舰载无人直升机系统设计中几个问题的思考

阳再清，薛艳峰，刘关心

(中国人民解放军92419部队，辽宁兴城 125106)

0 引言

随着水面舰艇远洋作战范围的不断拓展，其随舰情报搜集、反潜作战、电磁对抗、战损评估等能力的需求也在不断提高，传统的方法之一是用舰载有人直升机系统来解决这些棘手的问题，但有人机不适应超低空、长时间、高危险等情况，无人直升机系统应运而生。

无人直升机系统在国外有较长的发展历史，西方各大国都有一些较为成熟的产品问世。但舰载无人直升机的使用环境特殊，要在动态摇摆状态下，使一个强耦合、非线性的直升机系统实现稳定起降控制是一个难题。近年，美国人在“Fire Scout”系统上首先攻破了这一技术，实现了自主舰载起降，而其研发用了3～5年，做了大量的试验，成本十分高昂，可见这一技术是世界级的难题。有关舰载起降的一些关键技术细节国内外都有研究，特别是近年不断有新成果出现，见诸公开刊物，但真正形成产品、形成批量的仍然不多，一些关键技术仍只能在有限的条件下，在某些局部的环境中适应，在普遍意义上解决这一问题，仍有较长的路要走，国内的状况更是如此。

本文分析了舰载无人直升机系统的着舰过程和系统设计的几个关键技术问题，提出了舰载无人直升机发展的基本思路，为进一步的工程实践提供一些基本设想和技术准备。

1 无人直升机着舰过程描述［1］

舰载无人直升机系统的核心技术和难点主要是着舰过程，分析和确立着舰过程是系统设计的关键所在。着舰控制可以采用手动、自主或两者结合的方式实现。采取手动方式时，对操作手要求高，一般在应急状态下使用。自主方式一般为主要的控制方式，但对系统的控制精度要求高。

着舰系统一般由控制分系统、精确引导分系统、固连设备和辅助设施组成。控制分系统是着舰系统的核心，它由无人直升机的飞行控制和测控等部分构成，它接收舰与机的位置、运动、姿态等参数以及精确引导参数、气象参数等，按照控制规律完成自主着舰控制。自主着舰作为整个飞行控制的一个重要环节，在舰载无人直升机的设计和使用中举足轻重。精确引导分系统是自主着舰的关键，它需要提供安全着舰所需的准确的舰机相对位置、姿态以及舰艇摇摆参数等，是自主着舰的主要信息源，比飞行控制传感器要求高，一般采用独立的设备。目前采用的设备主要有:毫米波雷达、光电设备、视觉引导、GPS/INS组合引导等，一般由舰载设备和机载设备配合来完成精确引导功能。固连设备是用于舰与机固定连接的设备，由安装在甲板和直升机上的连接装置构成，目前主要有鱼叉－格栅装置和拉紧固定装置;辅助设施包含甲板上的标示线、灯光以及气象测量、通信保障等设备，用于辅助着舰。

无人直升机自主着舰可分为四个阶段:下滑捕获段、下滑跟踪段、快速下降段、着舰固定段，如图1所示。其中前三个阶段为着舰引导控制阶段，特别是第三个阶段需要舰机协同控制，是最为关键的控制阶段。当无人直升机接到着舰指令后，无人直升机根据自身的位置和舰船的位置实时规划下滑起始点，计算下滑航线，控制其按照规划航线运动，进入下滑捕获段飞行，使无人直升机到达着舰船后侧安全高度并保持与舰船同步的悬停状态。之后，实时接收气象参数，精确引导参数，判断各类扰动的影响，使无人直升机稳定下滑到着舰中心点上方几米的高度并保持与舰船同步的悬停状态，完成稳定下滑飞行。最后，推算舰艇摇摆稳定期，精确控制直升机系统快速下降，实施着舰。着舰后，操作手迅速固定好机体。

图1 无人直升机着舰流程图

着舰的整个过程是一个动态的过程，影响无人直升机飞行的外界因素如风流的变化、舰船的运动与摇摆、尾流扰动等都在时刻发生或大或小、或快或慢的变化，因此无人直升机系统实现安全稳定着舰是一个复杂制导控制流程的设计与实践。

2 系统设计几个问题的分析与设想

2.1 发动机选择

直升机系统的控制特性决定了发动机需与飞行控制、旋翼、结构等部分有强的耦合性，直升机系统的使用特性决定了发动机需与自然条件、电磁环境、人为操作等因素有好的适应性，其性能须与总体性能相匹配。根据舰艇安全规定，低燃点的燃油不能在舰载条件下使用，燃油必须为重油。因此，选择发动机成为了舰载无人直升机设计的关键点。

可用于直升机系统的发动机主要有活塞式和涡流轴式两种［2］。活塞式发动机油耗低、启动方便、加速性好，技术成熟、经济性好，但其功率重量比小，适用于轻型机，大中型机一般不使用。用于直升机的涡轮轴式发动机一般为自由涡轮轴式，它允许旋翼转速在较大范围内变化，功率重量比大，但技术和工艺要求高，成本高，适用于大中型机。活塞式发动机常用汽油作为燃油，用于舰载机时需要改进。涡轮轴发动机一般用航空煤油作为燃油，能直接用于舰载机。

从有人直升机的情况来看，起飞重量在1000kg以上的机型，国外与之匹配的涡轮轴发动机技术和工艺都较为成熟，国内有少量涡轮轴发动机产品能满足舰载无人直升机系统的需要。对起飞重量在1000kg以下的机型，满足舰载需要的发动机选择难度较大，重油的活塞式发动机较少，目前国内没有成熟的产品，小功率涡轮轴发动机国外有小量民品，国内没有成熟产品。从舰载无人直升机系统发展来看，起飞重量在1000kg以下的机型用途和适应性更好，处于优先发展地位。因此，以将活塞发动机改造为重油型为主，同步研发小功率涡轮轴发动机，是舰载无人直升机发展应首先解决的技术难题。

2.2 机型选择

机型选择既是系统设计必须解决的关键技术问题，也是舰载条件制约下使用要求的必然反映。机型的设计与气动性能、结构布局、控制规律等密切关联，同时受舰载空间有限、动基座着舰、海拔低等不利条件制约，因而机型选择成为舰载无人直升机设计中更加关键的技术问题。

目前广泛应用的直升机机型主要有:单旋翼带尾桨式、双桨共轴式、倾转旋翼式等［2］。单旋翼带尾桨式靠旋翼提供各个方向飞行的动力，尾桨平衡反扭矩并提供航向机动力，以其结构简单、技术成熟、性价比高等特点，在90%以上的直升机上应用［2］，美国的舰载无人直升机即采用了该方式，但其尾桨增加了功率消耗，加大了纵向长度，带来了安全隐患。双桨共轴式由上下共轴安装、反向旋转的旋翼构成，通过旋翼倾斜和转速调整来产生各种状态的飞行动力，其气动效率高、结构紧凑，被德国、俄罗斯等许多国家的舰载机普遍采用，但其结构复杂、垂直高度大。倾转旋翼式是由两副横向并列布置在机翼上的旋翼构成，两副旋翼反向转动以平衡反扭矩，旋翼的升力提供垂向动力，旋翼向前倾转由升力螺旋桨变为推力螺旋桨提供前飞动力，这样可以提高飞行速度，降低功率消耗，解决失速和阻力发散问题，美国的V22已投入使用［3］。从国内直升机技术的现状看，国产直升机多为单旋翼带尾桨式，设计能力和工艺水平较为成熟。双桨共轴式有技术储备，但成熟产品不多，需要在设计能力和工艺水平上寻求更多突破。其他形式的机型的设计尚需从理论和实践上得到加强。

舰载无人直升机系统用途和使用范围不同，其机型的选择也应不尽相同。考虑技术可行性，在可用空间较小的中小型舰艇上，对载荷能力要求不高的场合，采用双桨共轴式较为理想;在可用空间加大的大中型舰艇上，对载荷能力要求较高的场合，采用单旋翼带尾桨式较为合理。

2.3 舰机协同控制

直升机系统复杂的气动特性、特殊的飞行状态、强耦合非线性不稳定的控制特点，增加了飞行控制系统设计的难度。舰载机更要面临着舰时流场和海浪的不规则、高动态扰动的影响，使得飞行控制特别是舰机协同控制成为控制系统设计的关键。

舰载无人直升机着舰段以外的飞行控制设计时，在充分考虑低海拔、高扰动条件的前提下，采用成熟的直升机控制技术能够较好地完成系统设计，同时考虑到舰载条件测控通视距离有限，应以自主控制为主满足超视距的任务飞行。着舰引导控制是在飞行控制系统的基础上实现的，根据通过测控设备得到的舰船运动与直升机之间的相对位置信息以及任务要求，计算理想的下滑着舰轨迹，通过引导律的计算，得到飞行控制的指令，选择适当的着舰时机，自主完成着舰控制。图2给出了着舰控制系统基本流程。

目前无人直升机着陆控制大多需要人工干预，舰载机更是如此，自主着舰控制技术多以理论研究和简单条件验证为主，只有美国有较为成熟的应用。该技术不仅需要对直升机平台精准的飞行控制，还需要对流场和海浪特性精确的预测，而这两个方面仍然是十分困难的多学科控制技术难题。采用动力学建模和模式识别技术相结合，针对特定的使用条件，能够有效地建立起舰机协同控制模型，完成着舰控制。

2.4 流场与海浪特性的影响

舰载无人直升机的最大难点就是要适应由于风、潮汐等引发的着舰点流场和海浪的影响。这些影响有规律性，但规律较为复杂，特别是定量的规律性研究仍是技术难题，在自主飞行和着舰时又是必须解决的问题。建立起流场特性和海浪特性模型成为舰载无人直升机设计的瓶颈。

无人直升机着舰的区域一般在舰艇尾部的甲板上，其后面是开阔的空间，其前部是舰艇的上层建筑物，这样造成了该区域空气流场特性复杂多变。为确保稳定起降，必须确定起降包络线(又称风限图)，确定风限图就是建立飞行甲板空气流场特性模型的过程。流场特性模型是在不同风速、风向条件下，着舰区不同位置的流速、流向的特征数据的集合，可以用特定数学表达式描述也可用特征数据库描述，主着舰位置垂直面的特征数据需重点描述。每一型舰艇上层建筑、甲板空间等都不完全相同，因而其流场特性模型也不相同，对不同的舰艇需要分别建立不相同模型。建立该模型可以用实际测量数据通过回归分析的方法得到，也可以将舰艇缩比模型在实验室条件下模拟试验条件测试的方法得到，更为科学合理的方法是将两者结合起来。

图2 着舰控制系统流程图

海浪会造成舰体三自由度偏摆及垂直起伏运动，使预期着舰点变成一个三维空间上的活动点，在着舰控制设计时，必须能准确地预测出飞行甲板上直升机起降点的运动规律，并以此为基准设计出最优的起降轨迹，作为起降飞行的跟踪制导依据。海浪的运动是呈周期性变化的，它的周期性是很复杂的，可以假定它为若干个不同频率、不同振幅、不同相位、不同方向的正弦波叠加而成的［4］，以此为基础建立海浪的运动规律。海浪的作用，会形成着舰区六个自由度:纵摇、摇首、横摇、沉浮、横荡和纵荡的合成运动，其中纵摇和沉浮主要导致甲板的垂向运动，舰船的摇首和横摇主要导致甲板的横向运动，使甲板总处于不规则的颠簸运动之中，我们可以用一个六自由度的小谐波振荡(与海浪关联)为基础来建立舰船甲板的运动方程描述其运动规律。相关联的海浪运动规律和甲板运动规律就构成了海浪特性模型。

3 结束语

舰载无人直升机系统涉及的技术多，大多较为复杂，处于研究的前沿领域，本文只是站在技术论证的角度梳理了其中的一部分，需要在工程实践中不断地发现和解决，才能成功研发出完善的产品来。愿能以此作为起点，推进这一领域的不断进步。

［1］杨一栋，编著.直升机飞行控制［M］.北京:国防工业出版社，2011.

［2］蒋新桐，主编.飞机设计手册第19分册直升机设计［M］.北京:航空工业出版社，2005.

［3］赵然.方兴未艾的旋翼无人机［J］.航空知识，2010(11).

［4］海浪谱［EB/OL］.百度 －百科首页.