便攜式雙模無(wú)人偵察機(jī)概念設(shè)計(jì)研究

梁毅辰

(西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院，西安 710077)

0 引言

無(wú)人機(jī)因其無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)，生存能力強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性能好，使用方便等特點(diǎn)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中有重要作用，也越來(lái)越受到各國(guó)航空業(yè)人士的關(guān)注?！叭蝥棥薄安妒痴摺薄耙睚垺钡燃夹g(shù)先進(jìn)、對(duì)設(shè)備要求比較高的大型無(wú)人機(jī)如雨后春筍一般層出不窮。區(qū)域性沖突以及戰(zhàn)爭(zhēng)中的特種戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)中，行動(dòng)組往往需要便于攜帶，可靠性強(qiáng)的情報(bào)收集工具以完成快速戰(zhàn)術(shù)部署，而大型無(wú)人機(jī)多部署于營(yíng)級(jí)以上單位，所需地面輔助設(shè)施笨重繁雜，無(wú)法單兵攜帶，對(duì)于機(jī)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的支援作用無(wú)法充分發(fā)揮。此外，在日常的警用巡邏，消防火情偵察，自然災(zāi)害地區(qū)災(zāi)情偵察等活動(dòng)中，便攜式無(wú)人偵察機(jī)相比大型無(wú)人機(jī)有著部署快，信息反饋及時(shí)等特點(diǎn)。在此背景下，由單兵攜帶的低成本、高可靠性、小包絡(luò)、輕重量、易操作的無(wú)人偵察機(jī)具有重要的實(shí)戰(zhàn)意義。

1 便攜式無(wú)人偵察機(jī)發(fā)展概況

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于便攜式單兵無(wú)人機(jī)偵察機(jī)已經(jīng)做了深入的研究，并已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品裝備部隊(duì)，在作戰(zhàn)中起到了關(guān)鍵作用。

圖1 RQ-16無(wú)人機(jī)

美軍的RQ-16無(wú)人機(jī)[1](見(jiàn)圖1)可協(xié)助步兵完成偵察、情報(bào)收集、火炮校準(zhǔn)以及激光照射任務(wù)。整套系統(tǒng)總重量小于23kg，可由一個(gè)步兵班攜帶，快速展開(kāi)部署。其中，無(wú)人機(jī)的大小近似一個(gè)籃球，為了提供足夠的續(xù)航時(shí)間，該無(wú)人機(jī)由活塞式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的涵道風(fēng)扇產(chǎn)生升力，可垂直起降并懸停，最大飛行速度約74km/h，續(xù)航時(shí)間約為40min。該無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自主控制和導(dǎo)航，也可以實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)路線和目標(biāo)信息，同時(shí)具有盤(pán)旋凝視功能。

美軍的RQ-11B“大烏鴉”無(wú)人機(jī)(見(jiàn)圖2)可以為小型作戰(zhàn)單位提供強(qiáng)力的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，感知并通過(guò)對(duì)機(jī)動(dòng)區(qū)域邊界的擴(kuò)展勘測(cè)和情報(bào)收集用來(lái)保護(hù)作戰(zhàn)部隊(duì)[2]。該無(wú)人機(jī)可由單兵攜帶，可由手拋起飛，快速部署，還可以自動(dòng)跟蹤地面機(jī)動(dòng)車輛執(zhí)行護(hù)航任務(wù)，為地面部隊(duì)傳遞周邊安全情報(bào)供排級(jí)部隊(duì)使用?！按鬄貘f”質(zhì)量2.72kg，使用電池驅(qū)動(dòng)，可攜帶紅外攝像機(jī)和數(shù)據(jù)鏈，滯空時(shí)間為90min，由電動(dòng)機(jī)推進(jìn)，非常安靜，因此在100米以上空中飛行時(shí)幾乎不會(huì)被察覺(jué)，戰(zhàn)場(chǎng)記錄顯示，大烏鴉損毀幾乎都是由失控和故障造成的，很少被敵軍擊落。

圖2 RQ-11B無(wú)人機(jī)

RQ-20A(見(jiàn)圖3)是由美國(guó)AeroVironment公司生產(chǎn)的單兵固定翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)[3-4]，主要用于對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控和情報(bào)收集。該無(wú)人機(jī)采用固定翼常規(guī)布局，平直梯形機(jī)翼可折疊，外端翼有一定上反角，由單兵手?jǐn)S起飛，具有全天候作戰(zhàn)能力，翼展2.9m，最大起飛重量5.9kg，最大飛行速度83km/h。通過(guò)添加太陽(yáng)能電池板與更加強(qiáng)勁的電動(dòng)機(jī)以及電池，RQ-20A的續(xù)航時(shí)間預(yù)計(jì)可達(dá)到9小時(shí)。

圖3 RQ-20A無(wú)人機(jī)

可以看出，目前現(xiàn)役的小型無(wú)人偵察機(jī)采用單一的垂直起降/懸浮飛行方式或者固定翼方式飛行，這兩種控制方式各有利弊，垂直起降/懸浮方式具有較好的機(jī)動(dòng)性，對(duì)于起降場(chǎng)地沒(méi)有要求，并可以懸浮對(duì)目標(biāo)進(jìn)行凝視，但飛行速度慢，續(xù)航時(shí)間短。以RQ-16為例，為了獲得較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間(40min)，采用了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，但這樣的設(shè)計(jì)大大增加了其使用噪音，使其進(jìn)行抵近偵察時(shí)易被發(fā)現(xiàn)；固定翼飛行方式飛行速度較高，節(jié)省燃料，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)在空中的懸浮，對(duì)于目標(biāo)的偵察不利，同時(shí)無(wú)法在復(fù)雜的地形中(如街道，廢墟、廠房?jī)?nèi)部)飛行。因此，設(shè)計(jì)一種雙模控制無(wú)人偵察機(jī)可以同時(shí)兼顧兩種飛行模式的優(yōu)點(diǎn)，有利于對(duì)地偵察。

2 雙模無(wú)人機(jī)發(fā)展概況

垂直起降飛行器(Vertical Take-Off and Landing，VTOL)能夠以零速度起飛/著陸，具備懸停能力，并能夠以固定翼飛機(jī)的方式水平飛行。早期開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)機(jī)類型多種多樣，包括尾座式、傾轉(zhuǎn)涵道式、噴氣流轉(zhuǎn)向式以及噴氣升力發(fā)動(dòng)機(jī)式等。各國(guó)在20世紀(jì)50年代就先后試制了數(shù)十種垂直起降飛機(jī)，然而大多數(shù)都以失敗告終。具有代表性的是美國(guó)的XFV-1，XFY-1及英國(guó)的SC.1等。特別是英國(guó)霍克西德利公司成功研制出的AV8鷂式戰(zhàn)斗機(jī)成為世界上首架成功投入使用的垂直起降飛機(jī)。垂直起降飛行器雖具有固定翼飛機(jī)速度快、航程遠(yuǎn)和垂直起降、可懸停作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，但也帶來(lái)了設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜、控制困難等弊端，這些因素也是使垂直起降飛行器在20世紀(jì)60年代后期發(fā)展減緩的重要原因之一。直到20世紀(jì)80年代后期，美國(guó)的V-22魚(yú)鷹傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)給VTOL領(lǐng)域帶來(lái)了希望。V-22可由兩具旋翼驅(qū)動(dòng)垂直起飛，在起飛后旋翼向前傾轉(zhuǎn)，由垂直起降模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ㄒ砥斤w模態(tài)，旋翼的動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚯巴屏?，由機(jī)翼產(chǎn)生大部分升力。當(dāng)旋翼重新傾轉(zhuǎn)朝上后，V-22又將獲得垂直著陸的能力，對(duì)于著陸場(chǎng)的要求大大減少。V-22的出現(xiàn)使得美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)獲得了裝載大量兵員物資從兩棲登陸艦上起飛，長(zhǎng)途奔襲，降落前線起降場(chǎng)快速投入作戰(zhàn)的能力。

固定翼多旋翼復(fù)合飛行器是一種新型的垂直起降飛行器，采用多旋翼與固定翼飛行平臺(tái)相結(jié)合的方式得到簡(jiǎn)單而有效的垂直起降解決方案。復(fù)合多旋翼相對(duì)其他無(wú)人飛行器具有多方面的優(yōu)勢(shì)，相較于其他垂直起降飛行器，具有技術(shù)實(shí)現(xiàn)性好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)幾年發(fā)展，復(fù)合多旋翼技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)突破性發(fā)展，小型復(fù)合多旋翼即將投放市場(chǎng)。固定翼多旋翼復(fù)合飛行器是最近幾年才發(fā)展起來(lái)的新型航空器，實(shí)踐證明其技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性好，遠(yuǎn)高于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、涵道升力風(fēng)扇(傾轉(zhuǎn))、尾座式等其他垂直起降無(wú)人機(jī)。

采用復(fù)合多旋翼技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)垂直起降與固定翼模式平飛的結(jié)合。復(fù)合多旋翼飛行器經(jīng)過(guò)短短幾年發(fā)展，完成了技術(shù)驗(yàn)證，相關(guān)技術(shù)正在發(fā)展成熟。復(fù)合多旋翼已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化產(chǎn)品研制發(fā)展階段，其中一些產(chǎn)品即將投放市場(chǎng)。作為一種新型高效低成本垂直起降無(wú)人機(jī)，復(fù)合多旋翼有著獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，能夠充分滿足用戶的各種需求，預(yù)期市場(chǎng)巨大，未來(lái)發(fā)展前景廣闊。美國(guó)Latitude Engineering在復(fù)合多旋翼飛行器技術(shù)研究及產(chǎn)品方面走在世界前列。Latitude 公司成功研制出多款復(fù)合多旋翼飛行器，并開(kāi)發(fā)多旋翼套件，與Arcturns UAV Sensintel、Dronetech UAV等無(wú)人機(jī)企業(yè)合作，使用多旋翼套件改裝現(xiàn)有的固定翼無(wú)人機(jī)，成功開(kāi)發(fā)多款復(fù)合多旋翼飛行器。除了專業(yè)化無(wú)人機(jī)公司外，國(guó)外一些航空愛(ài)好者和小公司也成功試制出小型復(fù)合多旋翼飛行器。國(guó)內(nèi)的上海昊翔電能運(yùn)動(dòng)公司已經(jīng)成功申報(bào)“固定翼與多旋翼組合的復(fù)合飛行器”專利。成都縱橫自動(dòng)化有限公司于2015年也推出了他們的第一款復(fù)合翼飛行器CW20“大鵬”，成為國(guó)內(nèi)民用無(wú)人機(jī)行業(yè)第一款投入實(shí)際應(yīng)用的復(fù)合多旋翼飛行器。

復(fù)合多旋翼技術(shù)將多旋翼動(dòng)力系統(tǒng)和平飛推進(jìn)系統(tǒng)分開(kāi)，在起降階段使用多旋翼動(dòng)力系統(tǒng)，起飛后平飛推進(jìn)系統(tǒng)啟動(dòng)，隨著機(jī)翼升力逐漸提升，多旋翼動(dòng)力逐漸減弱，直到關(guān)閉。這種設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此受到大量小型民用企業(yè)的歡迎，然而多旋翼動(dòng)力系統(tǒng)和平飛動(dòng)力系統(tǒng)存在冗余，會(huì)造成大量廢重，減少續(xù)航時(shí)間與航程。

3 便攜式雙模無(wú)人機(jī)概念設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)需求

本文擬設(shè)計(jì)一種較為可行的便攜式雙模飛行無(wú)人機(jī)方案，該無(wú)人機(jī)應(yīng)可在飛行中自由切換固定翼模式與旋翼模式，在固定翼模式飛行時(shí)，具有較好的低速穩(wěn)定性和操縱性，旋翼飛行模式可以垂直起降以及懸停。同時(shí)，作為一型單兵便攜式偵察無(wú)人機(jī)，要求其折疊后具有較小的包絡(luò)，并盡可能減重以提升有效載荷、續(xù)航時(shí)間以及降低攜帶負(fù)擔(dān)。

3.2 任務(wù)規(guī)劃

由于雙模無(wú)人機(jī)具有多旋翼與固定翼兩種飛行方式，因此既可手?jǐn)S起飛，也可在地面垂直起飛。在空域較為開(kāi)闊的地區(qū)，可采用手?jǐn)S起飛增加續(xù)航時(shí)間，而如果在地形和空域較為復(fù)雜的地區(qū)，可采用垂直起飛以便對(duì)飛行進(jìn)行精確控制。

在飛行過(guò)程中，針對(duì)不同的任務(wù)需求，無(wú)人機(jī)可在多旋翼模式與固定翼模式之間切換，即可在目標(biāo)上空盤(pán)旋，也可進(jìn)行懸停。

任務(wù)結(jié)束返航后，可切換至多旋翼模式降落，對(duì)于著陸場(chǎng)要求較低。整個(gè)任務(wù)如圖4所示。

圖4 多旋翼模式與固定翼模式之間的轉(zhuǎn)換

3.3 氣動(dòng)布局

本文提出一種復(fù)合升力布局，將固定翼和多旋翼布局的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合。起飛降落及空中懸停作業(yè)時(shí)可采用多旋翼提供升力，轉(zhuǎn)換平飛模態(tài)時(shí)兩個(gè)前置旋翼向前傾轉(zhuǎn)，將垂直升力轉(zhuǎn)換為水平推力，由機(jī)翼提供升力。

基本布局為大展弦比梯形后掠機(jī)翼，雙尾撐，兩片相連的傾斜尾翼同時(shí)起到垂尾和平尾的作用，簡(jiǎn)化整機(jī)結(jié)構(gòu)，減少單兵攜帶中垂尾、平尾翼尖刮蹭的可能。

圖5 雙模無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局方案

機(jī)翼后掠一方面可以減少對(duì)于兩個(gè)前置螺旋槳在旋翼飛行模式時(shí)槳?dú)饬鞯淖钃?，另一方面可以提升整機(jī)的方向穩(wěn)定性和橫側(cè)穩(wěn)定性，減少傾斜尾翼設(shè)計(jì)造成的等效垂直尾翼面積減少的影響。兩個(gè)可伸縮尾撐桿向前伸出機(jī)翼，安裝兩套可傾轉(zhuǎn)電機(jī)和螺旋槳。另一套電機(jī)和螺旋槳安裝在機(jī)身后部。整機(jī)設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.4 動(dòng)力系統(tǒng)

為了盡可能減輕重量，該機(jī)在旋翼飛行狀態(tài)采用三旋翼動(dòng)力系統(tǒng)，為了保持槳葉總扭矩為零，在本設(shè)計(jì)中，兩個(gè)前置電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，尾部電機(jī)繞機(jī)身縱軸偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，在產(chǎn)生升力的同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向力，以抵消返扭，如圖6所示[5-7]。

圖6 三旋翼系統(tǒng)抵消反扭方式

同時(shí)，為了使旋翼模式與固定翼模式共用一套動(dòng)力系統(tǒng)，兩個(gè)前電機(jī)與螺旋槳可在傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下向前傾轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)從旋翼模式向固定翼模式的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后兩個(gè)前電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，后電機(jī)停轉(zhuǎn)，消除了槳葉反扭對(duì)于平飛的影響。旋翼傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖7所示，由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的搖臂使得機(jī)構(gòu)繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)90度，并且兩個(gè)狀態(tài)均接近搖臂死點(diǎn)，可減少舵機(jī)在不傾轉(zhuǎn)時(shí)的受力。

圖7 旋翼傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

3.5 系統(tǒng)折疊設(shè)計(jì)

為了便于單兵攜帶，需要對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行折疊設(shè)計(jì)，減少無(wú)人機(jī)折疊后的縱向、橫向長(zhǎng)度，本文對(duì)無(wú)人機(jī)的折疊設(shè)計(jì)包括機(jī)翼的折疊與電機(jī)撐桿、尾撐桿的折疊。

本文中機(jī)翼可以通過(guò)在機(jī)翼上表面的鉸鏈向上折起，減少運(yùn)輸攜帶過(guò)程中的翼展。機(jī)翼展開(kāi)后，通過(guò)在機(jī)翼梁上設(shè)置的閉鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鎖定進(jìn)行飛行。折疊機(jī)翼設(shè)計(jì)在微型無(wú)人機(jī)中大量采用，技術(shù)難度不高，在此不再贅述。

無(wú)人機(jī)左右兩側(cè)前后貫通的電機(jī)/尾翼?yè)螚U為可伸縮模式，機(jī)翼前的撐桿在儲(chǔ)存/運(yùn)輸狀態(tài)下可縮回機(jī)翼中，尾撐桿也可縮回機(jī)翼中(見(jiàn)圖8)，傾斜尾翼遮蔽后電機(jī)，減少機(jī)身長(zhǎng)度。儲(chǔ)存/運(yùn)輸狀態(tài)下的便攜式無(wú)人機(jī)如圖9所示。

圖8 電機(jī)/尾翼?yè)喂苷郫B示意圖

圖9 無(wú)人機(jī)折疊后效果圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款可折疊的雙模無(wú)人機(jī)，將固定翼無(wú)人機(jī)航程遠(yuǎn)、速度快的特點(diǎn)與多旋翼無(wú)人機(jī)可垂直起降，懸停的特點(diǎn)結(jié)合在一起，不同于常見(jiàn)的復(fù)合升力無(wú)人機(jī)。本文采用了傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)實(shí)現(xiàn)同一套動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)于多旋翼模式與固定翼模式的驅(qū)動(dòng)，大大減少了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量。折疊設(shè)計(jì)使得整個(gè)無(wú)人機(jī)小巧便于單兵攜帶，可以在班一級(jí)戰(zhàn)場(chǎng)偵察、警用監(jiān)控、災(zāi)情監(jiān)控和偵察等方面起到很大作用。但是本設(shè)計(jì)尚處在方案與概念設(shè)計(jì)階段，在傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、折疊機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)，傾轉(zhuǎn)過(guò)程的飛行力學(xué)性能等方面仍有大量工作需要完成。

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