無人直升機物資運輸與投送方式研究

蘆志明 姬樂強 聶順鵬

前線物資快速運輸與精準投送對于現代戰爭具有十分重要的作用。無人直升機一經投入使用，將承擔復雜戰場環境下人員和補給物資末端運輸、補給物資垂直投送、傷員搜索與救援等任務。隨著智能化、自主化、網絡化等技術的發展，無人直升機憑借部署方便、操控簡單、機動靈活等使用特點，在山區運輸、城市運輸、傷員撤離等領域發揮了獨特的優勢。由于戰時物資運輸的急迫性與持續性，有人直升機飛行員始終處于高強度工作之中，極易引發安全事故。因此，有人直升機較難勝任持續性物資運輸與投送任務。而無人直升機可以有效降低人員傷亡率，提升運輸效率。固定翼運輸機受飛行高度與飛行速度的限制，很難實現物資精準投送，而無人直升機具有優異的低空低速飛行品質，可以在懸?；虻退偾帮w狀態下實現物資精準投送。未來，無人直升機大量投入使用，將與有人直升機、固定翼運輸機配合使用，構建一種全天時執行多類運輸任務的裝備體系。

除有人-無人模式直升機外，大部分無人直升機機身內部設備布置緊湊，且中機身通常裝配有大容積燃油箱，較難實現機身艙內物資運輸，一般采用機腹、簡易掛架或短翼、起落架及外吊掛裝置等設備運輸物資。依據總體布局特點和物資運輸要求，不同型號的無人直升機將選用最優運輸方式，同時針對實際作戰場景，采取拋放、傘降、索降等不同的物資投送方式。未來，隨著運輸無人直升機的發展，一型裝備將同時具備多種運輸與投送方式，能夠根據不同任務需求而靈活選用不同的運輸與投送方式，進一步提升無人直升機對運輸任務的適應性。

運輸方式

機腹運輸

運輸物資會對無人直升機重心產生不利影響。為確保整機重心在設計包線范圍內，物資的位置應盡可能靠近整機重心的位置。需要強調的是，在計算與分析無人直升機重量、重心的過程中，技術人員一定要考慮物資的極限重心?？紤]到重心控制和安裝空間尺寸，機腹運輸成為最常用的運輸方式之一。機腹運輸所采用的機械接口簡單，重量代價小，且在滿足無人直升機最小側罩角要求的前提下，通過增加起落架的高度，進一步擴大運輸箱的尺寸，提升無人直升機的運輸能力。但是，按照GJB479-88標準對直升機最小離地間隙的要求，運輸箱或物資與地面應至少保持150mm的間隙。機腹運輸方式不適用于機腹安裝了通信天線、著陸燈、助降裝置等設備的無人直升機。

簡易掛架或短翼運輸

最大起飛重量相對較重的無人直升機通常采用簡易掛架或短翼來實現物資運輸與投送。相比于機腹運輸方式，簡易掛架或短翼運輸方式可以方便地勤人員的操作，實現物資快速裝卸，大幅提高無人直升機的運輸效率。由于運輸箱布置在機身兩側，無人直升機可以采用更大容積的運輸箱來運輸大尺寸物資。該運輸方式最大的優點是具有良好的任務拓展性。其他任務載荷采用模塊化設計，能以吊艙形式掛載于簡易掛架或短翼下方，實現任務載荷即插即用。簡易掛架具備快速裝卸功能，用戶可以依據作戰任務需求而靈活選裝簡易掛架。但是，受限于無人直升機的橫向重心包線，并考慮飛行安全，該運輸方式往往設置有應急投送功能，以實現緊急情況下的物資快速投送。采用該運輸方式的無人直升機機身兩側加裝了簡易掛架或短翼、運輸掛架及相關控制設備，考慮到空機重量控制，無人直升機需要付出一定的重量代價。在氣動特性方面，無人直升機加裝簡易掛架或短翼后，不僅要考慮全機的阻力特性，還需重點關注平臺的俯仰穩定性。

外吊掛運輸

無人直升機通過外吊掛方式運輸物資，突破了其他運輸方式對物資尺寸的限制，極大地發揮了運輸能力。美國國家運輸安全委員會的統計表明，在實際飛行中，超過10%的有人直升機飛行事故與外吊掛飛行有關。飛行員操作失誤是導致有人直升機外吊掛飛行事故的一個常見誘因，而無人直升機在很大程度上可以改善這一現狀。因此，外吊掛飛行將成為一種極具特色且非常重要的無人直升機飛行模式。由于外吊掛體對無人直升機的平衡、操縱性、穩定性影響較大，國外針對這個問題開展了大量飛行品質研究。目前，國內外依然沒有專門的無人直升機飛行品質規范，軍用直升機飛行品質規范雖然對有人直升機的外吊掛飛行提出了明確的指標要求，但是相關要求并未細化。依據驗證試飛和實際使用經驗，當無人直升機執行外吊掛飛行任務時，為了降低旋翼下洗流對外掛物的影響，外吊掛系統吊索的長度應大于旋翼直徑，同時，外掛物的重量和尺寸、平臺飛行速度和轉彎坡度角、吊索與機體之間的角度都應受到限制?？紤]到無人直升機的特殊性以及當前無人直升機的載重能力，制造商一方面需要開展外吊掛監測與告警系統研制；另一方面也要開展小型輕量化外吊掛系統研制。外吊掛系統必須具備正常投送和應急投送兩種工作模式。

隨著型號持續發展和需求逐步明確，國內將加大無人直升機外吊掛運輸方式的理論研究、研制和試驗，加快型號應用的進程。

客貨艙、行李艙運輸

在無人直升機蓬勃發展的背景下，有人-無人模式的出現將為未來直升機的發展提供一條全新的思路。隨著基于有人-無人模式的直升機技術逐步發展，國內外已經對一些新研、改型直升機的有人-無人模式相關技術開展了驗證試驗，典型型號包括貝爾公司V280傾轉旋翼機、卡曼公司K-MAX直升機等機型。有人-無人模式直升機在無人模式下，可以充分繼承有人機的運輸能力，利用平臺的客貨艙和行李艙運輸作戰物資。由于有人-無人模式直升機需要兼顧有人、無人兩種模式下的使用需求，通常更側重于有人模式的運用，與無人直升機相比，它的續航能力較弱，難以執行一些遠程長航時運輸任務，主要執行飛行員難以勝任的作戰任務，提升裝備使用的靈活性。當技術人員開展有人直升機的無人化改型工作時，會將駕駛艙改裝為電子設備艙，以布置飛控、通信終端等機載設備。同時，為了提升直升機的續航能力，更大容積的燃油箱將布置在旋翼軸下方的客艙內，替換原有的燃油箱。因此，客貨艙、行李艙運輸方式只適合于有人-無人模式直升機。

滑橇起落架運輸

為了有效解決起落架高度太小、機腹下方突出物（如天線）對運輸箱尺寸和安裝位置的限制，采用滑橇起落架的無人直升機可以將封閉式運輸箱或網格式吊籃布置在機身兩側的起落架上?；疗鹇浼苓\輸所采用的機械接口相對較為簡單，工程易實現，運輸箱的形狀和尺寸主要取決于運送物資的類型。但是，受限于無人直升機的橫向重心范圍，運輸箱的橫向尺寸一般較小，進而限制了無人直升機所運送物資的類型。如果重心包線允許，無人直升機可以實現單側或雙側同時裝載運輸箱與物資，這在某種程度上提升了無人直升機使用的靈活性。與機腹運輸方式相比，滑橇起落架可以讓操作人員快速完成運輸箱及物資裝卸工作，但是無人直升機無法實現物資空中投送。需要說明的是，在設計滑橇起落架運輸方案時，制造商需要重點考慮運輸箱的外形對阻力系數、垂直增重系數等無人直升機性能參數的影響，以及運輸箱對起落架性能的影響。

投送方式

空中投送

空中投送適用于任務區無合適的起降場地、無人直升機須要快速運輸物資且迅速撤離危險環境等作戰場景，具體投送方案需要依據無人直升機的運輸方式和任務需求而確定。本文列舉一種適用于機腹運輸方式的典型空中投送方案。該方案依據不同的作戰場景，既可實現運輸箱直接投送，也能實現運輸箱傘降。

空中投送系統包含投送裝置、傘包（選裝）與運輸箱。其中，投送裝置用于物資掛載與投送，由運輸箱鎖鉤、驅動系統、支架和裝機接口組成；傘包由降落傘、主傘繩和開傘拉繩組成，可降低投送物資的空中降落速度，從而降低物資的觸地速度；運輸箱用于物資裝載，由箱體、箱蓋和系留帶組成。

無人直升機自主定點降落，人工卸載物資

與空中投送不同的是，無人直升機自主降落到指定區域后，地面工作人員完成物資卸載和無人直升機返航操控。當無人直升機到達指定區域上空時，采用控制權交接或自主擇址降落的方式，完成精準降落。控制權交接是位于指目的地的操控人員通過便攜式控制站獲取無人直升機的控制權限，以遙調或遙控的方式完成無人直升機在起降地點上方的位置精確調整，最后操控無人直升機降落，或無人直升機自主降落，保證降落位置的精度。操作人員完成卸貨后，無人直升機通過便攜式地面控制站完成自主起飛，或由操控員控制起飛。自主擇址降落是指，當無人直升機飛抵某區域后，無人直升機利用激光雷達感知技術和在線航線重規劃技術，自主選擇最佳著陸區域并完成自主降落。當卸貨完成后，操控員使用具有一鍵全自動起降功能的機載按鈕，完成無人直升機回收。

關鍵技術

通過分析無人直升機在不同場景下的運輸與投送方式，下文梳理無人直升機運輸與投送系統的關鍵技術。

自動投送裝置設計技術

如果無人直升機采用機腹、簡易掛架或短翼運輸方式，為了提升物資運輸效率或滿足不具備起降條件的物資運輸需求，無人直升機應具備空中自動投送功能。因此，制造商需要研發無人直升機自動投送技術，自動投送裝置的設計方案必須具備較高的可靠性、安全性，而且具備實現物資傘降和物資索降的拓展能力。

外吊掛系統設計技術

外吊掛系統作為無人直升機實現外吊掛運輸的核心裝置，其技術水平在一定程度上決定了無人直升機的運輸能力。該技術可以細分為小型輕量化外吊掛裝置、自動監測和預警系統、應急投送系統等設計技術。目前，有人直升機外吊掛系統設計技術已趨于成熟，因此技術人員可在有人機外吊掛系統技術基礎上，重點圍繞無人直升機的技術特點開展外吊掛系統研制。

外吊掛系統飛行控制技術

吊掛物隨機擺動會對無人直升機的飛行安全產生十分不利的影響。為了深入研究吊掛物對無人直升機平衡和操縱特性的影響，技術人員需要建立精確的飛行動力學模型；為了解決不同重量、外形的吊掛物對無人直升機穩定飛行產生的不利影響，技術人員需要開展無人直升機飛行控制自適應魯棒穩定性設計。

控制權交接技術

控制權交接是實現無人直升機異地精確降落的手段之一，其技術成熟度相對較高，已在型號中應用。該技術是指，位于起飛點的地面控制站在合適的時機將無人直升機控制權轉交給位于目的地的便攜式控制站，位于目的地的飛行操控員完成無人直升機精確降落。

自主擇址降落技術

自主擇址降落是保證無人直升機在未知環境下安全降落的一種智能化手段，即無人直升機利用機載傳感器（如激光雷達）進行著陸場地三維地形模型重建，基于深度學習技術，并利用重建的三維地形模型，對地形地貌、地表障礙物、地表水體等地物進行感知，并根據著陸區域的態勢評估準則，啟動地形評估，篩選出滿足著陸要求的區域，然后自主降落。

總結

物資運輸與投送是無人直升機未來的重要應用方向之一。國內外相關科研機構針對運輸與投送系統的關鍵技術開展了大量理論研究和驗證試驗，部分技術已在型號上投入應用。文中提到的運輸與投送方式是目前無人直升機所采用的典型方案。后期，隨著運輸任務場景的不斷拓展以及新技術的出現，相關單位將發展各式各樣的運輸與運投送系統，以滿足未來戰場環境下無人直升機的運輸需求。