大型动力翼伞飞行器发展研究

许望晶 王立武 滕海山 刘涛

（北京空间机电研究所，北京 100094）

0 引言

未来的近地空间将充满各类飞行器，承担载人和载货运输。从发展趋势看，较高安全性、低费效比飞行器必将成为发展的重点[1]。

动力翼伞飞行器由冲压翼伞和动力装置共同组成[2]，当不施加任何控制，它同冲压翼伞的飞行特性完全一样，可以完成冲压翼伞的所有任务；当对其施加控制，可等同于固定翼的飞行器，通过对动力装置产生的推力的控制，从而实现对动力翼伞飞行高度的控制。动力翼伞飞行器与固定翼和旋翼无人机相比[3-4]，由于其采用冲压翼伞作为机翼，可提供更大的升力，相比同等起飞质量的固定翼无人机，其有效载荷更大，约是固定翼飞机的数倍；在可靠性和安全性方面，即使在动力系统发生故障，发动机停机的情况下，动力翼伞无人机仍然可以依靠翼伞实现缓降，不会对设备和地面人员造成损伤；动力翼伞操作简便，易于调整方向和飞行路径，其生产成本和维护成本相对同量级固定翼无人机或旋翼无人机更低，有很大的综合成本优势。正因为动力翼伞飞行器具有这样的优点，可满足飞行器高安全性、低费效比的需求，在军、民用领域均具有广阔的应用前景。

参考无人机发展历程和结合翼伞的发展现状，从技术发展和行业需求来说，大型动力翼伞飞行器是动力翼伞的发展趋势。大型动力翼伞飞行器是指采用大型冲压翼伞作为机翼、使用大马力发动机作为飞行动力，起飞质量可达到吨级以上的无人飞行器。但是到目前为止，国内外均还没有大型动力翼伞飞行器，其应用领域有哪些，市场前景究竟如何，技术是否可行，还没有人进行过系统的论证。因此通过对国内外动力翼伞飞行器的技术分析和应用情况调研，结合大型动力翼伞自身的特征，对大型动力翼伞飞行器的发展及关键技术进行研究，希望能够为未来发展提供参考。

1 动力翼伞应用概况

1.1 国外

国外动力翼伞飞行器发展较早，比较典型和影响力较大的是加拿大的Snow-X系列动力翼伞飞行器[5]以及美国的Buckeye试验验证飞行器[6]。

1.1.1 Snow-X系列

Snow-X系列微小型动力翼伞系统由加拿大MMIST公司（Mist Mobility Integrated System Technology Inc）研制，该系列包括Snowflake（雪花）、Snowbird（雪鸟）和Snowgoose（雪雁）三个产品。其设计用途是空投军事补给物资、布撒传单等[7]。

Snowflake是微型翼伞输送系统，主要用于试验，翼伞面积只有1.6m2，有效载荷为控制系统，包括加速度计、陀螺仪、罗盘、GPS和气压高度计等。

Snowbird是人货两用制导翼伞输送系统，输送能力达71kg，具备高空远距离投送能力。系统由14m2翼伞、控制单元和远程控制组成，控制单元利用着陆点坐标，根据有效载荷和风场数据记录飞行航迹，并计算出空投释放点。

Snowgoose是一种无人投送/侦察系统，最初是针对美国特种作战司令部投放传单的要求而研制的，能执行监视、侦察及物资补给任务。其依靠一具方形的67.35m2翼伞来提供升力，最大起飞质量608kg，输送能力270kg，最大航程900km(无风情况下)，最大飞行高度7 630m，最小操作高度61m，采用“航线点”制导模式，飞行控制方式可通过地面人员遥控飞行或预设目标点自主飞行。

CQ-10为Snowgoose原型机，为车载牵引起飞的伞翼无人机，可由“悍马”之类的越野车车载加速至55km/h后放飞，不需要跑道；CQ-10A改进型是精确空投系统，可由C-130、C-141或C-17等运输机进行空投，一架C-130飞机可载4套产品[8]。2001年Snowgoose首飞，2005年1月形成初始作战能力，美国特种作战司令部已经采购了200多套Snowgoose系统装备部队，技术性能优异。

1.1.2 Buckeye

在研制 X-38的大型翼伞归航控制系统时，美国先锋公司采用了 Buckeye作为试验验证飞行器，用于试验翼伞及归航控制系统。Buckeye飞行器爬升到一定高度后，动力关机，进行归航系统验证试验，当到达一个最低高度时，通过地面遥控指令重新启动发动机以爬升到一定高度进行下一个归航系统验证试验。Buckeye飞行器系统具备起飞和爬升能力，由归航系统实现返回和着陆[9-10]。

Buckeye飞行器起飞质量约304kg，采用46.4m2运动翼伞，发动机关闭后的升阻比为3.5~4.0，最大飞行速度45km/h，配有可测量速度、姿态和机身角速率的测量装置，利用飞行轨迹追踪并评估导航性能，以验证X-38的大型翼伞归航控制系统[11]。

1.2 国内

目前我国研制出动力翼伞飞行器，并经过相关试验验证的主要有中航工业航宇公司和中科院的沈阳自动化研究所，均为小型动力翼伞飞行器，具体情况如下。

1.2.1 航宇公司柔翼无人机

航宇公司共研制了2款柔翼无人机：SYW-1用于消雾作业，起飞质量220kg，可以承受的最大有效载荷为70kg，通过卡车拖曳完成，最小起飞距离为50m，其每次加油可以留空3h以上[12-13]；SYW-2是在SYW-1的基础上，专为农业播撒而设计，起飞质量从220kg增加到370kg，载荷质量达到150kg，续航时间5h[14]。

1.2.2 沈阳自动化所软翼无人机

沈阳自动化所开发的无人动力伞是应国家地震搜救队研制的，旨在解决大范围灾情搜索、重要救灾物资远距离投放的难题。其原型是借鉴了双人动力翼伞，将其控制系统更改为自动控制，于2015年完成了4 000m高海拔飞行性能测试、自主飞行试验、远距离物资投放试验等飞行测试。该型动力伞装备能够续航4h以上，具备200kg载荷能力，可在海拔4 000m进行稳定飞行。同时，该装备配备了可见光及红外光电载荷，适合在地震灾害发生时进行震区的快速信息获取与物资投放，为国家地震搜救队提供了一种信息搜索和物资投放两用型无人空中装备[15]。

1.3 小结

通过以上对国内外动力翼伞飞行器的应用情况的调研分析可知，目前国内外使用的动力翼伞飞行器均为中小型的飞行器，最大起飞质量不超过700kg，国外在军用和民用上都有应用，国内主要用于民用。

根据调研结果分析，动力翼伞飞行器主要可实现以下两个目标：

1）作为运载飞行器，用于实现物品的空中运输和挂载荷带飞（Snow-X等），如图1所示。这实际是一种功能齐全的慢速无人机，系统具备飞机的基本功能，包括起飞、巡航到降落。

2）作为试验验证飞行器，用于试验翼伞及归航控制系统（Buckeye）。试验验证飞行器是一种功能简单的无人机，飞行器爬升到一定高度后，动力关机，进行归航系统验证试验。系统具备起飞和爬升能力，由归航系统实现返回和着陆。

图1 作为运载飞行器示意Fig.1 As a carrier aircraft

2 大型动力翼伞的应用分析

动力翼伞是在传统翼伞基础上发展产生的一种新型柔性飞行器，除了拥有传统翼伞的飞行特性之外，还可以依靠动力推进装置实现高度的控制，未来随着技术的进步与发展，动力翼伞的最大起飞质量将达到吨级以上，可实现24h以上的续航时间，大型动力翼伞的应用前景更为广阔。而大型动力翼伞具有有效载荷更大但同时技术难度也更大的特点，需要综合考虑应用场景、需求、成本，选择更适合大型动力翼伞飞行器的应用方向。

2.1 民用领域

经调研分析，在民用领域，动力翼伞飞行器可进行以下应用，如表1所示[16-19]。

表1 动力翼伞飞行器在民用领域的应用Tab.1 The application of powered parafoil aircraft in civil field

对于大型动力翼伞飞行器来说，在民用领域更适合用于农林业植保平台以及大型物流运输平台。

（1）农林业植保平台

我国目前有400多架飞机在大面积的垦区和农场从事农业航空工作。在大型农场或林场运用国产的“农业5”、“Y5B”、“Y11”等固定翼机型进行农业航空作业，但受机场和专用跑道限制，不能推广，且有人驾驶飞机成本髙、调度困难、危险性大，特别是超低空飞行进行农药播撒时，距离地面太近，危险性高[20]。

农业航空播撒作业要求无人机具有低空、低速、平稳飞行、耐用性、操作简易性、经济性好等特点。现在常见的可低空飞行的无人机主要是直升机式和多旋翼式，有效载荷都在20kg以下，无法满足大面积作业任务需求，且受机体和有效载荷限制，田间作业时无法完全实现智能化。

大型动力翼伞的载药量可达到吨级以上，并具有超低空飞行的特性，飞行高度可低至7~10m，且飞行速度低（40~50km/h），非常适合大面积的播撒杀虫药剂、种子等。同时可事先设置好飞行区域航线，放飞后只要在地面进行监控，必要时进行人工操纵干预，整个播撒过程简单可行，安全可控，因此大型动力翼伞飞行器在农林业植保方面具有无可比拟的优势。

我国是农业大国，基本农田面积约18亿亩，2014年“中央1号”文件，将农业机械化和自动化列入“中国制造2025”中重点发展的十大领域之一，预计未来10年，我国农林植保无人机规模将达到221亿元[21]。

有人驾驶的固定翼飞机受机场和专用跑道限制，不能推广，且成本高、调度困难、危险性大；无人机有效载荷小，无法满足大面积作业需求，又受机体限制，无法进行智能化田间作业。而大型动力翼伞飞行器与固定翼飞机相比，不需要驾驶员，不需要专用跑道，起飞降落方便，可低空或超低空飞行，安全可靠；与无人机相比，有效载荷大、飞行时间长、可自主飞行控制，可进行大规模、大面积农业播撒飞行作业，因此在农林业植保市场具有极大的应用前景。

（2）大型物流运输平台

无人机因其机动、灵活、快捷的特性，被国际物流巨头看作是未来物流的运输载体[22]。为了解决小型无人机续航时间短和有效载荷小的问题，“顺丰”、“京东”也在投入财力、物力、人力布局支线大型货运无人机，如“顺丰”的“飞鸿-98”无人机以及AT200。“飞鸿-98”无人机以“运五-B”运输机为基础平台，最大起飞质量5.25t，最大有效载荷1.5t，最大容积量15m3，飞行高度4 500m，巡航速度180km/h，最大航程1 200km，起飞与着陆距离最短仅有150m。此外“京东”的“京鸿”大型货运无人机也在研制中，无人机物流行业有望在未来几年内达到百亿市场规模[22]。

大型动力翼伞飞行器与大型货运无人机相比，具有有效载荷大（目前全球首款大型货运无人机AT200起飞质量3.4t，有效载荷最大1.5t，有效载荷比0.44，而大型动力翼伞飞行器起飞质量4t时，有效载荷可达2.5t，有效载荷比0.625），成本低（AT200的原型机是Pacific P-750，售价约1 200万元，维护成本高，而4 t级动力翼伞飞行器仅约为其1/2~2/3），使用维护成本低，操作简单，对起飞降落场地要求低、起飞距离短，可以在土坡、草地上起降飞行，通过飞行姿态控制，可以实现精确定点降落。相对来说，大型动力翼伞飞行器更加具有竞争力。

因此大型动力翼伞飞行器作为现代物流运输手段的有益补充，在铁路和公路运输不发达的地区以及特种货物运输领域有着广阔的应用前景。此外大型动力翼伞飞行器的燃油和货物存储箱可采用模块化设计，使用者根据任务的不同距离和载荷来调配两者的比例，而且既可以直接精确降落在目标区卸下货物，也可以在飞行到目标区上空时准确空投货物。

2.2 军用领域

经调研分析，在军用领域，动力翼伞飞行器可进行以下应用，如表2所示[4]。

表2 动力翼伞飞行器在军用领域的应用Tab.2 The application of powered parafoil aircraft in military field

对于大型动力翼伞飞行器来说，在军用领域更适合用于重型物资补给运输，尤其是作为海上舰艇补给运输平台。

海上补给是现代海上作战，特别是中远海作战必须采用的后勤保障手段。借助于海上补给，可以增大舰艇的作战半径，延长舰艇在海上的逗留时间，减少舰艇对基地的直接依赖程度，提高远航舰船的生存能力，增强作战舰艇的战斗力。国内外海军都在寻找一种精确、灵巧且相对便宜的后勤补给工具，以提高在现代高科技战争条件下的海军后勤综合保障能力。目前常用的是利用直升机进行垂直补给，但垂直补给对直升机驾驶员要求高，需要经过专门训练，成本较高[23]。因此将大型动力翼伞飞行器作为海上舰艇补给运输平台开展海上补给，如图2所示，相对直升机来说，所占空间小，养护维护简单方便，且无需驾驶员操控，成本将大幅下降，有效载荷也大幅提高，从而减少了补给次数，提高了工作效率。

我国“903型”大型补给舰，舰长171.4m，宽24.6m，最高航速至少为19节（35km/h），新建的“901型”补给舰，舰长239.5m，宽30.5m，最高航速25节（35km/h），完全可以用于大型动力翼伞飞行器的起降，大型动力翼伞飞行器采用可控动目标协同归航方案[24]，将舰船作为可控的动目标，在翼伞的着陆末段协同机动，可以有效地将落点误差控制到5m以内，实现精确着舰。

图2 大型动力翼伞飞行器海上补给示意Fig.2 Supplies at sea by large power parafoil aircraft

2.3 科研领域

在科研领域，大型动力翼伞飞行器除了可以用于大型翼伞归航控制系统验证外，还可以作为空投试验平台。空投试验是回收系统用于验证降落伞性能、回收系统整体性能广泛采用的一种方法，目前一般采用热气球、飞机作为空投试验平台。大型动力翼伞飞行器作为空投试验平台见图3。

图3 大型动力翼伞空投试验平台运行示意Fig.3 Large power parafoil aircraft airdrop test platform

一般空投试验平台的有效载荷比在 0.125~0.36，且空投试验费用昂贵。而大型动力翼伞平台的有效载荷比可达到0.625，且大型动力翼伞平台组成相对简单，对气动外形要求不高，受气象条件的限制小，相关研制费用、成本相对较低，非常适合作为空投试验平台。

将大型翼伞飞行器作为空投试验平台，使其具备直升机、运输机或轰炸机载荷投放能力，并最终开发出具有投放能力的动力翼伞飞行器，不仅可以解决回收系统空投试验协调难度大、费用高等一系列问题，同时还可兼顾进行其他载荷挂飞试验等，将可创造巨大的经济效益和提高系统的试验能力。

2.4 小结

通过以上对国内外动力翼伞飞行器的应用情况、应用领域及市场调研分析，结合大型动力翼伞飞行器有效载荷大的特点，其既可以用于军用领域的大型物资补给运输、科研领域的验证归航控制平台和空投平台，还可在民用领域的农林业、物流行业等大展身手，应用前景广阔，因此开展大型动力翼伞飞行器的相关研制工作，以满足应用需求。

3 关键技术分析

与中小型动力翼伞飞行器相比，大型动力翼伞飞行器由于采用了大型冲压翼伞作为机翼、使用大马力发动机作为飞行动力，技术难度更大，其研制难点在于大型翼伞、大载荷和大马力发动机的匹配问题以及考虑动力系统和大载荷下飞行器的自主控制问题，这也是国内外未有大型动力翼伞飞行器的重要原因。

经梳理分析，大型动力翼伞飞行器关键技术包括总体设计技术、大型翼伞技术、动力技术、控制技术以及起降技术等[25-26]。

1）总体设计技术。大型动力翼伞飞行器用翼伞取代了机翼，靠翼伞产生上升的升力，且飞行速度相对较慢，对气动外形要求不高，因此在总体设计时不需要专门进行气动布局设计，主要是考虑大型翼伞、大载荷和大马力发动机的参数匹配设计，给出性能指标，在动力学模型和气动参数仿真基础上进行总体设计，分析有风情况下动力翼伞的平飞、爬升、转弯、盘旋的飞行特性，同时分析动力翼伞发动机推力和爬升速度之间的关系及翼伞左右后缘下偏量与转弯半径之间的关系，为动力翼伞飞行控制提供依据，并设计试验方案进行性能验证。

2）大型翼伞技术。为了满足起飞质量达吨级的动力翼伞飞行器，翼伞面积至少为 80m2，目前国外已经研制出近千平的精确空投用大型翼伞，但国内研制成功的翼伞最大面积仅为80m2，目前在研制300m2的大型翼伞。大型翼伞设计需要综合考虑翼型、翼面形状、前缘切口、安装角、前视弧度等参数对翼伞滑翔、转向控制及雀降等气动性能的影响，同时还要兼顾大型翼伞的折叠、充气展开、强度等性能，需开展更多的理论研究及试验验证，才能获得可靠性较高、滑翔及操控性能满足要求的大型翼伞。

3）动力技术。动力系统主要用来产生推力或拉力，为飞行器提供前进的动力，其次还可为飞行器上其他用电设备提供电源等[27]。动力系统由推力控制实现前向和高度方向控制，发动机的选型决定了飞行速度、升限等，螺旋浆式需考虑动力偏心作用，需设计合适的安装角，发动机与螺旋桨的匹配以及螺旋桨的气动性能都是最终确定发动机的重要依据，通过装油量设计来控制航程和航时。大型动力翼伞飞行器的飞行速度相对较低，不能使用喷气式的发动机，以免喷出的气体或火焰在起飞或着陆过程中烧坏翼伞，因此比较适合大型动力翼伞飞行器的动力装置主要有大型活塞式航空发动机和涡轮螺旋桨发动机等，需根据技术需求和成本进行综合考虑。

4）控制技术。动力翼伞的控制是由控制操纵绳和油门来进行。通过对动力翼伞的两根操纵绳实现航向的控制，通过推力调节实现飞行速度和飞行高度控制[28-29]，同时需要考虑翼伞的飞行控制与动力装置的匹配性问题。翼伞作为一个复杂的大延时、高迟滞、大惯量的非线性系统，实现精确操纵难度较大，在考虑环境随机风场、避障及动力系统等因素影响下，控制飞行器实现精确着陆更难，需要对航迹规划和航迹跟踪控制算法进行重点研究。首先要进行基于左右操纵绳之外的动力系统及控制特性仿真计算，得到起飞过程中的不同动力系统功率下的起飞时间、起飞距离以及起飞角度等变化趋势，并修正起飞控制程序使飞行过程趋于平稳。其次在降落过程，开展不同的动力输出特性下垂直降落速度变化关系计算，在最大降落跑道长度约束下，进行零垂直速度下动力控制参数的设计，实现大型动力翼伞飞行器高度及航迹可控的飞行控制。

5）起降技术。大型动力翼伞飞行器起降均为自主起降，尤其是起飞质量增加后，对控制要求较高。起飞需适应地面汽车拖曳方式起飞和空投这两种方式，降落可采用结构简单、质量较轻的滑橇式起落架方式着陆。为实现自主起降控制，需开展带动力条件的动力学模型研究和飞行控制方法研究，针对自主起飞着陆过程开展起飞着陆姿态控制、航向控制及更高精度的位置控制技术研究，同时开展翼伞起飞初始充气及着陆雀降减速方法研究。

综上所述，虽然目前国内外未有大型动力翼伞飞行器，但其涉及的关键技术以现在的技术水平来说，通过相关技术研究和攻关，是可以突破的。

4 结束语

动力翼伞飞行器具有有效载荷大、安全可靠、飞行时间长、操作易便和成本低廉的优点，国外军民用都有应用，国内主要用于民用。但目前国内外使用的均为质量不超过700kg的中小型飞行器，还没有大型动力翼伞飞行器的使用先例。

通过对国内外动力翼伞飞行器的应用情况调研及分析，大型动力翼伞飞行器应用前景广阔，在军用领域可以用于战场大型物资转运，还可用于海上舰艇补给等；在民用领域，可以重点突破农林业植保市场和物流市场；在科研领域，可以替代直升机和运输机作为空投试验平台，还可作为试验验证飞行器，用于验证大型翼伞归航控制系统。

通过对大型动力翼伞飞行器关键技术的梳理及系统分析，目前研制大型动力翼伞飞行器，在技术上没有不可克服的困难，后续可分步实施，逐级推进，先进行1t级动力翼伞飞行器的研制和开发，积累动力翼伞飞行器技术基础，而后随着国内大型翼伞技术的突破，开展更大型动力翼伞的研制，形成系列化产品平台。