歐 軍，楊會林，劉永安，劉亞恒

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，不同用途、功能和樣式的無人機(jī)大量涌現(xiàn)。同時，為了有效提高無人機(jī)使用效能，無人機(jī)回收技術(shù)得到廣泛應(yīng)用?；仡櫉o人機(jī)的發(fā)展與運用，其回收過程是一個非常重要且容易出現(xiàn)故障的階段。有資料表明，無人機(jī)回收過程的故障數(shù)占整個執(zhí)行任務(wù)故障數(shù)的80%以上[1]，回收技術(shù)已成為影響無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。據(jù)統(tǒng)計，對于固定翼無人機(jī)最常用的回收方式主要有傘降回收和起落架著陸滑跑回收方式。傘降回收易受環(huán)境及氣象條件的影響，落點偏差較大，不能實現(xiàn)精確定點回收，而且由于不可控，回收后極易造成無人機(jī)損傷。起落架著陸滑跑回收則需要一定長度的平整地面或跑道。 因此，這兩種回收方式均對回收環(huán)境提出了較高的要求，一般只能選在較空曠的陸地上實現(xiàn)[2]。隨著無人機(jī)在各軍兵種的廣泛應(yīng)用，尤其是在艦艇或復(fù)雜地貌等狹小空間環(huán)境使用的情況越來越多，新型精確無損回收已成為小型無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然選擇。

1 主要無損回收技術(shù)及運用情況

隨著小型無人機(jī)的大量出現(xiàn)和運用，針對小型無人機(jī)無損回收技術(shù)研究已成為熱門。典型的無損回收方式主要有“天鉤”回收、撞網(wǎng)回收等。為適應(yīng)在艦上狹小空間無人機(jī)回收需求，DARPA 在 “戰(zhàn)術(shù)偵察節(jié)點”（TERN）項目中，最新提出了一種叫“側(cè)邊吊臂”的無人機(jī)精確無損回收方式。

1.1 “天鉤”回收

美國“掃描鷹”（ScanEagle）無人機(jī)、RQ-21（Blackjack）無人機(jī)等均采用“天鉤”（SkyHook）回收系統(tǒng)以實現(xiàn)無損回收（見圖1）

圖1 “天鉤”（SkyHook）回收系統(tǒng)

該“天鉤”回收系統(tǒng)是由英國因斯圖（INSITU）公司研制。其結(jié)構(gòu)緊湊、安裝靈活、維護(hù)方便、可實現(xiàn)雙向攔阻，并且在整個回收過程中，無人機(jī)的運動被限制在一定空間內(nèi)，特別適合小型固定翼無人機(jī)在狹窄回收場地或艦船上使用，且基本不占用艦船甲板空間。

“掃描鷹”無人機(jī)在回收過程中，首先是機(jī)翼前緣撞到攔阻繩，隨著無人機(jī)繼續(xù)向前飛行，攔阻繩沿機(jī)翼前緣滑入翼尖處的攔阻鉤，之后無人機(jī)在阻尼器的吸能緩沖作用下迅速減速，當(dāng)速度減小至失速速度時，無人機(jī)機(jī)體做下翻動作，最終通過攔阻鉤懸掛在攔阻繩上，回收示意見圖2。

圖2 “天鉤”（SkyHook）回收過程示意圖

1.2 撞網(wǎng)回收

國外對無人機(jī)撞網(wǎng)回收的研究最早始于20 世紀(jì)80 年代[3]。 據(jù)不完全統(tǒng)計，美國“天鷹座/蒼鷹”（Aquila）、“銀狐”（Silver Fox）、“殺人蜂”（Killer Bee） 和 BQM-147A“敢死蜂”（Exdrone），以色列“偵察兵”（Scout），南非“禿鷲”（Vulture）和國際合作的“先鋒”（Pioneer）等無人機(jī)都成功使用過撞網(wǎng)回收系統(tǒng)進(jìn)行無損回收（見圖 3 和圖 4）。

圖3 “先鋒”（Pioneer）無人機(jī)撞網(wǎng)回收

圖4 “銀狐”無人機(jī)撞網(wǎng)回收

目前國外已有應(yīng)用的無人機(jī)典型撞網(wǎng)回收方案主要有：單網(wǎng)三桿、雙網(wǎng)雙桿和單網(wǎng)單桿等方案，其中應(yīng)用較多的為單網(wǎng)三桿結(jié)構(gòu)方案。無人機(jī)撞網(wǎng)回收系統(tǒng)主要涉及如無人機(jī)吸能緩沖技術(shù)，無人機(jī)末端精確引導(dǎo)技術(shù)，系統(tǒng)動力學(xué)仿真技術(shù)和系統(tǒng)試驗驗證等相關(guān)技術(shù)[4]。撞網(wǎng)回收可根據(jù)不同的無人機(jī)質(zhì)量自由配置不同的桿-網(wǎng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)無損回收，適應(yīng)無人機(jī)質(zhì)量范圍大[5]?；厥障到y(tǒng)可靈活布置于陸基固定場地、車載或艦載布置，滿足無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下精確定點無損回收要求。

1.3 側(cè)邊吊臂回收

2015 年5 月7 日，DARPA 透露了該局與美國海軍研究辦公室（ONR）聯(lián)合開展的“戰(zhàn)術(shù)利用的偵察節(jié)點”（TERN）項目的最新進(jìn)展。TERN 項目采用一種叫側(cè)邊吊臂的回收方式（見圖5）進(jìn)行精確回收[6]。

圖5 側(cè)邊吊臂回收

側(cè)邊吊臂是一套可滿足無人機(jī)進(jìn)行水平發(fā)射和回收的簡便機(jī)械裝置，其占地面積較小，可安裝在卡車、艦船和地面固定設(shè)施上，允許無人機(jī)的最大重量為400kg 左右[7]。 側(cè)邊吊臂系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速設(shè)置和受控減速，適用于目前和未來的小型無人機(jī)系統(tǒng)。 該回收方案在2014 年已完成縮比模型試驗，2016 年12月進(jìn)行了全尺寸側(cè)邊吊臂系統(tǒng)回收演示驗證試驗，重復(fù)捕捉了美國洛·馬公司的“狂怒”無人機(jī)。無人機(jī)回收過程見圖6。

圖6 側(cè)邊吊臂回收

2 小型無人機(jī)無損回收技術(shù)方案

某小型無人機(jī)翼展長3m，采用渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)為動力進(jìn)行長航時巡飛。無人機(jī)要求具備可在驅(qū)護(hù)艦及復(fù)雜陸基環(huán)境等空間狹小、保障條件低等條件下實現(xiàn)精確、無損回收。 其回收主要設(shè)計指標(biāo)如下：

1） 最大回收質(zhì)量：60kg；

2） 最大回收速度：30m/s；

3） 回收飛行高度：9～13m；

4） 回收最大過載：≤15g；

5） 剩余末速：≤0.5m/s

由前所述，“天鉤”回收、撞網(wǎng)回收以及側(cè)邊吊臂回收等均可在復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)對該無人機(jī)的回收。若采用撞網(wǎng)回收，考慮無人機(jī)采用渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)、頭部主要安裝集光電、紅外傳感器或合成孔徑雷達(dá)于一體的傳感器探測系統(tǒng)。撞網(wǎng)回收過程主要是通過機(jī)頭、機(jī)翼與網(wǎng)帶的沖擊進(jìn)行緩沖，極易造成頭部傳感器系統(tǒng)的損傷。而“天鉤”回收或側(cè)邊吊臂回收方式，均為航向攔阻實現(xiàn)減速回收，若按最大回收過載不超過15g 估算，無人機(jī)最小直線攔停距離約6m。 若采用類似“掃描鷹”無人機(jī)的“天鉤”回收方式，無人機(jī)在攔停后由于攔停距離過長會墜落到地面或艦船甲板上。若采用側(cè)邊吊臂回收方式，則需要較長的回收導(dǎo)軌長度，在艦艇或復(fù)雜陸基環(huán)境等狹小空間不易布置類似的回收系統(tǒng)。因此，為有效解決無人機(jī)直線攔停距離過長與狹小空間限制的矛盾，設(shè)想通過旋轉(zhuǎn)減速代替直線減速的方式實現(xiàn)無人機(jī)的攔阻回收，即采用立式旋轉(zhuǎn)回收方式實現(xiàn)該小型無人機(jī)在艦艇或復(fù)雜陸基環(huán)境等狹小空間上精確、無損回收。

2.1 回收系統(tǒng)總體方案

立式旋轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)的組成原理如圖7 所示?；厥障到y(tǒng)主要由渦輪阻尼器（基座）、立柱、上/下懸臂、攔阻繩等組成。立柱、上/下懸臂構(gòu)成架設(shè)攔阻繩的框架，使攔阻繩的最高點工作高度達(dá)到15 米，攔阻繩在架設(shè)完成時處于緊繃狀態(tài)；立柱底端與回收系統(tǒng)基座的渦輪阻尼器的轉(zhuǎn)軸固聯(lián)。

圖7 立式旋轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)

無人機(jī)左右翼尖均設(shè)計有類似“掃描鷹”（ScanEagle）無人機(jī)一樣的攔阻鉤。 無人機(jī)在回收過程中，首先是機(jī)翼前緣撞到攔阻繩（此時發(fā)動機(jī)未停車）。隨著無人機(jī)繼續(xù)向前飛行，攔阻繩沿機(jī)翼前緣滑入翼尖處的攔阻鉤（此時攔阻鉤內(nèi)的微動開關(guān)被觸動，使發(fā)動機(jī)停車）。之后無人機(jī)帶動懸臂和立柱繞立柱中心軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動基座中的渦輪阻尼器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子的葉片攪拌阻尼器內(nèi)腔中靜止的流體，產(chǎn)生作用于轉(zhuǎn)子葉片表面的阻尼力，從而形成阻止轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸持續(xù)轉(zhuǎn)動的阻尼力矩，最終使無人機(jī)減速[8]。當(dāng)速度減小至失速速度時，無人機(jī)機(jī)體做下翻動作，最終通過攔阻鉤懸掛于攔阻繩的繩結(jié)上。

2.2 攔阻減速過程計算

根據(jù)上述立式旋轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)工作原理，假定無人機(jī)為剛體，不考慮攔阻繩的質(zhì)量和彈性變形等。 由于無人機(jī)機(jī)翼前緣很光滑，可忽略攔阻繩與機(jī)翼前緣的摩擦力。在方案論證階段，主要考慮攔阻力的作用，由圓周運動規(guī)律，可建立無人機(jī)回收過程動力學(xué)模型：

式（1）中：M攔為無人機(jī)在旋轉(zhuǎn)回收過程中的攔阻力矩（單位：N·m）；

K 為渦輪阻尼器的阻尼力矩系數(shù)；

J桿臂為回收系統(tǒng)立柱和上/下懸臂組成的系統(tǒng)繞立柱軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量（單位：kg·m2）；

r臂為上/下懸臂長（單位：m）；

n 為旋轉(zhuǎn)回收轉(zhuǎn)速（單位：r/min）；

α 為旋轉(zhuǎn)回收角加速度（rad/s2）；

F攔為攔阻力（單位：N）；

V 為無人機(jī)速度（單位：m/s）。

計算條件：回收質(zhì)量為60kg，回收速度為30m/s，上/下懸臂長 r臂=3m，立柱和上/下懸臂轉(zhuǎn)動慣量 J桿臂=70kg·m2，渦輪阻尼器的阻尼力矩系數(shù)K=2.5。則初步計算結(jié)果表明，無人機(jī)總共旋轉(zhuǎn)了約1.41 圈，于17s后被最終攔停，設(shè)計方案已基本滿足該型無人機(jī)回收設(shè)計指標(biāo)的要求。無人機(jī)攔阻過程的攔阻過載、旋轉(zhuǎn)離心過載、速度和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)隨時間變化曲線如圖8～圖9 所示。

圖8 回收過載曲線

圖9 減速過程及旋轉(zhuǎn)圈數(shù)

在本方案中，作為緩沖吸能裝置的渦輪阻尼器是關(guān)鍵部件，具體的設(shè)計尺寸和流體介質(zhì)壓力一般在仿真基礎(chǔ)上通過試驗驗證后調(diào)整獲得。另外，需要特別注意的是，在攔阻繩進(jìn)入攔阻鉤后，無人機(jī)帶動上/下懸臂和立柱開始繞中心軸線旋轉(zhuǎn)時，無人機(jī)將會承受較大的離心力，離心過載達(dá)到30g，因此需要對無人機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計和設(shè)備的抗過載能力提出較高的要求。

3 主要設(shè)計參數(shù)對攔阻過程影響

由式（1）和上述計算分析可知，在規(guī)定的回收質(zhì)量和回收速度要求下，立式旋轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)總體方案主要設(shè)計參數(shù)有渦輪阻尼器的阻尼力矩系數(shù)K、上/下懸臂長L，以下分別針對這兩個主要參數(shù)進(jìn)行定量對比分析。

3.1 渦輪阻尼器力矩系數(shù)對攔阻過程的影響

作為立式旋轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)中緩沖吸能裝置的關(guān)鍵部件指標(biāo)，渦輪阻尼器的阻尼力矩系數(shù)K 對無人機(jī)回收攔阻過程影響明顯。在前述2.2 節(jié)參數(shù)選擇基礎(chǔ)上，K 分別放大1.5 倍或減小至0.5 倍，其攔阻參數(shù)隨時間變化曲線如圖10 和圖11 所示。

圖10 回收過載對比曲線

圖11 減速過程及旋轉(zhuǎn)圈數(shù)對比

上述計算分析可知，當(dāng)阻尼力矩系數(shù)K 增大或減小50%時，最大攔阻過載亦相應(yīng)增大或減小50%。阻尼越大，無人機(jī)攔停時需旋轉(zhuǎn)圈數(shù)越少，攔阻速度也相應(yīng)減速更快，亦更快完成無人機(jī)回收。另外，阻尼系數(shù)K 對最大離心過載基本無影響，但隨著不同的減速過程，阻尼系數(shù)越大，離心過載曲線下降更快。方案設(shè)計時，可綜合考慮最大攔阻過載和預(yù)計旋轉(zhuǎn)圈數(shù)以確定阻尼力矩系數(shù)K 的取值范圍。

3.2 上/下懸臂長對攔阻過程的影響

為討論方便，在前述2.2 節(jié)參數(shù)選擇基礎(chǔ)上，分別取基準(zhǔn)懸臂長L=3m、2L、3L 不同的臂長參數(shù)，計算無人機(jī)回收過程參數(shù)，其參數(shù)對比曲線詳見圖12～圖13。

圖12 回收過載對比曲線

圖13 回收過載對比曲線

由上述計算分析可知，臂長參數(shù)對攔阻過載、攔停時共旋轉(zhuǎn)圈數(shù)有顯著的影響，隨著臂長參數(shù)的增大，最大攔阻過載迅速減小，實現(xiàn)無人機(jī)攔停的時間亦大大增加，回收過程中無人機(jī)相應(yīng)減速更慢。另外，當(dāng)臂長增大1 倍，相應(yīng)的最大離心過載減少1 倍，但其下降變化更加緩慢。方案設(shè)計時，在考慮無人機(jī)最大離心過載限制、在回收空間和上/下臂結(jié)構(gòu)設(shè)計允許的情況下，可適當(dāng)增大臂長參數(shù)，同時相應(yīng)提高渦輪阻尼器阻尼力矩系數(shù)，以實現(xiàn)控制最大離心過載的同時較快速地完成無人機(jī)回收。

4 結(jié)語

本文基于目前國內(nèi)外已應(yīng)用的無人機(jī)無損回收技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合某小型無人機(jī)方案特點和典型回收技術(shù)要求，提出了立式旋轉(zhuǎn)回收技術(shù)方案，并初步建立回收技術(shù)方案動力學(xué)模型，完成了無人機(jī)攔阻回收過程的計算分析。針對該回收方案關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了定量的對比分析，給出了相關(guān)參數(shù)的選擇思路。 分析結(jié)果表明， 該回收系統(tǒng)設(shè)計方案基本滿足無人機(jī)回收設(shè)計指標(biāo)要求。

目前，本文工作僅完成了立式旋轉(zhuǎn)回收技術(shù)方案的初探，所建立的分析計算模型還有待進(jìn)一步綜合考慮回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、無人機(jī)氣動力、重力、攔阻繩彈性、渦輪阻尼器特性等因素后進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，以得出與試驗接近的回收過程參數(shù)，以指導(dǎo)和開展詳細(xì)方案設(shè)計及具體的試驗驗證工作。