黑科技丨无人机之战,中国怎么打?

黄庆桥
要说近年来的“黑科技”热点话题,无人机技术无疑是其中的亮点之一。无人机曾是军事领域的“独家”科技产品,现在它正日渐揭开神秘面纱,进入民用领域,并显示出巨大潜力。那么,到底什么是无人机?无人机能做什么?中国的无人机水平怎么样?


什么是无人机?


无人驾驶飞机,简称无人机,英文缩写为“UAV”,它是利用无线电遥控设备和自备程序控制装置操纵的不载人飞机,也被誉为“空中机器人”。无人机主要由飞机平台系统、信息采集系统和地面控制系统三部分组成。从小到大的尺寸,由轻到重的起飞重量,从侦察监视再到攻击的应用等,无人机形式不一。


与载人飞机相比,其具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。



在中国航天空气动力技术研究院无人机总设计师石文看来,无人机的特点主要体现在使用和设计两个方面。在使用上,无人机可承担危险环境下的飞行任务,以及人长时间难以胜任的单调枯燥的工作,如长时间对地侦察攻击压制或对空对地监视。而在设计理念上,由于可以不考虑因人导致的许多限制,所以无人机的研制成本较低,并放宽了设计限制条件,从而推动了许多新概念和新技术的进步。特别是空气动力方面,如超过30小时的长航时无人机、临近空间太阳能无人机、无人天地往返飞行器等,可以说无人机既是空气动力学探索创新的平台,也是新概念、新技术应用的理想载体。


无人机按应用领域,可分为军用与民用。军用方面,无人机有侦察机、靶机、攻击机等多种类型,因无人机脱胎于军用领域,因而军用无人机技术仍是目前无人机的代表。民用方面,无人机近年来发展迅猛,“无人机+行业应用”的发展模式正让整个民用无人机行业蓬勃发展。目前,在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄等等领域的应用,大大地拓展了无人机的用途,无人机产业也因此被誉为朝阳产业。


未来战场是无人机的天下?


一般来说,航空史家把无人机的历史源头追溯到第一次世界大战期间,英国人率先研制成世界上第一架具有军事实用价值的无人机,至于在此之前许多发明家也有过制造无人机的奇思妙想甚至是实践,也只能算得上是无人机的前史了。


由于无人机非常符合战争“零伤亡”原则,逐渐成为战场上的“主角”之一。不过,尽管无人机在第一次世界大战中已经研发成功,但此后20多年,基本上都用作靶机,也就是供部队训练、演习打靶使用,比如为了训练炮手的对空射击命中率,造价相对低廉的无人机就是最好的打靶对象。无人机真正用于战争,是从第二次世界大战爆发后开始的,而无人机在世界战争史的舞台大放光彩,则要从20世纪60年代讲起。

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20世纪60年代初,在国际冷战局势下,美越战争爆发,北越在苏联的直接帮助下,建立起了严密的防空火力网,给美国的战机造成严重损失,大量飞行员死亡或被俘,甚至美国共和党总统候选人麦凯恩也在越战中被俘。越战中的伤亡让美国国内反战浪潮高涨。为应对国内民众的反战情绪,美军开始在战场上广泛使用无人机。因为无人机即使被击落了,也不会造成人员伤亡。


据有关资料,从1964年到1975年,美军出动3435架次无人机,其中2873架次安全返回,完成了80%的空中侦察任务,这让世人第一次看到无人机这种新兵器特殊的实战功能。冷战结束后的海湾战争中,无人机被用作观察与侦察平台。多国部队的战术无人侦察机完成了530多次出动,总飞行时间约1700小时,而只损失了28架,其中12架是被击落的。



21世纪的阿富汗战争、伊拉克战争中,无人机除了侦察外,有的情况下更能直接发起攻击。在利比亚战争中,更有多种新型无人机投入战场。据统计,到2006年,北约联合武装部队中无人机数量达到约6万架,其中60%是小型无人机。


此外,在国际恐怖主义形势严峻的情况下,无人机已成为反恐利剑。比如美国,自发动反恐战争以来,美国动用了所有资源,在财政紧缩、军费开支逐渐下降的大背景下,无人机的地位不断提高,成了反恐的新模式。无人机在反恐战争中主要有两种作用:一是搜集情报;二是实施“定点清除”。美军无人机反恐辉煌战绩如下:2011年9月,美军无人机在也门将“基地”组织阿拉伯半岛分支领导人安瓦尔· 奥拉基炸死;2012年6月,美无人机在巴基斯坦将“基地”组织二号人物阿布· 利比炸死;2013年5月,美无人机炸死了巴基斯坦塔利班二号领导人拉赫曼。可以说,无人机已经成为美军的反恐利剑。 


最近几年,无论是在全球的战场上,还是在各国的航展上,到处都能见到无人机的身影。可以说,无人机是未来军事竞争的一个焦点,世界主要国家竞相把高新技术应用到无人机的研制与发展上:新翼型和轻型材料大大增加了无人机的续航时间;采用先进的信号处理与通信技术提高了无人机的图像传递速度和数字化传输速度;先进的自动驾驶仪使无人机不再需要陆基电视屏幕领航,而是按程序飞往盘旋点、改变高度,然后飞往下一个目标。新一代的无人机能从多种平台上发射和回收,例如从地面车辆、舰船、航空器、亚轨道飞行器和卫星进行发射和回收。地面操纵员可以通过计算机检验它的程序,并根据需要改变无人机的航向。



美国的军用无人机就走在世界前列。据有关媒体报道,2017年1月10日,美国国防部突然公布了一段官方视频,展示了2016年10月进行的一次无人机集群智能测试。这段视频上,3架大黄蜂战斗机用特种吊舱一次释放了103架微型无人机。从地面操纵人员的显示屏上清楚看到那些无人机(绿色点)根据目标 / 指令(红色点)自主编队并实施追踪的画面。它们时而根据目标编队,时而根据指令快速移动,也可以根据环形指令排成一个圈,把一个区域围得水泄不通。按照国防部的消息,这些“命令”是下达给“蜂群”的,而不是其中任何一个个体。“蜂群”之间彼此会不停地“交谈”,在没有个体指挥官情况下形成“蜂群智能”。在组成集群过程中,如果个别无人机发生故障或损失,剩余无人机会根据参与组网的无人机实际数量做出反应,自主调整编队形式,继续完成既定任务目标,这是无人机智能集群技术最为诱人的特征之一,即具备系统性的高生存力。这些无人机并不是经预设程序协调行动的个体,而是像自然界中类似鸟群的动物群体那样,共享决策,相互协调行动。


美国军用无人机蜂群化,是无人机与人工智能技术的深度结合,一方面预示着无人机技术发展的新动向,另一方面也预示美国正进入机器人战争的新时代——无人机蜂群化、智能化有可能改变未来战场形态,引发战争形态变革,未来战场有可能首先是无人机之战。


我国无人机的发展现状 


随着技术的不断进步,无人机不仅在军用领域大显身手,在民用领域的应用也日益广泛,无人机大规模走进生活已经不再是科幻大片中的场景。无人机产业被很多权威专家认为是千亿元市场,未来前景值得期待。作为一个发展中大国,为保卫国家安全、发展经济提高人民生活,中国自然也大力发展无人机技术和产业。 



在军用无人机方面,虽然中国起步较晚,但发展速度和水平都突飞猛进。据相关媒体报道,近年来中国在无人机武器领域大放异彩,已经形成多个系列,比如“彩虹”系列军用无人机已经在国际市场很有竞争力,据美国媒体报道,彩虹—5无人机的航程达到4400英里,续航力超过60小时,未来升级后将可以在120小时内飞行1.2万英里。彩虹—5还拥有2000磅的有效载荷,并可以容纳进行电子战的各种系统。最新研制成功并投入使用的“翼龙”Ⅱ无人机也颇为抢眼。2017年2 月27日,中国航空工业自主研制的新型长航时侦察打击一体型多用途无人机系统——成功首飞。“翼龙”Ⅱ首飞成功标志着我国已进入全球大型察打型无人机一流水平,也标志着中国具备向海外市场交付新一代察打一体无人机航空外贸产品的能力,在全球航空装备外贸中的竞争力升级。


“翼龙”Ⅱ无人机系统由“翼龙”Ⅱ无人机、地面站、任务载荷和地面保障系统组成。其中,无人机长11米、高4.1米、翼展20.5米。飞机的最大飞行高度为9000 米,最大飞行速度达每小时370 千米。得益于飞机平台性能、动力提升和挂载能力的优化,其最大起飞重量达到4.2吨,外挂能力为480千克,可实现20小时持续任务续航。



根据中国航天空气动力技术研究院无人机专家石文的观点,我国无人机从无到有,发展经历了三个阶段。


第一阶段的需求为军用所垄断,主要用于高性能飞机和导弹的武器装备鉴定、定型过程,作为靶标完成打靶试验。由于技术因素,决定了民用市场无法接触无人机,再加上该阶段的惯性组件、控制系统等基础技术尚不成熟,且成本高,因此只有在军用领域才能接触和应用,当时从事无人机研制与生产的厂家也只有国有军工企业。


第二阶段,也就是从20世纪90年代起到21世纪初,由于电子集成电路、飞行器设计、发动机等基础技术的发展,部分民营企业对无人机行业进行了先期探索,出现了第一批吃螃蟹的民企。主要为院校、研究所提供低端小型的无人机产品的设计及演示验证,期间也出现了包括农业部用于农作物估产等国家单位对低端无人机的探索性应用,后来都因技术的不成熟而流产。


从21世纪初至今的第三阶段,需求上已逐步放开到民用领域,引起巨大反响,作为先行者的航拍、测绘和气象领域,无人机的进入,不仅大幅提高了他们的作业效率,还降低了成本。随着无人机在这些领域的示范效应渐渐扩大,所以已逐步在其他行业扩散开来。谷歌试图使用无人机搭建一个庞大的“快递帝国”,以取代目前的人工送快递方式,他们认为这会改变世界。这种尝试在中国亦有出现,顺丰等公司就进行了相关的试验,虽然赚了不少眼球,但离大规模使用仍有一定距离。



无人机综合集成航空技术、信息技术、控制技术、测控技术、传感技术以及新材料、新能源等多学科技术,代表着未来航空业的发展方向。2015年被誉为中国民用无人机发展的标志性年份,大量民企进入无人机领域,行业内外一片蓝海的呼声。随着无人机技术的不断突破,在航空装备无人化、小型化和智能化的趋势下,国内无人机市场将快速增长。


虽说民用无人机在很多行业已蓬勃发展,取得成效。但是也应看到,其民用存在大量的炒作与泡沫,有效的行业规范、产品规范有待进一步形成和完善。看似发展得风风火火的中国民用无人机就拥有的核心技术而言,也存在着同质化泛滥,产品难以产生代差的隐忧。 


能产生代差的,还是在那些核心基础技术的领域。比如,在能源方面如果以锂硫电池等为代表的高寿命电池可以突破放电倍率问题,那就是换代和跃进了。由于电动无人机电池能量密度的限制,导致用锂电池供电的无人机在延长续航时间上几乎无解。因此,有不少致力于在行业应用上深耕的无人机企业,另外开拓别的动力,或使用油动,或使用混合动力。长航时、大载重是无人机永恒的追求。目前工业级无人机品类繁多,有油动,也有电动;有多旋翼,也有直升机。工业级无人机由于需要搭载相应的设备完成不同的任务,在续航时间和载重上都希望能尽可能实现长航时和大载重。因此,一阵喧嚣之后,人们已经冷静地认识到,工业级无人机不能只有花架子,不能只看颜值,能干实事才是硬道理。



除了上述在长航时、大载重上的关键技术障碍外,无人机在使用中也遇到许多具体技术问题。当前,在使用中暴露出的主要问题是通信能力和抗干扰能力,指挥与控制问题,无人机超低空控制及避障问题,以及无人机抗恶劣气象条件问题,如无人机在风雨、冰雪、烟雾、强沙尘等恶劣复杂气象条件下的起降和飞行能力等等。 


行业发展应用也对无人机的功能提出更高要求。无人机不能仅仅搭载单一的任务载荷,很多行业都需要集多种无人机机型、能搭载不同任务、处理不同信息于一体的无人机系统。这就涉及工业无人机的设备接口的统一问题。目前,不同的设备需要不同的接口和任务集成管理器,各无人机厂家还是各自为政,没有统一的标准落地。如果无人机搭载接口可以通用,同时,在转化任务管理器时能像转换显微镜镜头那么方便的话(据说现在已经生产出快速转换应用模块的无人机了),不仅能大大提高工业级无人机的利用率,也能扩宽无人机在各领域的应用范围。


此外,行业应用无人机也面临着国内监管体系不完善,包括行业标准滞后、适航认证管理、从业人员管理、相关法律缺位等问题。这些都成为工业级无人机快速发展的拦路虎。



拒绝无人机“黑飞”


据相关资料,截至2016年底,我国无人机数量超过120万架,但多数却处于“黑飞”状态。“黑飞”之下,干扰民航客机等公共安全事件也在增多,仅2017年前两个月,全国各地被曝光的“黑飞”案例就有近10起。


有民航专业人士就指出,虽然我国有《民用航空法》《通用航空飞行管制条例》《关于民用无人机管理有关问题的暂行规定》等多部法规,解决了无人机分类管理、空域管理、适航管理、驾驶员资质管理等问题,但由于法规条文原则性指导多,在适航认证、可用空域、空管规则、责任和监管主体等方面仍需进一步细化,以确保无人机的研制、生产、销售、使用和监管完全运行在法治轨道上。



中国无人机协会执行秘书长柯玉宝曾经做了一个生动的比喻,无人机法规就像是“紧箍咒”,没有它,孙悟空就是大闹天宫的泼猴;有了法规,才会变成一心向善的斗战胜佛。这是一个过程,但必须实现,否则野蛮生长的无人机产业必将在根子上出现松动,让技术升级、产业发展失去基础。


首先,在我国低空空域逐渐开放的背景下,该禁的要严禁、该放开的也不妨放开,对无人机准飞空域进行清单化管理,在民航航线、机场和军事要地等禁飞区域,可通过商家禁飞区GPS定位识别和自动禁飞等,将其锁死,并尽早实现附近空域载人飞机信息提示,与此同时,也在安全区域给予无人机飞行更多空间。


其次,就是对无人机“黑飞”依法严厉追责。目前我国无人机方面的法律法规还比较滞后,缺乏强制约束力。无人机飞行信息如何实时接入管理系统,厂家该尽到什么管控责任,都需要更高层级的法规明确。此外,法律专家指出,根据《民用无人机空中交通管理办法》《民用无人机驾驶员管理暂行规定》等行政规定,“黑飞”适用的行政处罚额度最多只有10万元,震慑力比较有限。2017年初公安部推出的《治安管理处罚法(修订公开征求意见稿)》,倒是将“黑飞”行为提到了由公安机关处理的治安案件高度,这有望改变对“黑飞”处理较轻的现状。中国民航局也于2017年5月16日宣布,目前已经初步完成了民用无人机登记注册系统的开发,并于5月18日上线运行6月1日正式对质量250克以上的无人机实施登记注册,8月31日以后,未在系统中登记的无人机飞行将被视为违法行为。


我们有理由相信,在国家政策的支持下,中国无人机一定能在激烈的国际竞争中脱颖而出,为保卫国家安全,为促进经济发展,为改善人民生活水平做出贡献。


让我们一起迎接无人机时代的到来!


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本文观点来自于

《科技重塑中国》

【内容提要 】

本书聚焦中国重大科技工程,如北斗导航系统、高铁、大飞机等,多维度分析这些领域的发展历程、主要成就和关键节点;聚焦中国科学评价体系中的大事件,揭开其背后鲜为人知的故事,凸显科学评价体系的重要作用;聚焦科学领军人物,如钱学森、李政道、杨振宁、钱三强等,呈现他们为中国科技发展所做出的巨大贡献以及他们身上所体现出来的科学精神。


本书把学术性、思想性和可读性很好地融合在一起,适合对中国科技发展感兴趣的读者阅读,是高校学生理想的励志课外读物,也可以作为党员学习的通俗理论读物。


【作者简介】

黄庆桥,上海交通大学副教授。从事中国当代科学技术史的研究与教学。在《光明日报》《解放日报》澎湃网等官方媒体发表了100多篇通俗类的理论文章,文章立意新颖,论述角度独特,思想深刻。


《科技重塑中国

著者:黄庆桥

ISBN:9787313191311

定价:48元

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