完成突破——X-47B无人机AAR技术发展回顾及影响分析

文/程龙



完成突破——X-47B无人机AAR技术发展回顾及影响分析

文/程龙

2015年4月22日，美国海军X-47B无人机与欧米伽空中加油服务公司KC-707加油机完成了自主空中受油（AAR）试飞验证。此次试验的成功，引得军方和航空界高度关注。那么，美国无人机自主空中受油技术是如何一步步取得突破的？它对未来作战有什么影响？我们又该如何应对？本文进行了一些初步探讨分析，供读者朋友们参考。

技术实现——历时3个“五年”，终结硕果

关于飞机自主空中受油技术，虽然是美军在X-47B无人机上首次实现，但其并不是在航空领域的首次尝试，成绩的取得绝非一蹴而就，而是在以往多项试验和技术进展基础之上所进行的新一轮实质性试验。

两架F/A-18试验机进行AFF计划的测试

2000年自主编队飞行（AFF）项目无意插柳，开启AAR技术的潜在应用前景

早在20世纪90年代后期，“捕食者”无人机的广泛部署与使用、全球定位系统（GPS）卫星星座达到全状态作战能力等催生多项技术发展指向AAR。2000年时，美国国家航空航天局（NASA）启动了自主编队飞行（AFF）项目，希望能够通过模拟鸟类的“V”字形编队飞行，充分利用前方飞机的翼尖涡，为后面紧随飞机提供上洗气流，增加后方飞机的升力并减少飞行阻力，进而节约燃油、减少排放。该计划实施过程中，波音公司作为骨干研制了编队飞行测量系统（FFIS），利用GPS和机载运动测试设备将两架飞机的相对位置精度保持750px以内，为两架F/A-18试验机加装了编队飞行控制系统（FFCS），特别是开发了机载无线电局域网技术以共享精确的位置信息和飞行控制数据，利用差分GPS数据使得定位信息精度可以达到厘米级，也使得加油机的机组人员可以精确控制无人机进行空中受油。这些技术成果，使得NASA意识到其在无人机自主空中受油（AAR）领域的潜在应用前景。

X-47B无人机进行AAR试验

F/A-18试验机与KC-707加油机进行AAR对接试飞

KC-135加油机与“里尔喷气”模拟的无人机进行硬管式加油试飞

2005年自主空中受油演示验证（AARD）项目跟进时代技术提升，不断促使AAR成为可能

由于对无人机的操控主要是通过无线电和卫星通信指令进行，在远程飞行任务中则必须依靠卫星通信手段，而由此产生的延时问题无法解决，使得无人机的空中受油操作不能由操作员在地面上完成，于是完全自主的空中受油技术便成为了成败的关键。然而，要实现这一技术，需要解决一系列基础领域的问题，包括机器人学与专家系统、遥测与通信、电子光学、赛博安全、处理测量与控制、传感器、无线应用、系统集成、测试测量等。随着时代的发展，这些领域的许多进步使得AAR成为了可能。

2005年，美国国防部预研局（DARPA）和NASA联合发起自主空中受油演示验证（AARD）项目，以期望通过飞行测试研究加油机硬管伸缩插头和受油机在气流中的运动响应数据。研究发现，对接是关键。2006年，NASA的1架F/A-18试验机使用自动系统与欧米伽空中加油服务公司的1架KC-707加油机按照预先设计的程序，开展了自主受油空中对接试验。试验过程中，GPS辅助的惯性导航引导受油机飞向加油机。一旦接近，受油机插头与加油锥套通过光学系统（包括摄像机和LED发射极）跟踪进行。不足之处是，在一些准备机动的位置点，这些飞行仍然需要得到飞行员的授权。到2007年时，AARD项目取得了圆满成功——受油机可以从加油机后方约4千米、下方300米、30°航向位置首先使用GPS进入导航点，然后切换至自主空中受油模式。

KQ-X项目中，两架“全球鹰”无人机模拟伙伴AAR

与此同时，空军也试验了硬管式自主空中受油，毕竟这种方式可以达到4500升/分的加油流量，特别适合为排队等待加油的战斗机群和大型的轰炸机（如B-2）、预警机（如E-3）、对地监视飞机（如E-8）或者其他自身也需要补充燃油以延长留空时间的加油机进行快速加油。而且，硬式加油也是空军飞行员所习惯的空中受油方式。自动的硬管操纵是另一种挑战，因为其所活动范围的包容度不如软管式加油锥套。空军曾尝试过两种方法：一种是使用GPS引导，然而该方法似乎只适合于编队飞行，不能适应加油机尾流影响所引起的扭曲；另一种为模式识别，但在弱光条件下不起作用，而且趋向于占用过多的机上计算资源。最终，空军选择了第三种方法，即一种基于光学识别的技术，在算法的帮助下改进预测。2007年，一架“里尔喷气”试验机加装了自动空中受油系统，飞行员操纵飞机起飞，由AAR系统操纵飞机（模拟无人机飞行）与KC-135加油机演示验证空中加油会合，之后分别进入空中受油的对接、预对接、左/右翼内侧观察、左/右翼外侧观察和脱开等7个关键位置，并在对接位置保持了20分钟。

这一系列飞行试验，突破了美国在系统集成、改进的相对导航算法的连贯性与可用性、控制律、硬件等方面的巨大进步。2009年，波音公司还赢得美国空军研究实验室（AFRL）的一个合同，主要研究直接使用先进的光学跟踪对使用图像布置的遥控飞机（RPA）进行硬管式加油的技术，以期望用于未来的有人驾驶远程轰炸机上。2010年底至2011年初，诺斯罗普·格鲁门公司使用“里尔喷气”试验机与美国空军第190空中加油联队进行了一系列试飞。“里尔喷气”试验机在飞行员操纵下到达一定高度，尔后转入自主飞行模式，之后飞机进入加油员硬管加油位置，演示了一系列位置保持的良好技能，并开启了为所有的有人/无人飞机进行空中加油的可能性。然而，这却并不是全部，他们的下一步目标是无人驾驶的加油机。

KC-707加油机与“里尔喷气”模拟的无人机进行软管式加油试飞

2010年KQ-X项目进行更大挑战，开展无人机伙伴式AAR试验验证

在AARD项目成果基础上，DARPA认为无人机的AAR技术储备已经相当充分，只是需要进一步优化相关技术，通过型号试飞继续加以验证，并解决卫星链路操控无人机完成与加油机会合过程中存在较大延时（约3.5秒）的问题。

2010年，DARPA开始应对这项挑战，基于空军和海军共同的需求，启动了KQ-X项目，旨在利用现有的“全球鹰”无人机及其地面控制站、AARD项目中研发的算法和空中加/受油相关货架产品硬件等，验证两架“全球鹰”无人机（一架为无人加油机，另一架无人受油机）之间自主高空长航时空中加油（AHR）技术，使得空中受油的“全球鹰”无人机留空时间达到一周以上，从而有望替代机动性相对较差的监视飞艇。按照计划，两架“全球鹰”将利用GPS和光学跟踪系统，实现受油插头与加油锥套的对接，并将燃油从无人加油机上传输到无人受油机。2011年初，两架无人机进行了会合飞行试验，前后相距仅12.2米（“全球鹰”机长13.5米，翼展35.4米），评估了加油无人机尾部湍流对受油无人机的潜在影响；2012年8月，进行模拟空中加/受油的超密集编队和接近预对接位置编队飞行。可惜的是，2013年9月，DARPA终止了KQ-X项目。

KC-707加油机为X-47B无人机完成AAR试验

2014年无人作战系统演示验证（UCAS-D）项目推向验证巅峰，选择难度更大的软管式AAR技术在X-47B无人机具体型号上进行突破

美国海军X-47B无人机的AAR技术是UCAS-D项目的一个重要部分。X-47B无人机兼具了软管、硬管两种空中受油方式，但是在实际飞行试验中却只进行了软管式试验，并没有进行硬管式试验。原因何在？据分析，经过一系列的前期试验探索，美国人认为软管式AAR的技术难度比硬管式要大，而且硬管式的技术基础已经足够充分，因此选择了难度相对较大的软管式AAR进行具体型号的技术突破。

2015年4月，美国海军进行了X-47B无人机与欧米伽空中加油服务公司KC-707加油机之间的AAR试验，共进行了5次对接，并在最后一次进行了输油，在近7分钟时间内受油约1.8吨。此外，X-47B无人机还与KC-707加油机完成了2次边转弯边受油飞行试验。通过此次试验，美国通过具体型号综合验证了无人机AAR所必须的超密集编队飞行、多模式精确导航、气动、飞行控制、对接与脱开、燃油系统管理等多项关键技术，特别是在各阶段综合运用了多种高精度、动态导航技术：一是在加入加油机编队之前使用高精度GPS和惯导系统导航，实现会合和编队飞行；二是在预对接前使用差分GPS的“加油机-相对”导航，实现超密集编队和预对接准备；三是对接和输油过程中使用视景系统的“锥套-相对”导航，实现空中受油；四是受油完成后切换回“加油机-相对”导航，实现脱开对接；五是使用高精度GPS和惯导系统导航退出加油机编队。

X-47B无人机AAR试验过程中各阶段所用导航设备/系统

舰载机的作战半径远小于陆基轰炸机的攻击范围

航母在高威胁战场环境下的部署与运用设想

美海军未来空海一体作战运用设想

军事影响——增加航母作战使用灵活性及改变未来空海作战面貌

无人机AAR技术能够走到今天并取得具有时代性里程碑意义的突出成绩，固然与DARPA、NASA等部门对先进技术的牵引与支持密不可分，但更是该项技术不断顺应时代潮流、不断适应发展要求的结果。21世纪初的这十几年，无人机无论在执行任务的领域，还是装备规模和投入使用规模等方面，均处于井喷式发展阶段，有望在2030年前后超越有人机成为航空装备的主体。空中受油能力已经是美军各型军用飞机的基本能力，飞机在执行任务中经过空中加油在作战概念上才算是完整的，对于无人机而言，自然也会成为必然要求。然而，从战场威胁环境的发展情况和趋势看，无人机实现空中受油，还具有更加深远的军事意义。

为航母提供新的獠牙，使其更好地适应未来高端威胁战场，并在更大作战空间内发挥作用

无人机的运用，符合时代不可逆转的潮流。未来的航母，如果不用无人机，可能作战使用灵活性受限。用了无人机，不经空中加油，也会受限。为什么这么说？航母既是现代战争中的进攻武器平台，同时也是被瞄准的目标。在当前和未来的战场环境中，对手的区域拒止与反介入能力愈来愈强，使得航母出于安全考虑，必须尽量远离战区部署，如可能后退到2000～3000海里（3700～5600千米）的距离。在这个距离上，如果使用有人攻击机（如F/A-18E/F，或者F-35C），往返战区与航母平台的飞行时间过于长久，对飞行员而言是巨大的生理极限挑战，身体上难以承受，还必将影响执行作战任务的效果，进而影响航母的作战效能。所以，在这种威胁环境下，在不能确保自身安全的情况时，航母战争初期会部署在离岸更远的海域，首轮攻击只能出动对留空时间“毫无怨言”的、具备良好隐身性能的舰载无人空中监视与打击系统（UClASS）无人机，给它们进行空中加油，实施近乎跨大洋级的远程打击，夺取必要的战场控制权。随着战区威胁的逐步降低，航母逐步逼近战区，逐步发挥有人机的作用。故此无人化作战将成为航母重要手段，这也维护了航母在未来作战体系中的地位。

极大拓展海、空军航空兵作战半径和留空时间，使得美空、海军空中力量的行动从“更加自由”逼近“无限自由”

毋庸置疑，与有人机类似的情况是，无人机经过空中加油，其在作战效能方面的增益，不但将全部继承，而且是“有过之而无不及”。目前，无人机已经能够执行持久的“情报/监视/侦察（ISR）”、“一体化侦察-打击”等任务，并且已然显著地增加了留空时间，如“捕食者”、“全球鹰”留空时间都是十几至几十小时。经初步分析，无人机经过空中加油，可以增加留空时间2～3倍，允许单架无人机执行2～3架未经空中加油的无人机才能完成的任务。更关键的是，无人机不会“抱怨超时加班”。因此，无人机所执行的作战任务留空时间将更加持久、作战半径更加广阔，其作战效能已经远非有人机可以企及，势必甩出后者几条街，使得空中加油带来的行动从“更加自由”逼近“无限自由”。

2010年，美国战略和预算评估中心（CSBA）公布的《空海一体战的初步构想》报告认为，“空海一体战”将极大地增强美国与盟国空海军力量在西太平洋地区的作战效能。可以预见，当前的有人机空海一体战概念，在未来将有很多任务由无人机替代有人机执行，从美国海军X-47B无人验证机兼具软管式和硬管式两种受油设备的配置看，美海军无人机显然非常看重空军硬管式加油的大流量加油能力。另外，“空海一体战”作战样式中，无人机将替代有人机执行大量作战任务；且从X-47B无人机兼具软、硬管式受油能力分析，美海军注重空军大型加油机的硬管式快速加油能力和外供油量等方面的保障优势。

无人机多机编队的空中受油

促使有人/无人密切协同，势必改变未来联合作战面貌，使战争加速进入无人主战时代

通过充分利用无人机资源和AAR技术，军方将能够以极低的全寿命周期成本带来更长的任务执勤时间，并降低对装备规模的需求，进而为满足在多个地区同时作战的需求提供支撑。随着无人机大量参战，美国空、海军的协同作战模式将向着无人化方向发展，这或将改变美军未来兵力结构和规模。如ISR无人机、对地攻击无人机等或将增大比例，有人轰炸机或将降低比例，用于飞行员搜救的特战力量或将压缩，空袭行动或将不再以搜救力量的前置部署完成为前提，7天24小时的监视与压制行动或将常态化，对时敏目标的杀伤或将达到“秒杀”的水平……这些变化，使得空、海军的空中力量在未来作战运用中拥有更加灵活的战术制定、更开阔的战略部署与运用，改变未来的空海联合作战面貌。

技术发展与推广——深修内功，极大泛化

多机群编队的空中受油

推动无人机AAR技术走向深入和实用

此次X-47B无人机AAR飞行试验的圆满成功，给美国海军UCAS-D项目画上了一个完美的“句号”。但是，它同时也点上了一个“省略号”，促使大量空军、海军的各型无人机的陆续开展AAR试验，为无人机全面参与未来空中战争和实现战争无人化提供技术支撑。总体上看，无人机AAR技术还有待进一步发展：一是技术层次——需要实现具体型号的无人机单机与KC-767、A330MRT等不同加油机进行软/硬式自主受油，实现夜间、不同飞行速度和高度、不同武器挂载等情况下的空中受油，以便获得更大的使用灵活性；二是战术层次——逐步实现单一机型的无人机多机编队、多机型无人机多机编队、与有人机混合多机编队，以及多机群编队等空中受油能力。

变革有人机空中受油能力建设手段并拓展应用范围

无人机的AAR技术不但可以向其他无人机移植，而且也可以向有人机移植，飞行员也可由操作者的角色转换为监控管理者，将精力更多地用于作战。自主空中受油将减轻飞行员的工作负担，提高对接成功率和安全性，也进一步缩短对接时间和节约燃油。据介绍，对一种型号飞机已经有飞行经验而毫无空中受油经验的飞行员，经改装训练使其成为一名能够安全胜任同型受油机的飞行员，至少需要40次对接训练，加油机和受油机一起飞行约8小时。由此可见，若在有人机上成功实施自主空中受油技术，则或可取消对飞行员的相关改装训练，亦或提供全新“空中带教”方式，缩短飞行员掌握空中受油飞行技能周期，大幅减少训练费用。AAP技术未来也可能继续由军用领域拓展到民用航空运输领域，为跨洋、洲际远途飞行的民航客机/货机提供技术支撑和空中加油保障，提高其投送效能和经济效益，并减少污染排放。

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