[組圖]美國突破無人機自主空中加油技術(shù)
4月22日，X-47B驗證機從帕克圖辛河海軍航空站起飛，在切薩皮克灣上空與一架K-707加油機會合，成功地完成了自主空中加油（AAR），開創(chuàng)了無人駕駛飛機自主實現(xiàn)空中加油的新紀元。此舉顯示，美國國防部經(jīng)過十多年的探索、研究和試驗，已經(jīng)完全掌握了大幅延長無人機續(xù)航時間的關(guān)鍵技術(shù)，并正在影響到美國海軍的作戰(zhàn)理念，將改變未來偵察監(jiān)視與遠程打擊的作戰(zhàn)模式。
自主編隊飛行
AAR技術(shù)的研究與發(fā)展得益于2000年啟動的自主編隊飛行（AFF）計劃。NASA希望這項計劃能借助于仿生原理，通過模擬鳥類的V字形編隊飛行，充分利用前方飛機機翼的翼尖渦，為后面緊隨的飛機提供一股上洗氣流，可以有效地產(chǎn)生升力，減小了飛行阻力，從而達到節(jié)省油耗和減少排放物的目的。2000～2001年間，AFF計劃通過飛行試驗取得了理想的減阻效果，可以節(jié)省燃油14％。
在AAF計劃實施過程中，波音公司扮演了至關(guān)重要的角色。該公司與加州大學(xué)洛杉磯分校共同研制了編隊飛行測量系統(tǒng)（FFIS），利用全球定位系統(tǒng)（GPS）加上機載運動測試設(shè)備，將兩架飛機之間的相對位置精度保持在30厘米以內(nèi)。同時，波音公司還與德萊頓飛行研究中心合作，為兩架F/A-18試驗機加裝了編隊飛行控制系統(tǒng)（FFCS）。
更為重要的是，波音公司為AFF計劃開發(fā)了機載無線局域網(wǎng)技術(shù)，可以使有人駕駛飛機和無人駕駛飛機同時登陸機載網(wǎng)絡(luò)，共享極其精確的位置信息和飛行控制數(shù)據(jù)。這項技術(shù)利用差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）的數(shù)據(jù)，可以獲得精度達到厘米級的定位信息。而且，這種機載無線局域網(wǎng)就還可以使加油機的機組人員精確控制UAV進行加油，從而極大地增強安全性。
其后，NASA意識到這項技術(shù)在未來的無人機AAR方面具有潛在的應(yīng)用前景。初步研究表明，未來具備隱身能力的遠程無人偵察與攻擊平臺只有通過空中加油才能達到最大航程的要求，但是考慮到衛(wèi)星鏈路存在時間滯后的問題，空中加油不能僅僅依賴地面控制人員的指令，必須實現(xiàn)自主化，即完全根據(jù)傳感器的輸入而排除人工干預(yù)的程序化操縱。近年來，相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的快速發(fā)展使AAR成為可能。
2002年，美國國防部預(yù)先研究計劃局（DARPA）針對發(fā)展UCAS持久作戰(zhàn)能力的需要，考慮將AAR技術(shù)的后續(xù)研究正式列為“聯(lián)合無人作戰(zhàn)航空系統(tǒng)”（J-UCAS）計劃的一個子項目。盡管J-UCAS計劃半途中止，但美國海軍在投資發(fā)展“無人作戰(zhàn)航空系統(tǒng)驗證”（UCAS-D）計劃時依然將AAR列為必不可少的試飛科目，旨在借助X-47B驗證機飛行測試證明AAR技術(shù)的可行性。
精確對接技術(shù)
與現(xiàn)役戰(zhàn)斗機相比，無人機實現(xiàn)AAR無疑面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。2005年，DARPA牽頭發(fā)起了“自主空中加油驗證”（AARD）項目，旨在通過飛行測試研究受油機和加油探管在氣流中的運動規(guī)律，為UCAS-D計劃發(fā)展出可以在作戰(zhàn)條件下自主完成空中加油的各項關(guān)鍵技術(shù)。其中，至關(guān)重要的是實現(xiàn)對接的技術(shù)。
從空中加油方式來看，美國空軍使用的伸縮套管式硬管空中加油比較容易實現(xiàn)自主對接，而美國海軍使用的探管－錐套式軟管空中加油相對難度較大。為此，DARPA決定直接驗證無人機采用探管－錐套式加油技術(shù)如何能夠精確地保持空間相對位置，在對接時達到厘米級精度。
AARD項目利用了歐米伽空中加油服務(wù)公司的K-707加油機和NASA的一架F/A-18試驗機，均加裝了GPS接收機、慣性測量裝置和低寬帶數(shù)據(jù)鏈。為了能使受油機的加油探管準確地插入到加油機后拖曳的錐套中，NASA專門為F/A-18試驗機加裝了一套VisNav傳感器系統(tǒng)，主要由半導(dǎo)體位置探測器（PSD）、信號處理器和LED指示燈組成，有效地提高了AAR系統(tǒng)的性能。PSD將探測到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并依據(jù)電流的強弱獲得光投影坐標，采用三角法測量原理，再通過信號處理來測量加油探管與錐套間的距離。
然而，AARD項目的試驗過程并非一帆風(fēng)順。在為期15個月的概念驗證階段，加油探管在前6次試飛中僅有2次進入到錐套范圍內(nèi)，直到在第7次試飛中才首次實現(xiàn)了自主空中加油。2006年8月30日，F/A-18試驗機在進入自動操縱狀態(tài)后，按照預(yù)先設(shè)計的程序與加油機組成編隊，并控制加油探管準確無誤地插入到錐套內(nèi)，實現(xiàn)了自主空中對接。
此后，飛行試驗進展順利，在十幾次試飛中先后測試了轉(zhuǎn)彎過程中探管與錐套對接，并且還完成了在更遠距離、更大高度差和更大偏航角度情況下接近加油機的試驗。試飛結(jié)果表明，AAR系統(tǒng)已經(jīng)驗證了在加油機后方3.7千米、下方約300米和偏離航向30°的情況下成功實現(xiàn)對接的能力。
更為重要的是，AARD項目充分表明了無人機完全可以首先借助GPS飛行到指定的航路點，然后切換到一個全自主的空中加油模式，從而在作戰(zhàn)條件下自主地完成空中加油。
伙伴加油計劃
基于AARD計劃所取得的成果，DARPA認為無人機在AAR技術(shù)方面已不存在問題，只需進一步優(yōu)化相關(guān)技術(shù)，通過型號試飛加以驗證。此時，DARPA針對UCAS-D計劃的預(yù)期目標，開始關(guān)注無人機的伙伴加油能力，作為AARD計劃的后續(xù)研究。當時，DARPA所面臨的一個棘手問題是如何補償無人機在會合期間衛(wèi)星控制鏈路出現(xiàn)的3.5秒延遲。
2007年，美國空軍研究實驗室（AFRL）發(fā)起了一項“超長續(xù)航”（Ultra Long Endurance）研究計劃，旨在評估用可擔(dān)負得起的固定翼無人機替代監(jiān)視飛艇的可行性，除了“全球觀察者”和“獵戶座”等無人機方案外，同時還探索能夠突破“全球鷹”的續(xù)航時間限制的相關(guān)技術(shù)。
針對美國海軍和空軍的共同需求，DARPA在2010年7月1日授予諾格公司一項價值3300萬美元的KQ-X計劃，用于驗證一架“全球鷹”無人機通過伙伴加油技術(shù)，自主完成空中加油。這項計劃旨在驗證兩架無人機之間實現(xiàn)空中加油的技術(shù)可行性，使其飛行時間延長到一周以上。
如果試驗獲得成功，“全球鷹”可以配備更重的傳感器載荷，在攜帶較少燃料的情況下起飛，隨后在空中進行空中加油，以便在空中持續(xù)飛行更長時間。此外，同一型號無人機具備伙伴加油能力也意味著，無人機完全可以自行編隊執(zhí)行任務(wù)，這對探索未來無人戰(zhàn)機自主作戰(zhàn)，甚至組成轟炸編隊的可行性同樣具有開創(chuàng)性意義。
從技術(shù)驗證角度來看，KQ-X計劃專注于無人機系統(tǒng)、感知和氣動等方面的挑戰(zhàn)，其難度遠遠高于AARD計劃。根據(jù)合同，諾格公司對兩架“全球鷹”實施了相應(yīng)改裝，其中，一架無人機充當加油機，在腹部加裝了軟管-錐套加油系統(tǒng)，輸油管長4.3米，另一架無人機充當受油機，在機頭前部加裝了一根探管式受油管。兩架“全球鷹”將利用GPS和光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)探管與錐套的對接，并將燃油從加油機的機身油箱輸送到受油機的機身油箱中。
2011年1月21日，諾格公司利用一架“海神”試驗機在同溫層高度與一架“全球鷹”無人機進行了會合，前后相距只有12.2米，評估了“全球鷹”尾部產(chǎn)生的湍流對受油機的潛在影響。2012年8月，兩架經(jīng)過改裝的“全球鷹”完成了空中加油編隊飛行。遺憾的是，DARPA在9月30日決定不再繼續(xù)推進“全球鷹”伙伴加油的試飛工作，終止了KQ-X計劃。
自主空中加油
作為UCAS-D計劃的一個重要部分，美國海軍和諾格公司原計劃從2012年底開始準備AAR技術(shù)的相關(guān)測試工作，但是直到2014年6月，諾格公司才收到美國海軍授予的一項6300萬美元的附加合同，著手開展探管-錐套式空中加油的驗證工作。
4月22日，X-47B驗證機在試驗過程中，首先借助于自主飛行控制系統(tǒng)和組合GPS飛行到會合空域，在1600米外開始跟蹤K-707加油機，并逐漸接近到加油機一側(cè)相距6米的位置，保持編隊飛行方式。接下來，X-47B驗證機由“GPS引導(dǎo)”過渡到“光學(xué)引導(dǎo)”。
該機先利用傳感器觀察加油機的機翼一側(cè)標志點，再通過機動飛行調(diào)整到加油機后方，然后利用一種新型光學(xué)傳感器和攝像機組成的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)“鎖定”加油機，再通過不斷調(diào)整逐步建立和維持精確的對接距離。最后，X-47B驗證機自主地控制右側(cè)機翼上受油管與加油錐套對接。接著，K-707加油機在近7分鐘時間內(nèi)向其輸送了1810千克的燃料。在完成空中加油后，X-47B驗證機自動地控制探管脫離錐套，機動地離開加油機，然后返回基地。
作為成功對接的關(guān)鍵技術(shù)，X-47B驗證機使用的新型光學(xué)傳感器是經(jīng)過升級的VisNav傳感器系統(tǒng)。從設(shè)計功能來看，這種光學(xué)跟蹤系統(tǒng)采用了紅外焦平面探測器，通過控制X-47B驗證機逐漸跟上錐套移動的節(jié)奏，讓探管與錐套保持同步移動，從而有效地避免了戰(zhàn)斗機在對接過程中存在著探管向上撞擊到錐套、從軟管上扯掉錐套或者探管損壞的缺點。
此次測試表明，美國海軍已經(jīng)完全掌握了AAR技術(shù)，可以有效地增加無人機的作戰(zhàn)范圍，對未來發(fā)展長續(xù)航能力的無人機至關(guān)重要。對此，美國海軍負責(zé)UCAS-D計劃的杜拉特上校表示，此次AAR試驗的成功有助于“形成未來的無人機通過空中加油執(zhí)行標準作戰(zhàn)任務(wù)的概念，并且可以與艦載機聯(lián)隊的有人駕駛作戰(zhàn)飛機無縫地實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)”。
作為一個承前啟后的關(guān)鍵角色，X-47B驗證機在AAR測試中的出色表現(xiàn)必將對“艦載無人空中監(jiān)視與打擊系統(tǒng)”（UCLASS）計劃的任務(wù)需求和投標方案產(chǎn)生重要影響。
粵公網(wǎng)安備 44049002000685號