無人機他力發(fā)射技術(shù)綜述

葉帥辰　姚曉先

自美國陸軍通信部隊于1918年設計并研發(fā)出第一架無人機至今,它已逐漸成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中不可或缺的一部分[1],越來越多的國家將無人機投入戰(zhàn)場,用于開展攻擊、偵察甚至援救等作戰(zhàn)任務.除此之外,在近幾十年中,隨著圖像處理和通訊技術(shù)的快速發(fā)展,無人機在民用領(lǐng)域的應用也愈加廣泛,可用于運輸,通訊或救災等場合.

在無人機執(zhí)行任務的過程中,起飛和著陸兩個階段尤為關(guān)鍵,特別是無人機發(fā)射方式的選擇,因為它直接決定了無人機是否能夠平穩(wěn)起飛直至升空.無人機具有多種發(fā)射方式,如手拋、彈射、火箭助推和空中投放等,一般來講可按照無人機發(fā)射裝置主體部分所在地點分為:空基發(fā)射、陸基發(fā)射和海基發(fā)射[2].也可按照無人機起飛時是否需要外部設備提供動力分為自力發(fā)射和他力發(fā)射兩大部分.通常,無人機的自力發(fā)射需要在無人機上安放小型供能設備以保證自主起飛,但這樣會大大增加起飛過載,在軍事領(lǐng)域應用較少.本文主要側(cè)重于介紹由外界設備提供能量的他力發(fā)射,這種發(fā)射方式主要有手動拋射、彈射起飛、母機/彈投放和艦載潛射等幾種形式.

1　手動拋射

無人機的手動拋射是最為簡單的一種發(fā)射方式,其操縱方式為由1～2人將無人機手動拋出,靠無人機的自身小型動力裝置推動其飛行.這種發(fā)射方式的優(yōu)勢是操縱簡單,不受發(fā)射位置及環(huán)境因素的限制,但其只能用于最大尺寸小于3m、最大質(zhì)量小于十幾公斤的小型、微型無人機.如美國的短毛獵犬(FQM-151A)、大烏鴉(RQ-11)、龍眼(I-SURSS)無人機,英國的MSV-10、BIT-1IMP無人機,中國的CH-802小型無人機等.圖1所示為美國的龍眼(I-SURSS)無人機,其翼展約1.1m,總重2.3kg,被拋出后通過無人機自帶的鋅空氣電池驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推進力使飛機前進,是現(xiàn)役的最小型偵察無人機.

2　彈射起飛

無人機的彈射起飛方式是將其他形式能轉(zhuǎn)化為飛機起飛所需的機械動能,其飛機本身不帶有高能量密度的動力源,這樣會使得執(zhí)行同樣任務、攜帶同樣載荷的情況下無人機的質(zhì)量較輕,有助于降低成本.一般情況下,彈射起飛方式是將飛機放置于一個或多個并列的長直滑軌上,通過牽引設備拖動飛機在滑軌上平穩(wěn)加速,直至安全起飛.這種起飛方式的優(yōu)點是滑軌作為導向機構(gòu),可以通過調(diào)整滑軌的位置和姿態(tài)來直接確定飛機起飛時的方向及俯仰角,調(diào)整較為靈活,不需要多余的控制設備.但其由于滑軌剛度及額定負載有限,發(fā)射質(zhì)量不宜過大,一般情況下只能用于發(fā)射質(zhì)量小于500kg的中、小型無人機.

圖1　美國“龍眼”無人機

彈射起飛方式按照動力源的不同可以分為彈性元件彈射、氣/液壓彈射、電磁彈射及燃氣彈射等彈射方式.

2.1　彈性元件彈射

彈性元件彈射是指利用彈性系數(shù)較大的彈性元件(如橡皮筋、彈簧等),在拉伸或壓縮時儲存的彈性勢能轉(zhuǎn)化為飛機飛行時所需的動能的一種發(fā)射方式.其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,操縱方便,不需要電力、火藥等消耗性能源.但只能發(fā)射十幾千克量級的小型無人機,并且由于彈性元件的彈性極限和壽命的限制,無法將飛行器加到很高的速度,使用次數(shù)不宜太多.英國的“女妖”,法國的“瑪爾特”,俄羅斯的“超光速粒子”以及法國泰雷茲集團的新型“Fumlar”無人機都可采用這種發(fā)射方式.圖2所示為“Fumlar”無人機的發(fā)射裝置,從圖中可以明顯地看出其操縱較為簡單：初始時將無人機拉至滑軌底部,將滑車鎖死,兩側(cè)橡皮筋處于拉伸狀態(tài),發(fā)射時解鎖滑車,利用橡皮筋的拉力拉動無人機,使其加速滑行直至起飛.發(fā)射完成后,手動拉橡皮筋及滑車至初始位置,裝載第2架無人機,以備下次發(fā)射.

2.2　氣/液壓彈射

氣/液壓彈射是一種以氣/液壓作為無人機彈射起飛的動力源的一種發(fā)射方式,它通常由氣/液源、帶緩沖氣缸(液壓缸)、滑輪增程裝置、滑軌、氣/液控制閥、管路等幾部分組成.通過對氣(液)路及增程裝置進行設計可以達到自動發(fā)射、減速、停止及回程的目的,實現(xiàn)無人機的自動連續(xù)發(fā)射.這種發(fā)射方式的各項性能適中,與滑跑起飛方式相比,無需專用跑道,靈活性較好,可以搭載在機動車輛或艦船上；與火箭助推方式相比,它沒有火控系統(tǒng),使用、存儲較為安全.但其由于使用消耗性的氣(液)源,故在不能得到及時補充的情況下無法進行長期的連續(xù)發(fā)射.

圖2　“Fumlar”無人機的發(fā)射裝置

就此項發(fā)射技術(shù)而言,由于國外起步較早,并且氣壓、液壓傳動部件等基礎設備較為完善,所以已經(jīng)有了許多知名的無人機型號采用此種發(fā)射方式.如美國的“掃描鷹”、“影子”無人機、英國的“不死鳥”無人機和瑞士的“巡邏兵”無人機等.

圖3所示為“掃描鷹”無人機的發(fā)射裝置實物圖,圖4展示了掃描鷹在起飛時的發(fā)射原理.

圖3　“掃描鷹”無人機的發(fā)射裝置實物圖

從圖4中可以清楚地看出其發(fā)射過程:當滑車在滑軌后端部時,將待發(fā)射的無人機置于滑車上并固定.發(fā)出發(fā)射指令后氣缸前腔體充氣,活塞桿拉動繩索,進而使楔形塊在豎直方向上快速向下運動,右端的動滑輪—繩索增程裝置也隨之運動,放出相應長度的繩索.這時由于楔形塊與滑軌間距離增大,不得不迫使攜帶著無人機的滑車沿楔形塊的輪廓線向前端加速滑動,當其速度達到一定值時釋放無人機.之后,楔形塊的前端輪廓線形狀會使快速運動的滑車剎車,避免滑車與前端擋板的碰撞.進行完一次發(fā)射后可以將氣缸與大氣連通,并拉回滑車,即可準備第2次發(fā)射.

圖4　“掃描鷹”無人機發(fā)射原理

2.3　電磁彈射

無人機的電磁彈射是近些年才提出的一種較為新穎的發(fā)射技術(shù),其基本原理與直線電機類似:將磁極布置成長直軌道的形式,無人機本身或某一部分作為電樞,利用其受到的電磁力來推動無人機加速前進直至發(fā)射[3].圖5所示為電磁發(fā)射的原理示意圖,假設兩根導軌上的電流都為I,空氣磁導率為μ0,則可由畢奧薩法爾定律求得無人機所處位置的近似磁場強度大小為:

其中,L為兩導軌間距.無人機所受的磁場力大小為:

所以,在無人機起飛質(zhì)量一定時,導軌通過的電流越大、導軌越長,起飛速度越大.

圖5　電磁彈射原理圖

與帶有火箭發(fā)動機的火控發(fā)射方式相比,此種發(fā)射方式具有發(fā)射負載小、成本較低、隱蔽性好、便于存儲和運輸?shù)葍?yōu)點.而與由儲氣/液瓶儲能、閥門控制并帶有復雜管路設備的氣/液發(fā)射方式相比,此種發(fā)射方式直接由開關(guān)控制,快速性較好、控制效率及控制的準確性較高.但由于目前電磁軌道炮領(lǐng)域的高功率脈沖電源技術(shù)、脈沖直線電機技術(shù)、網(wǎng)絡控制技術(shù)、抗燒蝕技術(shù)等發(fā)展不是特別完善,只可以將幾十至幾百克量級的彈丸加速到幾千米每秒的速度[4],這就會對大型無人機的起飛速度極限有了很大的限制.目前,電磁發(fā)射技術(shù)較多用于帶有長直導軌的大型艦載發(fā)射平臺上.圖6所示為美國“全球鷹”無人機的航母電磁發(fā)射平臺.

圖6　“全球鷹”無人機的航母電磁發(fā)射平臺

雖然目前只有英國的“不死鳥”、美國的“全球鷹”和以色列的“赫爾墨斯(Hermes)”系列無人機應用了電磁發(fā)射技術(shù).但是在可以預見的將來,隨著電磁軌道炮中的關(guān)鍵技術(shù)日趨成熟,無人機的電磁彈射技術(shù)必將成為無人機發(fā)射技術(shù)中應用最為廣泛的一種,并將有力促進艦載無人機等其他武器裝配領(lǐng)域的發(fā)展.

2.4　燃氣彈射

燃氣彈射無人機又稱為炮射無人機、其發(fā)射手段與火箭助推發(fā)射較為類似:都是通過火藥燃燒產(chǎn)生的推力使無人機加速發(fā)射.但不同點在于,燃氣彈射無人機上不直接帶有火箭助推發(fā)動機,而是將無人機整體置于發(fā)射榴彈炮或火箭炮的炮管內(nèi),當火炮點火后,火藥燃燒產(chǎn)生的大量高溫高壓氣體推動機身在炮膛內(nèi)加速運動,最終像普通彈丸一樣完成發(fā)射.圖7為我國近年研制的“天眼”炮射無人機的發(fā)射及作戰(zhàn)流程.

圖7　“天眼”炮射無人機工作流程

從圖7中可以看出,無人機是裝載在一定尺寸的彈丸內(nèi)部進行發(fā)射的,當彈丸達到彈道頂點后,后端降落傘張開,使彈丸減速.達到巡航或偵查所需速度后,彈殼脫落,機上旋翼或固定翼展開,開始后續(xù)作戰(zhàn)任務.

這種發(fā)射方式的優(yōu)點是,目前炮彈發(fā)射技術(shù)較為成熟,直接將無人機裝入已有型號的彈體內(nèi)部,便可進行多次、大批量發(fā)射,省去了不同型號的無人機配套發(fā)射裝置的設計及制作過程.但缺點是需要在某特定時段脫掉彈殼,并在空中執(zhí)行翼面展開工作,這就對控制系統(tǒng)的設計提出了很高的要求.另外,其本質(zhì)上為一種火藥助推發(fā)射方式,在發(fā)射時不可避免地會產(chǎn)生火光、噪聲等不安全因素.

目前,此類發(fā)射方式尚處于研制階段,只有美國、俄羅斯和中國等幾個國家有所涉及,且我國在該領(lǐng)域已經(jīng)達到世界領(lǐng)先水平.除前文所述的“天眼”外,還有國產(chǎn)偵察無人機“ASN-206”、小型可折疊式“T90-11”無人機,美國的“云雀”無人機,德國的“DAR”無人機等采用這種發(fā)射方式.

3　母機/彈投放

將無人機裝載在其他飛行器,如:常規(guī)運輸機、航空炸彈布撒器甚至更大型的無人機等母機上.運載體先以正常起飛方式起飛,當其達到一定的飛行高度和速度后,打開艙門或松開懸掛機構(gòu),空中投放無人機.圖8所示為一種利用運輸機空投無人機的流程圖.

圖8　空投無人機流程

其基本實現(xiàn)方式是將多個裝有無人機的集裝箱裝載在運輸機艙內(nèi),當飛到預定位置時打開后艙門,投出集裝箱.之后打開箱體自帶的降落傘等氣動力阻尼設備,調(diào)整箱體姿態(tài),待其平穩(wěn)后箱門打開,無人機自動滑出,即可實現(xiàn)無人機的空中投放.

這種利用機載的空中投放方式不需要無人機自身攜帶任何起飛助推設備,可大大降低其有效起飛載荷.并且由于母機的飛行速度較快、高度較高,非常有利于無人機突破常規(guī)的地面防御系統(tǒng).但是,大型運輸機等母機的起飛條件較為復雜,需要大型跑道和地面保障等設備,所以這種發(fā)射方式單次發(fā)射成本較高,常用來實現(xiàn)大批量無人機的散布投放.

除此之外,還可以將無人機直接掛載于導彈、火箭彈、航空炸彈等母彈上進行投放,其基本原理與母機投放類似.

由于母機/彈投放對無人機的類型及型號沒有任何特殊限制,故大多數(shù)無人機除使用自身配套的發(fā)射方式外,都可使用母機/彈投放.比較常見的采用母機投放的飛行器有:意大利的“米拉奇100”可由Agusta A109直升機空中發(fā)射,美國的AQM-37無人靶機可以從A-4、A-6等飛機上發(fā)射,以色列的“迪萊勒”無人機可由F-4飛機攜帶投射以及最近研發(fā)的美國QF-16無人靶機和中國的“彩虹805”無人靶機等.

4　潛射無人機

潛射是指用潛艇在水下向海平面發(fā)射無人機,這種發(fā)射理念是美國在20世紀90年代提出的.由于海水具有較強的隱蔽性,潛艇在水下觀察和通信能力會受到極大的限制,對海平面的情況無法做到全面掌握.而近年來潛艇武器裝備的高速發(fā)展又對潛艇的信息獲取能力提出了更高的要求,所以利用潛射偵察無人機來獲取海平面通訊信息的技術(shù)應運而生[5].目前潛射無人機主要分為兩種發(fā)射方式:干發(fā)射和濕發(fā)射.

4.1　干發(fā)射

干發(fā)射是指將無人機折疊后放入密封囊中,與燃氣彈射技術(shù)類似,密封囊可直接由潛艇自帶的魚雷發(fā)射管等裝置發(fā)射.之后利用浮力或密封囊自身的動力系統(tǒng)將其送至水面,密封囊打開,無人機可采取自力或他力彈射方式起飛.

美國的 “海上搜索者”、“海上哨兵”和德國EMT公司的“Aladin”無人機都采用這種發(fā)射方式.由于干發(fā)射的無人機在整個水下航行過程中都處于干燥密封狀態(tài),不需要考慮機上電子設備的防水問題和機身外形造成的復雜流體力學計算問題,并且魚雷發(fā)射管的發(fā)射技術(shù)也較為成熟,所以潛射無人機大多采用干式發(fā)射.

4.2　濕發(fā)射

濕發(fā)射沒有裝載無人機的密封囊,而是將無人機折疊后直接裝入彈道導彈的發(fā)射筒內(nèi)發(fā)射至海平面上.美國2007年研制的“鸕鶿”無人機、“彈簧刀”無人機和2013年研發(fā)的XFC無人機[6]采用這種發(fā)射方式.“鸕鶿”無人機質(zhì)量4100kg、全長5.8m、翼展4.9m,由三叉戟彈道導彈發(fā)射筒發(fā)射,其到達海平面后可由自帶的兩個一次性火箭助推器發(fā)射升空,并通過渦輪風扇發(fā)動機實現(xiàn)空中巡航飛行.

水下潛射無人機需要眾多學科的技術(shù)支持.迄今為止,還有水彈道技術(shù)、輕型抗壓材料技術(shù)、電子元器件密封及防水技術(shù)等多項技術(shù)尚未成熟,所以無人機的水下潛射發(fā)射方式還有待進一步完善.

5　無人機他力發(fā)射技術(shù)對比分析及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

各種無人機他力發(fā)射技術(shù)對比如表1所示.

目前,許多國內(nèi)外學者對無人機他力發(fā)射進行了大量的研發(fā)及分析.其中包括發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)設計及實驗、控制律設計、起飛時動力學特性仿真分析等多個方面.

5.1　手動拋射

由于小型無人機手動拋射的原理較為簡單,故目前大多數(shù)研究集中于無人機的本體設計,如:無人機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、起飛時動力學特性的分析及無人機自身所攜帶能源供能特性的研究等方面.科羅拉多州立大學的N.Wagner[7]等試圖通過建立結(jié)構(gòu)設計矩陣的方式來尋找手拋式無人機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的方法,并設計了一臺電動可折疊手拋無人機進行了飛行試驗.在此基礎上西北工業(yè)大學的王剛等,對這種手擲小型無人機進行了結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化,將反彎度翼型改為正彎度翼型,使得在同樣電池容量時飛行航程提高了24%[8].張琳對某小型電動手拋式無人機建立了MATLAB/Simulink仿真平臺[9],得到了無人機可安全發(fā)射的初始條件,這對于手拋式無人機能否順利起飛有很大的參考價值.

5.2　彈性元件彈射

彈性元件彈射只可用于小型或微小型無人機的發(fā)射,使用范圍有限,故國內(nèi)外相關(guān)研發(fā)工作較少.北京工商大學的陳天華等設計了一臺可提供800N彈射力的4軌道彈射架,總長2m,可發(fā)射5kg以下量級的無人機[10].臺灣明道大學的Shyu等利用一臺橡皮筋彈射設備進行小型無人機的發(fā)射試驗,此發(fā)射裝置總重為30kg,加速行程3m,可將7kg的小型無人機在0.7s內(nèi)以20m/s的速度彈出[11],這種短時間內(nèi)加速并以高速度起飛的發(fā)射特性有助于提高戰(zhàn)場上的小范圍偵察作戰(zhàn)效率.

表1　無人機他力發(fā)射技術(shù)對比

5.3　氣/液壓彈射

目前,氣/液壓彈射是中小型偵察無人機的主流發(fā)射方式,相關(guān)的研究較多[12?19],主要集中于彈射系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計、起飛時動力學特性分析以及多閥門控制律設計等.鄭州大學的馬勝鋼課題組[12?14,16?19]對此發(fā)射方式所做的研發(fā)較為全面,其分別設計了一套帶有緩沖系統(tǒng)[12]的液壓發(fā)射裝置[13]和一套氣壓發(fā)射裝置[14],并對各種主要原件結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)射性能的影響做了詳細的對比分析,這對于后續(xù)其他類似系統(tǒng)的研發(fā)與改進具有理論指導意義.另外,南京航空航天大學的李悅等對氣/液壓彈射系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵子系統(tǒng)做了詳細的介紹及討論[15],提高了無人機氣/液壓彈射技術(shù)的通用性,也可為其他相關(guān)研發(fā)人員提供工程上的參考.

5.4　電磁彈射

包括無人機的電磁彈射在內(nèi)的所有電磁彈射技術(shù)都帶有前文所述的一些技術(shù)難題,西北機電工程研究所的蘇子舟等[20?21]對相關(guān)問題進行了一一列舉及分析,并分別給出了赫爾墨斯450無人機[20]和英國不死鳥無人機[21]的電磁彈射數(shù)據(jù),具有一定的參考價值.由于電磁彈射是一種較為新穎的發(fā)射技術(shù),國內(nèi)發(fā)展較為落后,大多文獻都局限于仿真分析[22]及可行性驗證[23]等方面.與國內(nèi)相比,國外已有對整套小型電磁彈射系統(tǒng)研發(fā)的相關(guān)文獻,南洋理工大學的Bahadir Kocer等設計了一套可將500g的微型無人機在200ms內(nèi)加速到8.5m/s的電磁彈射裝置[24].

5.5　潛射

無人機的潛射技術(shù)是潛艇技術(shù)的一個組成部分,國內(nèi)外很少有相關(guān)公開文獻討論其本身的結(jié)構(gòu)和工作方式,大部分研究是對其飛行彈道特性[25]及出水特性[26]進行理論層次上的仿真分析.

6　無人機他力發(fā)射技術(shù)的發(fā)展趨勢

大量專利及文獻表明[27]自20世紀70年代至今,世界上共誕生無人機發(fā)射技術(shù)相關(guān)專利369件,其分類餅狀圖如圖9所示.從圖中可以看出,他力發(fā)射方式中的彈射起飛技術(shù)專利占有一半以上的比例.這是因為彈射起飛方式具有起飛過載小,安全性好,占地面積較小并且能滿足戰(zhàn)場上的機動靈活性的需要等特點,從而受到各個國家的重視,目前彈射起飛仍是中小型無人機發(fā)射的主要方式.

圖9　無人機發(fā)射技術(shù)專利餅狀圖

目前我國在無人機的彈射技術(shù)領(lǐng)域與國外的差距在于,對高速彈射系統(tǒng)的控制能力較差,氣液壓彈射系統(tǒng)的蓄能能力較差,因而無法達到很高的彈射效率.這是因為我國在氣液壓傳動部件的精確制造領(lǐng)域較為落后,大多需要依靠進口.因此,我國應針對與美國等世界發(fā)達國家的差距,進行大力改進.與此同時,以美國為代表的世界發(fā)達國家正致力于利用電磁彈射技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的彈射技術(shù),其在新一代航空母艦上安裝大功率電磁彈射軌道的構(gòu)想已經(jīng)進入實驗驗證階段,但也由于高功率脈沖電源技術(shù)、脈沖直線電機技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問題未能得到很好的解決,使得公開的相關(guān)專利信息較少.但可以肯定的是,電磁彈射技術(shù)在未來幾年將得到迅猛的發(fā)展.

總之,無人機他力發(fā)射技術(shù)必定會向著降低成本、增強機動性、提高發(fā)射系統(tǒng)的使用壽命和戰(zhàn)場隱蔽性等方向發(fā)展.

7　無人機發(fā)射裝置的選用原則

無論是軍用領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域,無人機平穩(wěn)安全地起飛是整個飛行階段的關(guān)鍵,因此,無人機發(fā)射裝置的選擇顯得尤為重要.在選用發(fā)射裝置時應著重考慮下述問題:

1)無人機的類型.大、中、小型無人機可選擇的起飛方式有所不同:大型或超大型無人機只可采用滑跑起飛或母機投放的方式起飛；中型無人機的選擇余地較多,可采用不同的彈射方式；而小型或微小型無人機一般選擇手拋式或彈性元件彈射.

2)起飛過載.有些執(zhí)行偵察任務的無人機機身上通常會攜帶昂貴的精密電子設備,如用燃氣彈射會產(chǎn)生很大的起飛過載,極易損壞機上設備.對于這種情況,應考慮滑跑起飛或帶有長滑軌的彈射起飛等較為平緩的方式.

3)成本.任何產(chǎn)品都要考慮使用成本問題.眾多無人機發(fā)射裝置中,電磁彈射起飛通常成本較高,選用時應慎重考慮.

4)使用環(huán)境.在戰(zhàn)斗中,通常希望無人機的起飛具有良好的隱蔽性和機動性,以適應復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境.除需要空中投放以便突防的情況外,氣/液彈射裝置較為適合在戰(zhàn)場使用.

除此之外,還應綜合無人機的起飛質(zhì)量、裝置的安全性、高效性等多種因素來對發(fā)射裝置進行選擇.

8　結(jié)論

無人機的他力發(fā)射技術(shù)涉及機械、電子、自動控制、空氣動力學、材料等多個領(lǐng)域,主要研究內(nèi)容包括機械結(jié)構(gòu)的總體設計、控制系統(tǒng)的設計、空氣動力學計算、信息(無人機的位置和速度)測量等,是一項較為復雜的系統(tǒng)性工程.本文介紹了目前主流的他力式無人機發(fā)射方式、國內(nèi)外最新研究進展、發(fā)展趨勢及發(fā)射裝置的選用原則,以供參考.

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