杜聰聰+李武軍+陳朝浪+馬明旭

摘 要 本文綜述了固定翼無人機回收發(fā)射技術(shù)現(xiàn)狀。同時結(jié)合了航天領(lǐng)域，對艦載機的回收、發(fā)射技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀進行介紹和分析。在當(dāng)前無人機需求旺盛，行業(yè)發(fā)展突飛猛進的背景下，當(dāng)今無人機行業(yè)尚未出現(xiàn)一套完備、實用、穩(wěn)定的無人機回收發(fā)射一體化裝置，也正是由于這個問題的存在，限制了無人機技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全面、完備、高速的發(fā)展。全新的無人機回收發(fā)射一體化裝置還有待創(chuàng)新和研究。

關(guān)鍵詞 固定翼無人機；回收；發(fā)射；一體化

中圖分類號 V27 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）160-0113-03

無人機（UAV）又稱“空中機器人”，主要包含無人機載體、地面站（例如發(fā)射回收裝置）和有效負荷[1]。

按照飛行平臺構(gòu)型的不同，無人機可以分為固定翼、旋翼、無人飛艇、傘翼、撲翼等[2]。無人機產(chǎn)品形態(tài)結(jié)構(gòu)各異、功能復(fù)雜，但飛行原理相似。正是由此，為無人機回收發(fā)射技術(shù)發(fā)展，并滲透到各個領(lǐng)域中提供基礎(chǔ)。

在無人機體系中，許多關(guān)鍵技術(shù)起決定作用，有氣動、人工智能、通信、發(fā)射回收技術(shù)等[3]。傳統(tǒng)的無人機的發(fā)射方式，很難實現(xiàn)連續(xù)循環(huán)發(fā)射的無人化、智能化和自動化。傳統(tǒng)無人機分為陸基、空基、海基發(fā)射技術(shù)只適合運用于軍事行業(yè)，其它領(lǐng)域依靠手拋和軌道起飛方式。不能真正體現(xiàn)無人機的靈活性，約束無人機的任務(wù)半徑。小型無人機的發(fā)射有采用容器式裝置發(fā)射的[4]。無人機運用在哪方面，都無法解決發(fā)射和回收局限性的問題。

1 無人機發(fā)射技術(shù)

一般無人機發(fā)射方式有火箭助推、液壓、氣壓彈射和地面滑道起飛等。大型無人機一般利用地面滑跑起飛的方式，中小型無人機則采用費用極高且安全措施高的彈射起飛方式。傳統(tǒng)的液壓彈射系統(tǒng)和氣動彈射系統(tǒng)通常占地面積大、展開撤收困難[5]。

1.1 手拋發(fā)射

手拋發(fā)射，由操作手投擲無人機到空中，實現(xiàn)起飛過程。手拋發(fā)射一般用于體積小、質(zhì)量小的小微型無人機，如美國大烏鴉、指針無人機，英國MSV-10無人機。但是這對發(fā)射者提出一定的要求，發(fā)射時要注意投擲力大小和方向[6]，從而確保無人機發(fā)射成功。

1.2 蓄能彈射發(fā)射

彈射起飛是將彈性勢能轉(zhuǎn)換為機械動能，使無人機加速到安全起飛速度。彈射起飛的優(yōu)點是機動靈活性好、安全隱蔽性好；其缺點是發(fā)射質(zhì)量不能太大，滑軌不能太長。按發(fā)射動力能源的不同，彈射起飛可分為液/氣壓彈射、彈力彈射、電磁彈射和燃氣彈射等多種方式[6]。

以色列拉斐爾公司生產(chǎn)的一種便攜式小型無人機云雀。當(dāng)操作人員在空間約束無法跑著發(fā)射無人機時，可以采用發(fā)射管發(fā)射。

1.3 氣動液壓發(fā)射

20世紀90年代國際上發(fā)展起來的一種先進的導(dǎo)軌動能彈射起飛方式，主要采用氣液壓能源作為無人機彈射起飛的動力。由于技術(shù)復(fù)雜，最初只有美、英等少數(shù)國家掌握此項技術(shù)，如美國影子200和天鷹。發(fā)射過程，無人機首先固定在滑車上，滑車就位、鎖定，進行液體壓縮氮氣儲能。滑車到達滑軌終點時在液壓剎車裝置作用下停住，無人機離開滑車飛向天空[7]。但是，所需配套裝置比較冗雜，需要一定數(shù)量的操作人員，耗能和噪聲較大，機動隱蔽性差。

1.4 彈藥火箭發(fā)射

原理和氣動液壓發(fā)射類似，該系統(tǒng)由機體、發(fā)射車、地面測控站、和火工品等部分組成。采用上單翼、雙尾撐、后推式總體氣動布局，飛行平穩(wěn)度高、續(xù)航時間長；具有衛(wèi)星、無線電、航程推算三種定位及組合導(dǎo)航方式；具有在云、霧、雨（中陣雨）氣象條件下晝夜執(zhí)行飛行任務(wù)的能力（如圖1）。

火箭助推系統(tǒng)推力線控制與調(diào)整要求復(fù)雜且不能重復(fù)使用，火箭脫落時與后置式動力裝置發(fā)生干涉，而且設(shè)計火工品的儲存和使用，費用高昂，且發(fā)射時具有聲光煙信號，容易暴露目標。

1.5 地面滑跑起飛

該方式主要是利用無人機自身發(fā)動機的推力，驅(qū)動無人機在跑道上加速起飛，這與當(dāng)前的固定翼人駕駛飛機起飛原理相像。主要分為起飛滑跑起飛和輪式起落架滑落起飛。地面滑跑起飛的優(yōu)點是發(fā)射系統(tǒng)簡單可靠，配套地面保障設(shè)備少，加速過程的過載小。而缺點是需要跑道設(shè)施和較好的地況要求，機動靈活性比較差。一般的，對于起落架的結(jié)構(gòu)設(shè)計會較大程度影響飛機載荷大小和安全性。

1.6 旋轉(zhuǎn)拋射起飛

西北工業(yè)大學(xué)當(dāng)前研究出一種無人機旋轉(zhuǎn)拋射裝置[5]。該裝置通過控制旋轉(zhuǎn)拋射裝置電機的旋轉(zhuǎn)速度將中小型無人機的發(fā)射速度在0m/s～50m/s之間，能夠有效減小中小型無人機在起過程中的過載，延長無人機的使用壽命，具有生產(chǎn)制造費用低、占地面積小、操作方便并且能夠車載和艦載使用的特點。

然而，該裝置發(fā)射無人機時受到無人機的尺寸、結(jié)構(gòu)的影響，由于無人機承載任務(wù)載荷所導(dǎo)致的重心偏移，發(fā)射過程中的慣性力消除有所難度。同時，飛機的爬升高度對裝置的結(jié)構(gòu)也有較大地限制。

2 無人機回收技術(shù)

無人機回收方式較少，主要著眼于緩沖吸能目標上，主流為撞網(wǎng)回收、傘降回收、著陸滑跑回收、垂直降落回收、中空回收和氣墊回收。

2.1 撞網(wǎng)回收

主要由攔截網(wǎng)、吸收能量裝置和引導(dǎo)設(shè)備構(gòu)成。攔截網(wǎng)承擔(dān)吸能緩沖的任務(wù)，用來吸收無人機撞網(wǎng)后來回擺動能量，防止觸網(wǎng)后彈跳不停，以致?lián)p傷。自動引導(dǎo)裝置是網(wǎng)后面的移動攝像頭，時刻捕捉無人機返航后，進入回收空域，隨時報告無人機的相對回收裝置的三維坐標。

但是，該攔截也存在一些劣勢。當(dāng)無人機返航時，需要有操作人員時刻關(guān)注監(jiān)視器的狀況，根據(jù)無人機的實時位置，來半自動地?zé)o人機的飛行姿態(tài)，修正無人機飛行路線，對準地面攝像機的瞄準線，飛向攔截網(wǎng)。同時，無人機的降落速度、重量和載荷也要考慮，以免損壞攔截網(wǎng)[4]。

2.2 傘降回收

傘降回收方式是無人機在回收降落的時候，機身在降落傘的牽扯作用下，機身反轉(zhuǎn)180°，機體腹部朝上背部朝下，機背的著陸氣包在碰地的時候充氣撞擊地面，起到緩沖的作用，從而保護了內(nèi)部的各種儀器[8]。同樣，英國的“小鷹”使用傘降回收方式進行著陸，機背的汽包充氣先著陸保護機體內(nèi)部的設(shè)備不受損害[9]。

系統(tǒng)還是存在很多不足之處，主要回收的精度達不到預(yù)期的要求，飛機著陸姿態(tài)不當(dāng)或速度過大，導(dǎo)致機體部件或任務(wù)負載損毀。無人機的機體或者負載損毀的主要原因是著陸姿態(tài)不當(dāng)，例如機頭垂直撞向地面，或者速度過快[10]。

2.3 著陸滑跑回收

在1.5中也有敘述，在著陸滑跑回收當(dāng)中，起落架滑輪著陸的回收方式與有人機類同。不同之處，無人機的著陸回收方式有特有的優(yōu)勢。固定翼無人機對跑道要求相對有人機要求比較寬松。有些無人機回收架允許損壞，作為吸收能量緩沖的過程。另外，為了縮短著陸滑跑距離，會對無人機進行設(shè)置攔阻索攔截。例如在機尾安裝鉤狀結(jié)構(gòu)，著陸時勾住攔阻索，實現(xiàn)無人機降落。

3 無人機回收發(fā)射一體化技術(shù)

3.1 旋轉(zhuǎn)拋射一體化技術(shù)

東北大學(xué)IBIT仿生智能團隊提出一種旋轉(zhuǎn)拋射無人機發(fā)射與回收一體化裝置，包括支撐架、大臂、發(fā)射/回收臺。該裝置結(jié)合無人機回收與發(fā)射的運動特點，利用仿生學(xué)原理，模仿手臂抓取運動物體和拋射物體的兩個過程，把無人機的回收和發(fā)射兩個過程整合到一起。優(yōu)化方法分析大臂旋轉(zhuǎn)和大臂上的曲柄滑塊機構(gòu)合成運動的軌跡，得到一段無人機發(fā)射時所需的軌跡[11]。

經(jīng)過實驗，該裝置也存在一些不足，在機械部分：現(xiàn)實裝置比較大，旋轉(zhuǎn)慣性大，加工精度難度和材料比較困難；旋轉(zhuǎn)裝置體積、重量變小后，對于回收發(fā)射的緩沖曲線擬合不明顯，吸能效果可能不佳。而對于控制部分：對于無人機回收，動態(tài)性捕捉、握手信息交互技術(shù)要求較高；裝置的反應(yīng)速度要求比較高，由于裝置的旋轉(zhuǎn)部分的慣性比較大，有滯后性，對機械動力的機動性要求高。

3.2 彈射回收一體化技術(shù)

針對上述旋轉(zhuǎn)拋射無人機發(fā)射與回收一體化裝置的短板，從簡易型和使用的角度提出一種基于STM32彈射回收一體化的裝置（如圖2）。調(diào)整機架的角度，選擇合適的回收與發(fā)射角度。根據(jù)無人機速度特性，與物體同向運動，形成順應(yīng)性主動緩沖。當(dāng)無人機回收后，緩沖網(wǎng)主動張開，將無人機姿態(tài)調(diào)整到回收平臺中部，發(fā)射臺與回收平臺之間由鎖緊裝置連接，蓄能、觸發(fā)張開鎖緊裝置，釋放發(fā)射無人機。

本裝置對固定翼無人機的回收實現(xiàn)網(wǎng)式的柔性緩沖，能有效降低無人機的損傷。采用主動和被動緩沖相結(jié)合的方案，較大地提高回收平臺對無人機動能的吸能的效果；機構(gòu)簡單靈巧，整個過程幾乎無須人為干預(yù)。自主操作降低了失誤率，提高了回收精準度，降低人為成本。對需要對回收吸能緩沖和調(diào)姿進一步優(yōu)化，進一步提高實現(xiàn)無人機的自動定點降落精度

3.3 一種無人機綜合方艙系統(tǒng)

一種無人機綜合方艙系統(tǒng)[12]，包括卡車、分段式方艙、無人直升機、地面指揮測控站、自動發(fā)射回收與升降控制系統(tǒng)、維護保障系統(tǒng)及電源系統(tǒng)。自動發(fā)射回收與升降控制系統(tǒng)為無人直升機的投放平臺。各個系統(tǒng)集成于一個綜合方艙內(nèi)，同時具備無人直升機的機動儲運、發(fā)射回收、任務(wù)部署、指揮控制、現(xiàn)場維護保障等多種功能，能高效快速地完成無人機的任務(wù)部署。

3.4 其他領(lǐng)域的一體化技術(shù)

3.4.1 水體捕捉和炮彈發(fā)射技術(shù)

當(dāng)前國外出現(xiàn)一種用于從水體中捕捉目標物體的方法、設(shè)備以及計算機程序產(chǎn)品[13]。該方法將水體空間劃分為不同軌道，通過捕捉裝置和目標物的軌道相對位置和速度，來實時分析、確定裝置的運動狀態(tài)。對于在水體發(fā)射，現(xiàn)有潛射戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈射擊訓(xùn)練中，對于導(dǎo)彈彈道的監(jiān)控只有出水之后的空中彈道，而水中段尚無有效的監(jiān)測手段。而水中段是最薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)彈最易出現(xiàn)故障且故障原因難以確定[14]。同時，潛射導(dǎo)彈出水過程中受到海浪作用的擾動，對導(dǎo)彈水彈道參數(shù)產(chǎn)生一定影響，西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院提出基于蒙特卡洛法思想，結(jié)合波浪隨機性特點，闡述了不同海況和主浪向參數(shù)波浪影響下彈道參數(shù)其變化規(guī)律[15]。水體捕捉和導(dǎo)彈潛射軌道模擬，兩者并沒有太多的技術(shù)結(jié)合點。

3.4.2 艦載機回收、發(fā)射技術(shù)

航母艦載機的起飛和回收技術(shù)是一項重要的軍事裝備技術(shù)。目前蒸汽式彈射器[16]是現(xiàn)役的航母上主要采用的技術(shù)方案。但隨著航母噸位和艦載機起飛質(zhì)量的增加，要加大彈射能量和提高自動化程度及其控制精度。

從20世紀初，航母上一直都未有專門用于輔助艦載機降落的著艦設(shè)備而是通過甲板末端左側(cè)的著艦信號官指引。應(yīng)戰(zhàn)爭需要，出現(xiàn)了等角下滑技術(shù)和光學(xué)助降系統(tǒng)，例如菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)。人工導(dǎo)引著艦方式易受到氣象等環(huán)境因素的影[17]，針對這些缺點，出現(xiàn)了聯(lián)合精密進近與著陸[18]（艦）系統(tǒng)，應(yīng)用GPS動態(tài)載波相位跟蹤技術(shù)的航空母艦艦載機著艦系統(tǒng)[19]所有現(xiàn)役航母上正在使用的惟一的一種阻攔裝置是液壓緩沖阻攔裝置。目前，由于相關(guān)技術(shù)很敏感，國外發(fā)表的艦載機阻攔技術(shù)相關(guān)理論研究的文章很少[20]。國內(nèi)研究大多停留在攔阻索建模仿真和動力學(xué)分析上上面，實質(zhì)性進展較少。

4 結(jié)論

隨著無人機技術(shù)的飛速發(fā)展，特別對無人機使用的生存率、機動性和可靠性提高需求強烈，這對發(fā)射、回收系統(tǒng)的設(shè)計以及技術(shù)應(yīng)用提出了更高要求。當(dāng)前蓄能彈射方式應(yīng)用較廣，具有隱蔽性好、經(jīng)濟性好和適應(yīng)性好等優(yōu)點。

無人機的回收發(fā)射一體化技術(shù)，既要滿足傳統(tǒng)對無人機的可靠發(fā)射、回收的基礎(chǔ)上，還能實現(xiàn)更好的無人機停放、管理、交換信息的任務(wù)。而且回收平臺的設(shè)計還能實現(xiàn)對回收后無人機的自動化信息采集和自動化充電，減少了人為干預(yù)，提高了執(zhí)行效率。由于無人機自動化定點降落技術(shù)還有較大地技術(shù)門檻，回收與發(fā)射一體化、自動化的技術(shù)還未成熟。

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