周龍 趙令公 王鋼林 相倩

摘 要：固定翼有人飛機無人化改造是快速獲取大型無人機的重要途徑，同時對新型大型無人機的研發(fā)具有重要的參考價值。本文首先對國內外已開展過的無人化項目進行系統(tǒng)梳理，美國和蘇聯(lián)開展了大量軍用飛機無人化改造工作，國內近5年也完成了多個固定翼有人飛機無人化改造項目，實現(xiàn)將有人飛機無人化改造為空中全尺寸無人靶機、無人攻擊機、無人偵察機和無人運輸機等。隨后總結了固定翼有人飛機無人化改造過程中的總體設計、性能提升、本體改造、飛控系統(tǒng)改造、全系統(tǒng)聯(lián)試與飛行試驗等多項關鍵技術。最后對我國未來的固定翼有人飛機無人化改造工作中的改造對象、改造模式、用途及智能化改造等方面提出相關建議。

關鍵詞：無人機； 大型無人機； 無人化； 飛機無人化改造； 固定翼飛機改造

中圖分類號：V221 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.08.002

為滿足未來戰(zhàn)爭無人化、智能化的趨勢需求，對有人飛機進行無人化改造已經(jīng)勢在必行。美國、蘇聯(lián)等從20世紀50年代開展了固定翼有人飛機無人化改造工作，形成了系統(tǒng)且完備的技術積淀，在武器系統(tǒng)開發(fā)和新飛機戰(zhàn)斗力的形成中發(fā)揮了重要作用。我國雖然已開展了將殲6、殲7飛機無人化改造成全尺寸靶機[1]和運5等通用飛機無人化的改造項目，但相對國外，國內開展的無人機改造項目較少。

國內學者對固定翼有人飛機無人化改造相關技術開展了大量研究。2002年，陳漢昌[2]提出將老式有人飛機無人化改造為無人攻擊機。2006年，丁力軍[3]建議將退役飛機無人化改造為全尺寸無人機。2014年，焦玉坤等[4]建議國內開展通航飛機的無人化改造工作。2017年，馬慶林等[5]對通用飛機無人化改造的安全性進行了分析。2021年，柳永波、徐明等[6-7]對通用飛機無人化改造的適航問題開展了相關工作。王曉璐等[8]對通用飛機無人化改造的氣動問題進行了研究。曾冠南等[9]公布了基于副翼操縱系統(tǒng)的固定翼有人機改造成無人機的方法。雷黎明等[10]公開了運5飛機改無人機系統(tǒng)的發(fā)動機操縱系統(tǒng)技術。近20年來國內學者的研究內容涉及無人化改造對象、安全性、適航、氣動、飛行控制和動力系統(tǒng)等，為有人飛機開展無人化改造奠定了良好的技術基礎。

本文針對國內外已開展過的固定翼有人飛機無人化改造項目進行系統(tǒng)梳理，總結無人化改造過程中涉及的關鍵技術，并對我國未來固定翼有人飛機無人化改造工作提出相關建議。

1 無人化改造的優(yōu)勢及特點

固定翼有人飛機無人化改造是指在保留有人飛機的主體結構和氣動外形的前提下，拆除有人飛機部分設備和加裝部分新設備，使其具備無人自主飛行能力的技術。固定翼有人飛機改裝的無人飛機不僅能夠充分挖掘原飛行平臺的性能潛力，還能夠搭載更繁重、多樣的任務設備，大大拓展其任務范圍，這些優(yōu)勢在戰(zhàn)斗機改裝平臺上體現(xiàn)得更為明顯，可以執(zhí)行更危險、復雜的飛行任務。

此外固定翼有人飛機無人化改造成為當前航空科技研究的熱點，因為固定翼有人飛機無人化改造具有以下優(yōu)勢：一是將現(xiàn)有的有人飛機進行無人化改造，可以消耗現(xiàn)存或退役的大量有人飛機，盡快接入未來戰(zhàn)場的作戰(zhàn)體系；二是在無人化的大趨勢下，開展固定翼有人飛機無人化改造可以快速獲得大型無人機，降低新研大型無人機的風險，在此過程中可以不斷積累經(jīng)驗，培養(yǎng)人才，為未來大型無人機的研制和應用奠定基礎。

有人飛機改造無人機過程與普通無人機研制不同，無人化改造飛機的特點為：開展有人飛機無人化改造，首先必須充分掌握原有人飛機的特性，然后根據(jù)相關的技術指標進行系統(tǒng)設計及改造，最后完成試驗試飛等。固定翼有人飛機無人化改造工作的核心是讓有人飛機具備無人自主飛行能力的同時盡可能減少對原飛機的改動。一般會保留原有人飛機的氣動外形、主體結構、動力系統(tǒng)，這樣可以讓其繼承原有飛機的全部性能的同時，突破有人飛機飛行員帶來的限制，在原飛行包線內獲得更全面的性能。

2 無人化改造的歷史及現(xiàn)狀

固定翼有人飛機無人化改造始于20世紀50年代，隨后美國和蘇聯(lián)陸續(xù)將大量的固定翼有人飛機無人化改造為全尺寸空中靶機，為有人飛機無人化改造積累了大量經(jīng)驗。進入21世紀以來，有人飛機無人化改造目標從無人靶機逐步擴展到無人偵察機、無人攻擊機、無人運輸機和無人僚機等，進一步拓寬了固定翼有人飛機無人化改造的研究范圍，提升了無人化改造技術的應用價值。

2.1 國外研究歷程

美國于20世紀50年代率先開始將有人飛機F6F-3/5改造成無人靶機、無人偵察機和無人攻擊機，并在朝鮮戰(zhàn)場中投入了使用。20世紀70年代，美國海軍先后將T-33、F-9F和F-86改裝成無人靶機和假想敵用機，在數(shù)型導彈定型和飛行員訓練中發(fā)揮了重要作用。美國空軍從70年代開始將F-102、F-100和F-106改造成無人靶機，為愛國者防空系統(tǒng)的研發(fā)和F-15戰(zhàn)斗力的形成奠定了重要基礎。

1997年，F(xiàn)-4成了美軍無人靶機新的改造對象，無人化改造得到的QF-4（見圖1）主要用于武器測試、飛行員培訓等，在武器測試中用于拖曳靶標、靶彈發(fā)射、導彈伴飛、測試電子設備、攜帶干擾吊艙模擬攻擊等，在美國海、空軍的武器系統(tǒng)評估和測試中占據(jù)了重要位置。

蘇聯(lián)在20世紀50年代開始了固定翼有人飛機無人化改造的工作，先后將圖-4和圖-16無人化改造成全尺寸靶機，用于導彈測試和主動電子對抗測試。20世紀50—60年代初，伊爾-28和雅克-25被無人化改造成全尺寸靶機，為蘇聯(lián)截擊機和空空導彈的研發(fā)做出了突出貢獻[11]。20世紀70年代，L-29教練機無人化改造成全尺寸靶機M-29，如圖2所示。

米格系列戰(zhàn)斗機先后被無人化改造成全尺寸靶機，其中米格-15改造的全尺寸無人靶機，在為圖-16轟炸機設計的KS-10、KSR-2兩型導彈研制中發(fā)揮了重要作用。20世紀60年代，米格-19無人化改造后成為蘇聯(lián)的第一型超聲速靶機，米格-17、米格-21和米格-23先后被無人化改造成全尺寸靶機，用于實兵對抗中模擬作戰(zhàn)飛機。20世紀80年代，蘇-9和蘇-11被無人化改造成全尺寸靶機用于防空武器測試[12]。

進入21世紀以來，國外的固定翼有人飛機無人化改造研究蓬勃發(fā)展。瑞士、以色列、美國等國分別在2005年、2009年、2011年完成了基于鉆石飛機公司DA42飛機的無人化改造研究工作，主要用于情報、監(jiān)視和偵察等任務。意大利比亞喬宇航工業(yè)公司開展了基于P.180 MPA公務機的無人化改造研究工作，于2013年完成首飛，主要用于情報、監(jiān)視、偵察、電子戰(zhàn)、海上巡邏和通信干擾等。2009年F-35第一架原型機退役后也被無人化改造成靶機，用于F-35武器系統(tǒng)的驗證。2013年9月，F(xiàn)-16無人化改造的QF-16首飛成功（見圖3），作為全尺寸空中靶機交付美國空軍，全面取代了QF-4。2019年美國Dorsal Aircraft公司提出了將C-130H運輸機改造成無人運輸機的方案[13-14]。

2.2 國內研究歷程

21世紀初期，國內開展了固定翼有人飛機無人化改造的大量技術研究，研究內容涉及改造對象、技術特點、安全性、適航、氣動、飛行控制和發(fā)動機等，為開展有人飛機無人化改造項目奠定了良好的技術基礎。2008年，航空工業(yè)貴飛基于EV-97雙座輕型飛機無人化改造的“鷂鷹I”無人機首飛成功。近5年來中國航天科技集團、中國電子科技集團、鄭州航空工業(yè)管理學院聯(lián)合江西直升機公司等開展了固定翼有人飛機無人化改造工作，完成了三個型號的無人化改造并成功投入使用。另外航空工業(yè)哈飛預計在2025年完成對運12的無人化改造。下面將對這4個無人化改造項目進行簡單介紹。

2.2.1 運5B飛機無人化改造

運5B飛機無人化改造由中國航天科技集團有限公司第九研究院牽頭，于2018年10月16日試飛成功，如圖4所示。目前已經(jīng)完成了國內首次大載重跨省異地轉場飛行、試運行航線驗證飛行、大載重連續(xù)空投演習演練等飛行任務，大大推動了我國無人運輸機商業(yè)運營發(fā)展。

運5B款式老舊，自動化水平低，發(fā)動機無法自主啟動，其發(fā)動機控制、系統(tǒng)控制都有別于小型無人機，給無人化帶來不小困難。運5B性能參數(shù)見表1，無人化改造后在貨運方面具有很大優(yōu)勢。運5B無人機的起飛距離不超過200m，貨艙容積12m3，有效載荷1.5t左右，最大航程接近1000km，可在國內任何一個中小型機場或簡易跑道起降，執(zhí)行預定航線的運輸任務，能滿足邊遠地區(qū)、山區(qū)、海島等復雜地形的物流運輸需求，并能拓展應用于復雜條件下的應急救災物資投放等多個領域。

將運5B改造成運輸無人機，除了提高物資運輸效率、降低物流成本、適應未來物流行業(yè)的智能化發(fā)展趨勢外，還為退役的老舊運輸機找到了一條舊物利用的新方向。

2.2.2 DA42無人化改造

DA42-MPP（多用途平臺）的無人化改造由中電科蕪湖鉆石飛機制造有限公司完成，于2019年4月首飛成功，如圖5所示，改造完成后命名為CU42無人機。

CU42無人機為一型全天時中空長航時無人偵察機，改造后最大起飛重量可達2t，可攜帶550kg的載荷持續(xù)飛行24h，主要性能參數(shù)見表2。

改造完成后，可以在CU42無人機機頭、機腹等位置加裝航空相機、光電平臺、SAR雷達、通信中繼站等任務設備對地面目標或區(qū)域實施影像觀測、光學或雷達探測與監(jiān)視、通信中繼等。目前CU42無人機已成功應用于多種設備的掛載飛行試驗驗證。

2.2.3 鄭航一號無人化改造

鄭航一號的無人化改造由鄭州航空工業(yè)管理學院和江西直升機公司合作完成，該機的原型機為佳寶J230-D，無人化改造后如圖6所示，并于2020年6月首飛成功。無人化改造后的鄭航一號主要性能參數(shù)見表3，目前主要應用于沿黃流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測[15]。

2021年10月，鄭州航院無人機研究院聯(lián)合航空工業(yè)貴州飛機有限責任公司、北京航空航天大學、黃河水利科學研究院和上街區(qū)通航管委會，通過鄭航一號、鄭航二號分別搭載全極化合成孔徑雷達設備和超寬幅航攝相機，執(zhí)行沿黃秋汛應急勘測演練任務。其中，鄭航一號無人機在3000m的高度飛行3h，對面積約400km2的任務區(qū)域進行勘測，并實時將采集到的影像資料通過網(wǎng)絡和手機App進行傳輸。鄭航二號無人機則是在450m的低空飛行1h，拍攝了16km2的黃河河道區(qū)域高清圖片1萬余張，為黃河防汛抗洪提供強有力的數(shù)據(jù)支持。

2.2.4 運12飛機無人化改造

運12飛機是1982首飛的國產(chǎn)輕型雙發(fā)多用途運輸機，由航空工業(yè)哈飛公司設計生產(chǎn)，40年間衍生出多個型號[16]，具有廣闊的市場運用空間，運12主要性能參數(shù)見表4。

2022年11月珠海航展上，航空工業(yè)哈飛公布了運12F運輸機（見圖7）的無人化改造計劃，哈飛公司將在未來三年內完成該運輸機無人型的研制改造工作。

3 無人化改造關鍵技術

固定翼有人飛機無人化改造是一項復雜的工程。開展有人飛機無人化改造時，首先要對原飛機的飛行性能和任務性能進行詳細評估分析，確定其無人化改造后的用途；再根據(jù)其用途進行各分系統(tǒng)的方案設計、飛行方案設計、總體布局設計、重量和重心設計等；最后再開展詳細的改造工作，主要涉及以下關鍵技術。

（1） 無人化改造總體設計

無人飛機種類繁多，包含無人運輸機、無人靶機、無人僚機、無人偵察機等多種任務類型，每種任務所需要的技術指標差異較大，改造過程需要結合設計指標，有針對性地改進現(xiàn)有飛機的機體結構、任務載荷、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等。

固定翼有人飛機在設計研制時針對的是當初有人飛機的特定任務，將有人飛機改造成無人機需要根據(jù)其原有技術特征，預先設計好改型無人機的任務定位，從新的任務需求出發(fā)對無人機的改造方案提出總體方案設計，再分解技術指標要求、改造方案迭代、實施、集成、試驗測試等。

（2） 無人機性能提升

有人飛機在設計時需要考慮到飛行員和乘客的生理極限和舒適度，飛行性能設計受到諸多因素的限制，難以發(fā)揮飛機本身最大的性能。將有人飛機改造成無人機，可以根據(jù)任務需求，通過仿真和測試等方式，探索飛機本體的使用極限，在現(xiàn)有飛行包線獲得更優(yōu)異的性能，實現(xiàn)更加廣闊的應用。

首先對原有人飛機的飛機設計資料進行核查，分析出受人員因素約束的折中設計；然后通過計算仿真，探索機體本身的飛行極限，結合試驗加以驗證；再基于此設計飛行控制方案和航跡規(guī)劃方案，擴展飛行邊界；最后，通過試驗測試包線擴展的合理性。

（3） 飛機本體改造

飛機本體改造主要包括對操縱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和生命保障系統(tǒng)等的改造。

操縱系統(tǒng)改造需對原有人飛機為滿足飛行員習慣和飛機操縱性而設計的機構進行改造或拆除。液壓系統(tǒng)一般要改造助力系統(tǒng)以適配滿足控制系統(tǒng)的要求，將起落架收放系統(tǒng)中采用機械操縱機構改為自動控制。發(fā)動機系統(tǒng)改造通常是將油門機械操縱系統(tǒng)進行自動化改造。此外，還需對駕駛艙或客艙的冗余結構進行適應性更改，如拆除為人員設計的生命保障、救生、通信等設備。

在改造之前，需要核對原飛機設計方案，對結構強度和裕度進行仿真，保證改造后的方案滿足無人機的使用條件。在對飛機本體改造時，應遵守以下原則：避免對主承力構件進行大的改動，對次要構件進行拆卸和截斷時要進行強度和剛度的補償，盡量減少對飛機氣動外形的改動，不允許對進氣道部分的蒙皮進行制孔、開槽等。

（4） 飛行控制系統(tǒng)改造

固定翼有人飛機無人化改造對飛行控制系統(tǒng)的改造包括飛機姿態(tài)控制、航線飛行、自動起降、發(fā)動機控制、故障診斷與容錯、任務執(zhí)行等。首先要保證盡可能利用原機設備傳感器的情況下，飛機具備監(jiān)測機體狀態(tài)和飛行狀態(tài)的傳感器，提供反饋信息給飛行控制系統(tǒng)的能力。然后是飛行控制率設計，有人飛機改造成無人機一般飛行空域和速度裕度都會增大，此時要求控制率具有多模態(tài)控制和平穩(wěn)轉換的能力。對于發(fā)動機控制的要求是改造完成后無人機具備發(fā)動機自起動控制、發(fā)動機狀態(tài)控制和噴口等輔助部分的控制能力。

為滿足飛行控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，固定翼有人飛機無人化改造要保證傳感器系統(tǒng)、控制器、執(zhí)行機構等可采取冗余設計。此外，為保證后續(xù)迭代升級，尤其是滿足協(xié)同飛行等任務需求，飛行控制系統(tǒng)在升級過程中需要保留相關功能裕度及接口。

（5） 全系統(tǒng)聯(lián)試與飛行試驗

固定翼有人飛機無人化改造的飛行試驗應按照循序漸進和逐步驗證的原則，降低飛行試驗風險。具體測試包括系統(tǒng)集成靜態(tài)聯(lián)試、地面滑跑測試、首飛測試、科目測試、任務測試等多個環(huán)節(jié)。

無人化改裝完成后，分系統(tǒng)進行各自的程序測試，保證各分系統(tǒng)自身工作正常后，進行全機系統(tǒng)靜態(tài)聯(lián)試，初步檢驗分系統(tǒng)之間的配合工作情況是否滿足設計要求。通過靜態(tài)聯(lián)試后進行地面滑跑測試，進一步驗證發(fā)動機控制的穩(wěn)定性和分系統(tǒng)協(xié)調工作情況等。首飛測試驗證飛機是否具備基本的自主飛行能力，能否真正實現(xiàn)從有人飛機向無人機的轉變。首飛測試后如有問題需進行及時調整，隨后重新逐步驗證飛機的所有指標。最后的科目測試是根據(jù)無人機的目標應用場景，逐項開展各科目飛行驗證，用以驗證無人機能否實現(xiàn)預期設計目標，通過科目測試則標志著飛機無人化改造成功。

4 總結與展望

國外對固定翼有人飛機無人化改造工作正在如火如荼地開展，當前國內固定翼有人飛機無人化改造也有一定的進展，但在改造對象、改造技術成熟度方面與國外仍存在一定差距。針對國內固定翼有人飛機無人化改造的未來發(fā)展，提出以下思考及建議：

（1） 改造對象向現(xiàn)役飛機拓展

目前國內固定翼有人飛機無人化改造的對象大多為通航飛機和老舊飛機，積累了一定的技術及應用經(jīng)驗，但是現(xiàn)役飛機無人化技術儲備及應用較少。未來戰(zhàn)爭無人化趨勢顯著，因此非常有必要開展現(xiàn)役飛機無人化改造研究，擴大當前現(xiàn)役飛機的使用場景。改造對象可以圍繞現(xiàn)役的戰(zhàn)斗機、運輸機、轟炸機等進行進一步拓展，全面促進無人作戰(zhàn)體系構建。

（2） 模塊化改造設計兼顧有人/無人駕駛模式

盡管未來戰(zhàn)爭中無人化趨勢明顯，但是人作為戰(zhàn)爭中決策環(huán)路的最高決策者，有人/無人協(xié)同必將在未來戰(zhàn)爭中占據(jù)重要的位置。為了在戰(zhàn)爭中資源調配最大化，飛機應該盡可能同時滿足有人/無人需求。因此需要飛機設計以及有人飛機改造過程中將無人控制部分模塊化設計。

（3） 無人化改造飛機用途拓展

隨著退役通航飛機、民航飛機和軍用飛機的增多，有人飛機無人化的需求隨之增加。隨著應用場景的精細化，無人機將進一步應用到社會的方方面面，如線路巡查、日常安防、應急救援等多方面，因此可以結合退役飛機來設計一種或多種場景，進行無人化改造，拓寬無人化改造飛機的應用場景。

（4） 無人化改造與人工智能技術相結合

人工智能技術在當下的應用已經(jīng)非常廣泛，可以將固定翼有人飛機無人化改造與人工智能技術相結合。首先用人工智能來讀取飛機原始資料，生成無人化改造后的性能能力參數(shù)。其次用來預測無人化改造中的問題，規(guī)避可能存在的質量或者安全風險，及時對改造過程形成指導意見，有效提升改造效率。最終有人飛機無人化改造后可以使用人工智能技術來操控無人機，使得無人化改造的大型無人機可以快速形成戰(zhàn)斗力。

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Research on Progress of Manned Fixed-wing Aircraft Modification to UAVs

Zhou Long， Zhao Linggong， Wang Ganglin， Xiang Qian

Chinese Aeronautical Establishment， Beijing 100012， China

Abstract： Unmanned modification of manned fixed-wing aircraft is an important way to quickly acquire large UAVs， and has important reference value for the research and development of new large UAVs. First of all， the unmanned projects that have been carried out at home and abroad are systematically sorted out. The United States and the Soviet Union have carried out a large number of unmanned military aircraft transformation work， and China has also completed a number of unmanned transformation projects for manned fixed-wing aircraft in the past five years. The unmanned manned aircraft can be modified into full-size aerial unmanned target aircraft， unmanned attack aircraft， unmanned reconnaissance aircraft and unmanned transport aircraft. Then， it summarizes several key technologies in the process of unmanned modification of manned fixed-wing aircraft， such as overall design， performance improvement， body transformation， flight control system transformation， joint whole system test and flight test. Finally， some suggestions are put forward on the object， mode， use and intelligent modification of unmanned madification of manned fixed wing aircraft in our country.

Key Words： UAV； large UAVs； trend of unmanned； unmanned modification of aircraft； fixed-wing aircraft modification