翔龙无人机

翔龙高空侦察无人机

翔龙无人机由中国自主研究和设计的一种大型无人机。"翔龙"高空高速无人侦察机全机长14.33米,翼展24.86米,机高5.413米,正常起飞重量 6800公斤,任务载荷600公斤,机体寿命暂定为2500Fh。巡航高度为18000米~20000米,巡航速度大于700公里/小时;作战半径 2000~2500公里,续航时间最大10小时,起飞滑跑距离350米,着陆滑跑距离500米。

和美国目前应用的几种无人机不同,"翔龙"无人机没有一味追求性能上的高指标,一切以国内的实用条件和用户需求为主。

为了满足军队未来作战的需要,完成平时和战时对周边地区的情报侦察任务,为部队准确及时地了解战场态势提供有力手段,中国一航组织成都飞机设计研究所、贵州航空工业(集团)有限责任公司等有关单位设计出了"翔龙"高空高速无人侦察机概念方案,包括无人机飞行平台、任务载荷、地面系统等三个部分。

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中国最新型无人机试飞 副总师蒋威开辟研发新模式

2011年12月28日 11:26 来源:中国航空报

在众人的屏息凝视中,一只“铁鹰”舒展着双翼,掠过天际,完美着陆,轻盈、柔和。飞行取得圆满成功!

试验现场顿时沸腾。在这片赋予担当、承载坚强、铭刻执着的辽阔土地上,参试人员远离城市的繁华,远离亲人的相伴,从酷暑到寒冬,坚守了整整4个月,终于迎来了这激动人心的一刻。

有着丰富经验、担任1号站试验指挥的蒋威充满自信、游刃有余地完成了任务。他深情地注视着这一切,这令人欣喜的结果,源自整个团队从无到有的艰难探索、不断超越的创新精神、无坚不摧的顽强意志、全情投入的无私奉献。他为自己是这优秀团队的一员而倍感自豪和骄傲。

1986 年从南京航空航天大学毕业来到中航工业成都所,20岁的蒋威就一头扎进了飞行器总体气动的技术研究,先后参加了歼7Ⅲ飞机、歼10飞机、“枭龙”飞机、歼10B双座机气动布局设计和各种型号预研课题,以及“863”系列重大项目的工作。相继担任设计员、专业组长、研究室副主任、研究部主任设计师,兼任无人机 总体气动专业型号副总师,先后荣获国家科技进步奖二等奖,省部级科技进步奖三项。

在成都所无人机研制团队里,蒋威以技术过硬著称。无人机研制宛如蕴藏着丰富宝藏的未知领域,等着科学家去探索、开发。技术新、难度大,没有指明方向的航标灯,没有乘风破浪的坚船利舰,唯有最原始的工具也是最可靠的方法——学习。

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他 从基础的课本开始钻研,一步一步推导公式,与团队成员充分讨论,碰撞智慧火花,捋清基本原理。首先努力在理论上走通,再进行实践。如果实践中行不通,则又 返回修改理论。如此反复,也曾遭遇前路茫茫找不到出口做不下去的时候,然而在蒋威的心里没有“气馁”这个词。技术上遇到困难,他总是千方百计寻找办法解 决,或从自身查找症结,或与其他专业沟通协调。有的技术问题困扰大家长达一年多时间,可是“有志者、事竟成”,这一个个硬骨头,最终都被百折不挠的研制团 队啃了下来。蒋威也通过这一次次的艰难历练,在技术上一步步扎实地提高,取得了一次又一次显著的突破。
深厚的技术功底、沉着冷静的心理素质,让蒋威在瞬息万变的试验过程中临危不乱、准确判断、圆满交卷。蒋威至今还清晰地记得6年前某无人机首飞的场景。那是成都所无人机研制史上的第一次首飞,没有任何经验可以借鉴,一切都是摸着石头过河,在探索中一步步向前。

蒋威也是首次担任系统试验指挥。虽然前期做好了全面的准备,进行了充分的演练,并且制定了充足的应急预案,但他的心里仍然难免忐忑。毕竟,作为系统试验指 挥,责任重大——搜集各方面信息迅速做出分析判断,给总指挥提供参考意见;发号施令,对每一个试验环节用口令准确传达,确保万无一失;指挥车上密密麻麻的 开关,每操作一下都伴随着风险,稍有闪失就会对飞机造成损害。而这次首飞,完全要在没有任何借鉴的情况下勇闯出一条新路来,各种危险情况随时可能发生,困难之大可想而知。

当年轻同事提起蒋威,无一例外都用了“和蔼可亲”这个词。的确,干练谦和的蒋威总是不遗余力地提携、帮助年轻人。此次担 任2号试验指挥的小伙子伍智锋首次顺利完成指挥任务,就得益于此前在蒋威的悉心指导下进行了无数次的演练,做到了对每个点都心中有数。蒋威敢于且甘于放手 让年轻人承担更多重要的工作,给大家充分锻炼和迅速成长的机会。伍智锋对此深有体会:“工作中遇到难以决策的问题时,他不是直接告诉我们结论,而是和我们 一起讨论分析,理清工作思路,再让我们进一步论证提出解决办法。”

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如今,在蒋威这样的技术领头人的带领下,成都所无人机研制团队已培养了一批具有较高综合素质和较强科研能力的年轻人,在工作中独当一面。已有数人具备指挥大型复杂无人机系统进行试验的能力,能够承担起指挥无人机进行机上地面试验任务的年轻人更多达10余人。

经过多年的不懈努力和开拓创新,无人机的设计、总装、机上地面试验、飞行试验都可以由成都所为主来组织完成,这也是中国航空工业开天辟地第一次由一个研究所 把飞机研制的全过程总揽完成,开辟了新的飞机研发模式、新的研发管理和速度。谈及此,蒋威的言语之间无不流露着自豪。深邃天空的神奇奥秘吸引着无数仰望的 双眼。肩上承担着新型预研工作的蒋威,对这片天一如既往地热爱着迷恋着,纯粹、澄澈。(本报通讯员 杨柳 朱述才)

高空长航时无人机从上个世纪90年代开始出现,最初的发展目的只是打算取代有人驾驶的U-2/TR-1高空侦察机。美国对高空侦察机的喜爱从50年代开始,广泛用于对苏联、中国等敌对国家的战略战术侦察。在古巴导弹危机中,U-2有人高空侦察机立下了赫赫战功;在对苏联的侦察中,也成功发现米亚-4战略轰炸机的数量讹诈,对美国的战略态度和军事发展方向都起到了决定性作用。不过,随着地空导弹和高空高速战斗机性能的日益增强,有人驾驶低速高空侦察机的生存力开始下降,特别是驾驶U-2飞机穿越苏联上空进行侦察的鲍尔斯被苏联俘虏后,差点引发两国直接交火。

在联合国大会上,苏联证据确凿地指责美国侵略,让整个美国在道义上和态度上都极端尴尬。随后,侦察卫星的出现一定程度上取代了传统高空侦察机的地位。但是1990年海湾战争期间,美国发现他们数量庞大、性能先进的卫星并不能完全满足侦察需要,传统的高空侦察机不但没有被取代,反而越来越重要——U-2/TR-1侦察机大量活动在伊拉克上空,甚至不得不把已经退役的SR-71"黑鸟"侦察机拖出来,担任繁重的侦察任务。

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气动布局

"翔龙"没有采用目前高空长航时无人机最流行的传统大展弦比单翼设计,而是采用了一个新颖的菱形联翼结构设计。联翼气动布局出现在70年代初,NASA曾经制造过小型的联翼技术验证机,对这种新颖的气动布局进行测试。联翼概念主要是将机翼后掠,尾翼前掠,两者通过垂直安定面或者直接刚性连接,连接点可以在机翼的中段,也可以在机翼的端点。菱形联翼的设计主要是机翼后掠角和尾翼前掠角保持一致。联翼机气动布局是一种适合高亚音速下使用的高升阻比、高结构效益先进气动布局,其最大特点是具有特别高的自然姿态恢复能力和良好的气动静安定特性。高姿态恢复能力主要来源于这种布局的前后翼良好干扰,因为尾翼要前掠与机翼相连,而且连接点比较靠外,尾翼比正常布局的飞机要大很多,而且距离机翼近,受到机翼下洗气流影响较大。下洗流能够降低尾翼的真实气流迎角,因此,当前面的机翼上仰到失速迎角时,尾翼在下洗流的影响下还处于正常升力状态;机翼失速失去升力以后,尾翼的升力还是正常的,这就给飞机一个强烈的自然低头恢复力矩,让其迅速恢复正常飞行姿态。由于尾翼前掠,其迎角失速范围本身就比后掠翼的前翼宽,叠加下洗流的作用,飞机飞行大迎角自然恢复角度相当宽,很难进入失速状态。以上这些优点对于简化飞机控制系统设计有着不可估量的作用。

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联翼布局还有一个好处——升阻比高。"全球鹰"采用简单的高展弦比平直机翼,依靠超过36的超大展弦比来换取高升阻比。但平直机翼不适应高亚音速飞行,"全球鹰"的飞行速度只能达到650公里/时左右。我们知道高空的空气稀薄,19000米高度的空气密度只有海平面的8.4%,要飞得高要么提高速度,要么增大机翼面积、减小翼载荷。联翼布局的翼面积比单纯的正常布局要大,翼载荷轻。此外,联翼布局特别是菱形联翼布局的机翼都会采用后掠翼。机翼后掠可以减小高亚音速时的波阻,因此可以飞得更快,飞得快也就意味着可以用更小的机翼和更高的翼载荷。小的机翼和高翼载荷都能大大减小飞机阻力,或者说同样的机翼和翼载荷可以飞得更高。联翼布局的升力系数比普通平直机翼低,但因为相互干扰可以减小诱导阻力,联翼布局的实际阻力系数也很低,总的升阻比还是相当高的,非常适合高空高速长航时的飞行任务需求。此外,联翼布局还有一些控制上的特殊能力,比如可以很方便的实现直接力控制,这个特性对于侦察机还是比较有用的。飞机可以在不改变姿态的情况下对飞行轨迹进行控制,有利于减小执行侦察任务时因姿态变化引起的图像中断等干扰。联翼布局的优点还有一个非常重要的方面,就是在结构上的天然优势——传统机翼都是采用梁式承力,这种结构特别是对于大展弦比机翼来说材料弹性所导致的飞机机翼变形都会影响实际飞行性能。"全球鹰"依靠实力超群的材料技术和工艺获得一副超高展弦比机翼,在以最大载荷从地面起飞时,机翼向上弯曲的幅度可达1.5米以上。而联翼布局前后翼相连的巧妙设计让传统机翼的受力结构发生了巨大改变,抗扭翼盒的结构因为两个具有相当大高差的翼相连而变成了一种闭合的具有大厚度的结构支撑框架,这让机翼的刚性和弹性控制要求大为降低。同时,由于受力结构更加合理和稳定,它可以让飞机结构重量大大减轻,对于提高高空飞行能力和飞行时间都有很重要的意义。

"翔龙"的设计还有很多独特的闪光点,比如考虑到需要快速拆卸并将所有组件都装在一个可被运8/C-130空运的包装箱内。同时,要能够在只有两到三个人的情况下,飞机只需要30分钟就能被装配到可以使用的状态。因此,飞机一些结构间的尺度设计就有特殊的限制要求。"翔龙"机体长度为14.9米,翼展25米,机翼可以通过快速螺栓拆卸,翼根专门增加了强度和加长了弦长,有利于分散集中的力载荷。拆下的机翼长度约12.3米,可以并列在机身两侧固定,尾翼在尾部专门设计了凸台,也通过快速埋头螺栓固定。前后机翼相连的固定点在全翼展70%左右位置,通过一个小的垂直安定面使用螺栓固定在机翼上。这个位置充分考虑了联翼布局的气动效率和飞机机翼的承力结构效应。垂尾可以单独拆下,整架飞机可以被装进一个宽度不超过2米的包装箱,使用战术运输机进行运输。未来有可能将前机身独立设计,也可以快速拆卸。前机身主要是电子舱段,独立包装和运输有利于电子设备的养护,同时也可以形成模块化前机身,可以互换搭配。机翼组件和动力组件也有可能形成模块化设计,允许通过更换更大的机翼获得更高的飞行高度,或者更大的动力组件获得更大的飞行重量和有效载荷。

侦察任务有效载荷

"翔龙"无人机目前能够保证具有10小时以上的留空时间,巡航飞行速度超过750公里/时,比"全球鹰"快15%以上,有效任务载荷为650公斤,比"捕食者"大一倍多。该机携带的电子设备更类似于"全球鹰",有高清晰度数字照相机、包括单色高分辨率和彩色图像两种模式,可提供分辨率很高的静态侦察照片供阅读和判别;有高清晰度数字电视,能够提供动态的数字视频图像,方便实时监控,视频信号还有夜视能力,有独立的红外热成像通道,可以提供8~12微米长波自然热辐射视频或者更先进的高清晰度凝视3~5微米中波热成像,后者对机器动力的机动目标观察效果更好。先进的合成孔径雷达和逆合成孔径雷达不一定会出现在每一架侦察机上,因为这种雷达的造价比较高昂。雷达能在恶劣气候下获得高清晰度的地面三维图像,具备在恶劣气候条件下的机动目标跟踪和监视能力,往往用于更高级别的侦察和监视任务,与光学侦察组件联合使用。"翔龙"无人机有可能装备几套相互平行的通讯系统,多通道战术短波数字电台可用于直接与地面指挥所、地面信息共享单位的直接联系和信息播发,允许通过授权将信息通道的下载权限下放到更低的作战单位,比如师、旅、团等等。飞机还上有更高传输速度的定向通讯装置,可以与地面接收站或者卫星进行点对点高速数据传输。

另外,"翔龙"无人机也可以通过更换模块化的机头电子任务舱段,执行数字通讯中继任务,担负起一个很高的信号转发塔作用。用于类似于蜂窝移动通讯概念的时候,一个无人机机站工作在20000米高度,可以为半径为200公里的数十万门以上的无线短波通讯提供中继和数字交换。同时,还允许多架同样任务的无人机在天空中组网,实现战时临时架设的无线数字通讯中继交换网络,这比以前用有人飞机来实现同样的目的费用要低廉得多,效能却要高出数十倍以上。除了通讯中继,"翔龙"还可以执行电子干扰任务。一个电子干扰吊舱的重量并不是很大,"翔龙"的任务载荷可允许使用两个吊舱,将干扰源架设在高度18000米以上高度,不易遭受到反辐射导弹的威胁。特别是现在使用新型的GPS干扰机,"翔龙"的载荷允许搭载超过 20种不同原理的GPS干扰机,能够有效干扰和压制半径400公里以内的简单GPS设备,以及压制半径150公里以内有一定抗干扰能力的GPS接收机,并让60公里半径以内的GPS接收机致盲。这对于目前GPS制导武器满天飞的状况不异于釜底抽薪!

在使用重量只有100多公斤光学侦察设备的情况下,"翔龙"无人机可以携带1~2枚FT-3这一类250公斤级别制导炸弹,能够初步实现美国中央情报局在阿富汗研究成果——"发现即摧毁"。如果进一步扩展,还能够使用激光制导炸弹或者C-701一类的电视制导导弹。这种"时髦"的能力在进行不对称作战的时候非常有效,是未来一个重点发展方向。

"翔龙"高空高速长航时无人机使用的发动机还不算理想,导致其载荷能力较低且留空时间较短,只有10小时,和"全球鹰"接近20小时不能相比。未来换装先进低油耗并且通过特别优化以适应高空工作的WS-15涡轮风扇发动机, "翔龙"的留空时间将有可能提高到20~24小时,有效载荷也将达到900公斤以上。同时,该机可在较低的高度采用慢速飞行来提高对某一特定目标的监视和细节辨认能力。不远的将来,"翔龙"将会成为中国的"全球鹰"和"掠食者"的集大成者,在中国军事力量从数量化到质量化转型的高科技建军重要转变中,担任非常独特而重要的一环。

发动机动力

"翔龙"无人机采用一台老式无加力涡喷-7发动机作为主动力,这体现了这种无人机和"全球鹰"一类无人机的重大区别。涡喷-7发动机是我国早期歼-7系列战斗机的发动机,最大推力可达4200公斤,重达1 吨。以"翔龙"的高空升阻比来说,似乎并不需要如此推力强劲的发动机——"翔龙"最大起飞重量不过7500公斤,而发动机推力达到4200公斤,推重比达到0.56,一般只有载人的战术飞机才有如此高的推重比,重达14吨的"全球鹰"也不过使用一台3450公斤推力级别的发动机而已。造成这样的现象原因有很多,首先中国航空发动机产业水平低、产品线小,在3000~4000公斤推力级别中缺乏可用的产品。中国的小推力涡扇只有推力为1700公斤的WS- 11,配装该发动机的K-8教练机起飞重量才4300公斤,还有推力更小、用于巡航导弹类的WS-500。在2000公斤以上推力级别一直到10000公斤之间中国没有一种涡扇发动机,只有数种60年代初从苏联引进仿制的涡喷发动机,特别是在2000~4000公斤这一个级别,只能利用涡喷-7发动机降级使用。涡喷-7发动机空气流量接近 60公斤/秒,耗油率高达0.98克·牛/秒,接近"全球鹰"发动机油耗的2倍。另外,由于发动机推力过大,在高空巡航时燃烧效率并不在发动机的最佳工作区,油耗差别更大。高油耗严重影响了飞机的留空时间,不过在最初试验阶段,使用这种发动机作为权宜之计也是可行的。

"翔龙"无人机的动力组按照模块化设计,可以在未来换装更先进的WS-15涡扇发动机。当然,如果可以,最理想的发动机还是国产ARJ-21支线运输机的发动机——美国通用公司的 CF-34-10A。改型发动机可以提供4185公斤推力,重量仅有760公斤,最关键的是油耗仅有0.35克·牛/秒。CF-34是长寿命民用发动机,可靠性非常高。无人机寿命不能和客机比,"翔龙"的机体寿命大约只有2500小时,而客机一般都在数万小时以上,直接使用CF-34发动机显然很奢侈。不过,如果能使用这种发动机的降级低寿命廉价版本,也非常理想。

采用大推力发动机让"翔龙"和美国"全球鹰"和"捕食者"无人机区分开来。"全球鹰"的推重比很低,从地面起飞到爬升到19000米的工作高度需要 80分钟以上,而"捕食者"爬升到8000米高度就需要60分钟。这两种飞机大多数时候都只能在单一高度巡航飞行,特别是"全球鹰"一旦执行高度降低到 9000米的抵近观察任务后,要恢复到19000米的工作高度需要一个小时以上,一定程度上影响了该机的使用。"翔龙"无人机具有高速和高推重比的特点,执行与"全球鹰"同样的降低高度到恢复高度的侦察任务所需要时间仅有后者的1/4。因此,"翔龙"可以象"全球鹰"那样运作,获得"捕食者"那样的辨识和跟踪精度,是一种兼顾两者所长的无人机系统。这样的设计主要考虑到中国使用无人机的条件和美国的区别——高空巡航的侦察能力是主要的,必要的时候可以快速下降高度执行战术侦察和近距离辨识跟踪的任务。

中国的周边环境比美国恶劣,邻国大多都部署有"萨姆"-2和"爱国者"一类的高空防御系统,选择10000米高度执行任务的生存力相当低。 18000~20000米则不同,这个高度大多数防空导弹都很难对付机动目标,F-16这一类战斗机的升限大多只有15000米,好一点的F-15战斗机也只有18000米左右。"翔龙"这类无人机具有20000米以上的飞行能力,拦截并不像想象那样容易。这和我们在60年代对抗美国U-2侦察机的情形是一样的,唯一不一样的是无人机系统价格便宜多了,可以投入更多的数量,并不会因为被击落等条件而中断使用。

无人高空侦察机的需求与发展

根据在战争中对侦察情报信息的需求,美国开始发展高空长航时无人侦察机。因为不需要飞行员驾驶,飞机可以不考虑复杂的操纵系统和高空维生系统,可以做得很轻,体形可以做得更修长、阻力更低,能够飞得更高。最初,该计划带有很大的试验性质,由美国先进技术发展局(DARPA)负责。他们规划了三种不同等级的无人机设计指标,方案被称为"蒂尔"I/II/III,其中因为试验的大获成功,"蒂尔"II由空军接手后发展成为大名鼎鼎的"全球鹰"。

无人机的兴起是从1979前后开始的,以色列以战术侦察、诱饵等目的发展了一系列轻型无人机,最初主要用于地面火炮部队的侦察和校正,随后在入侵黎巴嫩以及贝卡谷地战斗中大放异彩,受到世界各国追捧,连美国都采购了其生产的"先锋"无人机,用于陆军火炮侦察和海军炮位校正等。不过,美国很快把注意力放在能力更强更大的高空无人机上。与之前使用的无人机不同,美国发展的高空无人机体积和重量都非常大,有着较高的载荷能力。大载荷允许这些无人机使用一些更复杂和更先进的设备,比如移动卫星通讯设备、红外成像监视设备、高清晰度电视监视设别、数字式高分辨率侦察照片、合成孔径雷达的地形地貌侦察以及用于监视地面机动目标的逆合成孔径雷达等。

和传统的U-2/TR-1高空侦察机不同,高空无人机的能力不仅是多频谱、多波段的,而且都是数字化,能够提供实时视频和图片,当有云层遮掩或者清晰度不足的时候,还允许飞机降低飞行高度增加辨识能力。一架高空长航时无人侦察机可以提供的目标信息,需要数十架"先锋"这一类低空侦察机才能达到同样功效,并且简单的低空侦察无人机携带设备种类单一,要实现多频谱侦察,需要出动更多的飞机才行。其实,最主要的理由还不是高效能的问题,战术无人机的大规模应用受到通讯技术的限制,传统数字化远程无线电台的传输速度对于简单的文字语音是完全可以的,如果用来传输高分辨率数字照片和实时动态视频就比较困难了,特别是当空域中有多架飞机使用时,频道和频率占用的问题相当严重,如果出现电子干扰,这种通讯的保障就更加困难。大型无人机既可以使用短波数字无线电台,也可以使用移动式数字卫星通讯装置。移动卫星通讯装置可以和太空中的通讯卫星通过定向通讯进行高速数据传输,不管是保密性抗干扰性还是传输速度都数十倍于传统的无线通讯。不过,目前的点对点卫星通讯频道还是比较有限的,并不能普及到每一架无人机上去。大型高效能无人机可以大大减少使用空域的无人机数量,进而减少通讯频道的占用压力。象"全球鹰"那样的无人机,数千平方公里的大战区里最多同时会有5~8架,卫星通讯频道占用程度在许可范围,远程短波通信频道占用程度也能接受。

 

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