Att utveckla ett UCAV (Uninhabited Combat Aerial Vehicle – obemannat stridsflygplan) är en problemfylld och lÃ¥ngsiktig uppgift där mÃ¥nga till synes motstridiga kompromisser mÃ¥ste göras. Jürgen Eder, SBS Technology skriver här bland annat om hur användandet av modulära, COTS-baserade system har möjliggjort viktiga genombrott i UCAV-prestanda.

Hela artikeln i PDF-format.

Konceptet med ett prisbilligt och noggrant vapen, som effektivt kan utföra farliga stridsuppdrag helt utan risk för de människor som styr det, kommer alltid att vara intressant för militärerna. Men samtidigt är ett sådant vapen ytterst svårt att konkretisera och bygga, och många tror att något sådant inte kommer att kunna realiseras förrän långt in på 2020-talet.

Detta till trots finns grundstenarna för sÃ¥dana teknologier redan tillgängliga, och mÃ¥nga av de viktiga komponenterna innehÃ¥ller relativt mogen teknologi. Obemannade flygplan (UAV – Uninhabited Aerial Vehicle) hÃ¥ller pÃ¥ att bli etablerade verktyg inom bÃ¥de militärt och civilt flyg, där de fÃ¥r en alltmer central roll vid observation, spaning, datainsamling och underrättelsetjänst. Deras högre kostnad jämfört med bemannade plan kompenseras av den ökade kvaliteten och detaljrikedomen hos den information de kan samla in, liksom de drastiskt minskade riskerna för mänskliga operatörer. Men, menar mÃ¥nga, det gÃ¥r ungefär jämt ut.

Liksom vid många andra former av mycket sofistikerad teknologi måste man här göra ett antal kompromisser mellan likvärdigt viktiga egenskaper: För att uppnå teknisk kompetens måste man använda ett stort antal komponenter och system, vilket ökar vikten. För att uppnå hög tillförlitlighet och effektiv operation måste man finna en balans mellan enkelhet och komplexitet. Ju fler sensorer och vapen som planet utrustas med, desto högre blir kostnaderna, storleken och svårigheten att ersätta delar.

Att finstämma alla dessa motstridiga krav har krävt åratal av forskning och utveckling. På senare tid har dock dessa mödor varit fruktsamma, vilket har medfört att ett allt större antal mycket förfinade men ändå kraftfulla och ekonomiskt livskraftiga plan kunnat lyfta mot skyn. Global Hawk och de pågående J-UCAS-projekten börjar nu ge igen vad de kostat, och de ger en glimt av de potentiella fördelar som militärt kraftfulla och kostnadseffektiva autonoma vapen kan erbjuda.

Modulära COTS-system
En viktig bidragande orsak till detta stora steg framåt har varit det ökade användandet av robusta och återanvändbara COTS-system (commercial off-the-shelf) vid uppbyggandet av en avsevärd andel av funktionerna i UAV-planen. Som en etablerad tillverkare av innovativa COTS-system är SBS Technologies en av de få organisationer som har blivit en nyckelleverantör till UAV-utvecklarna, detta tack vare företagets kompetens att kombinera komponenter som har mycket höga prestanda med mindre och lättare chassin. Denna modulära COTS-ansats kan erbjuda tredubbel och även fyrdubbel redundans för viktiga styrfunktioner. Till och med den övergripande managementintelligensen, den s k Vehicle Management Computer (VMC), är nu uniformt strukturerat enligt COTS-principer för att automatisera alla de systemfunktioner som normalt utförs av en mänsklig besättning.

Den viktigaste fördelen med COTS-system i detta avseende är den dramatiska minskningen av kostnaderna som uppkommer som ett direkt resultat av att man packar in mer och robustare teknologi på mindre utrymme och lägre vikt. Och i likhet med tidigare teknologier är leverantörernas och tillverkarnas förmåga att upphöja sig till den nästan oangripliga utmaningen från den första generationen av UAV inte slutet på historien, utan bara början. De relativt stora ekonomiska framgångarna med UAV har understött ansträngningar att utveckla nästa projekt: UCAV. Ett sådant har samma effektivitet och intelligens som ett UAV, men därtill en allt mer tillförlitlig och effektiv stridsförmåga.

UCAV eller UAV?
Alla UAV saknar inte vapenkapacitet, även om de flesta aktivt undviker vapenstöd för att begränsa komplexiteten, kostnaderna och vikten. Men när eldkraft blir ett viktigt attribut hos planet övergår ett UAV istället till att bli ett UCAV: ett obemannat stridsflygplan specifikt konstruerat för att delta i luftstrider och operera i fientliga miljöer utan mänsklig intervention. Idag är det i allt högre grad UCAV som drar åt sig forsknings- och utvecklingsbudgetarna och de intellektuella konstruktörsresurserna, eftersom deras hypotetiska fördelar (vad gäller minskade kostnader och ökat luftherravälde) potentiellt är så mycket större.

UCAV betraktas normalt som uppbyggda av tre huvudsystem: den flygande farkosten, markstationen som styr alla uppdrag samt ”nyttolasten”, d v s förmÃ¥gan att utföra uppdraget.

Air Vehicle System
”Air Vehicle System” är den uppsättning teknologier som gör att ett UCAV-system kan flyga. Det bestÃ¥r av själva planet (dess dimensioner, form och konstruktionsmaterial) samt flygkontrollsystemet. Dagens utmaning är att utveckla ett tillförlitligt och självständigt kontrollsystem, även om problemet att veta var farkosten befinner sig i stor utsträckning har lösts genom tillkomsten av GPS-systemet och av att det nu gÃ¥r att uppnÃ¥ hög beräkningskraft med exempelvis FPGA-processorer. Behoven av osynlighet, smÃ¥ dimensioner och manövrerbarhet kräver lätta och starka – och som regel kostsamma – material, och detta ger upphov till ytterligare ett antal vikiga kompromisser som mÃ¥ste lösas.

Ground Control Station
Hanteringen och styrningen av uppdraget gör Ground Control Station (GCS) till det viktigaste, mest komplexa och mest sårbara elementet i ett UCAV. Det är genom GCS som farkosten spåras, styrs och opereras, och GCS är också den centrala kommunikationsvägen mellan marken och farkosten med sin nyttolast.

Det enorma informationsflödet mellan GCS, farkost och nyttolast kräver åtskilliga megabyte per sekund, vilket är betydligt mer än vad dagens infrastrukturer klarar av. Det enda sättet att lösa dessa problem är att minska beroendet av GCS genom att införa en högre grad av autonomi. Det betyder att mänsklig uppfattningsförmåga och beslutskraft måste ersättas med hårdvara och mjukvara. Med tanke på de tekniska svårigheterna och den etiska komplexiteten är en total UCAV-autonomi en osannolik realitet på kort och medellång sikt. Så länge detta gäller kommer hög beräkningskapacitet i ruggade chassin att förbli det bästa kommunikationsalternativet i ett UCAV.

Payload System
En nyttolast (payload) bestÃ¥r vanligen av sensorer och vapen, och den totala kostnaden och komplexiteten hos dessa överstiger som regel den hos alla andra komponenter tillsammans. Sensorerna fokuseras pÃ¥ etablerade underrättelse-, övervaknings- och rekognosceringsroller. Men därtill mÃ¥ste ett UCAV kunna söka efter, lokalisera och identifiera mÃ¥l, och om nödvändigt med stor noggrannhet inrikta vapnen, följa mÃ¥let och avge eld. Eftersom ”stealth” (osynlighet) är en sÃ¥ viktig egenskap hos ett UCAV kräver de flesta modeller lättare nyttolaster och mindre vapen – och därför ökad vapenkraft för att uppnÃ¥ jämförbara nivÃ¥er av effektivitet i uppdragen. Även här mÃ¥ste en kompromiss uppnÃ¥s mellan kraven pÃ¥ ökad förmÃ¥ga och slagkraft och behovet av att minska storlek, vikt och kostnader.

Neuron-programmet
Att utveckla ett UCAV är förenat med fler – och troligen ocksÃ¥ känsligare – kompromisser jämfört med ett UAV. Ett sätt att fördela sÃ¥dana kostnader och risker är att genomföra UCAV-projekt där kostnaderna bärs av mÃ¥nga partners, och där det blir mer än en slutprodukt och därigenom mer än en enda vinst.

I Europa har NEURON-programmet (nEUROn) fått denna uppgift. Syftet med NEURON är att ta fram en UCAV-demonstrator som koncentrerar kompetensen hos den europeiska aerospace-industrin mot ett gemensamt projekt. På så sätt kan projektet validera det operativa konceptet med nätverkscentrisk krigföring. Initierat av den franska regeringen 2003 utgör NEURON ett konsortium lett av franska Dassault Aviation i samarbete med svenska SAAB, grekiska HAI, italienska ALENIA, spanska EADS-CASA och schweiziska RUAG.

I uppdraget ingår framtagandet av mer effektiva sätt att samarbeta, metoder att verka inom budgetramarna samt processer som respekterar de enskilda ländernas planering och politiska ställningstaganden. Mer specifikt är uppgiften för NEURON-projektet att utveckla lämpliga industrialiseringsprocesser, nya material, radarabsorberande ytskikt och svårupptäckta flygplansformer.

Andra viktiga tekniska uppgifter avser farkostens utformning (t ex aerodynamik, kompositstruktur och inre vapenutrymmen), integrationen av dagens teknologier i morgondagens nätverkscentriska krigföring, självstädiga navigations- och beslutsprocesser, responsitivitet för ändringar i den taktiska omgivningen samt den optimala rollen för mänskliga operatörer i beslutsprocessen.

Demonstrationen kommer i hög grad att vara beroende av modulära och tillförlitliga avioniksystem som använder COTS-baserade modulära datorer ombord, liksom av högproduktiv och högkvalitativ realtidsmjukvara.

Med syfte att fördela kostnaderna och vinsterna har NEURON-programmet tre uttalade mål:
• Att bibehÃ¥lla och förstärka kompetensen hos de deltagande europeiska aerospaceingenjörerna sÃ¥ att de utvecklar en förstÃ¥else för hur avancerade teknologier kan användas i framtida militära plattformar. Detta är speciellt viktigt nu när projekten Rafale, Eurofighter och F-35 Joint Strike Fighter hÃ¥ller pÃ¥ att slutföras. Det betyder att inga nya jaktplan kommer att behövas förrän omkring 2030.

• Att undersöka och validera teknologier, material samt dator- och avionikfunktioner som kommer att utgöra en central del av nästa generations attackflygplan. Konstruktionen av dessa väntas pÃ¥börjas omkring 2015.

• Att validera en innovativ samarbetsprocess genom att upprätta europeiska industriteam med ansvar för utvecklandet av nästa generations attackplan, inom ett hanterligt och hÃ¥llbart politiskt och ekonomiskt ramverk.

Utmaningar och lösningar
Det teoretiska idealet för ett UCAV är ytterst tilltalande, och dess potentiella fördelar räcker för att motivera fortsatta ekonomiska satsningar av många länder under lång tid. Om kompromissen mellan storlek, vikt, prestanda, autonomi, noggrannhet och kostnad görs med framgång kommer UCAV att förändra konventionella militära operationer över hela spektret av stridsscenarier.

Potentiellt mer flexibla än missiler, mindre känsliga att förlora än bemannade system och med mycket större förmåga till uthållig närvaro på slagfältet än något annat befintligt vapen representerar de en ny nivå av kommando och styrning, som i framtiden kan komma att utökas till att i mer omfattande och frigörande grad ersätta människans uppfattningsförmåga och beslutsfattande.

För att förverkliga denna vision krävs att man löser ett antal omgivnings- och teknologirelaterade problem. Kommunikationen är som alltid en viktig faktor eftersom risken finns att man förlorar kontrollen p g a störsändare eller interferenser, eller att långa förbindelseavbrott får skadliga effekter. Det viktigaste problemet här är dock fortfarande den begränsade bandbredden.

Medvetenhet om omgivningen, efterlydnaden av civila flygtrafikledningar och en förmåga att skilja mellan möjliga och verkliga hot förblir kontroversiella och kritiska problem som fullt ut måste föras fram och lösas. Till och med relativt triviala problem, som behovet att tanka på fientligt territorium eller oförmåga att känna röklukt, är potentiellt katastrofala svagheter hos vad som annars skulle kunna vara ett skräckinjagande vapen.

En avgörande betydelse för att vi skall kunna lösa många av dessa utmaningar har framväxande (emerging) teknologier. Nya verktyg som härrör från olika forskningsinsatser kan med tiden få ny användning och förpackas om enligt COTS-principer i robusta men lätta chassin. På så sätt kan de överföra befintliga funktioner och lägga grunden för framtida utveckling. Ruggade datorer av den typ som SBS levererar är väsentliga bidragande faktorer när det gäller att finna den optimala kompromissen mellan motstridiga mål som:
• Autonomi istället för mänsklig kontroll. UppnÃ¥s genom ökad signalbehandling, beslutshjälpmedel och bredbandiga datanätverkslänkar.

• Noggrannhet vid mÃ¥ldetektering istället för mÃ¥ldiskriminering. UppnÃ¥s med hjälp av avancerade aktiva eller passiva EO/IR/RF-sensorer (elektrooptiska, infraröda och RF-baserade) för bÃ¥de rörliga och fasta mÃ¥l.

• Förbättrad överlevnadsförmÃ¥ga istället för mindre och lättare plan. UppnÃ¥s genom förbättrad stealth-teknologi för att undgÃ¥ luft- och markbaserade vapen som missiler, gevärseld och energibaserade vapen.

Harmonisering av bandbreddsbehoven med andra flygplan genom automatiserade landnings- och markoperationssystem liksom ökad autonomi för att ge ökad flexibilitet och responsitivitet utan att degradera andra användare av luftutrymmet.

De enorma utmaningar som UCAV-konstruktion för med sig gör att få regeringar är villiga att avsätta de medel som krävs för den tid som den nödvändiga forskningen och testandet förväntas kräva. Trots detta har utvecklingen inom UAV-konstruktion redan överträffat förväntningarna, vilket antyder att till synes oförenliga kompromisser framgångsrikt kan genomföras om man har tillgång till de rätta teknologierna.

När en konstruktion väl slutförts kommer UCAV-plan att vara mycket billigare att bygga än andra stridsplan, eftersom all den utrustning som krävs för en mänsklig pilot blir onödig. Detta minskar kostnaderna med omkring 10 procent, inklusive utrustning för fjärrstyrning. Dock kommer en del av kostnadsfördelarna till en början att upphävas av kostnaderna för att bygga upp markstationer.

Eftersom det inte finns nÃ¥gon människa vid styrspaken klarar ett UCAV av att strida under lÃ¥ng tid – i vissa fall kan de utföra uppdrag bakom fiendens linjer oavbrutet i flera dagar. Övervakningen kan fortgÃ¥ med högre produktivitet, och det gÃ¥r att uppfatta tydligare mönster i fiendens uppträdande under sÃ¥dana uppdrag. Även om bränslekostnaden per resa blir högre minskas den totala kostnaden under farkostens livslängd väsentligt.

Att det inte finns någon mänsklig besättning ger ytterligare fördelar på fientligt område. Nukleära, biologiska och kemiska miljöer påverkar inte ett UCAV, och det går att utföra mycket mer riskfyllda manövrer för att exempelvis undgå en attackerande missil än om det var en bemannad farkost. Mindre mänsklig inblandning medför också minskade utbildningstider och -kostnader, mindre underhåll och färre tekniker.

Redan innan konstruktionen av ett idealiskt UCAV slutförts kan principen med en obemannad farkost med stridskapacitet utgöra en brygga mellan bemannade plan, UAV-plan och UCAV-plan. Befintliga och utrangerade plan kan modifieras så att de kan fjärrstyras, och återigen bygger genombrott inom kärnteknologin på användandet av enkortsdatorer som opererar i ruggade chassin.

Lång väg att gå
Ett helt obemannat, autonomt stridsflygplan kommer inte att bli en realitet inom den närmaste tiden. Men de fördelar som aerospaceindustrin och berörda industrier kan uppnå, redan genom att bara bedriva forskning och utveckling inom teknologier som är relevanta för flygplan som NEURON, är så stora att ett stegvis närmande fortfarande kommer att vara en god investering.

Datalänkskapacitet och autonoma möjligheter förblir vitala teknologier när det gäller att möjliggöra en responsiv och flexibel styrning mellan UCAV-planet och dess markstation. Fortgående forskning inom metoder för datakompression och effektiv bandbreddsmodulering, liksom en ökande användning av laserdatalänkar, kommer att ge upphov till satellitkommunikation med tillräcklig bandbredd för att möjliggöra samtidig styrning av flera UCAV.

Själva nyttolasten är en av de mest mogna teknologierna – det är möjligheten att integrera den i ett UCAV som utgör det stora designproblemet. SBS Technologies bidrag är speciellt viktigt här. MÃ¥nga av styrmekanismerna och sensorerna finns i ruggade datorer och lättviktschassin, vilket gör det enklare att uppnÃ¥ den optimala balansen mellan kostnad, flexibilitet och vikt.

Det är dyrt att forska fram, konstruera och bygga ett UCAV, och många problem kvarstår att lösa. Men de långsiktiga besparingarna i drift- och underhållskostnader, minskade risker för människan samt den teknologiska utvecklingen är överväldigande. Det gör att det är en realistisk möjlighet att man kan ersätta bemannade farkoster med relativt prisvärda UCAV i mitten av 2020-talet.

Jürgen Eder, SBS Technology