救援物資快速輸送系統設計*

苗琛琛，田明月，葛 濤，孫 斌

（1.北京理工大學 設計與藝術學院，北京100081；2.中國航空無線電電子研究所，上海200000；3.西安現代控制技術研究所，陜西 西安710000）

1 背景

1.1 災害與救援

全球變暖背景下，災害發生頻率顯著上升，災害強度也越來越大[1]。災害應急救援的關鍵是災害發生后的快速反應。及時快捷的災情信息對于及時制定救援策略，提高救援效率和質量起著至關重要的作用[2]。

在和平時期，非戰爭軍事行動已成為軍隊經常性、現實性的重要任務，災害救援便是任務的重點。加大軍事先進技術在災害救援中的應用可以提升救援效率挽救更多生命、盡可能減少國家人民財產損失。

所以結合軍事技術對災害救援進行發想，針對救援物資輸送的快速性、準確度和緊迫性三方面的要求進行設計構思。

現代救援：

現有救援物資輸送平臺和裝備眾多，挑選其中典型者進行分析。對現有救援物資輸送平臺或裝備進行對比、評估。將無人機、直升機、野戰救援車和救援船分別從速度、準確性、安全性、攜帶物資量還有救援范圍進行分析和對比。根據預定設計要求分析并呈現設計概念的優勢與劣勢。

圖1 現有救援物資輸送平臺分析對比

采用哈里斯圖表法對救援設備的設計構想進行收斂評估[3]。

根據圖1 可知，四種方案各具優缺點，無人機是目前的最優解決方式。但是現存無人機在續航、遙控距離上有致命缺陷。需尋找一個救援范圍更廣闊的解決方案，來更好的適應更加危險的災害現場。

在相同體量下是目前戰場上已應用的相較于無人機在速度、可到達范圍上都有明顯的優勢的運輸平臺。無人機中美國的MQ-9 收割者速度可達260 節，也就是482km/h 左右，但是多種小型導彈是超聲速（1842km/h）飛行的[4]。在飛行范圍上，中程無人機在200～800km 之間，而導彈可以遠大于這個范圍。

導彈速度更快，相較于無人機更不易被雷達捕捉，不易被攔截、擊落。相同時間內導彈可到達的范圍遠大于無人機，緊急情況下，救援范圍更廣。綜合來看，導彈作為運輸平臺比無人機更適用于分秒必爭的災難救援。

1.2 導彈概念與結構

導彈是一種無人駕駛的有控飛行武器。在常規意義上，導彈主要是一種具有殺傷力的彈藥武器，但是從它的定義上我們可以看出，本質是一種飛行武器，只是搭載了彈藥具有了爆炸用途，正確理解和把握導彈的本質特征，對于促進導彈的技術創新和有關學科的發展具有非常重要的現實意義[5]。通過分析對比現有導彈特性，對導彈可進行救援物資的輸送的可能性進行論證與設計，給導彈賦予不同于常規的新用途。

圖2 導彈的一般結構示意圖[5]

導彈的結構組成一般分為推進系統、制導系統、彈頭、彈藥載荷等四部分，如圖2[5]。在救援彈的概念設計中，主要是將彈藥載荷部分替換成物資裝備載荷，仍借助導彈原有的發射系統進行物資輸送。

救援導彈只要可以裝下救援物資即可，不具有摧毀性，不需要裝載彈藥，并需要適配不同的裝載平臺、作戰環境，所以應從分析現有小型多用途導彈入手。

1.3 導彈數據對比

針對現代戰爭與救援的特點，以及近年來美、英等軍事大國在阿富汗、伊拉克和利比亞的非傳統作戰，廣泛的使用小型多用途導彈，并且表現優良[3]。表1 是戰場表現較為優秀的小型多用途導彈信息對比。

經過對信息的分析，考慮選擇質量為20～60kg 的導彈為藍本進行設計。此類導彈擁有小尺寸、大載彈量和低成本等優勢，與20kg 以下微型導彈相比有更寬松的設計空間，可以獲得更強的戰技性能和戰場環境適應性，具有自主動力可以適配更豐富的發射平臺[6]。而超過60kg 的導彈則更偏重殺傷力，損失了一些輕量化、小型化的優勢，不適用于救援彈的設計。

2 方案設計與分析

2.1 系統化救援

當今各種先進技術的突飛猛進也引發了軍事領域一系列重大變革，其中作為軍事力量后盾的醫用后勤裝備也應該不斷推陳出新，呈現出信息化、智能化、無人化的趨勢[7]。救援用途的導彈與現有導彈具有一定本質區別，應從救援角度出發，重新構建一套用于救援的系統，整個系統大致從下面幾方面出發，發射救援信號，接收并準備相應救援彈，發射救援彈至指定區域，最后還應該包括對于救援裝備的回收檢驗與再利用。

2.1.1 典型使用場景

考慮到救援彈的特殊性，針對救援彈的具體使用，應是在一定特定條件下，這種特殊性展現出了救援環境的更加緊迫性與危機性，以及若不能及時救援將造成極大的損失。構思了如下三種使用情形（不限以下三種）：

（1）海上艦艇突遇重大致命襲擊，艇上人員落海遇到重大風險，收到報警后我方可快速發射裝有大量救生裝置的救援彈，迅速降落到落海區域。

（2）人員密集區域突遇非常規生化武器襲擊，收到報警后我方可快速發射裝有大量防護裝置的救援彈，迅速降落到救援區域。

表1 小型多用途導彈信息對比表[6]

圖3 基于彈道平臺的救援物資快速輸送系統理念圖

圖4 救援彈尺寸線框圖（頂視圖，側視圖）

圖5 結構拆分示意圖

圖6 存儲倉設計示意圖

（3）災害現場情況瞬息萬變，既定救援部署可能隨時需要調整變化，在受到電磁干擾或一切有緊急需要的場合，可利用救援彈迅速將有關小型關鍵物資發射降落到特定區域。

2.1.2 輸送系統設計

首先待救援區域通過單兵作戰攜帶的高強度通訊設備發射救援信號，信號中包含地理坐標以及所需何種救援物資等信息。其后，指揮中心收到救援信號，根據待救援區域的具體需求選擇布置發射相應救援彈。救援彈到達一定高度后彈載分離，助推段繼續按照飛行軌跡到達待救援區域，載荷段和導航段繼續飛行至待救援區域并降落。最后，待救援區域拿到載荷段中的救援物資，救援過程結束，見圖3。

在輸送系統的設計中，考慮了信號的發射、收取以及救援彈發射分離的全過程，較為全面。系統有效的溝通了前線待救援區域與指揮中心兩地，使得中心能較為準確的獲取前線救援需求信息，并使前線待救援區域受到及時有效的救援。整個系統是基于現有的戰場設備進行設計，其中承擔救援物資運輸任務、最為重要的就是救援彈了。救援彈的目的、作用都不同于以往的導彈，需要在現有導彈運載平臺上進行構思和設計改裝。對此，進行了彈體的概念設計。

2.2 彈體概念設計

2.2.1 外形設計方案

這款裝備在進行外形設計時，首先應有符合空氣動力學的外形，并能使用現有的發射技術發射，這是其可用性；其次外形應該與傳統作為武器的“導彈”有所區別，便于辨認。參考前文小型多用途導彈的尺寸，將彈長設定為1.8m、彈徑180mm，各段長度如圖4。

2.2.2 結構設計方案

最前端為導航裝置，中段為儲藏裝置，最后段則是助推裝置。將導彈的戰斗部替換成為儲藏物資的儲藏裝置，見圖5。

（1）存儲倉設計

尾端打開。導彈分離后的尾端直徑比前端大，且可根據內部空間設計儲物倉，能較為合理的利用導彈的內部空間，見圖6。

（2）著陸方式設計

傳統導彈并不考慮戰斗部在著陸時或之后是否損壞，但是這款裝備并非殺傷性武器而是運送救援物資。所以不能以傳統方式著陸，故與旋翼機結合。

“助推段”與“旋翼機”分離后，旋翼機旋翼開啟，此時可操控旋翼機運送物資，見圖7。

圖7 旋翼機展開圖

（3）內部物資裝備設計

在裝載救援物資時，為了能夠清晰辨別物資類型，快速裝載到導彈載體中，采用不同顏色來標識不同類型的救援物資：

藍色：食品。若有人員被困在危險區域，救援人員又不能在人員生命不受危險前抵達，此時食品重要性處于第一位，所以使用象征生命之源——水的藍色作為標識。

橙色：醫藥。緊急救援中，醫治和保護傷員是最緊急的，故使用明亮的橘色作為標識。

3 討論

關于彈體設計方面，過程中產生了不止一個方案，選擇之前都進行了比較和分析。

一方面，關于存儲倉開口設計，尾端彈出更具優勢。在前端、尾端、側面三個方案中：前端彈出。由于導彈的前端彈徑較小，故若從前端彈出儲物倉，儲物倉的直徑也必然較小。所以這種彈出方式的缺點是不能充分利用內部空間。側面打開。對導彈殼體強度有影響，不能滿足導彈發射飛行的要求。

另一方面，在選擇著陸方案時，曾考慮傳統的減速傘。在載荷段尾端內置減速傘如圖8。助推段脫離后減速傘彈出，保證救援物資的艙段緩慢降落，很大程度上防止了物資因著陸速度過快受損，但是無法使物資精準的降落在目標地點，所以未選擇這個方案。

圖8 著陸方式一：減速傘

最后，需要進一步思考的是導彈使用成本。傳統導彈一般是單次使用，但是成本較高，若能回收多次利用則能降低使用成本。所以關于如何回收利用載荷段和導航段仍需要進一步設計。

4 結束語

在對災害救援需求的特點進行分析總結后，從設計的角度探索以小型多用途導彈為載荷平臺的新型運輸系統的設計。從系統如何運作到具體產品的結構外觀設計都給出了較為具體的方案。救援彈在分離前的運作方式更貼近于導彈，在彈載分離后又變形具備了無人機的特點，巧妙的結合了兩者的優點進行設計，雖然在實現性、成本上尚待考量，但不失為一種未來緊急救援物資輸送新思路和新選擇。