【无人系统技术】美国空军正式列装QF-16全尺寸靶机
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导语
2016年9月，随着QF-4靶机结束了长达20年的装备和使用，美国空军最新型QF-16靶机开始登上武器测试和战术演练的舞台。该机凭借着出色的高机动能力，可以用于测试在研武器的战术性能和磨砺飞行员的作战技艺，承担起新一代全尺寸靶机（FAST）的各项任务。根据最新报道，今年5月，3架QF-16靶机通过携带电子干扰吊舱，模拟了逼真的战场环境，用于F-35战斗机的战术性能测试。
作为世界上最著名的第四代战斗机之一，F-16战斗机在近40多年时间里已经承担了空对空、空对地和科研试飞等任务，从现在开始将充当起全尺寸超声速靶机的新角色。该机可以真实地模拟当前世界各国服役的第四代战斗机，使美国空军和美国海军的飞行员及时体验到空中对手的各种潜在威胁，并通过演练各种战术，寻找到获得空中优势的制胜之道。
测试武器需求
作为武器测试和军事训练的一种无人驾驶飞行器，靶机利用遥控或者是预先设定好的飞行路径与模式，在军事演习或武器试射期间模拟敌军的航空器或来袭导弹，为各类型导弹系统提供假想的目标与射击的机会。目前，利用退役高性能战斗机改装为高速大型靶机在主要军事大国实施武器测试和战术训练中不可或缺。
QF-16靶机的正式服役可以满足美国空军作战训练和武器测试的长期需求。根据《美国法典》第10卷第2366节的规定，一种导弹系统在进入全面生产前必须接受致命性测试。与其他军兵种不同，美国空军装备有退役战斗机改装的全尺寸靶机，由隶属于第53武器评估大队的第82靶机中队为美国国防部行使这个职能。
自从越南战争结束后，美国空军开始大量使用由退役战斗机改装而成的无人驾驶靶机，有意识地增强飞行员的空战能力，先后装备了PQF-102、QF-100和QF-106等型号，从1997年开始使用由F-4系列“鬼怪”战斗机改装而来的QF-4靶机，用于各种训练和试验。这些靶机不仅帮助了美国空军飞行员较好地掌握各种空战战术和使用新型武器，同时还被用来测试各种新型防空武器系统。
20世纪90年代后期，美国空军在评估新型武器作战效能的过程中消耗了大量的QF-4靶机，导致库存数量日益减少。同时，QF-4靶机无法模拟新一代高性能战斗机的潜在威胁，在对抗第四代战斗机的新型武器试验中已经显得力不从心。为此，美国空军在本世纪初不得不提前考虑QF-4靶机的替代机型，尽早发展出一种高性能靶机。
美国空军希望新型靶机既能减少当前系统的开支，又能模拟日益增强的潜在空中威胁。尽管采用小型靶机也是一种选择，但小型靶机对许多试验任务来说显得力不从心，而某些武器试验需要全尺寸靶机来测试其毁伤能力。例如，AIM-9X空空导弹的弹头相对较小，其准确性将是评估打击能力的主要指标，这就需要一种全尺寸靶机。此外，小型靶机不能全面提供全尺寸靶机的各项对抗指标，更无法携带相对较大的AN/ALQ-188干扰机。
在这种背景，美国空军基于F-16战斗机作为后继型的前提，于2001年提出了“超级靶机”计划的初步方案。当时，美国空军比较受青睐的方法是把退役的F-16战斗机和亚利桑那州戴维斯·蒙森空军基地库存的F-16战斗机改装成靶机，但是对于价格不菲的空中平台改装为靶机有些犹豫不决。
直到2006年1月，美国空军才正式着手选择一种后继机，以满足10年后对全尺寸靶机的需求。随后，美国空军向一些承包商发出招标，要求他们对各种选择方案进行分析并提出建议。根据计划，新型空中优势靶机的研制计划在3年内正式启动，预计花费4年时间完成研制和验证工作。
2007年6月，美国空军在新一代靶机招标方案中表示，退役战斗机、无人驾驶飞行器、外国飞机或全新设计平台都可以参与投标。接着，各大承包商纷纷提出了各自的投标方案。其中，洛克希德·马丁公司的QF-16方案和波音公司的QF-18方案比较受青睐，BAE系统公司也提出了一种全新设计方案，此外还有一个方案是从国外购入退役F-4系列战斗机的机体，再改装成靶机。相比之下，基于退役F-16战斗机的QF-16方案成为第四代靶机项目的最有力竞标者。
美国空军从1997年起开始使用QF-4靶机
2016年8月10日，QF-4靶机准备执行最后一次无人驾驶任务
授予研制合同
从设计改进来看，QF-16靶机是在退役F-16战斗机的基础上加装遥控飞行设备，作为空中战术训练的靶机和空空导弹、雷达、地空导弹等新型武器与系统测试的诱饵，用于评估美国现役战斗机和各种武器如何抗衡潜在的对手。因此，QF-16靶机的性能应该与F-16战斗机基本相似，同样保持着最大过载9g的高机动性。
就技术而言，QF-4靶机已经具备自主程序着陆能力，但是美国空军出于安全起见，还继续使用地面站，通过手动备份来应对紧急情况。美国空军在新一代高性能靶机项目中，明确要求不再依靠手动备份，使得自主着陆的可靠性成为竞争过程中至关重要的一环。
2008年12月18日，洛克希德·马丁公司利用美国空军试飞学校的一架可变稳定性飞行模拟试验机（VISTA）成功地完成了自主着陆飞行，标志着F-16战斗机首次完全依赖计算机控制而成功着陆。这架试验机在整个着陆过程中，借助机载计算机，完美地控制了飞机高度、姿态、速度、下滑角和下降率。
当时，该公司研制自主着陆程序的初衷是为了减轻飞行员的负担，增强安全性。随着新一代靶机计划浮出水面，研制人员希望这一关键技术突破有助于QF-16方案在美国空军新一代高性能靶机的竞争中脱颖而出。无疑，此次飞行试验的成功显示出经过改装的F-16战斗机可以具备高度可靠的自主着陆能力，成为确保QF-16方案在竞争中获胜的一个关键因素。
然而，“超级靶机”项目的竞标结果出乎预料。美国空军尽管十分看好F-16战斗机的自主着陆技术，最后却将QF-16靶机的研制和生产合同授予了波音公司。究其原因，波音公司领导的QF-16研制团队包括了BAE系统公司位于约翰逊城的飞行系统分公司，充分满足了美国空军在QF-16设计、研制和生产合同中提出的所有要求，可以更好地降低研制成本，节省改装经费。
2010年3月8日，波音公司获得一份价值6970万美元的合同，负责QF-16靶机的初始设计和制造。4月22日，首架退役的F-16C“战隼”战斗机飞抵波音公司位于塞西尔·菲尔德的制造厂，开始接受改装。
QF-16靶机是在F-16战斗机的基础上加装遥控飞行设备，作为空中训练的靶机和空空导弹、雷达、地空导弹等新型武器和系统测试的诱饵，用于评估美国现役战斗机和各种机载武器如何抗衡潜在的对手。与目前使用的QF-4靶机相比，QF-16靶机是一种高性能的平台，将成为第四代靶机的代表。在使用中，QF-16靶机能以有人驾驶模式飞行，或在某个遥控范围内实现无人驾驶飞行。
2008年12月18日，VISTA试验机首次完全依赖计算机控制实现自主着陆
2010年4月22日，F-16战斗机飞抵位于塞西尔·菲尔德，准备接受改装
加装专用设备
从改装过程来看，F-16战斗机由于采用了电传飞控系统，相对于F-4等采用机械操纵系统的战斗机更容易改装。从任务能力来看，QF-16靶机充当着一种确认武器攻击效果的系统。因此，它配备有一个机载记录系统，主要用于搜集相关数据，报告导弹如何迫近及其飞行轨迹。
为此，波音公司拆去了F-16战斗机原有的20毫米机炮和火控雷达，在机身内部安装了3000多根电线，实现数据的高速传输。同时，波音公司在QF-16靶机上安装了一些专用硬件设备，允许该机以无人驾驶模式飞行，同时也可以接受地面控制系统的远程控制。
地面控制系统分为两种，一种是位于佛罗里达州廷德尔空军基地的海湾靶场靶机控制系统（GRDCS），另一种是位于新墨西哥州白沙导弹靶场的靶机编队控制系统（DFCS）。波音公司在QF-16原型机飞行试验期间，利用了一辆安装有GRDCS和便携式发射塔的移动拖车，在地面上的飞行控制员与QF-16靶机飞行员之间建立了通信联络。
模拟测试过程中，地面控制站在为导弹设定好预计攻击区域的坐标。然后，QF-16靶机利用自身的机载系统，验证导弹击中这些坐标，并探测导弹的距离和速度。如果所有的数据都匹配，任务就可以认定为一次成功地“摧毁”。
值得一提的是，波音公司还在QF-16靶机上加装了一种飞行终止系统，可以在飞机失控的情况下，由地面人员启动“自毁开关”，避免造成地面人员和财产的损失。2010年8月20日，研制人员曾经专门实施过一次F-16战斗机的引爆试验，测试了飞行终止系统的功能。
试飞期间，美国空军第82靶机中队负责QF-16靶机的测试工作。2012年5月4日，波音公司和美国空军在佛罗里达州杰克逊维尔附近的塞西尔·菲尔德海军航空站首次完成了QF-16靶机的有人驾驶模式飞行。当天下午3点5分，波音公司试飞员詹森·克莱门特驾驶这架QF-16原型机从机场起飞，然后爬升到12500米高度，在持续66分钟飞行过程中测试了基本性能。其后的试飞过程中，克莱门特只是作为一名“乘客”，不再操纵任何控制设备。
同年10月，波音公司完成了工程与制造发展（EMD）阶段，将6架不同批次的退役F-16战斗机改装为QF-16靶机，其中包括2架Block 30、2架Block 25和2架Block 15。11月19日，波音公司向廷德尔空军基地交付了首架QF-16原型机，用于在海湾靶场上空完成一些工程测试项目。接着，该项目研制人员又马不停蹄地赶往霍洛曼空军基地，为在白沙导弹靶场上空进行的国家飞行测试评估提供必要的技术支持。
2010年8月20日，美国空军实施了一次F-16战斗机的自毁试验
2012年5月4日，QF-16靶机在有人驾驶模式下实现首飞
开展飞行测试
就改装项目而言，QF-16靶机成功完成自主飞行将成为如期服役的关键。2013年9月19日下午，在完成了飞行前检查之后，走出了座舱，随着座舱盖徐徐落下和自动锁紧，QF-16靶机在跑道上等待着起飞升空的指令。3点，试飞员在廷德尔空军基地的地面控制站内发出指令，遥控QF-16靶机自主起飞，并在一个小时飞行测试中完成了横滚、半滚倒转等一系列模拟机动、超音速飞行和自主着陆，最大飞行速度达到1.47马赫，成功验证了新一代靶机的自主飞行性能。
作为EMD阶段的重要环节，QF-16靶机接受实弹测试不可或缺。2014年7月的一个清晨，QF-16靶机飞临美国陆军白沙导弹靶场上空，首次接受地空导弹攻击测试。当时，地面靶场发射的一枚导弹模拟攻击了QF-16靶机，在足够近距离内引爆。导弹尽管并未击中靶机，但并不意味着测试失败，因为波音公司考虑到还有更多测试工作需要完成，并不希望在每次测试中都摧毁一架价值数百万美元的“玩具”。在测试过程中，导弹和靶机上的各种传感器都会将相关数据传输给研究人员。
时隔不到两个月，QF-16靶机又在9月5日从廷德尔空军基地自主起飞，在墨西哥湾上空被一架F-15战斗机发射的空空导弹击中。这次实战测试成功地验证了QF-16靶机在评估武器系统对四代机杀伤性能方面的能力，标志着QF-16项目的技术发展阶段圆满结束。
在工程研制阶段，波音公司先后将6架退役F-16战斗机改装为QF-16靶机，用于各项性能试飞和实弹测试。按照合同，低速初始生产已经在2013年第四季度开始，第一批13架生产型QF-16靶机从2015年开始陆续交付到美国空军第82空中靶机中队（ATS）。当年3月20日，该中队正式接收了波音公司改装的第一架生产型QF-16靶机。该机在前机身标有QF-007序号，改装自密歇根州美国空军国民警卫队退役的一架第30批次F-16C战斗机（机尾号86-0233）。
根据计划，第一批生产型QF-16靶机在2015年内陆续交付到第82靶机中队，并在10月底具备初始使用能力。同时，美国空军已经授予了第二批23架QF-16靶机的生产合同，第三批生产数量预计为25架。根据计划，波音公司将陆续向美国空军交付126架QF-16靶机。着眼长期需求，美国空军希望将这一数字增加到210架，但取决于未来的防务预算。
2013年9月19日，QF-16靶机完成首次无人驾驶飞行
2015年3月11日，首架QF-16靶机飞抵廷德尔空军基地后接受飞行后检查
正式装备使用
2016年8月，QF-16靶机准备正式接替QF-14靶机，承担全尺寸靶机的战术任务。8月17日，QF-4靶机从霍洛曼空军基地起飞，在新墨西哥州白沙导弹靶场完成了最后一次无人驾驶任务。当时，来自爱德华兹空军基地的一架F-35A战斗机发射了两枚AIM-120中距空空导弹，“击落”了QF-4靶机。该机并未出现损坏，最后安全着陆，正式结束了服役生涯。
9月23日，美国空军宣布QF-16全尺寸靶机形成初始作战能力（IOC），意味着该机凭借着超音速性能和高过载能力，可以有效模拟现役的第四代战斗机，将在F-35战斗机的初始作战与评估中扮演主要角色。
今年2月10日，QF-16靶机在霍洛曼空军基地首次完成了有人驾驶飞行。4月底，美国空军将3架QF-16靶机部署到爱德华兹空军基地，协助F-35联合作战测试小组（JOTT）评估第五代隐身战斗机在空战中是否能够有效应对配备了电子干扰吊舱的敌机。在两周时间里，QF-16靶机携带了电子干扰吊舱，在测试中模拟了逼真的战场环境，为JOTT提供了有效的数据。
目前，美国空军已经开始批量采购QF-16靶机。2015年3月，波音公司获得了2850万美元的合同，用于改装25架退役的F-16战斗机，2016年3月28日，美国空军全寿命周期管理中心授予波音公司一项价值3440万美元的第四批次改装合同，用于将30架F-16战斗机改装为QF-16靶机。
今年3月14日，美国空军授予波音公司一份价值2460万美元的合同，用于生产第5A批次的QF-16靶机。这份合同包括18架QF-16全尺寸靶机及其为期四年的保障服务，预计相关工作将在2021年4月27日完成。
与此同时，随着俄罗斯和中国自行研制和生产具备低可探测性的第五代战斗机，美国空军已经明确表示需要发展一种新型靶机，以帮助美国战斗机飞行员和地空导弹操作人员学习如何发现并摧毁敌方的隐身飞机。据国外媒体的最新报道，美国空军学院的学员们最近完成了一种隐身靶机的基本设计工作。
从目前公布的想象图来看，第五代空中靶机（5GAT）采用了简单的三角翼，以目前T-38“禽爪”教练机的J85发动机为动力。这种靶机的设计目的是测试空对空和地对空导弹，并确保现代化探测系统可以识别并锁定第五代战斗机。五角大楼作战测试和评估办公室负责管理这个靶机项目的罗格·卡比尼斯少校表示：“5GAT将具备第五代战斗机的突出特性，那是QF-4或QF-16靶机所不具备的。”从目前透露的信息来看，5GAT拥有出色的飞行性能和优异的稳定性，虽然确切的低可探测性数据依然保密，但显然比QF-16靶机更加隐身，这一点至关重要。
霍洛曼空军基地的飞行员正在准备驾驶QF-16靶机升空
今年5月，QF-16靶机用于测试F-35战斗机的电子对抗性能
随着QF-16项目的稳步推进，波音公司希望进一步增强QF-16靶机的性能，将其发展为一种完全可以作战的无人驾驶平台。此前，美国国防部先进研究项目局（DARPA）曾经强调，类似QF-16靶机的平台在未来战争中具有为地面部队提供近距空中支援的潜力，目前这一任务主要由现役固定翼和直升机承担，而MQ-1和MQ-9等无人机也扮演了重要角色。
据波音公司介绍，研制人员曾经考虑为该机增加经过改进的数据链，使其可以达到常规无人机的飞行高度和续航距离，从而可以承担起空中监视和近距空中支援等任务。2014年5月初，波音公司负责QF-16项目的总工程师保罗·塞杰斯对《简氏防务周刊》表示，QF-16无人机对于进入敌方领土和承担危险任务来说是一个理想方案，可以有效避免飞行员承担任何风险。他认为QF-16靶机还具有很大的潜力，作为一架无人机，它将具备更快的速度，及时赶到目标上空。
波音公司还自行投资发展了其中一些能力，首先需要升级飞行控制系统，同时还要让QF-16靶机具备类似其他无人机的航程。第一步是寻求借助备用地面站和数据链使其能够正常飞行，这样就不必受到两个地面站的限制。对此，塞杰斯表示，目前无人机可以做到，QF-16靶机就没有理由不做到这一点。
波音公司将数百架F-16战斗机改装为QF-16无人机的商业目的是显而易见的，但是目前很难判断美国空军从这种衍生发展平台中能否受益。在使用成本上，无人机驾驶的F-16战斗机与有人驾驶的F-16战斗机差别不大，甚至有可能需要同样水平的人力来支持它。
QF-16无人机的作战效能可能受到限制的另一个问题是它的航程。与“捕食者”和“死神”相比，F-16战斗机是一种短程飞机，需要透过空中加油才能实施中、远程攻击任务。至少在近期内，美国空军不可能使用现役空中加油机为一架QF-16无人机实施空中加油。
此外，F-16战斗机的性能有可能会妨碍其扮演一种无人攻击机的角色。目前，“捕食者”和“死神”级别的无人机的一个方面是飞行速度相对较慢，拥有足够的续航能力，可以徘徊在目标上空，针对感兴趣的区域或目标逐步建立起具有足够细节的图像，获得优异的态势感知信息。相比之下，无人驾驶的F-16战斗机可以在相对低的高度以相对高的速度作战，但是对于地面操作员来说，控制一架无人机就如同通过一根吸管来看世界，在低空和高速状态下，操作员的态势感知能力将受到严格限制。
QF-16无人机可以有一个用途，即突击到敌方防空火力下，为紧随其后的有人驾驶的战斗机和攻击机扫清障碍，但是这种相当有限的作战用途也受到质疑，原因在于恢复和改装数百架退役F-16战斗机的成本对于美国空军来说是否物有所值。
因此，就目前而言，波音公司考虑将退役F-16战斗机发展为无人战斗机似乎不存在太多技术问题，但是要得到美国空军的认可却是一个极其困难的事情。
目前，美国空军尚未考虑将现役F-16机队发展成MQ-16无人机。
本文刊载自2017年《无人系统技术》第4期
作者：温杰
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