詳細介紹
為了滿足我軍未來作戰的需要，完成平時和戰時對周邊地區的情報偵察任務，為部隊準確及時地了解戰場態勢提供有力手段，中國一航組織成都飛機設計研究所、貴州航空工業（集團）有限責任公司等有關單位設計出了“翔龍”高空高速無人偵察機概念方案，包括無人機飛行平台、任務載荷、地面系統等三個部分。
“翔龍”無人機最大的特色在於它採取了罕見的連翼布局，這在我國飛機設計史上是一個大膽的突破。該機具有前翼、後翼兩對機翼，並且前後翼相連形成一個菱形的框架。前翼翼根與前機身相連，向後掠並帶翼梢小翼；後翼翼根與垂尾上端相連，向前掠並帶下反角；後翼翼尖在前翼翼展70%處與前翼呈90°連在一起。與常規飛機相比，連翼飛機具有結構結實、抗墜毀能力強、抗顫振能力好、飛行阻力小、航程遠等優點。
“翔龍”無人偵察機在機體設計上也與美國的“全球鷹”高空長航時監視無人機非常相似
背景
高空長航時無人機從上個世紀90年代開始出現，最初的發展目的只是打算取代有人駕駛的U-2/TR-1高空偵察機。美國對高空偵察機的喜愛從50年代開始，廣泛用於對蘇聯、中國等敵對國家的戰略戰術偵察。在古巴飛彈危機中，U-2有人高空偵察機立下了赫赫戰功；在對蘇聯的偵察中，也成功發現米亞-4戰略轟炸機的數量訛詐，對美國的戰略態度和軍事發展方向都起到了決定性作用。不過，隨著地空飛彈和高空高速戰鬥機性能的日益增強，有人駕駛低速高空偵察機的生存力開始下降，特別是駕駛U-2飛機穿越蘇聯上空進行偵察的鮑爾斯被蘇聯俘虜後，差點引發兩國直接交火。在聯合國大會上，蘇聯證據確鑿地指責美國侵略，讓整個美國在道義上和態度上都極端尷尬。隨後，偵察衛星的出現一定程度上取代了傳統高空偵察機的地位。但是1990年海灣戰爭期間，美國發現他們數量龐大、性能先進的衛星並不能完全滿足偵察需要，傳統的高空偵察機不但沒有被取代，反而越來越重要——U-2/TR-1偵察機大量活動在伊拉克上空，甚至不得不把已經退役的SR-71“黑鳥”偵察機拖出來，擔任繁重的偵察任務。
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國外發展
海灣戰爭結束以後，根據在戰爭中對偵察情報信息的需求，美國開始發展高空長航時無人偵察機。因為不需要飛行員駕駛，飛機可以不考慮複雜的操縱系統和高空維生系統，可以做得很輕，體形可以做得更修長、阻力更低，能夠飛得更高。最初，該計畫帶有很大的試驗性質，由美國先進技術發展局（DARPA）負責。他們規劃了三種不同等級的無人機設計指標，方案被稱為“蒂爾”I/II/III，其中因為試驗的大獲成功，“蒂爾”II由空軍接手後發展成為大名鼎鼎的“全球鷹”。
無人機的興起是從1979前後開始的，以色列以戰術偵察、誘餌等目的發展了一系列輕型無人機，最初主要用於地面火炮部隊的偵察和校正，隨後在入侵黎巴嫩以及貝卡谷地戰鬥中大放異彩，受到世界各國追捧，連美國都採購了其生產的“先鋒”無人機，用於陸軍火炮偵察和海軍炮位校正等。不過，美國很快把注意力放在能力更強更大的高空無人機上。與之前使用的無人機不同，美國發展的高空無人機體積和重量都非常大，有著較高的載荷能力。大載荷允許這些無人機使用一些更複雜和更先進的設備，比如移動衛星通訊設備、紅外成像監視設備、高清晰度電視監視設別、數字式高解析度偵察照片、合成孔徑雷達的地形地貌偵察以及用於監視地面機動目標的逆合成孔徑雷達等。
和傳統的U-2/TR-1高空偵察機不同，高空無人機的能力不僅是多頻譜、多波段的，而且都是數位化，能夠提供實時視頻和圖片，當有雲層遮掩或者清晰度不足的時候，還允許飛機降低飛行高度增加辨識能力。一架高空長航時無人偵察機可以提供的目標信息，需要數十架“先鋒”這一類低空偵察機才能達到同樣功效，並且簡單的低空偵察無人機攜帶設備種類單一，要實現多頻譜偵察，需要出動更多的飛機才行。其實，最主要的理由還不是高效能的問題，戰術無人機的大規模套用受到通訊技術的限制，傳統數位化遠程無線電台的傳輸速度對於簡單的文字語音是完全可以的，如果用來傳輸高解析度數字照片和實時動態視頻就比較困難了，特別是當空域中有多架飛機使用時，頻道和頻率占用的問題相當嚴重，如果出現電子干擾，這種通訊的保障就更加困難。大型無人機既可以使用短波數字無線電台，也可以使用移動式數字衛星通訊裝置。移動衛星通訊裝置可以和太空中的通訊衛星通過定向通訊進行高速數據傳輸，不管是保密性抗干擾性還是傳輸速度都數十倍於傳統的無線通訊。不過，目前的點對點衛星通訊頻道還是比較有限的，並不能普及到每一架無人機上去。大型高效能無人機可以大大減少使用空域的無人機數量，進而減少通訊頻道的占用壓力。象“全球鷹”那樣的無人機，數千平方公里的大戰區里最多同時會有5～8架，衛星通訊頻道占用程度在許可範圍，遠程短波通信頻道占用程度也能接受。
中國起步
中國在80年代開始使用無人機，最初主要作為防空系統的靶機和干擾誘餌等。80年代末，中國從以色列購買一批“先鋒”無人機，用於炮兵定位和校射偵察，數量不多，帶有很強的試驗性質。另外，中國也利用原來的高空高速靶機嘗試改進成為偵察無人機。90年代末，某型中低空戰術無人機系統定型成功，正式大量裝備部隊，並在多次合成軍事演習中獲得好評。該型中低空無人機極大擴展了中國陸軍長期缺乏的靈活高效實時偵察能力，特別是具有多波段觀察手段和實時反饋的偵察信息。不過，這種無人偵察機活動時間較短、飛行速度低，只適合師以下作戰單位使用，需要單獨的控制中心和通訊中心才能正常工作，常常以野戰小分隊的形式進行操作，覆蓋一個野戰師典型作戰寬度200公里、縱深80～120公里的面積需要10~15架，24小時不中斷信息需要超過50架，連續一周以上需要上百架進行支持。此外，還需要考慮到低空活動會有較大的戰時損耗，數量有限的無人機野戰小分隊是不可能滿足這樣要求的。
中國現在缺乏集團軍級別使用的有效快速偵察系統。空軍的偵察機主要以照片拍攝型為主、雷達偵察型為輔，很難立刻提供實時視頻信號，情報需要經過分析以後才能轉交到戰區指揮所，一來一去最快也要24小時以上，以至於在小型無人機裝備後戰區級別的信息更新速度還不及下級指揮所。針對這種情況，參照美國無人機開發計畫和在第二次海灣戰爭、阿富汗戰爭、波士尼亞戰爭中的實戰套用和表現，中國感到需要開發一種大型高空長航時無人機系統。這種系統飛行速度快、留空高度高。俗話說“站得高看得遠”，高空無人機因為飛行高度高，只需要通過轉動鏡頭或者雷達就能監視很大寬度的戰場情況。以“先鋒”無人機來說，其飛行高度在1000~2000米，側向觀察距離小於6公里，兩側寬度加起來才10~12公里左右；而“全球鷹”的飛行高度是18000米，側視觀察距離可以遠達40~60公里，飛行軌跡兩側80~120公里的寬度都在視野範圍以內。另外，“先鋒”這一類低空活動的無人機飛行速度慢，一般飛行速度在120公里/時，而“全球鷹”這一類飛機的飛行速度大於650公里/時，結合兩者的視野差距，一個小時內兩者可探查面積差別可以達到50倍以上，也就是說一架“全球鷹”的偵察信息量和偵察面積需要至少40~70架以上的“先鋒”無人機才能達到同樣的效果。由此可見高空系統和低空系統的效能差距有多么大。
另外，高空無人機的觀察高度高，使用大視場鏡頭或者寬波束掃描雷達可以監視車隊、大批量流動的人員、空曠的荒漠和海面零星目標活動等動態趨勢，可以提供大範圍內戰術信息的統計和判別，這是低空偵察機比較難以實現的功能。和先進的偵察衛星相比，高空無人機距離地面只有18公里，而性能最好的KH-12“鎖眼”衛星在最低的軌道時距離地面也要超過120公里。衛星雖然可以提供更寬的觀察範圍，但是解析度遠遠不如高空偵察機。如果說“鎖眼”能看清楚地面汽車的型號，那么“全球鷹”可以看清楚駕駛汽車的人是誰。衛星最大的弱點在於觀察信息不連續。受軌道運行規則的限制，衛星一天雖然能繞地球18圈，但每一天通過同一個地方的次數並不太多，每一次能觀察的時間不到半小時，持續監視能力非常差。美國“鎖眼”衛星雖然可以通過變軌實現很高的重複通過率和低軌道觀察能力，但是一旦頻繁動用這樣的觀察能力，原本可以在天空服役5~12年的衛星，在軌存活能力就會迅速縮短到7天。“鎖眼”這樣的大型衛星美國目前只有太空梭能夠發射，“哥倫比亞”號事故發生以後，太空梭的能力幾乎被剝奪，衛星的使用限制也變得相當高了。高空無人機的優點正好能彌補衛星的缺點，其運行軌跡比較自由，可以長時間在一個地方盤旋，在目標上滯留的時間可以超過10小時以上，只需要交替出動兩架飛機就能保證24小時不間斷實時監控。同時，當衛星受到雲、霧等干擾時，無人機可以下降到6000米以下觀察，受氣候限制非常小。鑒於高空無人機的巨大的性能優勢，中國在國家級重大科技發展規劃“863計畫”中正式將高空長航時無人機列為重點開發計畫之一，以中國航空研究院為中心，全國各相關研究所、大學科研中心分別擔負各種分系統的開發和研究攻關。
翔龍氣動布局
在前不久結束的珠海航展上展出的“翔龍”高空長航時無人機，就是由我國自主研究和設計的一種大型無人機。和美國目前套用的幾種無人機不同，“翔龍”無人機沒有一味追求性能上的高指標，一切以國內的實用條件和用戶需求為主。由於沒有美國那么強烈的遠程全球戰略要求，飛機的留空時間沒有很高的要求，外形尺寸和重量載荷都小於“全球鷹”。不過，這並不說明該機是一種“全球鷹”低性能版的折衷，相反，國內還有另一種更大型的無人機用於執行類似於“全球鷹”的任務。“翔龍”則是定位於“捕食者”和“全球鷹”之間的一種無人機。
“翔龍”沒有採用目前高空長航時無人機最流行的傳統大展弦比單翼設計，而是採用了一個新穎的菱形聯翼結構設計。聯翼氣動布局出現在70年代初，NASA曾經製造過小型的聯翼技術驗證機，對這種新穎的氣動布局進行測試。聯翼概念主要是將機翼後掠，尾翼前掠，兩者通過垂直安定面或者直接剛性連線，連線點可以在機翼的中段，也可以在機翼的端點。菱形聯翼的設計主要是機翼後掠角和尾翼前掠角保持一致。聯翼機氣動布局是一種適合高亞音速下使用的高升阻比、高結構效益先進氣動布局，其最大特點是具有特別高的自然姿態恢復能力和良好的氣動靜安定特性。高姿態恢復能力主要來源於這種布局的前後翼良好乾擾，因為尾翼要前掠與機翼相連，而且連線點比較靠外，尾翼比正常布局的飛機要大很多，而且距離機翼近，受到機翼下洗氣流影響較大。下洗流能夠降低尾翼的真實氣流迎角，因此，當前面的機翼上仰到失速迎角時，尾翼在下洗流的影響下還處於正常升力狀態；機翼失速失去升力以後，尾翼的升力還是正常的，這就給飛機一個強烈的自然低頭恢復力矩，讓其迅速恢復正常飛行姿態。由於尾翼前掠，其迎角失速範圍本身就比後掠翼的前翼寬，疊加下洗流的作用，飛機飛行大迎角自然恢復角度相當寬，很難進入失速狀態。以上這些優點對於簡化飛機控制系統設計有著不可估量的作用。
聯翼布局還有一個好處——升阻比高。“全球鷹”採用簡單的高展弦比平直機翼，依靠超過36的超大展弦比來換取高升阻比。但平直機翼不適應高亞音速飛行，“全球鷹”的飛行速度只能達到650公里/時左右。我們知道高空的空氣稀薄，19000米高度的空氣密度只有海平面的8.4%，要飛得高要么提高速度，要么增大機翼面積、減小翼載荷。聯翼布局的翼面積比單純的正常布局要大，翼載荷輕。此外，聯翼布局特別是菱形聯翼布局的機翼都會採用後掠翼。機翼後掠可以減小高亞音速時的波阻，因此可以飛得更快，飛得快也就意味著可以用更小的機翼和更高的翼載荷。小的機翼和高翼載荷都能大大減小飛機阻力，或者說同樣的機翼和翼載荷可以飛得更高。聯翼布局的升力係數比普通平直機翼低，但因為相互干擾可以減小誘導阻力，聯翼布局的實際阻力係數也很低，總的升阻比還是相當高的，非常適合高空高速長航時的飛行任務需求。此外，聯翼布局還有一些控制上的特殊能力，比如可以很方便的實現直接力控制，這個特性對於偵察機還是比較有用的。飛機可以在不改變姿態的情況下對飛行軌跡進行控制，有利於減小執行偵察任務時因姿態變化引起的圖像中斷等干擾。聯翼布局的優點還有一個非常重要的方面，就是在結構上的天然優勢——傳統機翼都是採用梁式承力，這種結構特別是對於大展弦比機翼來說材料彈性所導致的飛機機翼變形都會影響實際飛行性能。“全球鷹”依靠實力超群的材料技術和工藝獲得一副超高展弦比機翼，在以最大載荷從地面起飛時，機翼向上彎曲的幅度可達1.5米以上。而聯翼布局前後翼相連的巧妙設計讓傳統機翼的受力結構發生了巨大改變，抗扭翼盒的結構因為兩個具有相當大高差的翼相連而變成了一種閉合的具有大厚度的結構支撐框架，這讓機翼的剛性和彈性控制要求大為降低。同時，由於受力結構更加合理和穩定，它可以讓飛機結構重量大大減輕，對於提高高空飛行能力和飛行時間都有很重要的意義。
“翔龍”的設計還有很多獨特的閃光點，比如考慮到需要快速拆卸並將所有組件都裝在一個可被運8/C-130空運的包裝箱內。同時，要能夠在只有兩到三個人的情況下，飛機只需要30分鐘就能被裝配到可以使用的狀態。因此，飛機一些結構間的尺度設計就有特殊的限制要求。“翔龍”機體長度為14.9米，翼展25米，機翼可以通過快速螺栓拆卸，翼根專門增加了強度和加長了弦長，有利於分散集中的力載荷。拆下的機翼長度約12.3米，可以並列在機身兩側固定，尾翼在尾部專門設計了凸台，也通過快速埋頭螺栓固定。前後機翼相連的固定點在全翼展70%左右位置，通過一個小的垂直安定面使用螺栓固定在機翼上。這個位置充分考慮了聯翼布局的氣動效率和飛機機翼的承力結構效應。垂尾可以單獨拆下，整架飛機可以被裝進一個寬度不超過2米的包裝箱，使用戰術運輸機進行運輸。未來有可能將前機身獨立設計，也可以快速拆卸。前機身主要是電子艙段，獨立包裝和運輸有利於電子設備的養護，同時也可以形成模組化前機身，可以互換搭配。機翼組件和動力組件也有可能形成模組化設計，允許通過更換更大的機翼獲得更高的飛行高度，或者更大的動力組件獲得更大的飛行重量和有效載荷。
翔龍發動機
目前，“翔龍”無人機採用一台老式無加力渦噴-7發動機作為主動力，這體現了這種無人機和“全球鷹”一類無人機的重大區別。渦噴-7發動機是我國早期殲-7系列戰鬥機的發動機，最大推力可達4200公斤，重達1噸。以“翔龍”的高空升阻比來說，似乎並不需要如此推力強勁的發動機——“翔龍”最大起飛重量不過7500公斤，而發動機推力達到4200公斤，推重比達到0.56，一般只有載人的戰術飛機才有如此高的推重比，重達14噸的“全球鷹”也不過使用一台3450公斤推力級別的發動機而已。造成這樣的現象原因有很多，首先中國航空發動機產業水平低、產品線小，在3000～4000公斤推力級別中缺乏可用的產品。中國的小推力渦扇只有推力為1700公斤的WS-11，配裝該發動機的K-8教練機起飛重量才4300公斤，還有推力更小、用於巡航飛彈類的WS-500。在2000公斤以上推力級別一直到10000公斤之間中國沒有一種渦扇發動機，只有數種60年代初從蘇聯引進仿製的渦噴發動機，特別是在2000～4000公斤這一個級別，只能利用渦噴-7發動機降級使用。渦噴-7發動機空氣流量接近60公斤/秒，耗油率高達0.98克·牛/秒，接近“全球鷹”發動機油耗的2倍。另外，由於發動機推力過大，在高空巡航時燃燒效率並不在發動機的最佳工作區，油耗差別更大。高油耗嚴重影響了飛機的留空時間，不過在最初試驗階段，使用這種發動機作為權宜之計也是可行的。
“翔龍”無人機的動力組按照模組化設計，可以在未來換裝更先進的WS-15渦扇發動機。當然，如果可以，最理想的發動機還是國產ARJ-21支線運輸機的發動機——美國通用公司的CF-34-10A。改型發動機可以提供4185公斤推力，重量僅有760公斤，最關鍵的是油耗僅有0.35克·牛/秒。CF-34是長壽命民用發動機，可靠性非常高。無人機壽命不能和客機比，“翔龍”的機體壽命大約只有2500小時，而客機一般都在數萬小時以上，直接使用CF-34發動機顯然很奢侈。不過，如果能使用這種發動機的降級低壽命廉價版本，也非常理想。
採用大推力發動機讓“翔龍”和美國“全球鷹”和“捕食者”無人機區分開來。“全球鷹”的推重比很低，從地面起飛到爬升到19000米的工作高度需要80分鐘以上，而“捕食者”爬升到8000米高度就需要60分鐘。這兩種飛機大多數時候都只能在單一高度巡航飛行，特別是“全球鷹”一旦執行高度降低到9000米的抵近觀察任務後，要恢復到19000米的工作高度需要一個小時以上，一定程度上影響了該機的使用。“翔龍”無人機具有高速和高推重比的特點，執行與“全球鷹”同樣的降低高度到恢復高度的偵察任務所需要時間僅有後者的1/4。因此，“翔龍”可以象“全球鷹”那樣運作，獲得“捕食者”那樣的辨識和跟蹤精度，是一種兼顧兩者所長的無人機系統。這樣的設計主要考慮到中國使用無人機的條件和美國的區別——高空巡航的偵察能力是主要的，必要的時候可以快速下降高度執行戰術偵察和近距離辨識跟蹤的任務。
中國的周邊環境比美國惡劣，鄰國大多都部署有“薩姆”-2和“愛國者”一類的高空防禦系統，選擇10000米高度執行任務的生存力相當低。18000～20000米則不同，這個高度大多數防空飛彈都很難對付機動目標，F-16這一類戰鬥機的升限大多只有15000米，好一點的F-15戰鬥機也只有18000米左右。“翔龍”這類無人機具有20000米以上的飛行能力，攔截並不像想像那樣容易。這和我們在60年代對抗美國U-2偵察機的情形是一樣的，唯一不一樣的是無人機系統價格便宜多了，可以投入更多的數量，並不會因為被擊落等條件而中斷使用。
翔龍性能
“翔龍”無人機還大量採用複合材料，機翼設計採用菱形布局，機身上曲線連續而光滑，都符合減小RCS反射面積的原則。飛機的雷達截面積並不算大，據推測會小於典型的戰鬥機目標，加上會採用複合材料和吸波材料，RCS估計在1平米左右，縮短遠程監視雷達和高空防禦系統的發現距離。總體來說，飛行高度達到20000米的時候，像“薩姆”-2這類射程為40公里左右的飛彈，頂多只能防禦陣地外側不足15公里左右的半徑範圍，而“愛國者”1/2也不足30公里。無人機在這個高度可以使用光學偵察設備在防區外觀察，如果有合成孔徑雷達還可以距離得更遠，系統生存力非常高。
“翔龍”無人機目前能夠保證具有10小時以上的留空時間，巡航飛行速度超過750公里/時，比“全球鷹”快15%以上，有效任務載荷為650公斤，比“捕食者”大一倍多。該機攜帶的電子設備更類似於“全球鷹”，有高清晰度數位照相機、包括單色高解析度和彩色圖像兩種模式，可提供解析度很高的靜態偵察照片供閱讀和判別；有高清晰度數位電視，能夠提供動態的數字視頻圖像，方便實時監控，視頻信號還有夜視能力，有獨立的紅外熱成像通道，可以提供8~12微米長波自然熱輻射視頻或者更先進的高清晰度凝視3~5微米中波熱成像，後者對機器動力的機動目標觀察效果更好。先進的合成孔徑雷達和逆合成孔徑雷達不一定會出現在每一架偵察機上，因為這種雷達的造價比較高昂。雷達能在惡劣氣候下獲得高清晰度的地面三維圖像，具備在惡劣氣候條件下的機動目標跟蹤和監視能力，往往用於更高級別的偵察和監視任務，與光學偵察組件聯合使用。“翔龍”無人機有可能裝備幾套相互平行的通訊系統，多通道戰術短波數字電台可用於直接與地面指揮所、地面信息共享單位的直接聯繫和信息播發，允許通過授權將信息通道的下載許可權下放到更低的作戰單位，比如師、旅、團等等。飛機還上有更高傳輸速度的定向通訊裝置，可以與地面接收站或者衛星進行點對點高速數據傳輸。
另外，“翔龍”無人機也可以通過更換模組化的機頭電子任務艙段，執行數字通訊中繼任務，擔負起一個很高的信號轉發塔作用。用於類似於蜂窩移動通訊概念的時候，一個無人機機站工作在20000米高度，可以為半徑為200公里的數十萬門以上的無線短波通訊提供中繼和數字交換。同時，還允許多架同樣任務的無人機在天空中組網，實現戰時臨時架設的無線數字通訊中繼交換網路，這比以前用有人飛機來實現同樣的目的費用要低廉得多，效能卻要高出數十倍以上。除了通訊中繼，“翔龍”還可以執行電子干擾任務。一個電子干擾吊艙的重量並不是很大，“翔龍”的任務載荷可允許使用兩個吊艙，將干擾源架設在高度18000米以上高度，不易遭受到反輻射飛彈的威脅。特別是現在使用新型的GPS干擾機，“翔龍”的載荷允許搭載超過20種不同原理的GPS干擾機，能夠有效干擾和壓制半徑400公里以內的簡單GPS設備，以及壓制半徑150公里以內有一定抗干擾能力的GPS接收機，並讓60公里半徑以內的GPS接收機致盲。這對於目前GPS制導武器滿天飛的狀況不異於釜底抽薪！
在使用重量只有100多公斤光學偵察設備的情況下，“翔龍”無人機可以攜帶1~2枚FT-3這一類250公斤級別制導炸彈，能夠初步實現美國中央情報局在阿富汗研究成果——“發現即摧毀”。如果進一步擴展，還能夠使用雷射制導炸彈或者C-701一類的電視制導飛彈。這種“時髦”的能力在進行不對稱作戰的時候非常有效，是未來一個重點發展方向。
目前，“翔龍”高空高速長航時無人機使用的發動機還不算理想，導致其載荷能力較低且留空時間較短，只有10小時，和“全球鷹”接近20小時不能相比。未來換裝先進低油耗並且通過特別最佳化以適應高空工作的WS-15渦輪風扇發動機，“翔龍”的留空時間將有可能提高到20～24小時，有效載荷也將達到900公斤以上。同時，該機可在較低的高度採用慢速飛行來提高對某一特定目標的監視和細節辨認能力。不遠的將來，“翔龍”將會成為中國的“全球鷹”和“掠食者”的集大成者，在中國軍事力量從數量化到質量化轉型的高科技建軍重要轉變中，擔任非常獨特而重要的一環。
