新型設計理念下的海角鰹鳥三棲無人機概念設計

吳燕萍

（航空工業(yè)陜西飛機工業(yè)集團有限公司設計研究院，陜西 漢中 723213）

無人機是一種由動力驅(qū)動、無人駕駛，可一次或重復使用的航空器，它是一種會飛的機器人。無人機在軍用、民用方面應用廣泛。與有人駕駛飛機相比，無人機具有續(xù)航能力強、經(jīng)濟實用、無人員傷亡等獨特優(yōu)勢。

1 無人機的發(fā)展需求

未來戰(zhàn)爭強調(diào)遠距離無接觸、高效性、低死亡率、低成本經(jīng)濟性，無人機發(fā)展必須適應未來戰(zhàn)爭作戰(zhàn)體系的作戰(zhàn)需要[1]。無人機涉及的任務領域能逐步覆蓋所有有人駕駛飛機的任務領域，因此無人機有可能逐步代替有人駕駛飛機。

在過去漫長的歲月中無人機發(fā)展緩慢，直到近代幾次局部地區(qū)戰(zhàn)爭中無人機才嶄露頭角，逐步成為除有人駕駛飛機和導彈以外的另一類空中作戰(zhàn)武器。無人機直接用于作戰(zhàn)始于美軍入侵越南戰(zhàn)爭，后來又運用于中東、海灣、科索沃、阿富汗、伊拉克等幾次局部地區(qū)戰(zhàn)爭。可以看出無人機具有戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)術偵察，監(jiān)視戰(zhàn)場，目標探測、戰(zhàn)場毀傷評估、電子戰(zhàn)、中繼通信、邊境巡邏、反恐等能力，為部隊的作戰(zhàn)行動提供情報，并可直接參加戰(zhàn)斗，完成危險的、有人機無法完成的任務。

2 無人機的發(fā)展趨勢

從國外研制的無人機發(fā)展狀況，可以看出無人機呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢。

2.1 無人機體積、動力及適應性發(fā)展趨勢

1)微小型、中型、大型化無人機井噴式發(fā)展。其中，微小型無人機是突出它靈巧性和隱身性，它能進入建筑物內(nèi)部實施偵察，或在結構或設備上充當潛聽哨和視頻監(jiān)視哨，用于偵察機和偵察衛(wèi)星偵察不到的死角。中型無人機多為特種無人機，完成特定的任務，如巡邏、偵查、監(jiān)視等。大型無人機是為了提高無人機的裝載和作戰(zhàn)能力，承擔如運輸、攻擊作戰(zhàn)等任務。

2)動力的發(fā)展

美國的核動力無人機“全球鷹”追求長航時，核動力用于無人機，使其滯空時間由以往的幾十小時提高到數(shù)月。新型核動力無人機除執(zhí)行偵察任務外，還可裝備空地導彈，用于對地攻擊。該核動力無人機采用的核動力與傳統(tǒng)的裂變反應堆有所不同，它是由鉿-178提供能量。

美國的“太陽神”無人機是電驅(qū)動，該機白天利用太陽能，晚上利用燃料電池工作，被人認為是高空、超長航時無人機的先鋒，續(xù)航時間可達幾周或幾個月，不需要使用消耗性能源，不排放污染物。

英國“西風”無人機白天是利用太陽能，將其轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動電動機或螺旋槳，不同的是，晚上不是利用燃料電池系統(tǒng)作為動力，而是將白天的剩余電能存儲在高效電池內(nèi)，供晚上使用。

3)空中、陸地和水下適應性的發(fā)展

今天的無人機，除了天上飛的以外，已經(jīng)發(fā)展到水里游的、陸上跑的，可以說無人機領域已無所不包、無所不在。一種無人機同時能在空中、陸地、水下不同的介質(zhì)中生存，其隱身性、突擊性、攻擊性將在軍事中發(fā)揮重要作用，它就是現(xiàn)實世界中的百變金剛，在未來高技術戰(zhàn)爭中，沖鋒在第一線的不再是士兵們，而是在高空中盤旋、陸地水下伺機出擊的無人機機群。

2.2 自主性與人工智能化發(fā)展

自主控制飛機滑行、起飛、自主導航到達觀察區(qū)域。飛行過程中可以對任何威脅或意外事件作出反應。它可以想要的方式規(guī)劃觀察區(qū)域的航路、確定目標，利用傳感器系統(tǒng)向操控者發(fā)送一系列圖像和場景，以確定要打擊的目標。一旦授權其這樣做，它將自主的攻擊目標，規(guī)劃返航的航路，著陸并滑跑返回地。只需要輸入“做什么”，而不需要給出復雜指令，控制無人機“如何做”。其核心是發(fā)展類似人大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡或利用高速計算機算法模擬人腦的功能。

2.3 在軍事體系中的發(fā)展趨勢

無人機已經(jīng)從原來的戰(zhàn)爭“配角”轉(zhuǎn)換成“主角”，作戰(zhàn)任務進一步拓展，從戰(zhàn)術級向戰(zhàn)役級和戰(zhàn)略級方向延伸，從執(zhí)行支援保障性任務向執(zhí)行攻擊性作戰(zhàn)任務方向延伸，使無人機成為名副其實的殺傷性平臺。無人機與無人機、無人機與有人機之間協(xié)同作戰(zhàn)，進一步增強了作戰(zhàn)能力，使無人機在軍事體系中發(fā)揮了更大的作用。

“未來作戰(zhàn)體系”中其核心部分是高科技機器人以及網(wǎng)絡化的指揮與控制系統(tǒng)。高科技機器人包括無人機、無人戰(zhàn)車、機器人士兵、無人水面水下航行器等[2]。無人智能作戰(zhàn)總體和有人操作作戰(zhàn)系統(tǒng)將構成一個龐大的作戰(zhàn)集體，只是在戰(zhàn)爭進程中或某一層面的具體使用和分配上的不同。無人智能作戰(zhàn)系統(tǒng)將承擔最危險、最頻繁、長時間、高強度的作戰(zhàn)任務。

3 海角鰹鳥三棲無人機概念設計

基于無人機發(fā)展趨勢及現(xiàn)狀[3]，筆者提出了一種新型三棲無人機“海角鰹鳥”的設計構想。該無人機可一次性或重復使用，也可采用空中投放、海中投放和起降式三種起飛投放方式。

3.1 需求分析

無人機空中、陸地和水下適應性發(fā)展是無人機的發(fā)展趨勢之一，要求該種無人機具有三棲作戰(zhàn)能力，充分要體現(xiàn)無人機的隱身性、閃電攻擊性，它集無人機、無人戰(zhàn)車、無人水下航行器于一身，在軍事作戰(zhàn)體系中具有非常重要的作用。

3.2 功能任務定位

該無人機可搭載不同任務系統(tǒng)，可具有三棲偵察，監(jiān)視，目標探測、通信、反潛（艦）、攻擊或自殺式攻擊、反恐等能力，為部隊的作戰(zhàn)行動提供情報，并可直接攻擊目標，完成危險、其它無人機及有人機無法完成的任務。

3.3 概念使用方式

空中使用。與其它無人機一致；

陸地使用。能在較平緩的道路行駛，有較好的機動性；

水中使用。該種無人機先在空中降低飛行高度，機翼收縮，減小升力，同時降低飛行速度，接近水面時，雙立尾收縮，螺旋槳葉順航向向后逐漸收角度，接觸水面入水，入水后下沉，可在水面、水下航行。從水面起飛時，該種無人機先上浮到達水面，機翼和雙立尾恢復到飛行狀態(tài)，水面滑行起飛。

3.4 概念設計

海角鰹鳥無人機機體主要包括機身、機翼、尾翼、發(fā)動機等部件。設計圖所用單位均為mm。海角鰹鳥無人機概念設計三面圖見圖1，水下概念設計三面圖見圖2。從三面圖及使用環(huán)境中可以看出：全機水密設計（見圖3），保證使用環(huán)境要求。機體外形根據(jù)氣動、流體力學設計，保證其空中、水下都具有較小的阻力外形，確保性能。機翼采用中單翼布局（見圖4），尾翼采用V型立尾形式。機身外形等直段為圓形，最大直徑為500 mm,前段與等值段光滑過渡，長細比為1.6。尾段外形與等值段光滑過渡，長細比為3.6，形成上翹式尾段，保證飛機擦地角度的要求。無人機整體采用正常式布局，外形一階、二階導數(shù)連續(xù)，外形光順，阻力小。

圖1 空中海角鰹鳥無人機概念設計三面構想圖

圖2 水中海角鰹鳥無人機概念設計三面構想圖

機身由26個整體框和若干長桁組成桁架式結構，結構材料采用金屬+新材料，保證飛行、陸地、水下的強度剛度要求，見圖5。機翼、雙立尾設計成伸縮式收放，采用形狀記憶合金智能材料，使機翼、雙立尾結構設計成為智能全動結構，一層一層打開，一層一層收起，見圖6。在水下工作時，機翼、立尾收起，形成一種類似于整流罩的形式，保證無人機外形相對光順，阻力較小，就像鰹鳥的翅膀一樣，收縮自如，上天可翱翔，入水可覓食。該無人機采用了前三點收放式起落架形式（一次性無起落架），前輪和主輪均采用向前收起形式。無人機機腹的任務艙有兩個，第一個在兩個起落架之間，第二個在主起落架之后，見圖7。無人機結構要求簡單、多路傳力，力求重量較輕。

動力系統(tǒng)發(fā)動機布置在無人機尾部，全機動力源為全電系統(tǒng)或核動力裝置，包括操縱系統(tǒng)、起落架等，來滿足無人機的戰(zhàn)術技術要求。

圖3 海角鰹鳥無人機水密線圖

圖4 海角鰹鳥無人機機翼與機身布置連接圖

圖5 海角鰹鳥無人機概念設計框圖

圖6 海角鰹鳥無人機記憶合金材料機翼展開圖

圖7 海角鰹鳥無人機任務艙圖

控制系統(tǒng)，采用自主性與人工智能化控制系統(tǒng)，只需要對無人機輸入要完成的具體任務，而不需要控制無人機如何做。采用先進高速計算機算法模擬人腦的功能進行自主智能控制。

該無人機綜合航電系統(tǒng)保證空/空、空/地、空/海（水下）間的語音和數(shù)據(jù)通信，完成自主導航、著陸、編隊集結、無人機與無人機、無人機與有人機之間協(xié)同作戰(zhàn)；信息識別和敵我識別等任務。水下采用慣性導航和聲吶導航，水面之上采用慣性導航和衛(wèi)星導航。

任務系統(tǒng)采用通用化、標準化、模塊化、集成化設計，快速裝卸，實行多功能的任務要求。

其基本數(shù)據(jù)如下（用CATIA工程軟件初步估算）：

機身長 約5.5 m

機高 約1 m

翼展 約2.7 m

直徑 約0.5 m

空機重量 約700 kg

最大起飛重量 約1100 kg

最大飛行速度（空中） 約(500～800) km/h

航時（核動力空中水下） 約1 M

實用升限（空中） 約10000 m

最大航深 約400 m

最高航速（核動力） 約90 kn

海角鰹鳥無人機能在海陸空根據(jù)任務的要求，搭載不同的任務系統(tǒng)，可以完成空中、水面上、水面下通信、中繼指揮、偵察搜索、監(jiān)視、反潛（艦）、對敵攻擊等任務。其特點是多功能、環(huán)境適應性強、突擊性強、生存性強、隱身性強，成本低等。

4 結論

隨著人工智能系統(tǒng)、傳感技術、控制技術的快速發(fā)展，無人機將成為未來陸戰(zhàn)、海戰(zhàn)、空戰(zhàn)、天戰(zhàn)的“殺手锏”，海角鰹鳥作為一種三棲無人機，有望在未來的戰(zhàn)爭中發(fā)揮其獨特的作用。