美军无人机成功自主空中加油将改变远程打击模式.

1、4月22日,X-47B验证机从帕克图辛河海军航空站起飞,在切萨皮克湾上空与一 架K-707加油机会合，成功地完成了自主空中加油（AAR,开创了无人驾驶飞机自主实 现空中加油的新纪元。此举显示，美国国防部经过十多年的探索、研究和试验，已经 完全掌握了大幅延长无人机续航时间的关键技术 ，并正在影响到美国海军的作战理 念，将改变未来侦察监视与远程打击的作战模式。 自主编队飞行 AAR技术的研究与发展得益于2000年启动的自主编队飞行（AFF计划。NASA 希望这项计划能借助于仿生原理，通过模拟鸟类的V字形编队飞行，充分利用前方飞 机机翼的翼尖涡，为后面紧随的飞机提供一股上洗气流，可以有效地产生升力，

2、减小了 飞行阻力，从而达到节省油耗和减少排放物的目的。20002001年间,AFF计划通过 飞行试验取得了理想的减阻效果，可以节省燃油14%。 在AAF计划实施过程中，波音公司扮演了至关重要的角色。该公司与加州大学 洛杉矶分校共同研制了编队飞行测量系统（FFIS,利用全球定位系统（GPS加上机载运 动测试设备，将两架飞机之间的相对位置精度保持在 30厘米以内。同时，波音公司还 与德莱顿飞行研究中心合作，为两架F/A-18试验机加装了编队飞行控制系统 （FFCS。 更为重要的是，波音公司为AFF计划开发了机载无线局域网技术，可以使有人驾 驶飞机和无人驾驶飞机同时登陆机载网络，共享极其精确的位置信

3、息和飞行控制数 据。这项技术利用差分全球定位系统（DGPS的数据,可以获得精度达到厘米级的定 位信息。而且，这种机 载无线局域网就还可以使加油机的机组人员精确控制UAV进行加油，从而极大 地增强安全性。 其后,NASA意识到这项技术在未来的无人机 AAR方面具有潜在的应用前景。 初步研究表明，未来具备隐身能力的远程无人侦察与攻击平台只有通过空中加油才 能达到最大航程的要求，但是考虑到卫星链路存在时间滞后的问题，空中加油不能仅 仅依赖地面控制人员的指令，必须实现自主化，即完全根据传感器的输入而排除人工 干预的程序化操纵。近年来，相关学科和技术的快速发展使 AAR成为可能。 2002年,美国国防部

4、预先研究计划局(DARPA针对发展UCAS持久作战能力的 需要,考虑将AAR技术的后续研究正式列为联合无人作战航空系统” JUCAS计划 的一个子项目。尽管J-UCAS计划半途中止，但美国海军在投资发展无人作战航空 系统验证” (UCASD计划时依然将AAR列为必不可少的试飞科目，旨在借助X-47B 验证机飞行测试证明AAR技术的可行性。 精确对接技术 与现役战斗机相比，无人机实现AAR无疑面临着诸多技术挑战。2005 年QARPA牵头发起了自主空中加油验证”(AARD项目，旨在通过飞行测试研究受 油机和加油探管在气流中的运动规律，为UCAS-D计划发展出可以在作战条件下自 主完成空中加油的各

5、项关键技术。其中，至关重要的是实现对接的技术。 从空中加油方式来看，美国空军使用的伸缩套管式硬管空中加油比较容易实现 自主对接，而美国海军使用的探管-锥套式软管空中加油相对难度较大。为 此QARPA决定直接验证无人机采用探管-锥套式加油技术如何能够精确地保持空 间相对位置，在对接时达到厘米级精度。 AARD项目利用了欧米伽空中加油服务公司的K-707加油机和NASA的一架 F/A-18试验机，均加装了 GPS接收机、惯性测量装置和低宽带数据链。为了能使受 油机的加油探管准确地插入到加油机后拖曳的锥套中，NASA专门为F/A-18试验机 加装了一套VisNav传感器系统，主要由半导体位置探测器(

6、PSD、信号处理器和 LED指示灯组成，有效地提高了 AAR 系统的性能。PSD将探测到的光信号转换为电信号，并依据电流的强弱获得光 投影坐标，采用三角法测量原理，再通过信号处理来测量加油探管与锥套间的距离。 然而,AARD项目的试验过程并非一帆风顺。在为期 15个月的概念验证阶段，加 油探管在前6次试飞中仅有2次进入到锥套范围内，直到在第7次试飞中才首次实 现了自主空中加油。2006年8月30日,F/A-18试验机在进入自动操纵状态后，按照 预先设计的程序与加油机组成编队，并控制加油探管准确无误地插入到锥套内，实现 了自主空中对接。 此后，飞行试验进展顺利，在十几次试飞中先后测试了转弯过程中

7、探管与锥套对 接，并且还完成了在更远距离、更大高度差和更大偏航角度情况下接近加油机的试 验。试飞结果表明,AAR系统已经验证了在加油机后方 3.7千米、下方约300米和 偏离航向30的情况下成功实现对接的能力。 更为重要的是，AARD项目充分表明了无人机完全可以首先借助GPS飞行到指 定的航路点，然后切换到一个全自主的空中加油模式，从而在作战条件下自主地完成 空中加油。 伙伴加油计划 基于AARD计划所取得的成果QARPA认为无人机在AAR技术方面已不存在 问题，只需进一步优化相关技术，通过型号试飞加以验证。此时 QARPA针对UCAS- D计划的预期目标， 开始关注无人机的伙伴加油能力，作为

8、AARD计划的后续研究。当时QARPA 所面临的一个棘手问题是如何补偿无人机在会合期间卫星控制链路出现的3.5秒延 迟。 2007年,美国空军研究实验室(AFRL发起了一项 超长续航”(Ultra Long En dura nee研究计划，旨在评估用可担负得起的固定翼无人机替代监视飞艇的可行性 除了全球观察者”和 猎户座”等无人机方案外，同时还探索能够突破 全球鹰”的续航 时间限制的相关技术。 针对美国海军和空军的共同需求 QARPA在2010年7月1日授予诺格公司一 项价值3300万美元的KQ-X计划,用于验证一架 全球鹰”无人机通过伙伴加油技术, 自主完成空中加油。这项计划旨在验证两架无人

9、机之间实现空中加油的技术可行性 使其飞行时间延长到一周以上。 如果试验获得成功，全球鹰”可以配备更重的传感器载荷，在携带较少燃料的情 况下起飞，随后在空中进行空中加油，以便在空中持续飞行更长时间。此外，同一型号 无人机具备伙伴加油能力也意味着，无人机完全可以自行编队执行任务，这对探索未 来无人战机自主作战，甚至组成轰炸编队的可行性同样具有开创性意义。 从技术验证角度来看，KQ-X计划专注于无人机系统、感知和气动等方面的挑战 其难度远远高于AARD计划。根据合同，诺格公司对两架全球鹰”实施了相应改装, 其中，一架无人机充当加油机，在腹部加装了软管-锥套加油系统，输油管长4.3米，另 一架无人机充

10、当受油机，在机头前部加装了一根探管式受油管。两架全球鹰”将利 用GPS和光学跟踪系统，实现探管与锥套的对接，并将燃油从加油机的机身油箱输送 到受油机的机身油箱中。 2011年1月21日，诺格公司利用一架 海神”试验机在同温层高度与一架 全球 鹰”无人机进行了会合，前后相距只有12.2米,评估了全球鹰”尾部产生的湍流对受 油机的 潜在影响。2012年8月,两架经过改装的 全球鹰”完成了空中加油编队飞行。 遗憾的是,DARPA在9月30日决定不再继续推进 全球鹰”伙伴加油的试飞工作,终 止了 KQ-X计划。 自主空中加油 作为UCAS-D计划的一个重要部分，美国海军和诺格公司原计划从 2012年底

11、开 始准备AAR技术的相关测试工作，但是直到2014年6月，诺格公司才收到美国海军 授予的一项6300万美元的附加合同，着手开展探管-锥套式空中加油的验证工作。 4月22日,X-47B验证机在试验过程中，首先借助于自主飞行控制系统和组合 GPS飞行到会合空域，在1600米外开始跟踪K-707加油机，并逐渐接近到加油机一侧 相距6米的位置，保持编队飞行方式。接下来,X-47B验证机由“GP引导”过渡到 光 学引导” 该机先利用传感器观察加油机的机翼一侧标志点，再通过机动飞行调整到加油 机后方，然后利用一种新型光学传感器和摄像机组成的光学跟踪系统锁定”加油机， 再通过不断调整逐步建立和维持精确的对

12、接距离。最后，X-47B验证机自主地控制 右侧机翼上受油管与加油锥套对接。接着 K-707加油机在近7分钟时间内向其输送 了 1810千克的燃料。在完成空中加油后,X-47B验证机自动地控制探管脱离锥套，机 动地离开加油机，然后返回基地。 作为成功对接的关键技术,X-47B验证机使用的新型光学传感器是经过升级的 VisNav传感器系统。从设计功能来看，这种光学跟踪系统采用了红外焦平面探测器， 通过控制X-47B验证机逐渐跟上锥套移动的节奏，让探管与锥套保持同步移动，从而 有效地避免了战斗机在对接过程中存在着探管向上撞击到锥套、从软管上扯掉锥套 或者探管损坏的缺点。 此次测试表明，美国海军已经完全掌握了 AAR技术,可以有效地增加无人机的 作战范围，对未来发展长续航能力的无人机至关重要。对此,美国海军负责UCA