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军用无人机行业研究锻造新域新质作战力量, [复制链接]

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(报告出品方/作者:山西证券,骆志伟、李通)

1.无人机发展史:系统功能和战术运用不断增强,逐步成为主战装备

1.1起步阶段(20世纪初-60年代):多作为飞行炸弹和靶机使用

以陀螺仪为基础发明的自动驾驶仪的出现,拉开了无人机发展的序幕,年斯佩里为美国海军研制的“空中鱼雷”完成首飞,同时期凯特灵为美国陆军研制成功了“凯特灵虫”飞行炸弹,第二次世界大战末期德国研制了类似于“凯特灵虫”制导原理的V-1飞行炸弹。随着无线电技术的发展与应用,无人靶机迅速发展,年英国DH.82B“蜂后”号的问世实现了无人机的回收,大大降低使用成本,为无人机的推广打下基础,二战末期到20世纪60年代,多国相继研制出多种靶机,一段时间内靶机成为无人机的代名词,这个时期无人靶机的发展也带动了遥控遥测技术、飞行控制与导航技术、小型发动机技术、发射与回收技术以及无人机专用设备等无人机关键技术的发展,为无人机未来的全面发展奠定了基础。

1.2实用阶段(20世纪60-80年代):战场上崭露头角

由于无人机具备无需考虑飞行员的疲劳和伤亡、成本相对较低等优势,并且随着照相机等早期侦察设备拍摄质量的提高,无人机不再局限于靶机方面的应用,开始在军事侦察中得到广泛应用。军用无人机首次大规模地应用于实战时在越南战场上,美军为了减少战机和飞行员的损失,采用无人机进行侦察,战争期间,“火蜂”系列无人高空侦察机使用了架次,执行了高空和超低空照相侦察、电子窃听、干扰无线电台通信等任务,战损率仅为16%。“火蜂”的出色表现展现了无人机的新价值,开辟了无人机使用的新阶段。

越战之后,以色列接过了无人机技术发展的火炬,并使无人机在贝卡谷地空战中大放异彩。年黎以冲突中,以色列奇袭了叙利亚部署在贝卡谷地的19个“萨姆-6”导弹连,短短几分钟就彻底摧毁了叙利亚和苏联苦心经营10年的防空网。战斗中,以色列首先派出了“猛犬”无人机作为诱饵,欺骗叙军打开了全部雷达,大量消耗“萨姆-6”导弹,同时以色列派出“侦察兵”无人机侦察机收集叙利亚导弹阵地的雷达位置和信号频率,并把信息传送给E-2C“鹰眼”预警机,“鹰眼”预警机作为空中指挥站,引导F-4战斗机发射反辐射导弹,对叙利亚军队的雷达系统进行了精确打击。

1.3发展阶段(20世纪90年代至今):局部战争中全面应用,渐成主力装备

随着无人机的军事价值逐渐被各国军方重视,众多高新技术被用于无人机上,比如新翼型和新材料的运用大大提升续航时间,先进的信号处理和通信技术大大提升信号处理和传输的速度等等,无人机的系统功能不断丰富,系统性能不断提升。同时20世纪90年代以后的多场高技术局部战争中,无人机的运用方式不断迭代升级,作战效果得到反复实践检验,无人机正成为战场上的多面手,从小规模应用的配角成长为常态化运用的主力装备。年阿富汗反恐战争中,无人机大显身手,开启“察打一体”无人机潮流。美军派出“全球鹰”和“捕食者”无人机进行全天候侦察,为了能使无人机直接打击地面目标,美国首次在“捕食者”无人机上挂载了“海尔法”导弹。年11月15日,指挥中心通过“捕食者”无人机侦察的信息,分析出疑似基地组织召开的会议,指挥中心控制“捕食者”无人机向召开会议的大楼和停车场发射“海尔法”导弹,击毙了基地组织的二号人物,这一击意味着无人机开始具备低空探测和直接攻击地面目标的能力,将侦察与打击融为一体,大大压缩了“观察-判断-决策-行动”的攻击链路,实现“发现即摧毁”的作战目的,提高作战效率,是无人机技术和功能的重要转折点,预示了察打一体化时代的来临。

纳卡战争中,无人机首次作为主战装备参战,首次实践无人机协同作战并取得卓越战绩。年9月阿塞拜疆与亚美尼亚爆发军事冲突,阿方综合运用各类无人机协同作战代替了地面部队的长驱直入,掌控了战场的制空权和主动权。阿方首先出动赫尔墨斯和苍鹭无人机纵深侦察亚方防空装备部署情况,随后出动安-2无人机诱使亚方防空系统开机,尽可能暴露和消耗亚方的防空力量,然后多架配备反辐射导引头的哈洛普无人机携带炸弹击毁亚方的防空系统,在亚方防空力量被大面积摧毁后,TB-2无人机携带导弹向纵深攻击亚方的军火库、指挥所、军事基地以及主战坦克等地面装备。

1.4中国无人机的发展:起步晚,但目前已达世界先进水平

我国无人机的研究起步较晚,始于20世纪50年代后期,由于苏联援助取消和专家撤离,我国空军的主要靶机拉-17严重缺乏,从而促成我国下决心搞自己的无人靶机,“长空一号”(CK-1)应运而生。20世纪60年代越南战争时期,我军击落数架美国“火蜂”无人侦察机,通过仿制“火蜂”无人机,研制了“长虹一号”(无侦-5)高空、高亚音速多用途无人机,主要用于军事侦察、高空摄影、靶机、地质勘查等任务。

“长鹰”系列无人机系统是我国第一套大型中高空远程无人侦察机系统,具备一定隐身能力,被称为中国的“全球鹰”,最大续航时间大于40小时,最大载重为kg,具备数千公里的战略侦察能力。“翼龙”-1无人机是我国第一款研制成功的中空长航时察打一体无人机,年原型机实现首飞,年完成性能/任务载荷飞行试验,之后我国又陆续研制成功了彩虹-3、彩虹-4等型号的察打一体无人机,“翼龙”和“彩虹”系列无人机也是我国无人机出口的主力机型。年国庆阅兵首次展示了多种先进的无人作战飞机,其中“无帧-8”是一款飞行于临近空间的高速隐身无人侦察机,“攻击-11”是一款高空长航时察打一体隐身无人机,这些无人机的研制成功代表了我国无人机设计制造水平已达到世界先进水平。

1.5无人机系统组成及分类

经过近百年的发展,无人机技术的发展和系统复杂程度不断提高,战术运用不断增强,无人机为了高效完成任务,除了飞行平台和任务设备外,还需要地面控制设备、数据通信设备以及起降回收装置等进行辅助,典型的无人机系统由飞行平台、动力装置、航电系统、任务载荷系统、地面系统、综合保障系统等子系统组成。

无人机的应用领域非常广泛,为了适应不同的使用要求和应用场景,无人机在尺寸、质量、性能等方面差异明显。针对无人机的多样性,可以从用途、飞行平台构型、大小、飞行性能(速度、航程及实用升限)等角度进行分类。

2.察打一体无人机:即察即打,把握稍纵即逝的战机

察打一体无人机通过将无人侦察机配备打击武器,实现侦察和打击的一体化,可以及时地向其所探测到的目标发动攻击,大大缩短对目标的“杀伤链”周期,极大提高了侦察信息的时效性和攻击的准确性。从年阿富汗反恐行动中美军首次实用察打一体无人机发射“海尔法”导弹开始,察打一体无人机已经逐步成为空中作战力量的重要环节,并逐步从配角走向主力,从承担空中狙击的孤军作战向网络信息数据共享环境下的多无人机、有人无人协同联合作战模式发展。察打一体无人机从中空长航时无人机发展而来,经过20多年的发展,展现出良好的发展前景,各国对作战类无人机的研制和装备的投入不断加大,随着人工智能技术的发展和应用,察打一体无人机在战术应用和系统功能方面还有很大的发展空间。

2.1动力装置:无人机的“心脏”

无人机动力装置主要为无人机提供满足飞行速度和高度要求的推力,并为无人机航电系统和任务载荷系统提供电力及功率支持,作为无人机的“心脏”,其性能在很大程度上决定了无人机的作战性能。为了满足无人机在飞行高度、航时、工作任务等方面的不同需求,无人机动力装置的功率和推力变化范围很大,但基本上是属于中小型发动机的范畴,按类型分为电动动力系统、活塞动力系统和空气喷气动力系统。

活塞发动机是无人机最早、最广泛使用的动力装置,技术较为成熟,具有良好的经济性和可靠性,一直在中低速无人机和长航时无人机领域占据主导地位,相较汽油活塞发动机,重油活塞发动机具备更优异的燃油性能和高空性能。相比活塞发动机,涡轴/涡桨发动机具有功重比大、结构紧凑、振动小、高原性能好、燃料适用性好、便于维修等优点,因而涡轴发动机代替了活塞发动机成为直升机的主要动力装置,尤其0.7t级以上的直升机平台多采用涡轴发动机,在中空长航时领域,涡桨发动机也在中大型固定翼无人机中具有广泛应用。在万米以上高空条件下,活塞发动机因空气稀薄性能急剧衰减,螺旋桨的推进效率也同样会大幅降低,能够解决活塞发动机升限和高原起降问题的多级增压技术尚待攻克,因而必须使用高增压比高性能的燃气涡轮发动机,其中涡喷发动机具有结构紧凑、质量轻、尺寸小、推重比大、响应快和相比涡扇发动机成本低等显著优点,能使飞行器实现高速飞行,高空、高速无人机动力装置一般会首选涡喷发动机,另外在高速靶机、靶弹等特殊的应用领域小推力涡喷发动机仍然具有独特的地位,而涡扇发动机具有耗油率低、寿命长、易于实现系列化等优点,其质量和推力等级能与无人机实现较好匹配,对于高空长航时无人机,涡扇发动机仍是最佳动力选择,其升限一般在~m,最大飞行马赫数(Ma)可以达到0.85,世界最高水平的无人机多数配备的是涡扇发动机。冲压发动机在飞行马赫数大于3的条件下使用相比燃气涡轮发动机有较高的经济性,适合高空高速飞行,但缺点是不能自行起动,需借助其他发动机助推飞行至0.5Ma以上才能有效工作。电动无人机目前常用的是锂电池供电,多用于小型固定翼和多旋翼无人机,但锂电池存在续航时间短、低温下性能差的问题,因而衍生出氢燃料电池和太阳能电池动力能源,多用于中型固定翼和体型较大的多旋翼。

由于无人机动力需求与有人驾驶飞机有一定区别,而国内大部分资源都投入到主力战机的配套发动机研发中,导致目前国内无人机动力的发展滞后于无人机系统的发展。活塞发动机方面,国外主要有奥地利罗塔克斯(Rotax)公司、美国莱康明(Ly

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