趙遠(yuǎn)寧 臧福堃 周美囡 李玉柱

沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

一、研制背景

經(jīng)過近70年的發(fā)展，中國(guó)航空工業(yè)從無到有、由弱到強(qiáng)，現(xiàn)已成為科研水平卓越、具有大規(guī)模生產(chǎn)能力的航空工業(yè)主體。自軍用無人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)展和應(yīng)用以來，它以其靈活性高、傷亡率低、隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被大量的應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的各個(gè)領(lǐng)域。在未來戰(zhàn)爭(zhēng)中，軍用無人機(jī)的應(yīng)用將不斷提高和延伸。各類無人機(jī)將用于偵察預(yù)警、跟蹤定位、特種作戰(zhàn)、中繼通信、精確制導(dǎo)、信息對(duì)抗、戰(zhàn)場(chǎng)搜索救援等戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)任務(wù)。

二、未來軍用無人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

1.提高無人機(jī)機(jī)體的動(dòng)態(tài)性能和承載能力。為了面對(duì)未來戰(zhàn)爭(zhēng)的隨時(shí)變化以及長(zhǎng)期性，高海拔長(zhǎng)航時(shí)類別的無人機(jī)發(fā)展顯得尤為重要?，F(xiàn)在隨著人類的科技進(jìn)步，復(fù)合材料這一領(lǐng)域迎來了前所未有的發(fā)展，玻璃纖維、碳纖維、環(huán)氧基 等復(fù)合材料被廣泛的應(yīng)用在無人機(jī)的機(jī)翼，方向舵，機(jī)身等部位。例如MQ-1“捕食者”無人機(jī)機(jī)身的大部分結(jié)構(gòu)便是由復(fù)合材料制作而成，復(fù)合材料的使用不僅大大的提高了無人機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)也大大的減輕了飛機(jī)的重量，增大了無人機(jī)的續(xù)航里程進(jìn)而擴(kuò)大了其巡航高度，偵查范圍等一系列相關(guān)因素。

2.使機(jī)體隱形化。武器的戰(zhàn)爭(zhēng)生存能力是機(jī)動(dòng)武器設(shè)施的首要追求目的，隱身技術(shù)可以極大程度地提高軍用無人機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)上面的生存能力。通過減少機(jī)身的雷達(dá)反射截面使用集成一體化的設(shè)計(jì)來減少存在的細(xì)小縫隙和角落，同時(shí)使用雷達(dá)吸收材料和低噪音發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)而使得減小無人機(jī)被敵方雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的可能性。

3.智能化和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)能力。在實(shí)際作戰(zhàn)中，將根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)的需要使用適合于本次戰(zhàn)斗的無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)。然而，一旦戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)發(fā)生變化，無人機(jī)需要做出相應(yīng)的調(diào)整以適應(yīng)環(huán)境，這其中就包括了環(huán)境因素以及人為因素。未來，無人駕駛飛機(jī)(uav)的重點(diǎn)將是提高其自主操作能力，它可以由人遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)操作。

三、創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（一）前掠翼機(jī)翼設(shè)計(jì)

前掠機(jī)翼具有獨(dú)特的氣動(dòng)特性，具有良好的飛行性能，可以做出高攻角機(jī)動(dòng)動(dòng)作，并且同時(shí)具有臨界馬赫數(shù)高，抗波能力低等特點(diǎn)。合理的利用復(fù)合材料的氣動(dòng)彈性裁剪技術(shù)，可以很好地解決前掠機(jī)翼扭轉(zhuǎn)速度過低和發(fā)散速度過低的問題。機(jī)翼的低壓翼部分具有獨(dú)特的氣動(dòng)特性，利用復(fù)合材料的氣動(dòng)彈性割削技術(shù)，能夠較好地解決前掠翼扭轉(zhuǎn)發(fā)散的速度過低的問題。前掠翼這一設(shè)計(jì)也更加適合無人機(jī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)。由于飛機(jī)上沒有駕駛員座艙和飛行員需要的設(shè)備，所以在同等效率的情況下，飛機(jī)具有體積小，重量輕，特別是機(jī)身體積小，長(zhǎng)度短。在無人機(jī)氣動(dòng)布局，特別是大弦比機(jī)翼的設(shè)計(jì)，前掠翼，將意味著機(jī)翼的氣動(dòng)弦的位置移動(dòng)到前面的飛機(jī)翼根，這不僅延長(zhǎng)了尾梁，對(duì)尾巴平面布局設(shè)計(jì)來解決困難，同時(shí)由于前掠機(jī)翼質(zhì)心向前，使得無人機(jī)的重心向前，更能夠緩解無人機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)難題。

圖1 前掠翼示意圖

考慮到使用性能和經(jīng)濟(jì)成本，即使是下一代高性能攻擊型無人機(jī)，設(shè)計(jì)馬赫數(shù)也不超過0.8。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:前掠機(jī)翼的低速性能明顯優(yōu)于后掠機(jī)翼。

（圖2左圖是FSW1和FSW2分別是F——16戰(zhàn)機(jī)前后掠翼兩種布局的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，右圖為速度分析對(duì)比圖）

圖2

（二）無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

1.重油助推矢量發(fā)動(dòng)機(jī):與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，重油發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的能源利用效率，可以保證每克燃料和空氣都能充分反應(yīng)，大大提高無人機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率。理論上，使用該發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)最大飛行續(xù)航里程可以高達(dá)10000公里。（如圖為重油發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖）

圖3 （重油發(fā)動(dòng)機(jī)）

2.蜯式進(jìn)氣道:該類型氣道的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)，第一是可以減輕重量。因?yàn)樵陲w機(jī)的研究設(shè)計(jì)中對(duì)于減重這一措施是按照克這個(gè)單位來計(jì)算的，采用蜯式進(jìn)氣道后，由于取消了邊界層分離，飛機(jī)的重量可減輕數(shù)百公斤，極大程度的減輕了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重量，這非常有利于飛機(jī)的飛行。第二，有利于飛機(jī)隱身。由于邊界層阻擋物和壓縮斜板等部件的消除，飛機(jī)的雷達(dá)反射截面積也大大減小，能夠明顯的提高飛機(jī)的隱身能力，減小被發(fā)現(xiàn)的可能性。（圖4為蜯式進(jìn)氣道的實(shí)物圖）

圖4 （蜯式進(jìn)氣道）

（三）流線型可拋棄副油箱設(shè)計(jì)

1.外觀：設(shè)計(jì)成為細(xì)長(zhǎng)流線型的外觀，可以有效的減少飛行阻力，極大程度上減少無人機(jī)飛行時(shí)的速度損失。

2.主副油箱工作原理：當(dāng)主油箱的油料消耗到一定的量時(shí)，副油箱會(huì)將自己的油補(bǔ)充到主油箱中，其情況就是邊消耗邊補(bǔ)充，這樣可以保證主油箱的油料一直處于比較健康的狀態(tài)，一旦準(zhǔn)備戰(zhàn)斗時(shí)，副油箱將會(huì)一次性注入主油箱，直到加滿為止，然后拋棄副油箱準(zhǔn)備作戰(zhàn)！

圖5 （副油箱及工作電路圖）

3.副油箱工作原理：協(xié)調(diào)釋放電路中最重要的控制機(jī)構(gòu)是頂桿組合裝置與微動(dòng)門的協(xié)調(diào)。協(xié)調(diào)頂桿裝配裝置與動(dòng)壓門的工作狀態(tài)有關(guān)，動(dòng)壓門直接控制輔助油箱鉤應(yīng)急釋放線圈的工作功率。當(dāng)兩側(cè)副油箱正常安裝時(shí)，配合頂桿通過副油箱上的角片被頂起并且向上移動(dòng)，將協(xié)調(diào)頂桿組合裝置中的壓桿推出(壓桿運(yùn)動(dòng)方向與協(xié)調(diào)頂桿運(yùn)動(dòng)方向差度角為90度)，頂起微執(zhí)行器閘門WK-7上的壓塊。使微動(dòng)開關(guān)開關(guān)的觸點(diǎn)從連接1、2到連接3、4，斷開輔助油箱掛鉤的緊急投放線圈。但是，如果協(xié)調(diào)頂桿裝配裝置的任何一側(cè)不足以將微動(dòng)塊推到位或微動(dòng)塊沒有始終保持在壓下位置，此時(shí)，當(dāng)飛行器受到氣流影響，出現(xiàn)湍流和強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，微動(dòng)開關(guān)可立即斷開觸點(diǎn)3、4，連接觸點(diǎn)1、2，然后再連接觸點(diǎn)3、4。當(dāng)微動(dòng)開關(guān)立即斷開3、4號(hào)觸點(diǎn)，并接通1、2號(hào)觸點(diǎn)時(shí)，飛機(jī)上的27v電源會(huì)緊急釋放線圈將被添加到輔助油箱鉤另一方面通過接觸1和2的微動(dòng)開關(guān)另一方面通過接觸3和4的微動(dòng)開關(guān)在另一邊打開鉤和釋放輔助油箱。在滴槽發(fā)射后，協(xié)調(diào)這一側(cè)的柱塞將伸長(zhǎng)，與微電觸點(diǎn)通過1和2，在27v電源上通過微開關(guān)1、2同時(shí)經(jīng)過另一側(cè)的微動(dòng)開關(guān)3，4觸點(diǎn)（這個(gè)時(shí)候微動(dòng)開關(guān)會(huì)處于正常的待機(jī)狀態(tài)）加到機(jī)身另一側(cè)的副油箱掛鉤會(huì)立即投放線圈致使掛鉤開鎖，副油箱被拋出。

四、超寬帶預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)

1.天線設(shè)計(jì):因?yàn)槌瑢掝l雷達(dá)輸出帶寬相對(duì)較寬，和帶寬成反比的輸出功率，天線，為了提高超寬頻雷達(dá)的性能，必須加強(qiáng)超寬頻雷達(dá)的天線設(shè)計(jì)，飼料是需要有一個(gè)高磁場(chǎng)強(qiáng)度和維持一定的帶寬，使其能滿足實(shí)際使用的功率要求。

2.超寬帶雷達(dá)為了增加距離，比如超過10公里的距離，需要非常高的峰值功率輸出，并且隨著距離的增加，峰值功率會(huì)急劇增加，這對(duì)發(fā)射機(jī)的要求非常高，實(shí)現(xiàn)會(huì)相對(duì)較難，現(xiàn)在研究人員們?cè)诓粩嗤晟乒饧?lì)開關(guān)的一種方法，解決未來沖擊脈沖功率問題。

3.在頻譜上存在對(duì)普通用戶干擾問題。未來新一代的超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)將是重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的、能提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)且容易解釋的雷達(dá)系統(tǒng)。機(jī)載遠(yuǎn)程超寬帶雷達(dá)探測(cè)器為未來超寬帶雷達(dá)發(fā)展提供了高分辨率、目標(biāo)成像和識(shí)別可能性。超寬帶雷達(dá)是超寬帶技術(shù)的一種應(yīng)用，具有很廣闊的應(yīng)用前景，是一種非常值得研究的技術(shù)，將在軍事領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

五、尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)

模型長(zhǎng)：392.0mm

寬：304.4mm

高：68.70mm

比例尺：1：60

設(shè)計(jì)最高時(shí)速385km/h

可掛載導(dǎo)彈數(shù)：兩枚空空激光制導(dǎo)導(dǎo)彈或者八枚小型激光制導(dǎo)導(dǎo)彈

最大續(xù)航里程：（載有副油箱）4000公里

最高升限：8000米

最大起飛重量：5噸

六、未來戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用設(shè)想

根據(jù)2016年到2020 年的軍工產(chǎn)業(yè)預(yù)測(cè)報(bào)告顯示，全球國(guó)家的無人機(jī)需求經(jīng)費(fèi)將會(huì)由 2015 年的 64 億美元增至 2024 年的115億美元，經(jīng)費(fèi)支出比例增長(zhǎng)率為 6.7%。2015 年到 2024 年，全球軍用無人機(jī)支出總額度會(huì)由57億美元增加至 99 億美元，復(fù)合增速會(huì)達(dá)到6.33%，支出總金額將高達(dá) 810 億美元。預(yù)計(jì)到2024 年全球軍用無人機(jī)將占當(dāng)年市場(chǎng)總額 86%(99 億美元)，民用無人機(jī)占 14%(16 億美元)。

圖6 （數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)）

未來，以無人機(jī)為代表的軍用無人裝備采購比例將繼續(xù)上升。首先，與前一種中低空靶機(jī)和前線傳感器相比，無人機(jī)的作用和功能得到了極大的擴(kuò)展，特別是探測(cè)和射擊的一體化功能的實(shí)現(xiàn)。二是在世界經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩和軍事投資有限的背景下，無人機(jī)在采購方面的成本優(yōu)勢(shì)突出。攻擊無人機(jī)將有助于保護(hù)國(guó)土安全，并在不久的將來創(chuàng)造一個(gè)更安全的局勢(shì)。