连载丨军用无人机设计应考虑的七因素（上）

1.机身尺寸受燃料影响

无人机的机身决定了其空气动力学参数、性能和有效载荷参数。在任何系统的设计阶段，设计人员都需要做出一些基础性的取舍决定。在设计之初，设计人员就要决定无人机所需的航程、有效载荷重量以及尺寸，以使其能够在多种任务中发挥作用。这些参数将决定推进解决方案的选项，后者又反过来对机身携带的燃油或电池量提出要求。通过一个称为“燃料尺寸匹配”的过程（如图1所示），设计人员可根据必须携带的燃油或电池量来确定所需的机身大小，从而确定在要求的飞行时间和航程内所需携带的有效载荷。

图1. “燃料尺寸匹配”过程

如图1所示，航程和续航时间对于确定无人机的尺寸、配置和成本来说至关重要。航程越远需携带的燃油和电池就越多，进而机身尺寸也需增大增重。增大增重又意味着能耗更高，进而导致燃油和电池需求量提升，如此循环反复。因此，任务有效载荷和航程要求的少量增加也会使无人机机身尺寸、重量和成本出现显著提升。

2.旋翼与固定翼无人机的设计比较

无人机机身配置取决于所要求的航程和飞行性能。一般而言，旋翼无人机虽然在航程和续航时间一定的情况下飞行能效相比于固定翼无人机更低；但是，它能够在特定地点盘旋，在复杂地形进行垂直起降，具备更小的转弯半径。因此，对于很多任务来说，旋翼无人机所提供的灵活性值得其在尺寸和动力不变的情况下牺牲部分续航时间和有效载荷量。相比之下，固定翼无人机在成本和尺寸不变的情况下，能够飞得更远、更久。然而，固定翼无人机需要平整开放的空间起飞和降落，可能无法进行急转弯或悬停，并且其飞行轨迹的可预测性较强，这使得其更易被敌方探测和拦截。

其他潜在的重要机身考量还包括抵御恶劣气象条件的能力。例如，机身需具备一定的防水能力、散热或冷却能力、除冰能力等，这些要求都会增加机身成本、重量和复杂性。

图2. 固定翼无人机与旋翼无人机

无人机的推进系统类型主要有三种：螺旋桨发动机、涡轮喷气式发动机或火箭发动机。

1.螺旋桨发动机类型取决于所要求有效载荷和航程

在燃油或电池容量一定的情况下，由螺旋桨发动机驱动的无人机航程最远。螺旋桨发动机简单、成本最低，是大规模可消耗无人机的首选。然而，其巡航和俯冲速度却最慢，而且会产生转子声音，容易被敌方的被动声学传感器轻松探测、分类和追踪。

螺旋桨发动机有电动机和内燃机之别。电动机噪音小、成本低、安装简单、后勤保障更轻松。然而研究发现，在燃油和电池重量相等的情况下，电池所能提供的动力比燃油少260倍。不仅如此，在要求航程/续航时间增加或非线性飞行时间提升的情况下，这一问题更为严重。这是因为电池与燃油不同，其重量不会随着飞行的进行而减少。这意味着，增加电池容量以提高航程的措施随着航程的增加而越来越不起作用，对于那些非一次性单向攻击系统来说尤为如此。相比之下，内燃机安装更复杂、噪音更大，但其动力更强、航程更远。因此，对于需要携带轻型有效载荷的近程短航时无人机来说，电动机通常是更好的选择，而对于需要携带重型有效载荷的远程长航时无人机来说，内燃机往往更具优势。

2.涡轮喷气式发动机飞得更高更快，但也更耗油

涡轮喷气式发动机的主要优势是其能够使无人机飞得更高、更快。因此，对于需要在短时间内快速飞行较长距离的无人机来说，此类发动机更具优势。此外，设计人员可对涡轮喷气式发动机的设计和尺寸进行调整，以使其长距离飞行时的燃油利用率更高，但其仍然比螺旋桨发动机更费油。涡轮喷气式发动机不能用于纯电动无人机，并且其噪音也高于螺旋桨发动机。此类发动机的安装复杂程度以及较高的飞行速度意味着，其机身配置更复杂、更精密，并且成本也更高。

3.火箭发动机简单、成本低，但航程短不可持续

此类发动机可由固态燃料或液态燃料提供动力，但固态燃料可能更适用于像无人机这样的小型系统，因为固态燃料稳定性更强，可使无人机在运输储存过程中保持“随时可用”，而液态燃料则大多需要低温条件，这显然不实用。此外，固态燃料火箭发动机更简单且成本更低。在尺寸相当的情况下，火箭发动机所能提供的静态推力、加速度和最高飞行速度远超上述两种发动机。然而，此类发动机的燃料消耗速度也远超上述两种发动机，因此其只能在飞行初期的数秒时间内为无人机提供动力，在此之后，无人机只能借助发射时的动能和重力通过滑翔的方式接近目标。

图3. 由涡轮喷气式发动机驱动的无人机

无人机的精确程度依赖于所装备的导航和计时设备。如果一架无人机（或其操作人员）不知道自己的准确位置，那么它就无法为弹药或自身提供导航，进而无法对超视距的确认目标进行打击。完善的无人机导航是无人机应用的基础。其导航方式包括全球导航卫星系统、惯性导航系统、地形识别等。

1.主要借助全球导航卫星系统进行导航

全球导航卫星系统是目前使用较为普遍的无人机导航手段，此类卫星系统包括GPS、伽利略、北斗以及格洛纳斯。这些系统的运作逻辑大致相同。卫星会广播位置，并在信息中附带相应的时间。接收器可以测量接收信号与发送信号的时差，从而确定准确的方位线。通过比较来自不同卫星的四条方位线，接收器可以通过三角定位法确定自己的相对位置。这些导航信号的发射功率很低，因此很容易接收，也极易受到干扰。另外，敌方也可以发送虚假信号来欺骗接收器，使其将自己定位在一个错误的位置上。

为应对这一问题，接收器可从多个全球导航卫星系统的频率接收信号，还可让接收天线扫描四大导航系统之间的频率并比较结果。如果结果不仅各不相同，那么接收器就可以设法确认应该相信哪个信号，或者使用另一种导航模式。这增加了接收装置的复杂性和成本。虽然敌方有能力干扰所有导航频率，但其很少会这样做，因为敌方通常会使用其中一些来确定己方设备的位置。不过，敌方也可能在有限的时间内因严重的无人机威胁而干扰所有卫星导航频率。依赖这种导航方式的设备可能会受制于敌方的干扰行动。

2.有时使用惯性导航代替卫星导航

面对这一问题，设计人员通常会使用惯性导航系统以代替卫星导航。惯性导航系统可使无人机绘制自己相对已知起始位置的位置图。为达到这一点，无人机必须先确定自己受到了干扰，从而评估从何时开始进行航迹还原，否则就必须将起飞点作为参考点。惯性导航系统必须配备激光陀螺罗盘、时钟、空速管和确定高度的气压计或雷达高度计，这将使无人机的成本大大增加。

此外，惯性导航系统极易随着时间的推移而变得越来越不准确，因为该系统难以确定飞行器在空中的漂移距离。因此，其需要定期借助外力进行重新校准。由于战场上可能会出现信号干扰间隙，因此惯性导航系统可在此类间隙中利用卫星导航系统完成校准工作。当然，惯性导航系统也可以利用民用基础设施（如通信基站）进行定期的三角定位以完成校准。

3.地形识别亦可提高定位可靠性

不过，提高定位的可靠性还可通过其他方法来实现，其中一种方法就是地形识别。如果无人机上有光电传感器和预先加载的地形图，那么无人机就可以利用计算机视觉技术将传感器捕捉到的地形图像与可识别的地形特征和实物标记进行匹配。在某些情况下，无人机还可采用更为新颖的技术进行导航。如果一个无人机可以翻滚和倒飞，或者装备有一个朝上的额外电子光学传感器，那么其就可以利用天文环境进行三角定位以确认自己的位置。此外，如果装有激光测距仪的无人机在低空平飞，那么其就可以比较周围地形的变化，自行追踪其在预载地图上的飞行轨迹。

4.其他导航工具作补充

另一种可以应对末段精度问题的特殊导航工具是反辐射导引头，此类导引头可以将无人机对准特定目标，如指定的雷达发射器。像“哈比”（Harpy）和“哈罗普”（Harop）这样的巡飞弹可以锁定敌方信号发射器，并在引导信号丢失时进行徘徊以起到压制作用。然而，这种能力只能针对有限的几类目标，并且很容易受到敌方硬性反制措施的影响。只有在与其他威胁系统搭配使用时，此类能力才能发挥显著作用。此外，雷达等其他系统可用于调整处于末端俯冲状态的弹药，以对指定区域的目标进行打击。这种系统主要应用于短距离目标校准，以修正航向并实现对目标的准确打击。为达到此效果，惯性导航系统中可能需要加装一个传感器，而每增加一个传感器都会增加无人机的成本、复杂性、尺寸和重量。图像识别是另一种导航解决方案，但除非有机载数据或人工监控的辅助，否则很容易受到诱饵、伪装和其他反制措施的影响。

上述导航方式主要用于能够进行自主导航的无人机，而非由人工实时遥控的无人机。由人工实时遥控的无人机在飞行过程中需要在无人机和人类操作员之间建立有效的指挥链。对于情监侦（ISR）无人机来说，此类指挥链对非机载探测至关重要。对于所有无人机来说，在人类操作员的控制和导航之下，其不再需要知道自己的确切位置。在对抗性电磁环境中，人类操作员也可对无人机进行间断控制，并对惯性导航系统进行重新校准。当然，此方法的有效性取决于所使用指挥链的信号发射功率和成熟度。

图4. 利用地形识别进行导航的无人机

无线电指挥链通常只能在视距范围内发挥作用，除非使用中继通信扩大有效范围。信号发射功率最终决定了指挥链强度和受干扰的难易程度。干扰通常通过使接收器饱和来实现。因此，许多无人机在无法接收数据时可进行离线数据备份。对于在己方战术纵深作战的无人机来说，因更靠近控制器以及敌方干扰机向前推进距离的限制，其更容易维持指挥链，对于进入敌方领土的无人机来说，其更靠近敌方干扰机，指挥链更有可能出现问题。

此类指挥链的完善程度取决于其所使用无线电的复杂程度。如果一架无人机装备有能够快速、大范围地转换频率的跳频无线电设备，那么敌方就很难对其进行干扰，不过其数据传输还是会受到干扰或遭到降级。此外，双频接收器也是个增强指挥链韧性的有效装备。无人机还可装备定向波束控制设备来提高指挥链的可靠性，此类设备可使无人机仅接收在特定方向上传递的命令，并且使未对准方向的干扰无效。

某些专门的干扰设备可以追踪无线电跳频模式，并制造出特别的干扰模式以使无人机指挥链降级。为应对此种干扰，部队可使用特定的无人机群进行作战，这些无人机能够互相传递信息，并且每架的信息接收频率都不一样。如果数据内容中包含一份真实性证明，那么每架成功接收真实数据的无人机就可以确认其所接收指令是否正确，并以相同格式将此数据传递给其他无人机。无人机群还可互为信号中继来扩大指挥范围，这样，指挥信号的发射和接收距离就比干扰器到无人机接收器之间的距离近，进而使干扰器需要更大功率以压制指挥信号。虽然此类技术是可行的，但是它们需要成熟且成本高昂的无线电设备，而且还要熟练的操作员进行编程并设立通信架构。

另一种完善的指挥链是卫星链路，这是因为干扰器很难对卫星天线进行干扰。卫星链路对于超视距数据传输很有价值。但其问题在于它们会给系统带来很大的延迟，通常不适合用于需要进行实时操控的无人机。通过卫星链路更新指令是可行的，但是该链路需要无人机对其飞行姿态进行持续校正以使天线对准卫星方向，这一工作可能比较难以完成。完善的卫星链路需要高效的陀螺稳定设备使天线对准卫星方向，因此该方法可能只适用于较大的机身。

传感器有光电传感器、红外传感器、雷达和激光。一架无人机所需的传感器取决于该机在战区的预期作战效果以及为到达战区而使用的导航手段。由于传感器小型化对于节省空间、重量、功率、计算能力（SWAP-C）以及总体成本来说至关重要，因此在理想情况下同一种传感器或传感器组合应该能够实现作战效果并完成导航工作。然而，现实情况却并非如此。各类型的传感器具体应用场景如下：

1.成本低廉的高清光电传感器

根据传感器的工作范围，其大致可被分为几个类别。首先，最常见且最简单的传感器当属成本低廉的高清光电传感器。这些先进的光学系统能够进行高水平变焦，并且采用了更复杂的镜片和防抖动技术。但是，对于光电传感器的作用距离、高度及灵活性要求越高，其成本也会越高，尺寸越大，复杂性也越强。

2.可在微光条件下工作的红外传感器

红外（IR）传感器也是一种常用的传感器，此类设备使用热成像技术，可在微光条件下工作。红外传感器既可以独立工作，也可集成到多光谱相机中，后者结合了光电和红外两种功能。这两种传感器的成本都高于最为基础的光电传感器。不过，如果无人机要在夜间飞行，那么其必须装备有红外传感器，或者可以另外加装其他的红外设备。无论采用上述哪种方式，无人机的复杂性和成本都会增加。此外，图像增强功能可将光电传感器在弱光环境下的性能发挥到极致，并且可以使无人机能够在夜间进行飞行，但在环境光线极弱的情况下，这种功能可能难以发挥作用。对于小型无人机来说，光电和红外传感器都具有显著的优势，两者所需的功率较小，而且都属于被动传感器。它们不依靠发射电磁波来工作，因此在使用时不会暴露自己的位置。它们也很难受到干扰，但容易受到伪装措施的影响，并有可能受到激光防御系统的影响。激光防御系统可利用逆反射原理探测光电和红外传感器的位置，或者使光学传感器眩目或损坏。光电和红外传感器也无法穿透云、雾、雪或大雨进行观察。因此，如果无人机所在的感知体系需要全天候能力，那么其就需要装备其他类型的传感器。

3.可在恶劣环境使用却成本高昂的雷达

除了上述传感器以外，无人机还会装备雷达。雷达可细分为主动雷达和被动雷达，并且还可按每个系统的设计工作频段来划分。一般来说，在任何特定功率下，雷达的工作频率越高，波长就会越短，分辨率就越高，而其有效范围越小。然而，波长较长的系统需要较大的孔径才能有效发挥作用，因此大多数安装在无人机上的小型雷达都是频率较高、探测范围较小的系统。被动雷达系统只能“监听”外部发射器反射的雷达波，而主动雷达系统则可以自己先发射雷达波，然后“监听”其雷达波的返回。后者更加灵活可靠，且可以对无人机进行跟踪。

对于无人机来说，雷达通常用于合成孔径雷达测绘，即发射主动雷达信号，并利用所有地面物体和地形的回波来建立一个区域雷达“图像”。雷达还可用于探测其他空中物体，并绘制地形图，以便在任何天气条件下为无人机提供导航信息。一些先进武器和单向攻击无人机还采用了毫米波雷达导引头以扫描车辆和其他可反射雷达波的目标，并为针对此类目标的打击行动提供精确的末端制导。这一应用使这些装备能够自动搜索目标并进行制导，但成本和复杂性会大大增加。一般来说，雷达传感器的最大优点是在恶劣天气或夜间也能正常工作，缺点是对功率和冷却要求较高，而且成本高昂。对于使用雷达进行远距离感知（例如用于近距离ISR）来说，所需的功率和孔径大小使得此类传感器只能由大型、复杂且成本高昂的机身携带，而这些机身大多无法在对抗性空域中生存。

与主动雷达相比，被动雷达以及电子情报/信号情报（ELINT/SIGINT）传感器的运行功率要小得多，而且通常安装方式更灵活，可适应不同的机身配置。然而，此类传感器需要无人机具备分析和处理复杂信号的能力，其也可以将原始数据传回地面站或其他机载装备以进行机外数据利用和数据处理。与光电和红外传感器相比，功能强大的被动雷达或电子情报/信号情报传感器的有效载荷要求将显著增加特定无人机系统的SWAP-C、成本和复杂性。

4.可兼作传感器与武器的激光

最后，激光既是一种联合传感器，也是一种武器装备。激光最常用于精确测距和目标指引以便使用激光制导武器进行打击，并正在越来越多地应用于定向、高带宽视距通信。激光设备通常作为光学元件中的一个附加组件被集成到光电和红外传感器中，但在工作时会有额外的功率和冷却要求。激光设备也会带来额外的成本，因为包含激光测距仪的光电和红外传感器比基础版本的传感器更贵、更大，并且有额外的稳定和跟踪要求。此外，激光的对准流程也需要机载处理器进行处理。

图5. 无人机携带的各种传感器

如果没有能力向目标区域投送合适的武器，那么建造大规模精确打击综合体就没有什么意义。无人机以携带非动能武器为主。就非动能武器的战斗部而言，常用的主要包括三类。

图6. 携带RPG战斗部的无人机

虽然监管并非无人机设计的核心取舍之一，但其可能会对无人机的设计选择以及无人机生产系统的适配程度带来巨大影响。由于早期的无人机的机身较大，航程较远且续航能力较强，因此无人机的监管是基于对有人飞机的监管过程发展而来的。随着无人机开发速度的加快，无人机在有效载荷配置、导航逻辑、指挥链韧性和机身等方面发生了改变，针对无人机的监管工作也在不断增加。对无人机的监管不仅使开发时间延长，也使无人机成本不断增加。无人机生产商既要进行试验，又要承担无人机设计可能无法通过审批的风险，因此其延长了针对设计和生产能力的投资流程。由此可得出一个结论，即无人机的设计需要在安全与成本之间做出权衡。而且，监管可能还会对作战条令产生间接影响，使得演习环境与实战战场相去甚远。此外，监管还会对目标选择和自主武器安全产生影响，进一步影响生产成本。