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无人自转旋翼机现状及在军事领域的应用研究

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无人自转旋翼机现状及在军事领域的应用研究

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摘   要 
介绍了自转旋翼机的工作原理、特点、发展 历程和现状 ,提出了开发军用无人自转旋翼机的设想,根据无人自转旋翼机的一些独有优势,对其军事用途及前景进行了探讨,并简要分析了研制无人自转旋翼机的技术途径及可行性。研究结果表明,无人自转旋翼机优势独特,具有很好的军事用途和应用前景 ,技术可行 ,发展前景广阔
 
引   言 
2O世纪90年代以来,伴随着一场以信息化为标志的新军事革命浪潮的到来和几次美 国主导的高 技术局部战争 ,无人机得 以大放异彩 ,成为现代军 事领域的时代宠儿之一 ,在世界范围内获得了狂飙 突进似的发展。在当今 的军事领域 ,几乎所有类型 的有人机均有与之对应的众多无人机型号被投入使用或正在研发 ,这 已经成为一种普遍的发展趋势。 在这个趋势中,自转旋翼机作为一种特殊类型的飞 机 ,自1923年 由西班 牙人西 尔 瓦发 明到 20世纪末 ,经过 了近 80年的沉寂 ,在进入 2l世纪 以来 , 因其所具备的一些独有的特点和优势 ,首先在西方 发达国家的民用领域再次兴起使用 和发展 的热潮。 随之而来的则是无人机和 自转旋翼机这两股发展热 潮相结合产生的一个新的无人机类型——无人 自转 旋翼机 ,尽管研究报道还很少 ,但近几年 已开始渐 人人们的视野 ,而一项新技术往往首先考虑的应用 场合又是军事领域。因此 ,本文主要就无人 自转旋 翼机在现代军事领域应用中的相关 问题进行初步 的 探讨 ,以期对今后的相应研究 和产品开发提供一些方向性的参考。
1 自转旋翼机工作原理及特点
旋翼机的全称为自转旋翼机 (A utogyro 或 G yro—p lan e ) , 简 称 旋 翼 机 或 自 旋 翼 机 , 又 称 风 车 飞 机 , 是一种以 自转旋翼提供升力 、螺旋桨提供前进动力 的旋翼类飞行器。自转旋翼机的工作原理介于普通 固定翼飞机和直升机之 间,但又完全不同于 固定翼 飞机和直升机 。其基本工作原理如图 1所示 ,从外 形上看 ,旋翼机与直升机往往极为相似 ,但它不是 直升机 ,除 了相当于固定翼被一副旋翼取代外 ,其 它方 面的工作原理则更接近于普通 固定翼飞机。旋 翼机的顶部装有一个大直径的旋翼 ,但与直升机不 同的是 ,旋翼机的顶部旋翼不与发动机连接 ,而是 可 自由旋转且有一定 的后倾角度。在机身尾部 (或 机头位置)则单独安装有一台螺旋桨发动机 ,用于 推进其 向前飞行 ,在 向前飞行过程 中,由前方吹来的气流吹动顶部旋翼旋转为飞机提供升力 。因此 , 旋翼机需要通过一定距离的滑跑加速起飞,在空中 也需要保持一定的水平速度 。其飞行 中的控制则与 固定翼飞机一样 ,主要是 由尾部的方 向舵和升降舵 来实现的。有的 自转旋翼机设计 中,起飞时需要提 供预旋 ,即起飞时由发动机通过传动装置将旋翼预 先驱动旋转 ,以减小滑行距离 ,有 了一定前飞速度 后 ,再通过断开离合器切断发动机动力 ,旋翼就可 以依靠前方来 流吹动而使其处于 自转 状态正常 飞 行 。还有的旋翼机采用安装翼尖火箭或风扇吹动的预旋方式协助起飞。旋翼机的升力通过主旋翼的 自旋转提供 ,不会产生反扭矩 ,没有发动机至旋翼 的 减速和传动装置 ,不需要平衡旋翼反扭矩 的尾桨 , 而且旋翼机不采用偏 转桨叶的方式提供 前飞 的拉 力 ,平飞时的气 动效率 比直升机高的多 。因此 ,旋翼机的机身较直升机短,结构也 比直升机简单很多 ,空重比小,维护操作简 单 。
作为一种完全不同于固定翼飞机和直升机的飞 机 ,旋翼机具有以下几个主要特点 :
1)具有与直升机极为相似的外形特征,特别是 旋翼和机身外形 ,通常均采用与直升机非常接近的 外形设计 ;
2)具有极端缓慢飞行 和极低高度飞行 的能力 , 空中最低飞行速度可达到 10m/s以下,接近直升 机悬停状态 ,飞行高度可接近零 ;
3)起飞或着陆距离很短,具有超短距起飞和近 乎垂直着陆的能力 ,通常起飞距离可达 10~70m, 着陆距离可达0—15m,对场地要求很低,不需要 专用机场跑道 ;
4)具有较高的续航能力和较大的载荷能力 ,最 大载荷能力可达最大起飞质量的 40% ;
5)安全性高 ,因其飞行采用 的是风车原理 ,即 使在强风和发动机空 中停车等极端情况下 ,仍能保 持飞行或安全降落 ,在航空器领域素有最安全的飞 机之称 ;
6)结构和机载控制系统简单 ,造价低廉 ,经济 性好 ,约 为直 升机成 本 的 1/5—1/10,操纵 简单 ,维 护成本低 。
2 自转旋翼机的发展历程和现状
自转旋翼机在1923年被发明,是先于直升机 的旋翼升力原理的最早应用 ,并经历了近 20年的 发展热潮。但 由于其悬停能力不及直升机 ,高空高 速性能又无法与 固定翼飞机相 比,而当时航空事业 尚处于早期发展阶段 ,人们 首先追求 的还是高度、 速度、载荷 、机动等主流指标 ,尽管 自转旋翼机有些独特优势 ,但仍然很快被忽略。所 以,直升机 在 1939年正式问世以后,自转旋翼机的发展很快 沉寂下来 ,之后数十年 中,飞机领域的发展焦点始 终锁定在固定翼飞机和直升机两大分支上,已经完 成 了几代、成千上万种型号的发展 ,而 自转旋翼机几乎消失在人们 的视野之 中。
进 入 21世 纪 以 来 , 自 转 旋 翼 机 再 次 兴 起 。其 再 次兴起 的背景首先是作为一种安全、简单 、便宜的 航空运动器材 ,发端于西方发达 国家的航空运动爱 好者群体 ,进而在其它 民用领域迅速扩展开来 ,这 股 自转旋翼机复兴的潮流得到各国政府和军事部门 的及时关注后 ,其 开发应用 又开始进 入 了军 事领 域 。再次兴起的主要原 因有 4方面 :一是其独有的 优 势 ,如 安 全 性 高 、简 单 、经 济 等 被 人 们 重 新 认 识 , 潜在价值被发掘 出来 ;二是新技术的发展和应用大 大强化 了这些独特优势 ,现代技术赋予 了自转旋翼 机新的内涵和生命力 ;三是经济条件 的改善 ,使很 多民用部门和普通人有条件开发和使用这种相对廉 价的飞机 ;四是现代军事作战手段需求 的多样化使 特点鲜 明的 自转旋翼机又有 了新 的用武之地。据统 计 ,目前仅在美 国注册 的 自转旋翼机就有数万架 , 从事 自转旋翼机研制生产的部 门和公 司有数十家。 在德 国、西班牙 、意大利、加拿大等主要西方国家 , 自转旋翼机的使用也已非常普遍 ,有很 多公司从事 该产品的开发生产 。目前,国际上 比较有代表性 的 产品有:美国GBA公司经典的Hawk-4和该公司 2010年 最 新 推 出 的 7 座 Ar row Hawk多 用 途 旋 翼 机 ( 如 图 2 所 示 ) 、 美 国 C arter 公 司 的 C a rte r C op te r 高 速 旋 翼 机 、 英 国 的 皇 家 R A F 2000 旋 翼 机 、 捷 克 的 空 中 快 帆 旋 翼 机 、 西 班 牙 E L A 公 司 的 E L A -0 7 S 系 列 旋 翼 机 、意 大 利 的 MagniGyro旋 翼 机 、德 国 Auto— gyro公司的 MTOsport和 Calidus轻型旋翼机等。上 述系列产 品中 ,很多都有相应 的警用或军用型号 。 此外 ,据有关资料 ,GBA公 司在美 国政府 的资助 下,正在进行新型喷气式 自转旋翼机的研发, GBA 和 Carter公 司 正 在 合 作 为 美 国 军 方 研 发 大 型 军用运输型自转旋翼机(图3为其公布的设计构 想 图 )。 对于无人 自转旋翼机 ,目前 国内外的研究都 比 较少。据文献报道 ,瑞典陆军曾推出了一种侏儒无 人 白转旋翼机 ,可 搭载摄像 机等任务 设备用 于侦 察,全机质量 100kg,最大任务载荷 20kg,最低飞 行 速 度 30 km /h , 滞 空 时 间 可 达 3 ~ 5 h。 总 体 上 , 世 界范围内的无人 自转旋翼机产 品的报道还非 常少 见 ,一些相关研究工作也基本上集 中于少数 大学等 研究机构的理论性研究层面 ,以及原理性验证样机 阶段。可以说,在无人自转旋翼机开发使用方面, 目前还没有哪个 国家形成规模产业和产 品系列 ,基 本还都处于 尚未真正起步阶段 ,因此 ,有着广阔的 发 展 空 间 。

3 自转旋翼机的军事用途及其优势和前景

理论上 ,无 人 自 转 旋 翼 机 既 然 属 于 无 人 机 , 那 么其它类型无人机 的大部分用途也都适合于它 ,但 为避免讨论过于泛泛 ,本文重点围绕无人 自转旋翼 机的几个独特优势 ,对其在军事领域 内的几种用途进行 探讨 。
3.1 用作模拟直升机靶机及其优势和前景现代防空导弹武器系统 的试验、训练通常都有打击直升机靶标的需求 ,有人直升机无法 当作靶机用于实弹射击 ,用无人直升机做靶机又存在着成本高昂的问题 ,而无人 自转旋翼机具有与直升机极为相似的外形和旋翼特征、极低速飞行能力和造价低廉等特点 ,用作直升机靶具有得天独厚 的优势。第一通常导弹对直升机 目标进行捕获时,在直升机 速 度 较 高 或 导 弹 上 视 攻 击 时 ,主 要 捕 获 机 身 的 RCS;但在导弹下视攻击且直升机速度较低或悬停 时 ,由 于 相 对 速 度 过 低 ,机 身 的 RCS 与 地 面 背 景 杂 波难以区分 ,这时导弹导引头主要靠捕获直升机旋 翼 的 动 态 R CS 特 征 来 识 别 目 标 。 原 理 是 旋 翼 的 高 速 周期性转动,使旋翼散射电场 幅度和相位呈现周期 性变化 ,产生微多普勒现象 ,从而对雷达波产生明 显的多普勒效应 ,根 据雷达信 号多普勒频 谱 的特 征 ,导弹导引头就可 以识别 出 目标。因此 ,作为模 拟直升机的靶机 ,旋翼是必不可少的 ,无人 自转旋 翼机恰恰具备这一条件。第二,无人 自转旋翼机尽 管不能达到完全“悬停”的状态 ,但却具有与直升机 相 同的极低速飞行的能力 ,最低飞行速度可 以低到 20 ~ 40 km /h , 作 为 一 种 飞 行 器 来 说 , 如 此 低 的 速 度与直升机的悬停状态已经十分接近。在实际飞行 使用中,再对空 中风速加 以利用 (如做迎风极低速 飞行时),则在一定时段 内,是可 以模拟 出直升机 的悬停状态的 ,这是用作直升机靶的又一个独有优 势 。第三,靶机作 为一种消耗性产品 ,不 同于其它 类型无人机的一个特点 ,就是必须成本低 、好操作 和易维护 ,而 自转旋翼机结构简单、造价低廉 ,通 常 是 同 级 别 直 升 机 成 本 的 1/5 ~ 1/10, 操 纵 简 便 、 维护成本也低。因此,从成本角度考量,无人 自转 旋翼机用作直升机靶也是非常适合的。 英国《国际飞行》曾报道 ,美 国陆军靶机管理办 公 室 (TM O )拟研究采购一种新的低成本直升机靶标。这表 明,低成本的直升机靶标对 当前各国防空 武器系统训 练、试 验和实 战效能考 核都是一 个难 题。因此 ,如果能成功开发 出基于无人 自转旋翼机 的低成本 直升机靶标 ,其应 用前景 无疑将是 广阔 的。 
3.2 用作空中侦察平台及其优势和前景
无人 自转旋翼机通过加装可见光、红外 和 SAR 等机载侦察设备 ,即成为一种无人空 中侦察平 台, 可广泛应用于战时的敌方 目标侦察 、平 时的边境和 领海巡逻等场合。用作 空中侦察平 台时 ,无人 自转 旋翼机与固定翼无人机相比有两大突出优势:
 1)它具有的超短距起飞和近垂直 点式降落 的 能力 ,使其不必依赖机场起降 ,也不需要火箭助推 发射和伞降回收等复杂操作及专用发射 回收系统 , 对起降场地、风速等基本没有要求 ,随时随地可完 成起 降,操作简单快捷 ,回收落点精确 ,在这一点 上 ,它 比很多固定翼无人侦察机更 机动灵活 ,进而 更适应复杂多变的战场环境 ,因此 ,可以将其配属 到营级以下的前沿部队使用; 
2)它具有独特的、与直升机相似的超低空和极 低速飞行的能力 ,可以在遂行侦察或巡逻任务时 , 充分发挥其低空低速优势 ,以超低空和极低速飞行 状态,对敌方或可疑 目标进行“抵近侦察”,以取得 更好 的侦察拍摄效果 ,这一点也是一般 固定翼无人 侦察机无法做到的。 用作空 中侦察平台时 ,无人 自转旋翼机与无人 直升机相 比,主要优势在于 :结构简单 ,因而故障 率低、易于维修 ,在战场条件下,这一点尤为重要 , 也更适合一线部队使用。鉴于上述优势 ,无人 自转旋翼机 (特别是小型 的)作为侦察平台 ,至少在一线营以下作 战部 队具 有很好 的应用前景 。
3.3 用作空中打击平台及其优势和前景 无人 自转旋翼机通过挂装导弹、火箭弹、精确 制导炸弹等杀伤性武器或催泪弹等非杀伤性武器 , 即成为一种无人空 中打击平 台,可用于战时对敌方 目标直接进行火力打击 ,尤其适合 于城市环境下或 人 口密集区的反恐作战 ,这也是 由其独特优势决定 的。一方面 ,可以利用其低空低速的优势,对恐怖分子窝点进行近距离打击 ,从而最大限度地保证打 击的精确性 ;另一方面 ,有经验表明 ,现代反恐作 战中,恐怖分子往往选择城市和人 口密集区作为发 动恐怖袭击的地点 ,并采取混迹于民众之中的方式 掩护 自己。因此 ,无人直升机或 固定翼无人机被地 面火力击伤或空 中出现故障时容易 坠毁 ,会严重威 胁地面无辜民众安全,而无人自转旋翼机凭借其作 为最安全飞机的独特优势 ,即使被击伤或空中出现 故障 ,只要旋翼没被彻底打掉或损毁 ,它就能继续 靠旋翼 的自转提供升力 ,像风车一样 以较为缓慢的 下降速度降落到地面,从而可以最大限度地避免对 地面人 口密集区的威胁。所以,基于上面这两个方 面的优势 ,无人 自转旋翼机作为空中打击平台的发展前景也是值得期待的。 
4 自转旋翼机研制的技术途径及可行性
无人
自转旋翼机的研制通常可采取两种技术途 径 :一种是在有人机平 台的基础上将其改装成无人 机 ,另一种是进行全新 的研制。通过有人机改装方 式的优势在 于可减 少研制 的工作量 ,降低技 术风 险 ,缩短研制周期 ,节省经费 ;劣势在于不能进行 “量身订制”,受限于原有平台的设计局 限,个别功能指标要求有时不能完全实现 。全新研制 的方式 , 则与改装 的方式正相反 ,优势在于能根据使用需求 进行“量身订制”和全面的优化设计 ,最大限度地达 到功能指标要求 ;劣势则在 于研制的工作量大 ,技 术风险高一些 ,研制周期较长 ,经费量较大。 4.1利用有人驾驶自转旋翼机改装首先 ,应根据研制技术要求进行平 台的选 型, 即选择一种合适 的可供改装 的有人驾 驶旋翼机平 台。平台选型应遵循 以下 5个 主要原则 :性能指标 的符合性好 ;易于改装 ;价格合适 ;后续供货和服 务渠道稳定 ;优先选择主流品牌。 
其次,改装内容主要包括以下4个方面:加装 飞控系统、加装供电系统、改造燃油系统、加装遥 控遥测系统等。其 中,研制和加 装飞控系统 是核心 的改造 内容 ,而系统建模和控制律 的设计又是其 中 的关键技术 ,在无法获取原型机平 台详细 的气动数 据和飞行动力学模型等设计资料的情况下 ,可 以采 取一种简单而有效 的方法来 实现 ,即系统辨识 技 术 。通过专 门研制的记录仪 ,记 录飞机在有人驾驶或遥控飞行过程中的输人指令和飞机的输 出响应动 作 ,再根据记 录数据 ,对系统模型进行结构辨识和 参数估计 ,以此获取初步的系统模型后 ,进行控制 器的设计研制 。在这个过程中,尽管需要大量的飞 行架次数来获取足够的数据,以对模型进行修正完 善 ,但这种方法是有效的 ,在一些无人直升机研制 中已经得到了广泛应用和验证 ,技术上是可行的。 
4.2 立足现有成熟技术全新研制 
从总的技术途径来说 ,全新研制一种无人旋翼 机和研制一种普通固定翼飞机没有太 大的区别 。首 先 ,都要进行气动外形设计、风洞试验、结构设计 、 发动机选 型、设备 布置等 总体方案设 计工作 。然 后 ,再进行各分系统详细设计和工程研制。最后 , 完成总成 、联调和试 飞。在关键技术方面 ,大部分 旋翼机的主旋翼与发动机是断开的,中间没有复杂 的减速器和传动 系统 ,主旋翼 自转不存在反扭矩 , 因而不需要尾桨及传动系统 ,也不存在主旋翼振动 下传 的问题 ,技术复杂度 、难度远低 于直升机 ,基 本与 固定翼飞机相 当。与固定翼飞机相 比,其主要 的特殊性在于用旋翼代替 了固定机翼 ,因此 ,旋翼 的设计研制是无人 自转 旋翼机 的一个 主要关键技 术 ,但通常可 以参照世界上相近旋翼机或直升机产品直接选用成熟的翼型,条件允许也可以专门设 计。另外 ,为了实现无人 自转旋翼机全 自主 飞行 , 起飞滑跑和降落过程的 自主控制相对复杂一些 ,要 建立非线性时变系统的数学模型,并完成相应控制策略的设计 ,有一定的难度 ,但仍然 比无人直升机 的难度要低 的多 ,目前 的技术水平 都是能够解 决 的。 
5 结束语

回顾无人机诞生、发展和兴起 的历程 ,走过的是一条从靶机 、侦察平台到打击平 台的道路 ;总结 无人机在近2O年来技术水平突飞猛进的经验,则 主要得益于以信息化为主的各领域新技术的运用和 新军事需 求 的牵 引。可 以预测 ,在未来一 二十年 内,无人 自转旋翼机也很可能会 重复这样 的兴起路 径,以其固有的特色优势,在新军事需求的牵引 下 ,将近几 十年航空 领域积 累的技术成果运 用其 中,首先在靶机 、侦察平台和打击平 台 3个军事应用领域 ,迅速起步并走上发展 的快车道 。 
 
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