直升機空中回收和投放貨物技術發展綜述

韓雅慧，王亞偉，楊春信，徐曉東，楊雪松

(1.北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京 100191;2.陸軍航空兵學院，北京 100123;3.空軍裝備研究院航空裝備研究所，北京 100039;4.航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441022)

0 引言

降落傘回收和空投技術具有重要的軍事應用價值和民用價值，在戰場快速機動、救災減災、貨物傳送補給、飛行器回收等領域得到日益廣泛的應用。傳統的降落傘系統采用彈道式圓型傘系統，因而有“隨風飄”的特點，一旦從空投平臺投放后就無法操縱，使得其高空空投落點精度很差，而且空投精度受高度和風場的影響較大，空投時所需的降落區面積大，集結兵力或裝備所需的時間長［1，2］。鑒于上述問題，近年來精確空投系統得到了廣泛的研究。

精確空投系統的目標是提供迅速、準確和低成本的空投。它具有很多優點，如歸航過程的可控制性和實現遠距離機動飛行，不僅大大提高了空投精度，同時可以更靈活地選擇空投目標點，克服了傳統方法的脆弱性，極大地增強空投的作戰效能，但實現精確空投系統和提高空投精度很難［2］。

與此同時，直升機被賦予新的使命，在降落傘回收和空投系統中發揮了重要的作用，使傳統降落傘系統的末端更具機動性，對著陸地點和系統的精度要求降低，而且可在極端氣象地區和危險區域為軍隊運輸補給，進行無人貨物多點空投。直升機和降落傘系統的結合具有重要的戰略意義，對遠洋艦船、島礁、山區的物資補給和多兵種聯合使用具有重要意義。

本文從直升機空中回收技術和無人直升機投放貨物技術兩個方面來研究直升機在降落傘系統中的應用。為進一步開展直升機和降落傘系統聯合應用的理論研究與工程應用提供基礎，進一步拓展直升機的應用領域。

1 直升機空中回收系統

直升機空中回收系統是20世紀60年代以來美國軍方發展的一種針對高價值目標的回收技術，它結合直升機和降落傘系統進行回收，具有無損、精確、快速等優點。通過使用直升機空中攔截降落傘系統，然后利用鉤掛系統將降落傘與貨物鉤掛或回收至直升機上，由直升機轉移至目的地［3-8］。

直升機空中回收技術充分發揮了直升機的機動性，具有很高的可靠性，可以大大拓展直升機的業務范圍。它使降落傘系統避免了著陸過程，從而降低了沖擊過載，避免了不利地形(如雪地、海洋)的影響，而且還能實現回收目標的快速轉移，使傳統空投系統的末端更具機動性，在無人機、巡航導彈、衛星、航天器返回艙等高價值載荷回收中得到廣泛應用。

本部分按照直升機空中回收系統發展的三個階段，簡要介紹了三代直升機空中回收系統的特點、典型工作過程以及應用情況，為國內發展類似的系統提供參考。

1.1 第一代直升機空中回收系統

第一代直升機回收技術是20世紀70年代末由美國軍方提出的，用于回收貴重的空射巡航導彈，在1989年成功應用于兩種型號的空射巡航導彈回收，重量分別是970 kg和635～1134 kg［4］;回收用的直升機為美國CH－3“海王”直升機(圖1)。由于使用圓形降落傘系統，第一代技術需要改裝直升機，在機身上安裝吊桿和掛鉤以勾取降落傘，還需要安裝絞車以控制鉤掛過程的沖擊過載(圖2)，這些改裝需要耗費大量的時間和金錢。此外，第一代空中回收還有其他一些缺點:由于降落傘系統采用圓傘，圓傘不具備滑翔能力，鉤掛操作過程中飛行員的視野有限;直升機相對于穩降階段的降落傘速度大，鉤掛過程沖擊過載大，對絞車強度要求高［3-5］。

1.2 第二代直升機空中回收系統

隨著翼傘回收系統的廣泛應用，直升機空中回收技術也在不斷改進，在90年代初開始進入了第二代。第二代技術的典型特征是回收物的減速系統為翼傘系統，但仍需要對直升機機身進行改裝。第二代是直升機空中回收技術發展的過渡階段，典型的應用有美國中距無人機回收計劃(1991年)［3，6］和美國宇航局的新世紀樣品返回艙計劃(圖3，1998年)［3，8］。

中距無人機項目的空中回收系統由美國Vertigo公司為NASA研制，首次引入了高滑翔比的沖壓翼傘。新世紀樣品返回艙的空中回收系統是美國洛克希德·馬丁公司為NASA研制的，其目的是保護返回艙免于著陸沖擊，減少運送時間以防止樣品暴露太久。與中距無人機的回收系統相比，其降落傘系統只保留了一具翼傘主傘和一具牽引傘，但其明顯的不足之處是:直升機鉤掛回收系統后，對翼傘未采取拋棄或收口措施，使其保留一定的氣動外形，導致鉤掛過程產生較大的過載，并給后續的運輸帶來麻煩。總體來說，第二代空中回收系統體現了翼傘的優勢:具有較高的滑翔能力，飛行員鉤掛操作過程具有良好的視野。但是直升機依然需要改裝以安裝絞車、吊桿等鉤掛結構。同時，翼傘系統在系統簡化和鉤掛后的收口技術上的設計還不成熟。

圖3 第二代直升機空中回收系統［8］

1.3 第三代直升機空中回收系統

進入21世紀之后，隨著信息技術和自動控制技術的發展，直升機空中回收技術發展進入第三代，其典型特征是智能吊鉤的研發。2003年，美國洛克希德·馬丁公司和Vertigo公司聯合完成了第三代空中回收系統的概念驗證(圖4a圖4b為第三代直升機空中回收系統的應用實例和工作過程)。與前兩代空中回收系統相比，第三代系統的相關技術已相對完善:無需改裝直升機，控制了鉤取過程的過載并極大地改善了飛行員在操作過程中的視野。由于翼傘具有一定的滑翔比，在回收過程中，直升機可以保持與翼傘相近的飛行速度，從而大大降低了回收過程中產生的過載，因此不需要再在直升機上安裝絞車以控制鉤掛過載。第三代系統采用智能吊鉤，代替了原有的吊桿和掛鉤，如圖4c，牽引傘傘繩在一個或更多的吊鉤鉤爪張口內，當鉤爪感知到結合繩(牽引傘傘繩)后會自動閉合，完成鉤掛工作，因此不再需要對直升機機體做任何改裝，從而大大提高了該技術的適用性［3，8］。翼傘上安裝了滑動收口裝置，完成鉤掛工作后，直升機緩慢上升，收口裝置工作，實現翼傘的收口排氣，待翼傘收起后將傘與貨物收至直升機內運至目的地。

隨著第三代直升機空中回收技術的發展，其實用安全性和能回收的載荷重量都有了很大程度的提高。在不需要對直升機進行改裝的條件下，已經能夠實現重量為8噸左右的貨物的空中回收［3］。

從20世紀90年代至本世紀初，美國相關科研機構實施的多次直升機空中回收任務都取得了成功(表1)，如此高的可靠性以及直升機與翼傘技術的成熟，使直升機空中回收技術在美國得到越來越多的應用［6］。

表1 美國直升機空中回收任務及成功率

表2 可用于空中回收物資輸運的直升機［3，9-11］

直升機空中回收技術可以避開不利地形，防止著陸沖擊以及地表特征對回收目標帶來的損害，并實現回收目標的快速轉移，具有廣闊的應用前景。如小型物資輸運和重型物資的空中回收，目前可用于物資輸運的直升機有貝爾公司的TH－57“海上騎兵”、西科斯基SH－60“海鷹”、卡曼SH－2G“海妖”和波音CH－46“海上勇士”，見表2。這幾種中小型物資輸運的直升機當前正在美國海軍服役并執行海上物資運輸任務。可輸運10噸以上物資的重型直升機主要有波音CH－47“支努干”、西科斯基MH －53E“海龍”、CH －53E“超種馬”和米 －26“光環”直升機［3，9-11］。

直升機空中回收技術最有前景的應用是快速為水面艦艇、島礁提供物資補給和戰場物資垂直補給。由大型運輸機攜帶物資在4500米高度上飛向需要補給的艦船，在到達一定距離后空投物資，直升機在距離海平面3000米的高度上抓取物資，然后調運至艦船甲板上。

2 無人直升機投放貨物系統

無人直升機以其特殊的飛行能力在軍事領域得到了廣泛的運用，使用范圍包括偵察、監視、情報獲取、數據傳輸和對地攻擊等。隨著降落傘系統的發展，無人直升機和降落傘系統結合可在極端氣象地區和危險區域為軍隊運輸補給，進行貨物定點空投，提高作戰的效費比。

2.1 高原投放

美國海軍陸戰隊在阿富汗進行的作戰行動需要大量的物資補給，而當地的高原多山地形使得運送補給行動變得困難重重，復雜的山地降低了輪式運輸車輛的效率，增加了遇襲風險。在這一背景下，美國軍方開始加速研制無人運輸直升機，為特種作戰分隊提供補給或運送傷員。

2007年卡曼宇航公司宣布與洛克希德·馬丁公司聯合開發K－MAX直升機的無人機版，即KMAX UAS無人直升機。

2010年4月，兩家公司為海軍陸戰隊展示了K－MAX無人直升機在阿富汗地區前線為士兵提供再次補給的能力。在這次演示中，K－MAX展示了在視線內/外進行遙控/自主吊裝貨物的能力。

該無人直升機投放系統的關鍵技術包括:吊/投放系統為卡曼公司設計的四爪卡盤;降落傘采用的是十字傘系統;控制系統為視距內和視距外遙控和自主飛行/投放［12］。

K－max無人直升機投放系統使特種部隊可以在危險區域獲得補給，還可以進一步為更高海拔高度上的單一或多個聯合精確空投系統(JPADS)使用。其在海平面的載重能力可達2722千克，而在4572米的高原地區載重能力也能達到1950千克［13］。這使得其投放系統可用于更危險的戰場環境下，從一個K－max部署點為多個分散的地面部隊提供物資補給。

2.2 海上補給

K－max無人直升機投放系統不僅用于高原復雜地形的運輸補給，而且可用于短距離水面艦艇、島礁的物資補給。由于采用交叉雙旋翼式結構，K－max相比其它無人直升機，改善了起重能力并減少運行和后勤保障費用，可在一次飛行任務中向更多地點運送更多的物資。如圖5所示，K－max無人直升機在水面艦艇物資補給中，使用了4個掛鉤的旋轉盤，驗證了在單次任務中進行4次空投的能力［13］。

與地面運輸車輛和傳統有人操控的直升機相比，K－max更節省燃油和人力，也可以降低執行任務時的風險，提高可操作性，降低成本。

圖5 K－max無人直升機空投系統［13］

3 總結與討論

3.1 結論

直升機空中回收和無人直升機貨物投放是直升機和降落傘系統的結合應用，本文對其進行了探討，為我國開發直升機空中回收系統、拓展直升機潛在應用領域提供了一定技術參考。

1)直升機空中回收技術可以避開不利地形，達到無損、精確并實現目標的快速轉移，具有廣闊的應用前景。直升機空中回收技術可應用于太空探測器返回艙、無人機等高價值目標的回收，其中最有前景的應用為水面艦艇或島礁的物資補給。

2)借鑒K－max無人直升機投放貨物技術的驗證，給危險、復雜的環境提供了一種新的貨物投送方式，具有重要的軍事意義。

3.2 進一步開展的工作

1)目前，國內直升機裝備數量少、功能單一，而且考慮到拓展現有機群能力、基礎設施和保障性以及經濟效益等方面的因素，應及早開展直升機空中回收技術的研究與應用;針對現有直升機外掛承載能力、翼傘技術和測控技術，先期開展中小型載荷的空中回收技術研究。

2)根據未來戰爭的發展需要，為降低執行任務的風險和成本，提高戰爭的效費比，應對空中末端補給模式開展探索，例如采用大飛機空投物資方式，通過任務規劃系統來進行控制，將空中回收技術和無人直升機結合來進行回收和物資的補給。

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［11］http://www.zgjunshi.com/world/hangtianqi/zhishengji/200903/20090327105352_5.html［EB/OL］.

［12］http://news.xinhuanet.com/mil/2010 － 07/19/content_13883006.htm［EB/OL］.

［13］http://blog.sina.com.cn/s/blog_56bf65670100i41d.html［EB/OL］.