,如果配用高端传感器,单价还可以更高。“收割者”比“捕食者”重4倍,传感器相当于F-16上的“狙击手”XL或者“蓝盾”吊舱,巡航高度2万英尺,地面的轻火力和肩射防空导弹无法构成威胁。美国空军明年起停购“捕食者”,全部转向“收割者”,但对于美国空军来说,无人机的未来还是属于X-45、X-47那样的喷气式飞机。

  尽管美国空军和美国海军在无人作战飞机上采取不同的技术路线,两家在下一代轰炸机和伴随的无人作战飞机上或许会形成交集。美国海军和空军远景规划的核心是海空一体战。在海空一体战概念里,美国空军的下一代轰炸机不再是单纯的“炸弹卡车”,而是集指挥、控制、情报收集、电磁攻击、信息攻击和硬杀伤为一体的现代常规战略打击平台和作战网络的核心,美国海军的舰载无人作战飞机则作为炮灰和打手,两者组网作战,利用先进的隐身、长航时、大航程、网络和ISR(意为情报、监视、侦察)技术,将传统的直接打击和先进的电磁攻击相结合,不仅用物理毁坏的传统方式摧毁对方目标,还用网络攻击使对方的信息网络失能,使空中力量达到一个新的境界。无人机还可作为预警机、加油机、电子战飞机的平台,进一步增加舰载无人机的作战能力。

  舰载无人作战飞机将具有高度自主能力,无人机控制员指定任务时间表、飞行途径、目标、攻击方式和武器选择,由飞机自主起飞、编队飞行、进入和退出攻击、返航直至在航母上降落,还可以自动完成空中伙伴加油。如果作战计划有变,无人机控制员可以在无人机飞行途中远程上载更新的作战计划,但不需要在任何时间直接遥控飞行和作战动作。然而,在目标高度敏感的作战环境下,高度自主的无人作战飞机容易由于误伤而损害作战目的;在敌方依然具有有效防空探测和空中拦截能力的高威胁作战环境下,高度自主的无人作战飞机的生存力受到严重威胁。在这样的情况下,人工监控甚至干预就十分必要,人的主观能动性和应变能力是高度复杂任务成功的保证,或许美国海军和空军关于无人作战飞机的路线斗争会以“同流合污”而告终。


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