传感器无人机技术进展及相关发展策略的思考

洪森涛+杨国松

摘 要： 介绍了传感器无人机的项目背景、技术特点，并梳理了技术发展的脉络，初步分析了美国空军实验室在项目技术管理上采取的策略，以供无人机研发人员和技术管理者借鉴。SensorCraft的发展历程和发展策略对无人机领域的后来者有着极为重要的借鉴意义。

关键词： 传感器无人机； 共形天线； 技术进展； 项目技术管理

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）18?0091?03

Consideration for technology progress and development strategies of sensor UAV

HONG Sen?tao， YANG Guo?song

（No. 27 Research Institute of CETC， Zhengzhou 450015， China）

Abstract：The project background and technology characteristics of sensor UAV are introduced in this paper. Technology progress about sensor UAVs is summarized. The strategies adopted by Air Force Research Laboratory （AFRL） in project technology management are analyzed briefly， so as to provide a reference for UAV developers and technology administrators.

Keyword： sensor UAV； conformal?antenna； technology progress； project technology management

0 项目背景

传感器无人机（SensorCraft）是美国空军实验室（AFRL）在2000年左右提出的多项未来作战能力关键技术研究中的一个重点，其目的是开发一个高空长航时（HALE）的空中ISR平台，全面取代美军现役的E?3预警机和E?8地面监视飞机，在美军未来全球感知系统中担当空中核心的角色。全球感知系统将整个空、天、地的ISR设施有机地集成到一起，技术架构远远超出了信息融合的概念，上升到自动集成的水平， 目的是大幅提升整体传感性能， 识别伪装的、隐蔽的和具有欺骗性的目标，因此除本身探测能力极为突出之外， SensorCraft还能够与天基设施进行多点静态协同， 并能从地面传感器获取数据[1]。

AFRL要求SensorCraft必须能够实现传感器的360°全向探测；并且要求与现役E?3预警机相比，AMTI（对空移动目标探测）提升至少30 dB；与现役E?8地面监视飞机相比，GMTI（对地移动目标探测）提升[2]至少12 dB。

规划中SensorCraft的重点应用方向是针对于时间敏感性目标，执行监视、侦察和打击火力的指挥控制。根据美国空军2009财年规划，SensorCraft将在2015—2017年间开始装备，并逐步取代第一代HALE无人空中平台——全球鹰（Globe Hawk）

1 技术特点

在SensorCraft概念中，首次体现了传感器与无人机的综合一体化设计思想。其设计理念要求突破传统飞行器设计中传感器的附属地位，将传感器性能发挥作为一种总体设计约束，增加到系统的方案设计过程中。对无人机飞行性能和传感器性能进行系统级综合设计，将雷达、天线、数据链、电子监听装置等集成为功能性结构组件，通过与飞机的气动结构设计协调，最终实现“传感器即无人机（Sensor is Craft）”的一体化目的[3]。

与传统ISR无人机相比，SensorCraft在初始设计阶段即与ISR载荷密切交互，可以最大程度消除飞行器平台本身对ISR载荷性能的负面影响。常规情况下机载天线的布置受到安装方式、结构强度、体积重量等多重约束，尺寸往往限定在一定范围内；在具备良好气动特性的基础上，SensorCraft大量采用传感器共形技术将天线通过与机翼共形布置在机翼内部，其结构刚度由机翼保证，其发射孔径可以与机翼面积相当，因此可以将天线的功率孔径积提升至少一个数量级，从而使雷达的性能得到极大发挥。

2 发展历程

通过搜集近年来SensorCraft的相关报道，将其技术发展的基本脉络归纳，如图1所示[1，4?5]。

图1 传感器无人机技术发展脉络图

纵观SensorCraft到目前为止技术发展的整个过程，自“灵巧蒙皮结构”的最初技术探索到“SensorCraft”概念的提出再到项目的正式开展，可以看出四个明显的阶段划分：

第一阶段为1993—1997年，为共形天线技术的起步阶段。AFRL在此阶段对共形天线技术的发展前景和应用潜力进行了初步的评估。

第二阶段为1997—2000年，为共形天线技术的应用阶段。共形天线技术开始在以“GlobeHawk”和“Predator（捕食者）”为代表的新一代无人机上得到应用。在此基础上，以传感器为核心，全面采用共形天线技术、具备360°全方位探测能力的空中无人预警探测飞行器概念——“SensorCraft”开始酝酿并逐渐成熟。

第三阶段为2000—2004年，为概念可行性研究评估阶段。从2003年的“X波段天线阵列”和2004年的“联接翼缩比样机”两个项目可以看出，AFRL从天线阵列技术和飞行器平台技术两个方面对传感器无人机的可行性进行了先期检验。

第四个阶段为2004年至今，为工程化研制阶段。自SensorCraft项目正式发布后，波音公司和诺斯罗普?格鲁曼公司两大军工巨头正式开始介入。波音公司采用联接翼布局满足360°全向探测要求；诺斯罗普?格鲁曼公司采用一种能够从侧面辐射电磁波的雷达天线技术—“Endfire”搭配其成熟的飞翼布局来实现360°全向探测。波音公司和诺斯罗普?格鲁曼公司方案基本参数表（2007年数据）见表1。

表1 波音公司和诺斯罗普?格鲁曼公司方案基本参数表（2007年数据）

根据资料显示，2009年波音公司的联接翼布局平台完成了4%缩比模型的风洞试验，对其在该项目中所采用的先进CFD（计算流体力学）技术进行了验证，为后续平台的分析和优化提供了依据。此外，与联接翼布局形式相配合的X波段和C波段共形天线阵列蒙皮技术已基本进入工程化研制阶段。

2007年，诺斯罗普?格鲁曼公司针对飞翼构型所面临的动态气动弹性稳定问题进行了12%缩比的飞翼布局模型风洞试验。结果表明，其全新设计的异性可使临界突风载荷减小50%，颤振临界速度提升22%。

2009年AFRL宣布：“Endfire”元件已完成数种不同结构形式的5×5单元的阵列制造，正在进行相关电性能和结构性能的测试；此外一个20 ft×20 ft的工程样件也已进入加工阶段。等待进行更详细的工程可行性评估，并最终确定其作为机翼组建的可行性。

此外，UHF（甚高频）、VHF（超高频）结构一体化共形天线技术已经进入到工程实验阶段。

显然，两大主承包商在技术进展方面各有千秋。波音公司方案的传感器技术成熟度高，而联接翼布局的平台进展较慢；诺斯罗普?格鲁曼公司飞翼布局平台相对成熟，而“Endfire”传感器技术则刚刚转入工程化评估阶段。按照美国空军2009财年计划安排，SensorCraft的正式服役时间定在2015—2017年之间，从目前看来项目计划进展顺利。

3 发展策略

从上述SensorCraft发展历程的分析中不难看出，AFRL在技术引导和推进过程中尽显“大胆假设，小心求证”的指导思想。从“灵巧蒙皮结构”提出共形天线技术，到天马行空“传感器即无人机”的SensorCraft概念清晰，再到项目的正式展开，既体现了AFRL对技术发展方向的直接引导，又显示了其对技术发展进程的正确把握。此外，在“灵巧蒙皮结构”项目后期和“SensorCraft”项目正式发布前的两次技术评估，还充分体现了其对待新技术的谨慎态度。从目前传感器无人机项目的进展来看，这种发展策略无疑是成功的。

事实上，这种发展策略是美军历年无人机项目发展经验的一个总结。早期美军在发展无人机系统的过程中频频遇到问题，屡屡导致无人计划的中途夭折。多年来的近百个无人机项目，最终能够成功交付用户的屈指可数。细究各类无人机计划中出现的问题，主要是由以下几个相互关联的因素引起。

首先，计划管理者对技术难度过于低估，往往在严格的成本要求下提出过高的指标要求，最终导致经费不断超支，项目终止。管理者往往认为无人机只是低成本器件的简单集成，与航模遥控飞机差别不大。但实际上将发动机、传感器、软件、通信链路、数据链路、航空电子设备综合到一个很小的机体内，同时保证其成本低于有人战术飞机，这本身就是一个工程上的巨大挑战。

其次，无人机计划中存在着严重的“需求蔓延”趋势。这主要是指从无人机项目开始研制，用户便不断对系统增加越来越多的要求，直到其在技术上完全不可行为止。

基于对第一个问题的考虑，AFRL在项目中引入了多次评估机制，分别在立项前进行技术可行性评估、项目前期进行技术成熟度评估、项目中后期安排进行用户操作评估和军事效用评估。显然多次评估机制有效地控制了系统的研制风险，增加了项目的可行性。

基于对第二个问题的考虑，AFRL并未对无人机系统设置严格的性能指标要求，而只是方向性意见，从而有利于承包商展现各自技术潜力；并在研制过程中的早期引入实际用户对系统进行评估，保证系统性能与最终用户的需求一致；此外，通过建立系统作战原理的方式，限制用户增加新要求的机会[6]。从而避免出现“需求蔓延”。

4 结 语

SensorCraft是美军未来全球感知系统的重要节点之一，其发展方向代表了无人化空中预警探测技术的未来。同时作为美国近年来对无人机计划进展顺利的一个缩影，SensorCraft的发展历程和发展策略对无人机领域的后来者有着极为重要的借鉴意义。

参考文献

[1] Martinez J， Flick P， Perdzock J. An overview of sensorcraft capabilities and key enabling technologies[R]. AIAA?2008?27185，2008.

[2] 阿雯，胡冬冬.传感无人机的关键技术及其研究进展[J].飞航导弹，2010（2）：12?13.

[4] 赵永辉.气动弹性力学与控制[M].北京：科学出版社，2007.

[3] 仲峰.飞翼式无人机总体概念性设计与分析[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[4] 赵永辉.气动弹性力学与控制[M].北京：科学出版社，2007.

[5] 李军，李占科，宋笔锋.联翼高空长航时无人机布局设计研究[J].飞行力学，2009，27（4）：1?4.

[6] 胡问鸣.无人机系统技术[M].北京：国防工业出版社，2009.

第四个阶段为2004年至今，为工程化研制阶段。自SensorCraft项目正式发布后，波音公司和诺斯罗普?格鲁曼公司两大军工巨头正式开始介入。波音公司采用联接翼布局满足360°全向探测要求；诺斯罗普?格鲁曼公司采用一种能够从侧面辐射电磁波的雷达天线技术—“Endfire”搭配其成熟的飞翼布局来实现360°全向探测。波音公司和诺斯罗普?格鲁曼公司方案基本参数表（2007年数据）见表1。

表1 波音公司和诺斯罗普?格鲁曼公司方案基本参数表（2007年数据）

根据资料显示，2009年波音公司的联接翼布局平台完成了4%缩比模型的风洞试验，对其在该项目中所采用的先进CFD（计算流体力学）技术进行了验证，为后续平台的分析和优化提供了依据。此外，与联接翼布局形式相配合的X波段和C波段共形天线阵列蒙皮技术已基本进入工程化研制阶段。

2007年，诺斯罗普?格鲁曼公司针对飞翼构型所面临的动态气动弹性稳定问题进行了12%缩比的飞翼布局模型风洞试验。结果表明，其全新设计的异性可使临界突风载荷减小50%，颤振临界速度提升22%。

2009年AFRL宣布：“Endfire”元件已完成数种不同结构形式的5×5单元的阵列制造，正在进行相关电性能和结构性能的测试；此外一个20 ft×20 ft的工程样件也已进入加工阶段。等待进行更详细的工程可行性评估，并最终确定其作为机翼组建的可行性。

此外，UHF（甚高频）、VHF（超高频）结构一体化共形天线技术已经进入到工程实验阶段。

显然，两大主承包商在技术进展方面各有千秋。波音公司方案的传感器技术成熟度高，而联接翼布局的平台进展较慢；诺斯罗普?格鲁曼公司飞翼布局平台相对成熟，而“Endfire”传感器技术则刚刚转入工程化评估阶段。按照美国空军2009财年计划安排，SensorCraft的正式服役时间定在2015—2017年之间，从目前看来项目计划进展顺利。

3 发展策略

从上述SensorCraft发展历程的分析中不难看出，AFRL在技术引导和推进过程中尽显“大胆假设，小心求证”的指导思想。从“灵巧蒙皮结构”提出共形天线技术，到天马行空“传感器即无人机”的SensorCraft概念清晰，再到项目的正式展开，既体现了AFRL对技术发展方向的直接引导，又显示了其对技术发展进程的正确把握。此外，在“灵巧蒙皮结构”项目后期和“SensorCraft”项目正式发布前的两次技术评估，还充分体现了其对待新技术的谨慎态度。从目前传感器无人机项目的进展来看，这种发展策略无疑是成功的。

事实上，这种发展策略是美军历年无人机项目发展经验的一个总结。早期美军在发展无人机系统的过程中频频遇到问题，屡屡导致无人计划的中途夭折。多年来的近百个无人机项目，最终能够成功交付用户的屈指可数。细究各类无人机计划中出现的问题，主要是由以下几个相互关联的因素引起。

首先，计划管理者对技术难度过于低估，往往在严格的成本要求下提出过高的指标要求，最终导致经费不断超支，项目终止。管理者往往认为无人机只是低成本器件的简单集成，与航模遥控飞机差别不大。但实际上将发动机、传感器、软件、通信链路、数据链路、航空电子设备综合到一个很小的机体内，同时保证其成本低于有人战术飞机，这本身就是一个工程上的巨大挑战。

其次，无人机计划中存在着严重的“需求蔓延”趋势。这主要是指从无人机项目开始研制，用户便不断对系统增加越来越多的要求，直到其在技术上完全不可行为止。

基于对第一个问题的考虑，AFRL在项目中引入了多次评估机制，分别在立项前进行技术可行性评估、项目前期进行技术成熟度评估、项目中后期安排进行用户操作评估和军事效用评估。显然多次评估机制有效地控制了系统的研制风险，增加了项目的可行性。

基于对第二个问题的考虑，AFRL并未对无人机系统设置严格的性能指标要求，而只是方向性意见，从而有利于承包商展现各自技术潜力；并在研制过程中的早期引入实际用户对系统进行评估，保证系统性能与最终用户的需求一致；此外，通过建立系统作战原理的方式，限制用户增加新要求的机会[6]。从而避免出现“需求蔓延”。

4 结 语

SensorCraft是美军未来全球感知系统的重要节点之一，其发展方向代表了无人化空中预警探测技术的未来。同时作为美国近年来对无人机计划进展顺利的一个缩影，SensorCraft的发展历程和发展策略对无人机领域的后来者有着极为重要的借鉴意义。

参考文献

[1] Martinez J， Flick P， Perdzock J. An overview of sensorcraft capabilities and key enabling technologies[R]. AIAA?2008?27185，2008.

[2] 阿雯，胡冬冬.传感无人机的关键技术及其研究进展[J].飞航导弹，2010（2）：12?13.

[4] 赵永辉.气动弹性力学与控制[M].北京：科学出版社，2007.

[3] 仲峰.飞翼式无人机总体概念性设计与分析[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[4] 赵永辉.气动弹性力学与控制[M].北京：科学出版社，2007.

[5] 李军，李占科，宋笔锋.联翼高空长航时无人机布局设计研究[J].飞行力学，2009，27（4）：1?4.

[6] 胡问鸣.无人机系统技术[M].北京：国防工业出版社，2009.

第四个阶段为2004年至今，为工程化研制阶段。自SensorCraft项目正式发布后，波音公司和诺斯罗普?格鲁曼公司两大军工巨头正式开始介入。波音公司采用联接翼布局满足360°全向探测要求；诺斯罗普?格鲁曼公司采用一种能够从侧面辐射电磁波的雷达天线技术—“Endfire”搭配其成熟的飞翼布局来实现360°全向探测。波音公司和诺斯罗普?格鲁曼公司方案基本参数表（2007年数据）见表1。

表1 波音公司和诺斯罗普?格鲁曼公司方案基本参数表（2007年数据）

根据资料显示，2009年波音公司的联接翼布局平台完成了4%缩比模型的风洞试验，对其在该项目中所采用的先进CFD（计算流体力学）技术进行了验证，为后续平台的分析和优化提供了依据。此外，与联接翼布局形式相配合的X波段和C波段共形天线阵列蒙皮技术已基本进入工程化研制阶段。

2007年，诺斯罗普?格鲁曼公司针对飞翼构型所面临的动态气动弹性稳定问题进行了12%缩比的飞翼布局模型风洞试验。结果表明，其全新设计的异性可使临界突风载荷减小50%，颤振临界速度提升22%。

2009年AFRL宣布：“Endfire”元件已完成数种不同结构形式的5×5单元的阵列制造，正在进行相关电性能和结构性能的测试；此外一个20 ft×20 ft的工程样件也已进入加工阶段。等待进行更详细的工程可行性评估，并最终确定其作为机翼组建的可行性。

此外，UHF（甚高频）、VHF（超高频）结构一体化共形天线技术已经进入到工程实验阶段。

显然，两大主承包商在技术进展方面各有千秋。波音公司方案的传感器技术成熟度高，而联接翼布局的平台进展较慢；诺斯罗普?格鲁曼公司飞翼布局平台相对成熟，而“Endfire”传感器技术则刚刚转入工程化评估阶段。按照美国空军2009财年计划安排，SensorCraft的正式服役时间定在2015—2017年之间，从目前看来项目计划进展顺利。

3 发展策略

从上述SensorCraft发展历程的分析中不难看出，AFRL在技术引导和推进过程中尽显“大胆假设，小心求证”的指导思想。从“灵巧蒙皮结构”提出共形天线技术，到天马行空“传感器即无人机”的SensorCraft概念清晰，再到项目的正式展开，既体现了AFRL对技术发展方向的直接引导，又显示了其对技术发展进程的正确把握。此外，在“灵巧蒙皮结构”项目后期和“SensorCraft”项目正式发布前的两次技术评估，还充分体现了其对待新技术的谨慎态度。从目前传感器无人机项目的进展来看，这种发展策略无疑是成功的。

事实上，这种发展策略是美军历年无人机项目发展经验的一个总结。早期美军在发展无人机系统的过程中频频遇到问题，屡屡导致无人计划的中途夭折。多年来的近百个无人机项目，最终能够成功交付用户的屈指可数。细究各类无人机计划中出现的问题，主要是由以下几个相互关联的因素引起。

首先，计划管理者对技术难度过于低估，往往在严格的成本要求下提出过高的指标要求，最终导致经费不断超支，项目终止。管理者往往认为无人机只是低成本器件的简单集成，与航模遥控飞机差别不大。但实际上将发动机、传感器、软件、通信链路、数据链路、航空电子设备综合到一个很小的机体内，同时保证其成本低于有人战术飞机，这本身就是一个工程上的巨大挑战。

其次，无人机计划中存在着严重的“需求蔓延”趋势。这主要是指从无人机项目开始研制，用户便不断对系统增加越来越多的要求，直到其在技术上完全不可行为止。

基于对第一个问题的考虑，AFRL在项目中引入了多次评估机制，分别在立项前进行技术可行性评估、项目前期进行技术成熟度评估、项目中后期安排进行用户操作评估和军事效用评估。显然多次评估机制有效地控制了系统的研制风险，增加了项目的可行性。

基于对第二个问题的考虑，AFRL并未对无人机系统设置严格的性能指标要求，而只是方向性意见，从而有利于承包商展现各自技术潜力；并在研制过程中的早期引入实际用户对系统进行评估，保证系统性能与最终用户的需求一致；此外，通过建立系统作战原理的方式，限制用户增加新要求的机会[6]。从而避免出现“需求蔓延”。

4 结 语

SensorCraft是美军未来全球感知系统的重要节点之一，其发展方向代表了无人化空中预警探测技术的未来。同时作为美国近年来对无人机计划进展顺利的一个缩影，SensorCraft的发展历程和发展策略对无人机领域的后来者有着极为重要的借鉴意义。

参考文献

[1] Martinez J， Flick P， Perdzock J. An overview of sensorcraft capabilities and key enabling technologies[R]. AIAA?2008?27185，2008.

[2] 阿雯，胡冬冬.传感无人机的关键技术及其研究进展[J].飞航导弹，2010（2）：12?13.

[4] 赵永辉.气动弹性力学与控制[M].北京：科学出版社，2007.

[3] 仲峰.飞翼式无人机总体概念性设计与分析[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[4] 赵永辉.气动弹性力学与控制[M].北京：科学出版社，2007.

[5] 李军，李占科，宋笔锋.联翼高空长航时无人机布局设计研究[J].飞行力学，2009，27（4）：1?4.

[6] 胡问鸣.无人机系统技术[M].北京：国防工业出版社，2009.