一種基于零長發射技術的便攜式無人機

陳昱瑋　藺越國　馮坤輝　李冠臻　姜鵬瀚

【摘 要】針對傳統小型無人飛行器的起飛條件要求高、單人攜帶不便、外場起飛準備耗費時間過長等問題，設計和實現了一款基于零長發射技術的便攜式無人機。該款無人機解決了傳統無人機需要空曠場地起飛和便攜性 不好等問題，能夠由單人攜帶并在任何地形快速起飛，大大提高了工作效率。設計制作及飛行試驗結果驗證了設計方案的可行性與實用性。

【關鍵詞】無人機；零長發射；便攜

【Abstract】As traditional small-scale UAVs have the high requirement of take off ，carrying inconvenience，outfield Take off preparation takes too long，a portable，Zero-Length Launch UAV was designed and realized in this paper.This UAV overcomes the shortcomings of traditional UAVs，such as need for wide space takeoff and in-convenience of carrying，achieves Carried by a single person and taken off quickly in any terrain，greatly improving the work efficiency.Production and experi-ment on physical object proved the feasibility of this design.

【Key words】UAV；Zero-Length Launch；Portable

0 引言

無人機作為現代高科技發展的產物，在民用和軍用領域都有廣泛的使用，在一些危險場合，通過使用無人機代替人進行勘察，大大減小了任務的風險性，無人機有旋翼和固定翼兩種，旋翼無人機攜帶方便，可以垂直起降，弱化起飛條件，使得旋翼無人機使用越來越廣泛，但存在航時短，飛行半徑小等缺點；固定翼無人機體積普遍比旋翼機大，載重大，航時長，可搭載一定重量的設備進行高空任務，但由于體積大，起飛需要一定距離，使得固定翼無人機使用的局限性要大于旋翼無人機。零長發射，也叫零距離發射，是指飛機可以在一個特制支架上通過火箭助推起飛，具有零長發射技術的固定翼無人機就可以克服上述困難，在任何地區條件下起飛無人機。通過對零長發射技術的研究，設計制造出了該款基于零長技術的便攜式無人機。

1 零長發射無人機發展

1950 年代中期，北約組織的官員擔心蘇聯的核彈突襲可能摧毀盟軍機場和停放于地面的飛機，使北約無力報復。其中一個解決方法是將戰斗機疏散進遠離機場并且具有核防護能力的掩體中，核打擊過后，這些飛機可以在一個特制支架上通過火箭助推起飛，這個概念就是零距離發射——ZEL，Zero-Length Launch。1956 年 10 月 12 日，北美航空獲得合約，使最后一批 148 架 F-100D 具有 ZEL 能力。USAF借給北美兩架 F-100D（56-2904 和 56-2947），進行 ZEL 的系統測試。北美航空的火箭推進分部研制了一種固體火箭發動機，可以安裝 F-100D 后機身底部。該發動機可以產生 58，970.44 千克的推力并持續四秒，足夠使 F-100D 在 4 秒內速度從 0 加速到 482.70 公里/小時。火箭發動機在燃料耗盡后脫落，飛機憑借自身動力繼續爬升。在進行實機發射前，先進行了 5 次配重發射，其中首次發射于 1957 年 12 月 12 日進行。1958 年 3 月 26 日，進行了首次 F-100D 實機發射。試飛員阿爾.布萊克本（Al Blackburn）爬入 56-2904，啟動發動機，將油門置于全加力狀態，然后點燃了火箭發動機。在 4 秒內，他加速到 482.70 公里/小時飛向天空，火箭發動機脫落后，布萊克本進入了標準起落航線安全著陸。接下來的 20 次試射都很成功，飛機掛載著標準外掛（包括核彈模型）順利升空。

2 飛翼布局無人機的前景

早在二戰期間，美國和德國就開始研制飛翼布局無人機。現代采用飛翼布局最成功的飛機是美國的B-2隱形轟炸機，如圖2所示。

飛翼布局的優點是氣動力效率高、升阻比大；雷達反射截面積小，隱身性能好，缺點主要是起降性能差和中低空跨聲速機動性差，但隨著推力矢量技術的發展和飛機隱身要求增加，飛翼布局的缺陷可以用推力矢量來彌補，從現在的技術來看，推力矢量能在航向控制增穩上助其一臂之力。在未來作戰中，戰斗機隱身至關重要。由此可以推斷將來最具發展前途的戰斗機氣動布局應該是·飛翼布局。

3 整機技術方案

在基于零長發射的便攜式無人機中，整機分為左機翼，中段機身，右機翼三部分，左右機翼可以向中段機身折疊，機身前部為電機與電子艙，電子艙用于放置電調，動力電池、設備電源等，電子艙下部為設備艙，可安裝攝像頭、傳感器等任務載荷，機身尾部為火箭動力艙，里面可安裝最多8具火箭發動機，可根據任務需要靈活調整火箭發動機數量。

整機制造材料采用高密度層板，翼尖小翼、翼刀等高負載位置采用高密度航空層板，飛機設計自重1400g

3.1 機翼幾何參數

由于飛翼布局的飛行器整個機身都可以產生升力，機身本身也是與機翼同樣的流線型，故選取翼展為1.4m，翼弦最長52cm，機翼面積0.4469m2，設計期望最大起飛重量為2000g。翼展位1.4m的飛翼布局飛行器起飛初速度要求為10m/s。

3.1.1 翼型選擇

該飛行器主要用于空中偵查、物資投放、環境監測等，另外飛翼布局的航向操控性較低，故選用S5010翼型，該翼型有很好的升阻比和較大的升力系數。

3.1.2 折疊機翼設計

為了達到便攜的目的，該機使用了折疊機翼設計，在機翼與機身連接的上層安裝了一個45mm×35mm×12mm的塑料合頁，在機翼與機身連接的下層安裝了一個59mm×39mm×14mm的鋁合金搭扣，通過搭扣解鎖，可以將機翼向上折疊，使得機身面積縮小為0.2995m2。

3.2 動力設置

飛行器在起飛時最多可安裝8枚B6-4航模火箭發動機平均推力為6N，發射角為30°，當飛行器總質量為2000g時，可在0.83s內獲得17.66m/s初速度，滿足該飛行器起飛初速度要求。該飛行器期望航時為30min，選用的2814電機在配合9寸減速槳并使用巡航油門，即油門為25%時，功率為147.95w，一塊5200mAh的4S電池時，可以飛行30min以上，達到使用要求。

4 結論

運用零長發射技術和折疊機身設計，使得單兵攜帶成為了可能。目前無人機趨向于小型化、單兵化的創新設計，該無人機順應這一趨勢，其最大亮點固體燃料助推裝置，直接將固定翼飛行器的滑跑距離減至零米，并且安全可靠，另外可靠的快速釋放及緊鎖機構可極大減少發射的繁瑣，由單人即可操作，在數分鐘內即可完成起飛。無人機機身采用飛翼布局設計，通過對機體氣動布局進行符合性機動設計將內部空間加大，可搭載不同設備實現不同功能，且相同載荷下減少結構重量，提高飛機的機動性能。在較為復雜的地形上降落時，還可安裝傘降裝置，實現零長發射與回收，大大提高了工作效率。

該無人機可為航拍測繪、偵查搜尋和環境偵測提供有力支持，使得無人機的市場應用更加廣泛。

【參考文獻】

[1]張繼高.飛翼布局[A]，北京：空氣動力學學報，2009.

[責任編輯：朱麗娜]