10-无人直升机技术及应用-罗鹏(5)

第二十五届（2009）全国直升机年会论文无人直升机技术及应用罗鹏（中国人民解放军第5701工厂四川成都 610043）摘要：本文主要讲述了无人直升机的产生，发展，技术应用，以及目前的发展趋势。

着重介绍了目前无人直升机的技术应用。

为目前我国的无人直升机发展提供部分意见。

关键词：无人直升机；技术应用；发展趋势1 绪论早在八十多年前，无人机（UVA Unmanned Aerial Vehicle）就已经问世。

经过几十年的发展，一直到近几次局部战争，无人机才崭露头角。

逐步成为除有人驾驶战机和导弹之外，在现代战争中起着举足轻重的作用的另一类作战武器。

以美国为例。

作为未来信息化战争中夺取和保持信息优势的一种重要手段,无人机系统已经成为美军武器发展的重点之一。

从美国海军无人机系统的发展计划,我们可以看出其发展主要有以下几个趋势。

（1）以任务为中心。

由于受到有人机的影响,无人机的发展一直是以平台为中心进行设计的。

但随着美军“网络中心战”的推动,美国海军无人机系统开始由“以平台为中心”向“以任务为中心”转变。

2004年美军的UCAV和UCAV-N合并为J-UACS计划,就标志着这种转变的开始。

未来发展的重点将是执行情报监视和侦察、压制敌防空、摧毁敌防空、电子进攻、反潜战、从基地向目标机动以及由它们所派生出来的任务。

（2）进一步增强智能化水平。

在美军发动的一系列局部战争中,尽管无人机在作战中优势明显，作用突出,但是也存在一些弱点,如无法对目标进行敌我识别,自身不具备隔离/排除突发故障的能力,与操作人员交流困难等。

因此,必须使无人机具有空中识别能力和自动避碰能力,保证其他有人飞行器的人身安全。

另外,美国海军研究处还正在实施智能化指挥控制项目,它将无人机和无人地面车辆联网,使之像一个小组那样工作,用它们来中继信息,代替士兵获取和传送数据。

（3）拓展功能。

美军各军种都对J-UCAS项目提出了具体要求,其海军型号要求无人机具有良好的舰上起降能力、较高生存能力、持续的监视与侦察能力,能压制敌防空系统、实施精确打击,能与有人机以及舰船上的空中交通管制系统(C4ISR系统)实现无缝联接,从而提高无人机系统的作战效能。

（4）提高综合作战能力。

1）技术整合。

将为无人机制定统一的技术标准,如各种接口标准,保证无人机之间的相互统一；2）战术整合。

目前,美海军正积极开发使用无人机系统的各种战术,并制定统一的作战原则、作战方法、作战规定等,以实现无人机和有人机的联合作战。

海军已考虑将“火力侦察兵”无人机与“阿帕奇”以及新型武装侦察机联合组队执行任务；3）人员整合。

美国海军和海军陆战队为了在使用无人机时进一步掌握战场态势及增进对战场状况的了解,将完全使用专业情报搜集人员来控制无人飞行器,从而提高无人机系统的综合作战能力。

而无人直升机，是在常规无人机基础上发展起来的新机种。

与常规气动布局的无人机相比，无人直升机的优势很突出：（1）能够垂直起降、空中悬停、原地转弯，并能前飞、后飞和侧飞灵活性得以提高；（2）长时间悬停、贴近地面飞行，或利用地形地物隐蔽飞行；（3）在野外场地垂直起飞和降落，不需要专门的机场和跑道；（4）若发动机发生故障空中停车，无人直升机可以利用旋翼自转下滑安全着陆。

无人直升机还具有低速飞行特性和灵活性的特点，具有得天独厚的优势，它可以广泛用于炮兵射击训练、陆军的情报侦察与战场监视以及海军的中短程海上监视（包括监视水面和水下目标）等。

因此无人直升机逐渐受到了各国的重视和发展。

2 无人直升机的技术应用目前世界各国发展无人直升机主要分为以下4种：（1）共轴反转式无人直升机。

这种无人直升机的典型产品是加拿大的CL-327。

CL-327是在CL-227的基础上发展起来的。

目前CL-327的飞行高度已超过5500m，巡航速度达到180km/h，续航时间为6h，有效载荷达到了100kg，数据传输系统采用定向天线，传输距离达到了180km。

侦察传感器采用前视红外传感器，还装了一部敌我识别器。

1998年进行试飞，用户可能是美国海军、海军陆战队，甚至美国陆军等。

（2）圆环型无人直升机。

目前，美海军陆战队正在发展一种圆环型无人直升机，称为“密码”（Cypher）无人机。

该无人机的圆环本身在直升机的机身，装载发动机、机载电子设备、燃油、有效载荷等。

圆环中央有两幅共轴反转旋翼（共4片）。

有效载荷为22.7kg，巡航速度为121km/h，控制半径为60km，续航时间为2.5h。

美海军希望这种无人直升机除了装载热成像仪、激光测距仪以外，还可装载超宽带雷达。

（3）侧转旋翼式无人直升机。

这种无人直升机既具备直升机垂直起降的特性，又具有固定翼飞机的快速水平飞行的性能。

起降时，主翼两端的旋翼传动舱向上旋转，并以直升机的方式进行工作。

水平飞行时则可改成相同于固定翼的方式飞行。

美国贝尔直升机公司1991年12月开始研制的“鹰眼”（Eagle Eye）无人机就是一种倾转旋翼式无人直升机，它是在美国V-22有人驾驶的倾转旋翼飞机的基础上发展起来的，1998年3月6日试飞。

这种无人直升机最大的飞行速度为370km/h，盘旋速度为111km/h，实用升限为6100m，作战半径为185～370km，有效载荷为136kg，续航时间为3h。

（4）长航时无人直升机。

为了克服常规的无人直升机始终存在的飞行速度不快、悬停时间短的缺点，美国国防预研局与美国弗隆蒂尔（Frontier）系统公司1998年初开始研制、2000年10月首次试飞了一种新型无人侦察直升机，称“A160蜂鸟”（Hummingbird）。

这种无人直升机比常规的无人直升机飞得更远、更快，飞行距离为5560km，续航时间长达48h，有效载荷为136kg，可携带光电/红外和合成孔径雷达，悬停高度（无地效时）为4570m，巡航高度为10000m，最高可达13600m，速度最高设计为260km/h。

同样，在常规型无人机发展的同时，微型无人直升机也在随着技术的进步而不断发展，并取得了相当的成果。

而微型无人直升机相比于常规无人直升机有着他不可替代的优势。

高度的智能化系统和芯片技术让微型无人直升机可以做到只有手掌大小（图二），同时重量不到800g。

而更加小巧的无人直升机也在研究当中。

体积的减小，和重量的减轻意味着无人直升机可以更方便的携带，使其在战场上得到更广泛的普及应用成为可能。

图一无人直升机作战示意图图二微型无人直升机微型无人直升机尺寸小、重量轻、花费少、操作方便，能在有风的环境中飞行，并能保持足够的稳定性，实时传送图像，所以在军事及其它许多领域可以得到广泛应用。

首先是它的群体作战性。

这种飞行器很小，可以群体出动，飞向目标进行监测。

而且它声音很小，隐蔽性好，可以靠近目标周围活动，特别适用于侦察和攻击隐蔽地区的目标，如树林、城区等地。

即使敌人发现并且摧毁了一些，却不能确定全部摧毁，它的这种隐蔽存在性会大大干扰敌方的战术实施。

其次是它的工作便易性。

士兵可以随身携带，随时发射，就地侦察，它能进入建筑物内部实施侦察，粘附在结构设备上充当潜听哨和视频监视哨，用于侦察机和侦察卫星侦察不到的死角。

如敌人的军事指挥系统和实验室，并且可以长时间处于节能状态，潜伏在同一区域，直到侦察环境有所改变才又重新激活。

它们经常在超低空飞行，降低了被敌雷达发现的概率，增加了存活率，是未来特种部队和谍报人员的理想侦察设备。

再者是它的工作安全性。

一方面它可以进入任何危险区域，如侦察受核污染的地区，飞人火灾现场寻找受难人员，监视濒临灭绝的物种数量等。

另一方面当它被击落时损失不大，因为最重要的它的软件和它所传送回来的信息，一旦被击落，机载软件也就自动毁坏了，失去了它的价值。

在不久的将来，它除了用于侦察、检测外，还会用于生化战争、电子战中，如装载微型军械成为杀伤性武器，以及干扰雷达、通讯设施等。

90年代后期，功能强大的微处理器出现，使导航和传感信息处理设备的能力大大增强，其中最重要的是1995年麻省林肯实验室利用计算机芯片技术研制成功了微型电视摄像机，之后很快着手发展微型飞行器，虽然由于动力等因素没有成功，但为以后微型飞行器的发展奠定了基础。

垂直起落微型飞行器并不是传统的直升机的小型化，尺寸的缩小带来了许多新的技术挑战。

这种综合技术可以称为飞行使能技术(FET)，技术主要涉及以下几方面。

1 微机电系统(MEMS)技术。

由于微型飞行器总重不到100g，传统的机械或电机电器根本无法应用，需要微型机械技术才能实现，即需要把许多系统整合为一体。

微型机械是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，它是集微型机构、微型传感器、驱动器、执行器、信号处理和控制电路及电源等于一体的微型机电系统(MEMS)。

在微型飞行器上把不同功能、不同敏感方向、致动方向的多个微传感器和执行器集成于一体，形成复杂的微系统，它可以用于加速度、高度、压力等参数的实时测量和处理，并通过电信号的改变操纵控制面，再加上导航系统，来控制微型飞行器的飞行。

2 特殊空气动力学。

微型飞行器在飞行包线内都处于低雷诺数(10000左右)下，很容易发生气流分离，其空气动力特性很难模拟，如气流分离引起的滞后角，只能通过大废阻和低的最大升力系数来考虑。

此外，尺寸这么小、飞行速度这么低的微型飞行器，传统的翼型很难产生足够的升力。

采用活动机翼可能要远远优于固定机翼，而且机动性大大提高，所以前面提到的微型蝙蝠等扑翼机可能更适合于用于垂直起落。

3 能源动力技术。

如果起飞重量限制在100g，由于微型飞行器的导航系统、电视摄像机、传感器等有效载荷目前约在30g左右，那么机体和动力装置就只能有70g，目前满足这种要求的微动力源主要有以下几种：微型内燃机，它技术成熟，价格便宜，实现批量生产的有Estes公司制造的Cox010，它只有0.2cm，可以产生40W的能量，但内燃机最大的缺点是消耗燃料，因所载燃料有限，目前最多飞行20min，而且对温、湿度敏感，噪声和振动比较大、操作复杂。

电动机，它噪声及振动小，可靠性高，电瓶易更换，可就地充电，但它的功／重比很低，限制了续航时间，即使最先进的锂电池，带载荷也只能飞15min。

还有一种正在发展中的化学固体燃料电池(SOFC)，它是将固体燃料装在4cm 大小、1cm厚的陶瓷电解池中，再用不锈钢容器包起来，通入氧气之后就发生反应，产生热量，排出气体，产生电能。

氢气涡喷发动机，麻省理工研究人员将喷气发动机缩小到纽扣大小，这种碳化硅材料的发动机，直径为1cm，厚0.3cm，可产行20w的能量，它有高的能源密度，使飞行器飞行速度很高，无振动。

同时，M-Dot公司也在研制这种发动机，它的拉力风扇式发动机适用于垂直起落微型飞行器。

此外，还可以开发新的轻型高效燃料，使用射流多轴矢量推力技术，即通过控制发动机喷口处的喷气方向进行飞行姿态和方向的控制。