□文/王養(yǎng)柱

無人飛行系統(tǒng)及其發(fā)展意義

□文/王養(yǎng)柱

無人飛行系統(tǒng)由無人機(jī)、無人浮空器、跨介質(zhì)無人飛行器等各類飛行平臺、任務(wù)設(shè)備、信息傳輸設(shè)備及地面配套設(shè)備組成，可以自主感知、自主決策、相互協(xié)同執(zhí)行任務(wù)，具有“平臺無人、系統(tǒng)有人”的屬性和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、自主程度高、非接觸、零傷亡、可長時(shí)間工作的特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景，是世界各國高度重視的新技術(shù)、新方向。

國內(nèi)外最新技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢

無人飛行系統(tǒng)是一個(gè)涉及空氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、能源動(dòng)力、自動(dòng)控制、通信技術(shù)、空中交通管理等多個(gè)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，由多個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)。綜合歷史與發(fā)展趨勢，智能無人飛行系統(tǒng)技術(shù)包含以下三個(gè)研究方向：先進(jìn)平臺設(shè)計(jì)技術(shù)、智能自主控制技術(shù)、空中交通管理技術(shù)。

現(xiàn)代無人飛行平臺包含各類無人機(jī)、浮空器和跨介質(zhì)飛行器，其總體方案設(shè)計(jì)主要瞄準(zhǔn)重大和迫切的戰(zhàn)略需求，重點(diǎn)是對不同應(yīng)用層面的無人平臺進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。智能化是先進(jìn)平臺技術(shù)的一個(gè)發(fā)展趨勢，而平臺智能化的基礎(chǔ)是系統(tǒng)性、綜合性的總體設(shè)計(jì)技術(shù)，以及多學(xué)科交叉融合設(shè)計(jì)。國外在系統(tǒng)性、綜合性的多學(xué)科無人飛行平臺設(shè)計(jì)方面，已經(jīng)獲得了顯著成果，發(fā)展了具有一定規(guī)模、包含不同門類和功能的平臺體系。這些先進(jìn)的平臺方案代表了當(dāng)前無人飛行平臺多學(xué)科總體設(shè)計(jì)的最新技術(shù)水平和進(jìn)展。

高空長航時(shí)無人飛行系統(tǒng)是當(dāng)前國際上發(fā)展出的一類重要的飛行器系統(tǒng)，具有重要的軍事意義。

這類無人飛行系統(tǒng)最新成果的典型代表是美國的“全球觀測者”無人機(jī)，飛行高度可達(dá)20000米，采用液氫燃料，飛行時(shí)間長達(dá)7~8天。目前已進(jìn)行了原理樣機(jī)的飛行試驗(yàn)。

美國的另一類型的超長航時(shí)無人機(jī)代表為“太陽神”（如圖1左圖所示），采用太陽能電池為驅(qū)動(dòng)能源，可在較低的高度上飛行達(dá)6個(gè)月之久。

英國的“西風(fēng)”長航時(shí)無人機(jī)（如圖1右圖所示），采用太陽能電池為驅(qū)動(dòng)能源，可在30000米高空連續(xù)飛行3個(gè)月，已達(dá)到在17800米高空連續(xù)54小時(shí)的飛行試驗(yàn)記錄。

從高空超長航時(shí)無人平臺的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，結(jié)構(gòu)的大變形、大柔性是此類無人飛行平臺的主要特征，氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)的耦合效應(yīng)顯著，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮多學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)和耦合設(shè)計(jì)。

圖1：超長航時(shí)太陽能無人飛行系統(tǒng)

圖2：美國DARPA支持的新概念浮空器

隨著使用空域的拓展，臨近空間高度逐漸被人們所認(rèn)知，新時(shí)期無人飛行系統(tǒng)的發(fā)展則向高度發(fā)起挑戰(zhàn)。臨空無人飛行系統(tǒng)因其在軍事應(yīng)用方面的巨大潛力，日益成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。臨近空間浮空器可作為實(shí)施軍事應(yīng)用的飛行平臺，在定點(diǎn)持久監(jiān)視與偵察方面優(yōu)勢顯著，國外眾多項(xiàng)目對其進(jìn)行立項(xiàng)研究。

美國DARPA為滿足其空軍在全球情報(bào)、監(jiān)視與偵察等方面的長遠(yuǎn)需求，以及巡航導(dǎo)彈防御的需要，使美國空軍具有“全球警戒、到達(dá)和力量”的能力，2004年發(fā)起并投資了臨近空間新概念浮空器預(yù)研項(xiàng)目（如圖2所示）。此外，日本、英國、德國、以色列、俄羅斯等國也都提出了臨近空間浮空器計(jì)劃，均旨在發(fā)展具備超長航時(shí)、定點(diǎn)駐留、大載荷能力的臨近空間浮空器。

近期，科技部積極開展論證，提出了臨空組合飛行器的創(chuàng)新構(gòu)想，在臨空浮空器平臺基礎(chǔ)上結(jié)合高空無人飛行器組合概念，將兩種不同類型的無人飛行平臺組合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，在業(yè)內(nèi)開展了熱烈討論。臨空組合飛行平臺是體現(xiàn)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)性、綜合性的平臺概念，是我國無人飛行平臺有望實(shí)現(xiàn)跨代超越的一個(gè)突破點(diǎn)。

此外，面向海洋和河流湖泊等水面應(yīng)用，可垂直起降的艦載無人飛行系統(tǒng)在本世紀(jì)得到快速發(fā)展，成為可軍民兩用的新興熱點(diǎn)方向。例如，2008年美國陸軍提出了“聯(lián)合通用重型直升機(jī)”項(xiàng)目，波音公司、西科斯基公司、貝爾公司、洛克希德馬丁公司等都提出了各自的方案；又如，DARPA設(shè)立了13億美元的垂直起降無人飛行器的X-Plane計(jì)劃，試圖激發(fā)出具有重大創(chuàng)新意義的垂直起降無人飛行器。

這些新概念垂直起降無人飛行系統(tǒng)（如圖3所示）代表了此類無人飛行平臺的最新技術(shù)能力。垂直起降無人飛行平臺設(shè)計(jì)帶有多學(xué)科綜合的特征，比如，空中飛行模式轉(zhuǎn)變是一個(gè)涉及氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制切換的復(fù)雜過程，必須在相關(guān)學(xué)科之間進(jìn)行聯(lián)合的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真。因此，這類無人飛行平臺設(shè)計(jì)是一項(xiàng)多學(xué)科綜合的設(shè)計(jì)技術(shù)。

縱觀以上先進(jìn)無人飛行平臺設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)性、綜合性是其總體設(shè)計(jì)的突出特點(diǎn)，也是平臺設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能化的一個(gè)重要基礎(chǔ)。未來，智能無人飛行平臺必然是一個(gè)涉及多學(xué)科的復(fù)雜平臺，需要多學(xué)科綜合的設(shè)計(jì)理念和方法。多學(xué)科總體綜合設(shè)計(jì)作為一種系統(tǒng)級的科學(xué)思想，以數(shù)學(xué)方法為手段，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為工具，是面向工程的方法論，可以有效地處理先進(jìn)智能無人飛行平臺的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)問題，是無人飛行平臺總體設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。

為什么一定要發(fā)展無人飛行系統(tǒng)技術(shù)？

推動(dòng)國家安全戰(zhàn)略落實(shí)

隨著信息技術(shù)和裝備技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭的概念和形態(tài)已逐步轉(zhuǎn)向信息化條件下的聯(lián)合作戰(zhàn)，轉(zhuǎn)向天、臨、空、陸、海、潛深度融合的一體化作戰(zhàn)，轉(zhuǎn)向基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)等?，F(xiàn)代無人系統(tǒng)研究和裝備研制的目標(biāo)已經(jīng)不僅僅是提高單一平臺自身的性能，而是作為整個(gè)武器裝備體系中的一個(gè)系統(tǒng)充分發(fā)揮整個(gè)體系的效能，形成戰(zhàn)略上、系統(tǒng)級的優(yōu)勢。尤其是無人飛行系統(tǒng)，在科索沃戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭等近代戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要作用，受到世界高度關(guān)注。無人飛行系統(tǒng)由于擁有很強(qiáng)的自主行為能力，可自主感知與控制，可在動(dòng)態(tài)環(huán)境中獨(dú)立完成復(fù)雜任務(wù)，可與有人系統(tǒng)無縫集成，增強(qiáng)有人參與系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力，甚至改變軍事力量的對比格局，對現(xiàn)代作戰(zhàn)模式和作戰(zhàn)思想帶來深刻變革而受到世界軍事強(qiáng)國的高度重視。

目前，以美國為首的世界軍事強(qiáng)國進(jìn)行的無人飛行系統(tǒng)作戰(zhàn)研究呈現(xiàn)顯著的發(fā)展趨勢——作戰(zhàn)環(huán)境由安全區(qū)域向危險(xiǎn)區(qū)域擴(kuò)展；作戰(zhàn)任務(wù)由執(zhí)行偵察監(jiān)視任務(wù)向執(zhí)行主流作戰(zhàn)任務(wù)發(fā)展；戰(zhàn)場感知由結(jié)構(gòu)化環(huán)境感知向非結(jié)構(gòu)化環(huán)境感知與認(rèn)知方向發(fā)展；平臺控制由遙控、程控向自主控制方式發(fā)展；通信方式由專用信道向共享信道、網(wǎng)絡(luò)化通信方向發(fā)展；平臺和體系結(jié)構(gòu)由專用化、單一化向通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、互操作方向發(fā)展；作戰(zhàn)模式由單平臺作戰(zhàn)向有人/無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)，多無人系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)方向發(fā)展。這些發(fā)展趨勢明顯突出智能化、一體化的特點(diǎn)。

圖3：新概念垂直起降飛行平臺

不能忽視的是，目前我國在無人飛行系統(tǒng)的研究方面尚處于起步晚、投入少、發(fā)展慢、應(yīng)用少的不利局面，在頂層設(shè)計(jì)、技術(shù)突破和系統(tǒng)應(yīng)用方面，來自西方發(fā)達(dá)國家的壓力仍然巨大。在新的時(shí)代背景下，我國提出了新的軍事發(fā)展戰(zhàn)略，未來的作戰(zhàn)模式是體系化聯(lián)合作戰(zhàn)，一體化系統(tǒng)協(xié)同是我國新時(shí)期軍事發(fā)展的需要。以信息化為基礎(chǔ)，以智能化為特點(diǎn)的多維度無人飛行系統(tǒng)更加適用于未來的戰(zhàn)爭模式。因此，迫切需要提升我國在該領(lǐng)域的研究水平，推動(dòng)我國無人飛行系統(tǒng)的軍事裝備研制，滿足國家安全的迫切需求。

促進(jìn)軍民融合和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展

新技術(shù)、新產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，孕育著新的一輪產(chǎn)業(yè)革命，新興產(chǎn)業(yè)正在成為引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要力量，世界主要國家紛紛調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略，大力培育新興產(chǎn)業(yè)，搶占未來經(jīng)濟(jì)科技競爭制高點(diǎn)。從國家層面看，黨的十八大以來，我國全面加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，持續(xù)推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革。促進(jìn)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)的長期平穩(wěn)較快發(fā)展。國家對于無人飛行系統(tǒng)高度重視，社會(huì)各界積極參與，已經(jīng)顯示出良好的發(fā)展勢頭和美好前景，形成了大規(guī)模的研發(fā)生產(chǎn)規(guī)模。低空空域開放及通航新政策加速了無人飛行系統(tǒng)與國民經(jīng)濟(jì)和民生的融合，帶動(dòng)其周邊產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

以無人機(jī)為例，據(jù)美國蒂爾公司預(yù)測：未來十年無人機(jī)仍將繼續(xù)成為世界航空航天工業(yè)領(lǐng)域最具增長活力的市場，支出總額將超過940億美元。同時(shí)在全球軍用航空平臺新交付價(jià)值中，無人機(jī)（不含微型無人機(jī)）所占比重將從2010年的8%提升到2018年的15%，新交付數(shù)量占比將從2010年的35%提升到2018年的49%。

作為新興的具有活力的市場，無人飛行系統(tǒng)及周邊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對于國民經(jīng)濟(jì)起到良好的促進(jìn)作用。應(yīng)對未來超大規(guī)模的使用局面，空中交通管理技術(shù)成為影響無人飛行系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的焦點(diǎn)和瓶頸。

我國依然需要努力

無人飛行系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜、龐大的技術(shù)體系，集飛行器設(shè)計(jì)、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制，通信與信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等學(xué)科于一體，是科技創(chuàng)新的集中體現(xiàn)。目前，世界強(qiáng)國紛紛開始制定戰(zhàn)略規(guī)劃、明確發(fā)展目標(biāo)、加強(qiáng)技術(shù)開發(fā)，根據(jù)本國戰(zhàn)略需求發(fā)展相關(guān)技術(shù)。雖然我國已取得一定的研究成果，但與世界先進(jìn)國家在無人飛行平臺總體設(shè)計(jì)、自主控制水平、空中交通管理、綜合測控技術(shù)等方面，還有一定的差距。因此，發(fā)展無人飛行系統(tǒng)技術(shù)對推動(dòng)我國相關(guān)領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)研究水平，維護(hù)國家權(quán)益和捍衛(wèi)國家安全，服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)科技創(chuàng)新等方面均具有重要意義。

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