无人机发展综述秦博

2024-06-16

无人机发展综述秦博（精选4篇）

1.无人机发展综述秦博篇一

无人机机载光电系统综述

本文主要介绍以色列、美国、俄罗斯、西欧诸国的无人机机载光电系统及其新技术的`应用,如高精度稳瞄技术、美国的第四代电光相机、先进的前视红外系统及多光谱信息的压缩与传输技术.本文对我国无人机光电系统的设计有一定的参考价值.

作者：成刚杨随虎 CHENG Gang YANG Sui-hu 作者单位：成刚,CHENG Gang(西安应用光学研究所,陕西,西安,710065)

杨随虎,YANG Sui-hu(西安邮电学院,通信工程系,陕西,西安,710064)

刊名：应用光学 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF APPLIED OPTICS年，卷(期)：26(4)分类号：V279 TN29关键词：无人机机载光电系统前视红外光谱成像技术

2.无人机发展综述秦博篇二

倾转旋翼飞行器是一种将固定翼飞机与直升机融为一体的新型飞行器, 它既具有常规直升机的垂直起降和空中悬停能力, 又具有涡轮螺旋桨飞机高速巡航飞行能力的旋翼飞行器。由于倾转旋翼机独有的动力装置和独特的结构布局, 使其受到世界航空界的关注。

倾转旋翼飞行器的概念最早是由美国贝尔公司的工程师在二战期间提出的, 195 5年, 贝尔公司研制了第一架倾转旋翼原形样机XV-3, 通过XV-3的飞行试验验证了倾转旋翼飞行的可行性。随后贝尔公司又相继研制出了XV-15和V-22“鱼鹰”倾转旋翼飞机。随着倾转旋翼有人机的研制成功, 以及航空电子尤其是飞行控制技术的发展, 倾转旋翼无人机的研制也提上日程, 并得到了迅速发展, 典型的倾转旋翼无人机是美国的“鹰眼”无人机, 如图1所示。

1 倾转旋翼无人机的发展及技术特点

1.1 倾转旋翼无人机的发展历史

最早的无人倾转旋翼飞行器是美国贝尔和波音直升机公司合作研究的D-340Pointer。1 98 6年双方合作研制V-2 2“鱼鹰”倾转旋翼飞行器, 利用V-22的技术产生了Bell/Boeing D-340Pointer (“瞄准手”) 无人飞行验证机, 并于1988年完成了首次试飞。该P ointer验证机采用盒形截面的机身, 起落架沿用传统直升机的滑翘式。1989年双方结束了合作关系, 而后, Bell公司继续开展自己的倾转旋翼式无人飞行器“鹰眼”的技术研究。

“鹰眼”无人机是在美国国防部TRUS (T il t ro to r U A V S y s te m“倾转旋翼无人机系统”) 计划下研制的垂直起降无人机。1 9 9 3年7月1 0日, 首架原型机T R-9 1 1开始悬停验证试飞, 7月16日在第六次试飞时着陆失败并损坏。11月4日, 第二架原型机试飞, 不久它成功地完成了从垂直起飞到平飞和从平飞到垂直降落的转换试验。1 9 9 4年, 由于一些原因T R U S研制计划中止。1998年Bell公司在海军合同支持下又恢复“鹰眼”无人机的飞行试验, 并成功地验证了任务载荷、惯性导航系统、GPS导航、数据链路的试验。

“鹰眼”无入机于1998年3月开始正式试飞, 在当年就飞行了40次, 累计55.5h, 飞行高度达到4450m以上, 装载了95千克任务载荷和燃油后的水平巡航速度可达到390km/h, 并实现了实时目标图像传送。“鹰眼”无人机的飞行试验表明, 它能够满足美国海军“无人机通用自动回收系统” (UCARS) 的要求, 并达到“垂直起降无人机”项目的技术指标, 然而, 在2000年2月的美国海军项目竞标时, 胜出者却是诺斯罗普·格鲁门公司的“火力侦察兵”。尽管如此, 贝尔公司还是继续该计划, 并在2003年2月被美国海岸警卫队选中, 用于它的“深水计划”的垂直起降无人机系统部分, 并签订了购买合同, 贝尔直升机最终将交付与“鹰眼”TR9l6相似的生产型号[3]。

1.2 倾转旋翼无人机的技术特点

所谓“倾转旋翼”, 简单地说就是指飞机依赖旋翼的倾转来调节飞机的飞行状态。具体方案是在机翼两端分别安装发动机短舱, 内部装有涡轮发动机来驱动旋翼系统。该型飞行器的关键在于发动机短舱可以绕机翼轴进行由朝前到朝上以及由朝上到朝前的直角转动, 这样就能改变旋翼推力的方向。当发动机短舱呈水平状态时, 旋翼就变成了螺旋桨, 加上原有的一段机翼, 飞机就变成螺旋桨固定翼飞机;当发动机短舱呈垂直状态时, 飞机就变为一架双旋翼或者多旋翼直升机。性能上, 倾转旋翼无人机既有普通直升机的垂直起降和空中悬停能力, 又有一般螺旋桨飞机的巡航飞行能力。所以倾转旋翼无人机起降时, 可免去起降跑道, 具有直升机的灵活性, 同时能作高速远程飞行, 扩大了飞行包线 (如图2) 。

倾转旋翼无人机有三种飞行模态:直升机模态、固定翼飞机模态和过度模态, 它主要是工作在直升机模态和固定翼飞机模态。倾转旋翼无人机的旋翼不同于一般直升机的旋翼:它在直升机模态下提供升力, 而在固定翼飞机模态下提供推力, 此时升力由固定部分的机翼来提供, 并且在悬停时, 倾转旋翼无人机所需发动机的功率最大, 而一般直升机的旋翼在前飞时不但要提供推力还要提供升力。为了兼顾倾转旋翼无人机在直升机模态和固定翼飞机模态下的飞行品质, 旋翼设计采用了折中的办法。

倾转旋翼无人机的旋翼半径比一般直升机的旋翼半径要小, 因而和一般直升机相比, 其悬停效率下降。同时, 倾转旋翼无人机的旋翼尺寸比一般的螺旋桨飞机的旋翼要大, 使得螺旋桨的推进效率减小。因此, 倾转旋翼无人机的旋翼桨叶采用大扭角设计, 提高飞机的悬停性能, 而一般直升机的旋翼桨叶由于前飞时要同时提供升力和向前的推力, 因而不能采用大扭角设计。

倾转旋翼无人机翼尖两侧安装旋翼系统, 为避免一侧发动机意外停车造成同侧旋翼停止工作, 设计上使螺旋桨减速器通过横轴系统连接, 允许1台发动机失效时, 由另一侧发动机带动两侧旋翼转动, 从而保证两副旋翼转速同步。因此倾转旋翼无人机的安全性较高。

美国倾转旋翼无人机“鹰眼”的主要参数和性能如表1所示。

2 倾转旋翼无人机的关键技术分析

虽然第二代倾转旋翼机已经进入产品的设计阶段, 然而它的很多关键技术还并不是很成熟。要研制出性能优越同时又安全可靠的倾转旋翼无人机, 还有如下几项关键技术需要解决和改进。

2.1 旋翼、机翼系统研究

倾转旋翼无人机具有快速、远程、垂直起降等特点, 这些特点的实现均依赖其高性能的倾转旋翼系统。倾转旋翼系统既要适用于高速前飞, 又要兼顾垂直悬停效率, 因此桨叶的形状、扭转及桨毂形式的设计都不同于常规的旋翼, 同时由于桨盘的高载荷, 旋翼与机翼还存在较严重的气动干扰问题。在过渡模态时, 旋翼倾转会产生陀螺效应和斜流问题, 在高速前飞时螺旋桨又大大增加了飞行阻力。

倾转旋翼无人机在垂直飞行和低速飞行时类似于横列式直升机, 因此对机翼刚度要求较高, 且机翼气动弹性稳定性问题十分突出。旋翼的旋转会带来一系列振动问题, 同时旋翼桨尖尾迹、机翼尾流和桨尖涡流也会引起机体尾面振动, 因此旋翼、机翼及机体存在更为复杂的振动问题[3]。

2.2 过渡转换技术研究

过渡模态是倾转旋翼无人机不同于无人直升机和固定翼无人机的关键飞行状态。在该模态下, 旋翼的流场和尾迹都是很复杂的, 其桨叶气动力也是非定常的, 这种非定常变化的气动力直接影响到飞行器的平衡和操纵特性。同时, 也对飞行器的飞行力学建模的准确性有重要影响, 而高质量的飞行力学模型对改进飞行控制技术又是十分重要的。如何确定一个合适的过渡转换方案, 确保倾转旋翼无人机平稳的实现直升机模态与固定翼模态之间的相互转换, 也是倾转旋翼无人机的一项关键技术。

目前关于过渡模态的气动力研究尚不成熟。另外, 倾转旋翼无人机在兼具直升机和固定翼飞机优点的同时也兼具二者的动力学问题, 其复杂性要大于二者之和。倾转旋翼飞行器复杂的结构及运动部件, 使得其动力学问题的研究具有较大的挑战性, 特别是过渡模态 (如图3) 。

2.3 气动干扰研究

主要包括垂直起降状态与过渡低速状态下的旋翼/机翼气动干扰下的气动特性研究。其研究目的就是通过掌握气动干扰下的气动特性, 以便对旋翼与机翼进行气动优化设计, 使之降低旋翼气流“喷泉”效应, 避免垂直下降进入涡环状态, 增加过渡模态下的飞行速度范围和前飞时降低气动废阻等。

2.4 飞行控制系统研究

倾转旋翼无人机的飞行不但涉及到复杂的双旋翼飞行器的飞行姿态的控制, 而且还要控制固定翼飞机模态与直升机模态的复杂转换, 其操纵和飞行控制比固定翼无人机和无人直升机困难很多。倾转旋翼无人机在直升机模态下, 与普通直升机相比, 由于没有尾桨, 侧向安定性下降, 甚至出现静不稳定, 使得直升机模态下操纵困难, 飞行控制系统设计复杂。此外, 倾转旋翼无人机在过渡模态时, 存在明显的拉力矢量控制特性, 由于拉力矢量的存在, 三通道之间出现较强的耦合。同时, 还存在着气动舵面操纵与拉力矢量控制之间的协调问题, 使得过渡模态下飞行控制系统设计变得更加复杂。因此飞行控制技术是倾转旋翼无人机的另一个关键技术。

3 海军倾转旋翼无人机的发展优势及应用前景

由于倾转旋翼无人机起降不需要正规的跑道, 因此, 在处理海上的突发事件上可以完成固定翼无人机完成不了的任务。同时, 它又具有一般无人直升机没有的远程巡航能力, 因此, 在未来的海战中, 尤其是登陆作战中将发挥重要的作用。通过对国外倾转旋翼无人机发展现状的了解, 结合我国的基本国情可以认为, 倾转旋翼无人机对我国海军的发展也必将起到很大的作用。

目前, 我国海军现有的装备跟水面舰艇大多缺乏低空警戒、监视、中继制导等作战能力。海军航空兵受到装备数量、作战半径、技术水平等因素的限制, 岸基航空兵部队难以在第一时间为远海执行任务的水面舰艇提供有效的空中支援。倾转旋翼无人机具有垂直起降功能, 可以方便地装备在驱逐舰, 护卫舰, 两栖舰以及航空母舰上, 利用红外, 光电等先进的传感器, 实施空中侦察、监视、通信中继、目标指示、电子干扰、充当诱饵以及配备机载导弹等武器, 完成封锁、对海或反舰攻击等军事任务。

我国是一个海域辽阔的国家, 在黄海、东海和南海, 均与数个国家存在领海和岛屿之争。尤其是在南海海域, 一些国家明目张胆地侵占了我国的岛屿。历史的教训告诉我们, 要维护国家领土和主权的完整, 就离不开一支强大的人民海军。倾转旋翼无人机正是适合我海军使用的、大航程、无需起降跑道、能在舰艇上垂直起降的 (尤其适合航空母舰) 一种武器装备。在南海的众多岛礁上, 由于受到岛礁面积的限制, 修建机场几乎是不可能实现的。而倾转旋翼无人机具有垂直起降特点, 不需要起降跑道, 并且无人机系统操作、使用方便, 基本不需要其他的保障条件, 因而非常适合于列装在岛礁上, 完成侦察、巡逻和对敌舰攻击等任务, 也能为远离大陆的南海海域提供及时的空中支援, 可以有效地减小作战反应时间, 扩大我海军航空兵的作战半径。

我国对倾转旋翼技术的研究开始较晚, 但经过前期的认真研究, 在旋翼/机翼气动干扰、旋翼/短舱/机翼耦合气动稳定性、倾转过程飞行控制等方面取得了一些阶段性的成果。只要我国对国外倾转旋翼无人机发展过程中存在的技术问题进行充分分析, 并加大对倾转旋翼无人机关键技术的攻关力度, 进而开展倾转旋翼无人机的研制, 就能使我国海军的军事实力得到显著提升, 对于我国海军的发展和保障国家海洋权益有重要意义 (如图4) 。

4 结语

虽然目前倾转旋翼无人机的一些技术还不如无人直升机和固定翼无人机成熟, 但是倾转旋翼无人机在动力装置、结构布局和作战使用性能等方面的独特设计和优越性能, 使其受到了航空界的广泛关注, 也代表了21世纪无人机发展的一个方向。随着技术的不断发展和进步, 倾转旋翼无人机的技术也将日趋完善和成熟, 其使用会更加安全可靠, 操纵也会更加简单, 它的良好性能和广阔的应用前景将得到充分展现。

参考文献

[1]杨军, 吴希明, 凡永华, 等.倾转旋翼机飞行控制[M].北京:航空工业出版社, 2006.

[2]Desopper A, Heuze O, Routhieau V, etal.Study of the low speed character-istics of a tilt rotor[C]//Presented at the 28th European Rotorcraft Forum, Bristol UK:European Rotorcraft Forum, 2002, 16:1-14.

[3]王芳, 李春华, 徐国华.无人倾转旋翼飞行器的技术特点分析[C]//中国无人机大会会议集论文, 北京:航空工业出版社, 2006, 137-143.

[4]徐敏.倾转旋翼机的发展与关键技术综述[J].直升机技术, 2003, 12 (2) :40-44.