專利分析“黑杰克”無人機(jī)回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展

本文通過對(duì)英西圖公司等承包商的專利進(jìn)行分析，明確了“黑杰克”無人機(jī)正在使用或研制的五種回收方案。通過繪制技術(shù)發(fā)展路線圖明確各方案的技術(shù)路徑、發(fā)展進(jìn)程，預(yù)測(cè)“天鉤”“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”、垂直起降改型等三種方案將是“黑杰克”無人機(jī)回收系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向，相關(guān)技術(shù)發(fā)展值得重點(diǎn)關(guān)注。

RQ-21A“黑杰克”（Blackjack）無人機(jī)是由美國波音公司的子公司英西圖公司研制的艦載固定翼無人機(jī)，具有起降方式靈活、部署展開面積小、使用費(fèi)效比高等優(yōu)勢(shì)。得益于“黑杰克”研發(fā)團(tuán)隊(duì)的持續(xù)努力，在2020年“黑杰克”無人機(jī)的任務(wù)能力達(dá) 78.6% ，全面任務(wù)能力達(dá) 67.3% ，獲得當(dāng)年美海軍“最佳備戰(zhàn)平臺(tái)團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)”。在2021年，該無人機(jī)的任務(wù)能力和全面任務(wù)能力均達(dá)到100% ，美海軍官員評(píng)價(jià)“這是在任何裝備序列中都很少見到的壯舉”。

“黑杰克”無人機(jī)的任務(wù)定位主要是作為小型戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)系統(tǒng)（STUAS），實(shí)現(xiàn)快速、無場(chǎng)地要求的發(fā)射與回收，可以滿足美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)遠(yuǎn)征軍、海軍L級(jí)兩棲作戰(zhàn)艦艇及海軍特戰(zhàn)隊(duì)的作戰(zhàn)需求。然而，近年來美海軍發(fā)現(xiàn)“黑杰克”的回收系統(tǒng)存在一定缺陷，可能對(duì)無人機(jī)造成較大損害，正探索多種可替代的技術(shù)解決方案，“黑杰克”無人機(jī)的承包商通過專利文獻(xiàn)披露多項(xiàng)無人機(jī)回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。開展相關(guān)研究分析，對(duì)國內(nèi)無起落架式固定翼無人機(jī)的設(shè)計(jì)、研發(fā)、使用與維護(hù)而言具有重要價(jià)值。

基于上述背景，本文綜述了“黑杰克”無人機(jī)回收系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展情況及相關(guān)專利技術(shù)，明確了“黑杰克”回收系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展路線，對(duì)后續(xù)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)。

“黑杰克”無人機(jī)回收方案發(fā)展現(xiàn)狀研究

“天鉤”（Skyhook）回收系統(tǒng)

目前“黑杰克”主要使用的回收系統(tǒng)是由英西圖公司研制的“天鉤”回收系統(tǒng)，美海軍也稱該系統(tǒng)為“小型戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)回收系統(tǒng)”（SRS），該系統(tǒng)原用于“掃描鷹”無人機(jī)，由于“黑杰克”與“掃描鷹”設(shè)計(jì)相近而被“黑杰克”

沿用，如圖1（a）。英西圖公司于2006年申請(qǐng)的US7578467B2專利對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了披露，系統(tǒng)主體為兩段式伸縮液壓桿，桿頂設(shè)置滑輪并連接回收繩，無人機(jī)機(jī)翼上設(shè)置掛鉤，回收時(shí)無人機(jī)撞繩減速，繞繩旋轉(zhuǎn)降落實(shí)現(xiàn)回收，如下圖1（b）。

“天鉤”回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，使得“黑杰克”無人機(jī)能夠在無跑道的路面及艦船甲板上完成回收作業(yè)。但美海軍小型戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)系統(tǒng)項(xiàng)目辦公室通過對(duì)“黑杰克”無人機(jī)的維護(hù)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，使用該系統(tǒng)回收“黑杰克”時(shí)，可能對(duì)無人機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)、控制面、天線、導(dǎo)航系統(tǒng)、任務(wù)載荷等造成損害，導(dǎo)致“黑杰克”的使用與維護(hù)成本大幅增加。

\"網(wǎng)捕獲”（NetCapture）回收系統(tǒng)

“網(wǎng)捕獲”方案屬于無人機(jī)撞網(wǎng)回收技術(shù)，該類技術(shù)的典型應(yīng)用是美海軍“依阿華”戰(zhàn)列艦回收“先鋒”無人機(jī)，如圖2（a）。英西圖公司于2018年申請(qǐng)US10775809B2專利對(duì)“網(wǎng)捕獲”方案進(jìn)行描述，在借鑒“先鋒”無人機(jī)回收經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將“天鉤”回收系統(tǒng)的回收繩改為回收網(wǎng)，無人機(jī)的機(jī)翼掛鉤勾在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)回收，如圖2（b）。

“側(cè)臂”（SideArm）回收系統(tǒng)

“側(cè)臂”回收系統(tǒng)是由美國國防高級(jí)計(jì)劃研究局（DARPA）與極光飛行科學(xué)公司（該公司現(xiàn)在為波音旗下子公司）研制的通用無人機(jī)回收系統(tǒng)。2017年，DARPA宣布成功開展“側(cè)臂”系統(tǒng)原型機(jī)對(duì)全速飛行的“暴怒”（Fury）無人機(jī)捕獲試驗(yàn)，如圖3（a）。極光飛行科學(xué)公司于2011年申請(qǐng)US9010683B2專利對(duì)該回收系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行披露。該方案原理與“天鉤”回收系統(tǒng)相近，在艦船甲板上搭載回收臂截停無人機(jī)。不同的是，該方案需要對(duì)無人機(jī)進(jìn)行改裝，在無人機(jī)頂部安裝吊鉤，回收時(shí)無人機(jī)吊鉤被回收臂捕獲，無人機(jī)前后擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)減速。該系統(tǒng)應(yīng)用于“黑杰克”無人機(jī)時(shí)，可避免“黑杰克”繞繩旋轉(zhuǎn)與觸地等過程對(duì)系統(tǒng)造成的損害。

（a）DARPA開展“側(cè)臂”系統(tǒng)回收無人機(jī)試驗(yàn)圖3“側(cè)臂”系統(tǒng)回收方案。

（a）英西圖公司披露“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”系統(tǒng)產(chǎn)品圖圖4“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”回收。

“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”是由英西圖公司與其合作伙伴胡德科技公司研制的回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用一架旋翼無人機(jī)搭載固定翼無人機(jī)垂直升空，利用重力勢(shì)能為固定翼無人機(jī)提供初始加速度，回收時(shí)固定翼無人機(jī)被旋翼無人機(jī)捕獲，旋翼無人機(jī)垂直降落輔助固定翼無人機(jī)著陸。英西圖公司于2015年申請(qǐng)US10133272B2專利，提出該方案整體構(gòu)思，后續(xù)與胡德科技公司合作陸續(xù)提出US10752357B2、

“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”

US11338911B2、US10569868B2專利，分別使用鉤爪、磁吸、肩裝夾具完成旋翼無人機(jī)與固定翼無人機(jī)對(duì)接的具體方法。2023年，英西圖公司正式披露 …E 行中發(fā)射回收系統(tǒng)”系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用的八旋翼無人機(jī)構(gòu)造與2016年申請(qǐng)的US10569868B2專利所披露的技術(shù)方案一致，如圖4。

垂直起降（VTOL）改型設(shè)計(jì)方案

美海軍計(jì)劃參照J(rèn)UMP20無人機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)“黑杰克”進(jìn)行垂直起降改型設(shè)計(jì)，使“黑杰克”具備直接在艦船甲板上垂直起降的能力，JUMP20無人機(jī)外形如下圖5（a）所示。基于該構(gòu)型的垂直起降方案在英西圖公司于2017年申請(qǐng)的US11447246B2專利中進(jìn)行了詳細(xì)披露，該方案在“黑杰克”機(jī)翼上加裝四個(gè)升力螺旋槳作為垂直起降功能模塊，在垂直起降階段由螺旋槳提供向上升力，在平飛階段利用固定翼向前飛行，同時(shí)將無人機(jī)尾翼垂直部分由向上延伸改為向下延伸，并在機(jī)頭安裝一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，組合用于無人機(jī)的觸地支撐。

（b）專利顯示“黑杰克”垂直起降改型設(shè)計(jì)思路

“黑杰克”無人機(jī)回收方案技 術(shù)路線及發(fā)展趨勢(shì)分析

基于上述對(duì)“天鉤”“網(wǎng)捕獲”“側(cè)臂”“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”、垂直起降改型等五種方案的基本介紹，可以發(fā)現(xiàn)“黑杰克”無人機(jī)的回收系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)呈多樣化發(fā)展的態(tài)勢(shì)。本文進(jìn)一步對(duì)英西圖公司及其合作伙伴申請(qǐng)的無人機(jī)回收系統(tǒng)專利進(jìn)行分析，繪制技術(shù)路線圖如下圖6所示，其中圖中綠色專利代表該專利目前仍受到專利權(quán)保護(hù)，黃色專利代表該專利尚未授權(quán)，紅色專利代表該專利已被放棄。

從該發(fā)展路線圖可以看出，在上述五種回收方案中，“天鉤”回收系統(tǒng)作為目前仍在使用的“黑杰克”無人機(jī)核心回收系統(tǒng)，因?yàn)樵荚O(shè)計(jì)存在可能對(duì)無人機(jī)及其載荷造成損害的問題，英西圖公司自2017年開始不斷對(duì)回收系統(tǒng)的各部分組成進(jìn)行優(yōu)化，朝著穩(wěn)定、安全、高效的方向進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

“網(wǎng)捕獲”方案在2018年由英西圖公司提出方案設(shè)計(jì)的構(gòu)思，該技術(shù)路線未解決“網(wǎng)捕獲”方案存在的與“天鉤”回收系統(tǒng)類似的、可能對(duì)無人機(jī)造成損害的問題，因此不作為英西圖公司的重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展方向。

“側(cè)臂”回收系統(tǒng)由極光飛行科學(xué)公司承擔(dān)研制工作，該公司于2011申請(qǐng)的該系統(tǒng)相關(guān)專利未到保護(hù)期，因該公司未繳納專利年費(fèi)而失效，表明該公司放棄了對(duì)該系統(tǒng)的專利權(quán)保護(hù)，結(jié)合2017年DARPA披露該系統(tǒng)進(jìn)行一次試驗(yàn)后再無后續(xù)報(bào)道的情況，推測(cè)可能由于系統(tǒng)存在缺陷或試驗(yàn)結(jié)果不理想等原因，美方已經(jīng)事實(shí)上放棄“側(cè)臂”回收系統(tǒng)的繼續(xù)研究開發(fā)工作。

“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”由英西圖公司與其合作伙伴胡德科技公司共同研制，在2015一2018年集中形成了一批使用旋翼無人機(jī)回收固定翼無人機(jī)的專利技術(shù)，并于2023年與胡德科技公司聯(lián)合在美國海軍聯(lián)盟?？仗烊蚝Ｊ虏┯[會(huì)上正式推出該系統(tǒng)，表明經(jīng)過數(shù)年的研制，該方案已日趨成熟，后續(xù)可能很快入列美軍裝備。

垂直起降改型方案的提出時(shí)間最晚，于2020年左右提出基礎(chǔ)思路設(shè)計(jì)，2021年形成針對(duì)“黑杰克”構(gòu)型的垂直起降方案，因此目前技術(shù)成熟度較低。但由于該方案能夠有效解決“黑杰克”無人機(jī)在回收時(shí)受損、現(xiàn)有回收系統(tǒng)占用艦船甲板空間等問題，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性和可操作性上具有明顯優(yōu)勢(shì)，英西圖公司圍繞垂直起降改型提出了多種設(shè)計(jì)構(gòu)思如圖7（a）至7（c），因此該方向可能是英西圖公司未來數(shù)年內(nèi)重點(diǎn)攻關(guān)方向。

結(jié)論

美國海軍在完善“黑杰克”無人機(jī)安全回收方案的道路上不斷探索，為小型戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)的研制與運(yùn)用提供豐富的技術(shù)積累。目前，美國海軍與英西圖公司等承包商已探索“天鉤”“網(wǎng)捕獲”“側(cè)臂”“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”、垂直起降改型等多種回收方案并申請(qǐng)專利文獻(xiàn)。分析發(fā)現(xiàn)，“天鉤”回收系統(tǒng)在近年來不斷優(yōu)化改進(jìn)以期解決原有設(shè)計(jì)缺陷，“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”經(jīng)過多年攻關(guān)現(xiàn)已形成成熟產(chǎn)品方案，垂直起降改型設(shè)計(jì)目前正成為英西圖公司的重點(diǎn)關(guān)注方向，上述技術(shù)對(duì)發(fā)展小型固定翼無人機(jī)回收裝置能夠提供有效借鑒，相關(guān)技術(shù)發(fā)展值得關(guān)注。