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深度|美國海軍確定MQ-4C的前沿作戰基地;全方位解密MQ-4C無人機

深度|美國海軍確定MQ-4C的前沿作戰基地;全方位解密MQ-4C無人機

【據unmanned systems technology 網站,2017年2月16日報道】美國海軍宣布,選擇佛羅里達的梅港海軍基地(NS)作為MQ-4C Triton無人機在東海岸的前沿作戰基地(FOB),用於發送和回收及維護無人機。美國海軍將於今年開始啟動基地設施建設,作為400多名Triton無人機相關人員的永久服役基地,梅港海軍基地將提供美國大陸之外的輪流部署任務,首批Triton無人機計劃在2020年抵達該基地。

作為RQ-4「全球鷹」高空長航時無人機的海上衍生型,MQ-4C無人機是諾格公司為美國海軍精心設計的一種先進自主飛行器任務系統,主要角色是作為P-8A「海神」反潛巡邏機的助手,在大洋上空執行情報、監視與偵察(ISR)任務,成為美國海軍的一種全新「力量倍增器」。按照計劃,美國海軍將在2017年10月開始接收MQ-4C無人機,預計在2018年部署到關島。

註:Triton 的意思為「海神」,目前新聞媒體採用了直譯「人魚海神」(人身魚尾的海神),有些不易理解;根據希臘神話故事中的角色關係和美國海軍P-8A與MQ-4之間的協同關係,筆者認為,譯為「海神信使」較為恰當。

2013年5月22日,MQ-4C無人機實現首飛

滿足作戰需求

早在20世紀90年代末,美國海軍針對在役反潛和監視平台更新換代的迫切需要,開始考慮未來執行多種海上作戰任務的新型平台及其發展途徑,並初步制定了一項稱之為「廣域海上監視」(BAMS)遠景規劃,旨在打造一個全球海上監視和攻擊網路,繼續保持自身在海上的絕對力量。

依據這一發展藍圖,美國海軍率先制定了一項多用途海上飛機(MMA)計劃,最終發展出P-8A反潛巡邏機。與此同時,美國海軍決定研製一種陸基長航時無人機,協助海上巡邏機隊監控海面上的一舉一動。按照設想,BAMS無人機將向美國海軍提供一種持久的全球ISR系統,具有探測、跟蹤、分類和識別海上目標的能力,為其海上巡邏機隊提供預警。此舉標誌著美國海軍正在加快步伐,開始尋求一種低空飛行戰術系統或高空長航時無人駕駛平台,將BAMS無人機的設想向前推進了一步。

為了積累使用經驗,美國海軍從空軍購買了兩架早期型「全球鷹」,通過改進機載感測器,成為「廣域海上監視」項目的驗證機(BAMS-D),以提供更好的海上性能,並在2008年將其中一架部署到美國中央司令部。其中一架BAMS-D試驗機在試驗期間墜毀,而另一架BAMS-D試驗機的飛行時間已超過21000小時。

從BAMS無人機項目浮出水面到RQ-4N方案脫穎而出,再到MQ-4C無人機出廠和試飛,諾格公司在十年時間裡通過關鍵技術驗證和各項設計優化,將「全球鷹」高空長航時無人機發展成為一種全球海上作戰平台,提供了持久的海上ISR數據搜集與分發能力。

根據美國海軍的作戰理念,BAMS無人機將作為P-8A反潛巡邏機的一個補充,極大地延伸海上偵察的視野。這種無人機的任務範圍BAMS無人機的任務範圍包括海上監視、敵方作戰信息搜集、戰場損傷評估、港口監視、通信中繼,還有作戰支援、海上封鎖、戰場空間管理、海上定位及攻擊瞄準。它可以在更廣大範圍內持續不斷地監視海洋或陸地,大大增強戰場態勢感知能力,並通過一條通用數據鏈實現情報信息的無縫連接,將探測到的潛在目標及時地傳送給P-8A反潛巡邏機,協助其跟蹤和攻擊目標,顯著縮短「從感測器到射手」的時間。

2010年8月,美國海軍宣布將BAMS無人機正式命名為MQ-4C型,從而打破了「全球鷹」系列無人機一直使用RQ命名的慣例。美國海軍的這一舉動引起了外界的密切關注,紛紛猜測MQ-4C無人機有可能在正式服役后也會配備武器,具備一定攻擊能力。然而,美國海軍一再澄清,採用MQ命名「海神信使」無人機的目的並非讓其具備攻擊能力,而是反映出它採用了多功能有源感測器。

諾格公司正在組裝MQ-4C原型機

優化總體構型

2012年6月14日,首架MQ-4C廣域海上監視無人機系統的原型機在位於加利福尼亞州帕姆代爾的美國空軍第42製造廠正式出廠。作為「全球鷹」家族的新成員,MQ-4C無人機承襲了總體構型,但是根據海上任務的特點,相應地改進了局部構型。

與RQ-4B無人機明顯不同之處是,MQ-4C無人機在機身腹部安裝了一個圓拱形雷達天線罩,並在機頭下頜處安裝了一個多頻譜感測器的轉塔。同時,該機在進氣道的進口採用鈦合金整流罩,亮白的金屬色令人一目了然。

與「全球鷹」始終在高空飛行不同,美國海軍要求MQ-4C無人機在執行任務期間具有更好的機動性,在發現可疑目標后,可以降低飛行高度,對目標進行重點偵察。由於所承擔的任務角色有所不同,MQ-4C無人機在高空探測和鑒別目標時,效果並不理想,尤其在多雲天氣下難以獲得清晰的圖像,需要適時下降到5000米高度飛行,以便在低空更好地監視可疑艦船及其活動。

然而,MQ-4C無人機頻繁地改變飛行高度,不得不面臨兩個現實問題。首先是氣動穩定性。該機在低空巡邏飛行過程中容易遭遇到陣風載荷,對於機翼強度提出了更高的要求。為此,諾格公司在研製MQ-4C無人機時,專門增強了機翼內部結構,並借鑒了「全球鷹」Block 40型的設計,在後機身專門加裝了雙腹鰭,以減緩低空湍流對橫向穩定性的影響。

其次,海面上潮濕的空氣會在進氣口和機翼前緣產生結冰現象,嚴重情況下會危及發動機安全和氣動性能降低。為了適應美國海軍的作戰使用環境,諾格公司專門在進氣道的進口處採用了一種民用防冰/除冰系統,並在機翼前緣和垂尾前緣也安裝一種由經美國聯邦航空局認證的除冰系統,力求及時化解潛在危險。此外,該機還採取了抗冰雹和抗鳥撞等措施。

2013年5月22日, MQ-4C無人機在加州帕姆達爾完成首次試飛,標誌著一系列驗證測試工作正式啟動。2014年3月13日,美國海軍宣布,MQ-4C無人機已經完成飛行包線擴展的初步飛行試驗,旨在測試這種海上無人偵察機在不同速度和高度下的基本性能。作為一種執行高空、長航時ISR任務的平台,「海神信使」無人機具有3704千米的航程,續航時間超過24小時,在一次任務中就能夠覆蓋接近700萬平方千米的海域。

2016年,「海神信使」原型機開始實施了一系列重載飛行試驗,通過機內滿載燃油,有助於顯著擴大無人機在高空持續飛行的預期時間。在2016年6月的一次單獨試驗中,MQ-4C原型機在滿載燃油的情況下,首先爬升到610米,然後又爬升到914米高度。這項計劃將繼續實施重載試驗,直到「海神信使」原型機的最大飛行高度達到1830米。

MQ-4C無人機的主要特徵與美國空軍裝備的「全球鷹」有所不同

諾格公司在帕特森特河航空站測試MQ-4C無人機

空中防撞系統

MQ-4C無人機在研製過程中最具挑戰性的要求之一是無人機必須具備在可控空域外安全飛行的能力。按照最初簽訂的合同,ITT Exelis公司將為MQ-4C無人機提供一種空對空雷達子系統――機載感知與規避(ABSAA)雷達,也被形象地稱為「預先關注」(Due Regard)雷達。這種雷達能夠使無人機完全滿足國際民用航空組織的要求,即軍用和他國飛機在國際水域上空飛行時,都應該「預先關注」民用飛機的安全。

ABSAA雷達安裝在無人機的鼻錐後面、衛星通信天線的前方,採用一種三面薄瓦式的有源電子掃描陣列,工作於Ku波段,探測距離大約為14~18千米,水平視場達到220度,俯仰視場達到60度。MQ-4C無人機飛行期間,該雷達將向地面站提供信息,由操作員及時發出指令,讓無人機遠離可能發生碰撞的空域;未來,具備自主飛行能力的無人機將基於ABSAA雷達的數據,自行改變飛行路徑。

遺憾的是,由於技術問題和成本超支,美國海軍在2013年6月終止了ABSAA項目,並專門成立了一個專家組,以評估如何替代這一子系統。時隔三年多后,美國海軍在2016年11月宣布,將在MQ-4C無人機上安裝下一代空中防撞系統。

目前,諾格公司已經到一份價值不費的合同,將機載防撞系統X(ACAS X)的自動響應模塊(ARM)安裝進MQ-4C無人機的航空電子系統中,主要用於測試和保障相關軟體,確保無人機的特有功能。這種技術有助於保持MQ-4C無人機安全地與民用和軍用飛機保持一定距離,減少飛行中發生碰撞的風險。

ACAS X由美國麻省理工學院林肯實驗室研製,可以探測和跟蹤其他飛機,評估潛在的碰撞風險,及時發出提醒,以阻止空中相撞。該系統以每秒一次的頻率提取和處理監視數據,針對每一架目標飛機來確定最佳的行動。

ACAS X可以跟蹤不同飛行模式的平台,從而允許相對於其他飛機更近距離地飛行,同時保持各種安全協議。據林肯實驗室介紹,先進的跟蹤演算法不僅採用概率模型來代表飛行員無回應、監管過失等各種不確定性,並且通過計算機優化演算法,全面考慮到由系統專家和操作用戶定義的安全和使用的目標。

ACAS X通過四種具有互操作的型別,為具備不同操作能力和飛行性能的飛機提供了防撞保護。其中,ACAS Xu專門優化用於無人機系統,小寫的u代表了「無人駕駛」(unmanned)的意思。

2015年初,MQ-4C無人機在安裝了綜合多功能能力(IFC)2.2軟體后,正式開始感測器系統的飛行試驗。該軟體將把諾格公司多功能有源相控陣雷達和雷神公司的多頻譜目標截獲系統、電子支援措施、自動識別系統集成為一體,從而具有足夠的功能性,以滿足美國國防部規定的「里程碑C」要求,為正式投入生產做好準備。

ITT Exelis公司研製的ABSAA雷達無法滿足性能要求

林肯實驗室研製的ACAS X主要用於有人駕駛飛機

採用全向雷達

憑藉著出色的長續航能力,MQ-4C無人機在廣域監視領域具有無與倫比的優勢,而出色完成ISR任務的關鍵是腹部安裝的多功能有源感測器(MFAS),正式編號為AN/ZPY-3型。MFAS雷達是第一種能夠從極遠的距離對海洋及沿岸提供360度持續覆蓋的雷達系統,採用了2D有源電子掃描陣列(AESA),具備海上模式和空地模式,可以遠距探測、識別和跟蹤海上和沿岸的多個目標。

針對機載任務載荷的最重要組成部分,美國海軍在戰術性能上最初只要求BAMS無人機的雷達具備270度覆蓋範圍。然而,諾格公司在投標中提出了擴大MFAS雷達覆蓋範圍的設計方案,使得RQ-4N方案相比於其他競爭方案,具備了明顯優勢。諾格公司在研製MFAS雷達過程中,充分利用了早期為NP-3C「美洲氂牛」(Hairy Buffalo)飛機研製的APY-6合成孔徑地面活動目標指示雷達,同時借鑒了美國海軍在實時精確瞄準雷達項目積累研製經驗,並移植了APG-77、APG-81等機載相控陣雷達的部分關鍵技術。

MFAS雷達採用了一個旋轉式電子掃描感測器,工作在X波段,通過一個萬向支架固定在機身腹部。從工作機理來看,它將電子掃描與機械旋轉合為一體,使MQ-4C無人機獲得了一個360度視場,而不僅僅只是掃描一側或另一側,意味著可以在數百英里上空俯視到下方任何方向的任何目標。

憑藉這種靈活的覆蓋能力,MFAS雷達可以對感興趣的區域進行聚束照射,以更長時間地凝視特定位置,增強在海浪等雜波背景下探測小型目標的性能,使操作員可以更好地跟蹤海上目標。該雷達一旦探測到目標,將會以跟蹤、單幀快照以及高解析度快照的不同形式,將數據發送到地面站,同時仍繼續保持360度覆蓋。

對海搜索時,MFAS雷達具備跟蹤海上目標的海面搜索(MSS)模式和識別艦船的逆合成孔徑雷達(ISAR)模式,並能夠在各種模式之間敏捷地轉換。在MSS模式掃描過程中,邊掃描邊成像能力可與ISAR功能進行瞬間交替,以得到ISAR的快速成像和較高的距離解析度。

對地搜索時,MFAS雷達具有兩種合成孔徑雷達(SAR)模式。其中,聚束式合成孔徑的波束始終指向地面上的固定區域,用於對地面和靜止目標成像;條帶式合成孔徑的波束指向始終保持不變,沿著固定方向實現成像,掃描過的區域呈現條帶狀,能夠在相同時間裡對更大範圍的區域進行成像。

在研製階段,MFAS原型機安裝在「灣流」II試驗機上,曾經完成了一次2小時的飛行試驗,搜集了6000幅ISAR圖像。2011年6月,諾格公司正式生產出首部MFAS雷達,在12月16日完成了第一次測試飛行,按照計劃將完成30次試飛,主要是成熟這種雷達的海面監視模式的性能。其後,MFAS雷達的測試過程分為雷達集成、模式集成與優化、數據採集等三個階段,確保美國海軍在未來作戰使用中獲得一個持久、通用的海面目標圖像。

MQ-4C無人機在機身腹部裝有MFAS雷達

諾格公司利用「灣流」II試驗機測試MFAS雷達

加裝多種系統

根據海上任務需要,MQ-4C無人機在機頭下採用了雷神公司研製的多頻譜目標截獲系統(MTS-B)。目前,該系統已經用於MQ-9「死神」無人機上,在萬向節中設計有一個慣性測量部件,由固態光纖陀螺和加速度計組成,可以精確測定平台的姿態,生成控制信號,保證轉塔內的感測器能夠穩定、精確地指示目標。

MTS-B具備了紅外、光電、激光指示等能力,並採用了先進的數字體系結構,可以實現遠程空中監視、高空目標截獲、跟蹤、測距,主要用於偵察和瞄準。它在技術上最突出特點是把圖像融合能力作為標準配置,提高了對圖像的處理能力和清晰度。例如,全動態視頻可以實時捕獲海面船隻的高解析度圖像或視頻,並通過數倍電子變焦獲得進一步放大的畫面,以便通過視覺識別艦船。

與主要偵察陸地目標的「全球鷹」不同,MQ-4C無人機還根據海上巡邏任務需要安裝了一種自動識別系統(AIS),類似於飛機上安裝的敵我識別器,可以接收到海面上行駛的船隻通過VHF頻段廣播數據傳輸系統自動、定時播發的信息,有效地採集到相關的船籍、船型、位置就航向等多種數據,從而可以全面地掌控目標海域的戰場態勢,完善海上ISR手段。

MQ-4C無人機可以藉助兩種常規的無線電頻率,也可以通過數據鏈,直接與美國海軍即將裝備的P-8A反潛巡邏機之間保持通信。它還可以將數據信息傳輸到地面站,經過評估和篩選后,再傳輸給正在執行任務的P-8A反潛巡邏機。

根據高解析度視頻和其他數據的傳輸需要,MQ-4C無人機將「全球鷹」使用的10.7兆位元組/秒的數據鏈,更新為一種非專用的數據鏈,將容量增加了一倍。該機還將集成一種VHF/UHF中繼載荷,以便作為低空飛行的海上巡邏飛機和直升機與水面船隻的通信中繼平台。

2016年6月2日,美國海軍在帕特森特河海軍航空站開展了一次飛行測試,MQ-4C無人機利用通用數據鏈系統,與P-8A反潛機成功地交換了全動態視頻信息。此次測試驗證了MQ-4C無人機利用光電/紅外感測器跟蹤水面目標,並為數千米外P-8A反潛機的機組成員構建態勢感知的能力,未來還將進一步發展兩種飛機的互用性,使二者可以協同執行任務,全面監視遼闊的海上區域。

此外,該機還集成了AN/ZLQ-1電子支援測量系統,具有跟蹤船舶能力。AN/ZLQ-1電子支援措施採用全數字化的特定發射器識別(SEI)技術,通過監測無線電頻率,探測和跟蹤感興趣的發射機。

從外部細節對比還可以看出,MQ-4C無人機保留了「全球鷹」的Ku波段天線、敵我識別(IFF)天線、UHF視線通信天線、空中防撞系統(TCAS)天線和GPS天線,但是圍繞作戰需要,在發動機艙上部增加了Link-16數據鏈天線和通用數據鏈(CDL)天線,在後機身下部安裝了一副CDL天線,在機翼外段加裝了電子情報(ELINT)天線。

MQ-4C無人機在機頭下部裝有MTS-B系統

MQ-4C無人機可以利用MTS-B系統精確識別海上目標

與原定計劃相比,MQ-4C無人機的研製進度幾度推遲。2016年10月,美國海軍在佛羅里達州傑克遜維爾海軍航空站組建了第一支配備「海神信使」的無人巡邏中隊(VUP-19),預計在2017年底形成初始作戰能力。根據計劃,該中隊將在2018年實現首次部署,駐紮到關島。該機從關島起飛后,可以直接飛往南海或日本海,在上空實施不間斷偵察。

美國海軍憑藉著MQ-4C無人機的性能優勢,將極大地增強對亞太地區的戰略偵察能力。按照最初的「廣域海上監視」項目,美國海軍計劃採購68架MQ-4C無人機,與117架P-8A反潛機組成編隊,逐步替代現役的P-3C巡邏機。但是,美國海軍航空系統司令部(NAVAIR)負責MQ-4C項目的吉姆·霍克上校透露,美國海軍可能考慮減少MQ-4C無人機的採購數量,因為它的可靠性高出預期。

到時,MQ-4C無人機將與P-8A反潛巡邏機在西太平洋協同執行偵察與監視任務。每個中隊可以根據任務要求,在每年80%時間裡,執行每周7天、每天24小時的持續監視任務。美國海軍認為,高空巡航的MQ-4C無人機與低空飛行的P-8A反潛巡邏機之間相互配合將有效提高偵察能力。由於可執行廣域監視任務,MQ-4C無人機只需在必要時才召喚P-8反潛機。

美國海軍表示,將把MQ-4C無人機陸續部署到5個基地,以實現覆蓋全球的目的。據非官方消息,這5個基地分別是美國本土的佛羅里達州的傑克遜維爾海軍陸戰隊基地和加利福尼亞州的穆古角海軍航空站、義大利的錫戈奈拉海軍航空基地、太平洋的關島安德森空軍基地和印度洋的迪戈加西亞基地。但是,從近年來的一些軍事動向來看,澳大利亞的科科斯群島有可能替代迪戈加西亞基地。

作為P-8項目的合作夥伴,澳大利亞將採購8架P-8A反潛巡邏機,同時也決定引進7架MQ-4C無人機,將在2023年正式服役。德國正在評估MQ-4C無人機的關鍵技術數據,正在考慮將其作為「歐洲鷹」監視與信號情報計劃終止后的替代方案。在亞洲,印度對MQ-4C無人機表示出了濃厚興趣,日本航空自衛隊被認為是一個潛在用戶。

MQ-4C無人機與P-8A飛機協同海上巡邏的示意圖

2018年,MQ-4C無人機將部署到關島,在西太平洋上空執行ISR任務

無人系統技術

《無人系統技術》,是由北京海鷹科技情報研究所、宇航出版有限責任公司主辦,由無人系統產業聯盟、指揮與控制學會無人系統專業委員會協辦的綜合性學術期刊(雙月刊)。旨在以科學的態度,全面系統反映無人機、無人車、無人船、智能機器人等無人系統領域的科技成果;搭建無人系統領域的政策、研發、生產、管理、市場需求的信息服務平台;促進創新鏈、產業鏈、市場鏈的有機銜接,推動無人系統產業的進步。《無人系統》主要欄目包括戰略與政策、市場與應用、項目追蹤、技術發展等歡迎廣大讀者訂閱本刊,也歡迎作者踴躍投稿!

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