固定翼無人機發射與回收技術發展綜述

曹浩楠++黃建峰++安城輝++楊鶴猛++謝璐

摘 要：綜述了固定翼無人機的發射與回收技術發展，結合軍民領域無人機需求旺盛、發展迅速的特點，特別對蓄能彈射和傘降、垂直起降、一體化起降等發射與回收技術著重闡述，并對各類固定翼無人機的發射與回收技術現狀、優缺點、應用領域和發展趨勢分別進行了介紹和分析，為固定翼無人機發射與回收系統設計方案選擇提供了一定參考。

關鍵詞：無人機 固定翼 發射 回收 起降方式

中圖分類號：V27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（a）-0020-03

Abstract： Technology development for emission and recovery of fixed wing UAV is summarized. Combined with great demand and rapid development of UAV characteristics in military and civil fields， emission and recovery technology has been described， including energy storage ejection and parachute landing， vertical take-off and landing， integrated take-off and landing， etc. Whats more， introduction and analysis of the technologys current status， advantages， disadvantages， application fields and development trends are provided respectively. With this review， references will be provided for designing of fixed wing UAVs emission and recovery system.

Key words： UAV； Fixed wing； Emission； Recovery； Take-off and landing way

當前，固定翼無人機的應用過程分為展開、起飛、飛行、降落、撤收等過程環節，其中飛行已經可以手控或程控飛行，起飛和降落很大程度上仍依賴于操控手人工完成，主要是受限于發射與回收技術的成熟度和起降條件。在固定翼無人機設計時選擇合理的發射與回收方案，在應用時選擇合適的起降條件，對實現固定翼無人機系統的安全性和無人化作業至關重要，良好的發射與回收裝置不僅可有效提升無人機機動靈活性、氣象和地域適應性、重復耐用性和經濟性，也有利于無人機系統作業效能的提高[1-3]。

固定翼無人機發射和回收方式眾多，發射方式的設計主要是對無人機速度和高度瞬時增大過程中的動力加注方式，包括滑跑起飛、彈射、手拋、垂直起飛、火箭助推和空投等[4]，固定翼無人機回收方式主要是對運動無人機速度和高度減小過程中的緩沖吸能方式的設計上，包括著陸滑跑、傘降、著陸擦地、氣囊和氣墊回收、垂直降落、中空回收、繩鉤和撞網回收等[5-6]。根據發射和回收場地，又可分為陸基、空基、海基、車基、船基等，根據發射動力又可分為自力和他力等[7]。各國對無人機發射與回收技術進行了大量研究和嘗試，一些發射和回收技術只適于特定軍事用途，固定翼無人機發射與回收裝置的無人化、自動化、便捷性和耐用性仍較大限制了民用的靈活性和經濟性。

近年來，固定翼無人機在我國電力、石油、交通、測繪、環保、海事等多行業領域快速發展應用，對無人機應用的生存率、機動性和可靠性需求強烈，這對固定翼無人機的發射和回收裝置提出了更高要求。為此，本文結合軍民領域固定翼無人機應用需求，系統地對各類固定翼無人機的發射與回收技術現狀、優缺點、應用領域和發展趨勢進行介紹和分析，旨在為固定翼無人機發射與回收裝置設計選擇提供價值參考。

1 無人機發射技術

1.1 滑跑起飛

滑跑起飛是通過動力裝置的自力推動實現加速升空。根據滑跑的基體，可分為跑道、車載、水面起飛方式。地面跑道起飛方式的發射系統相對簡單可靠，所需配套保障設備少，加速過程過載小，而車載和水面發射擺脫了對起飛跑道和地況的依賴，具有更好的機動靈活性。傳統的跑道式固定翼無人機起飛方式與有人機類似，但對起落架和跑道的要求不如有人機苛刻，一般適合較大型無人機，如美國捕食者、全球鷹，以色列蒼鷺、赫爾墨斯，英國守望者，中國彩虹系列，美國的“禿鷹”和巴西的BQM-1BR還采用了可棄式起落架。車載起飛方式，起飛車充當了無人機起落架，達到起飛速度時，無人機可飛離起飛車升空，如英國天眼無人機。水面起飛方式使無人機擺脫了對跑道和起飛車的依賴，再配合可收放起落架，適用條件更為廣泛，如加拿大SUWAVE小型太陽能固定翼無人機，中國U650大型固定翼無人機，順豐公司也在試驗其用于物流的水陸兩棲大型固定翼無人機。

1.2 彈射起飛

彈射起飛是通過彈射裝置的外力推動，將彈性勢能、液/氣壓能、熱能、電磁能等不同形式能量轉換為機械動能，使無人機在一定長度的滑軌上實現加速升空。根據彈射儲能的類型，可分為彈力、液/氣壓、燃氣和電磁等彈射方式。彈力彈射是以瞬態伸縮性極強的彈性部件（如彈簧、橡皮筋）為起飛動力輸出，受限于彈性部件能效水平，適用于輕小型無人機，已廣泛應用于軍民多領域，如美國波音公司掃描鷹，法國“瑪爾特”MK II，天津航天中為公司的ZW系列無人機。液/氣壓彈射是采用液/氣壓能源為起飛動力輸出，隱蔽性和經濟性好，如美國影子200、英國“不死鳥”和瑞士“巡邏兵”。燃氣彈射是借助火藥燃燒產生推力在火炮身管內完成加速發射過程，又稱炮射無人機，如美國陸軍已裝備的“快看”炮射無人機，加拿大CL-289，英國“火影”炮射無人機，俄羅斯R-90，機長1.42m，翼展2.56m，重42kg，由俄制“龍卷風”火箭炮200mm大口徑火箭彈發射，比利時“食雀鷹”在自帶的M3型火箭助推器作用下從2.5m短軌上發射。電磁彈射是將無人機攜帶通電電樞置于直線電機產生的電磁場中，利用電磁力使其完成加速發射過程，其發射用時更短、效率更高，便于大范圍和精確調節彈射能輸出，適用于從輕型到重型無人機。endprint

1.3 手拋發射

手拋起飛是通過操作人員徒手投擲無人機到空中實現加速升空。手拋發射方式一般適用于尺寸小、重量輕的微小型無人機，如美國大烏鴉、英國沙漠之鷹-3、法國DT18、瑞士ebee、我國彩虹802等。

1.4 垂直起飛

垂直起飛是指無人機能夠以初始零速度垂直起飛升空，并具備空中懸停能力。目前垂起固定翼廣泛采用推力換向的原理，即起飛時推力向上，轉入水平飛行時推力向前傾轉，同時由機翼承擔部分或全部升力[8-9]。它綜合了直升機起飛對場地依賴小和固定翼飛行效率高的優點，可分為傾轉旋翼式，如貝爾與波音直升機公司的“鷹眼”；傾轉機身式，如自由翼航空機器人公司的“蝎”式無人機；相比傾轉旋翼式，傾轉函道式是將傾轉的旋翼換成了風扇，如美國OAV，傾轉機翼式是將旋翼連同機翼一起偏轉，如格魯門公司的754型無人機；尾座式，如極光飛行科學公司的“金眼-100”、克萬德公司的“無風-3”和成都飛機工業公司的VD200；旋翼/機翼轉換式，如美國“蜻蜓”和成都縱橫自動化技術有限公司的“CW-大鵬”系列。

1.5 其他發射方式

其他發射方式包括空中投放、旋轉拋射、潛射等。

空中投放是指無人機被其他母體飛行器運載到空中借助相關技術放飛。母體飛行器可以是有人機、無人機或特殊彈體。借助母體飛行器投放無人機，展開速度快，具有小型化、維護和使用便利的優點，但也存在作用距離短、續航時間短、不易回收和重復使用等缺點。典型的有意大利的“米奇拉”100由Agusta A109直升機空中發射，美國廣域偵察無人機（WASP）由子母彈攜帶投放，盾牌無人驗證機則通過P-3C母機的機翼或彈艙內發射，掃描鷹無人機可由其他無人機空中投放。

旋轉拋射是利用通用旋轉拋射裝置鎖緊無人機，通過控制裝置內電機的旋轉速度達到無人機起飛速度時拋射放飛。這種發射方式適用于中小型固定翼無人機，可有效減小無人機起飛時的過載，從而延長其使用壽命。該裝置由西北工業大學發明并申請了專利[10]。

潛射是從潛艇內水下發射無人機。根據無人機在水下段是否直接接觸水環境，分為干式發射和濕式發射。干式發射是將無人機折疊后裝入運載器，通過發射運載器將其送至水面，出水過程中完成與運載器的分離，如“海上搜索者”。濕式發射是將無人機裝于潛艇彈道導彈的發射管內發射，如“鸕鶿”。

2 無人機回收技術

2.1 滑跑降落回收

滑跑降落是通過起落架滑輪著陸和跑道滑行緩沖實現能量吸收的回收方式。根據滑跑的基體，可分為跑道、車載、水面降落方式。不同滑跑降落方式的技術特點和滑跑起飛類似，1.1中已敘述，一般能夠支持滑跑起飛的固定翼無人機，也能夠支持同樣的方式進行滑跑降落。傳統的跑道式固定翼無人機降落方式，如美國捕食者、全球鷹，以色列蒼鷺，中國彩虹系列。車載降落方式，行進的車載平臺充當停機坪，德國航空航天中心已成功試驗了“企鵝”太陽能無人機，可穩定降落在75km時速的車輛頂部。水面降落方式，如加拿大SUWAVE小型太陽能固定翼無人機，中國U650大型固定翼無人機，美國RQ-20A無人機則可以在水面和艦船等平臺區域降落。

2.2 傘降回收

傘降回收是通過無人機帶著降落傘到達回收區域和適當高度時開傘降落實現速度緩沖的回收方式。根據降落區域，可分為陸地傘降和水面傘降。前者一般配置滑橇減震器或充氣氣囊，著陸時起到緩沖作用，后者一般配置浮筒氣囊或密封機體，著陸時起到漂浮作用。傘降回收一般應用于低速無人機，發動機停車時通過引導傘/阻力傘使飛機急劇減速和降高，并拉出主降落傘，主傘一次充氣漲滿開傘，主傘類型包括平面圓形傘、方形傘、十字形傘、沖壓式翼傘等。傘降回收具有結構簡單、場地要求不高、經濟性好等優點，尤其十字形傘因其性能穩定、工藝簡單、開傘動載小的優勢，在低速無人機廣泛應用。傳統的跑道式固定翼無人機降落方式，如美國捕食者、全球鷹，以色列蒼鷺，中國彩虹系列。車載降落方式，行進的車載平臺充當停機坪，德國航空航天中心已成功試驗了“企鵝”太陽能無人機，可穩定降落在75km時速的車輛頂部。水面降落方式，如加拿大SUWAVE小型太陽能固定翼無人機，中國U650大型固定翼無人機，美國RQ-20A無人機則可以在水面和艦船等平臺區域降落。

2.3 擦地著陸回收

擦地著陸回收是通過無人機與地面摩擦阻力實現速度緩沖與能量吸收的回收方式。需要對無人機機體和任務載荷采取保護措施，防止著陸撞擊和滑行摩擦造成損傷，經典方式是采取氣囊著陸原理，即在無人機機腹四周安裝橡膠裙邊，中間留出帶孔氣囊，發動機把空氣壓入氣囊，壓縮空氣從氣囊噴出，在機腹下形成“氣墊”式的高壓空氣區，該氣墊能支托無人機緩沖貼近地面時的沖擊力。擦地著陸不受地形條件和機型大小限制，回收率高，但容易造成機體損傷。如英國UMAC11飛翼式無人機，完成任務后靠機腹著陸回收，英國“大鴨”I型無人機，機身下裝有著陸滑橇，機翼裝有翼尖滑橇，可有效吸收著陸撞擊力，超輕型材質的小型手拋機如ebee等，也采用擦地著陸回收方式，莫斯科無線電技術科研所公司利用3D打印打造了一款代號“水鴨”的全地形氣墊式載人無人機。

2.4 垂直降落回收

垂直降落回收是通過固定翼發動機推力抵消重力實現速度緩沖至著陸的回收方式，可以依靠主發動機推力在垂直方向的分力作用，也可以配置著陸專用發動機，在著陸專用發動機推力和主發動機推力在垂直方向的分力共同作用下實現減速和著陸。垂直降落回收方式只需小面積回收場地，不受回收區地形條件限制，機動靈活性高。不同垂直降落方式的技術特點和垂直起飛類似，1.4中已敘述，一般能夠支持垂直起飛的固定翼無人機，也能夠支持同樣的方式進行垂直降落。如“鷹眼”、“金眼-100”、“蜻蜓”等。

2.5 其他回收方式

其他回收方式包括繩鉤、撞線、攔阻著陸、部分回收和空中捕獲等。如以色列的“先鋒”“猛犬”在機尾裝有尾鉤，著陸滑跑時，尾鉤鉤住地面攔截繩，可有效縮短著陸滑跑距離。如美國“蒼鷹”、以色列“偵察兵”都支持攔阻網著陸回收，其返航時一般要求以小角度下滑，時速降到120以下時，地面站確定返航航跡偏差并修正飛行路線，使無人機對準攔阻網中心線飛行攔阻網，艦載“銀狐”無人機也是采用攔阻網回收。如美國的D-21/GTD-21型無人機，完成任務返航至回收陣地時，照相艙被彈出傘降，機體部分墜毀。如美國“掃描鷹”無人機，采用“天鉤”對無人機撞線回收，負責對其發射和回收的無人機系統牽引一根纜繩由其自主捕獲實現空中回收。endprint

3 無人機發射回收一體化技術

發射與回收緊密聯系，從能效設計考慮，同種工作方式的發射與回收一體化可有效提升飛機整體效能，如滑跑起飛則支持滑跑降落。固定翼無人機的發射與回收系統的高度融合一體化，發射與回收多種手段的綜合運用也成為其向著高可靠、高效率、高度地形適應性發展的技術方向之一[5]。

多發射系統融合，如美國XBQM-108A無人機，保留普通起落架同時，機尾安裝有尾支座，支持滑跑起飛和垂直起飛雙發射方式。

多回收系統融合，如傘降結合氣囊緩沖是無人機常用的著陸回收方式，加拿大的CL-89，傘降回收同時機腹翻轉180°以上，機背前后的著陸氣包先著地，可有效吸收撞擊能量，保護機腹內任務載荷。著陸滑跑結合攔阻索可以縮短著陸滑跑距離，如以色列的“先鋒”“猛犬”。以色列“偵察兵”可著陸滑跑降落和使用攔阻網著陸回收。

融合多種發射與回收系統的無人機，如法國DT18支持手拋和彈射起飛，支持自動腹部著地降落和網降，如滑跑與彈射起飛，滑跑與傘降降落方式的綜合運用，作為一主一備，在固定翼無人機中也較為常見。

4 結語

固定翼無人機的發射與回收方式是其重要性能指標，發射是否安全、快捷，回收是否準確、簡單、可靠，已成為衡量無人機系統可用性和經濟性的關鍵內容之一。隨著軍民領域愈發旺盛的應用需求和無人機技術的快速發展，對無人機的要求趨于效能最優化、操作自動化、展開便捷化和場地小型化，不同行業領域還會提出獨特的需求，并據此選擇無人機型號，對固定翼無人機發射與回收系統的設計和技術應用也提出更高要求。

參考文獻

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