无人机机载吊舱发展综述

2020-01-06李佳倩

无人机 2019年11期

李佳倩

航空工业成都飞机设计研究所，四川成都 610091

介绍了机载吊舱的分类，分析了吊舱设计的要点，介绍了三种国外先进的无人机吊舱“敏捷吊舱”(AgilePod)、“广域监视传感器系统”(Gorgon Stare)、“智能节点吊舱”(SNP)并进行比较分析。

对于无人机或有人机，吊舱是指吊挂在机身或机翼下方的流线型短舱，用于安装一些机载设备、武器等，安装方式分为固定安装和可脱卸安装，固定安装多用于发动机吊舱，可脱卸安装主要用于武器吊舱和其他可换机载设备。加装吊舱的主要作用是使得飞机具有一些其本来没有的功能。一般来说，这需要机载电子设备的支持，在设计吊舱位置的时候，也应当尽量不破坏飞机整体的空气动力特性。

机载吊舱的分类

机载吊舱可分为武器吊舱、电子干扰吊舱、光电吊舱、电子侦察吊舱、后勤辅助吊舱(加油吊舱)等几类。

武器吊舱是在航空机炮、航空火箭弹、空空导弹等机载武器的基础上发展而来的。二战之后，航空机炮这类武器逐渐被航空火箭弹和空空导弹淘汰，但越南战争的实践表明，近距格斗在现代战斗机空战中依然有着重要的作用，近距空战武器无法被导弹替代，因此，航空机炮再次被装备到了现代战斗机上，后来逐渐出现了机炮吊舱这类装备，并且得到了迅速发展，成为了作战飞机必备的装备。随着机载武器的发展及其逐渐繁多的种类，多功能组合式武器吊舱应运而生，使得飞机可以在武器挂点有限的情况下，采用组合式武器吊舱，在一个吊舱中装载多种武器，提高飞机的载弹能力，从而提高其多目标攻击的能力。

电子干扰吊舱是由于机身内部没有足够空间放置电子自卫干扰设备，只能将其吊挂在机身外，这样既可以让飞机搭载足够的武器和燃料，还能根据不同种类飞机的作战性能来调整、更换用途各异的电子自卫干扰设备，这些设备愈来愈往模块化发展，模块化的机载电子干扰吊舱将成为各类飞机电子干扰设备的主流。机载电子干扰吊舱的主要功能应当有系统自主工作，自动接受、处理和发射信号等；应当采用先进的信号处理技术，能够重编程序；可以同时实现噪声压制干扰和欺骗性干扰；能与告警机和电子战支援接收机协调工作后有较强的自检能力，可靠性较高；模块化的电子干扰系统易于更换。

机载光电吊舱目前主要分为机载导航吊舱和机载瞄准吊舱，一般装有前视红外摄像机、电视摄像机和激光指示器或测距仪等光电传感器。随着精确制导武器的发展，战斗机的精确打击程度在空战中起到越来越重要的作用，因此机载光电吊舱成为现代战机打击系统的重要装备。它能够在一定程度上消除载机的姿态变化和机械振动对光电传感器的不利影响，同时可以利用光电传感器来搜索、定位和跟踪要打击的目标。航空光电吊舱是一个非线性系统，但要求有高跟踪和稳定的精度，因此在控制器设计方面有较高的要求。

电子侦察吊舱的主要功能有信号情报获取、信号判断和信号定位三个方面，可获取敌方战略、战术情报、信号源特征内容等，对决策者有着重要的参考价值，是电子战的基础和前提。由于获取信号的种类不同，电子侦察可以分为电子情报侦察和电子支援侦察两类。电子情报侦察需要获取火中系统的信号，要求有较高的测量精度，但对时间要求不高，主要在和平时期进行电子情报的收集和分析，为决策者提供对方的战略、战术意图，分析潜在威胁，未雨绸缪。

加油吊舱一般吊挂在机翼下方、机身下方或机身尾段外侧，应用于专用的加油机，具有独立加油功能的探管锥套式空中加油装置。

吊舱设计的要点

总体布置

吊舱在飞机上的布置位置及形式关系到飞机诸多方面的性能，如电气设备效率、舱体模块化组合度、冷却系统效率、电缆拆装的维修性可靠性等。布置吊舱时需考虑飞机整体的气动性能，合理安排其悬挂方式和安装位置，同时保障整机良好的稳定性和操纵性。

应依照国军标《机载悬挂物与悬挂装置结合部位通用设计准则》选取吊舱挂点，并符合飞机外挂物重量、重心的要求，综合考虑设备安装、环控、维修性等要求。

吊舱结构

机载吊舱大多采用桁梁式结构，在两侧开有维护口盖，结构设计时需综合考虑舱内设备的使用要求、强度刚度要求、所受载荷情况，材料工艺水平等。吊舱结构应当安全可靠，应力分布状况良好，避免出现应力集中，应当有较短的传力路线，和良好的疲劳特性，同时需具有良好的维修性和较高的结构效率，在此基础上，使用先进的制造技术，尽量控制成本。

接口协调

吊舱接口主要分为电气接口和机械接口两类。电气接口是指吊舱与载机的电缆连接处，包括主电连接器和辅助电连接器，应尽量选用可快速分离式电连接器。吊舱与载机的信号交换都采用数字形式，除了少量的离散量信号外，吊舱均采用标准的串行数据总线与载机综合航电系统接口，便于通用化、模块化设计，后续拓展多种吊舱。吊舱的机载接口位置需满足国军标的要求，包括吊舱的止动区、支撑区、弹射区、电连接器和重心位置等，还应根据重量大小，运用不同的悬挂方式，同时需考虑悬挂物的吊耳技术条件要求。另外，还需考虑吊舱的安装和拆卸条件，应当满足吊舱与地面装卸车、起吊设备和放置托架的接口协调。

计算与分析

关于吊舱的计算与分析包含六个方面：气动力与载荷、重量重心、静强度分析、颤振计算，以及全机的飞行性能、飞行品质等。需进行飞机挂吊舱后的气动性能计算，评估吊舱对整机气动特性的影响，从而计算各种载荷状态；计算吊舱对飞机飞行性能的影响，包括飞行包线、起飞着陆性能等；对飞机挂装吊舱的飞行品质进行计算分析，包括横航向和纵航向的稳定性、操纵性；计算飞机的重心是否满足限制条件，考虑吊舱燃油消耗的过程，计算飞机的重量重心变化，分析其质量特性；计算吊舱的静强度及应力应变水平；进行全机地面共振试验，分析飞机挂吊舱的颤振特性，检验是否满足要求。

吊舱环控设计

吊舱由于位于机身外，无法使用载机提供的环控风进行冷却，而吊舱自身体积较小又导致其电源比较紧张，所以吊舱环境控制系统的设计是吊舱设计的一大重点和难点。目前国内有水蒸发制冷系统、蒸汽循环制冷系统和逆升压式空气循环制冷系统三种制冷系统。在这三种制冷方式中，逆升压式环控系统的应用最为广泛。

图1 AgilePod

先进无人机吊舱

“敏捷吊舱”

美国空军研究实验室研发的AgilePod敏捷吊舱是一种与载机无关的多情报电子侦察吊舱系统，可演示采用敏捷制造和模块化开放式体系结构的优势，提高使用吊舱获取情报、进行侦查的经济性和灵活性。敏捷吊舱具有可重构性和多平台灵活性的特点，由多个隔舱组成的吊舱可以根据不同需求来配置多样化的传感器或通信包。

美军计划展示一种新的传感器套件，将各种功能强大的多模式相机与激光成像系统结合在一起，形成一个相对紧凑的部件，计划将其装备至U-2S“龙夫人”(Dragon Lady)有人驾驶间谍飞机和RQ-4全球鹰无人机，大幅提升两种机型的灵活性。AgilePod是一个“类似乐高”的系列组件，可以包含三至五个独立的部分，而每个部分都可以用搭载不同的传感器系统，新的传感器套件还将包括一个“新型高光谱成像仪”。

美国空军还在考虑将AgilePod整合到其他类型的载人飞机和无人机上，包括“收割者”MQ-9，并已经在DC-3、RC-26侦察机上测试了该吊舱，AgilePod的出现有助于节省资金，减少后勤压力，军队可以批量购买AgilePod，装备到不同的飞机上，而无需再逐个更改飞机的光电、红外等方案。

AgilePod可以一种型号适应所有平台，但同时也限制了它在多种平台上使用多种传感器的能力，这是目前的一个弊端。因此，美国空军研究实验室正在充分利用AgilePod多传感器有效载荷原型进行新的“迷你”型AgilePod吊舱的的研发，优化原有AgilePod的设计和配置，由此形成的系列吊舱将有不同尺寸可供选择，以满足各种机载平台的装备使用。在新的设计中，将采用“开放平面配置空间”，使中间部分可以得到重新配置，并且采用可拆卸的鼻锥和尾椎。

“广域监视传感器系统”

Gorgon Stare女妖凝视光电吊舱是由美国军方研发的视频捕捉技术，是一个由九个摄像机连接到空中无人机的球形阵列，美国空军称之为“广域监视传感器系统”。Gorgon Stare作为机载吊舱装备美国的中空长航时无人机MQ-9收割者。

图2 搭载Gorgon Stare的MQ-9概念图

图3 搭载Gorgon Stare的MQ-9实拍

Gorgon Stare由MQ-9收割者无人机机翼下的两个吊舱组成，每个吊舱重250kg。其中一个吊舱中装着项目子承包商ITT公司研制的从吊舱底部突出的传感器球，这个传感器球包含位于不同位置的5部电光(EO)摄像机和4部红外(IR)摄像机，光电摄像机和红外摄像机分别用于白天和夜间的ISR任务，摄像机布置在不同位置，可以从不同角度获得最大地面覆盖能力，并生成三维图像。这个吊舱中还装有一个计算机处理器。摄像机以2帧／秒的速度拍摄动态视频，而非30帧／秒的全动态视频。5部光电摄像机每部每秒钟拍摄两帧1600万像素的图像，这些通过计算机处理为一幅8000万像素的图像。4台红外摄像机每秒拍摄两张3200万像素的图像。Gorgon Stare的另一个吊舱包括处理和储存图像的计算机、数据链接调制解调器、两对通用数据链和战术通用数据链天线以及射频天线设备等。

图4 Gorgon Stare结构

Gorgon Stare能够捕获整个城市的运动图像，然后可以由人或人工智能进行分析，这些运动图像不以视频的形式显示，因为它在采集数据时每秒的帧数比视频更少，Gorgon Stare需要利用标记和元数据系统才能充分发挥其有效性。Gorgon Stare的研发旨在为各种军事用户下载、分析65种不同的图像，这就是所谓的“广域持续监视”。

Gorgon Stare广域监视传感器系统为未来无人机的吊舱设计提供了参考，其“广域持续监视”的特点将成为侦察无人机的最大优势之一，也将引领未来侦察吊舱的发展方向。

智能节点吊舱

“智能节点吊舱”(SNP)是一种载荷，它包含有不同配置的地面/空中/海上通信系统，设计用于桥接和中继不同系统间的数据和话音通信，将组网能力推送到战场前线。体型更小的SNP设计用于为无人机提供轻型通信网关能力。

SNP有两种基本架构，即“单吊舱架构”(SPA)和“多吊舱架构”(MPA)。SNP SPA和MPA通过在JALN中层通信网关飞机与其他支持地面单元的平台之间提供“最后一英里”连接支持JALN和DARE网络。SNP SPA单元可加载在旋翼飞机或MQ-9无人机上；而SNP MPA则主要安装在MQ-1无人机上，它由2个吊舱(每个吊舱重量不超过120lb)组成，每个吊舱占用MQ-1飞机一侧的一个挂弹架，飞机平台要为吊舱提供电源和天线引导所需的导航输入(SNP地面控制站接口也是如此)。

SNP具有灵活的任务能力，可根据尺寸限制和任务要求进行重配置，这也导致专门配置的吊舱或一组吊舱可能无法一次提供所有能力。

图5 SNP示意

SNP的主要特点如下：

(1)经济性能力更加的定制化能力特性和服务

SNP能够针对各个机载平台和吊舱组合的特殊任务特性来配置系统，以便获得最佳的战场连通性的同时支持现有的地面基础设施。

美军的JALN体系中包含有飞行在不同高度的多种飞机平台，这些核心平台包括：ER/MP MQ-1C“灰鹰”无人机、A-160“蜂雀”无人机、“影子”无人机、多用途直升机、C-12“空中国王”、阿帕奇、“比空气轻”(LTA)的平台以及多种系留平台等。每种平台的“尺寸、重量和功耗”(SWaP)、性能以及成本要求都各不相同，由于SNP架构引入了"通用网络接口"(UNI)方法能够适应多种平台，因而可以通过在飞机与载荷之间确立分界点快速装备部署新系统，无需触及飞机的"作战飞行程序"(OFP)。

(2)距离拓展/不同系统连通

战场网络连接的目标是在任意时间、任何地方支持作战单元信息需求，但现有系统需要专用的用户设备和广泛部署的地面基础设施。SNP可以为通信规划人员提供将现有和新兴无线电系统集成为综合体系的能力，提供频率交叉结合、消息格式转换以及远程无线电指挥与控制功能，使之前受物理(作用距离、地形)和不兼容系统限制而相互隔离的用户之间实现连通。而且，多个SNP可以协同工作，利用空空链路提供距离拓展，缩短作战时间和提高致命性。

SNP具有一种特殊的能力一一可以主动地操纵2个独立的"通用数据链"(CDL)孔径支持1条CDL链路。基于诺格公司网关系统的开发经验，CDL天线的分集需求催生了SNP SPA的创新，使得吊舱最大限度地减小了机身阻碍。SNP还引入了CDL发现能力，它利用全向天线发现通信目标并交换位置信息以支持定向天线的指向锁定，完成更高速率、更远距离的通信。

配合SNP提供的解决方案，SPA系统元需考虑、另一个CDL调制解调器的SWaP，这样就能通过提供空空中继增强功能性。诺格公司未来还计划升级SNP，使其可以连接JALN中高层中现有的CDL系统平台如E-IIA和U-2，并且不需要对这些系统进行改造。

(3)话音桥接、态势感知、非传统ISR通信

高空通信为态势感知提供支持的价值已是众所周知，过去十几年美军一直在发展高空通信中继能力，近期美国防部又正式提出了JALN，并通过E-IIA机载网关系统首次实现了这种网络能力。SNP采用更小型的"机载执行处理器"(AEP)，它加载各种软件应用、基础程序和驱动程序、接口以及处理器，提供话音桥接和中继、数据中继和桥接、终端和载荷控制以及网络管理能力。这可为操作员提供动态响应威胁优先级的能力，并能支持连接和相关现有"战术数据网络"(TDN)以创建战区COP和为之前受各种因素限制无法获得通信能力的部队提供话音桥接和中继能力。

网络可用性由"网络饱和"状态改进到"网络优化"状态。UHF/VHF话音桥接使得作战旅可以使用手持电台跨4条山脊线保持通话，并为作战旅火控支持提供专用信道。通过为地面部队提供连接使其能够向“近空支援”(CAS)态势感知COP报告，可极大地降低友军误伤。

(4)战术边缘用户连接GIG/IP连接

利用SNP从空中提供的网络连接，地面士兵可以利用现有的电台和电话实现跨越山区的通信和信息共享。无需终端用户进行附加训练。

小结

上述的三种国外先进的无人机吊舱在功能和特性方面各有侧重。Gorgon Stare“广域监视传感器系统”侧重于无人侦察机的“广域持续监视”功能，目前仅应用于“MQ-9”收割者一个机型；AgilePod“敏捷吊舱”的主要特点是可重构性和多平台灵活性，旨在利用模块化提高使用吊舱获取情报、进行侦查的经济性和灵活性，可搭载于各种类型的载人飞机和无人机；SNP“智能节点吊舱”侧重于战场通信系统的灵活配置架构，强调定制化能力。