無人機精準拋投救生圈方案研究

龔永壽 云南省航務管理局

沈毅俊 上海普適導航有限公司

李春旭 交通運輸部水運科學研究所

1.研究背景

隨著民用無人機技術的不斷成熟與發展，無人機在水上救援中的應用越來越受到重視。無人機具有造價維護成本較低、起降靈活、操作簡單等優勢，目前在水上救援中已應用在人員定位搜救、遠距離視頻傳輸、投放定位和醫療救助設備等多方面，承擔了監控、探查、尋找等工作。例如在收到海上人員落水報告后，無人機能夠從最近的救援船艇上起飛，第一時間從空中發現并定位遇險人員的具體位置。

但從定位遇險人員到救援船艇抵達現場，可能需要很長的時間，期間無人機若能向遇險人員拋投救生圈等器材，可大大提高其獲救的成功率。當然救生圈拋投的精準性也至關重要，遇險人員水中活動能力受限，如果救生圈拋投后離遇險人員太遠，將無法起到救生能力，因此本文著重研究分析了適用于無人機的救生圈精準拋投方案。

2.現有空投方案分析

自人類發明航空器以來，從航空器上拋投物體已被廣泛應用在軍事、民用等各個領域。下文將挑選多種典型的空投方案，詳述其步驟，并分析其應用于無人機拋投救生圈的可行性，以及實現精準拋投時會遇到的挑戰。

2.1 降落傘拋投

這種方式最早在軍事領域被用于從大型固定翼運輸機中拋出貨物和載具等，可分為低空拋投和高空拋投。

2.1.1 低空拋投

在低空降落傘拋投中，首先固定翼運輸機會下降至離地100米以下的高度，提前打開后貨艙門，將緊縮的降落傘拋出至貨艙外。當運輸機到達預定的空投點后，完全打開降落傘，此時降落傘受到的空氣阻力遠大于固定貨物的約束力，因此貨物被拖拽出貨艙，完成與運輸機的分離，貨物落地滑行后降落傘繼續起到減速緩沖的作用。

在給定空速和高度后，這個方法被證實具有相對較高的精確性，90%的貨物著陸在預定撞地點25英尺（7.6米）的范圍內。當然需要強調的是，這一方法是為重量為500-2000磅（226-907千克）的貨物設計的，而當利用固定翼無人機在視距外拋投救生圈時，由于此方法需要非常靠近水面，如何在無預先計劃的條件下，保證無人機從巡航高度快速接近目標水面、拋投后及時爬升而不墜毀，是個不小的挑戰。

2.1.2 高空拋投

在高空拋投中，當運輸機達到預定空投點后，首先打開貨物尾部的引導傘，進而拉開主降落傘，使貨物在著陸前能緩慢下落。在軍用領域中此方法能拋投的貨物重量遠低于前者，加上空中降落傘受陣風影響，精確度較低。實際案例說明運輸機的飛行高度需要低于660米，否則空投將會散落在各處，甚至飄到數十公里遠的地方。而用固定翼無人機空投時，由于拋投的物體重量非常輕，在用降落傘下落的過程中，陣風產生的影響更大，這將使精確度進一步降低。

圖2 高空拋投示意圖

圖3 滑索拋投示意圖

圖4 水平空投示意圖

圖5 俯沖空投示意圖

圖6 跳躍空投示意圖

以上是兩種使用了降落傘的經典拋投模式，對固定翼無人機空投的應用具有一定的參考價值，但仍需解決低空飛行的安全性問題，或者降落傘落下時的精確度問題。

2.1.3 高空自主制導空投

為了解決上述高空拋投模式中所遇到的精確度問題，可在降落傘上加裝自主操控系統。軍用領域例如GDS系統，它加裝了GPS制導設備，并利用無人機上的監控設備，為翼傘投送系統編程，可自主克服下降時的陣風，向目標飛去，投放精度達30米。

民用領域在物流無人機上，也有案例在翼傘系統中加裝了微控制器、三軸加速度、陀螺儀、氣壓傳感器等，通過各種傳感器參數實時計算并預測期望值，對翼傘進行控制，以實現精準空投。

圖7 懸停空投示意圖

對于這類自主制導的空投控制系統，雖可實現精準空投，但考慮到其控制系統的復雜性已經接近于一臺微型無人機，成本較高，重量上連同待拋投的負載，也遠超普通固定翼無人機的負載上限，因此尚不適合廣泛地應用在無人機水上救援中。

2.2 滑索拋投

這一方法利用一端粘貼在固定翼航空器上的繩索來空投負載，其原理如圖3所示。

固定翼航空器拖著一根線纜在目標地區上空盤旋，這一結構的動力學特性會使線纜另一端自然向盤旋圓心接近。當線纜末端觸碰地面時，末端上的錨釘確保其固定在陸地上；或者線纜末端接觸水面后，利用末端高阻尼材料使其在水中基本靜止。當線纜的拉力重量比足夠高、線纜末端重量足夠大時，整個系統將保持動態穩定，使得機載的物品可沿線纜滑降至地面或水面。

如果要將此方法運用在固定翼無人機上，可以嘗試將救生圈放于線纜末端，起飛前將線纜卷縮在機艙內，當飛抵目標水面上空開始盤旋后放開線纜，使末端逐漸接近水面。這一方法的缺點是在以無人機盤旋軌跡為圓底、線纜末端為頂點的倒圓錐形空間內，不能有任何障礙物，否則可能會纏住線纜，使拋投失敗，甚至拉扯無人機導致墜機。

2.3 空中釋放并自由下落

這類方式最早在軍事領域被用于從固定翼戰機中空投炸彈，具體可細分為水平空投、俯沖空投和跳躍空投等。

2.3.1 水平空投

水平空投是指固定翼飛機在巡航高度保持與水面平行，在飛抵目標正上方之前，通過計算提前釋放拋投物，使其沿著拋投軌跡自由下墜，最終落到預定目標位置，具體示意圖如圖4。

如果無人機選用這一方式拋投救生圈，在實際執行時需要精確計算出固定翼無人機在巡航高度上的釋放位置。被釋放后救生圈的下落運動，可抽象為一個具有水平初速度的平拋運動，它在豎直方向上受重力和空氣阻力，而水平方向上僅受空氣阻力，因此可通過設計理論模型來計算下落時長和水平位移，并不斷優化，從而推算出最佳釋放位置。

2.3.2 俯沖空投

在軍事歷史上，為了達到比水平空投方式更高的精確度，出現了俯沖空投方法：首先固定翼飛機從較大高度接近目標上空，隨后邊瞄準邊以超過60°的角度向其俯沖，在釋放拋投物后，固定翼飛機隨即拉起機身飛離，而拋投物則以接近直線的軌跡下落至目標。

這一方式幾乎將原本水平空投中的水平初速度減小為零，因此大大提高了精確度，具體示意圖如圖5。

這一方式會遇到的最大挑戰是固定翼飛機從俯沖狀態改出時要承受極大的過載，雖然無人機系統免除了飛行員在過載中暈厥的問題，但無人機機身仍要承受這些過載。目前民用固定翼無人機一般將最大俯仰角限制在35°左右，離實施俯沖空投還有較大的差距。

此外，無人機在這一方式下需要通過機載攝像機和圖傳瞄準遇險人員，而用于瞄準的時間受限于俯沖高度，如果在一次俯沖中未能及時瞄準，只能放棄本次俯沖空投，拉升復飛后嘗試下一輪俯沖空投。

2.3.3 跳躍空投

跳躍空投專用于在水面上實施拋投，它和2.1.1節中介紹的降落傘低空拋投相似，只是去除了降落傘的緩沖。實施這種空投時，固定翼飛機需要提前下降至接近水面的高度，釋放拋投物，由于具備一定的水平初速度，拋投物接觸水面后會經歷多次跳躍后停止，具體如圖6所示。

這一方法面臨的挑戰與降落傘低空拋投相似，即在無預先計劃的條件下，很難保證無人機從巡航高度能快速接近水面、拋投后能及時爬升而不墜毀。

2.3.4 懸停空投

懸停空投是指旋翼飛機在飛抵目標正上方后先懸停，隨后緩慢下降高度，同時保證沒有較大的水平位移。在到達合適的高度后釋放拋投物，使其自由下墜并最終落到預定目標位置，具體示意圖如圖7。

這一方法比較容易控制拋投的精準度，與水平空投類似，拋投物被釋放后的運動，可抽象為一個受到空氣阻力的下落運動，它在豎直方向上受重力和空氣阻力，而水平方向上僅受空氣阻力，因此可通過建立理論模型來計算下落時長和水平位移的關系，并進一步計算出在不同風速下符合精準度要求的最大釋放高度。

圖8 兩棲復合翼無人機原型

3.結論

上文羅列了現有航空器拋投的多種典型方案，并分析了它們應用于無人機精準拋投救生圈的優勢與挑戰，總結如下：

各類降落傘拋投方案，因為飛行安全風險大、拋投精準性過低或控制系統過于復雜等原因，尚不適合應用到無人機精準拋投救生圈上；

滑索拋投因有線纜被纏后拉扯無人機的安全風險，當前也不適合用到無人機精準拋投救生圈上；

空中釋放并自由下落的方案中，水平空投方案適用于固定翼無人機，而懸停空投方案適用于旋翼無人機。但在實際應用中，兩者都需要預先建立理論模型來計算救生圈下落時長和水平位移，從而推算出最佳釋放位置或最大釋放高度，以達到精確拋投的目標，這也將是后續研究工作的重點。

4.對兩棲復合翼無人機的展望

現有民用陸基復合翼無人機結合了旋翼無人機的垂直起降和懸停能力，以及固定翼的巡航能力，其在實施救生圈拋投上具有很大的潛力：當發現遇險人員后，可以根據現場條件，選擇水平空投或懸停空投，以提高拋投的精準性。但也同樣會面臨挑戰：目前民用復合翼無人機以旋翼模式飛行時，會在短時內消耗較多能量，在懸停空投中，無人機要執行懸停、下降、拋投、爬升、飛離各個動作，可能導致能量消耗殆盡而掉落于水中。

未來當出現了成熟的民用兩棲復合翼無人機后，將帶來全新的救生圈精準拋投方案：兩棲復合翼無人機可在遇險人員上空懸停后垂直降落在附近水面上，再以船只形式逐漸靠近遇險人員，在其身邊釋放救生圈，并陪伴在人員附近，直至救援隊伍抵達，這將進一步提高落水人員的救援成功率。