艦載無人直升機系統設計中幾個問題的思考

陽再清，薛艷峰，劉關心

(中國人民解放軍92419部隊，遼寧興城 125106)

0 引言

隨著水面艦艇遠洋作戰范圍的不斷拓展，其隨艦情報搜集、反潛作戰、電磁對抗、戰損評估等能力的需求也在不斷提高，傳統的方法之一是用艦載有人直升機系統來解決這些棘手的問題，但有人機不適應超低空、長時間、高危險等情況，無人直升機系統應運而生。

無人直升機系統在國外有較長的發展歷史，西方各大國都有一些較為成熟的產品問世。但艦載無人直升機的使用環境特殊，要在動態搖擺狀態下，使一個強耦合、非線性的直升機系統實現穩定起降控制是一個難題。近年，美國人在“Fire Scout”系統上首先攻破了這一技術，實現了自主艦載起降，而其研發用了3～5年，做了大量的試驗，成本十分高昂，可見這一技術是世界級的難題。有關艦載起降的一些關鍵技術細節國內外都有研究，特別是近年不斷有新成果出現，見諸公開刊物，但真正形成產品、形成批量的仍然不多，一些關鍵技術仍只能在有限的條件下，在某些局部的環境中適應，在普遍意義上解決這一問題，仍有較長的路要走，國內的狀況更是如此。

本文分析了艦載無人直升機系統的著艦過程和系統設計的幾個關鍵技術問題，提出了艦載無人直升機發展的基本思路，為進一步的工程實踐提供一些基本設想和技術準備。

1 無人直升機著艦過程描述［1］

艦載無人直升機系統的核心技術和難點主要是著艦過程，分析和確立著艦過程是系統設計的關鍵所在。著艦控制可以采用手動、自主或兩者結合的方式實現。采取手動方式時，對操作手要求高，一般在應急狀態下使用。自主方式一般為主要的控制方式，但對系統的控制精度要求高。

著艦系統一般由控制分系統、精確引導分系統、固連設備和輔助設施組成。控制分系統是著艦系統的核心，它由無人直升機的飛行控制和測控等部分構成，它接收艦與機的位置、運動、姿態等參數以及精確引導參數、氣象參數等，按照控制規律完成自主著艦控制。自主著艦作為整個飛行控制的一個重要環節，在艦載無人直升機的設計和使用中舉足輕重。精確引導分系統是自主著艦的關鍵，它需要提供安全著艦所需的準確的艦機相對位置、姿態以及艦艇搖擺參數等，是自主著艦的主要信息源，比飛行控制傳感器要求高，一般采用獨立的設備。目前采用的設備主要有:毫米波雷達、光電設備、視覺引導、GPS/INS組合引導等，一般由艦載設備和機載設備配合來完成精確引導功能。固連設備是用于艦與機固定連接的設備，由安裝在甲板和直升機上的連接裝置構成，目前主要有魚叉－格柵裝置和拉緊固定裝置;輔助設施包含甲板上的標示線、燈光以及氣象測量、通信保障等設備，用于輔助著艦。

無人直升機自主著艦可分為四個階段:下滑捕獲段、下滑跟蹤段、快速下降段、著艦固定段，如圖1所示。其中前三個階段為著艦引導控制階段，特別是第三個階段需要艦機協同控制，是最為關鍵的控制階段。當無人直升機接到著艦指令后，無人直升機根據自身的位置和艦船的位置實時規劃下滑起始點，計算下滑航線，控制其按照規劃航線運動，進入下滑捕獲段飛行，使無人直升機到達著艦船后側安全高度并保持與艦船同步的懸停狀態。之后，實時接收氣象參數，精確引導參數，判斷各類擾動的影響，使無人直升機穩定下滑到著艦中心點上方幾米的高度并保持與艦船同步的懸停狀態，完成穩定下滑飛行。最后，推算艦艇搖擺穩定期，精確控制直升機系統快速下降，實施著艦。著艦后，操作手迅速固定好機體。

圖1 無人直升機著艦流程圖

著艦的整個過程是一個動態的過程，影響無人直升機飛行的外界因素如風流的變化、艦船的運動與搖擺、尾流擾動等都在時刻發生或大或小、或快或慢的變化，因此無人直升機系統實現安全穩定著艦是一個復雜制導控制流程的設計與實踐。

2 系統設計幾個問題的分析與設想

2.1 發動機選擇

直升機系統的控制特性決定了發動機需與飛行控制、旋翼、結構等部分有強的耦合性，直升機系統的使用特性決定了發動機需與自然條件、電磁環境、人為操作等因素有好的適應性，其性能須與總體性能相匹配。根據艦艇安全規定，低燃點的燃油不能在艦載條件下使用，燃油必須為重油。因此，選擇發動機成為了艦載無人直升機設計的關鍵點。

可用于直升機系統的發動機主要有活塞式和渦流軸式兩種［2］。活塞式發動機油耗低、啟動方便、加速性好，技術成熟、經濟性好，但其功率重量比小，適用于輕型機，大中型機一般不使用。用于直升機的渦輪軸式發動機一般為自由渦輪軸式，它允許旋翼轉速在較大范圍內變化，功率重量比大，但技術和工藝要求高，成本高，適用于大中型機?；钊桨l動機常用汽油作為燃油，用于艦載機時需要改進。渦輪軸發動機一般用航空煤油作為燃油，能直接用于艦載機。

從有人直升機的情況來看，起飛重量在1000kg以上的機型，國外與之匹配的渦輪軸發動機技術和工藝都較為成熟，國內有少量渦輪軸發動機產品能滿足艦載無人直升機系統的需要。對起飛重量在1000kg以下的機型，滿足艦載需要的發動機選擇難度較大，重油的活塞式發動機較少，目前國內沒有成熟的產品，小功率渦輪軸發動機國外有小量民品，國內沒有成熟產品。從艦載無人直升機系統發展來看，起飛重量在1000kg以下的機型用途和適應性更好，處于優先發展地位。因此，以將活塞發動機改造為重油型為主，同步研發小功率渦輪軸發動機，是艦載無人直升機發展應首先解決的技術難題。

2.2 機型選擇

機型選擇既是系統設計必須解決的關鍵技術問題，也是艦載條件制約下使用要求的必然反映。機型的設計與氣動性能、結構布局、控制規律等密切關聯，同時受艦載空間有限、動基座著艦、海拔低等不利條件制約，因而機型選擇成為艦載無人直升機設計中更加關鍵的技術問題。

目前廣泛應用的直升機機型主要有:單旋翼帶尾槳式、雙槳共軸式、傾轉旋翼式等［2］。單旋翼帶尾槳式靠旋翼提供各個方向飛行的動力，尾槳平衡反扭矩并提供航向機動力，以其結構簡單、技術成熟、性價比高等特點，在90%以上的直升機上應用［2］，美國的艦載無人直升機即采用了該方式，但其尾槳增加了功率消耗，加大了縱向長度，帶來了安全隱患。雙槳共軸式由上下共軸安裝、反向旋轉的旋翼構成，通過旋翼傾斜和轉速調整來產生各種狀態的飛行動力，其氣動效率高、結構緊湊，被德國、俄羅斯等許多國家的艦載機普遍采用，但其結構復雜、垂直高度大。傾轉旋翼式是由兩副橫向并列布置在機翼上的旋翼構成，兩副旋翼反向轉動以平衡反扭矩，旋翼的升力提供垂向動力，旋翼向前傾轉由升力螺旋槳變為推力螺旋槳提供前飛動力，這樣可以提高飛行速度，降低功率消耗，解決失速和阻力發散問題，美國的V22已投入使用［3］。從國內直升機技術的現狀看，國產直升機多為單旋翼帶尾槳式，設計能力和工藝水平較為成熟。雙槳共軸式有技術儲備，但成熟產品不多，需要在設計能力和工藝水平上尋求更多突破。其他形式的機型的設計尚需從理論和實踐上得到加強。

艦載無人直升機系統用途和使用范圍不同，其機型的選擇也應不盡相同?？紤]技術可行性，在可用空間較小的中小型艦艇上，對載荷能力要求不高的場合，采用雙槳共軸式較為理想;在可用空間加大的大中型艦艇上，對載荷能力要求較高的場合，采用單旋翼帶尾槳式較為合理。

2.3 艦機協同控制

直升機系統復雜的氣動特性、特殊的飛行狀態、強耦合非線性不穩定的控制特點，增加了飛行控制系統設計的難度。艦載機更要面臨著艦時流場和海浪的不規則、高動態擾動的影響，使得飛行控制特別是艦機協同控制成為控制系統設計的關鍵。

艦載無人直升機著艦段以外的飛行控制設計時，在充分考慮低海拔、高擾動條件的前提下，采用成熟的直升機控制技術能夠較好地完成系統設計，同時考慮到艦載條件測控通視距離有限，應以自主控制為主滿足超視距的任務飛行。著艦引導控制是在飛行控制系統的基礎上實現的，根據通過測控設備得到的艦船運動與直升機之間的相對位置信息以及任務要求，計算理想的下滑著艦軌跡，通過引導律的計算，得到飛行控制的指令，選擇適當的著艦時機，自主完成著艦控制。圖2給出了著艦控制系統基本流程。

目前無人直升機著陸控制大多需要人工干預，艦載機更是如此，自主著艦控制技術多以理論研究和簡單條件驗證為主，只有美國有較為成熟的應用。該技術不僅需要對直升機平臺精準的飛行控制，還需要對流場和海浪特性精確的預測，而這兩個方面仍然是十分困難的多學科控制技術難題。采用動力學建模和模式識別技術相結合，針對特定的使用條件，能夠有效地建立起艦機協同控制模型，完成著艦控制。

2.4 流場與海浪特性的影響

艦載無人直升機的最大難點就是要適應由于風、潮汐等引發的著艦點流場和海浪的影響。這些影響有規律性，但規律較為復雜，特別是定量的規律性研究仍是技術難題，在自主飛行和著艦時又是必須解決的問題。建立起流場特性和海浪特性模型成為艦載無人直升機設計的瓶頸。

無人直升機著艦的區域一般在艦艇尾部的甲板上，其后面是開闊的空間，其前部是艦艇的上層建筑物，這樣造成了該區域空氣流場特性復雜多變。為確保穩定起降，必須確定起降包絡線(又稱風限圖)，確定風限圖就是建立飛行甲板空氣流場特性模型的過程。流場特性模型是在不同風速、風向條件下，著艦區不同位置的流速、流向的特征數據的集合，可以用特定數學表達式描述也可用特征數據庫描述，主著艦位置垂直面的特征數據需重點描述。每一型艦艇上層建筑、甲板空間等都不完全相同，因而其流場特性模型也不相同，對不同的艦艇需要分別建立不相同模型。建立該模型可以用實際測量數據通過回歸分析的方法得到，也可以將艦艇縮比模型在實驗室條件下模擬試驗條件測試的方法得到，更為科學合理的方法是將兩者結合起來。

圖2 著艦控制系統流程圖

海浪會造成艦體三自由度偏擺及垂直起伏運動，使預期著艦點變成一個三維空間上的活動點，在著艦控制設計時，必須能準確地預測出飛行甲板上直升機起降點的運動規律，并以此為基準設計出最優的起降軌跡，作為起降飛行的跟蹤制導依據。海浪的運動是呈周期性變化的，它的周期性是很復雜的，可以假定它為若干個不同頻率、不同振幅、不同相位、不同方向的正弦波疊加而成的［4］，以此為基礎建立海浪的運動規律。海浪的作用，會形成著艦區六個自由度:縱搖、搖首、橫搖、沉浮、橫蕩和縱蕩的合成運動，其中縱搖和沉浮主要導致甲板的垂向運動，艦船的搖首和橫搖主要導致甲板的橫向運動，使甲板總處于不規則的顛簸運動之中，我們可以用一個六自由度的小諧波振蕩(與海浪關聯)為基礎來建立艦船甲板的運動方程描述其運動規律。相關聯的海浪運動規律和甲板運動規律就構成了海浪特性模型。

3 結束語

艦載無人直升機系統涉及的技術多，大多較為復雜，處于研究的前沿領域，本文只是站在技術論證的角度梳理了其中的一部分，需要在工程實踐中不斷地發現和解決，才能成功研發出完善的產品來。愿能以此作為起點，推進這一領域的不斷進步。

［1］楊一棟，編著.直升機飛行控制［M］.北京:國防工業出版社，2011.

［2］蔣新桐，主編.飛機設計手冊第19分冊直升機設計［M］.北京:航空工業出版社，2005.

［3］趙然.方興未艾的旋翼無人機［J］.航空知識，2010(11).

［4］海浪譜［EB/OL］.百度 －百科首頁.