柔翼無人機用于人工消霧的應用研究

薛富利　郭海軍

摘 要：本文介紹了霧的危害及人工消霧的現(xiàn)狀，闡述了柔翼無人機在消霧領域的應用技術(shù)，并進行了可行性分析，研究結(jié)果表明柔翼無人機具有安全可靠，操作簡單、成本低廉等特點，用于人工消霧優(yōu)勢明顯。

關(guān)鍵詞：柔翼無人機；人工消霧；可行性分析

中圖分類號：V221 文獻標識碼：A

1 概述

霧給交通帶來的損失是巨大的。有霧飛機無法起飛和降落。海上濃霧會使船只觸礁失事；高速公路上汽車追尾事件的罪魁災首常常就是霧。現(xiàn)有消霧手段主要采用飛機播撒系統(tǒng)和地面作業(yè)系統(tǒng)，消霧費用成本高。飛機播撒消霧很難達到近地面；地面消霧系統(tǒng)建設成本極高，消霧高度低、機動靈活性差。兩種方式效果都不太理想。采用柔翼無人機作為消霧飛行平臺進行低空近地面消霧是解決這一問題一條好的思路。

1.1 政策背景。國務院2012年8月印發(fā)了關(guān)于《進一步加強人工消霧工作的意見》，到2020年，建立較為完善的人工消霧作業(yè)體系，基礎研究和應用技術(shù)研發(fā)取得重要成果，基礎保障能力顯著提升，協(xié)調(diào)指揮和安全監(jiān)管水平得到增強，人工增雨作業(yè)年增加降水600億t以上，人工防雹面積由2011年的47萬km2增加到54萬km2以上，服務經(jīng)濟社會發(fā)展的效益明顯提高。

1.2 研制狀態(tài)。目前，襄陽宏偉航空器有限責任公司成功研制了柔翼無人機，該柔翼無人機突破了地面牽引發(fā)射、遙控技術(shù)及動力翼傘飛行控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，可以實現(xiàn)柔翼無人機應用于人工消霧飛行作業(yè)的功能。2012年6月，襄陽科技局組織了“柔翼無人機”科技成果鑒定會，鑒定專家包括中國工程院張勇傳院士、無人機專家張玉琢教授在內(nèi)的7位教授以上的專家。成果鑒定結(jié)論為該項目總體技術(shù)具有國內(nèi)領先水平。同時建議：進一步提高“柔翼無人機”的應用領域。

2 柔翼無人機用于人工消霧的技術(shù)方案

2.1 工作原理。柔翼無人機是指帶動力的精確導航翼傘系統(tǒng)，由動力裝置與柔性翼相結(jié)合，借助螺旋槳發(fā)動機的推力和柔性翼的升力升空，可自主飛行，或在目標區(qū)安置超高頻無線電信標，通過獲取無線電信號實施自主尋跡飛行，可隨時切換為手動控制模式，通過電子伺服系統(tǒng)操縱降落傘繩來控制其飛行方向，實現(xiàn)精確著陸。采用柔翼無人機作為飛行平臺，按照預定航線飛行至任務目標點，到達預定地點后根據(jù)霧的含水量及溫度等指標，在適合高度的云層中根據(jù)預先設定的航線飛行并同時進行播撒催化劑來消霧。

2.2 設備組成。柔翼無人機消霧系統(tǒng)主要由飛行體、放飛裝置、導航控制及通訊設備和消霧設備組成，如圖1所示。飛行體由沖壓翼傘、艙體和動力系統(tǒng)組成。沖壓翼傘用于為飛行體提供升力；艙體用于安裝各種設備并與沖壓翼傘連接；動力系統(tǒng)用于提供飛行所需的動力。放飛裝置用于地面牽引起飛時與牽引車的安裝、固定、防護和脫離。導航控制及通信設備由導航單元、控制單元、通信單元及控制站組成。用于提供飛行任務航線、給控制單元發(fā)送操縱指令；執(zhí)行導航單元發(fā)送的操縱指令，驅(qū)動操縱執(zhí)行機構(gòu)，改變飛行姿態(tài)及航線；完成對飛行路線的設定、狀態(tài)數(shù)據(jù)的輸入、飛行指令的發(fā)出和飛行軌跡的監(jiān)控和對飛行體反饋數(shù)據(jù)的接收處理。消霧設備由催化劑和拋撒裝置組成。用于裝載催化劑并由拋撒裝置按照任務計劃進行播撒，適時將催化劑播灑在霧中從而達到消霧作業(yè)目的。

2.3 主要技術(shù)指標。最大有效載荷50kg；最大續(xù)航時間3h；最大飛行航程100km；最大飛行速度50km/h；最大飛行高度海拔3000m；

2.4 其他特點說明。具有快速裝載、拆卸功能；自主導航控制系統(tǒng)，可根據(jù)任務規(guī)劃系統(tǒng)執(zhí)行任務并自動返回；地面手控功能，并與自動控制可隨意切換；用輪式車輛或拖車放飛；人員配備：“1+3”模式，專業(yè)1人，輔助3人。

3 可行性分析

3.1 柔翼無人機的飛行特點。柔翼無人機具有超低空飛行的特性，飛行高度可低至10m，且飛行速度低（40km/h～50km/h），適合播撒催化劑等播撒物。事先設置好飛行區(qū)域航線，放飛后只要在地面進行監(jiān)控，必要時進行人工操縱干預，整個播撒過程簡單可行，安全可控。

3.2 柔翼無人機低空消霧的安全性。（1）無人化作業(yè)：由于是無人駕駛，可以不考慮對人的安全，使用風險低。（2）系統(tǒng)本身安全可靠：翼傘系統(tǒng)本身具有滑翔緩降功能，即使在動力發(fā)生故障，發(fā)動機停機無動力的情況下，也可緩緩滑翔降落，對設備和人員均不會造成損傷。（3）系統(tǒng)具有應急備份傘：柔翼無人機系統(tǒng)配備有應急備份傘，在異常情況下可強制降落，不會發(fā)生由于失去控制而飛走，系統(tǒng)具有自動判別是否受控，如果失控，則自動打開應急備份傘，就地降落。

3.3 柔翼無人機低空消霧的成本分析。（1）專業(yè)消霧設備成本昂貴，國外研制的專業(yè)消霧設備造價過百萬美元，每小時費用成本幾萬美元；（2）柔翼無人機消霧系統(tǒng)采購及維護成本低。柔翼無人機采購成本是其它小型運輸機的1/10，每小時使用成本（包括采購成本和機場及跑道建設成本）是其它類型運輸機的1/50，平時也不需要進行專業(yè)性強的保養(yǎng)工作；（3）柔翼無人機消霧系統(tǒng)消霧成本低。機場跑道如果按照四五公里來算，每做一次傳統(tǒng)的地面人工消霧約投入幾萬元甚至數(shù)萬元，而采用柔翼無人機僅需幾千元。（4）應用前景。柔翼無人機在人工消霧領域的應用意義重大，進一步推動我國人工消霧技術(shù)的發(fā)展。另外，柔翼無人機對比其他類型的無人機具有有效載荷量大、飛行平穩(wěn)、飛行時間長、安全可靠、起飛降落方便等特點，是對低空、超低空飛行作業(yè)的補充，其應用前景廣泛：在民用領域，可作為增雨防雹火箭彈空中發(fā)射平臺和空中氣象監(jiān)測平臺；可作為無人化播撒農(nóng)藥、飛播造林的平臺；可實施復雜環(huán)境條件下的拍攝或災后現(xiàn)場勘測；在軍事領域可攜帶傳單、擴音等設備在敵方進行心理戰(zhàn)；可利用其較大的載荷能力，對人員和其他裝備不易到達的區(qū)域進行遠程物資精確往復投送；可利用其飛行平穩(wěn)、飛行時間長、載荷量大的特點，攜帶相應的任務設備實現(xiàn)空中通訊中繼、遙測、預警等功能。

參考文獻

[1]夷邱唯.柔翼無人機——消霧市場新寵[J].大飛機，2014（02）.