小型固定翼無人機精確無損回收技術初探

歐 軍，楊會林，劉永安，劉亞恒

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著航空技術的發展，不同用途、功能和樣式的無人機大量涌現。同時，為了有效提高無人機使用效能，無人機回收技術得到廣泛應用。回顧無人機的發展與運用，其回收過程是一個非常重要且容易出現故障的階段。有資料表明，無人機回收過程的故障數占整個執行任務故障數的80%以上[1]，回收技術已成為影響無人機技術發展的關鍵之一。據統計，對于固定翼無人機最常用的回收方式主要有傘降回收和起落架著陸滑跑回收方式。傘降回收易受環境及氣象條件的影響，落點偏差較大，不能實現精確定點回收，而且由于不可控，回收后極易造成無人機損傷。起落架著陸滑跑回收則需要一定長度的平整地面或跑道。 因此，這兩種回收方式均對回收環境提出了較高的要求，一般只能選在較空曠的陸地上實現[2]。隨著無人機在各軍兵種的廣泛應用，尤其是在艦艇或復雜地貌等狹小空間環境使用的情況越來越多，新型精確無損回收已成為小型無人機技術發展的必然選擇。

1 主要無損回收技術及運用情況

隨著小型無人機的大量出現和運用，針對小型無人機無損回收技術研究已成為熱門。典型的無損回收方式主要有“天鉤”回收、撞網回收等。為適應在艦上狹小空間無人機回收需求，DARPA 在 “戰術偵察節點”（TERN）項目中，最新提出了一種叫“側邊吊臂”的無人機精確無損回收方式。

1.1 “天鉤”回收

美國“掃描鷹”（ScanEagle）無人機、RQ-21（Blackjack）無人機等均采用“天鉤”（SkyHook）回收系統以實現無損回收（見圖1）

圖1 “天鉤”（SkyHook）回收系統

該“天鉤”回收系統是由英國因斯圖（INSITU）公司研制。其結構緊湊、安裝靈活、維護方便、可實現雙向攔阻，并且在整個回收過程中，無人機的運動被限制在一定空間內，特別適合小型固定翼無人機在狹窄回收場地或艦船上使用，且基本不占用艦船甲板空間。

“掃描鷹”無人機在回收過程中，首先是機翼前緣撞到攔阻繩，隨著無人機繼續向前飛行，攔阻繩沿機翼前緣滑入翼尖處的攔阻鉤，之后無人機在阻尼器的吸能緩沖作用下迅速減速，當速度減小至失速速度時，無人機機體做下翻動作，最終通過攔阻鉤懸掛在攔阻繩上，回收示意見圖2。

圖2 “天鉤”（SkyHook）回收過程示意圖

1.2 撞網回收

國外對無人機撞網回收的研究最早始于20 世紀80 年代[3]。 據不完全統計，美國“天鷹座/蒼鷹”（Aquila）、“銀狐”（Silver Fox）、“殺人蜂”（Killer Bee） 和 BQM-147A“敢死蜂”（Exdrone），以色列“偵察兵”（Scout），南非“禿鷲”（Vulture）和國際合作的“先鋒”（Pioneer）等無人機都成功使用過撞網回收系統進行無損回收（見圖 3 和圖 4）。

圖3 “先鋒”（Pioneer）無人機撞網回收

圖4 “銀狐”無人機撞網回收

目前國外已有應用的無人機典型撞網回收方案主要有：單網三桿、雙網雙桿和單網單桿等方案，其中應用較多的為單網三桿結構方案。無人機撞網回收系統主要涉及如無人機吸能緩沖技術，無人機末端精確引導技術，系統動力學仿真技術和系統試驗驗證等相關技術[4]。撞網回收可根據不同的無人機質量自由配置不同的桿-網結構實現無損回收，適應無人機質量范圍大[5]。回收系統可靈活布置于陸基固定場地、車載或艦載布置，滿足無人機在復雜環境下精確定點無損回收要求。

1.3 側邊吊臂回收

2015 年5 月7 日，DARPA 透露了該局與美國海軍研究辦公室（ONR）聯合開展的“戰術利用的偵察節點”（TERN）項目的最新進展。TERN 項目采用一種叫側邊吊臂的回收方式（見圖5）進行精確回收[6]。

圖5 側邊吊臂回收

側邊吊臂是一套可滿足無人機進行水平發射和回收的簡便機械裝置，其占地面積較小，可安裝在卡車、艦船和地面固定設施上，允許無人機的最大重量為400kg 左右[7]。 側邊吊臂系統能夠實現快速設置和受控減速，適用于目前和未來的小型無人機系統。 該回收方案在2014 年已完成縮比模型試驗，2016 年12月進行了全尺寸側邊吊臂系統回收演示驗證試驗，重復捕捉了美國洛·馬公司的“狂怒”無人機。無人機回收過程見圖6。

圖6 側邊吊臂回收

2 小型無人機無損回收技術方案

某小型無人機翼展長3m，采用渦輪螺旋槳發動機為動力進行長航時巡飛。無人機要求具備可在驅護艦及復雜陸基環境等空間狹小、保障條件低等條件下實現精確、無損回收。 其回收主要設計指標如下：

1） 最大回收質量：60kg；

2） 最大回收速度：30m/s；

3） 回收飛行高度：9～13m；

4） 回收最大過載：≤15g；

5） 剩余末速：≤0.5m/s

由前所述，“天鉤”回收、撞網回收以及側邊吊臂回收等均可在復雜環境下實現對該無人機的回收。若采用撞網回收，考慮無人機采用渦輪螺旋槳發動機、頭部主要安裝集光電、紅外傳感器或合成孔徑雷達于一體的傳感器探測系統。撞網回收過程主要是通過機頭、機翼與網帶的沖擊進行緩沖，極易造成頭部傳感器系統的損傷。而“天鉤”回收或側邊吊臂回收方式，均為航向攔阻實現減速回收，若按最大回收過載不超過15g 估算，無人機最小直線攔停距離約6m。 若采用類似“掃描鷹”無人機的“天鉤”回收方式，無人機在攔停后由于攔停距離過長會墜落到地面或艦船甲板上。若采用側邊吊臂回收方式，則需要較長的回收導軌長度，在艦艇或復雜陸基環境等狹小空間不易布置類似的回收系統。因此，為有效解決無人機直線攔停距離過長與狹小空間限制的矛盾，設想通過旋轉減速代替直線減速的方式實現無人機的攔阻回收，即采用立式旋轉回收方式實現該小型無人機在艦艇或復雜陸基環境等狹小空間上精確、無損回收。

2.1 回收系統總體方案

立式旋轉回收系統的組成原理如圖7 所示。回收系統主要由渦輪阻尼器（基座）、立柱、上/下懸臂、攔阻繩等組成。立柱、上/下懸臂構成架設攔阻繩的框架，使攔阻繩的最高點工作高度達到15 米，攔阻繩在架設完成時處于緊繃狀態；立柱底端與回收系統基座的渦輪阻尼器的轉軸固聯。

圖7 立式旋轉回收系統

無人機左右翼尖均設計有類似“掃描鷹”（ScanEagle）無人機一樣的攔阻鉤。 無人機在回收過程中，首先是機翼前緣撞到攔阻繩（此時發動機未停車）。隨著無人機繼續向前飛行，攔阻繩沿機翼前緣滑入翼尖處的攔阻鉤（此時攔阻鉤內的微動開關被觸動，使發動機停車）。之后無人機帶動懸臂和立柱繞立柱中心軸旋轉，從而帶動基座中的渦輪阻尼器轉子轉動，轉子的葉片攪拌阻尼器內腔中靜止的流體，產生作用于轉子葉片表面的阻尼力，從而形成阻止轉子和轉軸持續轉動的阻尼力矩，最終使無人機減速[8]。當速度減小至失速速度時，無人機機體做下翻動作，最終通過攔阻鉤懸掛于攔阻繩的繩結上。

2.2 攔阻減速過程計算

根據上述立式旋轉回收系統工作原理，假定無人機為剛體，不考慮攔阻繩的質量和彈性變形等。 由于無人機機翼前緣很光滑，可忽略攔阻繩與機翼前緣的摩擦力。在方案論證階段，主要考慮攔阻力的作用，由圓周運動規律，可建立無人機回收過程動力學模型：

式（1）中：M攔為無人機在旋轉回收過程中的攔阻力矩（單位：N·m）；

K 為渦輪阻尼器的阻尼力矩系數；

J桿臂為回收系統立柱和上/下懸臂組成的系統繞立柱軸線旋轉的轉動慣量（單位：kg·m2）；

r臂為上/下懸臂長（單位：m）；

n 為旋轉回收轉速（單位：r/min）；

α 為旋轉回收角加速度（rad/s2）；

F攔為攔阻力（單位：N）；

V 為無人機速度（單位：m/s）。

計算條件：回收質量為60kg，回收速度為30m/s，上/下懸臂長 r臂=3m，立柱和上/下懸臂轉動慣量 J桿臂=70kg·m2，渦輪阻尼器的阻尼力矩系數K=2.5。則初步計算結果表明，無人機總共旋轉了約1.41 圈，于17s后被最終攔停，設計方案已基本滿足該型無人機回收設計指標的要求。無人機攔阻過程的攔阻過載、旋轉離心過載、速度和旋轉圈數隨時間變化曲線如圖8～圖9 所示。

圖8 回收過載曲線

圖9 減速過程及旋轉圈數

在本方案中，作為緩沖吸能裝置的渦輪阻尼器是關鍵部件，具體的設計尺寸和流體介質壓力一般在仿真基礎上通過試驗驗證后調整獲得。另外，需要特別注意的是，在攔阻繩進入攔阻鉤后，無人機帶動上/下懸臂和立柱開始繞中心軸線旋轉時，無人機將會承受較大的離心力，離心過載達到30g，因此需要對無人機機體的結構強度設計和設備的抗過載能力提出較高的要求。

3 主要設計參數對攔阻過程影響

由式（1）和上述計算分析可知，在規定的回收質量和回收速度要求下，立式旋轉回收系統總體方案主要設計參數有渦輪阻尼器的阻尼力矩系數K、上/下懸臂長L，以下分別針對這兩個主要參數進行定量對比分析。

3.1 渦輪阻尼器力矩系數對攔阻過程的影響

作為立式旋轉回收系統中緩沖吸能裝置的關鍵部件指標，渦輪阻尼器的阻尼力矩系數K 對無人機回收攔阻過程影響明顯。在前述2.2 節參數選擇基礎上，K 分別放大1.5 倍或減小至0.5 倍，其攔阻參數隨時間變化曲線如圖10 和圖11 所示。

圖10 回收過載對比曲線

圖11 減速過程及旋轉圈數對比

上述計算分析可知，當阻尼力矩系數K 增大或減小50%時，最大攔阻過載亦相應增大或減小50%。阻尼越大，無人機攔停時需旋轉圈數越少，攔阻速度也相應減速更快，亦更快完成無人機回收。另外，阻尼系數K 對最大離心過載基本無影響，但隨著不同的減速過程，阻尼系數越大，離心過載曲線下降更快。方案設計時，可綜合考慮最大攔阻過載和預計旋轉圈數以確定阻尼力矩系數K 的取值范圍。

3.2 上/下懸臂長對攔阻過程的影響

為討論方便，在前述2.2 節參數選擇基礎上，分別取基準懸臂長L=3m、2L、3L 不同的臂長參數，計算無人機回收過程參數，其參數對比曲線詳見圖12～圖13。

圖12 回收過載對比曲線

圖13 回收過載對比曲線

由上述計算分析可知，臂長參數對攔阻過載、攔停時共旋轉圈數有顯著的影響，隨著臂長參數的增大，最大攔阻過載迅速減小，實現無人機攔停的時間亦大大增加，回收過程中無人機相應減速更慢。另外，當臂長增大1 倍，相應的最大離心過載減少1 倍，但其下降變化更加緩慢。方案設計時，在考慮無人機最大離心過載限制、在回收空間和上/下臂結構設計允許的情況下，可適當增大臂長參數，同時相應提高渦輪阻尼器阻尼力矩系數，以實現控制最大離心過載的同時較快速地完成無人機回收。

4 結語

本文基于目前國內外已應用的無人機無損回收技術為基礎，結合某小型無人機方案特點和典型回收技術要求，提出了立式旋轉回收技術方案，并初步建立回收技術方案動力學模型，完成了無人機攔阻回收過程的計算分析。針對該回收方案關鍵設計參數進行了定量的對比分析，給出了相關參數的選擇思路。 分析結果表明， 該回收系統設計方案基本滿足無人機回收設計指標要求。

目前，本文工作僅完成了立式旋轉回收技術方案的初探，所建立的分析計算模型還有待進一步綜合考慮回收系統結構、無人機氣動力、重力、攔阻繩彈性、渦輪阻尼器特性等因素后進行聯合仿真分析，以得出與試驗接近的回收過程參數，以指導和開展詳細方案設計及具體的試驗驗證工作。