系留多旋翼無人機及其軍事應用

張帥 張鑫 李志華

摘要：為解決多旋翼無人機無法長時留空的問題，可以通過系留綜合纜繩將多旋翼無人機和地面站組合起來，構成一種新型無人機系統(tǒng)——系留多旋翼無人機。本文梳理了多旋翼無人機的發(fā)展歷程，采取對比分析的方法總結了系留多旋翼無人機的系統(tǒng)組成和應用特點，對多旋翼無人機在戰(zhàn)術通信保障、軍事偵察監(jiān)控、電子干擾與防護3個方面的軍事應用前景進行了分析。

關鍵詞：系留多旋翼無人機；發(fā)展歷程；組成；特點；軍事應用

引言

當前，軍用無人機的種類也越來越多，應用范圍越來越廣，成為不可替代的“戰(zhàn)場新寵”。系留多旋翼無人機是一種新型的無人機系統(tǒng)，它解決了普通多旋翼無人機續(xù)航時間較短的問題，能夠廣泛應用于應急救災、電磁監(jiān)控等民用領域，同時也可以在軍事領域發(fā)揮重要作用。

1多旋翼無人機的發(fā)展歷程

多旋翼無人機的英文為Multirotor unmanned aerial vehicle，縮寫為MUA，也稱為多旋翼無人直升機，是一種沒有搭載駕駛?cè)藛T的旋翼飛行器，具有垂直起降、空中懸停、低空飛行和原地回轉(zhuǎn)等獨特飛行技能，在民用和軍用市場上都大有用武之地[ 1 ]。相對于固定翼飛行器來說，多旋翼飛行器的發(fā)展經(jīng)歷了一個比較漫長的過程。

1.1 探索階段：20世紀90年代初之前

在1903年萊特兄弟發(fā)明固定翼飛機后，人類就開始了對多旋翼飛行器的探索。真正意義上的第一架多旋翼飛行器來自于法國的Breguet兄弟，他們在 1907年設計了一個4旋翼飛行器原型，進行了旋翼式直升機的飛行試驗[ 2 ]。而后在1921年，美國人Dr.George de Bothezat建造了一個可載3人的大型4旋翼飛行器，實現(xiàn)飛行距離5米、留空時間2分45秒[3]。1956年，M.K.Adman設計出一架4旋翼飛行器并試飛成功，然而由于這種飛行器在速度、載重量、續(xù)航等方面無法與傳統(tǒng)單旋翼直升機競爭，這項研究工作再沒有繼續(xù)推進下去。在這一時期，多旋翼飛行器研發(fā)面臨的主要問題是自動控制等相關技術的不成熟，導致多旋翼飛行器難以實現(xiàn)預想功能，加上基于單旋翼的帶尾漿式直升機技術不斷完善，使得多旋翼飛行器的研究慢慢被冷落。

1.2 起步階段：20世紀90年代至2010年

20世紀90年代后，微機電系統(tǒng)（MEMS）、多旋翼動力、自動控制、非線性控制算法、傳感器、陀螺、鋰電池等技術的高速發(fā)展，為多旋翼飛行器奠定了技術和硬件基礎。在2005年，穩(wěn)定可靠的多旋翼無人機自動控制器研制成功，使得越來越多的科研機構投入到多旋翼無人機研發(fā)中。其中，德國Microdrones GmbH公司在2006年推出md4-200 4旋翼無人機，美國Spectrolutions公司也于同年推出了搭載穩(wěn)定航拍視頻系統(tǒng)的4旋翼無人機。這一時期，多旋翼無人機在突破技術瓶頸后，逐步拉開了大規(guī)模發(fā)展的序幕。

1.3 大發(fā)展階段：2010年至今

2010年，法國Parrot公司發(fā)布了4旋翼無人機AR.Drone，這款無人機操控簡單，可以實現(xiàn)空中懸停，還能搭載相機把圖像傳送到手機上，在民用市場上大獲成功。2013年，中國大疆公司發(fā)布精靈4旋翼無人機，相比AR.Drone，大疆的產(chǎn)品尺寸更大，可以有效抗風，具有內(nèi)置GPS導航功能，還搭載了GoPro運動相機的連接架，使其成為“會飛的相機”。從這款產(chǎn)品開始，大疆的多旋翼無人機產(chǎn)品迅速成為世界上銷量最大的4旋翼無人飛行器。此后，多旋翼無人機掀起了商業(yè)化的熱潮，進入大規(guī)模快速發(fā)展期。多旋翼無人機還開始廣泛應用于軍事領域，其軍事效用也越來越廣泛，成為各國軍隊青睞的無人機選型。

2 系留多旋翼無人機系統(tǒng)組成

系留多旋翼無人機是通過系留綜合纜繩將多旋翼無人機與地面設備組合起來的一種新型無人機系統(tǒng)，它采用地面電源直接供電，主要解決多旋翼無人機的持續(xù)供電問題，以使多旋翼無人機能夠不受電能限制而長時間停留在空中。系統(tǒng)組成主要包括三個部分：

2.1空中平臺

空中平臺部分以多旋翼飛行器機體搭載電源模塊、任務載荷等組成。飛行器機體可以根據(jù)所搭載負荷重量、體積等不同需求選擇不同型號的多旋翼無人機，在這方面，國內(nèi)外許多生產(chǎn)商的產(chǎn)品可以滿足不同的訂制需求，其主要功能是實現(xiàn)有效空中承載。電源模塊替代了多旋翼無人機的電池部分，包括備用電池、機載降壓/穩(wěn)壓電路、光電接口、交直流轉(zhuǎn)換電路等，主要功能是向多旋翼無人機供電。在使用過程中，主要由地面電源實現(xiàn)供電，備用電池在系留線纜供電出現(xiàn)故障時自動切換，從而保證無人機安全返航[4]。任務載荷根據(jù)功能需求進行搭載，可搭載如偵察、監(jiān)控、通信、測繪、環(huán)境監(jiān)測等設備，既可以實現(xiàn)單一功能搭載，也可以多個功能復合搭載。

2.2 地面站

地面站由系留收放裝置、地面電源、地面光電模塊和操作終端組成。系留收放裝置內(nèi)設置有自動控制絞盤，對比無人機升空/降落速度實現(xiàn)對綜合纜繩的自動收放。地面電源可以選擇發(fā)電機、蓄電池組或者市電，向空中平臺輸送電力。地面光電模塊包括升壓模塊和光電接口，升壓模塊主要功能是將220V交流電轉(zhuǎn)換為高壓電，以減少電力在綜合纜繩傳輸中的損耗，光電接口一端連接地面電源和操作終端，另一端連接綜合纜繩。操作終端用來控制多旋翼無人機飛行和任務負荷工作。整個地面站可以通過綜合集成為一個地面站箱體，它既可以固定放置在底面上，也可以固定在車船等運載工具中，可以讓整個系留多旋翼無人機系統(tǒng)滿足固定和移動兩種需求。

2.3 系留綜合纜繩

系留綜合纜繩是由地線網(wǎng)、高壓絕緣層、通信光纖、承力纜線、外套管、強度材料和直流電源線等組成的復合光纖電纜，主要功能是連接空中平臺和地面站，為空中平臺持續(xù)供電，以及實現(xiàn)空中平臺和地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸。基于多旋翼無人機系統(tǒng)設計要求，纜繩應具有耐高壓、絕緣性好、抗拉伸能力強、質(zhì)量輕等特點，以減輕多旋翼無人機升力，增加升空高度，方便絞盤收放，提高使用效能。

3 系留多旋翼無人機系統(tǒng)特點

系留多旋翼無人機系統(tǒng)是在現(xiàn)有無人機技術基礎上發(fā)展而來的，在應用層面，主要是補充、優(yōu)化現(xiàn)有各類無人機平臺的功能欠缺。因此，這里我們采用與其他無人機平臺進行比較的方法來介紹系留多旋翼無人機系統(tǒng)的特點。

3.1 長時留空，定點懸停

普通多旋翼無人機發(fā)動機常采用電動機或燃油發(fā)動機，要依靠機載電池或者是燃油來提供動力，除了要為無人機飛行提供動力外，還需要給云臺、相機等機載設備供電，這就會讓普通多旋翼無人機出現(xiàn)續(xù)航時間短、動力不足等問題。系留多旋翼無人機采用系留綜合纜繩供電方式，不必加裝重量較大的電池或者燃油發(fā)動機，既減輕了無人機自身重量，還可以利用地面電源實現(xiàn)不間斷的持續(xù)供電，保證無人機全天24小時長時間留空。相比固定翼無人機，系留多旋翼無人機還可通過慣性測量元件對三維角速度、三維加速度及三維速度的狀態(tài)進行測量使多旋翼無人機進行穩(wěn)定的懸停[5]。

3.2 部署方便，機動靈活

固定翼無人機一般體積較大、地面保障系統(tǒng)復雜、發(fā)射回收條件要求高，大型固定翼無人機則需要專門的跑道起降，而且需要協(xié)調(diào)飛行空域。系留多旋翼無人機體積小、重量輕，采用模塊化、插拔式設計，整個系統(tǒng)可以通過普通的皮卡車、越野車進行運輸，1～2人即可完成轉(zhuǎn)場任務，單人徒手就可以完成部署、展開和回收等任務。加之多旋翼無人機特有的垂直起降和定點懸停等特點，降低了對場地的要求，適用于多種地形地貌環(huán)境下，如山地、丘陵、城鎮(zhèn)、叢林等，可以實現(xiàn)靈活部署、快速響應等需求。

3.3 性價比高，運維簡便

大中型固定翼無人機和無人直升機等空中搭載平臺雖然具有負載大、飛行高、距離遠等優(yōu)點，但同樣存在著體積龐大、系統(tǒng)復雜、維護保養(yǎng)復雜、訓練成本高、起降條件要求高、操作靈活性不夠、需要協(xié)調(diào)飛行空域等諸多限制因素[6]。與之相比，系留多旋翼無人機系統(tǒng)體積小、重量輕、設計簡單，操作人員在學習2～3小時后即可上手；系統(tǒng)相關配件價格低廉，使得維護成本大幅降低；多旋翼無人機的升空高度一般不超過200米，且不需要特定的場地，也不需要專門協(xié)調(diào)空域，訓練和使用保障要求低，便于收放使用。

當然，系留多旋翼無人機也有其固有的缺點和不足，比如：受系留綜合纜繩長度限制，無人機只能在有限的高度內(nèi)運動；因為載荷能力有限，無人機可搭載設備有限，對設備和系留纜繩材料的輕量化技術要求比較高；另外，地面站的接入在一定程度上也給系統(tǒng)的攜帶和運輸帶來不便。

4 系留多旋翼無人機系統(tǒng)的軍事應用

系留多旋翼無人機系統(tǒng)因其性能特點引起各國軍隊注意，并研發(fā)出數(shù)十款系留多旋翼無人機，如：美軍Tether Eye偵察系留無人機，該研發(fā)項目由美國打擊恐怖主義技術支持辦公室（CTTSO）出資支持，主要用于情報、監(jiān)視、偵查以及其他安全行動；以色列懸停燈HoverLite無人機，主要用于邊界監(jiān)視和新聞采訪[7]。就目前來看，系留多旋翼無人機的應用范圍和實戰(zhàn)能力仍需要進一步驗證，但從其性能特點而言可以搭載不同功能設備實現(xiàn)以下軍事應用：

4.1 戰(zhàn)術通信保障

在現(xiàn)有戰(zhàn)術通信保障手段中，固定翼無人機和常規(guī)多旋翼無人機均可起到空中通信中繼平臺的作用。然則，二者都采用無線通信方式，通信帶寬有限，很難支撐現(xiàn)代戰(zhàn)爭對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅磺叶家揽孔陨頂y帶電池或油機為動力來源，無法實現(xiàn)長時間留空，且載荷使用效率較低。系留多旋翼無人機可通過系留綜合纜繩向空中平臺實現(xiàn)24小時不間斷供電，纜繩內(nèi)置光纖可以實現(xiàn)空中平臺于地面站之間的高速寬帶數(shù)據(jù)傳輸，且系留多旋翼無人機系統(tǒng)具有體積小、攜帶方便、部署簡便、機動靈活等特點，使用其作為戰(zhàn)術通信中繼平臺，將大大提高戰(zhàn)術通信保障能力。在實際應用上，系留多旋翼無人機系統(tǒng)可以應用于指揮所通信保障、特種作戰(zhàn)單元通信保障、山地叢林等復雜地域通信保障等。

4.2 軍事偵查監(jiān)控

現(xiàn)階段，國家面臨的安全威脅類型越來越多，恐怖行動、邊境摩擦、局部沖突等問題突出，圍繞著維護國家領土、主權的行動需要我們在安保和反恐等問題上加大力度。近年來，許多國家大量運用無人裝備執(zhí)行類似于邊境偵察和要地監(jiān)控任務。對我國而言，與有關鄰國因邊境領土爭端而產(chǎn)生的糾紛、對峙等問題，且陸上邊境多為高寒山地地形，更加需要利用先進無人裝備執(zhí)行相應偵察和監(jiān)控任務。將系留多旋翼無人機系統(tǒng)搭載雷達或光學監(jiān)視設備，部署在我國陸上邊境地區(qū)或重點防范區(qū)域，可以對地面和低空區(qū)域?qū)嵤?4小時全天候不間斷的監(jiān)控。同時，在具有監(jiān)視功能的系留多旋翼無人機上集成搭載通信模塊，可以在邊境組成有效的戰(zhàn)術通信網(wǎng)絡，構建集監(jiān)控、通信為一體的邊境防護網(wǎng)絡。甚至，還可以在系留多旋翼無人機上搭載武器系統(tǒng)，通過地面控制系統(tǒng)對目標實施精確打擊。

4.3 電子干擾與防護

目前來看，由于載荷與技術限制，各國部隊主要利用固定翼無人機進行電子干擾與防護，而隨著多旋翼無人機發(fā)展，將可以實現(xiàn)搭載電子干擾與防護設備，實施固定位置區(qū)域的電子對抗行動。如：在指揮所電子防護行動中，可以利用系留多旋翼無人機系統(tǒng)搭載電子防護設備，對指揮所區(qū)域范圍內(nèi)進行電子防護；在炮兵陣地、艦船、基地等重要區(qū)域，亦可實現(xiàn)相應功能。

5 結束語

系留多旋翼無人機系統(tǒng)可以補充固定翼無人機、多旋翼無人機等無人機在軍事應用上的短板，提高在戰(zhàn)術通信、偵查監(jiān)控、電子干擾與防護等方面的效費比，減輕軍事人員的工作負擔。而隨著技術的進一步發(fā)展進步，系留多旋翼無人機系統(tǒng)在未來將發(fā)揮更大的軍事應用價值。

參考文獻

[1] 符長青，曹兵.多旋翼無人機技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2017：8.

[2] 王宇恒.多旋翼無人機的發(fā)展歷程及構型分析[J].科技傳播，2019（11）：142.

[3] 田宇，鄒春海，周正偉，周曉東.多旋翼無人機的發(fā)展及應用[J].航空模型，2016（1）：80.

[4] 楊曉偉，張德磊，陳明浩.基于系留無人機的升空通信系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子工程，2017（3-4）：18.

[5] 龍文彪.系留多旋翼無人機及其應用[J].科技創(chuàng)新導報，2020（2）：57.

[6] 黃宇，吳彥鋒，周鎮(zhèn)宇.基于系留無人機平臺的應急通信中繼技術研究[J].數(shù)據(jù)通信，2020（2）：21.

[7] 王鋒，逯振坤，周國慶，佟剛，康桂文，李凱.系留多旋翼無人機技術進展及設計方法研究[J].機械工程師，2019（4）：68.

（作者單位：張帥，國防大學聯(lián)合作戰(zhàn)學院；張鑫，61035部隊；李志華，78156部隊）

（作者簡介：張帥，78156部隊助理工程師，國防大學在讀博士研究生）