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2021/08/28 

軍事論壇

【軍事論壇】艦載無人機潛力大 起降技術續創新
美海軍RQ-21黑傑克無人機運用液壓彈射起飛,再利用天鉤系統,以機翼前緣尖端撞上攔截索,讓無人機停止並傾向吊車,然後下滑至穩固鉤住為止進行回收。 (取自美國海軍網站)

◎寧博

 土耳其近期成為地緣政治的焦點,想藉由安納杜魯號兩棲突擊艦展現其軍力,原定引進美製F-35B戰機成為艦載主力戰機,卻因土美關係惡化被取消訂單,導致即將啟用的兩棲攻擊艦卻無戰機可用。因此土耳其海軍有意先行搭載無人戰機,但想讓無人機登上船艦難度很高,本文即從此一角度探討現有艦載無人機的類型與其起降方式。

 艦載無人機是採用有人遠端遙控或是以電腦程式自動控制的飛行器,裝置飛行電腦、導航系統、感測器等設備,由船舶或遙控站透過雷達、光學雷達與無線電等,對其進行監控、定位和操作,並運用機載感測器進行遙測和數位傳輸資訊。

  依據機翼型態可以分為固定翼、多旋翼、直升機、複合翼4大類型。定翼機具有巡航速度高、長航時、酬載率高等優點,缺點是起降要求高,無法空中懸停。利用多旋翼抵銷彼此扭矩的多旋翼機,其優點可垂直起降、空中懸停、結構簡單,缺點是航時短、速度慢、酬載低。直升機利用尾旋翼抵銷主旋翼扭矩,但控制不易,航時短,優點與多旋翼相同,且靈活性高。複合翼是在固定翼上加入多旋翼,兼具固定翼與多旋翼優缺點,且結構複雜,成本高。

 軍艦起降受諸多限制

  無人機從軍艦上起降相較於運用陸地受較多限制,遑論海上嚴苛環境,但其創新運用方式的確可以克服諸多困難。由於軍艦大小限制,無人機在船艦上起飛方式有人力射出、機械彈射、火箭助推、帆傘發射、動力垂直起飛以及傳統動力起飛等。在船艦上降落則會有落水回收、攔截網、帆傘、動力垂直降落以及傳統動力降落等。無人機尺寸與重量大小會影響起降方式,可依重量、飛行高度、操控距離與滯空時間等項參數加以分類,依據美國國防部或是北約組織分類法,艦載無人機重量在15公斤以上至20000多公斤,飛行高度從900公尺到5500公尺皆有。尺寸可以從郵包大小到與F-18戰機幾乎相同的無人加油機,這些因素都會連帶影響其展現的性能。

 科技輔助動態定位 自動降落

  無人機降落於船艦主要難處首先在於船艦空間狹小,特別是巡防艦以下的船艦,由於船艦為浮動平臺,受風浪與洋流等環境因素影響,要使無人機在有限空間減速回收又不損傷,難度甚高。解決方法在於無人機必須具有高精準的導航系統,現有衛星導航系統GPS或GNSS等,但缺乏垂直方向精度,所以只要1公尺誤差,無人機可能直接落海。因而利用即時動態定位技術(RTK)使無人機在移動時,即時獲得精確定位坐標,控制誤差在3至5公分以內;另利用人工神經網絡技術(ANN)描繪海浪起伏運動軌跡,從而取得自動降落控制技術。 

  對於船艦狹小空間而言,定翼無人機的起飛方式是置於有角度的發射架,利用助推火箭直接將發射升空,助推火箭用盡後會自動落於水中。但助推火箭起飛的缺點是,若在無風天候,將導致起飛後無法取得足夠升力,以及產生的火焰與煙霧帶來消防安全與無法匿蹤問題。助推火箭起飛方式優點在於發射空間小,改裝成本低與可以預先準備等,美海軍已除役RQ-2先鋒式無人機,即運用此方式。

  RQ-21運用液壓彈射起飛

  彈射起飛是將無人機置於有角度的發射軌道,利用彈力索或是動力彈射機構將無人機發射。彈力索或機械式彈射方式機構簡單且重量輕,發射時噪音小,缺點是因射出時加速度快,僅適用於輕量小型無人機,德國海軍使用的月式(Luna)無人機就是此類。運用氣壓或液壓的彈射機構因可設定彈射速度,適用於各種中小型無人機,且可重複發射,缺點是機構複雜,需要較大的空間,美海軍RQ-21黑傑克無人機就是運用液壓彈射起飛。 

 無人機最簡單發射方式莫過於使用人力,但無人機必須輕量小型,航程、航時極短,無法應用於廣大海域。傳統動力起降則須有相當長度的起降跑道,因而在航空母艦較為適合,發射與回收與一般戰機無異,MQ-25黃貂魚式加油機與X-47B無人戰機就是利用此方式。動力垂直起飛降落就須能克服無人機所需要酬載的總重量,包括多旋翼、直升機與傾旋翼等多項科技皆能辦到,但是其劣勢在於速度慢、酬載率低與巡航時間短,優點是無需太多船艦空間,處理發射與回收容易等,美海軍的MQ-8B火斥候無人直升機就是一例。直升機與旋翼機起飛降落的關鍵因素在於機船整合安全固定系統,類似方格網結構,將無人機與船艦甲板繫泊在一起。在無人機具有充足動力起飛前解開起飛,而在回收時則由無人機射出勾鎖落於方格網中,再由絞盤與繩索將無人機拉回與固定在甲板上。

 攔截網回收 無需複雜機構

  類似水上帆傘運動,這種相當成熟的水上運動技術也可應用於發射與回收無人機,只要船艦先轉到迎風面,釋出帶有無人機的帆傘,拖放至適當高度後再釋放,發射已經啟動引擎的無人機,無人機就會俯衝至可以拉起高度,自行飛離執行任務。回收則是船艦先釋出帆傘,拉出帶有具有插銷機構的回收網,接著無人機飛行至網中卡至插銷機構上即切斷引擎運轉,回收網與無人機這時由帆傘懸在空中,再由絞盤收回船上。絞盤則是船艦上必備裝置,占用空間不多,唯一缺點是船艦必須駛在迎風面上才能運作。

  落水回收是無人機最簡單的回收方式,但無人機所攜帶的感測器通常位於機體下方,落水後的清洗與整理不易,且機載電子設備滲水極易故障等。攔截網回收是直接方式,在船上架起垂直的攔截網,由無人機直接飛入網中即可回收,無需複雜機構,其缺點在於需要人力、占用船艦空間且安裝費時,有損害無人機螺槳的風險等,RQ-2先鋒式無人機的回收就是利用此方式。攔截索回收與一般航空母艦上回收方式相同,需要布置水平攔截索與繩索剎車系統,唯一相異處在於無人機尺寸使得構造較小,無人機須配備尾勾方能運作。   

 研發與運用值得期待

 天鉤系統是攔截索搭配吊車並改為垂直立於船艦的特殊方式,這種無人機攔截回收是由無人機直接以機翼前緣尖端撞上攔截索,因而停止傾向吊車,然後下滑至穩固鉤住為止,天鉤系統對於人力要求不高,比起攔截網回收系統需要空間少,但是吊車延伸或收縮占用較大空間,目前天鉤系統應用於掃描鷹式(ScanEagle)無人機與RQ-21黑傑克無人機。

 除航艦或運輸艦,即使有飛行甲板的一般船艦也是空間狹小,因此操作無人機從發射到回收,甚至收納儲存都需要高度技術。美海軍依然在實驗創新的無人機,例如可垂直起降的定翼機V蝙蝠(V-Bat)無人機,以安裝在機尾的動力導管風扇,其下方即為停降腳架,能垂直起飛之後再改變角度成為水平飛行,回收就是改變飛行角度後垂直降落,可攜帶光學感測器於機首及機腹,滯空時間長,英法德等國亦在進行類似發展,顯見艦載無人機的研發運用還是值得期待。

(作者為僑光科大助理教授)

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