固定翼無人機回收與發射系統發展綜述

杜聰聰+李武軍+陳朝浪+馬明旭

摘 要 本文綜述了固定翼無人機回收發射技術現狀。同時結合了航天領域，對艦載機的回收、發射技術和發展現狀進行介紹和分析。在當前無人機需求旺盛，行業發展突飛猛進的背景下，當今無人機行業尚未出現一套完備、實用、穩定的無人機回收發射一體化裝置，也正是由于這個問題的存在，限制了無人機技術領域實現全面、完備、高速的發展。全新的無人機回收發射一體化裝置還有待創新和研究。

關鍵詞 固定翼無人機；回收；發射；一體化

中圖分類號 V27 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）160-0113-03

無人機（UAV）又稱“空中機器人”，主要包含無人機載體、地面站（例如發射回收裝置）和有效負荷[1]。

按照飛行平臺構型的不同，無人機可以分為固定翼、旋翼、無人飛艇、傘翼、撲翼等[2]。無人機產品形態結構各異、功能復雜，但飛行原理相似。正是由此，為無人機回收發射技術發展，并滲透到各個領域中提供基礎。

在無人機體系中，許多關鍵技術起決定作用，有氣動、人工智能、通信、發射回收技術等[3]。傳統的無人機的發射方式，很難實現連續循環發射的無人化、智能化和自動化。傳統無人機分為陸基、空基、海基發射技術只適合運用于軍事行業，其它領域依靠手拋和軌道起飛方式。不能真正體現無人機的靈活性，約束無人機的任務半徑。小型無人機的發射有采用容器式裝置發射的[4]。無人機運用在哪方面，都無法解決發射和回收局限性的問題。

1 無人機發射技術

一般無人機發射方式有火箭助推、液壓、氣壓彈射和地面滑道起飛等。大型無人機一般利用地面滑跑起飛的方式，中小型無人機則采用費用極高且安全措施高的彈射起飛方式。傳統的液壓彈射系統和氣動彈射系統通常占地面積大、展開撤收困難[5]。

1.1 手拋發射

手拋發射，由操作手投擲無人機到空中，實現起飛過程。手拋發射一般用于體積小、質量小的小微型無人機，如美國大烏鴉、指針無人機，英國MSV-10無人機。但是這對發射者提出一定的要求，發射時要注意投擲力大小和方向[6]，從而確保無人機發射成功。

1.2 蓄能彈射發射

彈射起飛是將彈性勢能轉換為機械動能，使無人機加速到安全起飛速度。彈射起飛的優點是機動靈活性好、安全隱蔽性好；其缺點是發射質量不能太大，滑軌不能太長。按發射動力能源的不同，彈射起飛可分為液/氣壓彈射、彈力彈射、電磁彈射和燃氣彈射等多種方式[6]。

以色列拉斐爾公司生產的一種便攜式小型無人機云雀。當操作人員在空間約束無法跑著發射無人機時，可以采用發射管發射。

1.3 氣動液壓發射

20世紀90年代國際上發展起來的一種先進的導軌動能彈射起飛方式，主要采用氣液壓能源作為無人機彈射起飛的動力。由于技術復雜，最初只有美、英等少數國家掌握此項技術，如美國影子200和天鷹。發射過程，無人機首先固定在滑車上，滑車就位、鎖定，進行液體壓縮氮氣儲能。滑車到達滑軌終點時在液壓剎車裝置作用下停住，無人機離開滑車飛向天空[7]。但是，所需配套裝置比較冗雜，需要一定數量的操作人員，耗能和噪聲較大，機動隱蔽性差。

1.4 彈藥火箭發射

原理和氣動液壓發射類似，該系統由機體、發射車、地面測控站、和火工品等部分組成。采用上單翼、雙尾撐、后推式總體氣動布局，飛行平穩度高、續航時間長；具有衛星、無線電、航程推算三種定位及組合導航方式；具有在云、霧、雨（中陣雨）氣象條件下晝夜執行飛行任務的能力（如圖1）。

火箭助推系統推力線控制與調整要求復雜且不能重復使用，火箭脫落時與后置式動力裝置發生干涉，而且設計火工品的儲存和使用，費用高昂，且發射時具有聲光煙信號，容易暴露目標。

1.5 地面滑跑起飛

該方式主要是利用無人機自身發動機的推力，驅動無人機在跑道上加速起飛，這與當前的固定翼人駕駛飛機起飛原理相像。主要分為起飛滑跑起飛和輪式起落架滑落起飛。地面滑跑起飛的優點是發射系統簡單可靠，配套地面保障設備少，加速過程的過載小。而缺點是需要跑道設施和較好的地況要求，機動靈活性比較差。一般的，對于起落架的結構設計會較大程度影響飛機載荷大小和安全性。

1.6 旋轉拋射起飛

西北工業大學當前研究出一種無人機旋轉拋射裝置[5]。該裝置通過控制旋轉拋射裝置電機的旋轉速度將中小型無人機的發射速度在0m/s～50m/s之間，能夠有效減小中小型無人機在起過程中的過載，延長無人機的使用壽命，具有生產制造費用低、占地面積小、操作方便并且能夠車載和艦載使用的特點。

然而，該裝置發射無人機時受到無人機的尺寸、結構的影響，由于無人機承載任務載荷所導致的重心偏移，發射過程中的慣性力消除有所難度。同時，飛機的爬升高度對裝置的結構也有較大地限制。

2 無人機回收技術

無人機回收方式較少，主要著眼于緩沖吸能目標上，主流為撞網回收、傘降回收、著陸滑跑回收、垂直降落回收、中空回收和氣墊回收。

2.1 撞網回收

主要由攔截網、吸收能量裝置和引導設備構成。攔截網承擔吸能緩沖的任務，用來吸收無人機撞網后來回擺動能量，防止觸網后彈跳不停，以致損傷。自動引導裝置是網后面的移動攝像頭，時刻捕捉無人機返航后，進入回收空域，隨時報告無人機的相對回收裝置的三維坐標。

但是，該攔截也存在一些劣勢。當無人機返航時，需要有操作人員時刻關注監視器的狀況，根據無人機的實時位置，來半自動地無人機的飛行姿態，修正無人機飛行路線，對準地面攝像機的瞄準線，飛向攔截網。同時，無人機的降落速度、重量和載荷也要考慮，以免損壞攔截網[4]。

2.2 傘降回收

傘降回收方式是無人機在回收降落的時候，機身在降落傘的牽扯作用下，機身反轉180°，機體腹部朝上背部朝下，機背的著陸氣包在碰地的時候充氣撞擊地面，起到緩沖的作用，從而保護了內部的各種儀器[8]。同樣，英國的“小鷹”使用傘降回收方式進行著陸，機背的汽包充氣先著陸保護機體內部的設備不受損害[9]。

系統還是存在很多不足之處，主要回收的精度達不到預期的要求，飛機著陸姿態不當或速度過大，導致機體部件或任務負載損毀。無人機的機體或者負載損毀的主要原因是著陸姿態不當，例如機頭垂直撞向地面，或者速度過快[10]。

2.3 著陸滑跑回收

在1.5中也有敘述，在著陸滑跑回收當中，起落架滑輪著陸的回收方式與有人機類同。不同之處，無人機的著陸回收方式有特有的優勢。固定翼無人機對跑道要求相對有人機要求比較寬松。有些無人機回收架允許損壞，作為吸收能量緩沖的過程。另外，為了縮短著陸滑跑距離，會對無人機進行設置攔阻索攔截。例如在機尾安裝鉤狀結構，著陸時勾住攔阻索，實現無人機降落。

3 無人機回收發射一體化技術

3.1 旋轉拋射一體化技術

東北大學IBIT仿生智能團隊提出一種旋轉拋射無人機發射與回收一體化裝置，包括支撐架、大臂、發射/回收臺。該裝置結合無人機回收與發射的運動特點，利用仿生學原理，模仿手臂抓取運動物體和拋射物體的兩個過程，把無人機的回收和發射兩個過程整合到一起。優化方法分析大臂旋轉和大臂上的曲柄滑塊機構合成運動的軌跡，得到一段無人機發射時所需的軌跡[11]。

經過實驗，該裝置也存在一些不足，在機械部分：現實裝置比較大，旋轉慣性大，加工精度難度和材料比較困難；旋轉裝置體積、重量變小后，對于回收發射的緩沖曲線擬合不明顯，吸能效果可能不佳。而對于控制部分：對于無人機回收，動態性捕捉、握手信息交互技術要求較高；裝置的反應速度要求比較高，由于裝置的旋轉部分的慣性比較大，有滯后性，對機械動力的機動性要求高。

3.2 彈射回收一體化技術

針對上述旋轉拋射無人機發射與回收一體化裝置的短板，從簡易型和使用的角度提出一種基于STM32彈射回收一體化的裝置（如圖2）。調整機架的角度，選擇合適的回收與發射角度。根據無人機速度特性，與物體同向運動，形成順應性主動緩沖。當無人機回收后，緩沖網主動張開，將無人機姿態調整到回收平臺中部，發射臺與回收平臺之間由鎖緊裝置連接，蓄能、觸發張開鎖緊裝置，釋放發射無人機。

本裝置對固定翼無人機的回收實現網式的柔性緩沖，能有效降低無人機的損傷。采用主動和被動緩沖相結合的方案，較大地提高回收平臺對無人機動能的吸能的效果；機構簡單靈巧，整個過程幾乎無須人為干預。自主操作降低了失誤率，提高了回收精準度，降低人為成本。對需要對回收吸能緩沖和調姿進一步優化，進一步提高實現無人機的自動定點降落精度

3.3 一種無人機綜合方艙系統

一種無人機綜合方艙系統[12]，包括卡車、分段式方艙、無人直升機、地面指揮測控站、自動發射回收與升降控制系統、維護保障系統及電源系統。自動發射回收與升降控制系統為無人直升機的投放平臺。各個系統集成于一個綜合方艙內，同時具備無人直升機的機動儲運、發射回收、任務部署、指揮控制、現場維護保障等多種功能，能高效快速地完成無人機的任務部署。

3.4 其他領域的一體化技術

3.4.1 水體捕捉和炮彈發射技術

當前國外出現一種用于從水體中捕捉目標物體的方法、設備以及計算機程序產品[13]。該方法將水體空間劃分為不同軌道，通過捕捉裝置和目標物的軌道相對位置和速度，來實時分析、確定裝置的運動狀態。對于在水體發射，現有潛射戰術導彈射擊訓練中，對于導彈彈道的監控只有出水之后的空中彈道，而水中段尚無有效的監測手段。而水中段是最薄弱環節，導彈最易出現故障且故障原因難以確定[14]。同時，潛射導彈出水過程中受到海浪作用的擾動，對導彈水彈道參數產生一定影響，西北工業大學航海學院提出基于蒙特卡洛法思想，結合波浪隨機性特點，闡述了不同海況和主浪向參數波浪影響下彈道參數其變化規律[15]。水體捕捉和導彈潛射軌道模擬，兩者并沒有太多的技術結合點。

3.4.2 艦載機回收、發射技術

航母艦載機的起飛和回收技術是一項重要的軍事裝備技術。目前蒸汽式彈射器[16]是現役的航母上主要采用的技術方案。但隨著航母噸位和艦載機起飛質量的增加，要加大彈射能量和提高自動化程度及其控制精度。

從20世紀初，航母上一直都未有專門用于輔助艦載機降落的著艦設備而是通過甲板末端左側的著艦信號官指引。應戰爭需要，出現了等角下滑技術和光學助降系統，例如菲涅爾透鏡光學助降系統。人工導引著艦方式易受到氣象等環境因素的影[17]，針對這些缺點，出現了聯合精密進近與著陸[18]（艦）系統，應用GPS動態載波相位跟蹤技術的航空母艦艦載機著艦系統[19]所有現役航母上正在使用的惟一的一種阻攔裝置是液壓緩沖阻攔裝置。目前，由于相關技術很敏感，國外發表的艦載機阻攔技術相關理論研究的文章很少[20]。國內研究大多停留在攔阻索建模仿真和動力學分析上上面，實質性進展較少。

4 結論

隨著無人機技術的飛速發展，特別對無人機使用的生存率、機動性和可靠性提高需求強烈，這對發射、回收系統的設計以及技術應用提出了更高要求。當前蓄能彈射方式應用較廣，具有隱蔽性好、經濟性好和適應性好等優點。

無人機的回收發射一體化技術，既要滿足傳統對無人機的可靠發射、回收的基礎上，還能實現更好的無人機停放、管理、交換信息的任務。而且回收平臺的設計還能實現對回收后無人機的自動化信息采集和自動化充電，減少了人為干預，提高了執行效率。由于無人機自動化定點降落技術還有較大地技術門檻，回收與發射一體化、自動化的技術還未成熟。

參考文獻

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