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介紹了無人機的火箭助推發(fā)射、垂直起飛技術(shù)、氣液壓彈射、電磁彈射、潛射技術(shù)等發(fā)射方式的特點和應(yīng)用領(lǐng)域,并進行了分析比較,為發(fā)射方案選擇提供參考
摘 要 介紹了無人機的火箭助推發(fā)射、垂直起飛技術(shù)、氣液壓彈射、電磁彈射、潛射技術(shù)等發(fā)射方式的特點和應(yīng)用領(lǐng)域,并進行了分析比較,為發(fā)射方案選擇提供參考
引 言
無人機正在成為現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭中不可或缺的武器,越來越多地裝備各國陸?？杖?執(zhí)行攻擊、偵察的作戰(zhàn)任務(wù)及靶機的訓(xùn)練任務(wù)等,效果顯著,應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。特別是“9·11”事件之后,美國在對阿富汗和伊拉克的作戰(zhàn)行動中,廣泛使用無人機,并創(chuàng)下了一些新的作戰(zhàn)記錄和方式,從而使無人機成了倍受關(guān)注的熱點[1-3]。無人機在作戰(zhàn)應(yīng)用中,發(fā)射階段往往被認為是最困難的階段之一,各國對無人機的起飛發(fā)射作了大量研究和嘗試[4]。無人機的發(fā)射方式眾多,如手拋、機載投放、車載發(fā)射、彈射、火箭助推等。根據(jù)發(fā)射地點分類,可分為陸基(手拋、車載等)、空基(機載投放)、?；?艦載、潛射)發(fā)射;按發(fā)射動力可分為自力、彈射、投放、復(fù)合式發(fā)射。
1 自力發(fā)射
自力發(fā)射是指無人機起飛時依靠發(fā)動機的推力或旋翼升力實現(xiàn)升空,自力傾斜發(fā)射時常常采用助推火箭。垂直起飛多利用旋翼或噴氣發(fā)動機的升力。部分無人機在發(fā)動機推動下采用跑道滑跑起飛,類似有人飛機,如美國的禿鷹、以色列赫爾墨斯無人機。
1. 1 火箭助推發(fā)射
以火箭作動力的發(fā)射平臺被廣泛用于無人機的發(fā)射,無人機在1臺或多臺(通常2臺)助推火箭發(fā)動機推力作用下飛離發(fā)射裝置,無人機起飛后,扔掉助推火箭,由機上主發(fā)動機完成飛行任務(wù),例如加拿大的CL-289(見圖1)無人機和以色列哈比反輻射無人機?；鸺瓢l(fā)射技術(shù)成熟、推力范圍大、成本低,已系列化。然而,火箭發(fā)射有以下缺點:
1)火箭會產(chǎn)生大量的煙塵和火光,并伴隨著噪音,這會對無人機的操縱人員造成視覺和聽覺上的干擾,同時容易暴露陣地。
2)火箭并沒有完全克服發(fā)射不可預(yù)料這一特點,不同的火箭或多或少存在差別。
3)每次發(fā)射都將消耗一定數(shù)量的火箭,從而造成發(fā)射費用的增加。
1. 2 垂直起飛
無人機垂直起飛由于對發(fā)射平臺的要求低而適合各型軍艦使用,主要有兩種類型:旋翼垂直起飛;特殊改造的固定翼型垂直起飛[5]。
1)旋翼飛機垂直起飛
這種起飛方式的特點是以旋翼作無人機的升力工具,旋轉(zhuǎn)旋翼使無人機垂直起飛。目前世界上至少有4種旋翼式無人機:主旋翼/尾旋翼式(如美國的ARC003)、共軸反旋雙旋翼式(如加拿大的CL-227哨兵、俄羅斯的卡-137)、單旋翼式(如德國的Do34田鳧)和傾斜旋翼式(如美國的D-340瞄準手)。由于這種起飛方式不受場地面積與地理條件的限制,所以適用廣,尤其在艦載無人機中廣泛采用,但與長續(xù)航能力存在一定矛盾。近年來,美國諾格公司研制的MQ-8B火力偵察兵(Fire Scout)旋翼無人機首飛成功,用四槳葉旋翼(見圖2)取代了RQ-8A的三槳葉旋翼,功率更大,任務(wù)載荷能力更強,作戰(zhàn)半徑和續(xù)航時間都增加了一倍,用來裝備美軍瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS)。另外,新出現(xiàn)的旋翼無人機還有波音公司的小鳥無人技術(shù)驗證機和A160蜂鳥無人機以及貝爾公司的TR918鷹眼傾斜旋翼無人機。
2)特殊改造型垂直起飛
它包括利用尾座支撐、專用起降發(fā)動機起飛兩種。尾座支撐型在起飛時,無人機以垂直姿態(tài)安置在發(fā)射場上,由尾支座支撐無人機,在機上發(fā)動機作用下起飛。例如美國的XBQM-108A無人機,它保留普通起落架裝置,機尾有尾支座,可采用起落架滑跑方式起飛,也可以垂直姿態(tài)起飛。另一種在機上配備垂直起飛用發(fā)動機的推力下,或借助推力矢量換向技術(shù),飛機垂直起飛。相對旋翼無人機,它保持了固定翼飛機的快速機動和長續(xù)航能力的優(yōu)點,工作空間更廣闊。美國諾格公司設(shè)計的754型無人機裝有兩種發(fā)動機,一種是巡航用渦輪風(fēng)扇發(fā)動機,它沿?zé)o人機縱軸方向安裝于機下發(fā)動機短艙內(nèi);另一種是起飛(著陸)用渦輪噴氣發(fā)動機,裝于機身內(nèi)重心處,發(fā)動機軸線相對于飛機垂直線前傾20°,它只在無人機起飛(著陸)階段工作30 s左右,由它提供85%垂直起飛升力,由渦輪風(fēng)扇發(fā)動機提供15%垂直起飛升力。在這兩種發(fā)動機的作用下,飛機垂直起降。最新的俄羅斯無風(fēng)-3隱身無人機也是采用噴氣垂直起降。
2 彈射技術(shù)
常用的無人機彈射方式有彈力彈射、氣液壓彈射和燃氣彈射,而電磁彈射技術(shù)是一種新概念發(fā)射技術(shù)。彈力發(fā)射利用伸縮性很強的彈性元件(如橡皮筋、彈簧)的彈力作動力,提供起飛所需的加速度,適用于輕(小)型機,如以色列微小-V和波音公司的掃描鷹。燃氣彈射是指直接利用火藥氣體來發(fā)射無人機,通常借助現(xiàn)役火炮實現(xiàn)通用發(fā)射(如美軍研制155mm火炮發(fā)射快看無人機),要考慮抗過載性能,以及總體結(jié)構(gòu)尺寸與武器的兼容性[6]。
2. 1 氣液壓彈射技術(shù)
無人機氣液壓彈射起飛方式是20世紀90年代國際上發(fā)展起來的一種先進的導(dǎo)軌動能彈射起飛方式,主要采用氣液壓能源作為無人機彈射起飛的動力。與常用的火箭助推起飛方式相比,它具有安全隱蔽性好、經(jīng)濟性好、適應(yīng)性好等優(yōu)點,不會產(chǎn)生光、聲、熱、煙霧等信號,不存在火控器材的存儲、運輸和管理問題,且每次進行無人機發(fā)射時消耗性器材及支援保障的費用較低,另外在一定范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)蓄能器充氣壓力和充油壓力便可滿足不同無人機對起飛質(zhì)量和起飛速度的使用要求;與輪式起飛方式相比較,前者起飛無需機場跑道,具有很好的機動靈活性,可連續(xù)進行無人機彈射起飛,使用方便,車載、艦載都很適用。
國外最先把氣液壓彈射起飛技術(shù)應(yīng)用于無人機發(fā)射系統(tǒng),由于技術(shù)復(fù)雜,難度較大,最初只有美國、英國和瑞士等少數(shù)國家掌握此項技術(shù),如美國影子200和天鷹、英國不死鳥(見圖3)以及瑞士巡邏兵[7-8]。不死鳥的發(fā)射過程是:無人機首先固定在滑車上,滑車就位并在鎖定的狀態(tài)下進行液體壓縮氮氣儲能。壓力達到規(guī)定值時,滑車釋放,發(fā)射氣缸中的活塞開始運動,活塞頂桿拉動帶滑輪組的鋼纜牽動滑車加速。膨脹的氮氣推動液體不斷進入發(fā)射氣缸,維持這個運動,直到活塞頂桿到達其行程的端點。同時,滑車到達滑軌終點時在液壓剎車裝置作用下停住,無人機離開滑車飛向天空。
2. 2 電磁彈射技術(shù)
電磁彈射器是利用電磁力推動物體,使物體在短距離內(nèi)加速到一定速度后發(fā)射出去的裝置。電磁彈射技術(shù)最初用于使小質(zhì)量物體獲得超高速的運動速度,但從20世紀90年代以來,國外研究機構(gòu)已將電磁彈射技術(shù)應(yīng)用于大質(zhì)量、較低速物體的加速發(fā)射。與火箭助推相比,電磁發(fā)射的幾乎全是有效載荷,無人機無負重,發(fā)射能源為電源,比使用火藥成本低,對環(huán)境影響小。電磁彈射器主要由電源和直線直流電機等設(shè)備組成,與由各種氣體管路或液體管路、閥、泵以及儲能裝置等設(shè)備組成的氣液壓彈射器相比,電磁發(fā)射設(shè)備體積小且容易維護。由于直線直流電機具有很好的可控性,可以方便且精確地通過調(diào)節(jié)輸出電流的大小來改變彈射能的大小,使電磁彈射器具有精確彈射從輕型到重型無人機的能力。
無人機電磁彈射起飛技術(shù)作為一種新型的發(fā)射技術(shù),相比目前各種成熟的無人機發(fā)射起飛方式,發(fā)射效率更高,因此,受到越來越多的關(guān)注。大多數(shù)無人機的發(fā)射質(zhì)量都在2 000 kg以內(nèi),發(fā)射速度低于80 m/s,對這樣的發(fā)射質(zhì)量和發(fā)射速度,目前的直線直流電動機技術(shù)和高功率脈沖電源技術(shù)能為工程應(yīng)用提供技術(shù)保障。因此,采用電磁彈射發(fā)射無人機在技術(shù)上是可行的[9]。
3 空中投放
無人機被其它飛行器(常規(guī)飛機、特殊彈藥等)運載到空中借助相關(guān)技術(shù)放飛。美國新近研制的盾牌無人驗證機從P-3C母機的機翼或彈艙中發(fā)射,離機后展開尾翼和尾部控制面,俯沖到低高度之后開始執(zhí)行任務(wù)。常規(guī)飛機投放能降低無人機飛行過程中發(fā)生故障和被攔截的可能性,延長無人機的結(jié)構(gòu)疲勞壽命,但母機需要大型機場,且保障過程復(fù)雜,特別是陸、海軍使用時需得到空軍協(xié)同,獨立作戰(zhàn)能力不強[10]。
由各種炮彈、火箭彈、航空炸彈、導(dǎo)彈、布撒器等母彈攜帶投放的無人機在飛行初期由母彈攜帶,到達預(yù)定高度和距離時被母彈拋出,然后子機再進行一定距離的巡航飛行或目標區(qū)內(nèi)的巡飛,并完成指定任務(wù)。這種投放方式已經(jīng)引起了眾多國家的重視,典型的有美國廣域偵察無人機(WASP)和洛卡斯,俄羅斯R-90無人偵察機由旋風(fēng)火箭炮發(fā)射的300 mm火箭彈運載拋撒。特種彈藥運載投放無人機,速度快,從發(fā)射到飛行至目標區(qū)上空一般為幾分鐘,降低了被攔截的風(fēng)險,同時具有小型化、維護簡單、使用方便等特點,但也存在作用距離短、巡航時間有限、不易回收重復(fù)使用等不足。
4 潛射技術(shù)
美軍20世紀90年代率先開始研制潛射無人機,先后有海上搜索者、海上哨兵、鸕鶿三種型號,使無人機成為潛艇的預(yù)警偵察、通信導(dǎo)航、戰(zhàn)場評估、對敵攻擊的攻防兼?zhèn)涞闹匾b備,大大提高了潛艇的作戰(zhàn)能力[11]。
潛艇在水下發(fā)射無人機是一項十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及到流體力學(xué)、空氣動力學(xué)以及電子技術(shù)等多門學(xué)科。目前,美國潛射無人機水下發(fā)射正在分別采用2種發(fā)射方式進行試驗:干式發(fā)射和濕式發(fā)射。
干式發(fā)射是采用較多的一種潛射方式。無人機被折疊后,整體裝入運載器內(nèi),在水下航行和點火時始終處于干燥狀態(tài),完全依靠運載器將其送至水面,無人機在出水過程中完成與運載器的分離。這種發(fā)射方式的最大益處在于,無人機回避了水環(huán)境適應(yīng)性問題,從而大幅降低了無人機的研制難度。此種技術(shù)比較成熟,海上搜索者就是采用此種方式發(fā)射,采用了可折疊機翼,從潛艇標準的533 mm魚雷發(fā)射管等發(fā)射裝置發(fā)射。
濕式發(fā)射方式的無人機無運載器,但無人機在發(fā)射管內(nèi)有一個密封的保護筒,當(dāng)無人機發(fā)射離管后至安全距離時點火,保護筒留在管內(nèi)。鸕鶿潛射無人機采用了這種方式,它類似海鷗折疊翼,并能裝于潛艇彈道導(dǎo)彈的發(fā)射筒內(nèi)。無人機從彈道導(dǎo)彈發(fā)射筒彈出,上浮到海面,然后點燃火箭助推器,達到一定速度后,渦輪風(fēng)扇發(fā)動機啟動,進入巡航飛行。
5 結(jié)束語
無人機的應(yīng)用前景和使用價值吸引了許多國家的研究者,目前已成為各國的研究焦點。國外(尤其是美國)無人機技術(shù)起步早,發(fā)展快,已形成多種型號多種用途的無人機。在發(fā)射方式上,美國也率先提出并應(yīng)用氣液壓彈射、母彈拋射等新技術(shù),并且開拓了無人機潛射的新應(yīng)用領(lǐng)域。對于不同軍種不同用途的無人機,雖然發(fā)射方式各異,不管是傳統(tǒng)的還是新式的,最重要的是結(jié)合實際戰(zhàn)場,提高無人機發(fā)射的機動能力和生存能力。具體來講,就是無人機能夠快速隱蔽發(fā)射,發(fā)射系統(tǒng)及人員能夠快速轉(zhuǎn)移,降低對發(fā)射場地和勤務(wù)保障的要求等。另外,自主起降也是未來無人機的一個重要發(fā)展方向,因此,探討各種無人機飛行關(guān)鍵階段的起飛發(fā)射技術(shù),保障無人機穩(wěn)定安全起飛,對無人機發(fā)射方案選擇具有參考價值,對無人機的未來發(fā)展具有十分重要的意義。
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