“小鷹”一500通用飛機改無人機系統總體方案設計

張健　尤伍

采用成熟的通用飛機改無人機可以達到降低技術風險、節約研制經費、縮短研制周期的目的。本文以“小鷹”-500通用飛機改無人機系統為例，詳細地給出了該無人機系統的總體技術方案，包括無人機系統組成和功能、機體結構加改裝主要內容、以飛行控制與管理系統為代表的各分系統、數據鏈和地面站等設計方案。最后結合該項目工程實踐經驗，對比分析了通用飛機改無人機系統的優缺點，指出利用現有的通用飛機改無人機系統雖具有“短、平、快”的優點，但結合用戶需求“量身定制”的無人機系統更符合未來發展方向。

通用航空飛機是指用于除軍事、警用、海關緝私和公共航空運輸飛行以外的航空活動，包括從事工業、農業、林業、漁業、礦業、建筑業的作業飛行和醫療衛生、搶險救災、氣象探測、海洋監測、科學實驗、遙感測繪、教育訓練、文化體育、旅游觀光等方面飛行活動的飛機。隨著國民經濟的快速發展，通用航空面臨前所未有的發展機遇：傳統的飛行培訓、農林作業等業務呈現穩步增長態勢，同時公益類、交通類和消費類新興市場逐步形成，權威機構預測，未來10年我國通用航空飛機需求量約10000架，其中活塞動力飛機6000架、渦槳動力飛機2000架、噴氣公務機500架、直升機1000架，預計市場規模約1500億元。

近年來，隨著無人機相關技術的發展，無人機的發展呈現“井噴”現象。用成熟的通用航空飛機改無人機，具有技術風險小、研制費用低、研制周期短等特點，近年來國內很多企事業單位正在從事這方面的工作：典型的如AT200無人機、航空工業貴航的“鷂鷹”改無人機、第一飛機設計研究院的”小鷹”-500改無人機、航天集團的運-5B改無人機等，本文結合”小鷹”-500改無人機系統研制，完成系統總體方案設計，并總結出通用航空飛機改無人機系統的主要特點。

“小鷹”-500通用飛機簡介

“小鷹”-500通用飛機由航空工業第一飛機設計研究院研制，石家莊飛機工業公司制造生產。”小鷹”-500飛機研制過程中嚴格按照CCAR-23-R2的要求，完成了設計、制造、試驗、試飛和適航取證，中國民航適航部門對其進行了全過程的適航審查和生產監控。該機2003年10月首飛，相繼完成了50多項科目試飛，包括空中停車、顫振、失速和尾旋等多項I類風險科目，2005年10月獲得中國民航總局頒發的型號合格證。圖1所示為滑跑中的”小鷹”-500飛機。該機擁有完全自主的知識產權，其綜合性能達到并接近國外同類機型先進水平，填補了國內通用航空在4-5座輕型多用途飛機上的空白。

“小鷹”-500通用飛機采用大展弦比常規布局形式，懸臂式等弦長下單翼，后退式簡單襟翼，外翼帶有副翼。全動平尾，后掠的垂直尾翼帶有方向舵。單臺活塞式發動機/雙葉螺槳驅動。前三點式可收放起落架。后機身下部兩側各有一腹鰭。”小鷹”-500飛機按單駕駛體制設計，基本型為4座，并排前后座，后排可改為3座使其成為5座型。圖2是”小鷹”-500飛機的三面圖。

“小鷹”-500飛機的主要技術數據如下：

機長

7.742 m

機高

3.044 m

翼展

9.879 m

主輪距

2.200 m

前主輪距

1.906 m

螺旋槳直徑

2.030 m

“小鷹”-500飛機不僅是教練機和私人飛機的理想選擇，該機經改裝后還可用于航空旅游、航空探測、航空攝影、農林漁牧、環境保護、反恐安防等不同領域的作業飛行。

“小鷹”-500飛機改無人機系統的主要技術指標

根據前期市場調研和論證結果，要求改裝后的無人機系統能夠在視距范圍內實現安全飛行，同時為后續任務系統加改裝發展預留空間。系統采用車載式地面控制站，先期應具備任務監控、飛行監控、鏈路監控等基本功能，后期增加任務載荷控制功能。

無人機系統的主要技術指標如下：

最大起飛重量

1400kg

最大著陸重量

1400kg

任務載重

300kg

巡航速度

180 - 240 km/h

實用升限

4000 m

航程

500 km

航時

8h

起飛滑跑距離

≤400m

著陸滑跑距離

≤400m

機動過載

一1.09 - +3.8g

機體壽命

10000飛行小時

/20000次起落/20日歷年

起降階段抗側風能力

13m/s

數據鏈路采用主鏈路（C波段）與備份鏈路（UHF波段齟合的方式：

C波段數據鏈工作頻段：上行4.4GHz-4.6GHz，下行4.9GHz - 5.1GHz：

UHF波段數據鏈工作頻段：上行610 - 660MHz，下行500 - 550MHz;

上行傳輸時延≯100ms，下行傳輸時延≯200ms;

數據鏈作用距離：不小于200Km;

采用車載式地面控制站：

控制站應具備飛行監控、航路規劃、鏈路監控和任務載荷控制等功能;

地面控制站展開和撤收時間≤45min。

總體技術方案設計

指導思想

“小鷹”-500通用飛機改無人機研制工作中遵循以下三個原則：一是保持飛機的氣動外形、動力裝置和主要結構基本不變，以充分繼承原機良好的氣動特性和飛行品質;二是機載設備盡量選擇貨架產品，以降低研制改裝成本和縮短研制周期;三是無人機平的研發時預留任務系統接口和空間，為后期加裝各種類型的任務系統創造條件。

系統組成

“小鷹”-500通用飛機改無人機系統，主要由無人機、數據鏈路、地面控制站和任務載荷（預留）等組成，系統組成如下圖3所示：

結構加改裝設計

“小鷹”-500通用飛機改無人機結構加改裝設計過程中保持原機外形、機體主結構、起落架結構基本不變。拆除原機中機身上部的兩個蝶形門和中機身上部相關結構，在保持外形不變的條件下代之以可拆卸的復合材料整流罩。拆除原駕駛艙和客艙內的座椅和相關結構;拆除原機的大部分航電設備，代之以數字化航電設備。同時對內部結構和設備進行適應性改裝。

無人機機體平臺主要由機身、機翼、垂尾、平尾、起落架等機體部件組成。從機身中部斷開原平尾操縱系統，拆除前半部分操縱機構，保留后段操縱部件，在機身中部增加電作動器。從機身中部斷開原方向舵操縱系統，拆除前半部分操縱機構，保留后段操縱部件，增加方向舵電作動器。從機身中部斷開原副翼操縱系統，拆除前半部分操縱機構，保留后段操縱部件，同進增加副翼電作動器。原機襟翼操縱系統是集中式電動驅動系統，改裝時只需要對電機的控制線路及邏輯進行更改即可。

起落架沿用原機的前三點式起落架，由前起落架和主起落架組成。前輪設有轉彎機構，飛機在地面可以靈活轉彎。前輪轉彎操縱通過直流體制電動舵機實現，前輪向左右兩側偏轉的最大角度不得大于18.5°。用直流電動舵機直接驅動原轉彎操縱機構，進行前輪轉彎。主起落架安裝有剎車裝置，可有效縮短無人機著陸滑跑距離并通過左右剎車實現滑跑糾偏。起落架設有位置傳感器、告警裝置和應急放下機構，若起落架不能正常放下將發出警告，此時應急放下機構可根據地面操作指令將起落架應急放下。”小鷹”-500飛機通用飛機改裝無人機起落架收放控制系統方案基于原”小鷹”一500飛機起落架控制系統方案，僅將原來機械操縱部分改為電動控制，起落架收放系統具有起落架收放和位置指示及告警功能。”小鷹”500通用飛機改裝無人機主輪剎車系統采用電控剎車系統。無人機機輪剎車系統主要用于接收并識別飛控計算機的剎車指令，根據飛控計算機指令，實現飛機的靜剎車、正常剎車、應急剎車、松剎車、差動剎車、停機剎車、BIT自檢測。向飛控計算機反饋當前剎車壓力值、系統附件工作狀態。電剎車系統由控制盒、電源模塊、電控剎車閥和信號轉換器等組成。

動力裝置

動力裝置保持不變，仍采用原機的六缸水平對置氣冷式活塞發動機，螺旋槳為全金屬、恒速、變距、不可順槳的兩葉螺旋槳。在”小鷹”-500飛機改裝無人機系統研制過程中，發動機控制系統主要根據原發動機的可控參數來選擇相應的測量傳感部件和執行機構，并采用與控制計算機以及原機發動機控制電路相組合的方式來實現發動機狀態的控制。為此增加一套發動機操縱作動系統（包括油門、油氣混合比和螺旋槳總距作動），通過作動系統一飛控計算機一地面控制站三者之間的通訊來驅動推拉鋼索的運動，進而實現發動機操縱系統的控制。發動機轉速、滑油壓力、滑油低壓警告、滑油溫度、氣缸頭溫度和排氣溫度、進氣壓力和燃油流量、發動機計時等發動機工作參數和告警信息等發送至地面控制站，以便對發動機工作狀態進行實時監控。

LE-500飛機發動機起動和點火系統主要由電動增壓油泵、電動起動機、左右磁電機、點火電咀、磁電機/起動開關等組成，起動過程可由安裝在飛機上的磁電機/起動開關控制。

飛行控制與管理系統

“小鷹”-500飛機改無人機飛行控制與管理系統全新研制，是”小鷹”500無人機的核心系統。”小鷹”-500改無人機的飛行控制與管理系統由飛行控制與管理計算機、傳感器和作動器等組成，系統結構如圖3。飛行控制與管理系統的主要任務包括：通過數據鏈系統完成與地面站的信息收發和處理、根據指令對飛機的飛行與起降進行控制、對飛機上各個重要系統進行監控并將信息進行上報以及對故障進行識別與處理等。

飛行控制和管理系統主要實現飛行控制和飛行管理功能。飛行控制功能是根據控制指令解算全動平尾、方向舵、副翼和發動機油門桿的偏度，實現自動起飛、自動導航、自動降落、襟翼控制、起落架控制、自動油門以及應急處置等功能。飛行控制功能覆蓋無人機地面滑行、起飛、爬升、出航、返航、下滑、著陸的整個任務剖面。飛行管理系統主要實現導航管理、發動機管理、余度管理、機載設備管理、BIT管理和應急管理等功能。

無人機的全動平尾、副翼和方向舵的操縱均改為計算機控制的作動器進行操縱。計算機同時對原電動襟翼收放機構、起落架系統進行控制，并為自動油門系統提供指令。起落架收放、剎車以及前輪轉向由計算機進行控制，其中前輪轉彎系統將保留原轉向搖臂，與電動舵機連接，實現轉向控制與減擺功能。飛行控制與管理系統接收動力、起落架、機電、任務等系統的數據，并與控制系統的數據綜合后，通過數據鏈發至地面站及飛行參數記錄儀，也可以在地面與仿真系統進行交聯開展系統綜合聯試。

航電系統

原機的儀表系統中除保留全、靜壓受感器外，其他儀表設備和通訊系統的電臺和音頻系統設備拆除。加裝的航電設備包括無線電高度表、高精度光纖慣導、大氣數據機、航管應答機、飛行參數采集記錄器、數字視頻攝像系統和差分定位系統組成，其中差分定位系統又包括差分GPS接收機和900M數傳電臺。

機電系統

燃油系統保持原機油箱不變，通氣分系統和加放油分系統保持不變。供油系統中用操作舵機代替燃油選擇器旋鈕，取消電動燃油泵按鈕，通過地面控制與燃油選擇器進行交聯的方式對其進行操作。增設燃油測量轉換盒，將油量傳感器信號轉換為總線信號并發送至飛控計算機，然后通過數據鏈路將數據實時發送至地面控制站。

環控系統已有的進氣口能夠滿足電子設備通風需求。因此，環控系統在”小鷹”-500飛機環控系統基礎上做適應性更改。

供電系統為飛機的直流用電設備提供28V的直流電，在發動機或發電系統不工作時為機上應急用電設備提供24V應急直流電源，在地面為飛機提供地面維護電源和發動機起動電源。供電系統包括電源系統和配電系統兩大部分，其中電源系統由主電源系統、應急電源系統、外部電源系統組成。由于新增設備的用電消耗，原機的供電量不能夠滿足全機系統設備的用電量，因此新增一套直流發電系統。

照明系統保持外部照明不變，取消原機的座艙照明系統。

拆除正副駕駛位置駕駛員座椅、安全帶、后排座椅、坐墊、靠墊及乘客安全帶，同時對艙內裝飾板做適應性拆除。

數據鏈路

測控與信息傳輸系統主要包括地面測控設備和機載測控設備兩大部分。機載測控設備主要包括天線、機載功放、機載收發組合等設備，地面測控設備包括地面數據終端和鏈路監控設備等。

視距數據鏈采用C波段和UHF波段雙余度全雙工數據通信;實現將地面站的飛行控制指令、任務控制指令、鏈路控制指令等遙控指令發送至機載系統;同時將無人機平臺的飛行參數、任務信息、系統工作狀態以及鏈路工作狀態等遙測數據發送至地面站。

數據鏈機載終端包括8個LRU：C波段機載收發單元、C波段機載變頻單元、C波段機載功放單元、C波段機載全向天線、UHF波段機載收發單元、UHF波段機載變頻單元、UHF波段機載功放單元和UHF波段機載全向天線。

地面控制站

地面站采用車載方艙式地面站，地面站組成包括：飛行監控單元、任務監控單元、鏈路監控單元、綜合數據處理單元、數據記錄單元。地面站對無人機的遙測遙控采用3人操作體制，提供飛行操作、任務操作和鏈路監控席位各1個。

飛行監控單元主要負責為操作人員顯示遙測數據中的飛行信息，提供便捷的飛行監控操作界面，并將飛行控制指令發送到綜合數據處理單元，同時能夠向操作人員提供無人機前視攝像畫面。

任務監控單元主要負責為操作人員顯示遙測數據中的任務信息，提供便捷的任務監控操作界面，并將任務載荷控制指令發送到綜合數據處理單元，同時能夠向操作人員提供無人機任務載荷的圖像信息。

鏈路管理單元的主要功能包括：接收視距鏈路地面設備狀態信息;接收飛行器坐標信息并依據本站坐標解算出方位角、俯仰角天線引導數據;對鏈路的機載和地面設備狀態進行解碼顯示;提供良好的人機操控界面。

綜合數據處理單元是地面控制站的核心部件，負責調度和控制地面站各單元的協調運行，它從數據鏈路系統各地面終端接收圖像和遙測數據，經分析、融合、處理，將產生有效和最優的遙測和圖像數據，分發給飛行監控單元、任務監控單元、鏈路管理單元;并分別從飛行監控單元、任務監控單元、鏈路管理單元接收各自的控制指令，經綜合處理后產生統一格式化的遙控指令，分別發送給UHF和C波段兩個地面數據終端。

數據記錄單元用于全程記錄無人機操作過程的遙測遙控數據，主要包括飛行監控指令和狀態、任務監控指令和狀態、鏈路監控指令和狀態，以及通過視距鏈路回傳的前視攝像視頻或任務載荷圖像。飛行任務結束后，根據需要可對記錄的數據進行回放。

通用飛機改無人機的優缺點對比分析

通用飛機改無人機的優點

改無人機選用的通用飛機，通常都是批量生產交付的飛機，飛機研制過程中經歷過嚴格的適航取證，飛機機體的可靠性、壽命、飛行安全性有保證。

改無人機過程中保持原機的氣動外形基本不變，無人機就會繼承原通用飛機成熟的氣特性和飛行品質。同時研制過程中可以避免大量的設計計算和風洞試驗，不僅可以降低技術風險，同時也會降低研制技術風險并節約研制經費。

有人機改型研制的無人機，通常保留原機主體結構，這樣研制過程中也不需要開展大量的強度試驗，同時機體結構的壽命基本和原機相同。由于通用飛機都經歷了嚴格的適航取證過程，能夠保證這些優良的品質也會繼承下來。

一般情況下改無人機時動力裝置和燃油系統基本上不變，無人機的飛行包線和基本性能也保持不變。改裝后的無人機在原機的飛行包線范圍內可以實現安全飛行。

由于通用飛機已經批量生產，在此基礎上改裝研制無人機，制造過程中可以使用原有的生產線、工裝和工藝，有利于降低和生產和制造成本。

通用飛機改無人機的缺點

盡管通用飛機改無人機有很多的優點，但是其缺點也是顯而易見的。

首先，有人駕駛飛機機身外形通常都是以人為中心進行設計的，改裝成無人機時，由于機身的剖面形狀一般不變化，這應造成機身的橫截面積大于實際需求，飛機的阻力增大，經濟性降低。

改進研制的無人機起飛和著陸重量會受原機的限制，同時飛機的重量和重心也要進行嚴格的控制。改裝無人機時重量、重心的初步設計，主要依據原有人機的重量分布關系，進行重新布局、分配與設計，進而為系統設備的體積、重量提出嚴格的控制要求。

通用型飛機改無人機時，飛機的主結構基本不變，由于機身內部裝載發生變化，飛機結構的效率難以充分發揮。盡管在改裝過程中要拆裝座椅和大量不需要的設備等，但是機身內的空間往往受原結構的限制，并不利于裝載無人機的設備和任務載荷。

通用型飛機通常都采用常規的機械操縱系統，在改無人機的過程中，飛行控制系統升級為電傳飛控系統，但受原機各種條件的限制，舵機很難裝在舵面附近，通常采用在駕駛艙或機身中部斷開原有的操縱系統，拆除前部的駕駛盤和腳登，代之以舵機驅動，也就是飛控系統一般會保留原機機械操縱系統的后半部分，會在一定程度上限制飛控系統性能的發揮。

通用飛機改無人機最終會面向用戶，任務載荷的加裝是必然。但在加裝任務系統過程中，會受到原機各種條件的制約，為了達到理想的效果，往往還需要對機體特定部位進行較大范圍的改進，與針對用戶使用需求專門開發研制的無人機系統相比，復雜程度提高，工作量增大。

結論

“小鷹”-500通用飛機改無人機系統總體技術方案設計，保持了原機的氣動外形、主體結構和動力裝置基本不變，通過全新研制飛行控制與管理系統，同時對相關結構和系統進行適應性改裝，改裝后機內可用空間達4m3以上，最大載重達500kg，可搭載多種任務載荷，具備迅速發展成為一型中型無人機系統產品的潛力。

（參考文獻：略。如有需要，請聯系編輯部。）