系留式多旋翼無人機(jī)的發(fā)展應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

多旋翼無人機(jī)的概念在幾十年前就已經(jīng)出現(xiàn)，并經(jīng)美國等發(fā)達(dá)國家證明：不宜使用以發(fā)動機(jī)為動力的大尺寸多旋翼飛行器。直到進(jìn)入21世紀(jì)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的成熟，微型、低廉、可靠的傳感器得以實(shí)現(xiàn)，無線圖傳、電池和無刷電機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，使得微型多旋翼無人機(jī)被認(rèn)為是一種效率較高的飛行器。具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠性高、采購及使用維護(hù)成本低、使用維護(hù)簡便等特點(diǎn)。但由于受電池容量的制約，目前多旋翼無人機(jī)的載荷能力和續(xù)航時間都十分有限，因此，使用領(lǐng)域和應(yīng)用價值受到限制。

系留式多旋翼無人機(jī)通過牽引電纜系留懸空，電纜將地面電源供給機(jī)載設(shè)備，解決了傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)續(xù)航時間短的問題，作為一種長航時、高任務(wù)載荷的飛行平臺得到廣泛關(guān)注。

系留式多旋翼無人機(jī)具有留空時間長、穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)，與其他系留浮空器相比，隨車機(jī)動性強(qiáng)、目標(biāo)特征小、使用維護(hù)簡單，可廣泛應(yīng)用于監(jiān)視偵察、空中預(yù)警、通信中繼及電子對抗等領(lǐng)域，在我國軍事和民用領(lǐng)域均具有良好的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外研究系留式多旋翼無人機(jī)的時間較早，其中，以色列取得的研制成果最為顯著。目前，國內(nèi)外市場上主要有以下幾型系留式多旋翼無人機(jī)。

MD-1000T四旋翼無人機(jī)

MD-1000T四旋翼無人機(jī)基于MD4-1000平臺改裝而成，與MD4-1000平臺相比，增加了機(jī)載電源模塊，配置備用電池。此系留式多旋翼無人機(jī)于2009年研制成功，可以用于資料收集、協(xié)調(diào)指揮、搜索和救援、通信、檢測及偵察等。

MD-1000T最大起飛重量為5.55kg，空重2.65kg。搭載任務(wù)載荷1kg、0.5kg、0.3kg時最大飛行高度分別為30m、50m、100m，續(xù)航時間為24h。MD-1000T巡航速度可以達(dá)到15m/s，在風(fēng)速為6m/s的環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定拍攝。

HoverMast

以色列天空智慧公司（Sky Sapience）研制的HoverMast是一種可從車輛上起飛的系纜式可懸停無人機(jī)。此飛行器可實(shí)現(xiàn)長時間懸停以及自主起降。HoverMast結(jié)構(gòu)新穎，采用一個涵道式中央升力螺旋槳以及4個可折疊輔助螺旋槳構(gòu)型，輔助螺旋槳用于調(diào)整姿態(tài)，保持穩(wěn)定。全系統(tǒng)可折疊存放于直徑為80cm的集裝箱內(nèi)，展開至升空僅需 15s。該系統(tǒng)使用電纜供電，電纜最大長度為100m，可與車輛電源或與發(fā)電機(jī)相連。HoverMast具有體型小、速度快、自動化程度高等特點(diǎn)，裝備了光電傳感器、激光指示器、雷達(dá)和情報搜集系統(tǒng)。

目前，HoverMast已形成系列化產(chǎn)品，其中，HoverMast-120任務(wù)載荷重量18kg，飛行速度15km/h，續(xù)航時間無限制，最大風(fēng)速限制為12.5m/s。

電子系纜式觀測平臺（ETOP）

以色列航空工業(yè)公司的電子纜繩式觀測平臺（ETOP）與HoverMaster類似，也可以在原地起飛和懸停，并且無需輔助設(shè)備即可降落。其體積較大，有效載荷約20kg，最大工作高度為100m，且可以在固定目標(biāo)上對其進(jìn)行觀測。

科衛(wèi)泰KWT-TMOP-100

由于系留式多旋翼無人機(jī)也是近幾年才發(fā)展的，所以國內(nèi)研制單位不多，大多是在進(jìn)行技術(shù)探索。

深圳市科衛(wèi)泰實(shí)業(yè)發(fā)展公司也對有纜無人機(jī)進(jìn)行了研究，并研制了有纜多旋翼KWT-TMOP-100，最大起飛重量為15.2kg。

全華時代電力系留觀察平臺

天津全華時代航天科技有限公司也在進(jìn)行電力系留觀察平臺的研制，有六旋翼構(gòu)型和涵道風(fēng)扇式構(gòu)型兩種。

六旋翼平臺起飛重量為8kg，使用380VDC供電，具有系留電纜收放裝置，支持機(jī)械升降臺，具有一鍵起降、自主懸停以及跟隨飛行功能。留空時間長，覆蓋面積大，能源消耗低，可以通過各種通信設(shè)備對地物、地貌和人員、設(shè)施等自動完成攝像、信息偵察、遠(yuǎn)距離通信等任務(wù)。

涵道風(fēng)扇式構(gòu)型依靠地面供電，可用作觀測、指揮、調(diào)度、通信中繼等飛行平臺。可以無限航時滯空進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)或面對面觀察監(jiān)測，并可以隨車移動，全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一鍵式操作，人員無需特別培訓(xùn)且無需另配維護(hù)人員。此型飛行器可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行定制，有效載荷分別為10kg、20kg、50kg，最大懸停高度100m，一鍵式起降工作，工作溫度-40℃～50℃。

軍事應(yīng)用分析

系留式多旋翼無人機(jī)可用于島礁駐防、海軍巡邏、邊防部隊巡邏、武警反恐維穩(wěn)、消防以及海事監(jiān)管、災(zāi)害評估等領(lǐng)域，尤其在復(fù)雜的城市使用，其安全性更高、適應(yīng)性更強(qiáng)，民用領(lǐng)域可用于災(zāi)害區(qū)通信中繼、照明等。

島礁駐防監(jiān)視

目前，我軍島礁駐防監(jiān)控力量主要依靠駐防部隊和軍艦巡航，少部分島礁設(shè)有駐防部隊，艦艇巡視速度慢、頻率低、使用成本高，因此，對島礁不能實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)控，導(dǎo)致多數(shù)島礁長期處于無設(shè)防狀態(tài)。系留式多旋翼無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)全天候?qū)o駐防島礁的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)并阻止他國在我島礁的非法行動。作為監(jiān)控平臺，它可以實(shí)現(xiàn)全天候?qū)u礁進(jìn)行360°無死角監(jiān)控，縮短駐防官兵巡邏周期。搭載高性能光電吊艙后可以實(shí)現(xiàn)對視距外海況進(jìn)行有效監(jiān)視，擴(kuò)大島礁守護(hù)范圍，提供超視距守護(hù)能力。

陸、海邊防監(jiān)視

陸地及海岸較為平坦的邊防線上可以使用系留式多旋翼無人機(jī)作為移動巡邏平臺，邊防巡邏部隊配備搭載高性能光電吊艙的系留式多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)可以有效提高士兵巡邏視野，擴(kuò)大監(jiān)視范圍，同時減輕士兵徒步巡邏體能消耗。另外，此系統(tǒng)還可以布置在軍事敏感區(qū)或哨所，以固定站方式配備，通過鋪設(shè)光纖電纜到哨所或監(jiān)控室，監(jiān)控人員可以不離開哨所24h進(jìn)行巡視監(jiān)控，降低巡邏監(jiān)視強(qiáng)度。

軍艦移動瞭望塔

軍艦搭載配備高性能光電吊艙的系留式多旋翼無人機(jī)作為移動瞭望塔，在一定程度上可以免去使用超視距雷達(dá)對視距外目標(biāo)進(jìn)行搜索。軍艦及飛機(jī)都具有反雷達(dá)裝置，可以獲悉是否被對方雷達(dá)鎖定，采用高性能的光電吊艙攝像系統(tǒng)可以免于被對方設(shè)備發(fā)現(xiàn)。因此，就不存在被敵超視距雷達(dá)鎖定其位置的可能性，與超視距雷達(dá)配合使用可以提高軍艦在視距外的隱身性。高性能光電吊艙拍攝的監(jiān)視畫面以及先進(jìn)的圖像處理技術(shù)可提高移動瞭望塔性能，可以獲取目標(biāo)的圖像，提升其甄別精準(zhǔn)性，進(jìn)而提高軍艦戰(zhàn)場生存能力。

裝甲部隊偵察及目標(biāo)指示平臺

目前，裝甲車上監(jiān)視平臺距離短、觀測范圍小以及無人直升機(jī)偵察時存在實(shí)時互通情報或協(xié)同難度大等問題，裝甲部隊缺乏有效的偵察手段。尤其在城市、森林等復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境里，更加缺乏有效的偵察手段。通過裝甲車或者車輛載運(yùn)系留式多旋翼無人機(jī)，可以在停止固定后將系留式多旋翼無人機(jī)升空展開，進(jìn)行定點(diǎn)懸停偵察，或者跟隨車輛飛行，進(jìn)行空中飛行偵察，能夠有效地彌補(bǔ)裝甲部隊偵察手段，提高偵察能力，甚至提高目標(biāo)指示打擊能力。

武警反恐維穩(wěn)

小型多旋翼無人機(jī)飛行高度為150m時，地面幾乎無氣動噪聲，武警反恐部隊配備系留式多旋翼無人機(jī)，在偵察恐怖分子行蹤時，可以低噪聲隱蔽地獲取恐怖分子高質(zhì)量的監(jiān)控畫面，提高對恐怖分子打擊能力。可以在反恐維穩(wěn)作戰(zhàn)時有效提升對恐怖分子的監(jiān)視，獲取恐怖分子的準(zhǔn)確行動動向，作為反恐任務(wù)的戰(zhàn)場指示，便于及時布置反恐戰(zhàn)術(shù)并可以降低偵察人員傷亡數(shù)目。

關(guān)鍵技術(shù)分析

目前，制約系留式多旋翼無人機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)有跟隨控制技術(shù)、電力供應(yīng)、系統(tǒng)抗風(fēng)抗擾性能問題。

高度與位置精確控制技術(shù)

系留式多旋翼無人機(jī)需滿足能夠精確跟蹤車輛位置，常用工作模式為：懸停在車輛上方和跟隨車輛移動。

由于飛行器與地面車輛保持相對高度飛行，當(dāng)?shù)孛孳囕v速度較快時，地面車輛、系留繩和無人機(jī)之間的耦合擾動加強(qiáng)，飛控系統(tǒng)需基于地面車輛和飛行器兩者的相對位置進(jìn)行控制。

車輛在平坦路段行駛時，飛行器保持定高跟隨車輛飛行。國家規(guī)定基地機(jī)動車道坡度不小于0.2%，不大于8%，其坡長應(yīng)小于200m。公路較為平坦，高度控制容易實(shí)現(xiàn)。若車輛行駛在起伏路段，需要考慮飛行器與地面車輛相對位置信息的獲取以及對飛行器高度的控制策略，飛控策略需著重處理車輛在坡度較大的公路下坡行駛時飛行器與車輛之間的相對飛行高度的跟隨飛行。因此，能否實(shí)現(xiàn)高度及位置的精確跟蹤是系留式多旋翼無人機(jī)能夠高效、安全應(yīng)用的關(guān)鍵。

起降階段安全處理

系留式多旋翼無人機(jī)的起飛與降落階段風(fēng)險最高，主要源于風(fēng)載影響以及電纜收放裝置收放線速率的控制。

起飛階段

飛行器垂直起飛速率恒定時，隨著高度的增加牽引繩產(chǎn)生的風(fēng)載作用力也逐漸增加，陣風(fēng)對線纜的風(fēng)載效果造成對全機(jī)穩(wěn)定性干擾的加大。隨著飛行器高度變化，線纜卷盤半徑也發(fā)生變化，需協(xié)調(diào)卷盤出現(xiàn)速度，以防止卷盤出線速度過慢導(dǎo)致線纜被飛行器拽直處于繃緊狀態(tài)進(jìn)而導(dǎo)致飛行器平臺失穩(wěn)。

降落階段

需要保持無人機(jī)位置和姿態(tài)的精確控制，線纜的回收速度需能夠及時、精確地跟蹤飛行器下降速度。無人機(jī)下降過快容易造成線纜收放不及時而產(chǎn)生線纜打結(jié)現(xiàn)象，造成電纜損壞，下降過慢會導(dǎo)致電纜拖曳效應(yīng)加大，干擾增強(qiáng)，對姿態(tài)和位置控制產(chǎn)生干擾。

飛行器回收階段的處理策略關(guān)乎其安全性，需要著重考慮如何實(shí)現(xiàn)線纜收放與飛行器起降的步調(diào)。

高性能系留電纜

小型無人機(jī)多采用電池作為動力源，飛行過程中固定翼類飛行器的重量主要由機(jī)翼承擔(dān)，因此，電機(jī)只需為推力螺旋槳提供動力，其效率高、推重比也較高。與固定翼類飛行器不同，多旋翼無人機(jī)自身重力也需由螺旋槳承擔(dān)，因此，對電池功率消耗較大，受限于電池容量，其留空時間不長。

采用系留電纜的多旋翼飛行器可以提高航時，但是仍存在一系列問題，如高功率條件下壓降較大，功率損失較多且散熱問題突出，線纜重量大大限制飛行高度，影響其使用性能等。表1列出了幾種常用型號電纜的性能參數(shù)。

上述型號電纜為航模常用電纜，性能較好。由于系留式多旋翼無人機(jī)飛行高度不能太低，選取飛行高度100m、總功率10kw、電壓100V/200V來計算，則電纜壓降及耗能等參數(shù)如表2和表3所示。

由表2、表3可以看出，在高功率工作狀態(tài)下系留線纜成為研制系留式多旋翼無人機(jī)的瓶頸，將會帶來壓降較多、功率損耗多、線纜散熱不良且線纜重量重多個問題。在技術(shù)允許的條件下，選用高壓供電可以降低功率損耗，但由此將會帶來對線纜研制的嚴(yán)苛要求。因此，高性能系留電纜的研制是系留式多旋翼無人機(jī)研制的關(guān)鍵。

電纜對飛行器平臺的風(fēng)載氣動干擾

系留式多旋翼無人機(jī)因受線纜的約束、外界陣風(fēng)干擾、高度上下浮動且呈非對稱性，線纜自重以及氣流干擾對高度及位置的干擾比較嚴(yán)重。線纜為柔性體且質(zhì)量較輕，氣流吹過時會對線纜產(chǎn)生較強(qiáng)的氣動力。由于線纜固定在飛行器平臺上，風(fēng)載氣動力會對全機(jī)造成干擾。

系留式多旋翼飛行器線纜對飛行器平臺的風(fēng)載氣動干擾與直升機(jī)掛裝水桶的情況不同，掛裝水桶的直升機(jī)由于其下方吊掛造成吊掛鋼索處于繃直狀態(tài)，重物及鋼索對直升機(jī)造成的干擾隨直升機(jī)飛行速度變化率的變化而不同，氣流對其產(chǎn)生的作用力作用于直升機(jī)上的擾動較小。系留式多旋翼飛行器電纜由于其自身的作用為提供電能且有效載荷有限，因此，無法采用掛裝重物的形式來繃直電纜。柔性的線纜受到氣流的吹動會產(chǎn)生不定方向的作用力，這個作用力傳導(dǎo)至機(jī)身會對平臺的穩(wěn)定性造成影響。目前，線纜風(fēng)載對平臺的干擾無法計算，因此，研究此項內(nèi)容對改善飛行器平臺的穩(wěn)定性具有重要意義。

結(jié)束語

系留式多旋翼無人機(jī)是一種高效的懸空偵察平臺，使用方便，效費(fèi)比高，具有廣闊的市場及應(yīng)用價值，同時其研制需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)也較多，且上述所列舉的關(guān)鍵技術(shù)嚴(yán)重制約著系留式多旋翼無人機(jī)的發(fā)展。國內(nèi)能夠滿足其功能的關(guān)鍵技術(shù)尚未攻克，因此，研制一款可靠性高、續(xù)航時間長、任務(wù)能力較強(qiáng)的系留式多旋翼無人機(jī)還需攻克技術(shù)難題，這些關(guān)鍵技術(shù)也將推動無人機(jī)全行業(yè)的發(fā)展。

（方毅，中國直升機(jī)設(shè)計研究所）