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摘要：2024年4月11日，英国皇家三军科研所发布报告《大规模精确打击：为陆军设计无人机综合体》。报告第1章介绍了无人机设计在机身、推进和动力、导航、数据链、传感器、武器和监管等方面所做的取舍。本文将针对报告的这一部分进行仔细介绍。
关键词：无人机设计，有效载荷，成本，性能，尺寸
机身
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。在任何系统的设计周期，设计人员都需要做出有些基本性的取舍决定。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功效。这些参数将决定推进处理方法的选项，后者又反过来对机身携带的燃油或电池量提出需求。经过一个叫作为“燃料尺寸匹配”的过程（如图1所示），设计人员可按照必须携带的燃油或电池量来确定所需的机身体积，从而确定在需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，航程和续航时间针对确定无人机的尺寸、配置和成本来讲至关重要。航程越远需携带的燃油和电池就越多，从而机身尺寸亦需增大增重。增大增重又寓意着能耗更高，从而引起燃油和电池需要量提高，如此循环反复。因此呢，任务有效载荷和航程需求的少量增多亦会使无人机机身尺寸、重量和成本显现明显提高。
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需求的航程和飞行性能。通常而言，旋翼无人机虽然在航程和续航时间必定的情况下飞行能效相比于固定翼无人机更低；然则，它能够在特定地点盘旋，在繁杂地形进行垂直起降，具备更小的转弯半径。因此呢，针对非常多任务来讲，旋翼无人机所供给的灵活性值得其在尺寸和动力不变的状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状况下，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，可能没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含抵御卑劣气象要求的能力。例如，机身需具备必定的防水能力、散热或冷却能力、除冰能力等，这些需求都会增多机身成本、重量和繁杂性。
图2. 固定翼无人机与旋翼无人机
推进和动力
无人机的推进系统类型重点有三种：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需求有效载荷和航程
在燃油或电池容量必定的状况下，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，况且会产生转子声音，容易被敌方的被动声学传感器容易探测、归类和跟踪。
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、后勤保证更容易。然而科研发掘，在燃油和电池重量相等的状况下，电池所能供给的动力比燃油少260倍。不仅如此，在需求航程/续航时间增多或非线性飞行时间提高的状况下，这一问题更为严重。这是由于电池与燃油区别，其重量不会随着飞行的进行而减少。这寓意着，增多电池容量以加强航程的办法随着航程的增多而越来越不起功效，针对哪些非一次性单向攻击系统来讲尤为如此。相比之下，内燃机安装更繁杂、噪音更大，但其动力更强、航程更远。因此呢，针对需要携带轻型有效载荷的近程短航时无人机来讲，电动机一般是更好的选取，而针对需要携带重型有效载荷的远程长航时无人机来讲，内燃机常常更具优良。
2.涡轮喷气式发动机飞得更高更快，但亦更耗油
涡轮喷气式发动机的重点优良是其能够使无人机飞得更高、更快。因此呢，针对需要在短期内快速飞行较长距离的无人机来讲，此类发动机更具优良。另外，设计人员可对涡轮喷气式发动机的设计和尺寸进行调节，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可用于纯电动无人机，并且其噪音亦高于螺旋桨发动机。此类发动机的安装繁杂程度以及较高的飞行速度寓意着，其机身配置更繁杂、更精细，并且成本亦更高。
3.火箭发动机简单、成本低，但航程短不可连续
此类发动机可由固态燃料或液态燃料供给动力，但固态燃料可能更适用于像无人机这般的小型系统，由于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要求，这显然不实用。另外，固态燃料火箭发动机更简单且成本更低。在尺寸相当的状况下，火箭发动机所能供给的静态推力、加速度和最高飞行速度远超以上两种发动机。然而，此类发动机的燃料消耗速度亦远超以上两种发动机，因此呢其只能在飞行初期的数秒时间内为无人机供给动力，这里之后，无人机只能借助发射时的动能和重力经过滑翔的方式接近目的。
图3. 由涡轮喷气式发动机驱动的无人机
导航
无人机的精确程度依赖于所装备的导航和计时设备。倘若一架无人机（或其操作人员）不知道自己的准确位置，那样它就没法为弹药或自己供给导航，从而没法对超视距的确认目的进行打击。完善的无人机导航是无人机应用的基本。其导航方式包含全世界导航卫星系统、惯性导航系统、地形识别等。
1.重点借助全世界导航卫星系统进行导航
全世界导航卫星系统是日前运用较为广泛的无人机导航手段，此类卫星系统包含GPS、伽利略、北斗以及格洛纳斯。这些系统的运作规律大致相同。卫星会广播位置，并在信息中附带相应的时间。接收器能够测绘接收信号与发送信号的时差，从而确定准确的方位线。经过比较来自区别卫星的四条方位线，接收器能够经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，因此呢很容易接收，亦极易受到干扰。另一，敌方亦能够发送虚假信号来诈骗接收器，使其将自己定位在一个错误的位置上。
为应对这一问题，接收器可从多个全世界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。倘若结果不仅各不相同，那样接收器就能够设法确认应该相信哪个信号，或运用另一种导航模式。这增多了接收安装的繁杂性和成本。虽然敌方有能力干扰所有导航频率，但其很少会这般做，由于敌方一般会运用其中有些来确定己方设备的位置。不外，敌方亦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.有时运用惯性导航代替卫星导航
面对这一问题，设计人员一般会运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初始位置的位置图。为达到这一点，无人机必须先确定自己受到了干扰，从而评定从何时起始进行航迹还原，否则就必须将起飞点做为参考点。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多。
另外，惯性导航系统极易随着时间的推移而变得越来越不准确，由于该系统难以确定飞行器在空中的漂移距离。因此呢，其需要定时借助外力进行重新校准。因为战场上可能会显现信号干扰间隙，因此呢惯性导航系统可这里类间隙中利用卫星导航系统完成校准工作。当然，惯性导航系统亦能够利用民用基本设备（如通信基站）进行定时的三角定位以完成校准。
3.地形识别也可加强定位靠谱性
不外，加强定位的靠谱性还可经过其他办法来实现，其中一种办法便是地形识别。倘若无人机上有光电传感器和预先加载的地形图，那样无人机就能够利用计算机视觉技术将传感器捉捕到的地形图像与可识别的地形特征和实物标记进行匹配。在某些状况下，无人机还可采用更为新颖的技术进行导航。倘若一个无人机能够翻滚和倒飞，或装备有一个朝上的额外电子光学传感器，那样其就能够利用天文环境进行三角定位以确认自己的位置。另外，倘若装有激光测距仪的无人机在低空平飞，那样其就能够比较周边地形的变化，自动跟踪其在预载地图上的飞行轨迹。
4.其他导航工具作弥补
另一种能够应对末段精度问题的特殊导航工具是反辐射导引头，此类导引头能够将无人机对准特定目的，如指定的雷达发射器。像“哈比”（Harpy）和“哈罗普”（Harop）这般的巡飞弹能够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功效。然而，这种能力只能针对有限的几类目的，并且很容易受到敌方硬性反制办法的影响。仅有在与其他威胁系统搭配运用时，此类能力才可发挥明显功效。另外，雷达等其他系统可用于调节处在末端俯冲状态的弹药，以对指定区域的目的进行打击。这种系统重点应用于短距离目的校准，以修正航向并实现对目的的准确打击。为达到此效果，惯性导航系统中可能需要加装一个传感器，而每增多一个传感器都会增多无人机的成本、繁杂性、尺寸和重量。图像识别是另一种导航处理方法，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、伪装和其他反制办法的影响
以上导航方式重点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创立有效的指挥链。针对情监侦（ISR）无人机来讲，此类指挥链对非机载探测至关重要。针对所有没有人机来讲，在人类操作员的掌控和导航之下，其再也不需要晓得自己的确切位置。在对抗性电磁环境中，人类操作员亦可对无人机进行间断掌控，并对惯性导航系统进行重新校准。当然，此办法的有效性取决于所运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
数据链
无线电指挥链一般只能在视距范围内发挥功效，除非运用中继通信扩大有效范围。信号发射功率最后决定了指挥链强度和受干扰的难易程度。干扰一般经过使接收器饱和来实现。因此呢，许多无人机在没法接收数据时可进行离线数据备份。针对在己方战术纵深作战的无人机来讲，因更靠近掌控器以及敌方干扰机向前推进距离的限制，其更易维持指挥链，针对进入敌方领土的无人机来讲，其更靠近敌方干扰机，指挥链更有可能显现问题。
此类指挥链的完善程度取决于其所运用无线电的繁杂程度。倘若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，那样敌方就很难对其进行干扰，不外其数据传输还是会受到干扰或遭到降级。另外，双频接收器亦是个加强指挥链韧性的有效装备。无人机还可装备定向波束掌控设备来加强指挥链的靠谱性，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能够跟踪无线电跳频模式，并制造出尤其的干扰模式以使无人机指挥链降级。为应对此种干扰，部队可运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同样。倘若数据内容中包括一份真实性证明，那样每架成功接收真实数据的无人机就能够确认其所接收指令是不是正确，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，这般，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，从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，然则它们需要成熟且成本昂贵的无线电设备，况且还要熟悉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，这是由于干扰器很难对卫星天线进行干扰。卫星链路针对超视距数据传输特别有价值。但其问题在于它们会给系统带来很大的延迟，一般不适合用于需要进行实时操控的无人机。经过卫星链路更新指令是可行的，然则该链路需要无人机对其飞行姿态进行连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有效的陀螺稳定设备使天线对准卫星方向，因此呢该办法可能只适用于很强的机身。
传感器
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运用的导航手段。因为传感器小型化针对节省空间、重量、功率、计算能力（SWAP-C）以及总体成本来讲至关重要，因此呢在理想状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，现实状况却并非如此。各类型的传感器详细应用场景如下：
1.成本优惠的高清光电传感器
按照传感器的工作范围，其大致可被分为几个类别。首要，最平常且最简单的传感器当属成本优惠的高清光电传感器。这些先进的光学系统能够进行高水平变焦，并且采用了更繁杂的镜片和防抖动技术。然则，针对光电传感器的功效距离、高度及灵活性需求越高，其成本亦会越高，尺寸越大，繁杂性亦越强。
2.可在微光要求下工作的红外传感器
红外（IR）传感器亦是一种常用的传感器，此类设备运用热影像技术，可在微光要求下工作。红外传感器既能够独立工作，亦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本的光电传感器。不外，倘若无人机要在夜间飞行，那样其必须装备有红外传感器，或能够另一加装其他的红外设备。无论采用以上哪种方式，无人机的繁杂性和成本都会增多。另外，图像加强功能可将光电传感器在弱光环境下的性能发挥到极致，并且能够使无人机能够在夜间进行飞行，但在环境光线极弱的状况下，这种功能可能难以发挥功效。针对小型无人机来讲，光电和红外传感器都拥有明显的优良，两者所需的功率较小，况且都属于被动传感器。它们不依靠发射电磁波来工作，因此呢在运用时不会暴露自己的位置。它们亦很难受到干扰，但容易受到伪装办法的影响，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，或使光学传感器眩目或损坏。光电和红外传感器亦没法穿透云、雾、雪或大雨进行观察。因此呢，倘若无人机所在的感知体系需要全天候能力，那样其就需要装备其他类型的传感器。
3.可在卑劣环境运用却成本昂贵的雷达
除了以上传感器以外，无人机还会装备雷达。雷达可细分为主动雷达和被动雷达，并且还可按每一个系统的设计工作频段来划分。通常来讲，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很强的孔径才可有效发挥功效，因此呢大都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”外边发射器反射的雷达波，而主动雷达系统则能够自己先发射雷达波，而后“监听”其雷达波的返回。后者更加灵活靠谱，且能够对无人机进行跟踪。
针对无人机来讲，雷达一般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创立一个区域雷达“图像”。雷达还可用于探测其他空中物体，并绘制地形图，以便在任何天气要求下为无人机供给导航信息。有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的，并为针对此类目的的打击行动供给精确的末端制导。这一应用使这些装备能够自动搜索目的并进行制导，但成本和繁杂性会大大增多。通常来讲，雷达传感器的最大优点是在卑劣天气或夜间亦能正常工作，缺点是对功率和冷却需求较高，况且成本昂贵。针对运用雷达进行远距离感知（例如用于近距离ISR）来讲，所需的功率和孔径体积使得此类传感器只能由大型、繁杂且成本昂贵的机身携带，而这些机身大多没法在对抗性空域中存活。
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，况且一般安装方式更灵活，可适应区别的机身配置。然而，此类传感器需要无人机具备分析和处理繁杂信号的能力，其亦能够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需求将明显增多特定无人机系统的SWAP-C、成本和繁杂性。
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，亦是一种武器装备。激光最常用于精确测距和目的指引以便运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。激光设备一般做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需求。激光设备亦会带来额外的成本，由于包括激光测距仪的光电和红外传感器比基本版本的传感器更贵、更大，并且有额外的稳定和跟踪需求。另外，激光的对准流程亦需要机载处理器进行处理。
图5. 无人机携带的各样传感器
武器
倘若无能力向目的区域投送合适的武器，那样建造大规模精确打击综合体就无什么道理。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，常用的重点包含三类。
第1类是通用战斗部。此类战斗部依靠高爆破片来杀伤人员和破坏结构。高爆破片战斗部对非装甲车辆、人员和民用建筑等软目的的杀伤力与其体积成线性关系。针对小型多旋翼无人机来讲，其能够携带的高爆破片有效载荷的体积与手榴弹差不多，杀伤半径仅有几米，几乎没法对建筑物导致破坏。此类战斗部可能对车辆有效，但仅有在准确投掷到舱口、油箱或弹药上时才有效。另外，重约200千克的单向攻击无人机（如“见证者-136”）可携带重达50.2千克的各型战斗部，包含温压弹战斗部。此类战斗部杀伤半径能够达到数十米，可对非硬化建筑物导致破坏，并且能够经过近炸方式对轻型装甲车辆导致杀伤。
第二类是为反装甲用途设计的破甲战斗部。这些战斗部装备有小型爆炸装药，能够使可穿透装甲的熔铜集中喷出，并产生高温射流，杀伤装甲车内乘员，点燃车内储存的燃料或弹药。倘若以相对平缓的方向击中正确的部位，成形装药可使相对较轻的战斗部摧毁防护良好的装甲车辆，包含主战坦克。在俄乌冲突中，俄乌两军都大规模将携带改装的2千克RPG-7战斗部的小型穿越机做为短程单向攻击无人机运用，而RPG-7战斗部正是此类战斗部。与简单的高爆破片战斗部相比，破甲战斗部爆炸产生的破片效果非常有限，在炸药重量必定的状况下，其对人员或建筑物的打击效果比其他种类的战斗部差。此类战斗部的成本亦更高。另外，破甲战斗部还可采用两级设计，能够对掩体和装甲车辆进行打击。其第1级可击穿装甲车装甲或掩体外墙，第二级可在其后释放高温射流杀伤装甲车和掩身体的人员。当遇到装备有反应装甲的装甲车辆时，此类战斗部的第1级将引爆反应装甲，而第二级将对反应装甲下的主装甲进行打击。相比一级的成形装药战斗部，此类两级战斗部更繁杂且成本更高。
第三类是多功能战斗部。这些战斗部在能够摧毁多种区别目的的高端导弹和巡航弹药上越来越平常。这类弹药一般采用两级设计，第1级为破甲战斗部，第二级为紧凑型高爆破片战斗部。此类弹药与两级穿甲战斗部有许多一起之处，但在设计概念上思虑到了反装甲/反人员/反结构任务的灵活性，而非只思虑到了反掩体和反装甲这般的单一任务。与两级穿甲战斗部同样，此类战斗部比高能炸药或单级破甲战斗部都要昂贵得多。当批量采购单一多用途武器的成本高于两级战斗部本身的额外成本时，两级战斗部才会得到应用。在科研大规模精确打击能力的多用途性时，科研人员需要深刻理解这一种关系。具备多目的灵活性的战斗部可能成本较高，没法满足大规模且低成本的需求。多用途战斗部对大都数单个目的的功效亦必然少于相同重量的单一用途战斗部。因此呢，针对小型无人机或其他有效载荷受限的系统来讲，其携带多用途战斗部的重量可能会更重，这一做法能够保证此类战斗部达到特定爆炸效果或穿透效果，但可能会影响无人机的燃油携带量/电池容量以及航程。
同期，有些武器还能够搭载电子战载荷。此类装备旨在经过噪声干扰、信号按时操作或基于协议的电子攻击技术削弱敌方传感器。携带此类有效载荷的无人机安排到前线，可使干扰发射器靠近目的接收器，更好地对准目的传感器阵列的中心，并降低有效干扰所需的功率。不外，相比传统武器，电子战载荷可能更繁杂、更昂贵，况且需要海量的机载发电系统、冷却系统、最新的任务数据和信号编码才可发挥功效。针对用来压制敌方防空力量的大型系统来讲，电子战载荷可能仍然相对有效且有效。然而，电子战载荷常常比大都数传统武器更为昂贵，这就限制了其在繁杂和可消耗无人机上的运用。另外，其对敌方传感器的干扰效果可能会快速减弱，由于敌方会调节其反制办法以应对这些干扰。因此呢，虽然携带电子战载荷的机身制导致本相对较低，但电子战载荷本身不仅昂贵况且敏锐。不仅如此，电子战载荷还需要繁杂且成本昂贵的国家电子情报/信号情报收集、数据分析和任务数据文件生成设备为其供给支持，以此创建和快速更新其所运用的信号。
图6. 携带RPG战斗部的无人机
监管
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取以及无人机生产系统的适配程度带来巨大影响。因为初期的无人机的机身很强，航程较远且续航能力较强，因此呢无人机的监管是基于对有人飞机的监管过程发展而来的。随着无人机研发速度的加快，无人机在有效载荷配置、导航规律、指挥链韧性和机身等方面出现了改变，针对无人机的监管工作亦在持续增多。对无人机的监管不仅使研发时间延长，亦使无人机成本持续增多。无人机生产商既要进行实验，又要承担无人机设计可能没法经过审批的危害，因此呢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。况且，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。另外，监管还会对目的选取和自主武器安全产生影响，进一步影响生产成本。
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发表于 2024-8-23 07:14:28
