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X-47B 未来海战的空中霸主
王剑http://www.workercn.cn2013-09-24
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  据美国媒体9月16日报道,美国海军和诺格公司已经完成了无人机新一阶段的自主空中加油测试,标志着X-47B即将具备自主空中加油能力,并增加了其作战范围、续航能力和机动性。那么,X-47B将达到什么样的作战效果?其未来发展趋势将是怎样?请看科技日报特约专稿——

  X-47B外形与B-2型隐形轰炸机极其相似,被称为缩小版的B-2。尺寸直逼美海军现役的F/A-18E/F超级大黄蜂战斗机,具备超强的空中监视和打击能力。

  两个月前,这款看来似乎“来自未来”的空中利器完成了其研发过程中的一个里程碑——成功在“乔治·布什”号航空母舰上实现拦阻着舰。如今,其自主空中加油也通过了新一阶段测试。这两项技术的突破,意味着X-47B即将实现美海军多年前制定的“航母舰载战斗机攻击群在独立作战、全球快速部署和快速响应的优势”的标准。

  立项背景和研发过程

  1997年,美国海军颁布的《海军作战概念》确认了航母舰载战斗机攻击群在独立作战、全球快速部署和快速响应的优势。在新版《海军航空兵愿景2020》中,再次要求美国海军航母攻击群和远征舰载攻击机群时刻准备好到达战场,能够立即、果断、独立地对态势做出反应。美国海军同时认为,长时间对海岸目标进行监视或及时进行攻击,将飞行员置于危险中并使之进行承受生理极限的飞行是不可取的,因此急需能在航母上起降、具备长航时和隐身能力的低成本无人机,能从距离海岸目标830—900千米的航母上起飞,对目标区域进行长时间监视,必要时执行打击任务。

  在这种背景下, 2000年,美国海军和美国国防预研局(DARPA)联合启动了海军无人作战飞机(UCAV-N)先进技术验证项目,由诺斯罗普·格鲁曼公司承担,2001年试验机被命名为X-47A。

  而早在1999年3月,美国空军和国防预研局联合与波音公司签订了X-45无人作战飞机的演示验证合同,主要验证无人作战飞机的技术可行性。在任务需求上,美国空军希望无人作战飞机可以高效地执行压制敌方防空力量和对地攻击任务。

  2003年,美国防部以节省经费、实现资源共享为目的,成立了由国防部领导的联合UCAV办公室,将空军和海军的无人作战飞机系统项目合并,起动了联合无人作战系统(J-UCAS)项目。由于X-47A已无法满足新的需求,诺斯罗普·格鲁曼公司起动了X-47B的研制。

  2006年,由于美军对其发展战略进行了重大调整,决定2018年前大力发展远程攻击能力,直接导致了空军无人作战飞机的军事需求发生了变化。美国国防部提出在2006财年底终止J-UCAS项目,美海军继续支持诺斯罗普·格鲁曼公司发展X-47B,而美空军则将波音公司的X-45C和诺格公司的X-47C方案纳入其远程攻击系统项目中。

  2011年2月,X-47B在加利福尼亚爱德华兹空军基地成功实现首飞,比当初的计划滞后了两年。2012年6月,X-47B迁至马里兰州帕图森河海军航空站,开始利用该站的航母环境模拟系统,对X-47B进行包括精准进场、阻拦着陆以及弹射起飞等方面的陆基验证与测试,2012年7月,X-47B实现了陆基弹射起飞。2012年11月,美国海军人员将一架X-47B运送到“杜鲁门”号航母上,开始了对该型无人机的首次航母操控测试。2013年4月14日,X-47B在“乔治·布什”号航空母舰上实现首次舰上弹射起飞。2013年4月17日,X-47B开始了触舰复飞测试,共计在“乔治·布什”号航空母舰上完成了9次触舰复飞动作。2013年7月10日,X-47B成功在“乔治·布什”号上实现拦阻着舰,标志着美国海军已经掌握了无人机在航母上起飞、降落的关键技术。

  舰载无人机的重要突破

  X-47B的成功着舰获得了美国军方和媒体的一致称赞,一些美国媒体甚至使用了“创造历史”和“将重新定义海军航空兵”等词语。抛开其自我炫耀的成份,其成功着舰确实对X-47B最终列装有着重要意义。

  其实相对于拦阻着舰,无人机在航母上弹射起飞要相对简单,最主要的要求是无人机的硬件设备、特别是发动机能够承受弹射起飞过程中的纵向过载。

  当前,美国现役航母都配备有电子助降系统和光学助降系统。着舰过程中,首先由航母进场雷达将舰载机引导至距航母7千米的着舰雷达捕获窗处,再由着舰雷达实时监测舰载机的相对位置和运动数据,综合飞行甲板的运动情况,利用计算机计算出舰载机的正确着舰航路,并将舰载机的实际航路和计算航路进行比较,然后将修正指令发送到舰载机,由舰载机的自动驾驶仪完成误差修正,从而引导舰载机准确着舰。而光学助降系统则是电子助降的必要补充,用于为舰载机提供精确的下滑航路光学指示信息,指示飞行员沿合适的航路进场着舰。航空母舰之所以还保留光学助降系统,要求舰载机飞行员具有目视着舰的技术能力,是因为目前的电子助降系统还无法有效应对实际中的各种未知情况,美海军利用F/A-18D等舰载机进行的自动着舰试验均是在海浪不超过2米的情况下完成的。

  在实际飞行的不确定因素中,一个是气流对舰载机的影响,由于着舰区中心线与航母轴线存在一个夹角,航母高速行驶获得的气流对于舰载机来说是侧逆风,气流通过舰桥后还会产生紊流。此外,气流从舰首流经舰尾突然下沉,再上升,形状如公鸡尾,飞机通过此气流时会造成突然下沉。另一个是海浪对航母姿态的影响,舰上的飞行甲板会随着海浪上下、左右的摇摆。

  由此可见,无人机自主着舰的最大难点,就是飞行控制系统如何在情况复杂而且缺少飞行员现场态势感知的条件下实现对无人机的正确操控。

  为了实现这一目标,需要对无人机和航空母舰都建立极其精确的运动模型。美国海军的技术人员曾表示,“航母不仅是一个在海上漂浮的跑道,而且以一种精巧的规律运动着。”在精确建模的基础上,需要针对飞行中的不同情况制定控制策略,选取合适的控制模式和控制参数。为此,X-47B项目组的技术人员在帕图森河海军航空站的“尼米兹”级航母模拟甲板上进行了大量试验。

  此外,如何在航空母舰复杂的电磁环境中,确保无人机与航母通信链路的可靠性和实时性,同样是无人机能够成功完成自主着舰的一大关键,必须加以考虑。

  无人作战飞机的意义及发展

  美国海军认为,到达(reach)、持久(persistence)和隐身(stealth)是舰载机所必需具备的三项能力,特别是在太平洋地区,航程和续航时间显得尤为重要。提升舰载机能力的一条途径是装备F-35C战斗机,除具备隐身能力外,未来装备F-35C、F/A-18E/F和 E/A-18G的航空母舰打击范围可以达到830千米,作战效能可得到明显提高。第二条途径就是装备能够全面提升航程、续航时间和隐身能力,能够实施空中加油的无人作战飞机,该无人机的航程应达到F-35C的两倍,通过空中加油续航时间超过50小时,能够挂载使用绝大部分现役武器弹药。

  总体来说,未来舰载无人作战飞机的使用将在以下几个方面提升航空母舰的能力。

  一是提高了航空母舰自身的安全性。目前美军航母装备的F-14D战斗机的作战半径虽然达到900千米,但如果对内陆目标实施攻击,航母战斗群就无法远离海岸线。而装备无人作战飞机后,航空母舰就可以部署在远离目标海域,提高了自身的安全性。

  二是提高了航空母舰信息获取和实时打击能力。受飞行员耐受能力的限制,美国海军舰载机执行任务的时间不超过10小时,舰载无人作战飞机则能够利用其超长的续航时间,对目标区域进行24小时不间断监视,并能够抓住稍纵即逝的战机对目标发动实时打击。

  三是提高了作战力量部署的灵活性。无人作战飞机在航空母舰上的装备,意味着美军不必使用海外基地即可完成无人作战飞机的部署和使用,大大提高了作战力量部署和调动的灵活性。

  无人作战飞机未来的发展也值得我们关注和探讨。

  虽然X-47B成功实现了在航空母舰上的自主起降,X-45A成功完成了对地基雷达和导弹发射装置的识别和摧毁,在全球鹰演示验证的基础上实现空中加油也不会存在颠覆性的技术难题,但X-45和X-47系列均为高亚音速无人机,飞翼布局形式影响了其机动性能。同时,其智能化程度还无法达到有人作战飞机的水平,突防的安全几乎只能依靠隐身能力来保证,因此短时间内无人作战飞机还无法承担独当一面的重任,需要和有人飞机协同使用,以求功能和优势互补,发挥最大的作战效能。

  其使用中的安全性和可靠性也是需要关注的重点。数据链路的安全可靠是首要关注的重点,一旦发生被敌方干扰、欺骗、甚至破解的情况,轻者影响作战任务的完成,重者导致无人机被敌方俘获甚至利用。自主控制作为无人机的核心,其正常工作和受到电磁攻击时的安全可靠同样不容忽视。美国空军《“技术地平线”报告》在充分肯定自主控制系统在未来战争中作用的同时,表示这类技术必须经过“接近无限状态的验证与确认”以保证其高可靠性。

  众所周知,作战飞机的一个最重要的职能就是夺取制空权,实现对空作战自然而然的成为了无人作战飞机的长远发展方向。与对地攻击型无人作战飞机相比,空战型无人作战飞机在信息的融合与处理以及智能化程度上将有质的提高,在强调隐身能力的同时需要具备良好的机动能力,飞行速度也应达到与有人作战飞机相当的水平以满足空战的需要。可以说,空战型无人作战飞机不仅是未来的战争需要,同样也是航空技术人员的追求和梦想。

  (作者单位:空军装备研究院)

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