高空长航时无人机

背景

高空长航时无人机从上个世纪90年代开始出现，最初的发展目的只是打算取代有人驾驶的U-2/TR-1高空侦察机。美国对高空侦察机的喜爱从50年代开始，广泛用于对苏联、中国等敌对国家的战略战术侦察。在古巴导弹危机中，U-2高空侦察机立下了赫赫战功；在对苏联的侦察中，也成功发现米亚-4战略轰炸机的数量讹诈，对美国的战略态度和军事发展方向都起到了决定性作用。不过，随着地空导弹和高空高速战斗机性能的日益增强，有人驾驶低速高空侦察机的生存力开始下降，特别是驾驶U-2飞机穿越苏联上空进行侦察的鲍尔斯被苏联俘虏后，差点引发两国直接交火。在联合国大会上，苏联证据确凿地指责美国侵略，让整个美国在道义上和态度上都极端尴尬。随后，侦察卫星的出现一定程度上取代了传统高空侦察机的地位。但是1990年海湾战争期间，美国发现他们数量庞大、性能先进的卫星并不能完全满足侦察需要，传统的高空侦察机不但没有被取代，反而越来越重要——U-2/TR-1侦察机大量活动在伊拉克上空，甚至不得不把已经退役的SR-71“黑鸟”侦察机拖出来，担任繁重的侦察任务。

国外发展

海湾战争结束以后，根据在战争中对侦察情报信息的需求，美国开始发展高空长航时无人侦察机。因为不需要飞行员驾驶，飞机可以不考虑复杂的操纵系统和高空维生系统，可以做得很轻，体形可以做得更修长、阻力更低，能够飞得更高。最初，该计划带有很大的试验性质，由美国先进技术发展局（DARPA）负责。他们规划了三种不同等级的无人机设计指标，方案被称为“蒂尔”I/II/III，其中因为试验的大获成功，“蒂尔”II由空军接手后发展成为大名鼎鼎的“全球鹰”。

以色列以战术侦察、诱饵等目的发展了一系列轻型无人机，最初主要用于地面火炮部队的侦察和校正，随后在入侵黎巴嫩以及贝卡谷地战斗中大放异彩，受到世界各国追捧，连美国都采购了其生产的“先锋”无人机，用于陆军火炮侦察和海军炮位校正等。不过，美国很快把注意力放在能力更强更大的高空无人机上。与之前使用的无人机不同，美国发展的高空无人机体积和重量都非常大，有着较高的载荷能力。大载荷允许这些无人机使用一些更复杂和更先进的设备，比如移动卫星通讯设备、红外成像监视设备、高清晰度电视监视设别、数字式高分辨率侦察照片、合成孔径雷达的地形地貌侦察以及用于监视地面机动目标的逆合成孔径雷达等。

和传统的U-2/TR-1高空侦察机不同，高空无人机的能力不仅是多频谱、多波段的，而且都是数字化，能够提供实时视频和图片，当有云层遮掩或者清晰度不足的时候，还允许飞机降低飞行高度增加辨识能力。一架高空长航时无人侦察机可以提供的目标信息，需要数十架“先锋”这一类低空侦察机才能达到同样功效，并且简单的低空侦察无人机携带设备种类单一，要实现多频谱侦察，需要出动更多的飞机才行。其实，最主要的理由还不是高效能的问题，战术无人机的大规模应用受到通讯技术的限制，传统数字化远程无线电台的传输速度对于简单的文字语音是完全可以的，如果用来传输高分辨率数字照片和实时动态视频就比较困难了，特别是当空域中有多架飞机使用时，频道和频率占用的问题相当严重，如果出现电子干扰，这种通讯的保障就更加困难。大型无人机既可以使用短波数字无线电台，也可以使用移动式数字卫星通讯装置。移动卫星通讯装置可以和太空中的通讯卫星通过定向通讯进行高速数据传输，不管是保密性抗干扰性还是传输速度都数十倍于传统的无线通讯。不过，目前的点对点卫星通讯频道还是比较有限的，并不能普及到每一架无人机上去。大型高效能无人机可以大大减少使用空域的无人机数量，进而减少通讯频道的占用压力。象“全球鹰”那样的无人机，数千平方公里的大战区里最多同时会有5～8架，卫星通讯频道占用程度在许可范围，远程短波通信频道占用程度也能接受。

中国起步

中国在80年代开始使用无人机，最初主要作为防空系统的靶机和干扰诱饵等。80年代末，中国从以色列购买一批“先锋”无人机，用于炮兵定位和校射侦察，数量不多，带有很强的试验性质。另外，中国也利用原来的高空高速靶机尝试改进成为侦察无人机。90年代末，某型中低空战术无人机系统定型成功，正式大量装备部队，并在多次合成军事演习中获得好评。该型中低空无人机极大扩展了中国陆军长期缺乏的灵活高效实时侦察能力，特别是具有多波段观察手段和实时反馈的侦察信息。不过，这种无人侦察机活动时间较短、飞行速度低，只适合师以下作战单位使用，需要单独的控制中心和通讯中心才能正常工作，常常以野战小分队的形式进行操作，覆盖一个野战师典型作战宽度200公里、纵深80～120公里的面积需要10~15架，24小时不中断信息需要超过50架，连续一周以上需要上百架进行支持。此外，还需要考虑到低空活动会有较大的战时损耗，数量有限的无人机野战小分队是不可能满足这样要求的。

中国现在缺乏集团军级别使用的有效快速侦察系统。空军的侦察机主要以照片拍摄型为主、雷达侦察型为辅，很难立刻提供实时视频信号，情报需要经过分析以后才能转交到战区指挥所，一来一去最快也要24小时以上，以至于在小型无人机装备后战区级别的信息更新速度还不及下级指挥所。针对这种情况，参照美国无人机开发计划和在第二次海湾战争、阿富汗战争、波斯尼亚战争中的实战应用和表现，中国感到需要开发一种大型高空长航时无人机系统。这种系统飞行速度快、留空高度高。俗话说“站得高看得远”，高空无人机因为飞行高度高，只需要通过转动镜头或者雷达就能监视很大宽度的战场情况。以“先锋”无人机来说，其飞行高度在1000~2000米，侧向观察距离小于6公里，两侧宽度加起来才10~12公里左右；而“全球鹰”的飞行高度是18000米，侧视观察距离可以远达40~60公里，飞行轨迹两侧80~120公里的宽度都在视野范围以内。另外，“先锋”这一类低空活动的无人机飞行速度慢，一般飞行速度在120公里/时，而“全球鹰”这一类飞机的飞行速度大于650公里/时，结合两者的视野差距，一个小时内两者可探查面积差别可以达到50倍以上，也就是说一架“全球鹰”的侦察信息量和侦察面积需要至少40~70架以上的“先锋”无人机才能达到同样的效果。由此可见高空系统和低空系统的效能差距有多么大。 

另外，高空无人机的观察高度高，使用大视场镜头或者宽波束扫描雷达可以监视车队、大批量流动的人员、空旷的荒漠和海面零星目标活动等动态趋势，可以提供大范围内战术信息的统计和判别，这是低空侦察机比较难以实现的功能。和先进的侦察卫星相比，高空无人机距离地面只有18公里，而性能最好的KH-12“锁眼”卫星在最低的轨道时距离地面也要超过120公里。卫星虽然可以提供更宽的观察范围，但是分辨率远远不如高空侦察机。如果说“锁眼”能看清楚地面汽车的型号，那么“全球鹰”可以看清楚驾驶汽车的人是谁。卫星最大的弱点在于观察信息不连续。受轨道运行规则的限制，卫星一天虽然能绕地球18圈，但每一天通过同一个地方的次数并不太多，每一次能观察的时间不到半小时，持续监视能力非常差。美国“锁眼”卫星虽然可以通过变轨实现很高的重复通过率和低轨道观察能力，但是一旦频繁动用这样的观察能力，原本可以在天空服役5~12年的卫星，在轨存活能力就会迅速缩短到7天。

“锁眼”这样的大型卫星美国目前只有航天飞机能够发射，“哥伦比亚”号事故发生以后，航天飞机的能力几乎被剥夺，卫星的使用限制也变得相当高了。高空无人机的优点正好能弥补卫星的缺点，其运行轨迹比较自由，可以长时间在一个地方盘旋，在目标上滞留的时间可以超过10小时以上，只需要交替出动两架飞机就能保证24小时不间断实时监控。同时，当卫星受到云、雾等干扰时，无人机可以下降到6000米以下观察，受气候限制非常小。鉴于高空无人机的巨大的性能优势，中国在国家级重大科技发展规划“863计划”中正式将高空长航时无人机列为重点开发计划之一，以中国航空研究院为中心，全国各相关研究所、大学科研中心分别担负各种分系统的开发和研究攻关。