固定翼無(wú)人機(jī)發(fā)射與回收技術(shù)發(fā)展綜述

曹浩楠++黃建峰++安城輝++楊鶴猛++謝璐

摘 要：綜述了固定翼無(wú)人機(jī)的發(fā)射與回收技術(shù)發(fā)展，結(jié)合軍民領(lǐng)域無(wú)人機(jī)需求旺盛、發(fā)展迅速的特點(diǎn)，特別對(duì)蓄能彈射和傘降、垂直起降、一體化起降等發(fā)射與回收技術(shù)著重闡述，并對(duì)各類(lèi)固定翼無(wú)人機(jī)的發(fā)射與回收技術(shù)現(xiàn)狀、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)分別進(jìn)行了介紹和分析，為固定翼無(wú)人機(jī)發(fā)射與回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇提供了一定參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī) 固定翼 發(fā)射 回收 起降方式

中圖分類(lèi)號(hào)：V27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（a）-0020-03

Abstract： Technology development for emission and recovery of fixed wing UAV is summarized. Combined with great demand and rapid development of UAV characteristics in military and civil fields， emission and recovery technology has been described， including energy storage ejection and parachute landing， vertical take-off and landing， integrated take-off and landing， etc. Whats more， introduction and analysis of the technologys current status， advantages， disadvantages， application fields and development trends are provided respectively. With this review， references will be provided for designing of fixed wing UAVs emission and recovery system.

Key words： UAV； Fixed wing； Emission； Recovery； Take-off and landing way

當(dāng)前，固定翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用過(guò)程分為展開(kāi)、起飛、飛行、降落、撤收等過(guò)程環(huán)節(jié)，其中飛行已經(jīng)可以手控或程控飛行，起飛和降落很大程度上仍依賴(lài)于操控手人工完成，主要是受限于發(fā)射與回收技術(shù)的成熟度和起降條件。在固定翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)選擇合理的發(fā)射與回收方案，在應(yīng)用時(shí)選擇合適的起降條件，對(duì)實(shí)現(xiàn)固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的安全性和無(wú)人化作業(yè)至關(guān)重要，良好的發(fā)射與回收裝置不僅可有效提升無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活性、氣象和地域適應(yīng)性、重復(fù)耐用性和經(jīng)濟(jì)性，也有利于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作業(yè)效能的提高[1-3]。

固定翼無(wú)人機(jī)發(fā)射和回收方式眾多，發(fā)射方式的設(shè)計(jì)主要是對(duì)無(wú)人機(jī)速度和高度瞬時(shí)增大過(guò)程中的動(dòng)力加注方式，包括滑跑起飛、彈射、手拋、垂直起飛、火箭助推和空投等[4]，固定翼無(wú)人機(jī)回收方式主要是對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)人機(jī)速度和高度減小過(guò)程中的緩沖吸能方式的設(shè)計(jì)上，包括著陸滑跑、傘降、著陸擦地、氣囊和氣墊回收、垂直降落、中空回收、繩鉤和撞網(wǎng)回收等[5-6]。根據(jù)發(fā)射和回收?qǐng)龅兀挚煞譃殛懟?、空基、海基、?chē)基、船基等，根據(jù)發(fā)射動(dòng)力又可分為自力和他力等[7]。各國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)射與回收技術(shù)進(jìn)行了大量研究和嘗試，一些發(fā)射和回收技術(shù)只適于特定軍事用途，固定翼無(wú)人機(jī)發(fā)射與回收裝置的無(wú)人化、自動(dòng)化、便捷性和耐用性仍較大限制了民用的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。

近年來(lái)，固定翼無(wú)人機(jī)在我國(guó)電力、石油、交通、測(cè)繪、環(huán)保、海事等多行業(yè)領(lǐng)域快速發(fā)展應(yīng)用，對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的生存率、機(jī)動(dòng)性和可靠性需求強(qiáng)烈，這對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)的發(fā)射和回收裝置提出了更高要求。為此，本文結(jié)合軍民領(lǐng)域固定翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用需求，系統(tǒng)地對(duì)各類(lèi)固定翼無(wú)人機(jī)的發(fā)射與回收技術(shù)現(xiàn)狀、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行介紹和分析，旨在為固定翼無(wú)人機(jī)發(fā)射與回收裝置設(shè)計(jì)選擇提供價(jià)值參考。

1 無(wú)人機(jī)發(fā)射技術(shù)

1.1 滑跑起飛

滑跑起飛是通過(guò)動(dòng)力裝置的自力推動(dòng)實(shí)現(xiàn)加速升空。根據(jù)滑跑的基體，可分為跑道、車(chē)載、水面起飛方式。地面跑道起飛方式的發(fā)射系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠，所需配套保障設(shè)備少，加速過(guò)程過(guò)載小，而車(chē)載和水面發(fā)射擺脫了對(duì)起飛跑道和地況的依賴(lài)，具有更好的機(jī)動(dòng)靈活性。傳統(tǒng)的跑道式固定翼無(wú)人機(jī)起飛方式與有人機(jī)類(lèi)似，但對(duì)起落架和跑道的要求不如有人機(jī)苛刻，一般適合較大型無(wú)人機(jī)，如美國(guó)捕食者、全球鷹，以色列蒼鷺、赫爾墨斯，英國(guó)守望者，中國(guó)彩虹系列，美國(guó)的“禿鷹”和巴西的BQM-1BR還采用了可棄式起落架。車(chē)載起飛方式，起飛車(chē)充當(dāng)了無(wú)人機(jī)起落架，達(dá)到起飛速度時(shí)，無(wú)人機(jī)可飛離起飛車(chē)升空，如英國(guó)天眼無(wú)人機(jī)。水面起飛方式使無(wú)人機(jī)擺脫了對(duì)跑道和起飛車(chē)的依賴(lài)，再配合可收放起落架，適用條件更為廣泛，如加拿大SUWAVE小型太陽(yáng)能固定翼無(wú)人機(jī)，中國(guó)U650大型固定翼無(wú)人機(jī)，順豐公司也在試驗(yàn)其用于物流的水陸兩棲大型固定翼無(wú)人機(jī)。

1.2 彈射起飛

彈射起飛是通過(guò)彈射裝置的外力推動(dòng)，將彈性勢(shì)能、液/氣壓能、熱能、電磁能等不同形式能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能，使無(wú)人機(jī)在一定長(zhǎng)度的滑軌上實(shí)現(xiàn)加速升空。根據(jù)彈射儲(chǔ)能的類(lèi)型，可分為彈力、液/氣壓、燃?xì)夂碗姶诺葟椛浞绞?。彈力彈射是以瞬態(tài)伸縮性極強(qiáng)的彈性部件（如彈簧、橡皮筋）為起飛動(dòng)力輸出，受限于彈性部件能效水平，適用于輕小型無(wú)人機(jī)，已廣泛應(yīng)用于軍民多領(lǐng)域，如美國(guó)波音公司掃描鷹，法國(guó)“瑪爾特”MK II，天津航天中為公司的ZW系列無(wú)人機(jī)。液/氣壓彈射是采用液/氣壓能源為起飛動(dòng)力輸出，隱蔽性和經(jīng)濟(jì)性好，如美國(guó)影子200、英國(guó)“不死鳥(niǎo)”和瑞士“巡邏兵”。燃?xì)鈴椛涫墙柚鹚幦紵a(chǎn)生推力在火炮身管內(nèi)完成加速發(fā)射過(guò)程，又稱(chēng)炮射無(wú)人機(jī)，如美國(guó)陸軍已裝備的“快看”炮射無(wú)人機(jī)，加拿大CL-289，英國(guó)“火影”炮射無(wú)人機(jī)，俄羅斯R-90，機(jī)長(zhǎng)1.42m，翼展2.56m，重42kg，由俄制“龍卷風(fēng)”火箭炮200mm大口徑火箭彈發(fā)射，比利時(shí)“食雀鷹”在自帶的M3型火箭助推器作用下從2.5m短軌上發(fā)射。電磁彈射是將無(wú)人機(jī)攜帶通電電樞置于直線(xiàn)電機(jī)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中，利用電磁力使其完成加速發(fā)射過(guò)程，其發(fā)射用時(shí)更短、效率更高，便于大范圍和精確調(diào)節(jié)彈射能輸出，適用于從輕型到重型無(wú)人機(jī)。endprint

1.3 手拋發(fā)射

手拋起飛是通過(guò)操作人員徒手投擲無(wú)人機(jī)到空中實(shí)現(xiàn)加速升空。手拋發(fā)射方式一般適用于尺寸小、重量輕的微小型無(wú)人機(jī)，如美國(guó)大烏鴉、英國(guó)沙漠之鷹-3、法國(guó)DT18、瑞士ebee、我國(guó)彩虹802等。

1.4 垂直起飛

垂直起飛是指無(wú)人機(jī)能夠以初始零速度垂直起飛升空，并具備空中懸停能力。目前垂起固定翼廣泛采用推力換向的原理，即起飛時(shí)推力向上，轉(zhuǎn)入水平飛行時(shí)推力向前傾轉(zhuǎn)，同時(shí)由機(jī)翼承擔(dān)部分或全部升力[8-9]。它綜合了直升機(jī)起飛對(duì)場(chǎng)地依賴(lài)小和固定翼飛行效率高的優(yōu)點(diǎn)，可分為傾轉(zhuǎn)旋翼式，如貝爾與波音直升機(jī)公司的“鷹眼”；傾轉(zhuǎn)機(jī)身式，如自由翼航空機(jī)器人公司的“蝎”式無(wú)人機(jī)；相比傾轉(zhuǎn)旋翼式，傾轉(zhuǎn)函道式是將傾轉(zhuǎn)的旋翼?yè)Q成了風(fēng)扇，如美國(guó)OAV，傾轉(zhuǎn)機(jī)翼式是將旋翼連同機(jī)翼一起偏轉(zhuǎn)，如格魯門(mén)公司的754型無(wú)人機(jī)；尾座式，如極光飛行科學(xué)公司的“金眼-100”、克萬(wàn)德公司的“無(wú)風(fēng)-3”和成都飛機(jī)工業(yè)公司的VD200；旋翼/機(jī)翼轉(zhuǎn)換式，如美國(guó)“蜻蜓”和成都縱橫自動(dòng)化技術(shù)有限公司的“CW-大鵬”系列。

1.5 其他發(fā)射方式

其他發(fā)射方式包括空中投放、旋轉(zhuǎn)拋射、潛射等。

空中投放是指無(wú)人機(jī)被其他母體飛行器運(yùn)載到空中借助相關(guān)技術(shù)放飛。母體飛行器可以是有人機(jī)、無(wú)人機(jī)或特殊彈體。借助母體飛行器投放無(wú)人機(jī)，展開(kāi)速度快，具有小型化、維護(hù)和使用便利的優(yōu)點(diǎn)，但也存在作用距離短、續(xù)航時(shí)間短、不易回收和重復(fù)使用等缺點(diǎn)。典型的有意大利的“米奇拉”100由Agusta A109直升機(jī)空中發(fā)射，美國(guó)廣域偵察無(wú)人機(jī)（WASP）由子母彈攜帶投放，盾牌無(wú)人驗(yàn)證機(jī)則通過(guò)P-3C母機(jī)的機(jī)翼或彈艙內(nèi)發(fā)射，掃描鷹無(wú)人機(jī)可由其他無(wú)人機(jī)空中投放。

旋轉(zhuǎn)拋射是利用通用旋轉(zhuǎn)拋射裝置鎖緊無(wú)人機(jī)，通過(guò)控制裝置內(nèi)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到無(wú)人機(jī)起飛速度時(shí)拋射放飛。這種發(fā)射方式適用于中小型固定翼無(wú)人機(jī)，可有效減小無(wú)人機(jī)起飛時(shí)的過(guò)載，從而延長(zhǎng)其使用壽命。該裝置由西北工業(yè)大學(xué)發(fā)明并申請(qǐng)了專(zhuān)利[10]。

潛射是從潛艇內(nèi)水下發(fā)射無(wú)人機(jī)。根據(jù)無(wú)人機(jī)在水下段是否直接接觸水環(huán)境，分為干式發(fā)射和濕式發(fā)射。干式發(fā)射是將無(wú)人機(jī)折疊后裝入運(yùn)載器，通過(guò)發(fā)射運(yùn)載器將其送至水面，出水過(guò)程中完成與運(yùn)載器的分離，如“海上搜索者”。濕式發(fā)射是將無(wú)人機(jī)裝于潛艇彈道導(dǎo)彈的發(fā)射管內(nèi)發(fā)射，如“鸕鶿”。

2 無(wú)人機(jī)回收技術(shù)

2.1 滑跑降落回收

滑跑降落是通過(guò)起落架滑輪著陸和跑道滑行緩沖實(shí)現(xiàn)能量吸收的回收方式。根據(jù)滑跑的基體，可分為跑道、車(chē)載、水面降落方式。不同滑跑降落方式的技術(shù)特點(diǎn)和滑跑起飛類(lèi)似，1.1中已敘述，一般能夠支持滑跑起飛的固定翼無(wú)人機(jī)，也能夠支持同樣的方式進(jìn)行滑跑降落。傳統(tǒng)的跑道式固定翼無(wú)人機(jī)降落方式，如美國(guó)捕食者、全球鷹，以色列蒼鷺，中國(guó)彩虹系列。車(chē)載降落方式，行進(jìn)的車(chē)載平臺(tái)充當(dāng)停機(jī)坪，德國(guó)航空航天中心已成功試驗(yàn)了“企鵝”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，可穩(wěn)定降落在75km時(shí)速的車(chē)輛頂部。水面降落方式，如加拿大SUWAVE小型太陽(yáng)能固定翼無(wú)人機(jī)，中國(guó)U650大型固定翼無(wú)人機(jī)，美國(guó)RQ-20A無(wú)人機(jī)則可以在水面和艦船等平臺(tái)區(qū)域降落。

2.2 傘降回收

傘降回收是通過(guò)無(wú)人機(jī)帶著降落傘到達(dá)回收區(qū)域和適當(dāng)高度時(shí)開(kāi)傘降落實(shí)現(xiàn)速度緩沖的回收方式。根據(jù)降落區(qū)域，可分為陸地傘降和水面?zhèn)憬怠Ｇ罢咭话闩渲没翜p震器或充氣氣囊，著陸時(shí)起到緩沖作用，后者一般配置浮筒氣囊或密封機(jī)體，著陸時(shí)起到漂浮作用。傘降回收一般應(yīng)用于低速無(wú)人機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)時(shí)通過(guò)引導(dǎo)傘/阻力傘使飛機(jī)急劇減速和降高，并拉出主降落傘，主傘一次充氣漲滿(mǎn)開(kāi)傘，主傘類(lèi)型包括平面圓形傘、方形傘、十字形傘、沖壓式翼傘等。傘降回收具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、場(chǎng)地要求不高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其十字形傘因其性能穩(wěn)定、工藝簡(jiǎn)單、開(kāi)傘動(dòng)載小的優(yōu)勢(shì)，在低速無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的跑道式固定翼無(wú)人機(jī)降落方式，如美國(guó)捕食者、全球鷹，以色列蒼鷺，中國(guó)彩虹系列。車(chē)載降落方式，行進(jìn)的車(chē)載平臺(tái)充當(dāng)停機(jī)坪，德國(guó)航空航天中心已成功試驗(yàn)了“企鵝”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，可穩(wěn)定降落在75km時(shí)速的車(chē)輛頂部。水面降落方式，如加拿大SUWAVE小型太陽(yáng)能固定翼無(wú)人機(jī)，中國(guó)U650大型固定翼無(wú)人機(jī)，美國(guó)RQ-20A無(wú)人機(jī)則可以在水面和艦船等平臺(tái)區(qū)域降落。

2.3 擦地著陸回收

擦地著陸回收是通過(guò)無(wú)人機(jī)與地面摩擦阻力實(shí)現(xiàn)速度緩沖與能量吸收的回收方式。需要對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)體和任務(wù)載荷采取保護(hù)措施，防止著陸撞擊和滑行摩擦造成損傷，經(jīng)典方式是采取氣囊著陸原理，即在無(wú)人機(jī)機(jī)腹四周安裝橡膠裙邊，中間留出帶孔氣囊，發(fā)動(dòng)機(jī)把空氣壓入氣囊，壓縮空氣從氣囊噴出，在機(jī)腹下形成“氣墊”式的高壓空氣區(qū)，該氣墊能支托無(wú)人機(jī)緩沖貼近地面時(shí)的沖擊力。擦地著陸不受地形條件和機(jī)型大小限制，回收率高，但容易造成機(jī)體損傷。如英國(guó)UMAC11飛翼式無(wú)人機(jī)，完成任務(wù)后靠機(jī)腹著陸回收，英國(guó)“大鴨”I型無(wú)人機(jī)，機(jī)身下裝有著陸滑橇，機(jī)翼裝有翼尖滑橇，可有效吸收著陸撞擊力，超輕型材質(zhì)的小型手拋機(jī)如ebee等，也采用擦地著陸回收方式，莫斯科無(wú)線(xiàn)電技術(shù)科研所公司利用3D打印打造了一款代號(hào)“水鴨”的全地形氣墊式載人無(wú)人機(jī)。

2.4 垂直降落回收

垂直降落回收是通過(guò)固定翼發(fā)動(dòng)機(jī)推力抵消重力實(shí)現(xiàn)速度緩沖至著陸的回收方式，可以依靠主發(fā)動(dòng)機(jī)推力在垂直方向的分力作用，也可以配置著陸專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)，在著陸專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)推力和主發(fā)動(dòng)機(jī)推力在垂直方向的分力共同作用下實(shí)現(xiàn)減速和著陸。垂直降落回收方式只需小面積回收?qǐng)龅?，不受回收區(qū)地形條件限制，機(jī)動(dòng)靈活性高。不同垂直降落方式的技術(shù)特點(diǎn)和垂直起飛類(lèi)似，1.4中已敘述，一般能夠支持垂直起飛的固定翼無(wú)人機(jī)，也能夠支持同樣的方式進(jìn)行垂直降落。如“鷹眼”、“金眼-100”、“蜻蜓”等。

2.5 其他回收方式

其他回收方式包括繩鉤、撞線(xiàn)、攔阻著陸、部分回收和空中捕獲等。如以色列的“先鋒”“猛犬”在機(jī)尾裝有尾鉤，著陸滑跑時(shí)，尾鉤鉤住地面攔截繩，可有效縮短著陸滑跑距離。如美國(guó)“蒼鷹”、以色列“偵察兵”都支持?jǐn)r阻網(wǎng)著陸回收，其返航時(shí)一般要求以小角度下滑，時(shí)速降到120以下時(shí)，地面站確定返航航跡偏差并修正飛行路線(xiàn)，使無(wú)人機(jī)對(duì)準(zhǔn)攔阻網(wǎng)中心線(xiàn)飛行攔阻網(wǎng)，艦載“銀狐”無(wú)人機(jī)也是采用攔阻網(wǎng)回收。如美國(guó)的D-21/GTD-21型無(wú)人機(jī)，完成任務(wù)返航至回收陣地時(shí)，照相艙被彈出傘降，機(jī)體部分墜毀。如美國(guó)“掃描鷹”無(wú)人機(jī)，采用“天鉤”對(duì)無(wú)人機(jī)撞線(xiàn)回收，負(fù)責(zé)對(duì)其發(fā)射和回收的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)牽引一根纜繩由其自主捕獲實(shí)現(xiàn)空中回收。endprint

3 無(wú)人機(jī)發(fā)射回收一體化技術(shù)

發(fā)射與回收緊密聯(lián)系，從能效設(shè)計(jì)考慮，同種工作方式的發(fā)射與回收一體化可有效提升飛機(jī)整體效能，如滑跑起飛則支持滑跑降落。固定翼無(wú)人機(jī)的發(fā)射與回收系統(tǒng)的高度融合一體化，發(fā)射與回收多種手段的綜合運(yùn)用也成為其向著高可靠、高效率、高度地形適應(yīng)性發(fā)展的技術(shù)方向之一[5]。

多發(fā)射系統(tǒng)融合，如美國(guó)XBQM-108A無(wú)人機(jī)，保留普通起落架同時(shí)，機(jī)尾安裝有尾支座，支持滑跑起飛和垂直起飛雙發(fā)射方式。

多回收系統(tǒng)融合，如傘降結(jié)合氣囊緩沖是無(wú)人機(jī)常用的著陸回收方式，加拿大的CL-89，傘降回收同時(shí)機(jī)腹翻轉(zhuǎn)180°以上，機(jī)背前后的著陸氣包先著地，可有效吸收撞擊能量，保護(hù)機(jī)腹內(nèi)任務(wù)載荷。著陸滑跑結(jié)合攔阻索可以縮短著陸滑跑距離，如以色列的“先鋒”“猛犬”。以色列“偵察兵”可著陸滑跑降落和使用攔阻網(wǎng)著陸回收。

融合多種發(fā)射與回收系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)，如法國(guó)DT18支持手拋和彈射起飛，支持自動(dòng)腹部著地降落和網(wǎng)降，如滑跑與彈射起飛，滑跑與傘降降落方式的綜合運(yùn)用，作為一主一備，在固定翼無(wú)人機(jī)中也較為常見(jiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

固定翼無(wú)人機(jī)的發(fā)射與回收方式是其重要性能指標(biāo)，發(fā)射是否安全、快捷，回收是否準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、可靠，已成為衡量無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可用性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵內(nèi)容之一。隨著軍民領(lǐng)域愈發(fā)旺盛的應(yīng)用需求和無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)無(wú)人機(jī)的要求趨于效能最優(yōu)化、操作自動(dòng)化、展開(kāi)便捷化和場(chǎng)地小型化，不同行業(yè)領(lǐng)域還會(huì)提出獨(dú)特的需求，并據(jù)此選擇無(wú)人機(jī)型號(hào)，對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)發(fā)射與回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用也提出更高要求。

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