美国军用无人机可靠性趋势与分析

专题综述第5页共30页拨款，在经费削减背景下美海军未必情愿为此买单。N-UCAS项目目前尚处在初期试验阶段，该机型的正式服役可能要拖到2025年。其次是美军由来已久的军种矛盾。以互操作问题为例，美国防部很久就认识到互操作性的重要。然而，这并非完全是一个技术问题，在很大程度上更是一个利益平衡与政策问题。美军在20世纪90年代就尝试推动发展无人机通用控制站，然而由于军种利益纠葛，其结果仅是在军种内部的部分无人机系统控制站实现了通用。空域控制权问题也是美军无人机装备发展中的一大掣肘。尽管陆军声称其近期目标只是实现直升机的无人驾驶，但随着越来越多的大型固定翼无人机开始在陆军服役，它与空军之间存在了半个多世纪的裂隙恐怕将因此进一步加大。一旦陆军无人机部队发展到相对完善的程度，美国空军对天空的控制权将彻底被弱化。况且，将大型无人机全部划给空军也不太现实，毕竟无人机直接配属给陆军才能最大限度地发挥其战术支援效能。来自人员方面的障碍也不少。以海军为例，由于美国海军在过去数十年中坚持使用有人驾驶飞机，加之航母上的空间有限，许多飞行员担心自己的位置被无人机替代，所以难免对后者抱有抵触情绪，不愿和无人机在同一条船上服役。而在一些军事专家看来，无人机系统固然可以保证指挥机构与具体作战单位指挥官的顺畅通联，甚至可以实现单兵、指挥官、军种指挥官的通联，但这有可能反过来影响美军低层指挥军官的主动性和指挥素养。而且，如果过分地依赖无人机，一旦指挥网络失灵，这些武器将失去用武之地，仍然需要依靠人的力量去完成作战任务。（空军装备研究院情报所海建和）美国军用无人机可靠性趋势与分析一、美国军用无人机的可靠性自1986年到2002年，“捕食者”“先锋”“猎人”三种型号的无人机发生A等灾难性事故数（A等灾难性事故指的是造成机毁人亡、或导致财产损失一百万美元以上的事故）如下：“捕食者”累积事故率（即每100000飞行小时的A等灾难性事故次数）是32；“先锋”是334；“猎人”是55（自1996年实施可靠性改进措施后降为16）。而有人驾驶飞机的事故率，通用飞机的事故率是1次每10万飞行小时，支线客机的事故率是0.1次每10专题综述第6页共30页万飞行小时，大型客机的事故率是0.01次每10万飞行小时。统计数字显示，无人机的可靠性要达到与有人机同等水平，则需提高一到两个数量级。不过，美军正不断采取措施，降低无人机的事故率。“先锋”在服役的15年里，“猎人”在服役的11年里，可靠性都分别提高了一个数量级。相比较而言，“捕食者”无人机的事故率自服役以来，基本保持较低水平。这可能是由于其制造商在以前类似型号设计（1988年的“玻玻”和1992年的“纳蚊”750）中获得了经验。可以预计，较大型的无人机在本年代末，将事故率控制在15-20次/每10万飞行小时是可能的。对于无人机在整个寿命期里的可用性来说，RQ-2“先锋”和RQ-5“猎人”可用性趋势在使用期内基本保持稳定，并且“猎人”无人机可用性数值较高，达到0.92—0.98。RQ-1“捕食者”从其早期型别到新型别，在可用性方面有了巨大提高。据1997年美国国防分析研究院报告，早期“捕食者”的可靠性较低主要是由于其技术验证不足，从而对训练操作者维护此系统不利。并且确定，后勤基础设施也是影响可用性的主要因素之一。图1比较了三种无人机的平均失效间隔时间（MTBF）趋势。RQ-1/“捕食者”由于外场试验不足，初期的系统性能和可靠性方面没有建立联系，致使缺少基准。自1996年以来，通过加强训练和运用较好的维护措施，“捕食者”的平均失效间隔时间平均每年提高了5.9小时。图1三种无人机平均失效间隔时间比较另外值得注意的是，RQ-5/“猎人”的平均失效间隔时间每年以2.6小时的速度稳定增长。“猎人”早期的MTBF较低，但自1996年实施提高可靠性措施以来，平均每年可靠性增长率达到32.5%。这种改善是由于既进行了故障模式与影响分析，又吸取了经验教训所专题综述第7页共30页致。对于RQ-2/“先锋”，MTBF每年以1.4小时的速度适度增长，但在服役的近20年中，增长速度低于预期目标。图2提供了三种无人机在可靠性、系统完成计划任务概率方面的比较。图2三种无人机可靠性比较RQ-5/“猎人”在所测试的这几种无人机中的可靠性增长最快（每年提高3.5%）。这主要是得益于关键子系统的重大改善。例如，美国总审计局报告曾指出，早期“猎人”的发动机可靠性如此低下，以至于每个无人机单元配有两套“猎人”系统，以便每周更换发动机3到10次。美国总审计局的另一份报告指出，“猎人”的飞行控制软件与数据链接存在问题。但当所指出的这些问题解决后，“猎人”无人机的可靠性得到极大提高。表1无人机可靠性概况机型MTBF（小时）可用度可靠性每10万飞行小时事故率（按型别）每10万飞行小时事故率（按型号）RQ-1A“捕食者”要求值不适用不适用不适用不适用32实际值32.040%74%43RQ-1B“捕食者”要求值4080%70%不适用实际值55.193%89%31RQ-2A“先锋”要求值2593%84%不适用334实际值9.174%80%363专题综述第8页共30页RQ-2B“先锋”要求值2593%84%――实际值28.678%91%139RQ-5“猎人”（1996年之前）要求值1085%74%不适用55实际值不适用不适用不适用255RQ-5“猎人”（1996年之后）要求值1085%74%不适用实际值11.398%82%16表1概述了美国目前几种军用无人机的可靠性状况。相比较作战要求指出的需求值，绿色和红色标出的数值分别表示超过和未达到要求的数值。对于每10万飞行小时的事故率，没有提出要求。另外，RQ-1A/“捕食者”的可靠性要求没有得到数据。每10万飞行小时的事故率用两种方式表示出来。型别的事故率表示同一型号无人机不同型别的可靠性状况；型号的事故率表示该型号无人机所有型别可靠性的综合状况。从表中看出，除RQ-2/“先锋”外，本文所研究的无人机可靠性都超过作战要求。RQ-2A虽然可靠性略显不足，但其下一代RQ-2B无人机除可用性仍然达不到要求外，其它可靠性表现良好。这些无人机的失效模式如表2表示。表2无人机失效模式机型动力/推进系统飞行控制通讯人为过失/地面控制其它RQ-1A“捕食者”23%39%11%16%11%RQ-1B“捕食者”53%23%10%2%12%RQ-2A“捕食者”29%29%19%18%5%RQ-2B“捕食者”51%15%13%19%2%RQ-5“猎人”29%21%4%29%17%从表2中的数据中看出几个显著的趋势：对RQ-1B“捕食者”，由于人为因素/地面控制相关原因造成的故障显著较低。这主专题综述第9页共30页要是由于在加强“捕食者”态势感知的同时，增强运用训练模拟器的原因。对RQ-1，尽管采用ARC-210无线电设备实现空中交通管制（ATC）超视距通信使解决方案复杂化，并存在一些初始的集成问题，但并没有增加由通讯硬件和软件失效而带来的事故率。RQ-1/“捕食者”和RQ-2/“先锋”由于动力/推进系统造成的故障趋势非常相似。早期的A型型别中，所占比例都在20-30%之间（依次分别为23%、29%）。但在后期型别中，都达到原来的两倍即50%左右（分别为53%和51%）。MQ-1第30批次“捕食者”升级已重视解决此问题，然而提高“先锋”发动机可靠性的计划却没有实现。RQ-1/“捕食者”和RQ-2/“先锋”由于飞行控制造成的故障趋势也非常相似。从A型到B型，事故率下降大约一半（“捕食者”：从39%下降到23%；“先锋”：从29%下降到15%.）。这是由于不但对无人机实现了较好的自主飞行，而且对无人机空气动力特性和飞行控制有了更进一步的把握。尽管无人机从早期型号到新型号的失效模式发生了改变，但无人机可靠性趋势是持续得到改善。这说明了设计者和操作者注意到和意识到系统的不足，并加以改进。图3显示了所有五种无人机失效模式的平均历史数据。在动力/推进系统、飞行控制和操作训练这三个领域中的可靠性问题占总数的80%。这也提示人们，通过努力提高这些领域的可靠性要求，可以极大地降低故障率，减少无人机的损失。另外，可以利用先进技术替换现有技术（比如电系统替换液压系统，数字传感器替换模拟传感器等），来减少航线维护，提高可靠性。图3美国军用无人机失效模式数据（基于每10万飞行小时）下面，我们将有人机与无人机的可靠性作一比较。根据美国国会研究部的报告，美国军用有人飞机70%的A类事故是由于人为失误造成的，而美国飞行安全基金会研究指出，对于所有的有人飞机，上述数字将上升到85%。图4显示了美国空军1947年到2002年55年来事故率下降的趋势。在第一个15年里，专题综述第10页共30页每100,000飞行小时的事故率从44快速下降到6。在后40年里，该值逐渐地下降到1。事故率的下降，主要原因是由于涡轮发动机替换了活塞发动机，同时也是由于改善了飞机训练和使用维护程序。图4美空军1947~2002年A等灾难性事故率表3示出了一些有人飞机的可靠性指标，为便于比较，我们再次列出了可靠性最高的RQ-1/“捕食者”无人机的可靠性数据。表3部分有人机与无人机可靠性比较机型每10万飞行小时事故率MTBF（小时）可用度可靠性通用飞机1.22未获取数据AV-8B10.7――未获取数据――U-26.5105.096.1%F-163.3551.396.6%F-183.2――――波音7470.013532.398.6%98.7%波音7770.013570.299.1%99.2%RQ-1“捕食者”3155.193%89%由上表可看出，即使是在无人机里可靠性最高的RQ-1/“捕食者”，所列出的各项可靠性指标均低于有人机。不过，近年来，通过在长时间高强度的使用中积累操作经验（以及改善人员训练），同时通过技术手段提高可靠性，“捕食者”和“全球鹰”无人机的每十万专题综述第11页共30页飞行小时事故率已降低到与F-16飞机等相当的水平。如图5所示。图5“捕食者”、“全球鹰”等无人机的事故率-累计飞行时数与F-16飞机等的比较（1986~2006年）二、影响无人机可靠性的环境因素和外部因素尽管人们习惯性地将可靠性问题归因于系统内部因素（比如：零部件的可靠性），但外部因素对无人机的可靠性也产生相当大的影响。这些环境和外部因素往往是影响整个系统的可靠性，恶化系统中的任何一个零部件。而且，不管系统的使用年限长否，这些因素自始至终地影响着装备系统。这些外部因素因地域或季节的不同而不同，比如与气候有关的因素等。但是，如果严格按照系统的使用规范进行操作，可以大大减轻这些因素对可靠性的影响。（1）降雨比起有人驾驶飞机来，多数无人机较易受降雨的影响。这主要有三个原因（1）多数无人机尺寸相对较小（2）它们多利用木制螺旋桨（3）较少注意防水密封。由于无人机尺寸相对较小，所以它们更易受到降雨的不利影响。对F-16飞机造成轻微影响的降雨，对“先锋”无人机可能就是中等程度的降雨。目前对无人机遭遇降雨还没有很好的解决措施，只是遇到这种天气情况时，避免起飞或着陆，或者降低飞行速度，以减少降雨的不利影响。专题综述第12页共30页尺寸较小的无人机多采用木制螺旋桨，以降低成本和减轻重量。“先锋”无人机尽管采用推进式发动机，但其螺旋桨几乎每次飞行都要更换。降雨尤其对木制螺旋桨造成危害，因为雨水能很快（几分钟内）侵蚀桨叶前缘，恶化转子的气动性能。解决此问题的措施是（1）采用复合材料螺旋桨（2）采用金属材料螺旋桨（3）木制螺旋桨，但桨叶前缘采用复合材料或金属材料。选用复合材料螺旋桨成本较高，但重量较轻且坚固耐用。采用金属材料螺旋桨成本较高，重量较重，但持久耐用，尤其适用于替换易损坏的木制桨叶。“先锋”无人机的木制螺旋桨成本为275美元，其复合材料螺旋桨为600美元，金属制螺旋桨则为750美元，是木制的三倍。尽管它们成本不同，但作为无人机飞行关键元件来说，都是可以接受的。无人机与有人机不同，机身上设计了大量的舱口盖以利于维修人员进入机体内维修。而且尺寸较小的