固定翼無人機(jī)回收與發(fā)射系統(tǒng)發(fā)展綜述

杜聰聰+李武軍+陳朝浪+馬明旭

摘 要 本文綜述了固定翼無人機(jī)回收發(fā)射技術(shù)現(xiàn)狀。同時(shí)結(jié)合了航天領(lǐng)域，對(duì)艦載機(jī)的回收、發(fā)射技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹和分析。在當(dāng)前無人機(jī)需求旺盛，行業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)的背景下，當(dāng)今無人機(jī)行業(yè)尚未出現(xiàn)一套完備、實(shí)用、穩(wěn)定的無人機(jī)回收發(fā)射一體化裝置，也正是由于這個(gè)問題的存在，限制了無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全面、完備、高速的發(fā)展。全新的無人機(jī)回收發(fā)射一體化裝置還有待創(chuàng)新和研究。

關(guān)鍵詞 固定翼無人機(jī)；回收；發(fā)射；一體化

中圖分類號(hào) V27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）160-0113-03

無人機(jī)（UAV）又稱“空中機(jī)器人”，主要包含無人機(jī)載體、地面站（例如發(fā)射回收裝置）和有效負(fù)荷[1]。

按照飛行平臺(tái)構(gòu)型的不同，無人機(jī)可以分為固定翼、旋翼、無人飛艇、傘翼、撲翼等[2]。無人機(jī)產(chǎn)品形態(tài)結(jié)構(gòu)各異、功能復(fù)雜，但飛行原理相似。正是由此，為無人機(jī)回收發(fā)射技術(shù)發(fā)展，并滲透到各個(gè)領(lǐng)域中提供基礎(chǔ)。

在無人機(jī)體系中，許多關(guān)鍵技術(shù)起決定作用，有氣動(dòng)、人工智能、通信、發(fā)射回收技術(shù)等[3]。傳統(tǒng)的無人機(jī)的發(fā)射方式，很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)發(fā)射的無人化、智能化和自動(dòng)化。傳統(tǒng)無人機(jī)分為陸基、空基、?；l(fā)射技術(shù)只適合運(yùn)用于軍事行業(yè)，其它領(lǐng)域依靠手拋和軌道起飛方式。不能真正體現(xiàn)無人機(jī)的靈活性，約束無人機(jī)的任務(wù)半徑。小型無人機(jī)的發(fā)射有采用容器式裝置發(fā)射的[4]。無人機(jī)運(yùn)用在哪方面，都無法解決發(fā)射和回收局限性的問題。

1 無人機(jī)發(fā)射技術(shù)

一般無人機(jī)發(fā)射方式有火箭助推、液壓、氣壓彈射和地面滑道起飛等。大型無人機(jī)一般利用地面滑跑起飛的方式，中小型無人機(jī)則采用費(fèi)用極高且安全措施高的彈射起飛方式。傳統(tǒng)的液壓彈射系統(tǒng)和氣動(dòng)彈射系統(tǒng)通常占地面積大、展開撤收困難[5]。

1.1 手拋發(fā)射

手拋發(fā)射，由操作手投擲無人機(jī)到空中，實(shí)現(xiàn)起飛過程。手拋發(fā)射一般用于體積小、質(zhì)量小的小微型無人機(jī)，如美國大烏鴉、指針無人機(jī)，英國MSV-10無人機(jī)。但是這對(duì)發(fā)射者提出一定的要求，發(fā)射時(shí)要注意投擲力大小和方向[6]，從而確保無人機(jī)發(fā)射成功。

1.2 蓄能彈射發(fā)射

彈射起飛是將彈性勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能，使無人機(jī)加速到安全起飛速度。彈射起飛的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動(dòng)靈活性好、安全隱蔽性好；其缺點(diǎn)是發(fā)射質(zhì)量不能太大，滑軌不能太長。按發(fā)射動(dòng)力能源的不同，彈射起飛可分為液/氣壓彈射、彈力彈射、電磁彈射和燃?xì)鈴椛涞榷喾N方式[6]。

以色列拉斐爾公司生產(chǎn)的一種便攜式小型無人機(jī)云雀。當(dāng)操作人員在空間約束無法跑著發(fā)射無人機(jī)時(shí)，可以采用發(fā)射管發(fā)射。

1.3 氣動(dòng)液壓發(fā)射

20世紀(jì)90年代國際上發(fā)展起來的一種先進(jìn)的導(dǎo)軌動(dòng)能彈射起飛方式，主要采用氣液壓能源作為無人機(jī)彈射起飛的動(dòng)力。由于技術(shù)復(fù)雜，最初只有美、英等少數(shù)國家掌握此項(xiàng)技術(shù)，如美國影子200和天鷹。發(fā)射過程，無人機(jī)首先固定在滑車上，滑車就位、鎖定，進(jìn)行液體壓縮氮?dú)鈨?chǔ)能?；嚨竭_(dá)滑軌終點(diǎn)時(shí)在液壓剎車裝置作用下停住，無人機(jī)離開滑車飛向天空[7]。但是，所需配套裝置比較冗雜，需要一定數(shù)量的操作人員，耗能和噪聲較大，機(jī)動(dòng)隱蔽性差。

1.4 彈藥火箭發(fā)射

原理和氣動(dòng)液壓發(fā)射類似，該系統(tǒng)由機(jī)體、發(fā)射車、地面測控站、和火工品等部分組成。采用上單翼、雙尾撐、后推式總體氣動(dòng)布局，飛行平穩(wěn)度高、續(xù)航時(shí)間長；具有衛(wèi)星、無線電、航程推算三種定位及組合導(dǎo)航方式；具有在云、霧、雨（中陣雨）氣象條件下晝夜執(zhí)行飛行任務(wù)的能力（如圖1）。

火箭助推系統(tǒng)推力線控制與調(diào)整要求復(fù)雜且不能重復(fù)使用，火箭脫落時(shí)與后置式動(dòng)力裝置發(fā)生干涉，而且設(shè)計(jì)火工品的儲(chǔ)存和使用，費(fèi)用高昂，且發(fā)射時(shí)具有聲光煙信號(hào)，容易暴露目標(biāo)。

1.5 地面滑跑起飛

該方式主要是利用無人機(jī)自身發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，驅(qū)動(dòng)無人機(jī)在跑道上加速起飛，這與當(dāng)前的固定翼人駕駛飛機(jī)起飛原理相像。主要分為起飛滑跑起飛和輪式起落架滑落起飛。地面滑跑起飛的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)射系統(tǒng)簡單可靠，配套地面保障設(shè)備少，加速過程的過載小。而缺點(diǎn)是需要跑道設(shè)施和較好的地況要求，機(jī)動(dòng)靈活性比較差。一般的，對(duì)于起落架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)較大程度影響飛機(jī)載荷大小和安全性。

1.6 旋轉(zhuǎn)拋射起飛

西北工業(yè)大學(xué)當(dāng)前研究出一種無人機(jī)旋轉(zhuǎn)拋射裝置[5]。該裝置通過控制旋轉(zhuǎn)拋射裝置電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度將中小型無人機(jī)的發(fā)射速度在0m/s～50m/s之間，能夠有效減小中小型無人機(jī)在起過程中的過載，延長無人機(jī)的使用壽命，具有生產(chǎn)制造費(fèi)用低、占地面積小、操作方便并且能夠車載和艦載使用的特點(diǎn)。

然而，該裝置發(fā)射無人機(jī)時(shí)受到無人機(jī)的尺寸、結(jié)構(gòu)的影響，由于無人機(jī)承載任務(wù)載荷所導(dǎo)致的重心偏移，發(fā)射過程中的慣性力消除有所難度。同時(shí)，飛機(jī)的爬升高度對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)也有較大地限制。

2 無人機(jī)回收技術(shù)

無人機(jī)回收方式較少，主要著眼于緩沖吸能目標(biāo)上，主流為撞網(wǎng)回收、傘降回收、著陸滑跑回收、垂直降落回收、中空回收和氣墊回收。

2.1 撞網(wǎng)回收

主要由攔截網(wǎng)、吸收能量裝置和引導(dǎo)設(shè)備構(gòu)成。攔截網(wǎng)承擔(dān)吸能緩沖的任務(wù)，用來吸收無人機(jī)撞網(wǎng)后來回?cái)[動(dòng)能量，防止觸網(wǎng)后彈跳不停，以致?lián)p傷。自動(dòng)引導(dǎo)裝置是網(wǎng)后面的移動(dòng)攝像頭，時(shí)刻捕捉無人機(jī)返航后，進(jìn)入回收空域，隨時(shí)報(bào)告無人機(jī)的相對(duì)回收裝置的三維坐標(biāo)。

但是，該攔截也存在一些劣勢。當(dāng)無人機(jī)返航時(shí)，需要有操作人員時(shí)刻關(guān)注監(jiān)視器的狀況，根據(jù)無人機(jī)的實(shí)時(shí)位置，來半自動(dòng)地?zé)o人機(jī)的飛行姿態(tài)，修正無人機(jī)飛行路線，對(duì)準(zhǔn)地面攝像機(jī)的瞄準(zhǔn)線，飛向攔截網(wǎng)。同時(shí)，無人機(jī)的降落速度、重量和載荷也要考慮，以免損壞攔截網(wǎng)[4]。

2.2 傘降回收

傘降回收方式是無人機(jī)在回收降落的時(shí)候，機(jī)身在降落傘的牽扯作用下，機(jī)身反轉(zhuǎn)180°，機(jī)體腹部朝上背部朝下，機(jī)背的著陸氣包在碰地的時(shí)候充氣撞擊地面，起到緩沖的作用，從而保護(hù)了內(nèi)部的各種儀器[8]。同樣，英國的“小鷹”使用傘降回收方式進(jìn)行著陸，機(jī)背的汽包充氣先著陸保護(hù)機(jī)體內(nèi)部的設(shè)備不受損害[9]。

系統(tǒng)還是存在很多不足之處，主要回收的精度達(dá)不到預(yù)期的要求，飛機(jī)著陸姿態(tài)不當(dāng)或速度過大，導(dǎo)致機(jī)體部件或任務(wù)負(fù)載損毀。無人機(jī)的機(jī)體或者負(fù)載損毀的主要原因是著陸姿態(tài)不當(dāng)，例如機(jī)頭垂直撞向地面，或者速度過快[10]。

2.3 著陸滑跑回收

在1.5中也有敘述，在著陸滑跑回收當(dāng)中，起落架滑輪著陸的回收方式與有人機(jī)類同。不同之處，無人機(jī)的著陸回收方式有特有的優(yōu)勢。固定翼無人機(jī)對(duì)跑道要求相對(duì)有人機(jī)要求比較寬松。有些無人機(jī)回收架允許損壞，作為吸收能量緩沖的過程。另外，為了縮短著陸滑跑距離，會(huì)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行設(shè)置攔阻索攔截。例如在機(jī)尾安裝鉤狀結(jié)構(gòu)，著陸時(shí)勾住攔阻索，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)降落。

3 無人機(jī)回收發(fā)射一體化技術(shù)

3.1 旋轉(zhuǎn)拋射一體化技術(shù)

東北大學(xué)IBIT仿生智能團(tuán)隊(duì)提出一種旋轉(zhuǎn)拋射無人機(jī)發(fā)射與回收一體化裝置，包括支撐架、大臂、發(fā)射/回收臺(tái)。該裝置結(jié)合無人機(jī)回收與發(fā)射的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，利用仿生學(xué)原理，模仿手臂抓取運(yùn)動(dòng)物體和拋射物體的兩個(gè)過程，把無人機(jī)的回收和發(fā)射兩個(gè)過程整合到一起。優(yōu)化方法分析大臂旋轉(zhuǎn)和大臂上的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)合成運(yùn)動(dòng)的軌跡，得到一段無人機(jī)發(fā)射時(shí)所需的軌跡[11]。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，該裝置也存在一些不足，在機(jī)械部分：現(xiàn)實(shí)裝置比較大，旋轉(zhuǎn)慣性大，加工精度難度和材料比較困難；旋轉(zhuǎn)裝置體積、重量變小后，對(duì)于回收發(fā)射的緩沖曲線擬合不明顯，吸能效果可能不佳。而對(duì)于控制部分：對(duì)于無人機(jī)回收，動(dòng)態(tài)性捕捉、握手信息交互技術(shù)要求較高；裝置的反應(yīng)速度要求比較高，由于裝置的旋轉(zhuǎn)部分的慣性比較大，有滯后性，對(duì)機(jī)械動(dòng)力的機(jī)動(dòng)性要求高。

3.2 彈射回收一體化技術(shù)

針對(duì)上述旋轉(zhuǎn)拋射無人機(jī)發(fā)射與回收一體化裝置的短板，從簡易型和使用的角度提出一種基于STM32彈射回收一體化的裝置（如圖2）。調(diào)整機(jī)架的角度，選擇合適的回收與發(fā)射角度。根據(jù)無人機(jī)速度特性，與物體同向運(yùn)動(dòng)，形成順應(yīng)性主動(dòng)緩沖。當(dāng)無人機(jī)回收后，緩沖網(wǎng)主動(dòng)張開，將無人機(jī)姿態(tài)調(diào)整到回收平臺(tái)中部，發(fā)射臺(tái)與回收平臺(tái)之間由鎖緊裝置連接，蓄能、觸發(fā)張開鎖緊裝置，釋放發(fā)射無人機(jī)。

本裝置對(duì)固定翼無人機(jī)的回收實(shí)現(xiàn)網(wǎng)式的柔性緩沖，能有效降低無人機(jī)的損傷。采用主動(dòng)和被動(dòng)緩沖相結(jié)合的方案，較大地提高回收平臺(tái)對(duì)無人機(jī)動(dòng)能的吸能的效果；機(jī)構(gòu)簡單靈巧，整個(gè)過程幾乎無須人為干預(yù)。自主操作降低了失誤率，提高了回收精準(zhǔn)度，降低人為成本。對(duì)需要對(duì)回收吸能緩沖和調(diào)姿進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)一步提高實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自動(dòng)定點(diǎn)降落精度

3.3 一種無人機(jī)綜合方艙系統(tǒng)

一種無人機(jī)綜合方艙系統(tǒng)[12]，包括卡車、分段式方艙、無人直升機(jī)、地面指揮測控站、自動(dòng)發(fā)射回收與升降控制系統(tǒng)、維護(hù)保障系統(tǒng)及電源系統(tǒng)。自動(dòng)發(fā)射回收與升降控制系統(tǒng)為無人直升機(jī)的投放平臺(tái)。各個(gè)系統(tǒng)集成于一個(gè)綜合方艙內(nèi)，同時(shí)具備無人直升機(jī)的機(jī)動(dòng)儲(chǔ)運(yùn)、發(fā)射回收、任務(wù)部署、指揮控制、現(xiàn)場維護(hù)保障等多種功能，能高效快速地完成無人機(jī)的任務(wù)部署。

3.4 其他領(lǐng)域的一體化技術(shù)

3.4.1 水體捕捉和炮彈發(fā)射技術(shù)

當(dāng)前國外出現(xiàn)一種用于從水體中捕捉目標(biāo)物體的方法、設(shè)備以及計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品[13]。該方法將水體空間劃分為不同軌道，通過捕捉裝置和目標(biāo)物的軌道相對(duì)位置和速度，來實(shí)時(shí)分析、確定裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于在水體發(fā)射，現(xiàn)有潛射戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈射擊訓(xùn)練中，對(duì)于導(dǎo)彈彈道的監(jiān)控只有出水之后的空中彈道，而水中段尚無有效的監(jiān)測手段。而水中段是最薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)彈最易出現(xiàn)故障且故障原因難以確定[14]。同時(shí)，潛射導(dǎo)彈出水過程中受到海浪作用的擾動(dòng)，對(duì)導(dǎo)彈水彈道參數(shù)產(chǎn)生一定影響，西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院提出基于蒙特卡洛法思想，結(jié)合波浪隨機(jī)性特點(diǎn)，闡述了不同海況和主浪向參數(shù)波浪影響下彈道參數(shù)其變化規(guī)律[15]。水體捕捉和導(dǎo)彈潛射軌道模擬，兩者并沒有太多的技術(shù)結(jié)合點(diǎn)。

3.4.2 艦載機(jī)回收、發(fā)射技術(shù)

航母艦載機(jī)的起飛和回收技術(shù)是一項(xiàng)重要的軍事裝備技術(shù)。目前蒸汽式彈射器[16]是現(xiàn)役的航母上主要采用的技術(shù)方案。但隨著航母噸位和艦載機(jī)起飛質(zhì)量的增加，要加大彈射能量和提高自動(dòng)化程度及其控制精度。

從20世紀(jì)初，航母上一直都未有專門用于輔助艦載機(jī)降落的著艦設(shè)備而是通過甲板末端左側(cè)的著艦信號(hào)官指引。應(yīng)戰(zhàn)爭需要，出現(xiàn)了等角下滑技術(shù)和光學(xué)助降系統(tǒng)，例如菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)。人工導(dǎo)引著艦方式易受到氣象等環(huán)境因素的影[17]，針對(duì)這些缺點(diǎn)，出現(xiàn)了聯(lián)合精密進(jìn)近與著陸[18]（艦）系統(tǒng)，應(yīng)用GPS動(dòng)態(tài)載波相位跟蹤技術(shù)的航空母艦艦載機(jī)著艦系統(tǒng)[19]所有現(xiàn)役航母上正在使用的惟一的一種阻攔裝置是液壓緩沖阻攔裝置。目前，由于相關(guān)技術(shù)很敏感，國外發(fā)表的艦載機(jī)阻攔技術(shù)相關(guān)理論研究的文章很少[20]。國內(nèi)研究大多停留在攔阻索建模仿真和動(dòng)力學(xué)分析上上面，實(shí)質(zhì)性進(jìn)展較少。

4 結(jié)論

隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別對(duì)無人機(jī)使用的生存率、機(jī)動(dòng)性和可靠性提高需求強(qiáng)烈，這對(duì)發(fā)射、回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及技術(shù)應(yīng)用提出了更高要求。當(dāng)前蓄能彈射方式應(yīng)用較廣，具有隱蔽性好、經(jīng)濟(jì)性好和適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。

無人機(jī)的回收發(fā)射一體化技術(shù)，既要滿足傳統(tǒng)對(duì)無人機(jī)的可靠發(fā)射、回收的基礎(chǔ)上，還能實(shí)現(xiàn)更好的無人機(jī)停放、管理、交換信息的任務(wù)。而且回收平臺(tái)的設(shè)計(jì)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)回收后無人機(jī)的自動(dòng)化信息采集和自動(dòng)化充電，減少了人為干預(yù)，提高了執(zhí)行效率。由于無人機(jī)自動(dòng)化定點(diǎn)降落技術(shù)還有較大地技術(shù)門檻，回收與發(fā)射一體化、自動(dòng)化的技術(shù)還未成熟。

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