展開可能な送信/受信モジュール装置を有するラムジェット付き無人航空ビークル

本開示の実施形態は、概して、超音速無人航空ビークルを用いたバイスタティック戦術レーダーの用途に関し、具体的には、格納された超音速巡航ポジションから、拡張された三角形状へと展開可能な送信/受信用アンテナを有する小型無人航空ビークル(UAV)を用いたシステムに関する。

航空機による偵察及び阻止攻撃(interdiction)は、高度に精密で、しばしば発見可能性が最小である対空システムの出現によって、著しく困難なものになっている。その結果、戦闘空域または敵空域に進入する現行の戦術戦闘機のほとんどは、危険に曝される。このように、戦闘空域を回避するため現行の戦術航空機で採用されているレーダーシステムの有効範囲をしばしば超える膨大なスタンドオフ距離が必要となり、これらのシステムの探知範囲は、膨大なものになりかねない。敵空域に侵入してこうしたミッションを完遂するためにステルス航空機を使用することによって一定程度の生存性の向上がもたらされるが、こうした航空機は非常に高価な資産であり、必要性が重大である場合にのみ使用される。バイスタティックレーダーの用途にUAVを使用することによって、代替手段が提供される。しかし、通常のUAVシステムの速度によって、展開用の母機の役割を果たす航空機にとっては、膨大なスタンドオフ時間が要求される。

したがって、バイスタティックレーダーによる感知のための高速UAVコンポーネントを有するシステムであって、母機が敵空域外に滞在し続け得る一方で、ターゲットの識別と捕捉、及び実行可能な追尾ファイルの確立のためにレーダー監視を使用可能である、システムを提供することが望ましい。

例示の実施形態は、超音速巡航のためのラムジェットを有する無人航空ビークル(UAV)を用いた、バイスタティックレーダーによるターゲット探知のためのシステムを提供する。展開可能なアンテナアームが、反射レーダーパルスのバイスタティック受信用のパッシブレーダー受信器を支持する。UAVは、レーダーレンジの限界を超えた空域内のUAV飛行プロファイルで動作する。展開可能アンテナアームは、超音速巡航用の第1の格納ポジションを有し、エアブレーキとして機能し且つレーダー受信器のボアサイトアライメントを提供する第2の拡張ポジションに展開するように適合している。母機は、レーダーパルスを送信するレーダー送信器を有し、レーダーレンジの限界外の航空機飛行プロファイルで動作する。通信データリンクが、UAVと戦術母機を操作可能に相互接続し、反射レーダーパルスをUAVレーダーアンテナでバイスタティック受信することによって生成されたデータを、母機に向けて送信する。

開示の実施形態は、UAVを発進させ、ラムジェットエンジンによる超音速巡航で、レーダーレンジの限界を超えて航行させる、バイスタティックレーダーによるターゲット探知方法を提供する。母機は、レーダーレンジの限界外の飛行プロファイルに保たれている。アンテナアームは、拡張されて、速度を低下させ、且つバイスタティック高周波(RF)パルス受信のためのTx/Rxモジュールのボアサイト方向を提供する、エアブレーキとして機能する。母機上の高出力レーダーシステムは、レーダーパルスを放射するために用いられ、UAV上の受信(Rx)モジュールは、ターゲットから反射レーダーパルスを受信するためのバイスタティック受信器として用いられる。次に、UAVからのターゲットデータは、通信データリンク経由で母機に送信される。

これまでに説明された特徴、機能及び利点は、本開示の様々な実施形態で独立して実現され得るか、または、以下の説明及び図面を参照してさらなる詳細を理解することが可能な、さらなる別の実施形態において組み合わされ得る。

本書の開示による実施形態の、行動要素と展開シナリオのブロック図である。

展開可能な送信/受信モジュール装置及びラムジェットを有するUAVの、アンテナが巡航用格納ポジションにある実施形態の上面図である。

アンテナがスキンリターン受信用及びエアブレーキ機能用の展開ポジションにある、図2Aの実施形態の図である。

送信/受信モジュールの、アンテナ背面板及びアンテナ展開機構への取付の詳細図である。

母機及びUAV内のシステムコンポーネントのブロック図である。

開示の実施形態を実装する方法のフロー図である。

UAVを用いた現行のバイスタティックレーダーシステムは、従来型の推進を有し、機首または機体側面に搭載されたアンテナを提供する。これによって、バイスタティックセンサの性能が低下し、UAVの全体的な速度も低下する。本書で記載するシステム及び方法は、展開可能な側面搭載アンテナ付きのUAVにラムジェットを用いることによって、これらの問題を解決する実施形態を提供する。ラムジェットによって、UAVがターゲットエリアに侵入しそこから脱出するための、瞬間加速と最高速度が著しく増大する。UAVの前部は、センサ機器一式が、ラムジェット吸気口で代替されている。アクティブ電子走査アレイ(AESA)アンテナの送信/受信モジュール(T/Rモジュール)が、UAVの両側面に複数のパネルで搭載されている。これらのT/Rモジュールは、前方に傾斜したポジションで装着されており、それによって、パネルがT/Rモジュールの平坦な面が全て前向きに直接移動方向を向いて展開しているとき、ビームステアリングの必要性が減少し、それによってアンテナ性能は向上する。展開されたアンテナパネルは、UAVの速度を低減させるエアブレーキとしてもまた用いられる。展開は、ラムジェットへの空気取入の減少に連動する。運用上のコンセプトでは、ホスト航空機が現実施形態のUAVを運搬しているとき、感知範囲を増大する急な必要に応じて、ホスト航空機は、ラムジェット付きバイスタティックUAVを発進させる。UAVは、ラムジェット出力を使って関心エリアに迅速に移行する。ターゲットエリアに到着するとすぐ、ラムジェットの推力は低減され、ホスト航空機のレーダーに照射されたターゲットからのレーダー反響を収集するため、アンテナパネルが展開される。アンテナパネルの展開によって、センサの収集時間を最大化するためのUAVの速度低下が補助されるであろう。

図面を参照すると、図1は、レーダーレンジの限界12を有する母機10を示す。母機10のレーダーシステムは、距離Lまで有効なレーダーパルス出力を提供する。一方、レーダーの探知能力は名目上はL/2である。レーダーレンジの限界12は、探知範囲L/2として規定される。有効レーダーレンジを拡張するため、母機10がUAV14を発進させる。発進後、UAV14は、ダウンロードされたミッションプロファイル情報で自律的に航行するか、または母機10内の搭乗員によって直接、もしくは遠隔の地上や海上を本拠とする制御ステーションによって、操縦される。母機10とUAV14の間の通信には、以下でより詳細に記載されるC2通信リンクからの送信16が用いられる。母機10とターゲット20(位置1)の間の移行中、UAV14に持続的な超音速巡航を提供するために、(図2Aに関してより詳しく記載される)ラムジェット18が使用される。ターゲット20は、母機10のレーダーレンジの限界12を超えたところにある。UAV14がレーダーレンジの限界12を超える飛行プロファイルで移動し、被疑ターゲット20(位置2)に接近する際、(図2に示すように)アンテナアーム22は展開される。アンテナアーム22の展開によって、UAVの速度を低減するエアブレーキが提供され、以下でより詳細に記載されるように、送信(Tx)/受信(Rx)モジュールが、ターゲット20に関して最適なジオメトリに位置決めされる。図1に示すように、母機10の飛行プロファイルが、ターゲット20に対するレーダーレンジの限界外にとどまっている一方で、(レーダーパルスが矢印24で表されている)母機のレーダーによるターゲット20へのレーダー照射によって、当該技術分野において「スキンリターン」として知られる、(RFパルスが矢印26で表されている)ターゲットからのレーダー反射が作り出される。これらのスキンリターンは、UAV14のRxモジュールによってバイスタティック的に受信される。Rxモジュールからのセンサデータが、軌跡16’で表される通信リンクを経由して母機10に送信され、それによって、母機上のレーダーの、有効探知レンジが拡張される。ターゲット20は、空対空(A/A)ターゲット、または空対地(A/G)ターゲットであってよい。所望のミッションプロファイルが完了すると、UAV14は、ターゲットエリア(位置3)から脱出し、以下で記載されるように、回収または破壊され得る。ある用途では、第2の発進済みUAV14’と第1の発進済みUAV14の間で、識別済みターゲットまでの航行情報またはその他の戦術的情報を通信するため、矢印28で表されるドローン対ドローンの通信リンクが用いられ得る。

図2Aに示すように、UAV14には、インテーク31による超音速吸気を有する、ラムジェット30が組み込まれている。アンテナアーム22が、格納ポジションで、UAV14の側面プロファイルと実質的に同一平面で携持されている。図2Bから分かるように、アンテナアーム22は、展開すると、超音速から亜音速に移行するときの衝撃波を低減するための空力的理由から、及び所望のレーダー反射断面積(RCS)を維持するために、ほぼ三角形の形状を維持するよう、吸気インテーク31の傾斜角度32以下である拡張角度33で携持される。アンテナアーム22の展開によって空力的ブレーキが提供され、UAV14は、名目上マッハ0.5を下回らない所望の対気速度まで減速する。例示の実施形態では、UAVの三角形の形状は、傾斜角32とほぼ同一である機首角60°を有し、30°以下である拡張角度を提供する。

アンテナシステムの詳細は、図3に示される。Tx/Rxモジュール34は、拡張角度33と相補的であるバイアス角35でアンテナアーム22に搭載されており、それによって、Tx/Rxモジュールのボアサイト37は、ターゲットからのRFパルス26が入ってくるように、UAV14の飛行方向に対してほぼ整列されている。アンテナアーム22は、空冷または液体冷却され得る、Tx/Rxモジュール34へのRF集合フィード(corporate feed)(複数のTx/Rxモジュールの入力及出力信号を相互接続する、共通フィードネットワーク)として機能する、背面板を提供する。展開ロッド36は各アンテナアーム22を枢動可能に作動させ、展開ロッドとアンテナアームは、どちらも、下記するUAVレーダーシステムに相互接続する導波管または同軸ケーブルを(Tx/Rxモジュールが液体冷却される場合には、適切な冷却液配管も)組み込んでいてよい。Tx/Rxモジュール34は、空力的平滑性のため、レードーム(図示せず)で覆われていてよい。展開ロッド36は、吸気インテーク31から続くバイパス導管38からの圧力供給によって展開ロッドの作動を可能にする、圧力シリンダ37内に携持されていてよい。ある実施形態では、格納ポジションと臨界角ポジションの間の、拡張角度の他の選択可能な角度で、アンテナアームが展開されてよい。臨界角では、アンテナアームによって生じた抗力によって、UAVが失速速度を超える飛行を維持するのが不可能なポイントまで、UAVの対気速度が減速される。パネルは、格納ポジションと臨界角ポジションとの間の展開ポジション(複数)で、ブレーキとして使用され得る。具体的には、パネルがより小さい角度で配置されている場合、より小さい制動が得られ、より大きい角度の場合、より大きい制動が達成されるであろう。

UAV14に組み込まれているシステムコンポーネントと母機10に組み込まれているシステムコンポーネントが、図4に示される。母機10には、高出力送受信レーダーシステム40及びUAVコントローラ42が組み込まれている。母機に組み込まれ、母機上の乗組員へのインターフェースとして適合しているミッション管理システム/操縦士・ビークル間インターフェースシステム43は、レーダーシステム40とUAVコントローラ42のインターフェース制御を提供する。UAV飛行プロファイルとUAVレーダーシステムとを直接制御するため、UAVコントローラは、母機10上の乗組員によって操作されてよい。UAV14は、UAVの飛行プロファイルを制御するUAV制御システム44を組み込んでいる。UAVレーダーシステム46は、図3に示すように、Tx/Rxモジュール34を伴う展開可能なレーダーアンテナアーム22と、同様にバイスタティックレーダー信号を受信して処理するデータ処理システムとを組み込んでいる。Tx/Rxモジュールは、通常、母機のレーダーから生成されたバイスタティック信号を取得するためのRxモジュールとして、受信モードのみで動作する。しかし、ある用途では、母機10からのレーダー送信を補完するため、UAVレーダーシステム46は送信機能を含むであろう。母機10内の通信データリンク48、及びこの相手であるUAV14内の通信データリンク50は、操作可能に接続され、母機とUAVの間の通信を提供する。矢印45で表される、通信データリンク48からミッション管理/操縦士・ビークル間インターフェースシステム43へのデータは、UAVレーダーシステム46からのバイスタティックレーダー情報、並びに、UAV制御システム44からのUAVの位置と飛行プロファイルに関するデータを、表示用にミッション管理/操縦士・ビークル間インターフェースシステム43に提供する。ミッション管理/操縦士・ビークル間インターフェースシステム43から航空機レーダーシステム40へのレーダーコマンド47は、意図するターゲットへのレーダービームの方向を制御するコマンドを、レーダーに提供する。ミッション管理/操縦士・ビークル間インターフェースシステム43からUAVコントローラ42へのUAVコマンド49は、通信データリンク48を通じて、UAVに対して所望の飛行プロファイルによる飛行/周回/ロイター飛行を指示するインプットを提供する。例示の実施形態では、照準線(line of sight)の双方向通信用に、Lバンド(1〜2GHz)のデータリンクが用いられる。主には、UAVは受信専用モードに留まっていてよい。データリンクは、UAVの飛行制御システム44と、必要に応じレーダーシステム46を、指揮し制御するのに使用されるであろうメッセージを含む。UAVは、その位置及び現在の航空ビークルのステータスをホスト母機に報告するためと、レーダーシステム46からのデータ送信のために、データリンクを使用する。通信データリンク48、50は、隠密作戦用に、データバーストまたはビームアジリティ機能を用いてよい。母機10とUAV14の間の発進前通信のため、通信データリンク48、50は、イーサーネットまたは光ファイバーポート56を通して「有線」接続された発進前通信エレメント52、54もまた、用いてよい。

母機10のレーダーレンジの限界12を超えた空域において、UAV14は、非戦闘空域に残留していてよい母機10のレーダーによって放射されたレーダーパルス24に衝突することによる反射スキンリターン26をターゲット20から受信する、パッシブのバイスタティック受信器を提供する。例示の実施形態では、UAV14のアンテナアーム上のTx/Rxモジュールは、送信/受信レーダーを携持している母機を操作する。母機10は、10桁の出力、またはUAV14のものよりも大きい出力のレーダーシステムを携持する機能を有し、それによって、母機は危険な地域を避け続けながら、スタンドオフレンジに留まって放射することが可能になり、その一方でUAVは、観測可能性を低く保つために、「無線封止」状態のままでいる必要があり得る。動作がパッシブであることによって、UAV14の位置を敵のレーダー探知システムから秘匿する機能が向上する。バイスタティック的に受信されたレーダーデータからの、ターゲット20を特徴づけるデータは、次に、UAV14によって、データリンク送信48で母機10に送信される。

その結果、UAVが、母機から展開され、母機のUAVコントローラに誘導されて、母機のレーダーレンジの探知限界を超えてターゲットに向かうように、UAVはテザー(tether)されることなく、むしろ母機(または他の搭載構造)上の既存のパイロンに切り離し可能に連結される。それによって、ターゲット探知レンジは増大し、その結果、(さもなければレンジ外であったであろう)ターゲットのレーダーデータを収集している間、母機は戦闘空域の外にいることができる。

図1に関して記載されたように、UAV14は、回収のための味方空域への飛行プロファイルの後、低衝撃の着陸を経て回収され得るか、または、自己破壊の目的で、UAV内の重要な通信サブシステム及びレーダーサブシステム上に、爆発物を伴う破壊システム58を携持する。破壊システム58は、飛行プロファイルの一部として、もしくはUAV制御システム44を通じたデータリンク通信の喪失によって作動され得るか、または、通信データリンク48、50を使用して送信される、母機10上のUAVコントローラ42を通じたミッション管理/操縦士・ビークル間インターフェースシステム43からの指示によって、作動され得る。

アンテナアーム22の拡張を制御するため、UAV制御システム44の一部として、またはUAV制御システム44に接続されて、アンテナ拡張システム60が組み込まれている。UAVが、ターゲット捕捉モード用の超音速巡航から減速したとき、通信リンク及びUAV制御システムを通じた、母機内のUAVコントローラからの指示で、またはUAV制御システムによって自律的に、アンテナ拡張システムが展開ロッド36を作動させ、アンテナアームが拡張角度33に拡張する。

本書で開示する実施形態によって、図5に示すターゲット探知方法が可能になる。ステップ502で、UAVが母機に搭載される。ステップ504で、自律的飛行プロファイルを含む可能性があるミッション情報が、母機からUAVにダウンロードされ得る。ステップ506で、UAVは発進し、超音速巡航用のラムジェットエンジンを使用して戦闘空域へと航行する。一方、ステップ508で、母機は非戦闘空域内で、レーダーレンジ限界の外の飛行プロファイルに保たれる。ターゲットに接近すると、ステップ509で、UAVのアンテナアームが拡張され、エアブレーキとして機能して速度を低下させ、バイスタティックRFパルス受信のためのTx/Rxモジュールのボアサイト方向を提供する。ステップ510で、母機は高出力レーダーシステムを用いてレーダーパルスを放射する。ステップ512で、UAVは、Rx/Txモジュールをバイスタティック受信器として用いて、反射レーダーパルスをターゲットから受信する。次にステップ514で、UAVは、通信データリンクを経由して母機にターゲットデータを送信する。ステップ516で、UAVは、通信データリンクを経由して母機から飛行制御情報をさらに受信し得る。ステップ518で、UAVは、その位置及び現在のステータスを報告し得る。ミッションプロファイルが完了すると、ステップ520で、UAVは、アンテナアームを格納し、ラムジェットエンジンを用いて超音速巡航で非戦闘空域に飛行し得、軟着陸または他の既知の回収技術を介して回収され得る。代わりに、ステップ522で、UAVはUAV制御システムからのコマンドを通じて自律的に、または母機上のUAVコントローラからの指示に基づいて、自己破壊してもよい。UAVは、本書では母機から発進するとして記載されているが、従来のように、他の地上または飛行中のアセットから所望の飛行プロファイルで戦闘空域内へ発進し、母機とUAVが共にそれぞれの飛行プロファイルを確立したときに、母機とのデータリンク通信を実現してもよい。

さらに、本開示には下記の条項による実施形態が含まれる。

条項1.レーダーパルスを送信するためのレーダー送信器を有する母機であって、前記母機は、ターゲットに対するレーダーレンジの限界外の航空機飛行プロファイルで動作する母機と、 無人航空ビークル(UAV)であって、 UAVの超音速巡航を提供するラムジェット、及び 反射レーダーパルスのバイスタティック受信のための複数の受信(Rx)モジュールを有するパッシブレーダーアンテナを支持する展開可能アンテナアームを有し、 前記UAVはターゲットに対するレーダーレンジの限界を超えた空域内のUAV飛行プロファイルで動作し、 前記展開可能なアンテナアームは超音速巡航用の第1の格納ポジションを有し第2の拡張ポジションへの展開に適合しており、前記第2の拡張ポジションはエアブレーキとして機能し、Rxモジュールのボアサイトアライメントを提供する、UAVと、 UAVと戦術母機とを操作可能に相互接続する通信データリンクであって、反射レーダーパルスをUAVレーダーアンテナでバイスタティック受信することによって生成されたデータを母機に送信する、通信データリンクと を備える、バイスタティックレーダーターゲット探知システム。

条項2.母機内にUAVコントローラをさらに備え、前記UAVコントローラは通信データリンクに操作可能に接続され、UAV飛行プロファイルを制御するため、UAV飛行制御システムに飛行制御情報を送信する、条項1に記載のバイスタティックレーダーターゲット探知システム。

条項3.第2のポジションに展開されたアンテナアームが、ラムジェットエンジンの吸気インテークの傾斜角以下である拡張角度を維持する、条項1に記載のバイスタティックレーダーターゲット探知システム。

条項4.パッシブレーダー受信器が、拡張角度と相補的な角度でアンテナアームに取り付けられた複数の受信(Rx)モジュールを備える、条項1に記載のバイスタティックレーダーターゲット探知システム。

条項5.第1の格納ポジションにあるアンテナアームは、UAVの側面プロファイルと実質的に同一平面上にある、条項3に記載のバイスタティックレーダーターゲット探知システム。

条項6.アンテナアームを展開するため、アンテナアームに枢動可能に接続された展開ロッドをさらに備える、条項4に記載のバイスタティックレーダーターゲット探知システム。

条項7.展開ロッドは圧力シリンダ内に携持され、吸気インテークに接続されたバイパスダクトからの空気圧によって作動する、条項6に記載のバイスタティックレーダーターゲット探知システム。

条項8.UAV内に自己破壊システムをさらに備える、条項2に記載のバイスタティックレーダーターゲット探知システム。

条項9.自己破壊システムが、UAV飛行制御システムまたはUAVコントローラによって操作可能である、条項6に記載のバイスタティックレーダーターゲット探知システム。

条項10.UAVを発進させ、ラムジェットエンジンによる超音速巡航で、レーダーレンジの限界を超えて、UAVを航行させることと、 母機を、レーダーレンジの限界外の飛行プロファイルに保つことと、 速度を低下させ且つバイスタティックRFパルス受信用にTx/Rxモジュールのボアサイト方向を提供するエアブレーキの機能を果たすため、アンテナアームを拡張することと、 レーダーパルスを放射するため、母機上の高出力レーダーシステムを用いることと、 反射レーダーパルスをターゲットから受信するバイスタティック受信器として、UAV上の受信(Rx)モジュールを用いることと、 通信データリンクを経由して、UAVからのターゲットデータを母機に送信することと を含む、バイスタティックレーダーのターゲット探知方法。

条項11.UAVを母機に搭載することをさらに含み、 UAVを発進させるステップは、UAVを母機から発進させることを含む、 条項10に記載の方法。

条項12.母機からUAVにミッション情報をダウンロードすること をさらに含む、条項11に記載の方法。

条項13.ミッション情報が、UAV用の戦闘プロファイルを含む、条項12に記載の方法。

条項14.通信データリンクを経由して、母機からUAVへの飛行制御情報を受信すること をさらに含む、条項11に記載の方法。

条項15.位置及び現在のステータスを、UAVによって通信データリンクを経由して報告すること をさらに含む、条項11に記載の方法。

条項16.ミッションプロファイルの完了後、アンテナアームを格納し、UAVを超音速巡航で非戦闘空域に飛行させ、 軟着陸または他の既知の回収技術を通じて、UAVを回収すること をさらに含む、条項10に記載の方法。

条項17.ミッションプロファイルの完了後、UAVに自己破壊を行わせること をさらに含む、条項10に記載の方法。

条項18.UAVに自己破壊を行わせるステップが、UAV制御システムからのコマンドを通じた自律的なものである、条項17に記載の方法。

条項19.UAVに自己破壊を行わせるステップが、母機上のUAVコントローラからの指示に基づいて行われる、条項17に記載の方法。

条項20.無人航空ビークル(UAV)であって、 UAVの超音速巡航を提供するラムジェットと、 母機上のレーダー送信器からの反射レーダーパルスをバイスタティック受信するための複数の受信(Rx)モジュールを有するパッシブレーダーアンテナを支持する展開可能アンテナアームであって、前記母機はレーダーレンジの限界外の飛行プロファイルで動作し、前記UAVはレーダーレンジの限界を超えた空域内のUAV飛行プロファイルで動作し、前記展開可能アンテナアームは超音速巡航用の第1の格納ポジションを有し、第2の拡張ポジションに展開するように適合し、前記第2の拡張ポジションはエアブレーキとして機能し且つRxモジュールのボアサイトアライメントを提供する、展開可能アンテナアームと、 UAVと母機を操作可能に相互接続する通信データリンクであって、反射レーダーパルスをUAVレーダーアンテナでバイスタティック受信することによって生成されたデータを母機に送信する通信データリンクと、 を備える無人航空ビークル(UAV)。

ここまで本開示の様々な実施形態を特許法令で要求されるように詳しく説明してきたが、当業者は、本書で開示された具体的な実施形態への変形例および代替例を認めるであろう。こうした変形例は、以下の特許請求の範囲で規定される、本開示の範囲および目的に含まれるものである。