國(guó)外無(wú)人直升機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展曹喜金

1、第二十四屆（2008）全國(guó)直升機(jī)年會(huì)論文國(guó)外無(wú)人直升機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展曹喜金萬(wàn)俊保（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所）摘要：本文概述了國(guó)外無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展歷程及其不同發(fā)展階段的主要特征，分析了無(wú)人直升機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的定義與范圍，從6個(gè)方面對(duì)國(guó)外無(wú)人直升機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究思路、方法和獲得的成果以及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的綜合分析和研究，包括總體設(shè)計(jì)、固有特性、飛行控制、航空電子、動(dòng)力裝置以及機(jī)載武器，最后，提出了可供國(guó)內(nèi)有關(guān)人員參考借鑒的一些結(jié)論。1 1 概述概括的說，國(guó)外無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了 3 3 個(gè)不同階段，各個(gè)階段具有不同的技術(shù)特征:表1國(guó)外無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展歷程與特征時(shí)期無(wú)人直升機(jī)主要特征第一個(gè)發(fā)展階

2、段2020 世紀(jì) 5050 年代以前系留旋翼平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，任務(wù)載荷功能單一，沒有復(fù)雜的飛行控制系統(tǒng)，懸停高度 100100 米以下，平臺(tái)簡(jiǎn)單的平移運(yùn)動(dòng)第二個(gè)發(fā)展階段2020 世紀(jì) 5050 年代到7070 年代，其中,7 70 0年代處于停滯狀態(tài)視距內(nèi)/超視距遙控飛行，傳統(tǒng)構(gòu)型或共軸構(gòu)型，金屬或合金材料，最大起飛重量 10001000 千克以下，速度 150150 千米/小時(shí)以內(nèi)，續(xù)航時(shí)間 3 3 小時(shí)以內(nèi)第三個(gè)發(fā)展階段2020 世紀(jì) 8080 年代以后飛行控制技術(shù)有了較大突破，有限自主飛行，預(yù)編成控制飛行，向全自主飛行方向發(fā)展，速度 200200 千米/ /小時(shí)，續(xù)航時(shí)間超過 3 3 小時(shí)

3、，任務(wù)半徑超過 20200 0千米，長(zhǎng)航時(shí)、遠(yuǎn)航程無(wú)人直升機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：1 1）總體設(shè)計(jì)技術(shù)；2 2）固有特性研究；3 3）飛行控制技術(shù)；4 4）航空電子技術(shù)；5 5）動(dòng)力裝置，即發(fā)動(dòng)機(jī)選擇與控制技術(shù)；6 6）戰(zhàn)斗無(wú)人直升機(jī)的機(jī)載武器，包括這些武器的特點(diǎn)、性能要求以及使用等。2 2 無(wú)人直升機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)無(wú)人直升機(jī)的構(gòu)型選擇與其任務(wù)包線密切相關(guān)， 而無(wú)人直升機(jī)的任務(wù)按速度和有效載荷可以分為 3 3 類：第 1 1 類任務(wù)一高速、大有效載荷任務(wù)；第 2 2 類任務(wù)一低速/懸停、大有效載荷任務(wù)；第 3 3類一高速、小有效載荷任務(wù)1 1。對(duì)第一類任務(wù)而言，選擇傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型是最有競(jìng)爭(zhēng)力

4、的。對(duì)第二類任務(wù)來說，選擇常規(guī)直升機(jī)構(gòu)型是最合適的。在第三類任務(wù)中，組合構(gòu)型就成為最好的選擇。從速度、重量、緊湊性和成本方面來考慮，升力與推力組合構(gòu)型是最好的選擇。以雙旋翼共軸構(gòu)型和常規(guī)構(gòu)型無(wú)人直升機(jī)執(zhí)行相同的 1111 個(gè)階段的山區(qū)偵察任務(wù)為例，通過分析計(jì)算可以得出：在所有的任務(wù)階段，雙旋翼共軸無(wú)人直升機(jī)的需用功率都要比常規(guī)無(wú)人直升機(jī)的大，最大相差約 2020 千瓦2 2。這 2 2 種無(wú)人直升機(jī)最初攜帶的燃油均為 52.552.5 千克。在整個(gè)任務(wù)過程中，雙旋翼共軸無(wú)人直升機(jī)的總?cè)加拖牧繛?35.3735.37 千克，為初始燃油量的 67%67%常規(guī)直升機(jī)的總?cè)加拖牧繛?39.2739

5、.27 千克，為初始燃油量的 75%75%兩者相比，相差不大。3 3 無(wú)人直升機(jī)固有特性分析目前，國(guó)外在對(duì)無(wú)人直升機(jī)氣動(dòng)特性進(jìn)行分析研究時(shí)，通常的做法是：首先，以有人直升機(jī)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立無(wú)人直升機(jī)的理論數(shù)學(xué)模型，并考慮無(wú)人直升機(jī)特有的特征，然后，利用各種傳統(tǒng)的有人直升機(jī)氣動(dòng)特性計(jì)算方法，計(jì)算無(wú)人直升機(jī)的氣動(dòng)特性，再通過模擬，或利用比較成熟的無(wú)人直升機(jī)（應(yīng)用較多的是日本雅馬哈 R-50R-50）或有人直升機(jī)進(jìn)行飛行驗(yàn)證，最后，利用獲得的精確的模型進(jìn)行未知參數(shù)如慣量和氣動(dòng)常數(shù)的識(shí)別，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行無(wú)人直升機(jī)的設(shè)計(jì)，開發(fā)飛行控制律3 3。通常，人們?cè)诮o(wú)人直升機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)，采用 2 2

6、種坐標(biāo)系：慣性坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系。通過齊次變換矩陣在這 2 2 種坐標(biāo)系之間進(jìn)行變換，就可以獲得剛體運(yùn)動(dòng)的歐拉方程。同時(shí)， 在建立無(wú)人直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)， 還假設(shè)無(wú)人直升機(jī)是在旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的力和力矩的作用下具有 6 6 個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的剛體。這 6 6 個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度分別是：縱向、橫向和垂向運(yùn)動(dòng)自由度以及俯仰、橫滾和偏航運(yùn)動(dòng)自由度。直升機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的一個(gè)關(guān)鍵方面是旋翼 （產(chǎn)生大部分操縱力和力矩） 與機(jī)身之間的動(dòng)態(tài)耦合。事實(shí)已經(jīng)證明：如果忽略這種耦合影響，那么，在中等到高頻范圍，就會(huì)影響模型的精度。因此，需要精確模擬旋翼的動(dòng)力學(xué)特性，然后綜合到機(jī)身的運(yùn)動(dòng)方程中。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)做法是用公式表示混合模

7、型。這種做法最初是為有人直升機(jī)建立的，但它同樣適用于無(wú)人直升機(jī)。其它系統(tǒng)如作動(dòng)器、發(fā)動(dòng)機(jī)/傳統(tǒng)系統(tǒng)以及操縱增穩(wěn)（包括主動(dòng)偏航阻尼系統(tǒng)或希勒伺服小翼）的動(dòng)力學(xué)特性也要考慮在內(nèi)。系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別的主要目的是找出數(shù)學(xué)建模所采用的物理參數(shù)。采用較多的識(shí)別方法是頻甲I縱列旋翼直升機(jī)（千瓦）（千瓦）率響應(yīng)綜合識(shí)別技術(shù)。4 4 無(wú)人直升機(jī)飛行控制技術(shù)傳統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)策略是利用增益調(diào)參對(duì)無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。目前，無(wú)人直升機(jī)上采用的自適應(yīng)控制技術(shù)主要包括自適應(yīng)高帶寬控制、自適應(yīng)狀態(tài)反饋控制、偽控制 HedgingHedging 自適應(yīng)控制以及輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制等。2020 世紀(jì) 9090 年代

8、，人們開始為無(wú)人直升機(jī)開發(fā)智能控制技術(shù)。雖然說現(xiàn)代無(wú)人直升機(jī)還沒有完全采用智能控制，大部分在役的無(wú)人直升機(jī)也只是在傳統(tǒng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷對(duì)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，但可以預(yù)料這類先進(jìn)控制技術(shù)將越來越多的應(yīng)用于現(xiàn)代無(wú)人直升機(jī)上?？梢哉f，智能控制技術(shù)是無(wú)人直升機(jī)飛行控制技術(shù)發(fā)展的重要方向。無(wú)人直升機(jī)的智能控制技術(shù)主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NNNN）PIDPID 控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制47。5 5 無(wú)人直升機(jī)的航空電子與機(jī)載設(shè)備從技術(shù)角度來看，早期的無(wú)人直升機(jī)由于大多為遙控飛行，即視距內(nèi)或超視距遙控飛行，其航空電子和機(jī)載設(shè)備與飛行控制等其它系統(tǒng)基本上是彼此相互獨(dú)立的，相互之間沒有數(shù)據(jù)鏈路連接，并且功能單一

9、，各種信息和數(shù)據(jù)，通過無(wú)線電鏈路下傳到地面控制站，由地面操作員進(jìn)行遙控操作，以此控制無(wú)人直升機(jī)的姿態(tài)、位置及速度等。在現(xiàn)代具有一定自主飛行能力的無(wú)人直升機(jī)上，航空電子、機(jī)載設(shè)備以及各類傳感器通常是緊密融合在一起的。它們探測(cè)到的信息和數(shù)據(jù)直接饋送給飛行控制計(jì)算機(jī)，再通過飛行控制回路實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)的姿態(tài)、高度及速度控制，形成一種人不在回路的控制。同時(shí)，現(xiàn)代無(wú)人直升機(jī)的航空電子與機(jī)載設(shè)備正在向模塊化、集成化和開放式結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展網(wǎng)。無(wú)人直升機(jī)開放式結(jié)構(gòu)航空電子設(shè)計(jì)主要涉及以下幾個(gè)方面：1 1）軟件、接口以及硬件標(biāo)準(zhǔn)的選擇，要確保接口的可移植性、可擴(kuò)縮性、互操作性以及公用性；2 2）各種不同功能的集成

10、，盡可能減少模塊數(shù)量和功率消耗；3 3）盡可能選用商用貨架產(chǎn)品，降低成本。指揮控制站可以說是無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)的中樞，因?yàn)樗袚?dān)著處理來自無(wú)人直升機(jī)的信息數(shù)據(jù)、并向無(wú)人直升機(jī)發(fā)送控制指令的任務(wù)。一般來說，指揮控制站至少有 3 3 個(gè)功能：任務(wù)計(jì)劃、任務(wù)控制以及數(shù)據(jù)處理。6 6 無(wú)人直升機(jī)動(dòng)力裝置現(xiàn)有無(wú)人直升機(jī)采用的動(dòng)力裝置可分為 2 2 大類，一類是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，包括往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)子式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，另一類就是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。通過對(duì)國(guó)外近 3030 種典型無(wú)人直升機(jī)的統(tǒng)計(jì)，其中，最大起飛重量不超過10001000 千克的約占 80%,80%,采用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的約占 70%70%o o 由此可見，活塞發(fā)動(dòng)

11、機(jī)是無(wú)人直升機(jī)最主要的動(dòng)力裝置。技術(shù)水圖3無(wú)人直升機(jī)飛行控制技術(shù)的發(fā)展通過對(duì)國(guó)外無(wú)人直升機(jī)采用的動(dòng)力裝置的統(tǒng)計(jì)分析，可以看出，國(guó)外在為無(wú)人直升機(jī)選擇動(dòng)力裝置時(shí)，基本都遵循以下幾個(gè)原則:1 1）發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟度2 2）發(fā)動(dòng)機(jī)與無(wú)人直升機(jī)的匹配性3 3）發(fā)動(dòng)機(jī)性能與用戶經(jīng)濟(jì)可承受性在無(wú)人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)中，需要綜合設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制。無(wú)人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制的設(shè)計(jì)方法與飛行控制系統(tǒng)的基本相似。對(duì)中型及以上的無(wú)人直升機(jī)而言，由于其發(fā)動(dòng)機(jī)要求相對(duì)大一些（一般功率在 100100 千瓦以上），因此，繼續(xù)利用成熟的、有人直升機(jī)的動(dòng)力裝置，通過一定改進(jìn)后為其所用，仍將是今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)這類無(wú)人直升機(jī)選擇動(dòng)力裝置的

12、主要途徑。對(duì)小型及以下的無(wú)人直升機(jī)來說，由于其發(fā)動(dòng)機(jī)要求比較?。ㄒ话愎β试?100100 千瓦以下），因此，除了選用現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置外，國(guó)外還進(jìn)行了其它一些探索。特別是微型無(wú)人直升機(jī)，采用電流動(dòng)力系統(tǒng)正成為一種研究方向。有 2 2 種電流動(dòng)力系統(tǒng)可供選擇，它們是蓄電池和燃料電池。在蓄電池方面，最有可能實(shí)現(xiàn)高能比的就是鋰蓄電池。由于重油具有燃點(diǎn)低、易燃燒以及燃燒效率高的特點(diǎn)，因此，非常適合無(wú)人直升機(jī)所采用的中、小型發(fā)動(dòng)機(jī)使用。特別是對(duì)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)來說，因其自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所限，油氣混合體難以充分燃燒，因而更加適合采用重油作為燃料。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，將重油作為無(wú)人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料已成為一種

13、發(fā)展趨勢(shì)9。7 7戰(zhàn)斗無(wú)人直升機(jī)及其武器系統(tǒng)迄今為止，世界上還沒有任何一種戰(zhàn)斗無(wú)人直升機(jī)進(jìn)入部隊(duì)服役并投入實(shí)戰(zhàn)使用。但是，由于它具有顯著的零傷亡、低成本優(yōu)勢(shì)，因此，必將成為軍用無(wú)人直升機(jī)未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。在戰(zhàn)斗無(wú)人直升機(jī)研制方面，可以說美國(guó)在全球獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，不僅最先開展研究，制訂了完整、詳細(xì)的研制計(jì)劃，雖然這項(xiàng)計(jì)劃后來被迫終止，但在該計(jì)劃的影響下，美國(guó)戰(zhàn)斗無(wú)人直升機(jī)的研制工作一直沒有停頓，并且目前已進(jìn)行了一些武器試驗(yàn)，其它國(guó)家則相差甚遠(yuǎn)。從美國(guó)開展研制及用于武器發(fā)射試驗(yàn)的無(wú)人直升機(jī)來看，其為戰(zhàn)斗無(wú)人直升機(jī)選擇的都是起飛重量大于 10001000 千克的平臺(tái)。對(duì)戰(zhàn)斗無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)的基本要求是

14、：要有足夠的有效載荷能力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須能夠承受所懸掛的武器以及武器發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷，飛行管理與武器火控系統(tǒng)要有較大的處理速度和存儲(chǔ)容量等。到目前為止，美國(guó)海軍和陸軍只是在 MQ-8BMQ-8B 火力偵察兵”、治安員”等極少數(shù)無(wú)人直升機(jī)上進(jìn)行過武器發(fā)射試驗(yàn)。戰(zhàn)斗無(wú)人直升機(jī)的武器系統(tǒng)基本上可選用成熟的、武裝直升機(jī)所使用的那些武器，其中包括機(jī)槍、航炮、火箭、導(dǎo)彈和炸彈等，不過，應(yīng)盡可能使這些武器小型化，以適應(yīng)戰(zhàn)斗無(wú)人直升機(jī)的要求。美國(guó)波音公司負(fù)責(zé)先進(jìn)陸軍和直升機(jī)系統(tǒng)”項(xiàng)目的高級(jí)職員卡拉蒙透露，該公司正在為小型無(wú)人飛機(jī)和直升機(jī)開發(fā)定向能武器，包括便攜式激光器和高能微波（HPMHPM）裝置。這類武器

15、要裝載到戰(zhàn)斗無(wú)人直升機(jī)上，就必須大幅度降低其重量。鋰離子電池這樣的新技術(shù)已經(jīng)解決了這類武器的動(dòng)力裝置問題，但冷卻裝置仍然使這類武器系統(tǒng)的重量過大。不過，波音公司研制的定向能武器的重量已降到只有 453453 千克?？磥?，戰(zhàn)斗無(wú)人直升機(jī)攜帶這類武器的設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)的確為時(shí)不遠(yuǎn)。8 8 結(jié)束語(yǔ)作為一種具有廣闊應(yīng)用前景的高技術(shù)空中平臺(tái)，無(wú)人直升機(jī)技術(shù)涉及多個(gè)專業(yè)與學(xué)科，而其中的關(guān)鍵技術(shù)又決定了其研制的成敗。通過對(duì)國(guó)外無(wú)人直升機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的綜合分析和研究，可以得出以下一些重要結(jié)論：D D精確的數(shù)學(xué)建模和自主飛行控制系統(tǒng)的開發(fā)是目前國(guó)外無(wú)人直升機(jī)發(fā)展的國(guó)外還在不斷進(jìn)行更深入的研究， 以期獲得更大的突破，從而

16、為實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)的完全自主飛行奠定技術(shù)基礎(chǔ)；2）傳統(tǒng)的有人直升機(jī)的分析理論、計(jì)算方法和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)適用于常規(guī)無(wú)人直升機(jī)的研究，如葉素理論、渦流理論、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)2 2 大核心關(guān)鍵技術(shù)，目前,等，不過，在具體應(yīng)用過程中必須考慮無(wú)人直升機(jī)固有的特性。3）有人直升機(jī)研制、試驗(yàn)的工具與方法，如風(fēng)洞試驗(yàn)、模擬試驗(yàn)等，也適用于無(wú)人直升機(jī)的研制，特別是模擬試驗(yàn)技術(shù)，在無(wú)人直升機(jī)研制過程中應(yīng)用更廣泛，并且在未來相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍將是研制無(wú)人直升機(jī)的一種重要的工具。4）一些成熟的、低成本的有人直升機(jī)部件可以選擇用于無(wú)人直升機(jī)，如動(dòng)力裝置、機(jī)載武器等，不過，需要對(duì)這些部件進(jìn)行小型化處理，以便更適合用于無(wú)人直升機(jī)。5）從

17、國(guó)外情況來分析，目前，專門為無(wú)人直升機(jī)研制的機(jī)載設(shè)備、系統(tǒng)及武器還非常少，可以說幾乎沒有，不過，可以預(yù)計(jì)，在不久的將來，這類研究工作將開始受到人們的高度關(guān)注，美國(guó)國(guó)家航空航天局陸軍研究實(shí)驗(yàn)室著手專門為無(wú)人直升機(jī)開發(fā)一種可以燃燒重油的擺盤”發(fā)動(dòng)機(jī)就是一個(gè)很好的例證。6）除了技術(shù)因素以外，無(wú)人直升機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的突破還是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、需要大投入的研究活動(dòng)。參考文獻(xiàn)1 Possiblerotorcraftconfigurationsforunmannedapplication,RPVSVol.12 P.-M.?Basset?J.?Deslous,Performancescomparisonsofdiffe

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