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摘要：无人战斗机是在传统战斗机的基础上取消了驾驶舱，采用自动控制或远程控制技术的新型战斗机,由于使用无人操控，其具有许多传统战斗机所不具有的优点。但其所必须的自动控制技术仍需要在自主学习性、针对新型航空武器的对策以及算法的精简方面进行深入研究。现无人战斗机多采用无尾布局，此种布局隐身性能优秀，但机动性能较差，为加强机动性能也可以采用全动翼尖或是使用角度较小的尾翼。本文从无人战斗机的结构讲起，就无人战斗机的各类关键技术做了深入分析。
关键词：无人战斗机；机身结构；空战对策；气动布局
三、1引言
在现代战争中，战场伤亡已逐渐成为衡量战争价值、战争代价的一项重要指标。[1]虽然现在传统战斗机的作战任务已逐渐趋向安全化、超视距化，但空中作战的高度不确定性对于驾驶员仍然存在极大危险。而无人战斗机不仅能够实现零伤亡的目标，在极端环境下能够更好地完成任务。同时也因为其操作系统的可复制性，同型号的所有无人战斗机都能达到同样的作战效果，并且不像传统飞行员在损失后难以补充，在损失后重新生产的无人机也有同样的作战能力，在长期作战中有极大优势。基于这些优势，世界各国在上世纪中后期都开始了无人战斗机研发和制造。波音公司、洛·马公司等飞行器制造界的大头也都相继提出了自己的无人战斗机方案。可以说，无人战斗机是未来影响空战得失乃至整个战役胜败的关键因素。
四、2无人战斗机结构概述
由于无人战斗机不用考虑飞行员对战斗机机动性能的限制，因此，在结构设计上就具有非常大的灵活性，在满足空气动力学的基础上有着丰富多样的结构。我们常说的“五代机”的设计当然也是无人机设计的一种方向，但这种设计毕竟也考虑到飞行员的生命维持、逃脱、保护等问题，对其性能有所限制。如果这种布局的飞机被改造成为无人机，那么也将有许多提升。
图1美国X-47B无人机
现在许多国家对于无人战斗机采用了中/大展弦比无尾飞翼布局（如图1），同时减低战机的最大厚度，成为了无人机发展中的一种趋势。此种布局的特点是全翼身融合，并去除了尾翼，这种流线型的扁平化结构设计大大降低了飞行中的空气阻力，同时隐身性能很好，但由于其无尾结构带来的没有垂直安定面的问题，在力学平衡上存在许多不平衡点，对于其操纵方式仍需要进行大量研究。[2]
图2美国X-36试验机
同时，小展弦比布局（图2）也不失为一种发展方向。在超视距作战变为主导，近距离格斗逐渐淡出人们视野的现在，超音速性能对于无人战斗机可以说是非常重要的一种性能。此种布局加大了飞翼的后掠角、缩小了面积，这对于超音速性能来说是一种强化，但是由于此种布局也没有垂直安定面，和上述大展弦比布局一样在操纵方面存在问题。[3]
五、3无人战斗机关键技术
3.1无人机空战对策
对于无人战斗机来说，最重要的就是它的战斗理论。传统战斗机由于有飞行员的临场应变能力，所以空战理论显得比较次要，但无人战斗机则会按照既定的指令执行具体作战策略，所以空战理论是否完善就成为了影响无人机战斗能力的一个直接因素。在无人战斗机性能差距不大的情况下，未来的无人战斗机之间的博弈也将会成为战斗理论间的博弈。
对于传统战斗机的战斗理论，各国都有比较完善的研究。其长久的发展历史也是其完善性的一种原因。但是无人战斗机是近年来才发展起来的一种新技术，并且由于其不需要考虑飞行员的心理问题和损失优秀飞行员的风险，相对于传统理论有着更多灵活性，也就需要更深入的研究。为了达到传统飞行员的灵活性，无人战斗机上搭载的算法是否具有灵活应变能力是一个值得考虑的问题。研究人员能预想到的情况毕竟有限，也许真实战场上的情况会超出研究人员的设想。此时如果是传统战斗机，熟练的飞行员可以自行进行判断，并作出应对。但是如果是没有灵活应变能力的无人机，恐怕此时就会陷入混乱。由此可见灵活应变能力的重要性。[4]
从战斗形式上来说，未来空战策略的发展也是多种多样。现代战争中种类越来越多的航空武器使战场情况变得多变，针对这些新型航空武器的对策也是空战对策中重要的一环。例如远程空空导弹的出现，使超视距战斗变得非常常见，传统的近距离空战也逐渐退出历史舞台，针对此种武器的对策也随之成为热点。而考虑到各国都在发展无人战斗机，针对对方同样也是无人战斗机时的特殊对策也是需要考虑的问题之一。但是越完备的理论也就意味着需要更大的计算量，这对无人机控制系统的运算性能提出了更高的要求，但是对于一架飞机来说，它所能搭载的计算机大小也是有限制的，倘若有着及其完备的理论，但却在执行过程中因计算量太大而使无人机无法做出行动，这样的情况绝对是得不偿失的。所以，对于有限的计算能力，如何把算法设计得更精炼，同时最大化地实现理论，也是空战理论研究中的重要问题。同时，吸取人工智能中的深度学习和机器学习技术，做到空战策略的自适应调整，不断通过学习进化策略，也是未来无人机空战对策的重要发展方向。
3.2无人战斗机的气动布局
对于无人战斗机来说，隐身性能也是非常重要的，所以隐身性能优秀的无尾布局在将来很有可能成为无人机气动布局设计的方向。但由于无尾布局所带来的操纵性问题，其实施起来颇有难度。
为解决这一问题，洛马公司曾对其进行过研究，并设计了几种方案，其中一种采用了全动翼尖设计。使用了全动翼尖的飞机对比传统的有平尾和立尾的飞机，其结构紧凑，占用空间不大，但也能产生较大的偏转力矩。使用此种结构的飞机不易起降，在全动翼尖单侧作动时能在升力变化较小的条件下提供偏航力矩，同时也会产生较大的滚转力矩和俯仰力矩，但和侧力是耦合的。在无尾无人战斗机上运用此种技术也是可能的。在美国的X-36型试验机上，波音公司则采用了大面积的前翼，并且主翼和B-2一样可以上下张开。可上下张开的控制翼面提供了稳定性，而俯仰控制则依靠特殊的矢量喷口和前翼协同进行控制。其在许多方面仍有缺点，但在试飞报告中该试验机的迎角已达到40度，所以这种布局仍不失为一种设计方向。
虽然现在对于无尾飞翼飞机气动外形已有了许多研究，但此种布局飞机由于没有尾翼，其横航向运动只能利用副翼等结构来控制，横航向运动与纵向运动的耦合问题也就很难解决。当然，如果使用尾翼，哪怕是小角度的尾翼，这些问题解决起来就变得容易了许多。从各国的飞机隐身技术不断成熟的趋势来看，未来的空战可能因为雷达无法在超视距情况下发现敌人，而需要与其他战斗机进行近距离空战。所以其机动性能也不能太差，否则在空战中很容易落入被动的局面。如果要增强其机动性，那么尾翼是非常重要的。现在可以看到许多国家的隐身战斗机都没有取消尾翼，而是选择减小其角度，并且使用隐身涂装等主动隐身设备以抵消尾翼所带来的隐身性能减弱。从这种布局的广泛使用不难看出其优点还是比较明显的。使用全动翼尖或其他布局也就需要对其作用效果的精密分析，但如果直接使用尾翼，对机载计算机的依赖也更小。
六、4结语
综上所述，未来的战斗机有两个主要的发展方向，一种是主打超视距作战，也就是将隐身性能、中远距离空空导弹性能和超音速性能最大化，而另一种则是主打近距离格斗作战，也就是强化自身隐身性能，并考虑到对方具有同等隐身技术时将与其进行近距离格斗的情况，最大限度强化机动性和近距离武器性能。如果是前者，那么无人化控制技术可能主要用于减少可能的人员损失，但是如果是后者，考虑到需要最大化地强化机动性能，那么无人化则是必须的。从谷歌公司的AlphaGo等人工智能的发展，可以看出在不远的将来搭载具有人工智能算法、配备有完备作战理论的无人战斗机的作战能力将会远远超过传统战斗机，只需要人类在管制中心下达一些简单的部署命令，无人战斗机就能自行对敌方战斗机采取各种复杂的措施。但对于现在的无人战斗机，这种技术仍不是很成熟，所以无人战斗机的作战任务可能仍需要有人战斗机辅助完成。
七、参考文献
[1]张承涛,陈忠礼,徐奕航.战斗机无人化发展趋势[J].飞航导弹,2010(1):49-53.
[2]车竞,何开锋,钱炜祺.制空型无人机的关键技术、气动布局及特性[J].空气动力学学报,2015,35(01):13-19.
[3]于梅祥,李一波.无人战斗机空战对策研究综述[J].沈阳航空航天大学学报,2009,26(1):23-25.
[4]左林玄,王晋军.全动翼尖对无尾飞翼布局飞机气动特性影响的实验研究[J].空气动力学学报,2010,28(2):132-137.
论文作者:李力奇
论文发表刊物:《科技新时代》2018年12期
论文发表时间:2019/2/18
标签：战斗机论文; 无人机论文; 空战论文; 布局论文; 性能论文; 作战论文; 尾翼论文; 《科技新时代》2018年12期论文;