系留多旋翼無(wú)人機(jī)及其軍事應(yīng)用

張帥 張?chǎng)? 李志華

摘要：為解決多旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)留空的問(wèn)題，可以通過(guò)系留綜合纜繩將多旋翼無(wú)人機(jī)和地面站組合起來(lái)，構(gòu)成一種新型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)——系留多旋翼無(wú)人機(jī)。本文梳理了多旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷程，采取對(duì)比分析的方法總結(jié)了系留多旋翼無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)組成和應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)術(shù)通信保障、軍事偵察監(jiān)控、電子干擾與防護(hù)3個(gè)方面的軍事應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：系留多旋翼無(wú)人機(jī)；發(fā)展歷程；組成；特點(diǎn)；軍事應(yīng)用

引言

當(dāng)前，軍用無(wú)人機(jī)的種類(lèi)也越來(lái)越多，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，成為不可替代的“戰(zhàn)場(chǎng)新寵”。系留多旋翼無(wú)人機(jī)是一種新型的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，它解決了普通多旋翼無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間較短的問(wèn)題，能夠廣泛應(yīng)用于應(yīng)急救災(zāi)、電磁監(jiān)控等民用領(lǐng)域，同時(shí)也可以在軍事領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

1多旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷程

多旋翼無(wú)人機(jī)的英文為Multirotor unmanned aerial vehicle，縮寫(xiě)為MUA，也稱(chēng)為多旋翼無(wú)人直升機(jī)，是一種沒(méi)有搭載駕駛?cè)藛T的旋翼飛行器，具有垂直起降、空中懸停、低空飛行和原地回轉(zhuǎn)等獨(dú)特飛行技能，在民用和軍用市場(chǎng)上都大有用武之地[ 1 ]。相對(duì)于固定翼飛行器來(lái)說(shuō)，多旋翼飛行器的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)比較漫長(zhǎng)的過(guò)程。

1.1 探索階段：20世紀(jì)90年代初之前

在1903年萊特兄弟發(fā)明固定翼飛機(jī)后，人類(lèi)就開(kāi)始了對(duì)多旋翼飛行器的探索。真正意義上的第一架多旋翼飛行器來(lái)自于法國(guó)的Breguet兄弟，他們?cè)?1907年設(shè)計(jì)了一個(gè)4旋翼飛行器原型，進(jìn)行了旋翼式直升機(jī)的飛行試驗(yàn)[ 2 ]。而后在1921年，美國(guó)人Dr.George de Bothezat建造了一個(gè)可載3人的大型4旋翼飛行器，實(shí)現(xiàn)飛行距離5米、留空時(shí)間2分45秒[3]。1956年，M.K.Adman設(shè)計(jì)出一架4旋翼飛行器并試飛成功，然而由于這種飛行器在速度、載重量、續(xù)航等方面無(wú)法與傳統(tǒng)單旋翼直升機(jī)競(jìng)爭(zhēng)，這項(xiàng)研究工作再?zèng)]有繼續(xù)推進(jìn)下去。在這一時(shí)期，多旋翼飛行器研發(fā)面臨的主要問(wèn)題是自動(dòng)控制等相關(guān)技術(shù)的不成熟，導(dǎo)致多旋翼飛行器難以實(shí)現(xiàn)預(yù)想功能，加上基于單旋翼的帶尾漿式直升機(jī)技術(shù)不斷完善，使得多旋翼飛行器的研究慢慢被冷落。

1.2 起步階段：20世紀(jì)90年代至2010年

20世紀(jì)90年代后，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、多旋翼動(dòng)力、自動(dòng)控制、非線(xiàn)性控制算法、傳感器、陀螺、鋰電池等技術(shù)的高速發(fā)展，為多旋翼飛行器奠定了技術(shù)和硬件基礎(chǔ)。在2005年，穩(wěn)定可靠的多旋翼無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制器研制成功，使得越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)投入到多旋翼無(wú)人機(jī)研發(fā)中。其中，德國(guó)Microdrones GmbH公司在2006年推出md4-200 4旋翼無(wú)人機(jī)，美國(guó)Spectrolutions公司也于同年推出了搭載穩(wěn)定航拍視頻系統(tǒng)的4旋翼無(wú)人機(jī)。這一時(shí)期，多旋翼無(wú)人機(jī)在突破技術(shù)瓶頸后，逐步拉開(kāi)了大規(guī)模發(fā)展的序幕。

1.3 大發(fā)展階段：2010年至今

2010年，法國(guó)Parrot公司發(fā)布了4旋翼無(wú)人機(jī)AR.Drone，這款無(wú)人機(jī)操控簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)空中懸停，還能搭載相機(jī)把圖像傳送到手機(jī)上，在民用市場(chǎng)上大獲成功。2013年，中國(guó)大疆公司發(fā)布精靈4旋翼無(wú)人機(jī)，相比AR.Drone，大疆的產(chǎn)品尺寸更大，可以有效抗風(fēng)，具有內(nèi)置GPS導(dǎo)航功能，還搭載了GoPro運(yùn)動(dòng)相機(jī)的連接架，使其成為“會(huì)飛的相機(jī)”。從這款產(chǎn)品開(kāi)始，大疆的多旋翼無(wú)人機(jī)產(chǎn)品迅速成為世界上銷(xiāo)量最大的4旋翼無(wú)人飛行器。此后，多旋翼無(wú)人機(jī)掀起了商業(yè)化的熱潮，進(jìn)入大規(guī)?？焖侔l(fā)展期。多旋翼無(wú)人機(jī)還開(kāi)始廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，其軍事效用也越來(lái)越廣泛，成為各國(guó)軍隊(duì)青睞的無(wú)人機(jī)選型。

2 系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成

系留多旋翼無(wú)人機(jī)是通過(guò)系留綜合纜繩將多旋翼無(wú)人機(jī)與地面設(shè)備組合起來(lái)的一種新型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，它采用地面電源直接供電，主要解決多旋翼無(wú)人機(jī)的持續(xù)供電問(wèn)題，以使多旋翼無(wú)人機(jī)能夠不受電能限制而長(zhǎng)時(shí)間停留在空中。系統(tǒng)組成主要包括三個(gè)部分：

2.1空中平臺(tái)

空中平臺(tái)部分以多旋翼飛行器機(jī)體搭載電源模塊、任務(wù)載荷等組成。飛行器機(jī)體可以根據(jù)所搭載負(fù)荷重量、體積等不同需求選擇不同型號(hào)的多旋翼無(wú)人機(jī)，在這方面，國(guó)內(nèi)外許多生產(chǎn)商的產(chǎn)品可以滿(mǎn)足不同的訂制需求，其主要功能是實(shí)現(xiàn)有效空中承載。電源模塊替代了多旋翼無(wú)人機(jī)的電池部分，包括備用電池、機(jī)載降壓/穩(wěn)壓電路、光電接口、交直流轉(zhuǎn)換電路等，主要功能是向多旋翼無(wú)人機(jī)供電。在使用過(guò)程中，主要由地面電源實(shí)現(xiàn)供電，備用電池在系留線(xiàn)纜供電出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換，從而保證無(wú)人機(jī)安全返航[4]。任務(wù)載荷根據(jù)功能需求進(jìn)行搭載，可搭載如偵察、監(jiān)控、通信、測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)等設(shè)備，既可以實(shí)現(xiàn)單一功能搭載，也可以多個(gè)功能復(fù)合搭載。

2.2 地面站

地面站由系留收放裝置、地面電源、地面光電模塊和操作終端組成。系留收放裝置內(nèi)設(shè)置有自動(dòng)控制絞盤(pán)，對(duì)比無(wú)人機(jī)升空/降落速度實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合纜繩的自動(dòng)收放。地面電源可以選擇發(fā)電機(jī)、蓄電池組或者市電，向空中平臺(tái)輸送電力。地面光電模塊包括升壓模塊和光電接口，升壓模塊主要功能是將220V交流電轉(zhuǎn)換為高壓電，以減少電力在綜合纜繩傳輸中的損耗，光電接口一端連接地面電源和操作終端，另一端連接綜合纜繩。操作終端用來(lái)控制多旋翼無(wú)人機(jī)飛行和任務(wù)負(fù)荷工作。整個(gè)地面站可以通過(guò)綜合集成為一個(gè)地面站箱體，它既可以固定放置在底面上，也可以固定在車(chē)船等運(yùn)載工具中，可以讓整個(gè)系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)滿(mǎn)足固定和移動(dòng)兩種需求。

2.3 系留綜合纜繩

系留綜合纜繩是由地線(xiàn)網(wǎng)、高壓絕緣層、通信光纖、承力纜線(xiàn)、外套管、強(qiáng)度材料和直流電源線(xiàn)等組成的復(fù)合光纖電纜，主要功能是連接空中平臺(tái)和地面站，為空中平臺(tái)持續(xù)供電，以及實(shí)現(xiàn)空中平臺(tái)和地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸?；诙嘈頍o(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，纜繩應(yīng)具有耐高壓、絕緣性好、抗拉伸能力強(qiáng)、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，以減輕多旋翼無(wú)人機(jī)升力，增加升空高度，方便絞盤(pán)收放，提高使用效能。

3 系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)

系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是在現(xiàn)有無(wú)人機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，在應(yīng)用層面，主要是補(bǔ)充、優(yōu)化現(xiàn)有各類(lèi)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的功能欠缺。因此，這里我們采用與其他無(wú)人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行比較的方法來(lái)介紹系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)。

3.1 長(zhǎng)時(shí)留空，定點(diǎn)懸停

普通多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)常采用電動(dòng)機(jī)或燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，要依靠機(jī)載電池或者是燃油來(lái)提供動(dòng)力，除了要為無(wú)人機(jī)飛行提供動(dòng)力外，還需要給云臺(tái)、相機(jī)等機(jī)載設(shè)備供電，這就會(huì)讓普通多旋翼無(wú)人機(jī)出現(xiàn)續(xù)航時(shí)間短、動(dòng)力不足等問(wèn)題。系留多旋翼無(wú)人機(jī)采用系留綜合纜繩供電方式，不必加裝重量較大的電池或者燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，既減輕了無(wú)人機(jī)自身重量，還可以利用地面電源實(shí)現(xiàn)不間斷的持續(xù)供電，保證無(wú)人機(jī)全天24小時(shí)長(zhǎng)時(shí)間留空。相比固定翼無(wú)人機(jī)，系留多旋翼無(wú)人機(jī)還可通過(guò)慣性測(cè)量元件對(duì)三維角速度、三維加速度及三維速度的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量使多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定的懸停[5]。

3.2 部署方便，機(jī)動(dòng)靈活

固定翼無(wú)人機(jī)一般體積較大、地面保障系統(tǒng)復(fù)雜、發(fā)射回收條件要求高，大型固定翼無(wú)人機(jī)則需要專(zhuān)門(mén)的跑道起降，而且需要協(xié)調(diào)飛行空域。系留多旋翼無(wú)人機(jī)體積小、重量輕，采用模塊化、插拔式設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)普通的皮卡車(chē)、越野車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸，1～2人即可完成轉(zhuǎn)場(chǎng)任務(wù)，單人徒手就可以完成部署、展開(kāi)和回收等任務(wù)。加之多旋翼無(wú)人機(jī)特有的垂直起降和定點(diǎn)懸停等特點(diǎn)，降低了對(duì)場(chǎng)地的要求，適用于多種地形地貌環(huán)境下，如山地、丘陵、城鎮(zhèn)、叢林等，可以實(shí)現(xiàn)靈活部署、快速響應(yīng)等需求。

3.3 性?xún)r(jià)比高，運(yùn)維簡(jiǎn)便

大中型固定翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人直升機(jī)等空中搭載平臺(tái)雖然具有負(fù)載大、飛行高、距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但同樣存在著體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜、訓(xùn)練成本高、起降條件要求高、操作靈活性不夠、需要協(xié)調(diào)飛行空域等諸多限制因素[6]。與之相比，系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)體積小、重量輕、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作人員在學(xué)習(xí)2～3小時(shí)后即可上手；系統(tǒng)相關(guān)配件價(jià)格低廉，使得維護(hù)成本大幅降低；多旋翼無(wú)人機(jī)的升空高度一般不超過(guò)200米，且不需要特定的場(chǎng)地，也不需要專(zhuān)門(mén)協(xié)調(diào)空域，訓(xùn)練和使用保障要求低，便于收放使用。

當(dāng)然，系留多旋翼無(wú)人機(jī)也有其固有的缺點(diǎn)和不足，比如：受系留綜合纜繩長(zhǎng)度限制，無(wú)人機(jī)只能在有限的高度內(nèi)運(yùn)動(dòng)；因?yàn)檩d荷能力有限，無(wú)人機(jī)可搭載設(shè)備有限，對(duì)設(shè)備和系留纜繩材料的輕量化技術(shù)要求比較高；另外，地面站的接入在一定程度上也給系統(tǒng)的攜帶和運(yùn)輸帶來(lái)不便。

4 系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的軍事應(yīng)用

系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)因其性能特點(diǎn)引起各國(guó)軍隊(duì)注意，并研發(fā)出數(shù)十款系留多旋翼無(wú)人機(jī)，如：美軍Tether Eye偵察系留無(wú)人機(jī)，該研發(fā)項(xiàng)目由美國(guó)打擊恐怖主義技術(shù)支持辦公室（CTTSO）出資支持，主要用于情報(bào)、監(jiān)視、偵查以及其他安全行動(dòng)；以色列懸停燈HoverLite無(wú)人機(jī)，主要用于邊界監(jiān)視和新聞采訪(fǎng)[7]。就目前來(lái)看，系留多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍和實(shí)戰(zhàn)能力仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證，但從其性能特點(diǎn)而言可以搭載不同功能設(shè)備實(shí)現(xiàn)以下軍事應(yīng)用：

4.1 戰(zhàn)術(shù)通信保障

在現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)通信保障手段中，固定翼無(wú)人機(jī)和常規(guī)多旋翼無(wú)人機(jī)均可起到空中通信中繼平臺(tái)的作用。然則，二者都采用無(wú)線(xiàn)通信方式，通信帶寬有限，很難支撐現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?；且都依靠自身攜帶電池或油機(jī)為動(dòng)力來(lái)源，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間留空，且載荷使用效率較低。系留多旋翼無(wú)人機(jī)可通過(guò)系留綜合纜繩向空中平臺(tái)實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷供電，纜繩內(nèi)置光纖可以實(shí)現(xiàn)空中平臺(tái)于地面站之間的高速寬帶數(shù)據(jù)傳輸，且系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有體積小、攜帶方便、部署簡(jiǎn)便、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，使用其作為戰(zhàn)術(shù)通信中繼平臺(tái)，將大大提高戰(zhàn)術(shù)通信保障能力。在實(shí)際應(yīng)用上，系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可以應(yīng)用于指揮所通信保障、特種作戰(zhàn)單元通信保障、山地叢林等復(fù)雜地域通信保障等。

4.2 軍事偵查監(jiān)控

現(xiàn)階段，國(guó)家面臨的安全威脅類(lèi)型越來(lái)越多，恐怖行動(dòng)、邊境摩擦、局部沖突等問(wèn)題突出，圍繞著維護(hù)國(guó)家領(lǐng)土、主權(quán)的行動(dòng)需要我們?cè)诎脖：头纯值葐?wèn)題上加大力度。近年來(lái)，許多國(guó)家大量運(yùn)用無(wú)人裝備執(zhí)行類(lèi)似于邊境偵察和要地監(jiān)控任務(wù)。對(duì)我國(guó)而言，與有關(guān)鄰國(guó)因邊境領(lǐng)土爭(zhēng)端而產(chǎn)生的糾紛、對(duì)峙等問(wèn)題，且陸上邊境多為高寒山地地形，更加需要利用先進(jìn)無(wú)人裝備執(zhí)行相應(yīng)偵察和監(jiān)控任務(wù)。將系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)搭載雷達(dá)或光學(xué)監(jiān)視設(shè)備，部署在我國(guó)陸上邊境地區(qū)或重點(diǎn)防范區(qū)域，可以對(duì)地面和低空區(qū)域?qū)嵤?4小時(shí)全天候不間斷的監(jiān)控。同時(shí)，在具有監(jiān)視功能的系留多旋翼無(wú)人機(jī)上集成搭載通信模塊，可以在邊境組成有效的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建集監(jiān)控、通信為一體的邊境防護(hù)網(wǎng)絡(luò)。甚至，還可以在系留多旋翼無(wú)人機(jī)上搭載武器系統(tǒng)，通過(guò)地面控制系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)實(shí)施精確打擊。

4.3 電子干擾與防護(hù)

目前來(lái)看，由于載荷與技術(shù)限制，各國(guó)部隊(duì)主要利用固定翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行電子干擾與防護(hù)，而隨著多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展，將可以實(shí)現(xiàn)搭載電子干擾與防護(hù)設(shè)備，實(shí)施固定位置區(qū)域的電子對(duì)抗行動(dòng)。如：在指揮所電子防護(hù)行動(dòng)中，可以利用系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)搭載電子防護(hù)設(shè)備，對(duì)指揮所區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行電子防護(hù)；在炮兵陣地、艦船、基地等重要區(qū)域，亦可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可以補(bǔ)充固定翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)等無(wú)人機(jī)在軍事應(yīng)用上的短板，提高在戰(zhàn)術(shù)通信、偵查監(jiān)控、電子干擾與防護(hù)等方面的效費(fèi)比，減輕軍事人員的工作負(fù)擔(dān)。而隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)步，系留多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在未來(lái)將發(fā)揮更大的軍事應(yīng)用價(jià)值。

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（作者單位：張帥，國(guó)防大學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)學(xué)院；張?chǎng)危?1035部隊(duì)；李志華，78156部隊(duì)）

（作者簡(jiǎn)介：張帥，78156部隊(duì)助理工程師，國(guó)防大學(xué)在讀博士研究生）