無人直升機(jī)物資運(yùn)輸與投送方式研究

蘆志明 姬樂強(qiáng) 聶順鵬

前線物資快速運(yùn)輸與精準(zhǔn)投送對于現(xiàn)代戰(zhàn)爭具有十分重要的作用。無人直升機(jī)一經(jīng)投入使用，將承擔(dān)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下人員和補(bǔ)給物資末端運(yùn)輸、補(bǔ)給物資垂直投送、傷員搜索與救援等任務(wù)。隨著智能化、自主化、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)的發(fā)展，無人直升機(jī)憑借部署方便、操控簡單、機(jī)動(dòng)靈活等使用特點(diǎn)，在山區(qū)運(yùn)輸、城市運(yùn)輸、傷員撤離等領(lǐng)域發(fā)揮了獨(dú)特的優(yōu)勢。由于戰(zhàn)時(shí)物資運(yùn)輸?shù)募逼刃耘c持續(xù)性，有人直升機(jī)飛行員始終處于高強(qiáng)度工作之中，極易引發(fā)安全事故。因此，有人直升機(jī)較難勝任持續(xù)性物資運(yùn)輸與投送任務(wù)。而無人直升機(jī)可以有效降低人員傷亡率，提升運(yùn)輸效率。固定翼運(yùn)輸機(jī)受飛行高度與飛行速度的限制，很難實(shí)現(xiàn)物資精準(zhǔn)投送，而無人直升機(jī)具有優(yōu)異的低空低速飛行品質(zhì)，可以在懸?；虻退偾帮w狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)物資精準(zhǔn)投送。未來，無人直升機(jī)大量投入使用，將與有人直升機(jī)、固定翼運(yùn)輸機(jī)配合使用，構(gòu)建一種全天時(shí)執(zhí)行多類運(yùn)輸任務(wù)的裝備體系。

除有人-無人模式直升機(jī)外，大部分無人直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部設(shè)備布置緊湊，且中機(jī)身通常裝配有大容積燃油箱，較難實(shí)現(xiàn)機(jī)身艙內(nèi)物資運(yùn)輸，一般采用機(jī)腹、簡易掛架或短翼、起落架及外吊掛裝置等設(shè)備運(yùn)輸物資。依據(jù)總體布局特點(diǎn)和物資運(yùn)輸要求，不同型號的無人直升機(jī)將選用最優(yōu)運(yùn)輸方式，同時(shí)針對實(shí)際作戰(zhàn)場景，采取拋放、傘降、索降等不同的物資投送方式。未來，隨著運(yùn)輸無人直升機(jī)的發(fā)展，一型裝備將同時(shí)具備多種運(yùn)輸與投送方式，能夠根據(jù)不同任務(wù)需求而靈活選用不同的運(yùn)輸與投送方式，進(jìn)一步提升無人直升機(jī)對運(yùn)輸任務(wù)的適應(yīng)性。

運(yùn)輸方式

機(jī)腹運(yùn)輸

運(yùn)輸物資會對無人直升機(jī)重心產(chǎn)生不利影響。為確保整機(jī)重心在設(shè)計(jì)包線范圍內(nèi)，物資的位置應(yīng)盡可能靠近整機(jī)重心的位置。需要強(qiáng)調(diào)的是，在計(jì)算與分析無人直升機(jī)重量、重心的過程中，技術(shù)人員一定要考慮物資的極限重心?？紤]到重心控制和安裝空間尺寸，機(jī)腹運(yùn)輸成為最常用的運(yùn)輸方式之一。機(jī)腹運(yùn)輸所采用的機(jī)械接口簡單，重量代價(jià)小，且在滿足無人直升機(jī)最小側(cè)罩角要求的前提下，通過增加起落架的高度，進(jìn)一步擴(kuò)大運(yùn)輸箱的尺寸，提升無人直升機(jī)的運(yùn)輸能力。但是，按照GJB479-88標(biāo)準(zhǔn)對直升機(jī)最小離地間隙的要求，運(yùn)輸箱或物資與地面應(yīng)至少保持150mm的間隙。機(jī)腹運(yùn)輸方式不適用于機(jī)腹安裝了通信天線、著陸燈、助降裝置等設(shè)備的無人直升機(jī)。

簡易掛架或短翼運(yùn)輸

最大起飛重量相對較重的無人直升機(jī)通常采用簡易掛架或短翼來實(shí)現(xiàn)物資運(yùn)輸與投送。相比于機(jī)腹運(yùn)輸方式，簡易掛架或短翼運(yùn)輸方式可以方便地勤人員的操作，實(shí)現(xiàn)物資快速裝卸，大幅提高無人直升機(jī)的運(yùn)輸效率。由于運(yùn)輸箱布置在機(jī)身兩側(cè)，無人直升機(jī)可以采用更大容積的運(yùn)輸箱來運(yùn)輸大尺寸物資。該運(yùn)輸方式最大的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的任務(wù)拓展性。其他任務(wù)載荷采用模塊化設(shè)計(jì)，能以吊艙形式掛載于簡易掛架或短翼下方，實(shí)現(xiàn)任務(wù)載荷即插即用。簡易掛架具備快速裝卸功能，用戶可以依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需求而靈活選裝簡易掛架。但是，受限于無人直升機(jī)的橫向重心包線，并考慮飛行安全，該運(yùn)輸方式往往設(shè)置有應(yīng)急投送功能，以實(shí)現(xiàn)緊急情況下的物資快速投送。采用該運(yùn)輸方式的無人直升機(jī)機(jī)身兩側(cè)加裝了簡易掛架或短翼、運(yùn)輸掛架及相關(guān)控制設(shè)備，考慮到空機(jī)重量控制，無人直升機(jī)需要付出一定的重量代價(jià)。在氣動(dòng)特性方面，無人直升機(jī)加裝簡易掛架或短翼后，不僅要考慮全機(jī)的阻力特性，還需重點(diǎn)關(guān)注平臺的俯仰穩(wěn)定性。

外吊掛運(yùn)輸

無人直升機(jī)通過外吊掛方式運(yùn)輸物資，突破了其他運(yùn)輸方式對物資尺寸的限制，極大地發(fā)揮了運(yùn)輸能力。美國國家運(yùn)輸安全委員會的統(tǒng)計(jì)表明，在實(shí)際飛行中，超過10%的有人直升機(jī)飛行事故與外吊掛飛行有關(guān)。飛行員操作失誤是導(dǎo)致有人直升機(jī)外吊掛飛行事故的一個(gè)常見誘因，而無人直升機(jī)在很大程度上可以改善這一現(xiàn)狀。因此，外吊掛飛行將成為一種極具特色且非常重要的無人直升機(jī)飛行模式。由于外吊掛體對無人直升機(jī)的平衡、操縱性、穩(wěn)定性影響較大，國外針對這個(gè)問題開展了大量飛行品質(zhì)研究。目前，國內(nèi)外依然沒有專門的無人直升機(jī)飛行品質(zhì)規(guī)范，軍用直升機(jī)飛行品質(zhì)規(guī)范雖然對有人直升機(jī)的外吊掛飛行提出了明確的指標(biāo)要求，但是相關(guān)要求并未細(xì)化。依據(jù)驗(yàn)證試飛和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)無人直升機(jī)執(zhí)行外吊掛飛行任務(wù)時(shí)，為了降低旋翼下洗流對外掛物的影響，外吊掛系統(tǒng)吊索的長度應(yīng)大于旋翼直徑，同時(shí)，外掛物的重量和尺寸、平臺飛行速度和轉(zhuǎn)彎坡度角、吊索與機(jī)體之間的角度都應(yīng)受到限制?？紤]到無人直升機(jī)的特殊性以及當(dāng)前無人直升機(jī)的載重能力，制造商一方面需要開展外吊掛監(jiān)測與告警系統(tǒng)研制；另一方面也要開展小型輕量化外吊掛系統(tǒng)研制。外吊掛系統(tǒng)必須具備正常投送和應(yīng)急投送兩種工作模式。

隨著型號持續(xù)發(fā)展和需求逐步明確，國內(nèi)將加大無人直升機(jī)外吊掛運(yùn)輸方式的理論研究、研制和試驗(yàn)，加快型號應(yīng)用的進(jìn)程。

客貨艙、行李艙運(yùn)輸

在無人直升機(jī)蓬勃發(fā)展的背景下，有人-無人模式的出現(xiàn)將為未來直升機(jī)的發(fā)展提供一條全新的思路。隨著基于有人-無人模式的直升機(jī)技術(shù)逐步發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)對一些新研、改型直升機(jī)的有人-無人模式相關(guān)技術(shù)開展了驗(yàn)證試驗(yàn)，典型型號包括貝爾公司V280傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、卡曼公司K-MAX直升機(jī)等機(jī)型。有人-無人模式直升機(jī)在無人模式下，可以充分繼承有人機(jī)的運(yùn)輸能力，利用平臺的客貨艙和行李艙運(yùn)輸作戰(zhàn)物資。由于有人-無人模式直升機(jī)需要兼顧有人、無人兩種模式下的使用需求，通常更側(cè)重于有人模式的運(yùn)用，與無人直升機(jī)相比，它的續(xù)航能力較弱，難以執(zhí)行一些遠(yuǎn)程長航時(shí)運(yùn)輸任務(wù)，主要執(zhí)行飛行員難以勝任的作戰(zhàn)任務(wù)，提升裝備使用的靈活性。當(dāng)技術(shù)人員開展有人直升機(jī)的無人化改型工作時(shí)，會將駕駛艙改裝為電子設(shè)備艙，以布置飛控、通信終端等機(jī)載設(shè)備。同時(shí)，為了提升直升機(jī)的續(xù)航能力，更大容積的燃油箱將布置在旋翼軸下方的客艙內(nèi)，替換原有的燃油箱。因此，客貨艙、行李艙運(yùn)輸方式只適合于有人-無人模式直升機(jī)。

滑橇起落架運(yùn)輸

為了有效解決起落架高度太小、機(jī)腹下方突出物（如天線）對運(yùn)輸箱尺寸和安裝位置的限制，采用滑橇起落架的無人直升機(jī)可以將封閉式運(yùn)輸箱或網(wǎng)格式吊籃布置在機(jī)身兩側(cè)的起落架上?；疗鹇浼苓\(yùn)輸所采用的機(jī)械接口相對較為簡單，工程易實(shí)現(xiàn)，運(yùn)輸箱的形狀和尺寸主要取決于運(yùn)送物資的類型。但是，受限于無人直升機(jī)的橫向重心范圍，運(yùn)輸箱的橫向尺寸一般較小，進(jìn)而限制了無人直升機(jī)所運(yùn)送物資的類型。如果重心包線允許，無人直升機(jī)可以實(shí)現(xiàn)單側(cè)或雙側(cè)同時(shí)裝載運(yùn)輸箱與物資，這在某種程度上提升了無人直升機(jī)使用的靈活性。與機(jī)腹運(yùn)輸方式相比，滑橇起落架可以讓操作人員快速完成運(yùn)輸箱及物資裝卸工作，但是無人直升機(jī)無法實(shí)現(xiàn)物資空中投送。需要說明的是，在設(shè)計(jì)滑橇起落架運(yùn)輸方案時(shí)，制造商需要重點(diǎn)考慮運(yùn)輸箱的外形對阻力系數(shù)、垂直增重系數(shù)等無人直升機(jī)性能參數(shù)的影響，以及運(yùn)輸箱對起落架性能的影響。

投送方式

空中投送

空中投送適用于任務(wù)區(qū)無合適的起降場地、無人直升機(jī)須要快速運(yùn)輸物資且迅速撤離危險(xiǎn)環(huán)境等作戰(zhàn)場景，具體投送方案需要依據(jù)無人直升機(jī)的運(yùn)輸方式和任務(wù)需求而確定。本文列舉一種適用于機(jī)腹運(yùn)輸方式的典型空中投送方案。該方案依據(jù)不同的作戰(zhàn)場景，既可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸箱直接投送，也能實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸箱傘降。

空中投送系統(tǒng)包含投送裝置、傘包（選裝）與運(yùn)輸箱。其中，投送裝置用于物資掛載與投送，由運(yùn)輸箱鎖鉤、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、支架和裝機(jī)接口組成；傘包由降落傘、主傘繩和開傘拉繩組成，可降低投送物資的空中降落速度，從而降低物資的觸地速度；運(yùn)輸箱用于物資裝載，由箱體、箱蓋和系留帶組成。

無人直升機(jī)自主定點(diǎn)降落，人工卸載物資

與空中投送不同的是，無人直升機(jī)自主降落到指定區(qū)域后，地面工作人員完成物資卸載和無人直升機(jī)返航操控。當(dāng)無人直升機(jī)到達(dá)指定區(qū)域上空時(shí)，采用控制權(quán)交接或自主擇址降落的方式，完成精準(zhǔn)降落?？刂茩?quán)交接是位于指目的地的操控人員通過便攜式控制站獲取無人直升機(jī)的控制權(quán)限，以遙調(diào)或遙控的方式完成無人直升機(jī)在起降地點(diǎn)上方的位置精確調(diào)整，最后操控?zé)o人直升機(jī)降落，或無人直升機(jī)自主降落，保證降落位置的精度。操作人員完成卸貨后，無人直升機(jī)通過便攜式地面控制站完成自主起飛，或由操控員控制起飛。自主擇址降落是指，當(dāng)無人直升機(jī)飛抵某區(qū)域后，無人直升機(jī)利用激光雷達(dá)感知技術(shù)和在線航線重規(guī)劃技術(shù)，自主選擇最佳著陸區(qū)域并完成自主降落。當(dāng)卸貨完成后，操控員使用具有一鍵全自動(dòng)起降功能的機(jī)載按鈕，完成無人直升機(jī)回收。

關(guān)鍵技術(shù)

通過分析無人直升機(jī)在不同場景下的運(yùn)輸與投送方式，下文梳理無人直升機(jī)運(yùn)輸與投送系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

自動(dòng)投送裝置設(shè)計(jì)技術(shù)

如果無人直升機(jī)采用機(jī)腹、簡易掛架或短翼運(yùn)輸方式，為了提升物資運(yùn)輸效率或滿足不具備起降條件的物資運(yùn)輸需求，無人直升機(jī)應(yīng)具備空中自動(dòng)投送功能。因此，制造商需要研發(fā)無人直升機(jī)自動(dòng)投送技術(shù)，自動(dòng)投送裝置的設(shè)計(jì)方案必須具備較高的可靠性、安全性，而且具備實(shí)現(xiàn)物資傘降和物資索降的拓展能力。

外吊掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

外吊掛系統(tǒng)作為無人直升機(jī)實(shí)現(xiàn)外吊掛運(yùn)輸?shù)暮诵难b置，其技術(shù)水平在一定程度上決定了無人直升機(jī)的運(yùn)輸能力。該技術(shù)可以細(xì)分為小型輕量化外吊掛裝置、自動(dòng)監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)、應(yīng)急投送系統(tǒng)等設(shè)計(jì)技術(shù)。目前，有人直升機(jī)外吊掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)已趨于成熟，因此技術(shù)人員可在有人機(jī)外吊掛系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)圍繞無人直升機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)開展外吊掛系統(tǒng)研制。

外吊掛系統(tǒng)飛行控制技術(shù)

吊掛物隨機(jī)擺動(dòng)會對無人直升機(jī)的飛行安全產(chǎn)生十分不利的影響。為了深入研究吊掛物對無人直升機(jī)平衡和操縱特性的影響，技術(shù)人員需要建立精確的飛行動(dòng)力學(xué)模型；為了解決不同重量、外形的吊掛物對無人直升機(jī)穩(wěn)定飛行產(chǎn)生的不利影響，技術(shù)人員需要開展無人直升機(jī)飛行控制自適應(yīng)魯棒穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。

控制權(quán)交接技術(shù)

控制權(quán)交接是實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)異地精確降落的手段之一，其技術(shù)成熟度相對較高，已在型號中應(yīng)用。該技術(shù)是指，位于起飛點(diǎn)的地面控制站在合適的時(shí)機(jī)將無人直升機(jī)控制權(quán)轉(zhuǎn)交給位于目的地的便攜式控制站，位于目的地的飛行操控員完成無人直升機(jī)精確降落。

自主擇址降落技術(shù)

自主擇址降落是保證無人直升機(jī)在未知環(huán)境下安全降落的一種智能化手段，即無人直升機(jī)利用機(jī)載傳感器（如激光雷達(dá)）進(jìn)行著陸場地三維地形模型重建，基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)，并利用重建的三維地形模型，對地形地貌、地表障礙物、地表水體等地物進(jìn)行感知，并根據(jù)著陸區(qū)域的態(tài)勢評估準(zhǔn)則，啟動(dòng)地形評估，篩選出滿足著陸要求的區(qū)域，然后自主降落。

總結(jié)

物資運(yùn)輸與投送是無人直升機(jī)未來的重要應(yīng)用方向之一。國內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)針對運(yùn)輸與投送系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)開展了大量理論研究和驗(yàn)證試驗(yàn)，部分技術(shù)已在型號上投入應(yīng)用。文中提到的運(yùn)輸與投送方式是目前無人直升機(jī)所采用的典型方案。后期，隨著運(yùn)輸任務(wù)場景的不斷拓展以及新技術(shù)的出現(xiàn)，相關(guān)單位將發(fā)展各式各樣的運(yùn)輸與運(yùn)投送系統(tǒng)，以滿足未來戰(zhàn)場環(huán)境下無人直升機(jī)的運(yùn)輸需求。