无人驾驶直升机的技术发展及其关键技术

第22卷　第1期　2004年3月

飞　行　力　学

FL IGH T D YNAM I CS

V o l

.22　N o .1M ar .2004　

收稿日期:2003204201;修订日期:2003211201

作者简介:彭延辉(19772),男,黑龙江哈尔滨人,硕士研究生,主要从事旋翼空气动力学、气动噪声的研究;

徐国华(19632),男,江西临川人,教授,博士生导师,主要从事旋翼空气动力学和气动噪声等方面的研究。

文章编号:100220853(2004)0120001205

无人驾驶直升机的技术

发展及其关键技术

彭延辉,徐国华

(南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室,江苏南京210016)

摘　要:介绍了无人驾驶直升机的系统组成和技术特点,重点讨论了当前的研究进展和控制技术的发展,分析了发展无人驾驶直升机的关键技术,并对未来无人驾驶直升机的发展方向提出了展望。关　键　词:无人飞行器;直升机;关键技术中图分类号:V 27511 文献标识码:A

引言

无人驾驶直升机(以下称无人直升机)是指由无线电地面遥控飞行或和自主控制飞行的可垂直起降(V TOL )不载人飞行器,在构造形式上属于旋翼飞行器,在功能上属于垂直起降飞行器。近十几年来,随着复合材料、动力系统、传感器、尤其是飞行控制等技术的研究进展,无人直升机得到了迅速的发展,正日益成为人们关注的焦点。

无人直升机具有独特的飞行性能及使用价值。与有人直升机相比,无人直升机由于无人员伤亡、体积小、造价低、战场生存力强等特点,在许多方面具有无法比拟的优越性。与固定翼无人机相比,无人直升机可垂直起降、空中悬停,朝任意方向飞行,其起飞着陆场地小,不必配备象固定翼无人机那样复杂、大体积的发射回收系统。在军用方面,无人直升机既能执行各种非杀伤性任务,又能执行各种软硬杀伤性任务,包括侦察、监视、目标截获、诱饵、攻击、通信中继等。在民用方面,无人直升机在大气监测、交通监控、资源勘探、电力线路检测、森林防火等方面具有广泛的应用前景。

世界各国已充分认识到无人直升机在未来战争和民用中的作用,发展无人直升机已成为旋翼飞行器发展的一个重要方向,本文对无人直升机的技术

发展及其关键技术作一概述。

1　无人直升机系统组成和技术特点

111　系统组成

无人直升机系统大体上由直升机本体、控制与导航系统、综合无线电系统和任务载荷设备等组成[1]。

直升机本体包括旋翼、尾桨、机体、操纵系统、动力装置等。控制与导航系统包括地面控制站、机载姿态传感器、飞控计算机、定位与导航设备、飞行监控及显示系统等。这一部分是无人直升机系统的关键部分,也是较难实现的部分。综合无线电系统包括无线电传输与通讯设备等,由机载数据终端、地面数据终端、天线、天线控制设备等组成。任务载荷设备包括光电、红外和雷达侦察设备以及电子对抗设备、通信中继设备等。112　技术特点

(1)由于直升机本身结构的特点,使得无人直升

机的空气动力学、飞行力学问题较复杂。无人直升机操纵通道多、耦合较强,是一种稳定性差、控制难的飞行器,其操纵和飞行控制要比有人驾驶直升机和

固定翼无人机更困难。

(2)无人直升机与有人直升机相比,一般可缩小尺寸、减轻载荷。其研制周期较短、研制费用较低。

(3)无人直升机无驾驶舱和载人条件限制,可省去座舱、座椅、环控系统等与飞行员和乘员相关的设施,其气动布局和结构设计可更为自由,其机动性能可超过有人驾驶直升机,由于尺寸缩小,其隐形性能也可有一定程度的提高。同时,由于无需考虑飞行员生理需求,其续航时间可大大超过有人驾驶直升机。

(4)无人直升机由于尺寸不大,其总体布局和结构设计要求有较强的抗风扰动能力和姿态稳定能力,尤其是对于舰载无人直升机[2]。

2　无人直升机的技术发展

无人直升机的发展经历了一个较长的、逐步改进与提高的过程。美国20世纪50年代就开始研究无人直升机,1960年Q H250A反潜遥控直升机试飞成功。但由于当时技术水平的限制,无人直升机的性能和功能与军方的使用要求有很大差距。80年代后,许多发达国家加快了无人直升机研制的步伐,到目前国外已有许多国家在研究和生产无人直升机,包括美国、以色列、英国、德国、法国、奥地利、瑞典、日本等。然而,由于技术的复杂性,迄今只有少数无人直升机正式装备部队或投入实际应用[3,4]。

211　不同形式无人直升机的发展

迄今,国外已发展了多种无人直升机,其结构形式各异。大致可分成三类:一是常规单旋翼式;二是共轴双旋翼式;三是非常规双旋翼式或其它形式。2.1.1　常规单旋翼式

有人直升机中,单旋翼带尾桨式约占直升机总数的85%以上,其它形式包括双旋翼纵列式、共轴式等。前者使用尾桨平衡反扭矩,采用流线体机身,这种直升机的技术发展相对成熟。无人直升机采用常规单旋翼式,主要优点是可利用已成熟的有人机技术。目前,国外发展的典型常规单旋翼式无人直升机有以下几种:

(1)美国诺斯罗普?格鲁曼公司的“M odel379

F ire Scou t”

该机是为美国海军研制的下一代垂直起降战术无人机(V TUAV),在Schw eizer333型单旋翼有人直升机的基础上改装而成(图1)。它既可自主飞行也可遥控飞行,在空中可巡航6h,活动范围可达20317km。它的旋翼直径为8138m,其最大起飞重量1156kg,最大有效载荷91kg,最大飞行速度为232 km h。这种无人机

2003年起投入使用,将取代美海军服役多年的“P i oneer”固定翼无人机。

图1　M odel379无人直升机

(2)美国SA I C公司的“V igilan te496”

该无人直升机(图2)是在U ltraspo rt496商用直升机基础上改装而成的,大量采用成品件,于1997年开始研制。它既可作为无人机自主控制飞行和遥控飞行,又可有人驾驶。该机旋翼由两片桨叶构成,直径710m,最大起飞总重492

kg,可携带有效载荷83kg,也可携带更多的燃油以使它的续航时间长达16h,最大平飞速度为250km h。

图2　V igilante496无人直升机

(3)奥地利Sch iebel T echno logy公司的“Cam2 cop ter”

Com cop ter(图3)是一种小型可遥控和完全自主飞行的无人直升机,已正式投入使用。该机最大起飞重量66kg,可携带燃油和有效载荷25kg,飞行速度90km h,续航时间6h

。旋翼采用两片桨叶,直径为3102m。该机最初采用滑撬式起落架,1998年发展为标准型,改用轮式起落架。

图3　Com cop ter无人直升机

2飞　行　力　学第22卷

(4)日本Yam aha M o to r 公司的“RM A X ”

RM A X (图4)是一种小型农用无人直升机,是该公司R 250无人机的改进型。该机装载其它有效载荷也可用来完成空中监视和巡逻等任务。主要设计参数:旋翼直径31115m ,最大起飞重量88kg ,有效载荷30kg ,飞行速度20km h ,续航时间1h 。

迄今,RM A X 和R 250是世界上销售最多的两种无人直升机

。

图4　RM A X 无人直升机

2.1.2　共轴双旋翼式

在共轴双旋翼式无人直升机中,

两旋翼上下共轴布置,反向旋转以平衡反扭矩,其主要优点是省去了尾桨及其传动系统,结构紧凑,尤其适合于舰船和狭窄场地起降。国外发展的共轴双旋翼式无人直升机又可分为两种:一是采用流线体机身的形式;二是采用轴对称非流线体机身的形式。目前,国外典型的共轴双旋翼式无人直升机有以下几种:

(1)俄罗斯卡莫夫设计局的“Ka 237”

Ka 237(图5)是一种民用无人直升机,可自主飞行和遥控飞行。该机采用典型的共轴式双旋翼设计、流线体机身,其旋翼直径418m ,最大起飞重量250kg ,可携带有效载荷50kg 。该机最大巡航速度110km h ,续航时间45m in 。卡莫夫设计局还研制了Ka 2137共轴双旋翼无人直升机,与Ka 237不同的是

其机身采用球形,以使结构更紧凑,并采用了更大的旋翼直径

。

图5　Ka 237无人直升机 (2)加拿大庞巴迪尔公司的“CL 2327”CL 2327(图6)是一种先进的多用途无人直升

机,是该公司CL 2227无人机的改进型,都采用双旋翼结构,花生型机体外形,由上部动力组件、中部旋翼组件和下部有效载荷组件组成。与CL 2227不同的是,CL 2327增大了旋翼直径,改进了传动系统并加大了载荷舱。该机旋翼直径4m ,最大起飞重量350kg ,最大有效载荷100kg ,最大平飞速度157km h ,续航时间6125h 。该公司还初步研制了CL 2427战术无人机,主要变化是其机体上下组件由半球型改为流线型,且上组件增加了垂尾

。

图6　CL 2327无人直升机

2.1.3　非常规双旋翼式

在国外发展的无人直升机中,除主流的单旋翼

常规式、共轴双旋翼式外,还出现了非常规的双旋翼式,其中最值得注意的是涵道风扇式和倾转旋翼式。

(1)美国西科斯基公司的“Cypher ”

Cyp her (图7)是一种多用途任务平台,其机体呈圆环型,两副各4片桨叶的旋翼共轴置于涵道中,具有尺寸小、结构紧凑的优点。它的涵道具有多重功能,可产生一部分升力。其旋翼直径112m ,最大起飞重量113kg ,最大有效载荷23kg ,续航速度121km h ,续航时间3h 。在Cypher 的基础上,西科斯基公司又研制了Cyp her 型,主要不同点是在环型机身上增加了一副机翼,可在前飞时为旋翼卸载,同时在尾部增加了推进涵道风扇,用于产生推力以增加航程和航时[5]

。

图7　Cypher 无人直升机

(2)美国贝尔直升机公司的“Eagle 2Eye ”

　第1期彭延辉等.无人驾驶直升机的技术发展及其关键技术

“Eagle 2Eye ”

(图8)是一种主要为美国海军研制的可倾转旋翼垂直起降无人飞行器。当其旋翼轴从垂直状态转到水平状态时,其飞行状态由直升机模式过渡到飞机模式。该机的主要特点是:发动机及其旋翼可以倾转,可实现垂直或短距起飞和垂直着陆,具有直升机的主要特征。倾转旋翼无人机结合了直升机和固定翼飞机的优点,它比传统直升机具有更宽的飞行包线,可实行较长航程的空中侦察和较长时间的空中定位以传送实时影像数据。其飞行方式为预编程序控制飞行,性能参数如下:旋翼直径215m ,最大起飞重量1020kg ,最大飞行速度296km h ,最大续航时间为6h

。

图8　Eagle 2Eye 无人直升机

212　控制技术的发展

就控制方式而论,无人直升机的发展经历了系留式飞行、视距内遥控飞行、超视距自主控制飞行三个阶段[6]。系留式是无人直升机发展初期出现的一种形式,例如,德国的“百眼巨人” 型就是这种系留式。这类无人机的特点是采取绳索将无人直升机与地面相连,所需燃油或电力通过油管、电缆直接从地面供应,因而滞空时间长。但它的重要缺点是地面站不能与无人直升机分离,这限制了它所能达到的升空范围,不仅侦察区域范围小,而且容易被定位和攻击,现代无人直升机已不再采用这种形式。

随着可靠的电子设备、导航系统和数据传输技术的应用,使得遥控飞行成为可能。遥控无人直升机彻底摆脱了系留所带来的限制,但对飞行控制系统、无线电信息传送系统提出了相当高的要求。例如,美国研制的Q H 250系列直升机是比较早的遥控直升机,但该机种在20世纪70年代后由于飞行控制问题停止了使用。

80年代后,随着飞控技术和电子技术的进一步发展,无人直升机的完全自主飞行成为可能,包括自动起飞、着陆、巡航等。这类直升机机载有功能强大的中央控制计算机,可把要执行的飞行任务以预编程的形式输入到计算机,地面控制站对其飞行进行

实时监控,且可对其飞行进行干预。这类直升机对信息采集和处理系统提出了更高的要求,一般都装载有先进的雷达和数字摄像设备,在飞行器和地面控制站之间有稳定、可靠及高速的数据传输信道,以保证指令的上传和数据的下传。

目前的无人直升机在控制技术方面尚存在一些缺点,主要是技术缺乏可靠性和成熟性,以及缺少应付突发事件的能力,即一般只能执行预定的任务,智能化程度较低。

3　无人直升机发展的关键技术

无人直升机的关键技术可总结为以下几个方面:

(1)直升机数学模型的建立为实现对无人直升机的有效控制,飞行控制系统要求提供直升机在各种飞行状态下准确的数学模型。但直升机结构的非对称性、非流线性以及受到的非定常空气动力,使得难以获得准确的气动性能参数[7]。同时,由于直升机本身结构力的耦合较为严

重,也增加了数学模型建立的难度,这些直接影响了飞行控制律的准确性。

(2)飞行控制

飞行控制是无人直升机实现遥控和超视距自主飞行的关键,飞行控制律的建立和超小型飞控计算机的研制是其技术难点。飞行控制律是联接机载传感器、受控对象数学模型、遥控指令及舵机的中枢,它的准确性取决于受控对象数学模型的准确性和机载传感器的精度。无人直升机由于运动的耦合、操纵的非线性和具有多个控制输入和输出参数,使得准确建立飞行控制律相当困难。而小型飞控计算机则涉及小型计算机硬件的设计、遥控指令的接收、与舵机的接口等交联关系,对体积和重量也有很高的要求。

(3)人工智能技术现代无人直升机的使用要求越来越高,所执行的任务也越来越复杂,存在的一个突出问题就是飞行的自主程度。要提高无人直升机的自主性,人工智能控制技术是一个有效的途径。这就需要一些智能化的小型机载综合传感器和任务管理软件,保证通信链接,完成无人机与操纵人员间的交互。这不仅使无人机能够确保按命令或预编程序来完成预定任务,对预知的目标做出判断,还能对随机出现的目标和事件做出反应。

(4)通信技术

4飞　行　力　学第22卷

宽带、大数据流量的数据链技术可以使无人直升机远距离快速准确地传输信息,实现超视距控制,但如何保证在远距离或敌方干扰的情况下实施快速通信和可靠工作是无人直升机的一个关键技术。对于将来的无人武装直升机,它在执行作战任务时,一方面需通过自身的机载探测设备获取外界信息,另一方面还需与地面控制指挥站进行战术信息交流收发,因此,具备先进的数据链系统是很重要的。

(5)动力技术

小型航空发动机是无人直升机研制的一个技术难点。无人直升机由于尺寸较小,一般要求安装体积小、重量轻、功率大的发动机。有的无人直升机还要求具有长航时的特点,更需要采用低油耗、高效率的发动机。

(6)舰载直升机着舰回收技术

对于舰载无人直升机,在狭小的、运动的甲板上准确着舰是一个技术关键。通常,舰载操作人员仅在突风已经偏移了飞行器后才能辨别出突风的影响。一般在3级海况以上手动回收无人机就相当困难。随着海浪增大,手动回收变得越来越难,必须使用高速计算机来保持稳定和控制。因此,舰载无人直升机需要配备专门的自动着舰回收系统,以保证飞行器的安全回收。

4　无人直升机的发展方向

目前的无人直升机技术还不如固定翼无人机技术那样成熟,尚存在一些缺点,但无人直升机独特的飞行特性以及相对于固定翼无人机和有人直升机的优点,说明无人直升机还有巨大的发展空间。随着无人直升机技术的更加成熟,其操纵将会变得更加简单,良好的使用性能将会得到充分的体现,将会在军民用方面得到更加广泛的应用。预计将来无人直升机的发展方向包括:

(1)发展无人武装直升机。无人直升机作为一个低风险、高效费比的作战平台,必将在未来的战争中发挥重要作用,具有攻击能力甚至格斗能力的无人武装直升机将是未来军用无人机发展的一个重要方向。

(2)发展隐身性能良好的军用无人直升机。无人直升机速度小、飞行高度低,其隐身性能就显得更加重要。增强军用无人直升机的隐身性能、提高其战场生存率将是一个发展重点。

(3)发展长航时无人直升机。有人直升机由于座舱狭窄,飞行员不能长时间呆在驾驶舱,一般连续飞行时间不能太长,而无人直升机不必考虑飞行员的生理限制问题,可以进行长时间飞行。

(4)发展智能化、易操纵的无人直升机。目前的无人直升机智能化程度很低,且不容易操纵,发展智能化程度高、易操纵的无人直升机将是一个重要的发展方向。

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(下转第17页)

　第1期彭延辉等.无人驾驶直升机的技术发展及其关键技术

An I m proved M ultiple Shooti ng A lgor ith m for D irection Solution

of Opti m al Con trol Problem and Its Application

HU Chao 2jiang 1,CH EN Sh i 2lu

(1.D ep a rt m en t of E leven th ,B eij ing A eronau tica l E ng ineering T echn ique R esea rch Institu te ,

B eij ing 100076,Ch ina ;

2.Colleg e of A stronau tics ,N orthw estern P oly techn ica l U n iversity ,X i ’an 710072,Ch ina ) Abstract :A m u lti p le shoo ting algo rithm fo r directi on so lu ti on is one of the very i m po rtan t m ethods to so lve op ti m al con tro l p rob lem s .Som e of the op ti m al con tro l p rob lem s can be so lved m o re qu ick ly and efficien tly w ith the algo rithm if on ly the con tro l variab le ’s values at the kno ts are given .T he algo rithm is app lied to so lving the landing of an aircraft th rough w indshear and op ti m al so lu ti on of com bat agility m anagem en t system (CAM S )in the paper .T he study resu lts show that som e con strained op ti m al con tro l p rob lem s can be so lved efficien tly w ith the i m p roved algo rithm ,including som e singu lar op ti m al con tro l p rob lem s .

Key words :direct m u lti p le shoo ting algo rithm ;op ti m al con tro l ;w indshear ;com bat agility m anagem en t system

(编辑:姚妙慧)(上接第5页)

D evelop m en t and Key Technolog ies of VT OL UAVs

PEN G Yan 2hu i ,XU Guo 2hua

(N a tiona l K ey L abora tory of R otorcraf t A ero m echan ics ,N anj ing U n iversity

of A eronau tics and A stronau tics ,N anj ing 210016,Ch ina )

Abstract :In th is p ap er ,the system com ponen ts and techno logy characteristics of V TOL UAV s are b riefly described ,and the research and developm en t on V TOL UAV s are discu ssed in detail w ith the em phasis upon con tro l techno logies .T he key techno logies in the developm en t of V TOL UAV s are ou tlined and analyzed ,and the fu tu re developm en t of V TOL UAV s is p ro spect 2ed .

Key words :UAV ;helicop ter ;key techno logy

(编辑:崔立峰)

1　第1期胡朝江等.改进直接多重打靶算法及其应用