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美国舰载无人机发射与回收技术

时间:2016-4-5 0:31:27编辑:无人机之家来源:互联网栏目:科学探测点击数(0)已有0人评论 加入收藏

  SideArm发射与回收系统简介

  SideArm系统由极光(Aurora)飞行科学公司开发。该公司于2013年10月获得TERN项目第一阶段的合同,对TERN项目中无人机的发射与回收技术进行初步研究。

  1、系统组成

  SideArm系统,如图1所示,由三部分组成:起重机、滑轨和滑动回收器。起重机包含可转动的基座、可伸缩的支臂和连接支臂的铰链关节。基座内有一套锚固系统,以实现SideArm系统在甲板的快速铺设和移除。可伸缩的支臂和铰链能保证滑动回收器位置的迅速调整,以最大程度抵消高海况条件下舰船出现的晃动。此外,系统移除时起重机的几个支臂可以折叠,从而减小占用空间。

  滑轨安装在起重机支臂的末端,可保证滑动回收器在轨上的运动。滑轨的末端安装有停止装置和安全装置,它们的功能正好相反。在回收过程中,如果无人机挂上滑动回收器后运行到滑轨末端时仍有较小的速度,停止装置能够防止无人机滑出滑轨。而如果该速度较大,安全装置将确保无人机滑出滑轨,以防损坏SideArm系统和舰船。

  滑动回收器是实际开展无人机回收的装置,如图2所示,其包括支柱a、支柱b、绳索a、绳索b、绳索c、第一绳索管理器和第二绳索管理器。绳索a由支柱a支撑并最终通过滑轮连接到第一绳索管理器上。绳索b由支柱b支撑。绳索c通过滑轮把整个滑动回收器和第二绳索管理器相连接。绳索管理器内含能量吸收器和绞车等装置。

  为了匹配SideArm系统,如图3所示,在中空长航时无人机的机身上需要安装收放机构、主钩和辅钩。收放机构可使主钩在无人机巡航时折向机身以降低阻力,而在接近舰船时向上竖起准备挂上绳索a。另外收放机构内还包括阻尼和能量吸收装置,以降低回收时的冲击力。辅钩位于无人机的机头位置,其在回收时将挂在绳索b上,从而避免无人机在向甲板转移时发生晃动。

  2、工作原理

  在海上回收时,位于舰船和无人机上的精确定位装置保证主钩对准绳索a。在主钩挂上绳索a后,如图4所示,无人机将会同时产生两个方向的运动,即由于惯性继续向前运动和受主钩拉力作用的向上摆动。在无人机向前运动过程中,由于受到向前的冲击作用,滑动回收器将沿着滑轨向前滑动,绳索c随即被拉长,第二绳索管理器将吸收冲击力并产生阻力,阻止滑动回收器和无人机继续前移。在向上摆动过程中,绳索a上的张力、第一绳索管理器以及无人机收放机构产生的阻力将共同冲击力进行吸收。当无人机的辅钩挂上绳索b后,由于惯性将继续向上摆动,而随着绳索b被拉长,其产生的阻力将使无人机停止向上摆动。最终无人机在各阻力的作用下停止前移和摆动,回收过程完毕。

  SideArm系统可以通过调节绳索管理器的参数适应不同重量的无人机。而位于舰船侧边的回收方式,不仅使无人机避开舰尾乱流,也可避免因回收失败导致直接撞舰。除了回收功能,SideArm系统也能利用滑轨采用火箭助推方式发射无人机,从而实现多功能使用。

  3、小结

  根据以上内容,SideArm系统可分为固定装置和滑轨起降系统。即,起重机充当特定环境条件下起降系统的固定装置,用于滑轨的悬空固定;而滑轨则通过一系列配套组件保证无人机的起降作业。

  在回收作业过程中,滑轨系统采用两级拦阻、双索固定的方式。即,绳索a与第一绳索管理器为第一级拦阻系统,绳索c与第二绳索管理器为第二级拦阻系统。而绳索b主要用于辅助绳索a对无人机的姿态进行固定。

  关于如何利用SideArm系统来发射无人机,公开资料中未予提及。参考美军现役小型无人机(如,“扫描鹰”)的发射方式,作者认为,在发射作业时,SideArm系统可能通过在滑轨上安装模块来固定无人机,并利用导轨段的加速实现无人机的弹射起飞。

  对SideArm发射与回收系统的剖析

  1、对国外公开资料的基本判断

  SideArm系统瞄准的目标是解决舰船有限舰面空间内,中空长航时无人机的发射与回收问题。从公开资料来看,其当前的系统架构是对传统海上无人机发射与回收方式的再创新。其核心思想是将传统无人机的导轨发射/撞网回收方式进行升级改进,进而部署到中小型舰船上完成中空长航时无人机的发射与回收。从原理上看,其起降作业过程与“扫描鹰”所使用的Super-Wedge气动弹射发射架和“天钩”(SkyHook)系统比较相似。

  TERN项目的目标是一种最大有效载重可达450千克的中空长航时无人机。考虑到SideArm系统的工作方式,这种中空长航时无人机可能无须配备轮式起降系统。因此,若将该机的有效载重系数(最大有效载荷/对应状态下的起飞重量)设定为0.4左右(高于MQ-1/9),那么从技术参数上可以推测,这种中空长航时无人机的最大起飞重量将超过1吨。而SideArm系统在项目第一阶段的缩比试验中所达到的阶段目标为“适用于最大起飞重量为409.6千克(900磅)的无人机”。因此,SideArm系统在第一阶段结束时距离TERN项目的目标尚有较大差距。

  2、可能的技术难点

  从SideArm系统的工作过程来看,其可能面临的与飞机高度相关的技术难点主要包括:

  既定飞行速度下的精确空中挂索

  由于SideArm系统的适用对象可能为最大起飞重量超过1吨的无人机,其难以直接通过等比例放大SkyHook系统来达成目的。形象地来说,如果为了回收翼展为1米的无人机可以接受悬臂达10米的回收装置,但这并不意味着为了回收翼展为10米的无人机可以接受悬臂达100米的回收装置。

  如果上述说法成立的话,那么势必要通过合理划设回收作业速度区间、提升无人机在复杂海况(5级)下低速飞行的能力与品质、精确引导与控制等一系列措施来确保无人机能够在既定飞行速度区间内实现精确空中挂索。

  挂索后减速过程中的飞行姿态控制

  笔者认为,对外公布的关于辅钩挂索的描述过于模糊。从工程角度来看,要实现复杂海况下低速挂索过程中的姿态控制绝非易事。实际上,挂索后无人机减速过程中的姿态控制与绳索阻尼控制系统密切相关。与有人机的航母拦阻着舰相比,舰载机在拦阻着舰过程中舰面可以承受飞机垂直方向的冲击载荷,因而飞机一般沿3.5°~4°的下滑线不拉平进场着舰,且拦阻系统的主要功能是从水平方向上对飞机进行减速。而SideArm系统在无人机挂索后,绳索需要同时承担多个方向上的冲击载荷,且随着无人机速度的降低舵面控制系统的效率急速下降。因此,如何保证无人机能够以预期的姿态减速并完成辅钩挂索可能是回收作业中的一大难点。

  启示与建议

  充分发挥军事需求对武器装备的牵引作用

  从TERN项目发展来看,美国对于该项目所提出的中空长航时无人机的需求定位十分明确。即,瞄准未来美军海上持久情报、监视与侦察(ISR)能力和适度打击能力的建设。反观国内,预研阶段对于军事需求的研究还很不够,一些装备甚至在进入型号立项阶段时还没有就军事需求达成共识。

  航空武器装备体系是一个体系化的整体性问题。要实现所谓的“1+1>2”,就不能仅仅是为了论型号而论型号。从军事需求研究开始,就需要对我军武器装备体系的建设进行全方位、多层次的整体规划与设计。统筹军事需求与技术可能,有针对性地开展先期技术探索和技术攻关,通过不断迭代逐步过渡到“需求牵引”与“技术推动”形成合力的阶段,进而有力地支撑武器装备的研制与发展。

  加强以应用为背景的先期技术探索

  美国历来重视武器装备的先期技术探索。在TERN项目上,DARPA通过先期投资推动主要关键技术的发展,为美军海上ISR与打击系统的发展奠定技术基础。而我国在航空装备的发展过程中对先期技术探索的重视程度不够,造成一些型号在装备研制的过程中重新回头“补课”,既增加了型号研制的风险,也影响了型号研制的进度。从一定程度上讲,技术本身是一把“双刃剑”。良好的管理与科研模式,可以使技术成为武器装备的“孵化器”,有力推动武器装备的发展。反之,则有可能形成技术条件“制约”,导致能力跟不上思想,计划赶不上变化,进而影响武器装备的正常研制和发展。

  (作者单位系中航工业发展研究中心)

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