无人机发射技术
介绍了无人机的火箭助推发射、垂直起飞技术、气液压弹射、电磁弹射、潜射技术等发射方式的特点和应用领域,并进行了分析比较,为发射方案选择提供参考
摘 要 介绍了无人机的火箭助推发射、垂直起飞技术、气液压弹射、电磁弹射、潜射技术等发射方式的特点和应用领域,并进行了分析比较,为发射方案选择提供参考
引 言
无人机正在成为现代高科技战争中不可或缺的武器,越来越多地装备各国陆海空三军,执行攻击、侦察的作战任务及靶机的训练任务等,效果显著,应用领域也不断扩大。特别是“9·11”事件之后,美国在对阿富汗和伊拉克的作战行动中,广泛使用无人机,并创下了一些新的作战记录和方式,从而使无人机成了倍受关注的热点[1-3]。无人机在作战应用中,发射阶段往往被认为是最困难的阶段之一,各国对无人机的起飞发射作了大量研究和尝试[4]。无人机的发射方式众多,如手抛、机载投放、车载发射、弹射、火箭助推等。根据发射地点分类,可分为陆基(手抛、车载等)、空基(机载投放)、海基(舰载、潜射)发射;按发射动力可分为自力、弹射、投放、复合式发射。
1 自力发射
自力发射是指无人机起飞时依靠发动机的推力或旋翼升力实现升空,自力倾斜发射时常常采用助推火箭。垂直起飞多利用旋翼或喷气发动机的升力。部分无人机在发动机推动下采用跑道滑跑起飞,类似有人飞机,如美国的秃鹰、以色列赫尔墨斯无人机。
1. 1 火箭助推发射
以火箭作动力的发射平台被广泛用于无人机的发射,无人机在1台或多台(通常2台)助推火箭发动机推力作用下飞离发射装置,无人机起飞后,扔掉助推火箭,由机上主发动机完成飞行任务,例如加拿大的CL-289(见图1)无人机和以色列哈比反辐射无人机。火箭助推发射技术成熟、推力范围大、成本低,已系列化。然而,火箭发射有以下缺点:
1)火箭会产生大量的烟尘和火光,并伴随着噪音,这会对无人机的操纵人员造成视觉和听觉上的干扰,同时容易暴露阵地。
2)火箭并没有完全克服发射不可预料这一特点,不同的火箭或多或少存在差别。
3)每次发射都将消耗一定数量的火箭,从而造成发射费用的增加。
1. 2 垂直起飞
无人机垂直起飞由于对发射平台的要求低而适合各型军舰使用,主要有两种类型:旋翼垂直起飞;特殊改造的固定翼型垂直起飞[5]。
1)旋翼飞机垂直起飞
这种起飞方式的特点是以旋翼作无人机的升力工具,旋转旋翼使无人机垂直起飞。目前世界上至少有4种旋翼式无人机:主旋翼/尾旋翼式(如美国的ARC003)、共轴反旋双旋翼式(如加拿大的CL-227哨兵、俄罗斯的卡-137)、单旋翼式(如德国的Do34田凫)和倾斜旋翼式(如美国的D-340瞄准手)。由于这种起飞方式不受场地面积与地理条件的限制,所以适用广,尤其在舰载无人机中广泛采用,但与长续航能力存在一定矛盾。近年来,美国诺格公司研制的MQ-8B火力侦察兵(Fire Scout)旋翼无人机首飞成功,用四桨叶旋翼(见图2)取代了RQ-8A的三桨叶旋翼,功率更大,任务载荷能力更强,作战半径和续航时间都增加了一倍,用来装备美军濒海战斗舰(LCS)。另外,新出现的旋翼无人机还有波音公司的小鸟无人技术验证机和A160蜂鸟无人机以及贝尔公司的TR918鹰眼倾斜旋翼无人机。
2)特殊改造型垂直起飞
它包括利用尾座支撑、专用起降发动机起飞两种。尾座支撑型在起飞时,无人机以垂直姿态安置在发射场上,由尾支座支撑无人机,在机上发动机作用下起飞。例如美国的XBQM-108A无人机,它保留普通起落架装置,机尾有尾支座,可采用起落架滑跑方式起飞,也可以垂直姿态起飞。另一种在机上配备垂直起飞用发动机的推力下,或借助推力矢量换向技术,飞机垂直起飞。相对旋翼无人机,它保持了固定翼飞机的快速机动和长续航能力的优点,工作空间更广阔。美国诺格公司设计的754型无人机装有两种发动机,一种是巡航用涡轮风扇发动机,它沿无人机纵轴方向安装于机下发动机短舱内;另一种是起飞(着陆)用涡轮喷气发动机,装于机身内重心处,发动机轴线相对于飞机垂直线前倾20°,它只在无人机起飞(着陆)阶段工作30 s左右,由它提供85%垂直起飞升力,由涡轮风扇发动机提供15%垂直起飞升力。在这两种发动机的作用下,飞机垂直起降。最新的俄罗斯无风-3隐身无人机也是采用喷气垂直起降。
2 弹射技术
常用的无人机弹射方式有弹力弹射、气液压弹射和燃气弹射,而电磁弹射技术是一种新概念发射技术。弹力发射利用伸缩性很强的弹性元件(如橡皮筋、弹簧)的弹力作动力,提供起飞所需的加速度,适用于轻(小)型机,如以色列微小-V和波音公司的扫描鹰。燃气弹射是指直接利用火药气体来发射无人机,通常借助现役火炮实现通用发射(如美军研制155mm火炮发射快看无人机),要考虑抗过载性能,以及总体结构尺寸与武器的兼容性[6]。
2. 1 气液压弹射技术
无人机气液压弹射起飞方式是20世纪90年代国际上发展起来的一种先进的导轨动能弹射起飞方式,主要采用气液压能源作为无人机弹射起飞的动力。与常用的火箭助推起飞方式相比,它具有安全隐蔽性好、经济性好、适应性好等优点,不会产生光、声、热、烟雾等信号,不存在火控器材的存储、运输和管理问题,且每次进行无人机发射时消耗性器材及支援保障的费用较低,另外在一定范围内通过调节蓄能器充气压力和充油压力便可满足不同无人机对起飞质量和起飞速度的使用要求;与轮式起飞方式相比较,前者起飞无需机场跑道,具有很好的机动灵活性,可连续进行无人机弹射起飞,使用方便,车载、舰载都很适用。
国外最先把气液压弹射起飞技术应用于无人机发射系统,由于技术复杂,难度较大,最初只有美国、英国和瑞士等少数国家掌握此项技术,如美国影子200和天鹰、英国不死鸟(见图3)以及瑞士巡逻兵[7-8]。不死鸟的发射过程是:无人机首先固定在滑车上,滑车就位并在锁定的状态下进行液体压缩氮气储能。压力达到规定值时,滑车释放,发射气缸中的活塞开始运动,活塞顶杆拉动带滑轮组的钢缆牵动滑车加速。膨胀的氮气推动液体不断进入发射气缸,维持这个运动,直到活塞顶杆到达其行程的端点。同时,滑车到达滑轨终点时在液压刹车装置作用下停住,无人机离开滑车飞向天空。
2. 2 电磁弹射技术
电磁弹射器是利用电磁力推动物体,使物体在短距离内加速到一定速度后发射出去的装置。电磁弹射技术最初用于使小质量物体获得超高速的运动速度,但从20世纪90年代以来,国外研究机构已将电磁弹射技术应用于大质量、较低速物体的加速发射。与火箭助推相比,电磁发射的几乎全是有效载荷,无人机无负重,发射能源为电源,比使用火药成本低,对环境影响小。电磁弹射器主要由电源和直线直流电机等设备组成,与由各种气体管路或液体管路、阀、泵以及储能装置等设备组成的气液压弹射器相比,电磁发射设备体积小且容易维护。由于直线直流电机具有很好的可控性,可以方便且精确地通过调节输出电流的大小来改变弹射能的大小,使电磁弹射器具有精确弹射从轻型到重型无人机的能力。
无人机电磁弹射起飞技术作为一种新型的发射技术,相比目前各种成熟的无人机发射起飞方式,发射效率更高,因此,受到越来越多的关注。大多数无人机的发射质量都在2 000 kg以内,发射速度低于80 m/s,对这样的发射质量和发射速度,目前的直线直流电动机技术和高功率脉冲电源技术能为工程应用提供技术保障。因此,采用电磁弹射发射无人机在技术上是可行的[9]。
3 空中投放
无人机被其它飞行器(常规飞机、特殊弹药等)运载到空中借助相关技术放飞。美国新近研制的盾牌无人验证机从P-3C母机的机翼或弹舱中发射,离机后展开尾翼和尾部控制面,俯冲到低高度之后开始执行任务。常规飞机投放能降低无人机飞行过程中发生故障和被拦截的可能性,延长无人机的结构疲劳寿命,但母机需要大型机场,且保障过程复杂,特别是陆、海军使用时需得到空军协同,独立作战能力不强[10]。
由各种炮弹、火箭弹、航空炸弹、导弹、布撒器等母弹携带投放的无人机在飞行初期由母弹携带,到达预定高度和距离时被母弹抛出,然后子机再进行一定距离的巡航飞行或目标区内的巡飞,并完成指定任务。这种投放方式已经引起了众多国家的重视,典型的有美国广域侦察无人机(WASP)和洛卡斯,俄罗斯R-90无人侦察机由旋风火箭炮发射的300 mm火箭弹运载抛撒。特种弹药运载投放无人机,速度快,从发射到飞行至目标区上空一般为几分钟,降低了被拦截的风险,同时具有小型化、维护简单、使用方便等特点,但也存在作用距离短、巡航时间有限、不易回收重复使用等不足。
4 潜射技术
美军20世纪90年代率先开始研制潜射无人机,先后有海上搜索者、海上哨兵、鸬鹚三种型号,使无人机成为潜艇的预警侦察、通信导航、战场评估、对敌攻击的攻防兼备的重要装备,大大提高了潜艇的作战能力[11]。
潜艇在水下发射无人机是一项十分复杂的系统工程,涉及到流体力学、空气动力学以及电子技术等多门学科。目前,美国潜射无人机水下发射正在分别采用2种发射方式进行试验:干式发射和湿式发射。
干式发射是采用较多的一种潜射方式。无人机被折叠后,整体装入运载器内,在水下航行和点火时始终处于干燥状态,完全依靠运载器将其送至水面,无人机在出水过程中完成与运载器的分离。这种发射方式的最大益处在于,无人机回避了水环境适应性问题,从而大幅降低了无人机的研制难度。此种技术比较成熟,海上搜索者就是采用此种方式发射,采用了可折叠机翼,从潜艇标准的533 mm鱼雷发射管等发射装置发射。
湿式发射方式的无人机无运载器,但无人机在发射管内有一个密封的保护筒,当无人机发射离管后至安全距离时点火,保护筒留在管内。鸬鹚潜射无人机采用了这种方式,它类似海鸥折叠翼,并能装于潜艇弹道导弹的发射筒内。无人机从弹道导弹发射筒弹出,上浮到海面,然后点燃火箭助推器,达到一定速度后,涡轮风扇发动机启动,进入巡航飞行。
5 结束语
无人机的应用前景和使用价值吸引了许多国家的研究者,目前已成为各国的研究焦点。国外(尤其是美国)无人机技术起步早,发展快,已形成多种型号多种用途的无人机。在发射方式上,美国也率先提出并应用气液压弹射、母弹抛射等新技术,并且开拓了无人机潜射的新应用领域。对于不同军种不同用途的无人机,虽然发射方式各异,不管是传统的还是新式的,最重要的是结合实际战场,提高无人机发射的机动能力和生存能力。具体来讲,就是无人机能够快速隐蔽发射,发射系统及人员能够快速转移,降低对发射场地和勤务保障的要求等。另外,自主起降也是未来无人机的一个重要发展方向,因此,探讨各种无人机飞行关键阶段的起飞发射技术,保障无人机稳定安全起飞,对无人机发射方案选择具有参考价值,对无人机的未来发展具有十分重要的意义。
参考文献
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[11] 马晓伟,王金栋,陈觉之.潜射无人机的发展及应用前景.飞航导弹, 2009(5): 32-35
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