盘旋五小时驰援河南,专家披露翼龙无人机的幕后真容

河南特大暴雨,洪灾泛滥,一架翼龙-II 无人机受国家应急管理部调谴,从贵州安顺千里驰援河南灾区,为陷入断电、断网、断水状况的米河镇乡亲们搭起临时空中基站,紧急时刻为 2752 名乡亲们提供了对外联络信号无人机盘旋在河南省巩义市米河镇上空五个多小时,顺利完成任务后,飞返贵州。

翼龙无人机此次在应急救援事件中突然亮相,让一众网民感到无比惊艳,这款无人机究竟有多神秘,它的技术性能到底如何,为什么要动用它跨三省一市远途应急驰援?网易科技特别邀请到中国无人机领域的资深专家王英勋教授来一一解答。

先交代一下王英勋教授的背景,他是北京航空航天大学无人系统研究院院长、先进飞行器控制一体化国家级重点实验室副主任,兼任中国航空学会理事,中国航空器拥有者与驾驶员协会无人机专家委员会主任、民航无人机驾驶员委任代表。尤其需要一说的是,王英勋是翼龙无人机从出生、首飞、鉴定直到使用的见证者,他曾在翼龙机的母公司中国航空工业集团公司工作 8 年多时间,担任过航空工业防务部科研一部无人机办主任等职。在中航,他就分管过翼龙的研发工作。回到北航工作后,作为评估专家之一,他仍然与翼龙无人机的一些飞行试验有交集,包括翼龙-II 人工影响天气无人机的试飞鉴定。

关于翼龙无人机,下面我们就听王英勋教授逐一道来。

1, 世界顶尖无人机之一,应急能力强在哪里?

网易科技:作为见证翼龙无人机出生和长大的专家,在您眼中,这是一款什么样的无人机?

王英勋:“翼龙-Ⅱ”无人机从飞行性能上看,可以飞到 9 千米高度,飞行速度可以达到 370 公里每小时左右,载重量可以达到 400 到 800 公斤,起飞重量是 4.2 吨。飞机翼展 20 多米,机长 10 米,机高 4 米。它用的发动机是“涡桨-9A”,这款发动机是在国内民用飞机上使用比较广泛和成熟的。飞机是否好用、性能的好坏,跟发动机也是密切相关的,它用了这样一款比较成熟的发动机,使得翼龙的性能也达到了预期的设计要求。这个发动机可靠性比较高,耗油率比较低,功率也较大,飞行安全性比较高。这就给翼龙的安全飞行提供了有力的技术支撑。

翼龙无人机应该说和美国的死神无人机(捕食者 B)地位相当。我们航空业界有个说法,飞机看着越漂亮,往往飞行性能越好。从外形上看,翼龙无人机机身比较修长,发动机后置,双 V 型尾翼,非常潇洒。机头上大家看到有个鼓包,是一个天线罩,里面的天线可以进行卫星通讯,翼龙长距离飞行就靠它。整架飞机看起来非常漂亮,它在空中飞行姿态也非常美,可以说有一种空中美男子的感觉。

网易科技:据说世界最先进的无人机,控制平台非常核心,造价甚至远远高于无人机本身,是这样么?

王英勋:你说的应该是指飞行控制系统,对于无人机来说控制系统是它的关键之一。刚才说的动力系统(发动机)是它的心脏,那么控制系统就相当于大脑,让它去哪里、怎么飞,完成什么样的任务,都需要通过预先编程实现,而实现这种编程能力的机载设备,就是飞控系统。这种飞控系统做得又可靠又安全又智能,无人机完成任务的能力就越强。

那么要想实现高可靠、高安全性,就要采用多余度(专业术语)的配置,比如用三台机载计算机完成多余度运行和管理的能力。这样当一台计算机出现故障,另外两台仍然能让它继续完成任务,这就确保了它的可靠性。

一般来说,三台设备同时出现故障的概率比一台出现故障的概率要低得多,所以通过这些可靠性设计,提高了它的安全性,才保证了翼龙无人机在这种大区域往返飞行,完成这样的任务就会更可靠一些。

采用冗余配置后,造价会高一些,但是与单机发生故障导致坠机率高相比,性价比是划算的。飞机的机载系统的价值会超过飞机机体结构的价格,这在无人机中也是正常的。

网易科技:那地面后方的控制站是什么功能?资料上说美国的无人机,它的控制站设在美国本土,却能操控一万公里外的无人机执行任务,远程精准可控?

王英勋:控制站一般设在地面,它可以通过数据链,所谓数据链即常说的 Data Link , 它是无线通信链路,可以建立地面和飞机之间的直接通讯,来传递飞机上的信息,比如飞行高度、飞行姿态,地面也可以发指令让它转航向,或者爬升高度等等。

当然还有一种卫星中继链路是通过卫星转发信号的,为什么刚才说无人机头部里面有卫星天线呢?它就是通过卫星转发信号,因为地球是曲率的,当超过一定的距离以后,地面无线电就不能直接和它通信了,这时候必须通过卫星转发。所以远距离操控需要靠卫星转发信号。

而且飞机本身是自动驾驶飞行的,不需要人实时进行操控,虽然经过卫星转发,卫星转发一般有 1.3 秒的延迟,延迟会导致人机震荡,我们叫 PIO,但是因为它是自动飞行,不需要人实时驾驶,只要发个指令就可以让它改航,可以盘旋,可以爬升,不会由于延迟导致的 PIO,所以有了卫星链路的中继,就可以远程对无人机进行指挥和操作。

网易科技:这次翼龙无人机前往河南灾区救援,它是承担的空中基站功能,帮助一定范围内的地区恢复通信,这对翼龙机来讲,应该是比较容易实现的任务吧?甚至可以讲这是它基本的本领?

王英勋:是这样,因为洪水把村庄都淹了,通讯中断了,这个时候大家可能很恐慌,也不知道里面到底会变成什么样,赶紧建立一个通讯的通道。这是一个急切需求,而恰恰翼龙无人机航时长、载重量大,可以把基站搬到空中去,这是它比较容易实现的一种场景,正好使该机型的特点得到了发挥,于是它就派上用场。

网易科技:国外是否有类似的无人机应急应用?最有难度的无人机应急会是什么样的场景?

王英勋:比如美国的捕食者,曾经用它来探测台风,我们国家的云影无人机也曾经进行过探测台风的试验,也可以投放一架小飞机进到台风眼里,探测台风眼的能量和未来的发展方向,所以无人机用于民用的应急救援,大家都在探索。不管是发达国家的无人机还是我们国家的无人机,我认为都会逐渐承担这样一些应急使命。

翼龙 —II 无人机。图源/航空工业

2,翼龙代表了无人机国家队水准

网易科技:之前在民用无人机方面,我们一般人听得比较多的就是大疆无人机,翼龙无人机对大多数大众来讲还是比较陌生的,现在才知道它原来是国家队,而且国家队的实力还很不一般。

王英勋:因为“翼龙-Ⅱ”无人机的前身其实是军用无人机,除了在我国作为军用无人机外,翼龙作为出口型,出口到国外的各个国家也是军用,它在军用领域经过多次的实战飞行,总的飞行时间和飞行次数都比较多,使得它的实用性、可靠性和安全性得到很大提高,这样国内各个部门就开始考虑大型的无人机在各种民用场景中是否可以发挥作用。

大疆无人机,它是一种四旋翼轻小型的,也就是在几百克、几公斤以下的飞机,这种小型机有小型机的用途,不同的应用场景也需要不同的飞行能力,它用于航拍、农业植保、电力巡线等等,可以发挥它的作用,而且它的技术也还是不错的。

但河南水灾这样一个场景,需要无人机带上大功率的通信转发设备,小型无人机就做不到。所以说只有翼龙这样大型的、大载重的、长航时的飞机可以完成这样的使命。

我们要知道,研发大型的无人机是需要巨大投入的,而且需要长时间的积累,必须有雄厚工业体系和国家财力的支撑,翼龙也不是突然蹦出来的,它也是经过了十几年的研发,在交付使用后逐渐改进中才走到了今天。国家投入一定的力量和大企业投入一定力量,这也是背后具备了相应的国力所致。民企或者资本投资方亿万规模和长周期的投入,往往是难以做到的。

网易科技:这次河南灾区的应急救援,很多人会问,翼龙无人机为什么要大老远从贵州飞到河南,中间跨越三省一市,而不是直接从河南本省就近起飞?

王英勋:是这样,航空工业在贵州省安顺有一个无人机试验试飞基地,有些无人机是在这个地方进行生产制造,也进行试验试飞,包括对用户的培训。应该说应急安全部的这架飞机恰好在安顺进行试验或者在交付。可能接到紧急任务后,就直接从这里紧急起飞了。这是因为它的航时也足够长,有 20 多小时,它就可以从安顺直接起飞,穿越空中的各种航线,然后到达目的地执行任务。

无人机一般有两种转场办法,一种是可以通过在地面上拆解以后,用运输车运到当地的机场,再组装飞行。另一种是可以从空中转场到距任务目的地较近的机场,但是这些都要一个过程。

因为这次的应急救援,洪水发生得比较快,先地面运输到河南的机场或者飞到河南的某个机场降落,然后再起飞,时间上看是不划算的,从空中飞过去直接执行任务是最快捷的一种选择。

网易科技:这么先进的无人机,您开头说到它是靠耗油率低的发动机驱动,居然是烧油的,而不是其他先进能源?

王英勋:航空动力一般有几种,一种航空煤油动力,像涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机,还有一种是汽油机,像有一些其他的无人机,它用的是汽油发动机。其他先进能源比如氢燃料动力,还没有大功率的产品使用。

燃油的动力,由于它的热值效率比较高,能量重量比较大,同样重量的发动机可以产生更持续的能源推动力,所以现在大多数航时比较长、载重比较大的飞行器还是用燃油作为动力,其他像电动力,保障不了这么大的功率和航时的。

网易科技:为什么这一次只启用一架翼龙无人机,有人问,不能多启用几架?

王英勋:在应急救援领域,目前无人机的使用还处于尝试阶段。目前应该说只有一架或者是只生产了 1-2 架,因为这种应用还没有铺开,没有那么广泛。

我想这次飞行,它也是一个应用示范,在这种灾害救援中发挥了它应有的作用,对无人机的应用会是一种促进。人们会认识到,由于它在恶劣环境下也能安全可靠地完成任务,这样一来,我想需求量会越来越大。随着技术的进步以及需求的产生,可能会在经常发生灾害的地方布局一些这样的飞行器,当出现灾害就可以用到,而不再需要从安顺起飞。无人机平时不需要像有人机一样保持飞行员的飞行能力而耗费使用寿命,它平时可以存储,需要的时候再拿出来使用,性价比可能会更高。

网易科技:为什么这种救援场景一定要是翼龙来完成,而不是普通的直升机,或其他飞行器?

王英勋:直升机分有人和无人两种,如果用有人直升机,前提是周边要有直升机基地,也需要进行一些改装,比如加装通讯装置等,但这种改装可能比事先准备好一架应急飞机估计还难。最大的问题是,有人直升机在这样恶劣的天气情况下,有飞行高度、飞行速度的限制,它就不能飞行了,而翼龙这种无人机在中雨的情况下,也还是能够飞行,有它的天气适应性的差异。

当然无人直升机也可能来执行这种任务,但无人直升机目前还没有这么大的载重量和航时,即使是在当地就近起飞,可能也只能在作业区最多待上 2-3 个小时,也完成不了翼龙这样 5 小时在空中盘旋的任务量。所以目前看,也只有翼龙无人机能做这个事。当然,其他的类似机型经过改装也可以承载这样的任务,但翼龙走在了前面,这也是前面你说的国家队才有的担当。

翼龙-II 气象型无人机。图源/航空工业

3,翼龙无人机经过了十几年历练

网易科技:可能是大家没有注意到,这次应该不是翼龙无人机头一次民用,对吧?

王英勋:是的。去年,在甘肃进行过人工降雨试验,用的就是翼龙无人机,因为这种试验需要飞机飞到云层中播洒增雨剂,但一般飞机飞到云层中有风险,因为云层中可能有过冷水,就是温度低于 0 度,但是没有结冰,当飞机飞到这样的过冷水环境当中,由于产生了结冰核,很快会在机翼表面甚至机身、发动机的进气道结上一层冰,这样会使飞机受到很大的安全威胁,甚至搞不好会坠机。

为了执行这样的任务,翼龙无人机进行了相应的设计改造,增加了发电吊舱和除冰装置,才有可能让它在恶劣的天气下执行这个任务。河南这次应急,因为有暴雨,天气也是恶劣的,翼龙机是能适应这种比较恶劣天气的机型。

网易科技:这种除冰装置是翼龙无人机才有么?独一无二?

王英勋:目前的无人机,据我了解只有翼龙加装了除冰设备,当然有的无人机在局部,比如说发动机的唇口,就是进气道边沿,往往是有加热的功能,因为这个地方比较小,容易加热。但是机翼上大面积加热耗费能源比较高,一般的无人机动力不足,能源也不足,所以很少在无人机上加装除冰装置,也是因为它不会经常进入云雨天气。翼龙由于在人工降雨和应急管理部为了恶劣天气条件下救援需要,加装了这个装置,它是可以满足这样的使用要求的。

假如这次翼龙事先没有做好应急救援的改造,现装基站没那么快,装个三五天再做个试飞,灾害就过去了,所以机遇往往是光顾有准备之人的。这也可能是得益于我们相关主管部门做的这种提前擘划。

其他的应用场景也有用无人机的,当然也有些不一样,比如他们也有用多旋翼加电缆,给它供电,称为系留式无人机,让它升到一定高度,一般升到 100 米到 200 米来进行一些照明,甚至通信中继,但是由于飞机的载重能力弱,它带动不了功率太大的设备,只能服务一个小区域。我们这次救援范围比较广,要求飞机载重量也大,所以翼龙这类大型无人机才能发挥得更好。

网易科技:那是不是说不管什么样的天气状况,对于翼龙无人机来讲,都能不受干扰和影响?

王英勋:这跟飞机本身的设计能力相关,也不是说什么样的天气它都可以飞行。比如能抗多少级的风,尤其在起飞着陆的时候,大侧风的时候,比如超过 15 米/秒或者 20 米/秒,它就不能降落了,只能转场飞行。再比如空中产生紊流,机翼结构强度能不能抗住这样的载荷,这都是要考虑的。一般的飞机也会考虑防静电防雷击,但是它有等级的。比如防水,就像我们的手机也有防水等级一样。

如果是暴雨或雷电,螺旋桨、发动机的进气道都可能进大量的雨,导致发动机停车,甚至把螺旋桨打坏,防雷电能力达不到等级,没有相应的设计就不行。翼龙无人机从设计上是可以满足中雨中执行任务的,还是可以抗得住的。

网易科技:这次有几个词,印象比较深,比如“跨区域飞行”,“穿越三省一市”,“飞行 1200 公里”,它在这种远距离的飞行过程,所面临的难度和挑战是什么样子?

王英勋:最大的挑战可能有这么几点:一个是跨空域的协调,因为空中平时是有航线的,也有军航的训练区域,民航的航线也是互相交织的,所以互相要协调开。因为无人机它自己不长眼,在飞行当中,它是可以严格按照航线飞行的,不会到处乱飞。你只要规划好航线,协调开民航机和它的航路,也不用太害怕。

另外一个挑战是,由于长时间的跨区域飞行,它一路上经过不同的区域天气也会是不一样的,有风场、有雷雨,就需要规划一个很好的航线,能避开可能对它飞行产生不利影响的各种天气。或者可以给它加装像有人机那样的气象雷达,就可以自动躲避恶劣天气,但前提是飞机的载重合适,不能超负苛,才能装上雷达。

再一个问题,长时间远程飞行对可靠性、安全性要求非常高。对于飞行器来说,飞行距离越远,时间越长,风险概率会增加。这就要求飞机能达到相当的安全性,否则完不成这样长时间的跨区域的飞行,中间跨省市,尤其可能要经过人员密集区,万一出现故障坠机,本来为了救灾,结果产生新灾害,更不应该了。但就像我前面所说的,因为翼龙无人机经过了十几年的历练,它的安全性达到足够的要求,虽然这次飞行有一定难度,但还是比较安全顺利地完成了任务。

4,无人机技术永远往前迈步,会越来越聪明

网易科技:现在无人机的发展水平,各国实力大致是什么样的?

王英勋:原来美国和以色列,他们无人机的水平是世界最高的,都是最强国。现在不一样了,美国和中国是站在最前列,以色列到后面去了。原因还在于人才上面,我们国家这方面人才培养得很快,我们的队伍力量比较大,再个就是研发投入上面,也是不错的,毕竟中国经济发展起来了。

网易科技:在应急救援方面,无人机的应用会不会无可替代?

王英勋:我觉得会被越来越多使用,是不是无可替代,还要根据技术的发展来看。应急救援有各种应用场景,在技术达不到智能水平的时候,可能更适合人直接去执行任务。这一次河南水灾主要是通信中继,翼龙无人机在空中可以完成任务,但如果你要落地去救人,无人机的携载技术还没有成熟,可能还需要有人开直升机去,还不敢使用无人机。但是我相信无人机直接参与救人的本领在未来某一天会出现,应该是大趋势。

网易科技:现在都说是科技时代,随着人工智能之类的技术发展您觉得无人机会越来越聪明么?

王英勋:人工智能的发展是让机器越来越像人一样思考,把人的知识和智能算法,逐渐地赋予机器,让机器按照人的意图去完成使命任务。比如飞机可以自动避开雷雨区,这都是可以做到的。

但是当某一天无人飞机遇到了人事先没有赋予它自动处理的状况时,它能不能像人一样思考和解决复杂问题?这还有一段距离。必须靠自学习的能力,或者赋予它超出人为的简单程序设置,让它会思考,更像人一样去完成任务,这也是我们期待的,但是也可能是比较可怕的。人工智能技术的进步一定会使无人机越来越聪明,它不仅可能按照人工编程精确地执行人赋予它的使命,精确执行是机器优于人的地方,它也可能像人一样,去面对复杂的不确定性,选择超出人的预料的行为。当某一天机器学会了完全像人一样思考,你就必须去限制它,因为它可能做好事,也可能做坏事。

网易科技:现在具备热成像技术的无人机,是很成熟了,还有可以灵活避障的无人机,但在某些发达国家,据说他们也研发能测人心跳和呼吸的传感器,能应用到无人机。另外,有一些机构还尝试研发比如飞鸟或者昆虫大小的无人机,您怎么看这种技术的研究创新趋势?

王英勋:你说的这些问题,包含了很多方面。传感技术上,比如热成像,心脏或呼吸探测,无非是要通过一些技术手段来探测被传感物体应该有的特征。这些探测手段被应用到无人机上,可以实现更复杂的任务能力,比如热成像能感受到人的体温,通过心跳也可以判断所救援的人是否具有生命体征。

更先进的就是你说的这种昆虫式的微小无人机,当然有的是直接用 MEMS 技术,把能源、动力、控制都是微小型化,用机器模仿生物这是一种。

另外一种就是用生物的本体能源,一个小电池,如果做到几十克或几克,可能飞行时间顶多支持几分钟。可是一只鸟,甚至是一个蜻蜓,它们吃点蚊虫或食物,就可以长时间飞行,所以人们也在探索用动物自身的能源,来开发无人机技术。例如对它的大脑进行控制,或者有的把昆虫身体切开,用电脉冲刺激它翅膀的肌肉,就可以飞行,而且可以转弯。也有的是把电极植入到它的大脑,然后通过电刺激让它按照人的想法来飞行。这都是一些最前沿的技术上的探索。

某一天真的有人能实现把非常微型的传感器和飞行控制器植入到鸟或者鹰的体内,飞来一只鹰,你不知道这鹰是自己来的,还是受人控制来的,这其实也是很可怕的一件事情。

技术永远是往前进步的,但这个技术进步到某一天是被正向应用还是负向应用,这是一个技术伦理问题,随着技术发展,技术伦理也会有更多的探讨。

网易科技:现在大家也比较关注自动驾驶或无人驾驶,这种无人机技术,也能用到民航客机上么?

王英勋:所谓无人驾驶,就是飞机上没有人去操作,无人机上面是没有驾驶员的,它有自动飞行控制系统。其实现在的民航客机也都具有这样的自动驾驶能力,从起飞到着陆的全程都能实现自动驾驶,可以不需要人的任何操作,完全程序化。将来有一天民航客机会没有人驾驶,它比人飞得还好,因为它可以按照飞行规划,精准起飞、巡航、着陆,这样的飞行控制技术目前已经不是什么难题了。

当然由于法规的限制,以及在飞行过程中可能面对各种不同的应急状态,目前的软件算法还不够智能到像人一样能应对各种各样的情况,所以还要人也就是驾驶员来处理各种复杂的决策性行为。如果没有这种复杂性决策行为的需要,计算机和飞控系统一定比人驾驶飞得更安全。将来计算机如果能达到像人一样处理各种复杂状况了,有了真正无人驾驶的民航客机,我想我也是会敢坐的。

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