無人機自力起飛方式研究

葉帥辰，姚曉先

（北京理工大學宇航學院，北京 100081）

0 引言

無人機的概念是美國在20世紀20年代提出的，世界上第一架無人機“Kettering Bug”由美國陸軍通訊部隊（Army Signal Corps）于1918年研制成功，最初無人機的作用較為單一，常被作為航空炸彈使用。在第二次世界大戰(zhàn)期間，無人機又被作為試射靶機。直到20世紀70年代，偵查無人機和通訊無人機的概念才被逐漸提出［1］。

經過數(shù)十年的發(fā)展，無人機已經成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中不可或缺的一部分，越來越多的國家開始將其投入戰(zhàn)場，利用無人機開展攻擊、偵查等作戰(zhàn)任務。除了軍用之外，無人機近幾年在民用領域，如運輸、災害預測及監(jiān)控、建筑物維護、地形測繪等，也得到了迅猛的發(fā)展［2］。

在無人機的實際應用中，起飛和著陸兩個階段尤為重要，特別是無人機起飛方式的選擇，因為它直接決定了無人機系統(tǒng)的機動性、重復使用性、環(huán)境條件適應性及使用成本［3］。無人機具有多種起飛方式，如手拋、彈射、火箭助推和潛射等，一般來講可按照無人機起飛升空時是否需要外部設備提供動力，將無人機的起飛方式分為自力起飛和他力起飛兩大部分。本文側重于介紹無人機的自力起飛方式。

自力起飛是指無人機在起飛時所需的動力由機上攜帶的設備提供，如發(fā)動機、旋翼或助推火箭等。對于外部供能設備的依賴性較小，大多情況只需外部設備提供支撐。自力起飛主要包括火箭助推發(fā)射，滑跑起飛和垂直起飛等幾種類型。

1 火箭助推發(fā)射（零長發(fā)射）

火箭助推發(fā)射是指將無人機放置在零程或短程導軌上，在1臺或多臺火箭發(fā)動機的推力作用下短時間內加速升空，當飛機起飛后拋掉助推火箭外殼，由無人機的自身主發(fā)動機（通常為渦噴發(fā)動機）產生的推進力完成后續(xù)的偵查或打擊任務。這種發(fā)射方式可以發(fā)射大、中型無人機（質量100 kg～500 kg）并且占地面積小，可以滿足戰(zhàn)場上的機動性、快速性需求。但由于其火控發(fā)射的特點，在發(fā)射時必然會產生大量火光及煙塵，容易對操縱人員產生傷害并暴露目標。另外，在每次發(fā)射時都會拋落1～2枚火箭推力器，使得制作成本大幅增加。此種發(fā)射方式較為成熟，多種型號的無人機都在采用。如德國/加拿大的CL-289型單助推火箭式無人機，英國的“小獵鷹”雙助推火箭式無人機，以色列的“哈比”型號無人機及和南非的“百靈鳥”反輻射無人機等。2010年，以色列在“哈比”無人機的基礎之上研發(fā)了新式自殺無人機“哈洛普”（如圖 1）［4］，其可攜帶 23 kg高爆破片戰(zhàn)斗部，巡航時間可達6 h之久，從圖中的發(fā)射過程可以看出，當飛機發(fā)射升空后兩側的助推火箭發(fā)動機外殼隨即脫落。

圖1 以色列“哈洛普”無人機

2 滑跑起飛

無人機的滑跑起飛方式與普通載人飛機類似。它是指將無人機安置在起落架（由于大部分情況下起飛后即將起落架拋棄，故又可稱為起飛車）上，利用無人機上主發(fā)動機產生的推力推動自身加速前進，當達到一定速度時即可起飛。為了減小飛行時的載荷并且綜合飛機降落位置環(huán)境不確定等因素，飛機起飛后即拋下起落架，降落方式再作考慮。只有少數(shù)超大型運載無人機才會帶起落架飛行。這種起飛方式的優(yōu)點是:可以起飛大型甚至超大型無人機，并且加速過程緩慢，飛機本身承受過載相對較小，可提高無人機的使用壽命，降低成本。但是其需要平整的跑道和良好的地面起飛環(huán)境，這會使得它的機動靈活性較差，不適合復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境。美國的“捕食者（Predator）”、“禿鷹”，以色列的“蒼鷺”，法國的“輕騎兵”，英國的“天眼”，巴西的BQM-1BR等型號的無人機都采用此種起飛方式。如圖2所示為美國部隊現(xiàn)役的“捕食者（Predator）”大型無人偵察機，其機身長8.13 m，翼展14.85 m，起飛負載可達到952 kg，這種飛機與普通的載人運輸機類似，起落架固定于機身底部，當飛機起飛后并不將起落架拋棄。

圖2 美國“捕食者”無人機

此外，為減小起飛時所需場地面積，也通常采用圓周跑道滑跑起飛。即將起飛車與一高強度長連桿固連，連桿另一端與固定于地面的基座通過軸承連接，使得連桿可繞基座軸線相對轉動。當將無人機置于起飛車上時，機上主發(fā)動機產生的推力推動起飛車沿以基座為圓心、連桿為半徑的圓做圓周運動。起飛車達到一定的滑行速度時，機翼產生的升力便可使無人機沿圓周切線方向起飛。

3 垂直起飛

垂直起飛是無人機眾多發(fā)射方式中比較特殊的一種，甚至可以作為無人機研究領域中一個獨立的分支。這是由于在其他無人機的發(fā)射方式設計過程中，并未考慮無人機的降落方式，而以垂直起飛方式發(fā)射的無人機絕大部分也以垂直方式降落。所以垂直起飛方式的無人機又可稱為“垂直起降飛行器”。

垂直起降飛行器（VTOL）的準確定義為:飛行器能以零初速度起飛或著陸，可以在空中懸停，并且具有類似固定翼飛機的水平飛行能力。這種垂直起降的方式具有初速度小、安全系數(shù)高、對起飛或著陸場地要求較低等特點，所以除軍用外，它還被大量地應用于運輸、通信等民用領域。目前，90%以上的民用無人機都采用這種起降方式［5-6］。但是，正是由于這種垂直起降的特點，其在起飛的初始段或降落的末段易受到氣流擾動的影響，進而出現(xiàn)翻機、摔機等現(xiàn)象，這就對其控制精度和氣動力的計算提出了很高的要求。目前，有大批國內外學者正在對相應的控制律進行研究［7-12］。

垂直起飛方式種類很多，但大體可以分為兩種:帶有旋翼的垂直起飛和固定翼垂直起飛。

3.1 帶有旋翼的垂直起飛

這種起飛方式是利用旋翼高速旋轉時產生的升力使無人機豎直向上加速升起。在民用領域中多數(shù)無人機為此種類型。這其中，根據翼片起到的作用不同又可大致分為4種類型:

1）單一旋翼式:這種無人機只有旋翼，而無固定翼，旋翼數(shù)量可以為一至多個。其飛行過程中的機動性較好，高度調整方便，但由于缺少固定翼，會使巡航能力降低。典型的有美國的“火力偵察兵（RQ-8A 和 MQ-8B（圖 3））”、俄羅斯的 ka-137無人機，以及近幾年研發(fā)的加拿大CL-227“哨兵”無人機和德國希摩斯（Seamos）無人機等。

圖3 美國“火力偵察兵”無人機

2）旋翼-固定翼復合式:該種無人機同時具有旋翼和固定翼及水平推力裝置，在單一旋翼式的基礎上大大提高了其水平巡航性能。典型代表為美國“龍勇士”無人機。

3）翼片轉換式:圖4為采用這種結構形式的美國波音 X-50A“蜻蜓（Dragonfly）”無人機，其典型特點是翼片較大，固定于飛機頂部，當旋轉時可作為旋翼提供升力，而將其鎖死后又可當作固定機翼以確保飛機進行有效的巡航。這種翼型由于其體積、質量較大，會導致轉動慣量大，效率降低，故在現(xiàn)役的無人機型號當中所見不多。

4）升力換向式:這種形式的無人機使用較多，可以使升力和推力相互轉換，其特點是在豎直上升階段，旋翼產生的力用作升力，而在達到一定高度后可通過偏轉機身的某些部位，使豎直方向的升力一部分轉化為水平方向的推力。按照偏轉部位不同又可分為:偏轉旋翼式（Tilt Rotor）、偏轉機翼式（Tilt Wing）、偏轉涵道式（Tilt Ducted Fan）、偏轉機身式（Tilt Body）和尾坐式（Tail Sitter）等。美國的“鷹眼”無人機（圖5）就是利用的偏轉旋翼式結構，這種無人機機長5.18 m，翼展4.6 m，最大起飛重量136 kg。采用中單翼布局，雙垂尾內傾，左右翼尖裝有可偏轉的旋翼來實現(xiàn)推力換向，兩副旋翼由布置在機身內的一臺渦輪軸發(fā)動機驅動。

圖4 美國波音公司的“X-50A蜻蜓”無人機

圖5 美國貝爾公司的“鷹眼”無人機

利用升力換向式起飛的無人機種類還有很多，如近期研發(fā)的以色列“美洲豹（RQ-20A）”偏轉旋翼無人機，英國“阿古斯塔AW609”無人機，美國貝爾和波音公司的“空中提包”尾坐式無人機等。近年來，美國阿古斯塔-韋斯特蘭公司開發(fā)了一種Project Zero偏轉旋翼-涵道風扇飛行器（下頁圖6），它在兩個機翼上嵌入一組大型三葉旋翼，并直接以電機驅動。同時兼具起飛（降落）和巡航兩種飛行模式，當其處于起飛（降落）飛行模式時，涵道風扇處于水平位置，可以提供垂直方向的升力，而處于巡航飛行模式時涵道偏轉至豎直位置，可以提供前進推力。這種新概念飛行器全程僅以電力驅動，不需要其他任何發(fā)射裝置，整體性強，操縱簡單，為未來旋翼垂直起飛無人機提供了研究思路［13］。

圖6 Project Zero偏轉旋翼-涵道風扇飛行器

3.2 固定翼垂直起飛

帶有固定翼的垂直起飛無人機是固定翼飛機中比較特殊的一類，其按照起飛時無人機的擺放方式又可分為兩種。一種是在無人機起飛時，機身豎立，以垂直姿態(tài)放置于發(fā)射場上，由尾座支撐。典型的如以涵道式風扇發(fā)動機為動力源垂直起飛的美國“金眼”無人機和保留起落架、兼具滑跑起飛和垂直起飛能力的美國“XBQM-108A”無人機（圖7）。

圖7 美國“XBQM-108A”無人機

另外一種是無人機在起飛時水平放置，其機身下方裝有渦噴發(fā)動機，借助推力矢量技術，在發(fā)動機的推力作用下實施起飛或降落。美國的OVA型、754型無人機，英國的“狼蛛-鷹Tarantula-Hawk”無人機及俄羅斯近些年研制的無風-3隱身無人機都屬于此類。

4 基于作戰(zhàn)平臺的無人機自力起飛

除前文所述的無人機陸基自力起飛方式外，無人機還可搭載于某些作戰(zhàn)平臺上進行自力起飛，如航空母艦、運輸機、潛艇等。

4.1 無人機的空基自力起飛

無人機的空基起飛是指通過載機攜帶無人機升空，再釋放無人機的起飛方式。這其中能夠實現(xiàn)無人機自力起飛的主要有掛載式和背負式兩類。

掛載式是將無人機掛在載機的機翼下方，當載機達到一定飛行高度后自由投放無人機，之后無人機上的助推火箭點火，為無人機提供快速前進的動力。這種無人機的結構與前文介紹的火箭助推發(fā)射類似，都會產生大量的火光及煙塵，并且需要拋落助推火箭外殼。

背負式是將帶有水平巡航翼片的無人機以一定仰角固定于載機機身上方，當載機以一定速度向前飛行時，無人機機翼產生的升力可自動將其與載機分離。這種起飛方式的優(yōu)點是，無人機機身上不需要攜帶動力設備，可以使無人機的有效載荷重量最大化。但同時也會導致其缺乏機動性，可控性較差。

4.2 無人機的?；粤ζ痫w

無人機的海基發(fā)射包括基于水面作戰(zhàn)平臺的艦載發(fā)射和基于深水作戰(zhàn)平臺的潛射。

基于水面作戰(zhàn)平臺的艦載發(fā)射可以選擇多種自力起飛方式，如火箭助推發(fā)射，滑跑起飛和垂直起降等。這是由于水上艦船具有寬大平整的甲板，能夠提供類似于陸基發(fā)射的良好起飛環(huán)境。但由于艦船的體積有所差別，可選擇的自力起飛方式也會受到一些局限，如帶有長直跑道的航母作戰(zhàn)平臺上多采用無人機的滑跑起飛，而中小型艦艇上多采用垂直起降或火箭助推發(fā)射等起飛方式，以節(jié)約作戰(zhàn)空間。

無人機的潛射是一項比較特殊的發(fā)射技術，其涉及到水彈道技術、輕型抗壓材料技術，電子元器件密封及防水技術等許多方面。并且潛射是一種自力與他力相結合的發(fā)射方式，他力環(huán)節(jié)表現(xiàn)為:裝載無人機的密封運載器通過潛艇上自帶的魚雷發(fā)射管或導彈發(fā)射管發(fā)射離艇；而自力環(huán)節(jié)表現(xiàn)為:密封運載器上浮至水面后，無人機通過機身上攜帶的小型噴氣發(fā)動機或旋翼提供的升力升空，實現(xiàn)后續(xù)作戰(zhàn)任務。典型代表為美國“探索者”潛射無人機，其運載器通過553 mm魚雷發(fā)射管發(fā)射離艦，上浮至水面后無人機通過垂直起飛方式升空。

5 無人機自力起飛技術國內外研究現(xiàn)狀

目前，許多國內外學者對無人機自力起飛技術進行了大量的研發(fā)及分析。其中包括機械結構設計及仿真、動力學特性分析、控制律設計等多個方面。

2014年，烏克蘭軍隊科學研究院的Valeriy Silkov［14］對滑坡滑跑起飛的無人機起飛段進行了動力學特性分析及優(yōu)化，以使得其具有最大的能源利用效率。2015年，西北工業(yè)大學的吳成富等［15］將模糊控制策略引入無人機的滑跑起飛段中，并設計了相應的控制律。

2016年，南京理工大學的張俊等［16］借助ANSYS有限元分析軟件對一種于滑軌上起飛的火箭助推發(fā)射無人機進行了動力學仿真分析，得到了其在整個起飛過程中的應力分布及各節(jié)點的速度、加速度變化曲線。南京航空航天大學的夏曼［17］設計了一種帶有螺旋槳的無人機火箭助推發(fā)射裝置，并利用PID方法對其模型的控制律進行了設計。

2017年，中國民航大學的陳昱瑋等［18］設計了一種便攜式零長發(fā)射小型無人機發(fā)射系統(tǒng)。南京航空航天大學的王程坤等［19］建立了帶起落架無人機的地面滑跑模型，并對其進行了動力學建模與仿真分析。Yucel Orkut Aktas等［20］設計了一臺翼身融合式固定翼垂直起降飛行器原理樣機，并進行了結構仿真及飛行測試［21-22］。

6 無人機自力起飛技術對比分析及技術展望

無人機自力起飛技術對比如表1所示。

表1 無人機自力起飛技術對比

就現(xiàn)存的無人機自力起飛方式而言，火箭助推發(fā)射及滑跑起飛技術已經較為成熟，世界各國的關注焦點轉向了無人機的垂直發(fā)射領域。而在這其中，升力換向式飛行器可以作為未來的主要發(fā)展趨勢，這是由于它繼承了固定翼飛行器和旋翼飛行器的優(yōu)點，既具有良好的巡航能力，也可在空中長時間懸停。在相同條件下應用領域更加廣泛［23］。

在開發(fā)新式自力起飛方式的基礎上，還應對已有的起飛方式進行專有技術上的優(yōu)化研究。目前，應用于火箭助推發(fā)射的多級助推火箭時序脈沖點火控制技術，針對垂直起降飛行器的發(fā)動機推力矢量控制技術和電驅動升力換向技術等都得到了較好的發(fā)展。另外，為實現(xiàn)多架無人機的同時發(fā)射，還需應用采取“邏輯與”控制通道設計和冷/熱啟動控制的無人機高可靠性集群發(fā)射控制等技術。近年來，許多智能技術被整合到了無人機發(fā)射領域中，如在無人機起飛過程中加入基于大數(shù)據平臺的故障檢測及判斷環(huán)節(jié)，或是將傳統(tǒng)的旋翼無人機PID控制技術替換為以人工神經網絡、遺傳算法、粒子群算法等智能算法為基礎的新型控制策略，這大大提高了無人機起飛過程中的穩(wěn)定性和執(zhí)行作戰(zhàn)任務時的可靠性。

總之，無人機起飛技術必定會向著成本低、集成度高、機動性好、使用壽命長、具有可執(zhí)行多種復雜作戰(zhàn)任務能力的方向發(fā)展。

7 結論

無人機的自力起飛技術涉及到多個學科及研究領域，是一項復雜的綜合性技術。在未來戰(zhàn)爭中無人機要求機動性好、生存能力強、成本低，因而對其發(fā)射也提出了高可靠性、高集成度等要求。本文介紹了目前主流的無人機自力起飛方式、國內外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢，以供參考。