韓雅慧，王亞偉，楊春信，徐曉東，楊雪松

(1.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191;2.陸軍航空兵學(xué)院，北京 100123;3.空軍裝備研究院航空裝備研究所，北京 100039;4.航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441022)

0 引言

降落傘回收和空投技術(shù)具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值和民用價(jià)值，在戰(zhàn)場(chǎng)快速機(jī)動(dòng)、救災(zāi)減災(zāi)、貨物傳送補(bǔ)給、飛行器回收等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的降落傘系統(tǒng)采用彈道式圓型傘系統(tǒng)，因而有“隨風(fēng)飄”的特點(diǎn)，一旦從空投平臺(tái)投放后就無(wú)法操縱，使得其高空空投落點(diǎn)精度很差，而且空投精度受高度和風(fēng)場(chǎng)的影響較大，空投時(shí)所需的降落區(qū)面積大，集結(jié)兵力或裝備所需的時(shí)間長(zhǎng)［1，2］。鑒于上述問(wèn)題，近年來(lái)精確空投系統(tǒng)得到了廣泛的研究。

精確空投系統(tǒng)的目標(biāo)是提供迅速、準(zhǔn)確和低成本的空投。它具有很多優(yōu)點(diǎn)，如歸航過(guò)程的可控制性和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離機(jī)動(dòng)飛行，不僅大大提高了空投精度，同時(shí)可以更靈活地選擇空投目標(biāo)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)方法的脆弱性，極大地增強(qiáng)空投的作戰(zhàn)效能，但實(shí)現(xiàn)精確空投系統(tǒng)和提高空投精度很難［2］。

與此同時(shí)，直升機(jī)被賦予新的使命，在降落傘回收和空投系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用，使傳統(tǒng)降落傘系統(tǒng)的末端更具機(jī)動(dòng)性，對(duì)著陸地點(diǎn)和系統(tǒng)的精度要求降低，而且可在極端氣象地區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)檐婈?duì)運(yùn)輸補(bǔ)給，進(jìn)行無(wú)人貨物多點(diǎn)空投。直升機(jī)和降落傘系統(tǒng)的結(jié)合具有重要的戰(zhàn)略意義，對(duì)遠(yuǎn)洋艦船、島礁、山區(qū)的物資補(bǔ)給和多兵種聯(lián)合使用具有重要意義。

本文從直升機(jī)空中回收技術(shù)和無(wú)人直升機(jī)投放貨物技術(shù)兩個(gè)方面來(lái)研究直升機(jī)在降落傘系統(tǒng)中的應(yīng)用。為進(jìn)一步開(kāi)展直升機(jī)和降落傘系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用的理論研究與工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)，進(jìn)一步拓展直升機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 直升機(jī)空中回收系統(tǒng)

直升機(jī)空中回收系統(tǒng)是20世紀(jì)60年代以來(lái)美國(guó)軍方發(fā)展的一種針對(duì)高價(jià)值目標(biāo)的回收技術(shù)，它結(jié)合直升機(jī)和降落傘系統(tǒng)進(jìn)行回收，具有無(wú)損、精確、快速等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)使用直升機(jī)空中攔截降落傘系統(tǒng)，然后利用鉤掛系統(tǒng)將降落傘與貨物鉤掛或回收至直升機(jī)上，由直升機(jī)轉(zhuǎn)移至目的地［3-8］。

直升機(jī)空中回收技術(shù)充分發(fā)揮了直升機(jī)的機(jī)動(dòng)性，具有很高的可靠性，可以大大拓展直升機(jī)的業(yè)務(wù)范圍。它使降落傘系統(tǒng)避免了著陸過(guò)程，從而降低了沖擊過(guò)載，避免了不利地形(如雪地、海洋)的影響，而且還能實(shí)現(xiàn)回收目標(biāo)的快速轉(zhuǎn)移，使傳統(tǒng)空投系統(tǒng)的末端更具機(jī)動(dòng)性，在無(wú)人機(jī)、巡航導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航天器返回艙等高價(jià)值載荷回收中得到廣泛應(yīng)用。

本部分按照直升機(jī)空中回收系統(tǒng)發(fā)展的三個(gè)階段，簡(jiǎn)要介紹了三代直升機(jī)空中回收系統(tǒng)的特點(diǎn)、典型工作過(guò)程以及應(yīng)用情況，為國(guó)內(nèi)發(fā)展類似的系統(tǒng)提供參考。

1.1 第一代直升機(jī)空中回收系統(tǒng)

第一代直升機(jī)回收技術(shù)是20世紀(jì)70年代末由美國(guó)軍方提出的，用于回收貴重的空射巡航導(dǎo)彈，在1989年成功應(yīng)用于兩種型號(hào)的空射巡航導(dǎo)彈回收，重量分別是970 kg和635～1134 kg［4］;回收用的直升機(jī)為美國(guó)CH－3“海王”直升機(jī)(圖1)。由于使用圓形降落傘系統(tǒng)，第一代技術(shù)需要改裝直升機(jī)，在機(jī)身上安裝吊桿和掛鉤以勾取降落傘，還需要安裝絞車以控制鉤掛過(guò)程的沖擊過(guò)載(圖2)，這些改裝需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和金錢。此外，第一代空中回收還有其他一些缺點(diǎn):由于降落傘系統(tǒng)采用圓傘，圓傘不具備滑翔能力，鉤掛操作過(guò)程中飛行員的視野有限;直升機(jī)相對(duì)于穩(wěn)降階段的降落傘速度大，鉤掛過(guò)程沖擊過(guò)載大，對(duì)絞車強(qiáng)度要求高［3-5］。

1.2 第二代直升機(jī)空中回收系統(tǒng)

隨著翼傘回收系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，直升機(jī)空中回收技術(shù)也在不斷改進(jìn)，在90年代初開(kāi)始進(jìn)入了第二代。第二代技術(shù)的典型特征是回收物的減速系統(tǒng)為翼傘系統(tǒng)，但仍需要對(duì)直升機(jī)機(jī)身進(jìn)行改裝。第二代是直升機(jī)空中回收技術(shù)發(fā)展的過(guò)渡階段，典型的應(yīng)用有美國(guó)中距無(wú)人機(jī)回收計(jì)劃(1991年)［3，6］和美國(guó)宇航局的新世紀(jì)樣品返回艙計(jì)劃(圖3，1998年)［3，8］。

中距無(wú)人機(jī)項(xiàng)目的空中回收系統(tǒng)由美國(guó)Vertigo公司為NASA研制，首次引入了高滑翔比的沖壓翼傘。新世紀(jì)樣品返回艙的空中回收系統(tǒng)是美國(guó)洛克希德·馬丁公司為NASA研制的，其目的是保護(hù)返回艙免于著陸沖擊，減少運(yùn)送時(shí)間以防止樣品暴露太久。與中距無(wú)人機(jī)的回收系統(tǒng)相比，其降落傘系統(tǒng)只保留了一具翼傘主傘和一具牽引傘，但其明顯的不足之處是:直升機(jī)鉤掛回收系統(tǒng)后，對(duì)翼傘未采取拋棄或收口措施，使其保留一定的氣動(dòng)外形，導(dǎo)致鉤掛過(guò)程產(chǎn)生較大的過(guò)載，并給后續(xù)的運(yùn)輸帶來(lái)麻煩?？傮w來(lái)說(shuō)，第二代空中回收系統(tǒng)體現(xiàn)了翼傘的優(yōu)勢(shì):具有較高的滑翔能力，飛行員鉤掛操作過(guò)程具有良好的視野。但是直升機(jī)依然需要改裝以安裝絞車、吊桿等鉤掛結(jié)構(gòu)。同時(shí)，翼傘系統(tǒng)在系統(tǒng)簡(jiǎn)化和鉤掛后的收口技術(shù)上的設(shè)計(jì)還不成熟。

圖3 第二代直升機(jī)空中回收系統(tǒng)［8］

1.3 第三代直升機(jī)空中回收系統(tǒng)

進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，直升機(jī)空中回收技術(shù)發(fā)展進(jìn)入第三代，其典型特征是智能吊鉤的研發(fā)。2003年，美國(guó)洛克希德·馬丁公司和Vertigo公司聯(lián)合完成了第三代空中回收系統(tǒng)的概念驗(yàn)證(圖4a圖4b為第三代直升機(jī)空中回收系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例和工作過(guò)程)。與前兩代空中回收系統(tǒng)相比，第三代系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)已相對(duì)完善:無(wú)需改裝直升機(jī)，控制了鉤取過(guò)程的過(guò)載并極大地改善了飛行員在操作過(guò)程中的視野。由于翼傘具有一定的滑翔比，在回收過(guò)程中，直升機(jī)可以保持與翼傘相近的飛行速度，從而大大降低了回收過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)載，因此不需要再在直升機(jī)上安裝絞車以控制鉤掛過(guò)載。第三代系統(tǒng)采用智能吊鉤，代替了原有的吊桿和掛鉤，如圖4c，牽引傘傘繩在一個(gè)或更多的吊鉤鉤爪張口內(nèi)，當(dāng)鉤爪感知到結(jié)合繩(牽引傘傘繩)后會(huì)自動(dòng)閉合，完成鉤掛工作，因此不再需要對(duì)直升機(jī)機(jī)體做任何改裝，從而大大提高了該技術(shù)的適用性［3，8］。翼傘上安裝了滑動(dòng)收口裝置，完成鉤掛工作后，直升機(jī)緩慢上升，收口裝置工作，實(shí)現(xiàn)翼傘的收口排氣，待翼傘收起后將傘與貨物收至直升機(jī)內(nèi)運(yùn)至目的地。

隨著第三代直升機(jī)空中回收技術(shù)的發(fā)展，其實(shí)用安全性和能回收的載荷重量都有了很大程度的提高。在不需要對(duì)直升機(jī)進(jìn)行改裝的條件下，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)重量為8噸左右的貨物的空中回收［3］。

從20世紀(jì)90年代至本世紀(jì)初，美國(guó)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)實(shí)施的多次直升機(jī)空中回收任務(wù)都取得了成功(表1)，如此高的可靠性以及直升機(jī)與翼傘技術(shù)的成熟，使直升機(jī)空中回收技術(shù)在美國(guó)得到越來(lái)越多的應(yīng)用［6］。

表1 美國(guó)直升機(jī)空中回收任務(wù)及成功率

表2 可用于空中回收物資輸運(yùn)的直升機(jī)［3，9-11］

直升機(jī)空中回收技術(shù)可以避開(kāi)不利地形，防止著陸沖擊以及地表特征對(duì)回收目標(biāo)帶來(lái)的損害，并實(shí)現(xiàn)回收目標(biāo)的快速轉(zhuǎn)移，具有廣闊的應(yīng)用前景。如小型物資輸運(yùn)和重型物資的空中回收，目前可用于物資輸運(yùn)的直升機(jī)有貝爾公司的TH－57“海上騎兵”、西科斯基SH－60“海鷹”、卡曼SH－2G“海妖”和波音CH－46“海上勇士”，見(jiàn)表2。這幾種中小型物資輸運(yùn)的直升機(jī)當(dāng)前正在美國(guó)海軍服役并執(zhí)行海上物資運(yùn)輸任務(wù)?？奢斶\(yùn)10噸以上物資的重型直升機(jī)主要有波音CH－47“支努干”、西科斯基MH －53E“海龍”、CH －53E“超種馬”和米 －26“光環(huán)”直升機(jī)［3，9-11］。

直升機(jī)空中回收技術(shù)最有前景的應(yīng)用是快速為水面艦艇、島礁提供物資補(bǔ)給和戰(zhàn)場(chǎng)物資垂直補(bǔ)給。由大型運(yùn)輸機(jī)攜帶物資在4500米高度上飛向需要補(bǔ)給的艦船，在到達(dá)一定距離后空投物資，直升機(jī)在距離海平面3000米的高度上抓取物資，然后調(diào)運(yùn)至艦船甲板上。

2 無(wú)人直升機(jī)投放貨物系統(tǒng)

無(wú)人直升機(jī)以其特殊的飛行能力在軍事領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用，使用范圍包括偵察、監(jiān)視、情報(bào)獲取、數(shù)據(jù)傳輸和對(duì)地攻擊等。隨著降落傘系統(tǒng)的發(fā)展，無(wú)人直升機(jī)和降落傘系統(tǒng)結(jié)合可在極端氣象地區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)檐婈?duì)運(yùn)輸補(bǔ)給，進(jìn)行貨物定點(diǎn)空投，提高作戰(zhàn)的效費(fèi)比。

2.1 高原投放

美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)在阿富汗進(jìn)行的作戰(zhàn)行動(dòng)需要大量的物資補(bǔ)給，而當(dāng)?shù)氐母咴嗌降匦问沟眠\(yùn)送補(bǔ)給行動(dòng)變得困難重重，復(fù)雜的山地降低了輪式運(yùn)輸車輛的效率，增加了遇襲風(fēng)險(xiǎn)。在這一背景下，美國(guó)軍方開(kāi)始加速研制無(wú)人運(yùn)輸直升機(jī)，為特種作戰(zhàn)分隊(duì)提供補(bǔ)給或運(yùn)送傷員。

2007年卡曼宇航公司宣布與洛克希德·馬丁公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)K－MAX直升機(jī)的無(wú)人機(jī)版，即KMAX UAS無(wú)人直升機(jī)。

2010年4月，兩家公司為海軍陸戰(zhàn)隊(duì)展示了K－MAX無(wú)人直升機(jī)在阿富汗地區(qū)前線為士兵提供再次補(bǔ)給的能力。在這次演示中，K－MAX展示了在視線內(nèi)/外進(jìn)行遙控/自主吊裝貨物的能力。

該無(wú)人直升機(jī)投放系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括:吊/投放系統(tǒng)為卡曼公司設(shè)計(jì)的四爪卡盤;降落傘采用的是十字傘系統(tǒng);控制系統(tǒng)為視距內(nèi)和視距外遙控和自主飛行/投放［12］。

K－max無(wú)人直升機(jī)投放系統(tǒng)使特種部隊(duì)可以在危險(xiǎn)區(qū)域獲得補(bǔ)給，還可以進(jìn)一步為更高海拔高度上的單一或多個(gè)聯(lián)合精確空投系統(tǒng)(JPADS)使用。其在海平面的載重能力可達(dá)2722千克，而在4572米的高原地區(qū)載重能力也能達(dá)到1950千克［13］。這使得其投放系統(tǒng)可用于更危險(xiǎn)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，從一個(gè)K－max部署點(diǎn)為多個(gè)分散的地面部隊(duì)提供物資補(bǔ)給。

2.2 海上補(bǔ)給

K－max無(wú)人直升機(jī)投放系統(tǒng)不僅用于高原復(fù)雜地形的運(yùn)輸補(bǔ)給，而且可用于短距離水面艦艇、島礁的物資補(bǔ)給。由于采用交叉雙旋翼式結(jié)構(gòu)，K－max相比其它無(wú)人直升機(jī)，改善了起重能力并減少運(yùn)行和后勤保障費(fèi)用，可在一次飛行任務(wù)中向更多地點(diǎn)運(yùn)送更多的物資。如圖5所示，K－max無(wú)人直升機(jī)在水面艦艇物資補(bǔ)給中，使用了4個(gè)掛鉤的旋轉(zhuǎn)盤，驗(yàn)證了在單次任務(wù)中進(jìn)行4次空投的能力［13］。

與地面運(yùn)輸車輛和傳統(tǒng)有人操控的直升機(jī)相比，K－max更節(jié)省燃油和人力，也可以降低執(zhí)行任務(wù)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，提高可操作性，降低成本。

圖5 K－max無(wú)人直升機(jī)空投系統(tǒng)［13］

3 總結(jié)與討論

3.1 結(jié)論

直升機(jī)空中回收和無(wú)人直升機(jī)貨物投放是直升機(jī)和降落傘系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用，本文對(duì)其進(jìn)行了探討，為我國(guó)開(kāi)發(fā)直升機(jī)空中回收系統(tǒng)、拓展直升機(jī)潛在應(yīng)用領(lǐng)域提供了一定技術(shù)參考。

1)直升機(jī)空中回收技術(shù)可以避開(kāi)不利地形，達(dá)到無(wú)損、精確并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的快速轉(zhuǎn)移，具有廣闊的應(yīng)用前景。直升機(jī)空中回收技術(shù)可應(yīng)用于太空探測(cè)器返回艙、無(wú)人機(jī)等高價(jià)值目標(biāo)的回收，其中最有前景的應(yīng)用為水面艦艇或島礁的物資補(bǔ)給。

2)借鑒K－max無(wú)人直升機(jī)投放貨物技術(shù)的驗(yàn)證，給危險(xiǎn)、復(fù)雜的環(huán)境提供了一種新的貨物投送方式，具有重要的軍事意義。

3.2 進(jìn)一步開(kāi)展的工作

1)目前，國(guó)內(nèi)直升機(jī)裝備數(shù)量少、功能單一，而且考慮到拓展現(xiàn)有機(jī)群能力、基礎(chǔ)設(shè)施和保障性以及經(jīng)濟(jì)效益等方面的因素，應(yīng)及早開(kāi)展直升機(jī)空中回收技術(shù)的研究與應(yīng)用;針對(duì)現(xiàn)有直升機(jī)外掛承載能力、翼傘技術(shù)和測(cè)控技術(shù)，先期開(kāi)展中小型載荷的空中回收技術(shù)研究。

2)根據(jù)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展需要，為降低執(zhí)行任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)和成本，提高戰(zhàn)爭(zhēng)的效費(fèi)比，應(yīng)對(duì)空中末端補(bǔ)給模式開(kāi)展探索，例如采用大飛機(jī)空投物資方式，通過(guò)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制，將空中回收技術(shù)和無(wú)人直升機(jī)結(jié)合來(lái)進(jìn)行回收和物資的補(bǔ)給。

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［11］http://www.zgjunshi.com/world/hangtianqi/zhishengji/200903/20090327105352_5.html［EB/OL］.

［12］http://news.xinhuanet.com/mil/2010 － 07/19/content_13883006.htm［EB/OL］.

［13］http://blog.sina.com.cn/s/blog_56bf65670100i41d.html［EB/OL］.