艦載無人直升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中幾個問題的思考

陽再清，薛艷峰，劉關(guān)心

(中國人民解放軍92419部隊，遼寧興城 125106)

0 引言

隨著水面艦艇遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)范圍的不斷拓展，其隨艦情報搜集、反潛作戰(zhàn)、電磁對抗、戰(zhàn)損評估等能力的需求也在不斷提高，傳統(tǒng)的方法之一是用艦載有人直升機(jī)系統(tǒng)來解決這些棘手的問題，但有人機(jī)不適應(yīng)超低空、長時間、高危險等情況，無人直升機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

無人直升機(jī)系統(tǒng)在國外有較長的發(fā)展歷史，西方各大國都有一些較為成熟的產(chǎn)品問世。但艦載無人直升機(jī)的使用環(huán)境特殊，要在動態(tài)搖擺狀態(tài)下，使一個強(qiáng)耦合、非線性的直升機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定起降控制是一個難題。近年，美國人在“Fire Scout”系統(tǒng)上首先攻破了這一技術(shù)，實現(xiàn)了自主艦載起降，而其研發(fā)用了3～5年，做了大量的試驗，成本十分高昂，可見這一技術(shù)是世界級的難題。有關(guān)艦載起降的一些關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)國內(nèi)外都有研究，特別是近年不斷有新成果出現(xiàn)，見諸公開刊物，但真正形成產(chǎn)品、形成批量的仍然不多，一些關(guān)鍵技術(shù)仍只能在有限的條件下，在某些局部的環(huán)境中適應(yīng)，在普遍意義上解決這一問題，仍有較長的路要走，國內(nèi)的狀況更是如此。

本文分析了艦載無人直升機(jī)系統(tǒng)的著艦過程和系統(tǒng)設(shè)計的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了艦載無人直升機(jī)發(fā)展的基本思路，為進(jìn)一步的工程實踐提供一些基本設(shè)想和技術(shù)準(zhǔn)備。

1 無人直升機(jī)著艦過程描述［1］

艦載無人直升機(jī)系統(tǒng)的核心技術(shù)和難點(diǎn)主要是著艦過程，分析和確立著艦過程是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵所在。著艦控制可以采用手動、自主或兩者結(jié)合的方式實現(xiàn)。采取手動方式時，對操作手要求高，一般在應(yīng)急狀態(tài)下使用。自主方式一般為主要的控制方式，但對系統(tǒng)的控制精度要求高。

著艦系統(tǒng)一般由控制分系統(tǒng)、精確引導(dǎo)分系統(tǒng)、固連設(shè)備和輔助設(shè)施組成。控制分系統(tǒng)是著艦系統(tǒng)的核心，它由無人直升機(jī)的飛行控制和測控等部分構(gòu)成，它接收艦與機(jī)的位置、運(yùn)動、姿態(tài)等參數(shù)以及精確引導(dǎo)參數(shù)、氣象參數(shù)等，按照控制規(guī)律完成自主著艦控制。自主著艦作為整個飛行控制的一個重要環(huán)節(jié)，在艦載無人直升機(jī)的設(shè)計和使用中舉足輕重。精確引導(dǎo)分系統(tǒng)是自主著艦的關(guān)鍵，它需要提供安全著艦所需的準(zhǔn)確的艦機(jī)相對位置、姿態(tài)以及艦艇搖擺參數(shù)等，是自主著艦的主要信息源，比飛行控制傳感器要求高，一般采用獨(dú)立的設(shè)備。目前采用的設(shè)備主要有:毫米波雷達(dá)、光電設(shè)備、視覺引導(dǎo)、GPS/INS組合引導(dǎo)等，一般由艦載設(shè)備和機(jī)載設(shè)備配合來完成精確引導(dǎo)功能。固連設(shè)備是用于艦與機(jī)固定連接的設(shè)備，由安裝在甲板和直升機(jī)上的連接裝置構(gòu)成，目前主要有魚叉－格柵裝置和拉緊固定裝置;輔助設(shè)施包含甲板上的標(biāo)示線、燈光以及氣象測量、通信保障等設(shè)備，用于輔助著艦。

無人直升機(jī)自主著艦可分為四個階段:下滑捕獲段、下滑跟蹤段、快速下降段、著艦固定段，如圖1所示。其中前三個階段為著艦引導(dǎo)控制階段，特別是第三個階段需要艦機(jī)協(xié)同控制，是最為關(guān)鍵的控制階段。當(dāng)無人直升機(jī)接到著艦指令后，無人直升機(jī)根據(jù)自身的位置和艦船的位置實時規(guī)劃下滑起始點(diǎn)，計算下滑航線，控制其按照規(guī)劃航線運(yùn)動，進(jìn)入下滑捕獲段飛行，使無人直升機(jī)到達(dá)著艦船后側(cè)安全高度并保持與艦船同步的懸停狀態(tài)。之后，實時接收氣象參數(shù)，精確引導(dǎo)參數(shù)，判斷各類擾動的影響，使無人直升機(jī)穩(wěn)定下滑到著艦中心點(diǎn)上方幾米的高度并保持與艦船同步的懸停狀態(tài)，完成穩(wěn)定下滑飛行。最后，推算艦艇搖擺穩(wěn)定期，精確控制直升機(jī)系統(tǒng)快速下降，實施著艦。著艦后，操作手迅速固定好機(jī)體。

圖1 無人直升機(jī)著艦流程圖

著艦的整個過程是一個動態(tài)的過程，影響無人直升機(jī)飛行的外界因素如風(fēng)流的變化、艦船的運(yùn)動與搖擺、尾流擾動等都在時刻發(fā)生或大或小、或快或慢的變化，因此無人直升機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)安全穩(wěn)定著艦是一個復(fù)雜制導(dǎo)控制流程的設(shè)計與實踐。

2 系統(tǒng)設(shè)計幾個問題的分析與設(shè)想

2.1 發(fā)動機(jī)選擇

直升機(jī)系統(tǒng)的控制特性決定了發(fā)動機(jī)需與飛行控制、旋翼、結(jié)構(gòu)等部分有強(qiáng)的耦合性，直升機(jī)系統(tǒng)的使用特性決定了發(fā)動機(jī)需與自然條件、電磁環(huán)境、人為操作等因素有好的適應(yīng)性，其性能須與總體性能相匹配。根據(jù)艦艇安全規(guī)定，低燃點(diǎn)的燃油不能在艦載條件下使用，燃油必須為重油。因此，選擇發(fā)動機(jī)成為了艦載無人直升機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵點(diǎn)。

可用于直升機(jī)系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)主要有活塞式和渦流軸式兩種［2］。活塞式發(fā)動機(jī)油耗低、啟動方便、加速性好，技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性好，但其功率重量比小，適用于輕型機(jī)，大中型機(jī)一般不使用。用于直升機(jī)的渦輪軸式發(fā)動機(jī)一般為自由渦輪軸式，它允許旋翼轉(zhuǎn)速在較大范圍內(nèi)變化，功率重量比大，但技術(shù)和工藝要求高，成本高，適用于大中型機(jī)。活塞式發(fā)動機(jī)常用汽油作為燃油，用于艦載機(jī)時需要改進(jìn)。渦輪軸發(fā)動機(jī)一般用航空煤油作為燃油，能直接用于艦載機(jī)。

從有人直升機(jī)的情況來看，起飛重量在1000kg以上的機(jī)型，國外與之匹配的渦輪軸發(fā)動機(jī)技術(shù)和工藝都較為成熟，國內(nèi)有少量渦輪軸發(fā)動機(jī)產(chǎn)品能滿足艦載無人直升機(jī)系統(tǒng)的需要。對起飛重量在1000kg以下的機(jī)型，滿足艦載需要的發(fā)動機(jī)選擇難度較大，重油的活塞式發(fā)動機(jī)較少，目前國內(nèi)沒有成熟的產(chǎn)品，小功率渦輪軸發(fā)動機(jī)國外有小量民品，國內(nèi)沒有成熟產(chǎn)品。從艦載無人直升機(jī)系統(tǒng)發(fā)展來看，起飛重量在1000kg以下的機(jī)型用途和適應(yīng)性更好，處于優(yōu)先發(fā)展地位。因此，以將活塞發(fā)動機(jī)改造為重油型為主，同步研發(fā)小功率渦輪軸發(fā)動機(jī)，是艦載無人直升機(jī)發(fā)展應(yīng)首先解決的技術(shù)難題。

2.2 機(jī)型選擇

機(jī)型選擇既是系統(tǒng)設(shè)計必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，也是艦載條件制約下使用要求的必然反映。機(jī)型的設(shè)計與氣動性能、結(jié)構(gòu)布局、控制規(guī)律等密切關(guān)聯(lián)，同時受艦載空間有限、動基座著艦、海拔低等不利條件制約，因而機(jī)型選擇成為艦載無人直升機(jī)設(shè)計中更加關(guān)鍵的技術(shù)問題。

目前廣泛應(yīng)用的直升機(jī)機(jī)型主要有:單旋翼帶尾槳式、雙槳共軸式、傾轉(zhuǎn)旋翼式等［2］。單旋翼帶尾槳式靠旋翼提供各個方向飛行的動力，尾槳平衡反扭矩并提供航向機(jī)動力，以其結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、性價比高等特點(diǎn)，在90%以上的直升機(jī)上應(yīng)用［2］，美國的艦載無人直升機(jī)即采用了該方式，但其尾槳增加了功率消耗，加大了縱向長度，帶來了安全隱患。雙槳共軸式由上下共軸安裝、反向旋轉(zhuǎn)的旋翼構(gòu)成，通過旋翼傾斜和轉(zhuǎn)速調(diào)整來產(chǎn)生各種狀態(tài)的飛行動力，其氣動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，被德國、俄羅斯等許多國家的艦載機(jī)普遍采用，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、垂直高度大。傾轉(zhuǎn)旋翼式是由兩副橫向并列布置在機(jī)翼上的旋翼構(gòu)成，兩副旋翼反向轉(zhuǎn)動以平衡反扭矩，旋翼的升力提供垂向動力，旋翼向前傾轉(zhuǎn)由升力螺旋槳變?yōu)橥屏β菪龢峁┣帮w動力，這樣可以提高飛行速度，降低功率消耗，解決失速和阻力發(fā)散問題，美國的V22已投入使用［3］。從國內(nèi)直升機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀看，國產(chǎn)直升機(jī)多為單旋翼帶尾槳式，設(shè)計能力和工藝水平較為成熟。雙槳共軸式有技術(shù)儲備，但成熟產(chǎn)品不多，需要在設(shè)計能力和工藝水平上尋求更多突破。其他形式的機(jī)型的設(shè)計尚需從理論和實踐上得到加強(qiáng)。

艦載無人直升機(jī)系統(tǒng)用途和使用范圍不同，其機(jī)型的選擇也應(yīng)不盡相同?？紤]技術(shù)可行性，在可用空間較小的中小型艦艇上，對載荷能力要求不高的場合，采用雙槳共軸式較為理想;在可用空間加大的大中型艦艇上，對載荷能力要求較高的場合，采用單旋翼帶尾槳式較為合理。

2.3 艦機(jī)協(xié)同控制

直升機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜的氣動特性、特殊的飛行狀態(tài)、強(qiáng)耦合非線性不穩(wěn)定的控制特點(diǎn)，增加了飛行控制系統(tǒng)設(shè)計的難度。艦載機(jī)更要面臨著艦時流場和海浪的不規(guī)則、高動態(tài)擾動的影響，使得飛行控制特別是艦機(jī)協(xié)同控制成為控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

艦載無人直升機(jī)著艦段以外的飛行控制設(shè)計時，在充分考慮低海拔、高擾動條件的前提下，采用成熟的直升機(jī)控制技術(shù)能夠較好地完成系統(tǒng)設(shè)計，同時考慮到艦載條件測控通視距離有限，應(yīng)以自主控制為主滿足超視距的任務(wù)飛行。著艦引導(dǎo)控制是在飛行控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，根據(jù)通過測控設(shè)備得到的艦船運(yùn)動與直升機(jī)之間的相對位置信息以及任務(wù)要求，計算理想的下滑著艦軌跡，通過引導(dǎo)律的計算，得到飛行控制的指令，選擇適當(dāng)?shù)闹灂r機(jī)，自主完成著艦控制。圖2給出了著艦控制系統(tǒng)基本流程。

目前無人直升機(jī)著陸控制大多需要人工干預(yù)，艦載機(jī)更是如此，自主著艦控制技術(shù)多以理論研究和簡單條件驗證為主，只有美國有較為成熟的應(yīng)用。該技術(shù)不僅需要對直升機(jī)平臺精準(zhǔn)的飛行控制，還需要對流場和海浪特性精確的預(yù)測，而這兩個方面仍然是十分困難的多學(xué)科控制技術(shù)難題。采用動力學(xué)建模和模式識別技術(shù)相結(jié)合，針對特定的使用條件，能夠有效地建立起艦機(jī)協(xié)同控制模型，完成著艦控制。

2.4 流場與海浪特性的影響

艦載無人直升機(jī)的最大難點(diǎn)就是要適應(yīng)由于風(fēng)、潮汐等引發(fā)的著艦點(diǎn)流場和海浪的影響。這些影響有規(guī)律性，但規(guī)律較為復(fù)雜，特別是定量的規(guī)律性研究仍是技術(shù)難題，在自主飛行和著艦時又是必須解決的問題。建立起流場特性和海浪特性模型成為艦載無人直升機(jī)設(shè)計的瓶頸。

無人直升機(jī)著艦的區(qū)域一般在艦艇尾部的甲板上，其后面是開闊的空間，其前部是艦艇的上層建筑物，這樣造成了該區(qū)域空氣流場特性復(fù)雜多變。為確保穩(wěn)定起降，必須確定起降包絡(luò)線(又稱風(fēng)限圖)，確定風(fēng)限圖就是建立飛行甲板空氣流場特性模型的過程。流場特性模型是在不同風(fēng)速、風(fēng)向條件下，著艦區(qū)不同位置的流速、流向的特征數(shù)據(jù)的集合，可以用特定數(shù)學(xué)表達(dá)式描述也可用特征數(shù)據(jù)庫描述，主著艦位置垂直面的特征數(shù)據(jù)需重點(diǎn)描述。每一型艦艇上層建筑、甲板空間等都不完全相同，因而其流場特性模型也不相同，對不同的艦艇需要分別建立不相同模型。建立該模型可以用實際測量數(shù)據(jù)通過回歸分析的方法得到，也可以將艦艇縮比模型在實驗室條件下模擬試驗條件測試的方法得到，更為科學(xué)合理的方法是將兩者結(jié)合起來。

圖2 著艦控制系統(tǒng)流程圖

海浪會造成艦體三自由度偏擺及垂直起伏運(yùn)動，使預(yù)期著艦點(diǎn)變成一個三維空間上的活動點(diǎn)，在著艦控制設(shè)計時，必須能準(zhǔn)確地預(yù)測出飛行甲板上直升機(jī)起降點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律，并以此為基準(zhǔn)設(shè)計出最優(yōu)的起降軌跡，作為起降飛行的跟蹤制導(dǎo)依據(jù)。海浪的運(yùn)動是呈周期性變化的，它的周期性是很復(fù)雜的，可以假定它為若干個不同頻率、不同振幅、不同相位、不同方向的正弦波疊加而成的［4］，以此為基礎(chǔ)建立海浪的運(yùn)動規(guī)律。海浪的作用，會形成著艦區(qū)六個自由度:縱搖、搖首、橫搖、沉浮、橫蕩和縱蕩的合成運(yùn)動，其中縱搖和沉浮主要導(dǎo)致甲板的垂向運(yùn)動，艦船的搖首和橫搖主要導(dǎo)致甲板的橫向運(yùn)動，使甲板總處于不規(guī)則的顛簸運(yùn)動之中，我們可以用一個六自由度的小諧波振蕩(與海浪關(guān)聯(lián))為基礎(chǔ)來建立艦船甲板的運(yùn)動方程描述其運(yùn)動規(guī)律。相關(guān)聯(lián)的海浪運(yùn)動規(guī)律和甲板運(yùn)動規(guī)律就構(gòu)成了海浪特性模型。

3 結(jié)束語

艦載無人直升機(jī)系統(tǒng)涉及的技術(shù)多，大多較為復(fù)雜，處于研究的前沿領(lǐng)域，本文只是站在技術(shù)論證的角度梳理了其中的一部分，需要在工程實踐中不斷地發(fā)現(xiàn)和解決，才能成功研發(fā)出完善的產(chǎn)品來。愿能以此作為起點(diǎn)，推進(jìn)這一領(lǐng)域的不斷進(jìn)步。

［1］楊一棟，編著.直升機(jī)飛行控制［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2011.

［2］蔣新桐，主編.飛機(jī)設(shè)計手冊第19分冊直升機(jī)設(shè)計［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2005.

［3］趙然.方興未艾的旋翼無人機(jī)［J］.航空知識，2010(11).

［4］海浪譜［EB/OL］.百度 －百科首頁.