无人直升机的发展方向和技术难点

聂顺鹏、姬乐强、芦志明

中国直升机设计研究所

现代战争正朝着科技化、智能化和信息化方向高速发展，无人直升机作为重要的武器装备，正成为各国的研究热点。本文以国内外无人直升机的发展现状为切入点，结合无人直升机的分类和作用等因素，对无人直升机的未来发展方向和技术难点展开了深入剖析。

无人直升机具备直升机所有的飞行和应用功能，因其无人化的优势、具备零伤亡的特点以及可在复杂恶劣环境下使用的功能，无人直升机在军事和民用领域得到广泛的应用。在军事领域，无人直升机可以遂行通信中继、核辐射侦察、目标打击和侦察警戒等任务，在民用领域，无人直升机可以遂行电网巡线、图像拍摄和地理探测等任务。

按照无人机飞行方式分类，无人机可分为固定翼无人机、旋翼无人直升机和扑翼无人机等。当前运用于作战的主要是固定翼无人机和旋翼无人直升机。与固定翼无人机相比，无人直升机在气动力学、动力学和传热学等技术问题上更复杂。无人直升机具备垂直起降和定点悬停两大技术优势。在作战中，垂直起降的特点可使飞机受场地影响较小，不需要修建机场，即可在狭窄的山地、岛屿和舰船上进行快速部署，具有良好的超低空和贴地飞行能力，增加了对其探测和跟踪的难度。而定点悬停是无人直升机与固定翼无人机相比最大的技术优势，无人直升机依靠旋翼旋转产生升力，可在空中悬停，再搜索确认目标，可以提高目标的发现概率，且可以利用其可快、可慢、可空中悬停的优势和不易被敌方发现与攻击的特点，对热点地区进行全天候360°侦察、监视，也可担负对地攻击、空中格斗、拦截导弹、自杀性攻击，还可以充当瞄准平台，在空中与战斗机进行实时数据传递，对敌人实施精准打击。

国内外发展现状

国外无人直升机的研制始于20世纪50年代。起初，国外研发的无人直升机主要以轻小型为主，代表的产品有美国基罗达因公司（Gyrodyne）的QH-50舰载无人直升机、加拿大庞巴迪公司的CL-227“哨兵”无人直升机和日本雅马哈公司的RX-50“小精灵”无人直升机。此后，由于许多技术难点未能突破，无人直升机的发展较为缓慢，直到20世纪80年代，随着控制技术、信息技术及传感器技术的迅速发展，无人直升机也跃入了一个新的阶段，各种多功能、智能化、高可靠性的无人直升机相继出现。比较典型的有美国诺斯罗普-格鲁门公司研发的侦察打击型RQ-8A/MQ-8B/MQ-8C“火力侦察兵”、美国卡曼公司研发的战场运输型K-MAX无人直升机、美国波音公司研发的攻击型A160“蜂鸟”无人直升机、美国贝尔公司研发的“鹰眼”（Eagle Eye）倾转旋翼无人直升机、奥地利西贝尔公司研发的S-100舰载无人直升机、瑞典萨伯公司研发的V-200无人直升机及意大利莱昂纳多公司研发的SW-4无人直升机等。

QH-50 无人直升机

MQ-8B无人直升机

S-100“坎姆考普特”无人直升机

国内无人直升机的发展起步于20世纪80年代，主要是院校和民企开展相关研究，但投入的资源十分有限，研制的产品基本是最大起飞重量为500kg以下的小型无人直升机。直到20世纪90年代，南京航空航天大学开始研制“翔鸟”无人直升机，北京航空航天大学开始研制BZK010共轴双旋翼无人直升机，并于2004年实现自主飞行。进入21世纪，国内无人直升机的发展形势有所好转，一些专业研究机构、国企和民企纷纷加入研发行列，研发了多款无人直升机，产品性能得以明显提高，任务能力覆盖了海事监管、森林防火、安保消防及照明喊话等领域。中国直升机设计研究所研发了AR-500系列无人直升机，产品在国际军贸领域、国内军民领域得到了比较广泛的运用，任务覆盖了侦察监视、通信中继、察打一体、巡查巡视、森林防火、海事监管、辐射侦察等领域，形成了一定市场规模。南京模拟技术研究所研发了Z5系列无人直升机，产品在军民领域得到了广泛运用，形成了一定市场规模；北京中航智公司研发了TD系列无人直升机，产品实现了市场销售，也形成了一定市场规模；珠海隆华直升机科技有限公司研发了XV系列无人直升机，目前在民用领域已经得到应用；北京通航江西直升机有限公司研制了“小青龙”系列无人直升机等。

发展方向

良好的隐身性及多功能一体化

未来无人直升机将广泛使用复合材料、雷达吸波材料和红外隐身涂料，并将采用独特的发动机装置与雷达横截面设计，可有效减少红外线信号，躲避雷达监视，甚至可令敌方导弹“误入歧途”。由于作战任务的多样性和战场环境的复杂性，未来无人直升机上将安装稳定的电视自动摄像机、红外照相机和电子对抗等任务设备，以便于在发现目标的第一时间迅速反应并直接精确打击，这样将大大缩短反应时间，提高战斗力，同时实现战场“零伤亡”。

平台通用化

纵观各个国家武器装备行业的发展趋势，平台通用化是各国发展的大方向。无人直升机作为一款战斗中不可或缺的武器装备，其通用化的发展也是我们关注的发展焦点。平台通用化主要包含“一机多型、一机多用”及全军通用化两方面。“一机多型，一机多用”指的是在一个无人直升机平台上，可发展侦察型、中继型、武装型、运输型等各种类型。目前国内外无人直升机在研制时都具有较为鲜明的军兵种特色，全军通用化指的是未来无人直升机装备在设计之初应站在全军的使用角度考虑，考虑“陆、海、空、天”部队的作战使用需求。

“翔鸟”无人直升机

BZK01无人直升机

AR-500系列无人直升机

Z5系列无人直升机

TD220 无人直升机

“小青龙”系列无人直升机

大载重、长航时

随着飞行控制技术、测控技术等平台控制技术的发展，无人直升机平台的性能将得到大幅提升，执行任务的能力越来越强，无人直升机作战半径、任务时间的指标需求也在不断增加，对大型无人直升机的需求也越来越迫切。未来无人直升机空中续航时间将不小于10小时，且考虑到无人直升机需携带大量任务设备，因而无人直升机需具备大载重的平台性能。鉴于国内外缺乏大载重、长航时无人直升机的设计经验，我们可充分借鉴现有有人直升机的平台进行改进改型设计，加快大型无人直升机的研制。

高智能化

目前无人直升机的主要缺点是缺少应对突发性事件的能力，只能执行预定的任务方案，智能化程度相对较低，战场灵活度与有人直升机相差较大。基于无人的特点，智能化将在未来无人直升机产业中有更广泛的应用。可以预见的是，智能化飞行控制、智能化航电系统、智能化机电系统、智能化任务控制系统等智能化系统将在未来无人直升机上大量普及，极大地减少地面操作人员的工作量，使地面人员从繁重的飞行操纵及任务操纵中解放出来，更多地投入到指挥决策中，从而提高作战效能。

5G通信的结合

无人机控制系统对信号传输时延有极为严格的要求，为保证无人机的操作准确性，需要通过对控制系统的运用，保证无人机操作实时控制响应效果。运用5G通信技术可实现对数据传输时延问题的有效控制，有效提高单个用户空口数据传输带宽，为无人机应用与数据信息采集提供可靠的技术保障。

技术难点

飞行控制技术无人直升机作为受控对象，具有多变量、非线性、强耦合性、时变性等特点，是一种稳定性差、不易操纵和难以控制的飞行器。目前飞行控制技术是制约无人直升机发展的一大因素，也是决定无人直升机飞行品质的一项关键技术。当前无人直升机的飞行控制技术还不够成熟，各国研发的无人直升机大多实现了自动飞行，但在不同环境和风速条件下，自动控制功能的可靠性和精度、自动起飞、自动着陆着舰等功能还在研究和仿真试验阶段中，且缺乏应付突发性事件的能力，系统只能执行预定的作战任务。

在飞行控制技术成熟后，无人直升机将集自主飞行、自动飞行和人工实时遥控飞行于一身，并可通过指令切换飞行方式，从而既可适应不同场合又可执行不同任务，在紧急情况下还可以利用飞行控制技术提高生存力。

自主检测及避障技术随着人工智能时代的到来，无人机技术应加强自主检测及避障技术方面的研究，这样能够及时避开飞行路径中的障碍物，极大地降低因为操作失误带来的损失，减少撞机事故次数，而这项技术的关键在于自主检测、环境感知、路径规划三方面。其主要的原理为：先通过无人机本体上所具备的传感器对障碍物进行自主检测，再通过传感器对障碍物进行实时距离监控并回传，最后根据实时的数据通过系统选择合适的算法进行路径规划进而完成飞行。目前，实现无人机自主检测与避障技术的方式比较单一，但是随着技术的不断发展，自主检测系统也将不断完善。

遥测遥控技术在作战时，无人直升机和地面控制站之间必须有稳定、可靠、高速的数据传输通道，地面人员对飞机的各种监视测量和操纵控制都依赖于提供数据通道的遥测遥控技术。由于无人直升机使用环境的特殊性，要求遥测遥控技术具有以下特点：遥测数据具有高可靠性和高实时性，系统对异常情况能够快速有效的提示和反应；高机动飞行的情况下确保通信链路稳定可靠，为保证数据的正确稳定，系统应具有低误码率；由于重量限制，要求机载设备尽量降低复杂度，做到简单可靠；遥测数据具有良好的可视化方法，地面设备要求简洁、高效，以符合车载移动地面站安装和使用。

数据链抗干扰技术目前无人机面临的抗干扰挑战主要有信息远距离传输带来的路径损耗、传播途径中的障碍物造成的衰落、无人机的高速运动带来的多普勒频移、复杂的频谱环境带来的干扰和阻塞。为提高无人机通信可靠性和有效性，今后需研究的重点方面有：低功耗MIMO系统的集成；以扩频和跳频技术为代表的抗干扰技术的研究和使用；有限频谱资源限制下，高吞吐量、高可靠性的物理层和MAC层协议和策略；无人机数据链系统和卫星通信系统以及其他无线通信系统的整合。

动力系统的合理匹配 动力系统是发动机的“心脏”，而为不同种类的无人直升机搭配相应的“心脏”对其作战用途而言意义重大。当前阶段，无人直升机的动力装置主要采用了电动机、活塞发动机和涡轴发动机三种。其中电池驱动的电动机主要匹配续航时间短、起飞重量轻的多旋翼无人直升机；活塞发动机主要匹配低空低速、起飞质量小于1000kg的中小型无人直升机；涡轴发动机主要匹配高空长航时、起飞质量大于1000kg的大型无人直升机。

总的来说，无人直升机作为信息技术时代的产物，凭借自身结构紧凑、转场灵活、垂直起降等特点，广泛应用于军事、民用以及各类农林业生产，而从其实际发展现状来看，无人直升机面临着技术和应用的双重压力，需不断打破传统技术形式，积极引进现代化信息技术，推动无人直升机在技术方面实现跨越式发展。 ■