固定翼无人机回收与发射系统发展综述

摘 要 本文综述了固定翼无人机回收发射技术现状。同时结合了航天领域，对舰载机的回收、发射技术和发展现状进行介绍和分析。在当前无人机需求旺盛，行业发展突飞猛进的背景下，当今无人机行业尚未出现一套完备、实用、稳定的无人机回收发射一体化装置，也正是由于这个问题的存在，限制了无人机技术领域实现全面、完备、高速的发展。全新的无人机回收发射一体化装置还有待创新和研究。

关键词 固定翼无人机；回收；发射；一体化

中图分类号 V27 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）160-0113-03

无人机（UAV）又称“空中机器人”，主要包含无人机载体、地面站（例如发射回收装置）和有效负荷[1]。

按照飞行平台构型的不同，无人机可以分为固定翼、旋翼、无人飞艇、伞翼、扑翼等[2]。无人机产品形态结构各异、功能复杂，但飞行原理相似。正是由此，为无人机回收发射技术发展，并渗透到各个领域中提供基础。

在无人机体系中，许多关键技术起决定作用，有气动、人工智能、通信、发射回收技术等[3]。传统的无人机的发射方式，很难实现连续循环发射的无人化、智能化和自动化。传统无人机分为陆基、空基、海基发射技术只适合运用于军事行业，其它领域依靠手抛和轨道起飞方式。不能真正体现无人机的灵活性，约束无人机的任务半径。小型无人机的发射有采用容器式装置发射的[4]。无人机运用在哪方面，都无法解决发射和回收局限性的问题。

1 无人机发射技术

一般无人机发射方式有火箭助推、液压、气压弹射和地面滑道起飞等。大型无人机一般利用地面滑跑起飞的方式，中小型无人机则采用费用极高且安全措施高的弹射起飞方式。传统的液压弹射系统和气动弹射系统通常占地面积大、展开撤收困难[5]。

1.1 手抛发射

手抛发射，由操作手投掷无人机到空中，实现起飞过程。手抛发射一般用于体积小、质量小的小微型无人机，如美国大乌鸦、指针无人机，英国MSV-10无人机。但是这对发射者提出一定的要求，发射时要注意投掷力大小和方向[6]，从而确保无人机发射成功。

1.2 蓄能弹射发射

弹射起飞是将弹性势能转换为机械动能，使无人机加速到安全起飞速度。弹射起飞的优点是机动灵活性好、安全隐蔽性好；其缺点是发射质量不能太大，滑轨不能太长。按发射动力能源的不同，弹射起飞可分为液/气压弹射、弹力弹射、电磁弹射和燃气弹射等多种方式[6]。

以色列拉斐尔公司生产的一种便携式小型无人机云雀。当操作人员在空间约束无法跑着发射无人机时，可以采用发射管发射。

1.3 气动液压发射

20世纪90年代国际上发展起来的一种先进的导轨动能弹射起飞方式，主要采用气液压能源作为无人机弹射起飞的动力。由于技术复杂，最初只有美、英等少数国家掌握此项技术，如美国影子200和天鹰。发射过程，无人机首先固定在滑车上，滑车就位、锁定，进行液体压缩氮气储能。滑车到达滑轨终点时在液压刹车装置作用下停住，无人机离开滑车飞向天空[7]。但是，所需配套装置比较冗杂，需要一定数量的操作人员，耗能和噪声较大，机动隐蔽性差。

1.4 弹药火箭发射

原理和气动液压发射类似，该系统由机体、发射车、地面测控站、和火工品等部分组成。采用上单翼、双尾撑、后推式总体气动布局，飞行平稳度高、续航时间长；具有卫星、无线电、航程推算三种定位及组合导航方式；具有在云、雾、雨（中阵雨）气象条件下昼夜执行飞行任务的能力（如图1）。

火箭助推系统推力线控制与调整要求复杂且不能重复使用，火箭脱落时与后置式动力装置发生干涉，而且设计火工品的储存和使用，费用高昂，且发射时具有声光烟信号，容易暴露目标。

1.5 地面滑跑起飞

该方式主要是利用无人机自身发动机的推力，驱动无人机在跑道上加速起飞，这与当前的固定翼人驾驶飞机起飞原理相像。主要分为起飞滑跑起飞和轮式起落架滑落起飞。地面滑跑起飞的优点是发射系统简单可靠，配套地面保障设备少，加速过程的过载小。而缺点是需要跑道设施和较好的地况要求，机动灵活性比较差。一般的，对于起落架的结构设计会较大程度影响飞机载荷大小和安全性。

1.6 旋转抛射起飞

西北工业大学当前研究出一种无人机旋转抛射装置[5]。该装置通过控制旋转抛射装置电机的旋转速度将中小型无人机的发射速度在0m/s～50m/s之间，能够有效减小中小型无人机在起过程中的过载，延长无人机的使用寿命，具有生产制造费用低、占地面积小、操作方便并且能够车载和舰载使用的特点。

然而，该装置发射无人机时受到无人机的尺寸、结构的影响，由于无人机承载任务载荷所导致的重心偏移，发射过程中的惯性力消除有所难度。同时，飞机的爬升高度对装置的结构也有较大地限制。

2 无人机回收技术

无人机回收方式较少，主要着眼于缓冲吸能目标上，主流为撞网回收、伞降回收、着陆滑跑回收、垂直降落回收、中空回收和气垫回收。

2.1 撞网回收

主要由拦截网、吸收能量装置和引导设备构成。拦截网承担吸能缓冲的任务，用来吸收无人机撞网后来回摆动能量，防止触网后弹跳不停，以致损伤。自动引导装置是网后面的移动摄像头，时刻捕捉无人机返航后，进入回收空域，随时报告无人机的相对回收装置的三维坐标。

但是，该拦截也存在一些劣势。当无人机返航时，需要有操作人员时刻关注监视器的状况，根据无人机的实时位置，来半自动地无人机的飞行姿态，修正无人机飞行路线，对准地面摄像机的瞄准线，飞向拦截网。同时，无人机的降落速度、重量和载荷也要考虑，以免损坏拦截网[4]。

2.2 伞降回收

伞降回收方式是无人机在回收降落的时候，机身在降落伞的牵扯作用下，机身反转180°，机体腹部朝上背部朝下，机背的着陆气包在碰地的时候充气撞击地面，起到缓冲的作用，从而保护了内部的各种仪器[8]。同样，英国的“小鹰”使用伞降回收方式进行着陆，机背的汽包充气先着陆保护机体内部的设备不受损害[9]。

系统还是存在很多不足之处，主要回收的精度达不到预期的要求，飞机着陆姿态不当或速度过大，导致机体部件或任务负载损毁。无人机的机体或者负载损毁的主要原因是着陆姿态不当，例如机头垂直撞向地面，或者速度过快[10]。

2.3 着陆滑跑回收

在1.5中也有叙述，在着陆滑跑回收当中，起落架滑轮着陆的回收方式与有人机类同。不同之处，无人机的着陆回收方式有特有的优势。固定翼无人机对跑道要求相对有人机要求比较宽松。有些无人机回收架允许损坏，作为吸收能量缓冲的过程。另外，为了缩短着陆滑跑距离，会对无人机进行设置拦阻索拦截。例如在机尾安装钩状结构，着陆时勾住拦阻索，实现无人机降落。

3 无人机回收发射一体化技术

3.1 旋转抛射一体化技术

东北大学IBIT仿生智能团队提出一种旋转抛射无人机发射与回收一体化装置，包括支撑架、大臂、发射/回收台。该装置结合无人机回收与发射的运动特点，利用仿生学原理，模仿手臂抓取运动物体和抛射物体的两个过程，把无人机的回收和发射两个过程整合到一起。优化方法分析大臂旋转和大臂上的曲柄滑块机构合成运动的轨迹，得到一段无人机发射时所需的轨迹[11]。

经过实验，该装置也存在一些不足，在机械部分：现实装置比较大，旋转惯性大，加工精度难度和材料比较困难；旋转装置体积、重量变小后，对于回收发射的缓冲曲线拟合不明显，吸能效果可能不佳。而对于控制部分：对于无人机回收，动态性捕捉、握手信息交互技术要求较高；装置的反应速度要求比较高，由于装置的旋转部分的惯性比较大，有滞后性，对机械动力的机动性要求高。

3.2 弹射回收一体化技术

针对上述旋转抛射无人机发射与回收一体化装置的短板，从简易型和使用的角度提出一种基于STM32弹射回收一体化的装置（如图2）。调整机架的角度，选择合适的回收与发射角度。根据无人机速度特性，与物体同向运动，形成顺应性主动缓冲。当无人机回收后，缓冲网主动张开，将无人机姿态调整到回收平台中部，发射台与回收平台之间由锁紧装置连接，蓄能、触发张开锁紧装置，释放发射无人机。

本装置对固定翼无人机的回收实现网式的柔性缓冲，能有效降低无人机的损伤。采用主动和被动缓冲相结合的方案，较大地提高回收平台对无人机动能的吸能的效果；机构简单灵巧，整个过程几乎无须人为干预。自主操作降低了失误率，提高了回收精准度，降低人为成本。对需要对回收吸能缓冲和调姿进一步优化，进一步提高实现无人机的自动定点降落精度

3.3 一种无人机综合方舱系统

一种无人机综合方舱系统[12]，包括卡车、分段式方舱、无人直升机、地面指挥测控站、自动发射回收与升降控制系统、维护保障系统及电源系统。自动发射回收与升降控制系统为无人直升机的投放平台。各个系统集成于一个综合方舱内，同时具备无人直升机的机动储运、发射回收、任务部署、指挥控制、现场维护保障等多种功能，能高效快速地完成无人机的任务部署。

3.4 其他领域的一体化技术

3.4.1 水体捕捉和炮弹发射技术

当前国外出现一种用于从水体中捕捉目标物体的方法、设备以及计算机程序产品[13]。该方法将水体空间划分为不同轨道，通过捕捉装置和目标物的轨道相对位置和速度，来实时分析、确定装置的运动状态。对于在水体发射，现有潜射战术导弹射击训练中，对于导弹弹道的监控只有出水之后的空中弹道，而水中段尚无有效的监测手段。而水中段是最薄弱环节，导弹最易出现故障且故障原因难以确定[14]。同时，潜射导弹出水过程中受到海浪作用的扰动，对导弹水弹道参数产生一定影响，西北工业大学航海学院提出基于蒙特卡洛法思想，结合波浪随机性特点，阐述了不同海况和主浪向参数波浪影响下弹道参数其变化规律[15]。水体捕捉和导弹潜射轨道模拟，两者并没有太多的技术结合点。

3.4.2 舰载机回收、发射技术

航母舰载机的起飞和回收技术是一项重要的军事装备技术。目前蒸汽式弹射器[16]是现役的航母上主要采用的技术方案。但随着航母吨位和舰载机起飞质量的增加，要加大弹射能量和提高自动化程度及其控制精度。

从20世纪初，航母上一直都未有专门用于辅助舰载机降落的着舰设备而是通过甲板末端左侧的着舰信号官指引。应战争需要，出现了等角下滑技术和光学助降系统，例如菲涅尔透镜光学助降系统。人工导引着舰方式易受到气象等环境因素的影[17]，针对这些缺点，出现了联合精密进近与着陆[18]（舰）系统，应用GPS动态载波相位跟踪技术的航空母舰舰载机着舰系统[19]所有现役航母上正在使用的惟一的一种阻拦装置是液压缓冲阻拦装置。目前，由于相关技术很敏感，国外发表的舰载机阻拦技术相关理论研究的文章很少[20]。国内研究大多停留在拦阻索建模仿真和动力学分析上上面，实质性进展较少。

4 结论

随着无人机技术的飞速发展，特别对无人机使用的生存率、机动性和可靠性提高需求强烈，这对发射、回收系统的设计以及技术应用提出了更高要求。当前蓄能弹射方式应用较广，具有隐蔽性好、经济性好和适应性好等优点。

无人机的回收发射一体化技术，既要满足传统对无人机的可靠发射、回收的基础上，还能实现更好的无人机停放、管理、交换信息的任务。而且回收平台的设计还能实现对回收后无人机的自动化信息采集和自动化充电，减少了人为干预，提高了执行效率。由于无人机自动化定点降落技术还有较大地技术门槛，回收与发射一体化、自动化的技术还未成熟。

参考文献

[1]龙威林.无人机的发展与应用[J].产业与科技论坛，2014，13（8）：68-71.

[2]王淑芬.国外几种无人机简介[J].飞航导弹.2002（5）：41-44.

[3]淳于江民，张琦.无人机的发展现状与展望[J].飞航导弹，2005（2）：23-27.

[4]润强.世界无人机发射和回收方式面面观[J].机器人技术与应用，1996（4）：32-40.

[5]李攀，裴扬，宋笔锋.一种中小型无人机旋转抛射装置[P].中国：201101197645.5，2011-07-14.

[6]鲍传美，刘长亮，孙烨，等.无人机发射技术及其发展[J].无人机，2012（2）：56-58.

[7]何庆，刘东升，于存贵，等.无人机发射技术[J].无人机，2010（2）：24-26.

[8]Wolf DF，Spahr HR.Parachute cluster dynamic analysis[J].Journal of Aircraft，1977，14（4）：321-322.

[9]Fallon E J.Parachute dynamics and stability analysis of the Queen Match recovery system[C].AIAA Pioneer Aerospace Corporation，Connecticut，1991，1-15.

[10]郑浩奕.无人机伞降系统关键技术研究[D].广州：华南理工大学，2015.

[11]陈述平，孙聪，陈朝浪，等.一种无人机发射与回收装置及其方法[P].中国：CN105109685A.2015-12-02.

[12]钱毅，李陈，李彦杰，等.一种无人机综合方舱系统[P].中国：CN104494503A，2015-04-08.

[13]威廉・M・特皮格.发射和回收装置[P].中国：CN103998338A，2014-08-20.

[14]单玉浩，施建礼，彭文辉.潜射战术导弹水弹道测量中的算法应用研究[J].舰船电子工程，2015，3（9）：134-139.

[15]王亚东，袁绪龙，张宇文，等.波浪对导弹垂直发射水弹道影响研究[J].兵工学报，2012，5（5）：630-635.

[16]舰群.航母的弹射装置[J].舰载武器，2008.

[17]满翠芳.舰载机自动着舰控制技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2010，1.

[18]颜振萍.舰载机自动着舰控制系统研究[D].上海：复旦大学，2009，5.

[19]Brown Andrew，O’Keefe Peter，Jovancevic Aleksandar，Ganguly Suman.JPALS performance model using a flexible simulation framework.Proceedings of the 18th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation，2005：2923-2929 P.

[20]Determination of Characteristic Loading Behave of MK7-1 and MK7-2 Arresting Gear by Analysis of Airplane Test Data.ADA111183，1982.