基于動力源分類的無人機起飛方式綜述

鄭濟沅,周 亢

(北京理工大學 機電學院, 北京 100081)

0 引言

無人機(UAV)是無人駕駛飛機(unmanned aerial vehicle)的簡稱。在第一次世界大戰中以“零傷亡”為初衷,無人機概念被第一次提出。但在此之后的幾十年間無人機通常被當作訓練靶機使用[1]。無人機第一次執行軍事任務是在越南戰爭中,美軍利用其良好的靈活性和機動性進行偵察和目標指引工作[2]。

隨著計算機以及相關電子技術的迅猛發展,在20世紀晚期西方各國逐漸意識到無人機在軍事行動中的重要性,投入大量人力財力到先進無人機研發中。如今,無人機已經在戰爭中扮演了不可或缺的角色。此次俄烏戰爭中,雙方都意識到無人機的不可替代性,提早向無人機技術大國購買了先進機型。例如烏克蘭向土耳其購買TB2察打一體無人機[3],俄羅斯向伊朗購買Shahed-136自殺式無人機。

作戰時,無人機的起飛方式是關鍵因素,決定了無人機作戰的靈活性、機動性和高效性等。目前無人機的起飛方式已由最初的滑跑起飛發展成如今各式各樣的起飛方式,如彈射起飛、火箭助飛、垂直起飛、空中投放、手擲起飛等。以往根據無人機起飛平臺的位置不同將起飛方式分為陸基起飛、空基起飛和海基起飛3大類[4-5],也可根據是否有外部設備為無人機起飛提供動力分為自力發射和他力發射2大類[6]。本研究中按照無人機起飛的動力源不同,將起飛方式分為勢能膨脹力作為動力源起飛、電磁力作為動力源起飛、氣體反沖力作為動力源起飛和人力作為動力源起飛4大類。

1 勢能膨脹力作為動力源的起飛方式

勢能膨脹力作為動力源的起飛是指推動介質產生的膨脹力在推動無人機起飛時,其勢能轉化為無人機的動能從而實現無人機的起飛。根據推動介質的形態可分為氣壓彈射、液壓彈射及彈性元件彈射。將推動介質的勢能膨脹力作為動力源的這類起飛裝置結構簡單且綠色無污染。但由于物理規律,推動介質的勢能膨脹力會在無人機起飛過程中逐漸減小,這導致無人機在此過程中所受應力的變化較大,對無人機機身結構具有較大影響進而降低了無人機的使用壽命。

1.1 氣壓彈射

氣壓彈射是指氣體作為推動介質,在無人機起飛過程中氣體的勢能轉化為無人機的動能,實現無人機的起飛。這種起飛方式主要包括蒸汽彈射起飛、壓縮空氣彈射起飛等。蒸汽彈射器通常裝配在航空母艦上用于艦載機的起飛;壓縮空氣彈射器常用于陸基和?；鶡o人機的無跑道起飛,能夠實現中小型無人機快速起飛。

1.1.1蒸汽彈射起飛(艦載)

蒸汽彈射器是將艦船主機鍋爐產生的水蒸汽所蘊含的勢能轉化為艦載機動能的起飛裝置。蒸汽彈射器常用于艦載機的有跑道起飛,能實現大型飛機的艦載起飛,也是目前主流的艦載機起飛裝置。完整起飛過程是:蒸汽蓄熱器的氣壓達到目標值后,蒸汽通過發射閥被按需釋放到汽缸中。進入汽缸的蒸汽所產生的膨脹力對活塞做功推動活塞向前運動,活塞帶動彈射梭和艦載機進行直線加速運動,最后實現艦載機起飛[7]。復位裝置能夠快速使活塞及彈射梭回到下一次起飛的初始位置,這使得每部彈射器理論上能30～45 s發射一架飛機[8],具有較高的發射頻率。這提高了航母作戰的反應速度,有利于機群的快速作戰。但由于發射能量來源于艦船主機鍋爐,每彈射一架飛機后鍋爐壓力會降低,這會導致航母航行速度下降,不利于航母全速作戰。蒸汽彈射方式在當時占有絕對優勢,并在之后的半個世紀里絕大多數航母的起飛裝置都是蒸汽彈射器。但由于蒸汽彈射器彈射調節能力有限,只適用于彈射20～35 t的大型飛機。

1.1.2壓縮空氣彈射起飛

壓縮空氣彈射的基本原理與蒸汽彈射相似,只是用壓縮空氣代替水蒸汽作為推動介質。該彈射系統通常由空氣壓氣機、高壓儲氣罐、氣壓動作筒、復位動作筒、加速滑輪組、阻尼器、滑軌車及鎖定裝置等部件組成[9]。圖1為壓縮空氣彈射裝置的結構原理圖。

圖1 壓縮空氣彈射裝置結構圖

壓縮空氣彈射具有結構和原理簡單、工作成本低、能量密度高、機動性強、方便維護等顯著優勢,且只需調節儲氣罐目標壓力就可實現對不同規格無人機(范圍在中、小型無人機內)的起飛,具有比蒸汽彈射較好的普適性。這些優勢使得壓縮空氣彈射在中小型無人機的起飛中得到廣泛應用。例如,美國“掃描鷹”(ScanEagle)無人機(如圖2),其最大起飛質量為15 kg,它使用的是“超級楔形”(SuperWedge)氣動彈射架;“黑杰克”(Blackjack)無人機,它使用的“Mark4”氣壓彈射器;英國“不死鳥”(PHOENIX)無人機,其最大起飛質量209.2 kg;以及我國西工大研制的NPU-GT01無人機。

圖2 “掃描鷹”無人機

1.2 液壓彈射

液壓彈射是指液體作為推動介質,在無人機起飛過程中液體的勢能轉化為無人機的動能,實現無人機的起飛。液壓彈射的推動介質一般采用油性液體。液體具有不可壓縮性,所以液體有較高的傳動力,同時也導致液體不能作為儲能物質,因此通常需要在液壓彈射系統中增加氣體儲能裝置。這使得液體彈射與壓縮空氣彈射具有較為相似的工作原理,儲能裝置中的高壓氣體擠壓并推動液壓油高速流動,液壓油推動液壓缸內的活塞運動,活塞又帶動無人機助推器快速運動,最終實現無人機起飛。

20世紀40年代,第1個液壓彈射裝置問世并裝配到航空母艦作為艦載機的起飛裝置。二戰后戰斗機領域發展迅猛,出現了質量更重、起飛速度要求更高的噴氣式戰斗機。為了能使這類戰斗機艦載起飛就必須增加液壓彈射的彈射能力,而彈射能力與液壓彈射裝置的總體積和質量成正比,這就導致當時的航母無法搭載如此大體積大質量的液壓彈射裝置。再加上液壓油在作為推動介質時處于高壓高溫高速狀態下,很容易發生液壓油沸燃的現象,存在較大的安全隱患。這些致命缺陷導致液壓彈射裝置不適用于噴氣式戰機的艦載起飛。但后來由于無人機的興起,液壓彈射起飛又再次進入大眾視野。由于無人機相比于噴氣式戰斗機具有較小的質量,液壓彈射裝置的質量和體積也隨之變小。這種小型液壓彈射裝置具有發射周期短、機動性強等優勢。

國外對此類液壓彈射裝置的研究已經十分成熟,已有多款此類裝置實現了商業化。例如,芬蘭羅伯尼克(Robonic)研發的MC2555LLR液壓彈射裝置[10](如圖3)、英國“不死鳥”無人機液壓彈射裝置[11]以及瑞士RAUG公司研制的DC4型液壓彈射裝置[10]和荷蘭羅格航空公司設計的ARCHER式液壓彈射裝置。

圖3 MC2555LLR液壓彈射器

1.3 彈性元件彈射

固體推動是指固體作為推動介質,在無人機起飛過程中固體的彈性勢能轉化為無人機的動能,實現無人機的起飛。這種彈射方式也稱為彈性元件彈射或彈力彈射,根據彈性元件不同可分為彈簧彈射起飛、橡皮筋彈射起飛等。這類彈射裝置結構簡單、易于操作且方便運載具有較強機動性,但由于彈性元件物理屬性(如彈性模量、疲勞極限等)的限制,這類裝置僅適用于彈射微、小型無人機且使用壽命有限。以色列的Micro-V無人機采用一種車載彈簧彈射器起飛,法國“馬爾特”(Mart)MK-2無人機和西班牙 Aerovision航空系統公司與法國泰勒斯公司合作研制的“管鼻鹱”(Fulmar)無人機[12](如圖4)都采用橡皮筋彈射器起飛。

圖4 “管鼻鹱”無人機

2 電磁力作為動力源的起飛方式

電磁力作為動力源的起飛方式是指直線電機產生電磁力推動無人機起飛過程中,電能短時間內轉化為無人機的動能,實現快速且平穩無人機起飛。目前這類起飛方式只有電磁彈射起飛。

電磁彈射是當前各國對艦載彈射器研究的熱門方向,但由于其極高的技術難度和成本,目前只有中美兩國實現了艦載電磁彈射。利用電磁彈射裝置將無人機起飛的基本原理是電流在磁場中受安培力作用,通過安培力將電磁能轉換為無人機的動能,實現無人機起飛。電磁彈射系統通常由6個子系統組成:供電系統、發射系統(即直線電機)、強迫儲能系統、變流系統、控制系統、輔助系統(即冷卻裝置、電磁干擾屏蔽裝置、減速緩沖與剎車裝置等)。圖5是電磁彈射系統結構圖[13-14]。

圖5 電磁彈射系統結構圖

我國福建艦電磁彈射系統的2個關鍵系統:供電系統、儲能系統,均不同于美國福特號,福建艦采用的是馬偉明團隊研制的中壓直流供電系統[15],避開了福特號使用的中壓交流供電系統帶來的頻繁故障且能量轉換效率也比福特號更高。福建艦的儲能系統使用的是超級電容儲能裝置,相比于福特號采用的飛輪儲能裝置(FES),超級電容儲能裝置具有更小的體積、質量和更高的功率密度。

圖6 電磁彈射原理示意圖

圖6是電磁彈射原理示意圖,其中無人機所受電磁力大小為

F=BIL

(1)

式(1)中:F為無人機所受電磁力;B為無人機所處位置的磁場強度;I為電流大小;L為兩導軌間距。由式(1)可知,理論上控制電流的變化就能實現對電磁彈射彈力的調節及對彈射過程中彈力的恒定。所以與勢能膨脹力作為動力源的起飛裝置相比,電磁彈射過程加速更為穩定且電磁彈射彈力調節范圍廣、具有較強的普適性。但由于電磁彈射的超大磁場,需要設計防磁干擾裝置以免影響飛機及其他設備的正常運行。防磁干擾裝置需覆蓋整個起飛軌道來防止磁漏現象[16],所以該裝置的體積較大會占據不少空間。

由于目前電磁彈射技術初步成熟,實現電磁彈射起飛的無人機較少。例如美國的X-47B隱形無人機在福特號上實現電磁彈射起飛[17]。隨著我國電磁彈射技術的應用,未來在福建艦和076兩棲攻擊艦上將會有像攻擊-11無人機等許多無人機依托電磁彈射器實現起飛。

3 氣體反沖力作為動力源的起飛方式

氣體反沖力作為動力源的起飛方式是利用氣體反沖力推動無人機運動,實現無人機起飛。該起飛方式通常是向飛行的反方向噴出大量高速氣體,根據動量守恒定律無人機將獲得巨大的正向動能。這類起飛方式主要包括垂直起飛、火箭助推起飛、滑跑起飛、空中投放等。

3.1 垂直起飛

垂直起飛不需要滑跑軌道就可實現無人機靜止狀態下垂直于地面向上升空,實現無人機短距起飛。這種起飛方式不用依靠外界設備,僅利用自身產生的高速氣體反沖力即可實現起飛,所以這種起飛方式也是自力起飛的一種。隨著近年來的飛控技術、發動機技術等迅猛發展,這種起飛方式安全性越來越高,再加上這種起飛方式具有對起飛場地要求低,有較強的機動性、靈活性的這些諸多優勢,無人機垂直起飛技術逐漸開始商業化進入民用市場。目前民用無人機中采用垂直起飛方式的占比高達90%[18],全球最大的2個民用無人機公司:我國的大疆和法國的派諾特,他們的產品幾乎也都是采用旋翼式垂直起飛技術。國內外學者對垂直起飛無人機進行了大量研究,其種類也因此越來越多。目前常見的垂直起飛無人機按照機翼不同可分為:旋翼式無人機、旋翼-固定翼復合式無人機、傾轉式無人機、固定翼式無人機、仿鳥撲翼式無人機。

3.1.1旋翼式無人機

旋翼式無人機通過其高速旋轉的機翼產生向下高速氣體,利用高速氣體反沖力當作升力,使無人機豎直向上起飛。按照旋翼的個數又可分為單旋翼和多旋翼。單旋翼無人機也就是無人直升機,它們只有一個旋翼來提供升力,這類無人機的飛控技術簡單且成熟。著名的無人直升機有我國深圳聯合飛機公司研制的TC-9、美國的 “火力偵察兵”MQ-8C無人機、挪威Prox Dynamics公司研發的“黑黃蜂”PD-100無人機。多旋翼無人機通常有2個以上的旋翼,只需通過調節每個旋翼的轉速就能控制無人機速度及姿態,具有較強的靈活性和可靠性,所以民用無人機大多數都是這種多旋翼無人機,例如大疆系列的無人機。

3.1.2旋翼-固定翼復合式無人機

旋翼-固定翼復合式無人機由旋翼和固定翼這2種機翼在不同階段提供升力。在垂直起飛階段,旋翼高速旋轉為無人機提供升力;在水平飛行階段,旋翼停止工作并由水平推動裝置提供(通常是螺旋槳)前進方向的動力,固定機翼由于伯努利原理產生向上升力克服自身重力。這類無人機融合了直升機和固定翼飛機的優點。不僅能實現空中懸停,也可以和固定翼無人機一樣進行高效且易于控制的水平飛行,大幅度提高了無人機的飛行速度和續航能力。這種無人機中較有代表性的是美國的“龍勇士”(Dragon Warrior)無人機[19](也稱“Cypher”Ⅱ無人機)(如圖7)和成都縱橫公司研制的CW系列無人機。

圖7 “龍勇士”無人機

3.1.3傾轉式無人機

傾轉式無人機起飛和水平飛行的工作原理與旋翼-固定翼復合式無人機相似。不同的是旋翼-固定翼復合式無人機起飛和水平飛行分別由兩套推動裝置提供推力,而傾轉式無人機在這2個階段中都是由同一套推動裝置提供推力。傾轉式無人機在垂直起飛階段,推動裝置產生向上推力作為起飛升力;在水平飛行階段,將推動裝置產生的推力傾轉到水平方向作為無人機水平飛行的動力,此時固定機翼為無人機飛行提供升力。相比于旋翼-固定翼復合式無人機,傾轉式無人機只有一套推動裝置大大減少了無人機的自重、在水平飛行階段沒有固定旋翼產生的阻力,這樣就大幅度提高了這種無人機飛行速度和續航能力。按照傾轉部位的不同可將此類無人機分為:傾轉旋翼式無人機、傾轉涵道式無人機、傾轉機翼式無人機、傾轉機身式無人機。

1) 傾轉旋翼式無人機

傾轉旋翼無人機在垂直起飛后,旋翼發生傾轉,當作螺旋槳為水平飛行提供動力。此類無人機中最具代表性的是美國貝爾公司研制的“鷹眼”無人機。此外在今年第十四屆珠海航展上亮相的我國彩虹-10無人機也是采用這種傾轉旋翼式結構(如圖8)。

圖8 彩虹-10無人機

2) 傾轉涵道式無人機

傾轉涵道無人機與傾轉旋翼無人機的機身結構及起飛和水平飛行原理相似,唯一不同的是在旋翼周圍增加了涵道。由于涵道的環括作用[20],大大削減了旋翼產生的噪聲。而且涵道能夠在旋翼的流場中產生較強的附加拉力[21],大幅提高推動裝置的動力并減少油耗。此類無人機有芬梅卡尼卡直升機公司研制的名為“ProjectZero”純電動傾轉涵道無人機;波音公司鬼怪工廠研制的“幽靈雨燕”無人機。

3) 傾轉機翼式無人機和傾轉機身式無人機

這2種無人機由于傾轉的部位質量和體積較大,導致無人機的能耗增加以及不可靠性也增大。所以這類無人機投入實用的較少,美國極光飛行科學公司研制的“雷擊”無人機是傾轉機翼式無人機(如圖9);傾轉機身式無人機的典型代表是美國弗瑞明公司研制的“Scorpion”無人機。

圖9 “雷擊”無人機

3.1.4固定翼式無人機

這類無人機可分為尾座式和推力矢量式2種。尾座式無人機起飛姿態較為特別,以尾部接觸地面、機身豎直向上的姿態進行垂直起飛。目前最為先進的固定翼尾座式無人機是美國馬丁無人機公司(Martin UAV)研制的V-Bat(Vertical-Bat或VTOL-Bat)無人機(如圖10)[22-23]。該機垂直起飛升力由尾部單涵道風扇活塞發動機提供,水平飛行由該推動裝置提供前進動力,由固定機翼提供升力。通過控制涵道內的八片滑流舵組合偏轉實現V-Bat的飛行姿態控制以及垂直起飛模式和平飛行模式間的切換。固定翼推力矢量式無人機是由英國的“鷂”式戰斗機發展演變而來。通常這種無人機垂直起飛時水平放置于地面,由尾部的推力矢量噴管偏轉至垂直向下產生向上推力,同時靠頭部的升力風扇也產生向上推力,二者合力作為無人機升力實現垂直起飛。

圖10 V-Bat無人機

3.1.5仿鳥撲翼式無人機

仿鳥撲翼式無人機(BFAV)是一種全新概念的無人機,具有體積小、飛行效率高、隱蔽性好等諸多特點。此類無人機十分適用于在城市樓群、山地密林等復雜背景下,對可疑區域和可疑目標實施偵察等作戰活動中。按照撲翼的運作方式可分為:撲翼尾座式無人機和撲旋翼復合式無人機。撲翼尾座式無人機通過兩機翼的撲動為無人機起飛提供升力,例如美國航空環境公司研制的Nano Hummingbird無人機[24]和中國北京航空航天大學研制的仿蜂鳥撲翼無人機[25]。旋翼-撲翼復合式無人機類似于旋翼-固定翼復合式無人機,都是利用高速旋翼提供垂直起飛升力,撲翼裝置則在水平飛行時提供無人機升力和前進動力。文獻[26-27]中設計了一種四旋翼-撲翼復合式無人機(如圖11)。

圖11 四旋翼-撲翼復合式無人機

3.2 火箭助推起飛

無人機憑借火箭助推器提供的動力,達到起飛速度并實現起飛,這種方式即稱為火箭助推起飛。通常是將帶有火箭助推器的無人機放置在零長或短距起飛裝置上,火箭助推器內燃料燃燒噴射高速氣體所產生的巨大反沖力推動,無人機達到起飛速度后火箭助推器自動脫落,依靠自身動力裝置繼續飛行。陸基的火箭助推裝置一般由零長或短距起飛軌道、運載車以及控制裝置組成,這使得運載車可以搭載無人機到指定目標地進行快速起飛。由此可見火箭助推起飛具有對起飛場地要求低、機動性和靈活性強的特點,非常適合無人機快速作戰。采用火箭助推起飛的無人機較多,例如參加此次俄烏戰爭的Shahed-136(見證者-136)無人機(如圖12),是伊朗研制的一款自殺式無人機,起飛質量是200 kg,其所攜帶的戰斗部能輕松摧毀敵軍坦克等打擊目標;以色列的“哈比”自殺式無人機以及其進階版“哈洛普”自殺式無人機[28],我國的WJ-600高速察打一體無人機都是采用火箭助推起飛;德國的“泰番”(Taifun)自殺式無人機,這款無人機外形較為特別,機翼在未起飛時是折疊狀態,起飛再展開提供升力。

圖12 見證者-136自殺式無人機

3.3 滑跑起飛

滑跑起飛是最為普遍和簡單的起飛方式,利用無人機發動機產生高速氣體的反沖力作為動力推動無人機加速起飛。按照起飛平臺的不同可以分為水面滑跑起飛、跑道滑跑起飛、起飛車滑跑起飛。

3.3.1水面滑跑起飛

水面滑跑起飛是指無人機在水面上加速滑行到起飛速度后實現起飛。相比于跑道和起飛小車滑跑起飛,具有較好的機動性和靈活性,因為它對起飛場地要求低不需要跑道及良好的地況,只需較為寬闊的水面。但無人機在水面滑行時受力情況比較復雜,會受到推動裝置的推力、水和空氣的阻力等,使無人機起飛時的控制難度增大,容易出現“翻機”等危險現象[29]。我國上海優維斯公司研制的U650無人機即采用水面滑跑起飛,也可將機身腹部起落架展開進行跑道上的輪式起飛。

3.3.2跑道滑跑起飛

跑道滑跑起飛也稱輪式起飛,也就是普通載人飛機的起飛方式,適用于大型無人機及重型無人機起飛,例如美國的“捕食者”MQ-1無人機和“全球鷹”RQ-1無人機、俄羅斯的“獵人”S-70無人機及我國的彩虹-7無人機、翼龍-3無人機和無偵-10無人機等。為了減少無人機自重,不少機型采用可棄式起落架進行輪式起飛,降落時再利用特定的無人機回收裝置進行回收,但這種起飛方式也大大增加了起降成本,例如美國的“禿鷹”(Condor)無人機和巴西的 BQM-1BR無人機均采用可棄式起落架。

3.3.3起飛車滑跑起飛

起飛車滑跑起飛是指起飛車作為無人機的起落架,無人機在起飛車上起飛。由于起飛車可以多次使用,這不僅減少了無人機自重,也沒有較大地增加起飛成本。但由于起飛車載重限制,不適用于超大型無人機。而且起飛車需要長距離停車,需要較長的跑道。較為著名的幾款此類無人機有伊朗的Shahed-191 隱形無人機(如圖13),它采用豐田皮卡作為起飛車來滑跑起飛、我國研制的“長空-1”號靶機。

圖13 Shahed-191 隱形無人機

3.4 空中投放

空中投放是指投放平臺搭載單個或多個無人機抵達目標空域后進行無人機空中投放,實現無人機起飛。按照投放平臺的不同,可分為母機投放和母彈投放。母機投放通常是母機通過滑跑起飛(利用發動機產生的氣體反沖力實現母機起飛)后,將攜帶的無人機運輸至指定空域后進行投放。攜帶的方式通常是用大型運輸機或轟炸機將無人機裝在機艙或彈倉內,這種攜帶方式可以實現無人機的“蜂群”作戰,例如美軍 “女武神”XQ-58A無人機空中投放ALTIUS-600小型無人機[30]、意大利的“米奇拉”100無人機可裝載于Agusta A109直升機進行空中投放;或者是用攻擊機將無人機以掛彈形式懸掛在機翼下方,在釋放懸掛裝置后無人機可作為僚機參與作戰,例如我國轟-6k轟炸機掛彈式空中投放礪劍-1無人機(如圖14)。母彈投放的基本方式與母機投放相似,無人機通過改裝后掛載于導彈或火箭彈等母彈(通常不帶有戰斗部)上。例如2022年6月,我國某型火箭搭載無人機在減速后以近0.7馬赫的速度,在預定區域和高度成功投放無人機。母彈發射(導彈燃料燃燒產生氣體反沖力推動導彈發射)將無人機運載至目標空域后減速進行投放。由于母彈發射時無人機要承受較大加速度,這導致母彈投放這種方式對無人機機身結構強度要求較高。

圖14 轟-6k轟炸機空中投放礪劍-1無人機

這種依靠空中投放平臺的無人機起飛方式操作簡單易行,只需將普通無人機搭載于投放平臺,不需要額外的助飛設備。借助空中投放平臺的速度優勢,無人機可快速抵達指定空域,具有較強的快速作戰能力。但空中投放的無人機獨立作戰能力弱,對母機起飛跑道和母彈發射裝置依賴性高,而且這種起飛方式若用于少量無人機起飛會具有較高的成本。

4 人力作為動力源起飛

人力作為動力源的起飛方式即手拋起飛,起飛過程是起飛人員用手將無人機拋出,通過手給無人機做功的方式使無人機達到其較低的起飛速度,再實現起飛后無人機依靠自身的推動裝置進行飛行。手拋起飛是最簡單、最靈活、具有最強機動性的起飛方式。但這種起飛方式的缺陷也同樣突出,手拋起飛只適用于小型、微型無人機,通常最大起飛質量不超過7 kg,最大尺寸小于3 m。這類無人機可分為固定翼式和撲翼式。手拋起飛的固定翼式無人機有美國的“龍眼”微型無人機、美國的“大烏鴉”無人機、我國的彩虹-802無人偵察機(如圖15)、以及參加此次俄烏戰爭的美軍“美洲獅”無人機,其最大起飛質量為5.9 kg,再手拋起飛后它通過電動機驅動螺旋槳轉動產生動力使其飛行。憑借其噪聲小、相機性能強等特點,通常將其用于執行無人機旨在執行情報、監視、偵察和目標任務,是目前較為先進的一款微型無人機。手拋起飛的撲翼式無人機有美國陸軍研究實驗室研制的“機器烏鴉”(Robo-Raven)仿生無人機[31-32]。

圖15 彩虹-802無人偵察機

Prioria機器人公司研發的“幼畜”(Maveric) 無人機,該無人機不僅能手拋起飛,也可以通過專有的管式發射系統起飛[33];我國西北工業大學研制的“云鸮”仿鳥撲翼機,較上一代“信鴿”加入了人工智能系統、抗電磁干擾系統以及抗強風系統,能夠在-10～40 ℃、4級風及小雨雪環境下使用,并且創造單次連續飛行123 min的世界紀錄。

5 具備多種起飛方式的無人機

為應對不同的起飛需求,將多種起飛方式運用到一架無人機上的研究已成為當前的熱門之一(見表1)。一類是無人機借助一種或多種起飛裝置實現多種方式起飛,另外一類是對無人機自身結構進行設計,例如U650無人機展開起落架后可以實現輪式滑跑起飛。另外,旋翼-固定翼式無人機和傾轉式無人機在裝配上起落架后理論上均能實現輪式滑跑起飛和垂直起飛。

表1 具備多種起飛方式的無人機

6 無人機起飛方式對比

無人機機型分類(按起飛質量)如表2所示。無人機起飛方式如表3所示。軍用無人機和民用無人機對比如表4所示。

表2 無人機機型分類(按起飛質量)

表3 無人機起飛方式對比

表4 軍用無人機和民用無人機對比

7 結論

目前的無人機起飛技術已經完全滿足一些起飛需求較低的起飛任務,例如常規的輪式滑跑起飛、民用的多旋翼無人機垂直起飛等。但對于一些起飛需求較高的起飛任務,仍存在諸多短板和缺陷,特別是在軍事領域上,一種優秀的作戰無人機起飛方式需具有較強機動性、復雜環境適應型、發射快速性、隱蔽性、靈活性、普適性等。所以未來無人機起飛技術的優化和創新將以更高的無人機起飛需求為導向進行發展。

基于對之前無人機起飛技術的分析歸納,針對無人機起飛技術領域的發展方向以及關鍵技術研究做以下4點展望:

1) 電磁彈射未來發展

目前只有中國和美國成功研制并應用了艦載電磁彈射器。電磁彈射比傳統的蒸汽彈射器具有更高發射效率和能量轉換效率,更安全可靠,而且可以根據不同的飛機調節發射力度。但電磁彈射需要消耗大量的電能,目前的能源條件還不足以讓電磁彈射得到普及。除此之外,還需解決一些技術難題,例如如何保證發射平穩、減少對飛機結構的損傷、提高發射頻率等。只有解決了這些能源和技術問題,才能使電磁彈射普及成為可能。

2) 新能源起飛裝置研究

隨著無人機在軍民兩領域的應用逐漸擴大,只在現有起飛裝置上進行更新進步是不夠的,還需要進行新能源起飛裝置研發。而且我國氣/液壓彈射這種傳統起飛技術與國外的差距較大,許多氣/液壓傳動的精密部件過度依賴進口。所以應當大力開展新能源起飛裝置研究,以我國新能源技術迅猛的發展為基礎,進行新能源起飛裝置的研發,例如電機作為動力源的起飛裝置等,使我國實現在無人機起飛領域的彎道超車。

3) 傾轉式無人機飛控技術研究

在垂直起飛的無人機領域中,傾轉式無人機優勢顯著,例如對起飛場地要求低、機動性和靈活性強等,同時它也兼顧了固定翼無人機和旋翼無人機的優點,不僅具有良好的巡航能力,也能實現長時間懸停。但目前傾轉式無人機飛行模式轉換時仍存在較大的不可靠性和較差的安全性,所以在未來研究中,傾轉式無人機的飛控技術必定是主要研究方向。同時可以結合目前人工智能領域的諸多算法,對飛控技術進行優化和提升。

4) 仿鳥撲翼式無人機關鍵技術研究

與同為垂直起飛的旋翼無人機相比,仿鳥撲翼式無人機更節能、更隱蔽、更機動,所以近年來針對它的研究越來越多。然而仿鳥撲翼式無人機的能源動力技術和飛行控制技術仍是限制其廣泛應用的重要原因。針對能源動力技術未來的研究方向是設計更高功率密度和能量密度的電池以及更高功率質量比的微電機。飛行控制技術不但影響著機體的機動靈活性,而且也是飛行器實現避障、導航、軌跡規劃等功能的基礎。所以未來需要更多接近鳥類行為的實驗,研究出更居精準性的飛行控制技術。