可折疊旋翼式防空無人機設計

摘要：能否有效地防御空中打擊是一個國家防御體系中極為重要的一環。精確制導武器造價高，攔截成功率不到百分百，而密集陣防空火炮射程近，范圍小，且攔截后的殘骸有可能會造成威脅。在此基礎上，本文提出了一種電磁炮發射的可折疊旋翼蜂群式防空無人機設計。該系統依靠電磁炮將帶整流罩的無人機群發射至35km高度后，依靠無人機自動控制調整為預定陣型，對導彈進行有效攔截。

關鍵詞：電磁炮；可折疊旋翼無人機；無人機蜂群

1 研究背景

在現代化的戰爭中，空中打擊已成為十分重要的戰爭手段。特別是高技術航空兵器的發展和導彈的大量使用，使得空中打擊不僅能摧毀掩體和工事等戰場目標，而且還能摧毀指揮控制中心、通訊中心、防空陣地等縱深的軍事目標。空中打擊不僅僅是地面進攻的前奏，而且可為地面進攻的順利推進和最后勝利創造條件。[1]因此，在未來戰爭中，能否有效地防御空中打擊已成為國家防御中的極為重要的一環。[2]

二戰后期，德國為對付英、美轟炸機群，使用“復仇武器”V1和V2導彈的同時，開展了比高炮打得更高更遠的防空導彈的研究試驗，這更增加了全世界對防空防導技術的重視。[34]

2001年以后，美國小布什政府提出發展的全球一體化多段多層防御系統（助推段、中段、末段），實現對各個階段飛行的、各種射程的彈道導彈全程防御。其中，地基中段防御系統作為美國全球一體化彈道導彈防御系統中段防御的陸基部分，承擔防御洲際彈道導彈攻擊的戰略防御任務。地基中段防御系統由天基預警衛星、改進的早期預警雷達、前沿部署雷達、地基攔截彈、作戰管理與指揮控制通信網絡組成。地基中段防御系統共進行了18 次攔截飛行試驗，成功9 次，成功率50%。僅驗證了地基中段防御系統大氣層外防御不攜帶突防措施的中遠程、遠程彈道導彈技術能力，具備戰時針對威脅目標防御簡單威脅的“有限防御能力”。[56]目前的防空手段有以下問題：精確制導武器造價高，攔截成功率不到百分百，一般航母或重要建筑的最后一道防御系統還是密集陣；但同時密集陣防空火炮射程近，范圍小，且攔截后的殘骸有可能會造成威脅。

2 發射式可折疊旋翼式無人機結構設計

根據以上論述，本文提出了一種電磁炮發射的可折疊旋翼蜂群式防空無人機設計。依靠電磁炮發射帶整流罩的可折疊旋翼式無人機群至空中35千米高度后，無人機展開旋翼，并排出相應的蜂群式陣型，對導彈進行有效攔截，用于防御空中打擊。電磁炮發射旋翼式無人機蜂群式布置作為防空手段，相對于造價昂貴的防空導彈等防空武器，擁有隱蔽性強，密集陣防空射程遠，范圍大，反應迅速、攔截效率高、機動性強、性價比高的特點。

2.1 總體構型設計

發射式可折疊旋翼式無人機主要由整流罩、旋翼式無人機系統以及控制舵面三大部分組成，該可折疊旋翼無人機構型如下圖所示。

整流罩主要是為無人機提供良好的氣動外形，便于電磁彈射的炮彈飛行階段降低飛行阻力，提高發射高度，同時還為無人機提供容納空間和保護作用。整流罩分為頭部整流部分和尾部整流兩部分，無人機彈射到指定高度后自動飛離。控制舵面主要是為了在炮射過程中對發射式可折疊無人機的飛行線路進行小范圍的修正，從而使其能更加準確地到達預定位置。

旋翼式無人機系統的最上端有兩個對轉槳三葉螺旋槳，待機狀態時折疊緊貼于機身，下部有兩個負責水平位移的尾舵，可以通過尾舵實現水平方向的位移。無人機中端則是裝有用于攔截目標的特殊炸藥的戰斗部，待目標靠近后迅速引爆。整流罩脫落后，無人機雙層對轉折疊翼展開工作，為無人機提供懸停所需的動力，尾翼電機工作為無人機快速移動到指定位置提供側向推力。智能控制作用下在制定空域形成密集式蜂群布置，并可以根據情況實現小范圍的調整和機群位置移動，以進一步精準調整布置位置，使機群進一步準確布置或主動精準調整到來襲目標的預估位置。當來襲目標到達無人機控制范圍以內后，無人機以自爆所攜帶戰斗部來擊毀來襲目標。

2.2 攔截過程

系統的雷達發現導彈后由高速電磁彈射器將數百個戴著整流罩的無人機超音速彈射至千米高空的導彈軌道。達到指定位置后整流罩脫離無人機，原本在整流罩里折疊的兩個對轉三葉螺旋槳豎起并開始旋轉。在系統的控制和尾舵的調整下，數百個無人機在導彈軌道處迅速排列成防空矩陣，單個個體無人機上的感應器感應到導彈靠近后引爆尾部炸藥，以同歸于盡的方式實現導彈的攔截。矩陣完成任務之后，剩余沒有引爆的無人機可從新編排隊列返回并進行回收。

3 結論

本研究首先提出了一種電磁炮發射的可折疊旋翼蜂群式防空無人機系統。該系統依靠電磁炮發射帶整流罩的可折疊旋翼式無人機群至空中35千米的高度后，無人機展開旋翼，并排出相應的蜂群式陣型。主要針對無人機結構進行了設計：無人機旋翼結構依靠對轉槳的高速旋轉提供升力，并在此基礎上依靠置于尾部的尾舵實現姿態的調整。為了進行快速反應，在尾翼部分增加了電機驅動的小型姿態螺旋槳，來為無人機的快速移動提供側向推力。

總體來說，電磁炮發射旋翼式無人機蜂群式布置作為防空手段，相對于造價昂貴的防空導彈等防空武器，擁有隱蔽性強，相比密集陣防空射程遠，范圍大，反應迅速、攔截效率高、機動性強、性價比高的特點。是一種具有潛力的新型防空手段。

參考文獻：

[1]鄭志洲，侯廣華，賈林，楊志強，雷云茂.末段反導預警系統的界殼論模型及其運用[J].空天防御，2018，1（04）：17.

[2]戴衛青，劉康，劉杰.國外防空導彈彈族化發展研究[J].空天防御，2018，1（03）：6166.

[3]薛慧.印度防空反導體系研究[J].飛航導彈，2018（05）：4953+67.

[4]韓寶瑞，劉濤，趙小勇.美國近程防空武器發展及趨勢分析[J].飛航導彈，2018（04）：1216.

[5]劉麗娟.金屬風暴武器彈藥關鍵技術研究[D].沈陽理工大學，2016.

[6]李書甫，常衛偉，殷利.金屬風暴武器技術發展綜述[J].艦船科學技術，2012，34（03）：38.

作者簡介：何嘉琛（2001），男，漢族，北京人，就讀于清華附中將臺路校區，高中在讀，研究方向是飛行器設計。