打破安全裕度束缚：一种面向作战效能的无人机极限不可用燃油量动态测定方法

 

摘要： 低成本可消耗无人机作为“马赛克战”体系的核心作战节点，其航程指标直接决定了作战半径与任务效能。传统民航客机基于最不利供油条件确定的不可用燃油量存在较大安全裕度，导致大量燃油被“虚耗”在地面而未能转化为有效航程。为发挥燃油的最大效能，本文以某型低成本可消耗无人机为研究对象，提出了一种基于预定飞行作战轨迹的极限不可用燃油量确定方法。该方法通过六自由度建模仿真获取飞行全过程的姿态序列与理论剩余油量，利用油面角切割法建立特定姿态下的不可用燃油数据库，并采用五次多项式拟合构建不可用燃油量与俯仰角、滚转角的连续映射关系，最终通过时序比对确定极限不可用燃油量。试验验证表明，该方法计算得到的极限不可用燃油量与发动机停车时油箱实际剩余油量的误差仅为0.27 L，优于传统民航方法的3.68 L误差，燃油利用率提高了3.9%，充分证明了该方法的准确性与工程可行性。

关键词： 低成本可消耗无人机；燃油系统；不可用燃油量；油面角；多项式拟合；燃油利用率

 

一、低成本可消耗无人机发展趋势分析

1.1 研究背景与意义

现代军事变革正在重塑空中作战的基本范式。2017年8月，美国国防预先研究计划局（DARPA）正式提出“马赛克战”（Mosaic Warfare）体系概念，旨在通过构建适应强敌竞争环境的新型动态分布作战架构，将传统集中于单一高端平台的作战功能分散至多种小型、低成本平台上，形成分层作战样式。这一理念的根本目标，是以“系统之系统”的弹性架构替代“单平台决胜”的脆弱逻辑，实现对大国竞争背景下非对称优势的重构。

在“马赛克战”框架下，低成本可消耗无人机（Low-Cost Attritable Aircraft, LCAA）应运而生。这类飞行器专门为经济实惠和大规模生产而设计，能够在损失可接受的高风险环境中部署，主要承担情报监视侦察（ISR）、电子战、打击任务及集群饱和攻击等任务。其核心思想可以被简洁地概括为：以数量换质量，以分散换生存，以成本换主动权。据Fortunebusinessinsights统计，2025年全球低成本可消耗飞机市场规模约为21.4亿美元，预计到2034年将增长至122.3亿美元，预测期内复合年增长率高达20.7%。

美英等主要军事强国已在低成本可消耗无人机领域持续投入。美国空军Skyborg项目于2020年授予波音、通用原子、Kratos、诺斯罗普·格鲁曼四家公司总计4亿美元的合同，旨在开发人工智能驱动的“忠诚僚机”可消耗无人机，以形成规模化的人机编队战斗力。英国皇家空军快速能力办公室（RCO）与国防科技实验室（DSTL）也启动了“轻型经济可承受新型作战飞机”（LANCA）项目，在LANCA概念下实施了名为“蚊子”的技术演示验证计划，旨在研发一种可伴随主力战斗机部署的低成本无人作战平台。这些进展表明，低成本可消耗无人机已成为主要军事强国重塑空中力量结构的关键抓手。

1.2 核心作战使命与航程的关键地位

低成本可消耗无人机的核心使命是作为“无人僚机”与有人战斗机协同作战，或在争议空域执行高风险任务。作为现代军事装备的重要创新载体，无人僚机将通过多种方式增强有人战机的作战效能：一方面前出到高风险空域充当“机外传感器”，执行侦察、目标指示和电子干扰任务，延伸有人战机的态势感知范围；另一方面携带各类弹药，实现超视距饱和攻击。从造价维度看，这类无人机设计为低成本可消耗型，可在高强度冲突中担当“炮灰”角色。这使得指挥官可以在对抗性更强的环境中更果断地使用无人机集群，从而根本性地改变空战的交换比逻辑。

在此背景下，航程是衡量低成本可消耗无人机作战效能的核心战术指标。更大的航程意味着更远的作战半径、更长的留空时间以及更为灵活的战术选择。对于以集群消耗为主要作战方式的无人机而言，每增加一公里航程，都可能转化为对敌防空体系穿透深度的实质性延伸。而航程的制约因素中，燃油利用率占据首要位置——油箱中真正能够被发动机“烧掉”的燃油量，直接决定了无人机能够飞多远、能够飞多久。

 

1.3 不可用燃油量的传统计算方法及其局限性

燃油系统的关键设计参数之一是“不可用燃油量”。运输类飞机适航标准CCAR-25-R4第25.959条明确规定，每个燃油箱及其燃油系统附件的不可用燃油量必须制定为不小于下述油量：对于需由该油箱供油的所有预定运行和机动飞行，在最不利供油条件下，发动机工作开始出现不正常时该油箱内的油量。最不利供油条件一般对应飞机的极限姿态状态，但飞行器在实际运行中不可能一直保持这种状态飞行。

国内学者围绕不可用燃油量已展开了多方面研究。宋志强等对某民用飞机的不可用燃油量进行了分析；赵士洋通过综合考虑过载、迎角、航迹俯仰角等多重因素对油面角的影响，对某商用飞机的不可用燃油量开展了系统性研究；豆腾尧等基于Amesim软件建立了直升机燃油系统模型，研究了直升机在地面、悬停、平飞等多种状态下的不可用燃油量变化规律；郭毅博等则提出了一种基于时间序列的燃油量测算方法。

值得注意的是，上述研究均以民用航空适航标准为基本框架，不可用燃油量被定义为“飞机在任何正常运行和机动状态下都无法消耗的燃油”，这是一个出于安全最大化原则设定的保守极限值。对于可重复使用、航程裕度相对宽松的民航客机而言，这种保守值带来的燃油“浪费”并不构成核心矛盾。但对于低成本可消耗无人机——飞行架次有限且往往仅有一次出击机会——燃油利用率直接等同于任务成功率。如果继续沿用民航的安全裕度思维，将有3%～5%的燃油量被安全地“留在地面”，这正是本文所要回答的核心问题：能否在预定飞行轨迹的框架下，通过精细化建模找到更接近物理极限的不可用燃油量，从而让每一滴燃油都飞到战场上？

 

二、无人机燃油系统原理与动力系统

2.1 燃油系统总体架构

本文研究的某型低成本可消耗无人机燃油系统由引气增压单元和供油单元两部分组成，整机共配置5个燃油箱，分别为前左油箱、前右油箱、后左油箱、后右油箱及集油箱。供油顺序按严格的时序逻辑执行：首先消耗后右油箱的燃油直至耗尽，在此过程中前左、前右、后左油箱及集油箱均保持满油状态；随后依次消耗后左油箱、前左油箱、前右油箱；最后消耗集油箱中的燃油直至全机油尽。这一分步消耗策略的核心设计意图在于通过“先外围、后中心”的顺序，使整机重心在飞行过程中逐步向后、向中心收敛，从而减小俯仰力矩的波动幅度，降低飞控系统的配平负担。

这种顺序供油的逻辑，意味着不可用燃油量的累积过程是一个逐步“叠加”的过程——前四个油箱在各自耗尽的瞬间，其底部管路和低凹处的残余燃油（即“死油”）便永久性地退出供油循环，成为不可用燃油的一部分。集油箱是最后一个被消耗的油箱，因此在飞行全过程中，前四个油箱的死油在供油顺序结束时均已成为不可用燃油，而集油箱在每一特定飞行姿态下因油面倾斜而无法被取油器汲取的燃油量，构成了不可用燃油量的核心部分。

2.2 油箱结构设计与死油量控制

燃油系统在油箱布置与管路设计上采取了一系列降低死油量的措施。输油管路尽可能贴近油箱底部铺设，以重力辅助引流的方式确保前一个油箱的燃油能最大程度地传递至下一个油箱。然而，受制于管路取油口高度、油箱底板曲面以及油泵吸油特性等因素，每个油箱的输油管路中点水平面以下不可避免地存在一定体积的死油区域。

集油箱构型被设计为宽扁形式，这一设计的目的在于减小飞行过载对油面角的影响：宽扁型油箱的燃油自由面面积较大而高度较小，同等过载条件下油面倾斜所导致的取油口暴露风险显著降低。集油箱内部设置专用的取油器，其出口直连发动机供油管路。取油器头部通过柔性机构或摆锤式结构可随过载方向和飞行姿态变化而摆动，确保飞行器在大姿态机动时取油口仍能浸泡在燃油液面以下。这一设计借鉴了高机动性飞机燃油系统的工程经验——中国专利技术已公开了多种采用多孔取油管、波纹管柔性连接取油头的方案，通过圆周阵列间隔分布的多个吸油口保证即使某个吸油口紧贴油箱内壁，其他吸油口仍能维持畅通取油。

 

2.3 当前无人机主流动力系统概述

在更广泛的无人机动力技术视野中，低成本可消耗无人机所采用的动力系统需在推重比、油耗率、成本和使用寿命之间寻求折中。当前市场上无人机主流动力系统包括活塞式航空发动机、小型涡喷/涡扇发动机及电动推进系统三大类。

活塞式发动机（以Rotax系列为代表）具有油耗低、成本低、技术成熟度高的特点，广泛用于中低空长航时无人机，但其功重比相对有限，难以满足高速突防需求。纯电推进系统在小型无人机领域优势显著，具有零排放、低噪声、维护简便等特点，但受限于当前电池能量密度，难以覆盖低成本可消耗无人机在作战半径和载荷方面的指标需求。

在这一技术谱系中，小型涡扇发动机凭借高功重比、良好的高空性能和成熟的供应链体系，成为低成本可消耗无人机的首选动力方案。以美国空军YFQ-42A无人僚机为例，其搭载一台小型涡扇发动机，能够以亚声速巡航超过36小时，作战半径预计超过1200公里。针对有限寿命/架次的设计要求，这类发动机可在选材和制造工艺上适当简化，在满足“飞够所需架次”的前提下大幅降低单位成本——这正是“低成本可消耗”这一概念在动力系统维度的具体落地。

 

三、极限不可用燃油量确定方法

3.1 方法总体框架

飞行器在不同姿态及过载条件下，燃油箱内油面会发生倾斜，导致取油口暴露于油气混合物中而无法汲取纯液态燃油，从而产生不可用燃油。由于飞行器在飞行全过程中每个时刻都对应一组特定的姿态（俯仰角、滚转角）和过载状态，因此不可用燃油量是一个随时间动态变化的函数，而非一个静态常数。

本文提出的极限不可用燃油量确定方法由四个步骤组成。第一步：基于六自由度数学模型进行飞行仿真计算，获取预定飞行任务中随时间变化的飞行姿态序列及理论剩余油量曲线。第二步：以集油箱为关键分析对象，采用油面角切割法建立无人机在预定飞行任务涵盖姿态范围内的不可用燃油量数据库。第三步：基于数据库进行不可用燃油量与俯仰角、滚转角的五次多项式拟合，获得连续的三维映射曲面。第四步：将仿真得到的每个时刻的理论剩余油量与该时刻对应姿态下的不可用燃油量进行逐点比较，当剩余油量首次低于不可用燃油量时，此时的剩余油量即为本次飞行任务的极限不可用燃油量。

该方法的核心逻辑在于：不可用燃油量不再是基于“最不利条件”的一个静态安全值，而是与飞行轨迹绑定的一个动态过程量。唯有将姿态的时变性与剩余油量的递减过程同步建模，才能找到真正的“不可用临界点”。

3.2 飞行姿态与理论剩余油量仿真

通过六自由度数学模型对无人机在预定飞行作战轨迹下的运动状态进行全时域仿真。该模型综合考虑空气动力学特性、发动机推力特性、燃油消耗规律及飞控系统逻辑等要素，能够输出无人机在飞行全程中每一时间节点的俯仰角、滚转角、飞行速度、过载和发动机耗油率等关键参数。

以某次典型飞行任务为例，仿真结果显示：俯仰角变化范围为-3.90°～11.23°，滚转角变化范围为-53.47°～52.04°。理论剩余油量曲线呈单调递减趋势，在飞行末段趋于零。这一仿真数据既为后续油面角分析提供了姿态采样的边界依据，也为极限不可用燃油量的时序比对提供了“参考基准线”。

3.3 特定姿态下不可用燃油量数据库的建立

不可用燃油量数据库的建立分为三个子步骤。

步骤一：确定输油箱的死油体积。提取4个输油箱（前左、前右、后左、后右）的油箱内型面三维数据，以每个输油箱输油管路中点水平面为切割基准，计算该水平面以下的几何体积，记为死油体积V₁。这部分燃油在供油顺序执行完毕后无法被传输至集油箱，成为永久性不可用燃油。

步骤二：确定集油箱各姿态下的不可用燃油量。依据飞行计划涵盖的姿态范围确定油面角组合：俯仰角取样范围为-4°至12°，步长为1°；滚转角取样范围为-54°至53°，步长为1°。对于每一组（俯仰角θ, 滚转角φ），根据取油器在集油箱内的位置，确定供油中断时油面的临界位置，再以该油面切割集油箱内型面所围成的几何实体，计算油面以下但取油器无法触及的体积，记为V₂(θ, φ)。V₁ + V₂(θ, φ)即为此姿态下的全机不可用燃油量。

步骤三：建库与规律分析。对全部取样姿态点进行上述计算，形成不可用燃油量数据库。数据库分析表明，该无人机在相同俯仰角条件下，左滚姿态下的不可用燃油量显著大于右滚姿态。其原因在于取油器吸油口在左滚姿态下相对位置更高，更易暴露于油面之上，导致供油中断条件提前满足。

3.4 不可用燃油量与飞行姿态的多项式拟合

为将离散数据库转化为连续数学模型，本文采用五次多项式对不可用燃油量V与俯仰角θ、滚转角φ之间的函数关系进行曲面拟合。五次多项式能在保证足够拟合精度的前提下，兼顾曲面光滑性和物理合理性。拟合得到的数学表达式为：

式中，a_ij为拟合系数。拟合精度评估结果如下：误差平方和（SSE）为15.78，均方根误差（RMSE）为0.09849，确定系数R²为0.9877，大于0.8且高度接近1，表明拟合曲面与数据库真实曲面高度相关，具有良好的泛化能力。

3.5 极限不可用燃油量的确定

基于拟合曲面的连续函数形式，将六自由度仿真输出的每一时刻t的理论剩余油量V_remaining(t)与该时刻对应姿态（俯仰角θ(t), 滚转角φ(t)）下的不可用燃油量V(θ(t), φ(t))进行逐点比较。当满足以下条件时：

即认为此时燃油系统已无法继续向发动机提供稳定的液态燃油供给，发动机将出现异常或停车，当前时刻的理论剩余油量即为此次飞行任务的极限不可用燃油量。通过计算得出，该无人机在飞行时间4272 s、俯仰角-2.7028°、滚转角-28.5496°时达到极限不可用油量8.7312 L。值得注意的是，这一临界点发生在飞行中段的左滚机动阶段，而非飞行末段——这表明不可用燃油量的触发并非取决于“油量何时耗尽”，而是取决于“姿态何时与油量形成危险共振”。

四、试验结果与分析

为验证本文所提方法的有效性与准确性，将极限不可用燃油量计算结果与传统民航飞机不可用燃油量计算方法的结果进行对比分析。

传统民航方法按照CCAR-25-R4第25.959条的规定，基于“最不利供油条件”假设——即飞行器持续处于极限俯仰-滚转姿态组合下——计算不可用燃油量。在此方法下，该无人机本次飞行任务的不可用燃油量计算结果与发动机停车时油箱实际剩余油量的误差为3.68 L。这一误差的根源在于传统方法将飞机最极端姿态下的供油条件作为整个飞行过程的“恒定假设”，而实际上无人机仅在少数时刻接近极限姿态。

采用本文提出的极限不可用燃油量确定方法，计算所得的不可用燃油量为8.7312 L，与实际剩余油量误差仅为0.27 L，误差占总油量的3.9%。换言之，相较于传统方法，本文方法释放了约3.41 L的额外可用燃油，使燃油利用率提高3.9%。3.9%这一数字看似不大，但对于作战半径以千公里计、燃油总量以百升计的无人机而言，所对应的航程增量可达数十公里量级，对任务完成概率的影响不可小觑。

结果对比表明，传统方法因安全裕度过大导致大量燃油被纳入“不可用”范畴而未能实际利用；本文方法通过精细化建模和姿态关联分析，实现了不可用燃油量的精确预测，显著提升了燃油利用效率。

 

五、结论与展望

5.1 研究结论

本文以某型低成本可消耗无人机为研究对象，针对其“有限架次、最大化作战效能”的使命特征，提出了一种面向预定飞行作战轨迹的极限不可用燃油量确定方法。该方法将不可用燃油量从传统意义上的“静态安全值”转变为“与飞行轨迹绑定的动态过程量”，通过姿态数据库构建、多项式拟合和时序比对实现了临界供油时刻的精确识别。主要结论如下：

（1）低成本可消耗无人机的不可用燃油量与飞行姿态具有强关联性，随俯仰角和滚转角的变化呈现非线性三维曲面特征，左滚与右滚因取油器位置不对称而呈现显著差异。

（2）本文所建五次多项式拟合模型的决定系数R²达到0.9877，能够高精度地描述不可用燃油量与飞行姿态之间的连续映射关系。

（3）极限不可用燃油量计算方法相较于传统民航方法误差由3.68 L降至0.27 L，燃油利用率提高3.9%，证明了该方法在此类型号无人机极限不可用燃油量确定中的准确性与可行性。

5.2 研究局限与未来展望

本文方法在当前研究中忽略了过载对油面角的影响，计算结果与实际情况仍存在一定偏差。由于研究对象集油箱采用宽扁构型，过载对集油箱油面角的影响相对有限，但对于其他油箱构型——例如高截面、窄底面的纵深型油箱——过载引起的油面倾斜幅度将显著增大，其对不可用燃油量的贡献不可忽略。

此外，本文研究的是单一飞行任务剖面对应的极限不可用燃油量，未来可进一步向多任务谱系扩展，研究不同任务类型（巡航、突防、格斗）下不可用燃油量的变化规律。温度对燃油密度的影响、燃油晃动对取油稳定性的瞬时扰动等动态效应，也值得在更高保真度的建模框架下加以考虑。后续研究可将过载因素纳入油面角计算模型，构建包含俯仰角、滚转角、三向过载在内的多维不可用燃油量函数关系，进一步提升方法的普适性与预测精度，为低成本可消耗无人机的航程优化和作战效能最大化提供更为坚实的技术支撑。

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