專利分析“黑杰克”無人機回收系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)發(fā)展

本文通過對英西圖公司等承包商的專利進行分析，明確了“黑杰克”無人機正在使用或研制的五種回收方案。通過繪制技術(shù)發(fā)展路線圖明確各方案的技術(shù)路徑、發(fā)展進程，預(yù)測“天鉤”“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”、垂直起降改型等三種方案將是“黑杰克”無人機回收系統(tǒng)的重點發(fā)展方向，相關(guān)技術(shù)發(fā)展值得重點關(guān)注。

RQ-21A“黑杰克”（Blackjack）無人機是由美國波音公司的子公司英西圖公司研制的艦載固定翼無人機，具有起降方式靈活、部署展開面積小、使用費效比高等優(yōu)勢。得益于“黑杰克”研發(fā)團隊的持續(xù)努力，在2020年“黑杰克”無人機的任務(wù)能力達 78.6% ，全面任務(wù)能力達 67.3% ，獲得當(dāng)年美海軍“最佳備戰(zhàn)平臺團隊獎”。在2021年，該無人機的任務(wù)能力和全面任務(wù)能力均達到100% ，美海軍官員評價“這是在任何裝備序列中都很少見到的壯舉”。

“黑杰克”無人機的任務(wù)定位主要是作為小型戰(zhàn)術(shù)無人機系統(tǒng)（STUAS），實現(xiàn)快速、無場地要求的發(fā)射與回收，可以滿足美國海軍陸戰(zhàn)隊遠征軍、海軍L級兩棲作戰(zhàn)艦艇及海軍特戰(zhàn)隊的作戰(zhàn)需求。然而，近年來美海軍發(fā)現(xiàn)“黑杰克”的回收系統(tǒng)存在一定缺陷，可能對無人機造成較大損害，正探索多種可替代的技術(shù)解決方案，“黑杰克”無人機的承包商通過專利文獻披露多項無人機回收系統(tǒng)設(shè)計方案。開展相關(guān)研究分析，對國內(nèi)無起落架式固定翼無人機的設(shè)計、研發(fā)、使用與維護而言具有重要價值。

基于上述背景，本文綜述了“黑杰克”無人機回收系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展情況及相關(guān)專利技術(shù)，明確了“黑杰克”回收系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展路線，對后續(xù)發(fā)展進行預(yù)測。

“黑杰克”無人機回收方案發(fā)展現(xiàn)狀研究

“天鉤”（Skyhook）回收系統(tǒng)

目前“黑杰克”主要使用的回收系統(tǒng)是由英西圖公司研制的“天鉤”回收系統(tǒng)，美海軍也稱該系統(tǒng)為“小型戰(zhàn)術(shù)無人機回收系統(tǒng)”（SRS），該系統(tǒng)原用于“掃描鷹”無人機，由于“黑杰克”與“掃描鷹”設(shè)計相近而被“黑杰克”

沿用，如圖1（a）。英西圖公司于2006年申請的US7578467B2專利對該系統(tǒng)進行了披露，系統(tǒng)主體為兩段式伸縮液壓桿，桿頂設(shè)置滑輪并連接回收繩，無人機機翼上設(shè)置掛鉤，回收時無人機撞繩減速，繞繩旋轉(zhuǎn)降落實現(xiàn)回收，如下圖1（b）。

“天鉤”回收系統(tǒng)設(shè)計簡單、易于實現(xiàn)，使得“黑杰克”無人機能夠在無跑道的路面及艦船甲板上完成回收作業(yè)。但美海軍小型戰(zhàn)術(shù)無人機系統(tǒng)項目辦公室通過對“黑杰克”無人機的維護情況進行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，使用該系統(tǒng)回收“黑杰克”時，可能對無人機的機身結(jié)構(gòu)、控制面、天線、導(dǎo)航系統(tǒng)、任務(wù)載荷等造成損害，導(dǎo)致“黑杰克”的使用與維護成本大幅增加。

\"網(wǎng)捕獲”（NetCapture）回收系統(tǒng)

“網(wǎng)捕獲”方案屬于無人機撞網(wǎng)回收技術(shù)，該類技術(shù)的典型應(yīng)用是美海軍“依阿華”戰(zhàn)列艦回收“先鋒”無人機，如圖2（a）。英西圖公司于2018年申請US10775809B2專利對“網(wǎng)捕獲”方案進行描述，在借鑒“先鋒”無人機回收經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將“天鉤”回收系統(tǒng)的回收繩改為回收網(wǎng)，無人機的機翼掛鉤勾在網(wǎng)上實現(xiàn)回收，如圖2（b）。

“側(cè)臂”（SideArm）回收系統(tǒng)

“側(cè)臂”回收系統(tǒng)是由美國國防高級計劃研究局（DARPA）與極光飛行科學(xué)公司（該公司現(xiàn)在為波音旗下子公司）研制的通用無人機回收系統(tǒng)。2017年，DARPA宣布成功開展“側(cè)臂”系統(tǒng)原型機對全速飛行的“暴怒”（Fury）無人機捕獲試驗，如圖3（a）。極光飛行科學(xué)公司于2011年申請US9010683B2專利對該回收系統(tǒng)技術(shù)方案進行披露。該方案原理與“天鉤”回收系統(tǒng)相近，在艦船甲板上搭載回收臂截停無人機。不同的是，該方案需要對無人機進行改裝，在無人機頂部安裝吊鉤，回收時無人機吊鉤被回收臂捕獲，無人機前后擺動實現(xiàn)減速。該系統(tǒng)應(yīng)用于“黑杰克”無人機時，可避免“黑杰克”繞繩旋轉(zhuǎn)與觸地等過程對系統(tǒng)造成的損害。

（a）DARPA開展“側(cè)臂”系統(tǒng)回收無人機試驗圖3“側(cè)臂”系統(tǒng)回收方案。

（a）英西圖公司披露“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”系統(tǒng)產(chǎn)品圖圖4“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”回收。

“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”是由英西圖公司與其合作伙伴胡德科技公司研制的回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用一架旋翼無人機搭載固定翼無人機垂直升空，利用重力勢能為固定翼無人機提供初始加速度，回收時固定翼無人機被旋翼無人機捕獲，旋翼無人機垂直降落輔助固定翼無人機著陸。英西圖公司于2015年申請US10133272B2專利，提出該方案整體構(gòu)思，后續(xù)與胡德科技公司合作陸續(xù)提出US10752357B2、

“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”

US11338911B2、US10569868B2專利，分別使用鉤爪、磁吸、肩裝夾具完成旋翼無人機與固定翼無人機對接的具體方法。2023年，英西圖公司正式披露 …E 行中發(fā)射回收系統(tǒng)”系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用的八旋翼無人機構(gòu)造與2016年申請的US10569868B2專利所披露的技術(shù)方案一致，如圖4。

垂直起降（VTOL）改型設(shè)計方案

美海軍計劃參照JUMP20無人機的設(shè)計對“黑杰克”進行垂直起降改型設(shè)計，使“黑杰克”具備直接在艦船甲板上垂直起降的能力，JUMP20無人機外形如下圖5（a）所示。基于該構(gòu)型的垂直起降方案在英西圖公司于2017年申請的US11447246B2專利中進行了詳細披露，該方案在“黑杰克”機翼上加裝四個升力螺旋槳作為垂直起降功能模塊，在垂直起降階段由螺旋槳提供向上升力，在平飛階段利用固定翼向前飛行，同時將無人機尾翼垂直部分由向上延伸改為向下延伸，并在機頭安裝一個支撐結(jié)構(gòu)，組合用于無人機的觸地支撐。

（b）專利顯示“黑杰克”垂直起降改型設(shè)計思路

“黑杰克”無人機回收方案技 術(shù)路線及發(fā)展趨勢分析

基于上述對“天鉤”“網(wǎng)捕獲”“側(cè)臂”“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”、垂直起降改型等五種方案的基本介紹，可以發(fā)現(xiàn)“黑杰克”無人機的回收系統(tǒng)方案設(shè)計呈多樣化發(fā)展的態(tài)勢。本文進一步對英西圖公司及其合作伙伴申請的無人機回收系統(tǒng)專利進行分析，繪制技術(shù)路線圖如下圖6所示，其中圖中綠色專利代表該專利目前仍受到專利權(quán)保護，黃色專利代表該專利尚未授權(quán)，紅色專利代表該專利已被放棄。

從該發(fā)展路線圖可以看出，在上述五種回收方案中，“天鉤”回收系統(tǒng)作為目前仍在使用的“黑杰克”無人機核心回收系統(tǒng)，因為原始設(shè)計存在可能對無人機及其載荷造成損害的問題，英西圖公司自2017年開始不斷對回收系統(tǒng)的各部分組成進行優(yōu)化，朝著穩(wěn)定、安全、高效的方向進行系統(tǒng)改進設(shè)計。

“網(wǎng)捕獲”方案在2018年由英西圖公司提出方案設(shè)計的構(gòu)思，該技術(shù)路線未解決“網(wǎng)捕獲”方案存在的與“天鉤”回收系統(tǒng)類似的、可能對無人機造成損害的問題，因此不作為英西圖公司的重點技術(shù)發(fā)展方向。

“側(cè)臂”回收系統(tǒng)由極光飛行科學(xué)公司承擔(dān)研制工作，該公司于2011申請的該系統(tǒng)相關(guān)專利未到保護期，因該公司未繳納專利年費而失效，表明該公司放棄了對該系統(tǒng)的專利權(quán)保護，結(jié)合2017年DARPA披露該系統(tǒng)進行一次試驗后再無后續(xù)報道的情況，推測可能由于系統(tǒng)存在缺陷或試驗結(jié)果不理想等原因，美方已經(jīng)事實上放棄“側(cè)臂”回收系統(tǒng)的繼續(xù)研究開發(fā)工作。

“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”由英西圖公司與其合作伙伴胡德科技公司共同研制，在2015一2018年集中形成了一批使用旋翼無人機回收固定翼無人機的專利技術(shù)，并于2023年與胡德科技公司聯(lián)合在美國海軍聯(lián)盟海空天全球海事博覽會上正式推出該系統(tǒng)，表明經(jīng)過數(shù)年的研制，該方案已日趨成熟，后續(xù)可能很快入列美軍裝備。

垂直起降改型方案的提出時間最晚，于2020年左右提出基礎(chǔ)思路設(shè)計，2021年形成針對“黑杰克”構(gòu)型的垂直起降方案，因此目前技術(shù)成熟度較低。但由于該方案能夠有效解決“黑杰克”無人機在回收時受損、現(xiàn)有回收系統(tǒng)占用艦船甲板空間等問題，同時在經(jīng)濟性和可操作性上具有明顯優(yōu)勢，英西圖公司圍繞垂直起降改型提出了多種設(shè)計構(gòu)思如圖7（a）至7（c），因此該方向可能是英西圖公司未來數(shù)年內(nèi)重點攻關(guān)方向。

結(jié)論

美國海軍在完善“黑杰克”無人機安全回收方案的道路上不斷探索，為小型戰(zhàn)術(shù)無人機的研制與運用提供豐富的技術(shù)積累。目前，美國海軍與英西圖公司等承包商已探索“天鉤”“網(wǎng)捕獲”“側(cè)臂”“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”、垂直起降改型等多種回收方案并申請專利文獻。分析發(fā)現(xiàn)，“天鉤”回收系統(tǒng)在近年來不斷優(yōu)化改進以期解決原有設(shè)計缺陷，“飛行中發(fā)射回收系統(tǒng)”經(jīng)過多年攻關(guān)現(xiàn)已形成成熟產(chǎn)品方案，垂直起降改型設(shè)計目前正成為英西圖公司的重點關(guān)注方向，上述技術(shù)對發(fā)展小型固定翼無人機回收裝置能夠提供有效借鑒，相關(guān)技術(shù)發(fā)展值得關(guān)注。