淺談無人機飛行器

1、淺談無人機飛行器及其應(yīng)用 *經(jīng)過一個學(xué)期的課程學(xué)習，我對無人機及其應(yīng)用有了一個大致的了解，盡管是該課程是選修課，我也確實從中學(xué)到了很多自己平時所接觸不到的知識。下面，根據(jù)我所學(xué)到的內(nèi)容以及自己所查閱到的資料，我將就無人機及其應(yīng)用這一方面進行一個簡單的闡述。 無人機，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。無人機實際上是無人駕駛飛行器的統(tǒng)稱，從技術(shù)角度定義可以分為：無人直升機、無人固定翼機、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機這幾大類。無人機廣泛應(yīng)用在現(xiàn)在社會中，由于其無需人員駕駛，所以能執(zhí)行更危險的任務(wù)，現(xiàn)在無人機技術(shù)廣泛的應(yīng)用在偵查搜索領(lǐng)域，美國將無人機技術(shù)作為主要發(fā)展方

2、向，已經(jīng)實現(xiàn)了無人機航母著陸，無人機技術(shù)必將成為下個領(lǐng)域技術(shù)競爭的又一個領(lǐng)域。§無人機飛行空氣動力及飛行姿態(tài)參數(shù) 作用在飛行器上的基本外力是推力、升力、阻力和地心引力 (或重力），如圖所示。另外，作用于俯仰軸、滾轉(zhuǎn)袖和偏航軸的角力矩會引起飛行器繞這些軸旋轉(zhuǎn)。升力.阻力和旋轉(zhuǎn)力矩可 根據(jù)動壓，機翼面積和尺度減小系數(shù)計算出來綜合這些量的表達 式就是決定飛行器性能的基本空氣動力學(xué)方程。 基本空氣動力學(xué)方程 q=½V² 這里的是空氣密度，V是速度。作用在飛機機翼上的力是q，機翼面積S和尺度減小系數(shù)的函數(shù)。其中，尺度減小系數(shù)取決于雷諾 (Reynold)數(shù)、馬赫（Mach)

3、數(shù)和機翼截面形狀。升力和阻力定義如下 空氣動力學(xué)人力中的第三個力是俯仰力矩，它必須包括在空間上產(chǎn)生力矩的附加項。通常把翼弦c作為力臂長度。俯仰力矩的知識對理解穩(wěn)定性和控制至關(guān)重要。 而在控制無人機的過程中所要收集的飛行參數(shù)主要有位置參數(shù)、運動參數(shù)、遙控遙測參數(shù)、主系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和報警參數(shù)，其中運動參數(shù)包括俯仰角，滾轉(zhuǎn)角，偏航角。依據(jù)以上參數(shù)，就可以很好地了解飛行器的飛行狀況。§無人機飛行性能及穩(wěn)定性無人機的飛行性能主要包括幾方面：爬升飛行能力，滑翔飛行能力，航程，續(xù)航時間等。爬升飛行能力：定常、直線飛行的飛機，作用其上的各種力達到平衡，如圖2.14 所示。狀態(tài)的運動方程可寫成：第一個方

4、程乘以速度V可得：這里TV是推進系統(tǒng)輸送給飛行器的功率，也叫做可用功率 (Power Available, PA)。DV是維持飛行所需的功率，也叫做需求功率（Power Required，PR)。由于Vsin等于爬升速率dh/dt，則上一公式可改寫成：可用功率可根據(jù)引擎和螺旋槳數(shù)據(jù)得到，其表達式為：PA=HP式中：HP=馬力 =螺旋槳效率由于PR等于阻力乘以速度，我們前面討論中把阻力分量作為速度的函數(shù)就是切實可行的。PA，PR與速度的關(guān)系如下圖所示。 由圖可見，最大爬升速率發(fā)生在兩條曲線間最大距離所對應(yīng)的速度。 在這個點上兩曲線的斜率或?qū)?shù)也剛好相等。相對最大爬升速率的速度可從圖上讀出或計算出

5、來。最大或最小空速也可從圖上直接讀出?；栾w行能力： 飛行器滑翔能力由其下沉速率來度量，用運動公式及平衡公式很容易確定下沉速率。由于L/D（升阻比）較高、著陸角度很小，大多數(shù)無人機著陸時并不使用大功率。這意味著即使是攔網(wǎng)式回收，著陸也需要長跑道或大片凈空。為了使用小型機場來回收無人機，克服這一缺點的方法之一是利用如擋板等產(chǎn)生阻力的裝置來降低著陸時產(chǎn)生的L/D。這些裝置會增加系統(tǒng)復(fù)雜性，也會帶來額外的成本。另一個方法是加裝翼傘，這也會降低L/D。航程： 無人機的航程總是一個重要特征量。航程理論上易于計算，可實阮上要獲得航程卻困難重重。當飛行器在重心變化狀態(tài)下飛行時， 在其飛行能力范圍之內(nèi)燃料可以

6、換算成有效載荷，因此航程取決于有效載荷。續(xù)航時間： 如果已知對應(yīng)最小需求馬力的速度，則續(xù)航時間可計算出來。可用下式對續(xù)航時間進行簡便粗略的估算。 續(xù)航時間=t=R/Vm 對應(yīng)最小需求功率的速度Vm為：公式中為飛行高度處的空氣密度與海平面空氣密度的比值。穩(wěn)定性：飛行器的穩(wěn)定性包括靜態(tài)穩(wěn)定性、動態(tài)穩(wěn)定性、橫向穩(wěn)定性、縱向穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定性：一架飛行器要維持飛行就必須是穩(wěn)定的。靜態(tài)穩(wěn)定性指作用在飛上的各種力（推力、重力及航空動力學(xué)上的各種力）合成于一個方向上。在飛機遭受陣風或其他外力擾動后，合力仍有把飛機機身恢復(fù)到初始平衡位置的趨勢。如果飛行器靜態(tài)是不穩(wěn)定的，那么即使是微小的擾動都會使得飛行器遠遠偏離

7、初始的飛行狀態(tài)。一架靜態(tài)穩(wěn)定的飛機在干擾消失后有返回到初始位置的“趨勢”，盡管在受到干擾時飛機或許會過沖、回轉(zhuǎn)，反方向運動、再次反沖乃至最終振蕩不止直至損壞。在這情況下，飛機是靜態(tài)穩(wěn)定的，但不是動態(tài)穩(wěn)定的。如果震蕩受到抑制并最終消失，就可以說該飛行器是動態(tài)穩(wěn)定的。動態(tài)穩(wěn)定性：為了獲得動態(tài)穩(wěn)定性，恢復(fù)力必須能吸收來自系統(tǒng)的能量。由于任何一個真實系統(tǒng)中總有摩擦存在，因此這通常就變得自然而然。動態(tài)穩(wěn)定性是與機翼、機尾、機身等表面的運動速度成正比的各種力形成的，這些翼面都有一個稱作穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)的比例常數(shù)。穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)與飛行器的角速度相乘得到一個力，這個力通常會減小該飛行器的角速度（也就是說吸收能量）。因此

8、這一現(xiàn)象稱作阻尼，是一種摩擦。由于真實系統(tǒng)中摩擦是自然存在的，因此如果系統(tǒng)是靜態(tài)穩(wěn)定的，系統(tǒng)通常但非總是具有動態(tài)平衡性。當采用人工方法如運用負反饋技術(shù)的自動駕駛等來控制飛行器時，動態(tài)不穩(wěn)定性就會露出它可惡的面目。這是因為控制系統(tǒng)中的負反饋，如果設(shè)計不當或補償不當，會向系統(tǒng)注人與校正發(fā)散運動的力不同相的能量。§無人機控制系統(tǒng)無人機控制系統(tǒng)，即任務(wù)規(guī)劃與控制站（Mission Planning and Control Station， MPCS)是整個無人機系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”。無人機控制系統(tǒng)控制飛行器的發(fā)射、飛行與回收，接收和處理來自有效載荷的傳感器數(shù)據(jù)，控制傳感器的運行（通常是實時的&

9、gt; 。早期無人機獲得的經(jīng)驗表明，任務(wù)規(guī)劃功能對有效使用無人機系統(tǒng)來說至關(guān)重要，因而大多數(shù)系統(tǒng)開發(fā)者明確地把規(guī)劃功能作為任務(wù)規(guī)劃與控制站的一部分。為了實現(xiàn)無人機的系統(tǒng)功能，無人機控制系統(tǒng)包含了下列子系統(tǒng)： *飛行器狀態(tài)的讀取和控制 *有效載荷數(shù)據(jù)的顯示和有效載荷的控制 *用于規(guī)劃任務(wù)、監(jiān)控飛行器位置及航線的地圖顯示*數(shù)據(jù)鏈路地面終端，用于發(fā)送命令給飛行器和有效載荷、接收來自飛行器的狀態(tài)信息及有效載荷數(shù)據(jù) *一臺或多臺計算機，用于為操作員提供至少一個控制飛行器的界面，及控制飛行器與任務(wù)規(guī)劃與控制站間的數(shù)據(jù)鏈路、數(shù)據(jù)流（地面計算機也可執(zhí)行系統(tǒng)導(dǎo)航功能，和執(zhí)行某些與自動駕駛及有效載荷控制功能相關(guān)的

10、“外環(huán)路”低時間敏感性計算）*與其他組織的通信鏈路，用于指揮控制以及分發(fā)無人機收集到的信息。§無人機通信系統(tǒng)無人空中飛行器是指無人駕駛的航空器。由這種航空器及其所載的有效通信載荷與地面控制設(shè)施、用戶設(shè)備等一起構(gòu)成無人空中飛行器通信系統(tǒng)。為這種系統(tǒng)開發(fā)和使用的技術(shù)統(tǒng)稱為無人空中飛行器通信技術(shù)。（The Communications on Unmanned Air Vehicle）。 這是一種可實現(xiàn)超視距通信的技術(shù)。由于它采用了先進的傳感器和數(shù)字通信技術(shù)相結(jié)合， 大大提高了情報收集與信息傳輸?shù)哪芰?。它的長續(xù)航能力與衛(wèi)星通信鏈路相結(jié)合，又使其可在全球任何地方實時傳送和接收傳感器收集的數(shù)字信

11、號和飛機控制信號。無人空中飛行器可免除對人的生命威脅，而仍能保持有人機的許多優(yōu)點， 尤其是小型傳感器組件能夠收集所需要的信息，既可用于戰(zhàn)場偵察監(jiān)視，又可用于通信。用作通信時，機上高度可靠的控制和通信系統(tǒng)可為情報分析人員和戰(zhàn)場指揮官及時提供所需要的信息,這種系統(tǒng)在設(shè)計中采用了市場上流行的傳感器組件，其中包括光電部件、前視紅外裝置、合成孔徑雷達、移動目標指示器和信號情報系統(tǒng)。§無人機發(fā)射與回收系統(tǒng)在無人機的作戰(zhàn)運用中，發(fā)射與回收階段往往被認為是最困難、最關(guān)鍵的階段，事實也正是如此。如果從停泊在海上一艘顛簸起伏的小型輪船上回收無人機，則需要精確的降落導(dǎo)航和快速反應(yīng)，還需要甲板上可靠的控制設(shè)

12、備。無人機在陸地小區(qū)域內(nèi)的回收有著與海面上相似的情況，盡管在陸地上的回收平臺相對穩(wěn)定，但常常會受到地面障礙物和變幻莫測的風向的影響。發(fā)射方法：無人機的發(fā)射方法有很多，在概念上有些十分簡單，有些又十分復(fù)雜。許多發(fā)射概念源于各種大型飛行器的發(fā)射經(jīng)驗，另一些為一些小型無人飛行器所特有。或許最簡單的發(fā)射方式源于航模的“手拋發(fā)射”。這種方式很實用，但僅適用下重量相對較輕的飛行器（大約10磅以下），這類飛行器載重量低，動力適當。普通的輪式發(fā)射同樣簡便，但需要一塊平整好的場地并要小心翼翼地控制飛行的航向。這種方式一般需要人工操縱，從可操作性的觀點看，這也許并不實用，因為操縱手的培訓(xùn)和熟練程度始終都是個問題。

13、許多無人機，尤其是靶機和巡航導(dǎo)彈是裝載在固定翼飛機上從空中發(fā)射的，這些無人機通常都具有相對較高的失速，由渦輪噴氣發(fā)動機提供動力。這類飛行器通常也可以在地面上利用火箭助推發(fā)射。如果可以使用一塊干河床或者一條長跑道那么車載發(fā)射是一種費用低廉而且實用的方法。旋轉(zhuǎn)發(fā)射系統(tǒng)是無人機的一種新穎別致的發(fā)射方式，這個系統(tǒng)有一個環(huán)形的軌道或跑道，中央的標桿上固定有一個托車，無人機就放置在托車上。發(fā)動機啟動時，托車松脫并開始沿著軌道旋轉(zhuǎn)加速，當旋轉(zhuǎn)速度達到發(fā)射速度時，無人機脫離托車，沿環(huán)形軌道的正切方向起飛。此外，還有“飛輪彈射器”?；厥障到y(tǒng)：和發(fā)射器一樣，無人機的回收也有多種可行的選擇。定翼無人機最常用的回收方

14、法是滑道回收，例如跑道降落。要實施這種回收方法，無人機必須裝有著陸用的輪胎，同時它的控制系統(tǒng)必須能夠完成典型定翼飛機的拉平操縱。一種經(jīng)常使用的適于跑道降落的技術(shù)是給無人機裝備一個尾鉤，并在跑道上安裝減速齒輪。使用這種方法，只需在飛機著陸滑行期間進行方向控制，基本不需要機上剎車。另外，除了滑道回收，也可以使用阻攔網(wǎng)，或進行傘降回收、中空回收等。§典型無人機及應(yīng)用介紹典型無人機：美系：機型眾多“全球鷹”“全球鷹”是目前世界上首次中途不停留穿越大西洋的無人機，該機可完成跨洲飛行，可在距發(fā)射區(qū)5500多公里的范圍內(nèi)活動，可在目標上空1.8萬米處停留24小時。“巨無霸”X-48BX-48B無人

15、機的成功首飛，證明了“翼身合一”設(shè)計的成功。它把無尾的扁平機身與機翼融合為一體，這種設(shè)計既能減少空氣阻力，減小雷達反射截面，降低飛行時的燃料消耗，還能增大升力，增加飛行里程，提高運載能力?！拔⑿恰薄拔⑿恰睙o人機把陀螺、三軸加速度計、定位系統(tǒng)及電子線路封裝在一個小小的硅片上，總重僅100克。歐系：設(shè)計超前歐洲“神經(jīng)元”“神經(jīng)元”無人戰(zhàn)斗機，由法國、希臘、意大利、西班牙、瑞典、瑞士等國共同研制，法國達索公司為項目主承包商。該機可發(fā)射“風暴陰影”巡航導(dǎo)彈等防區(qū)外打擊武器，實現(xiàn)超視距防區(qū)外精確打擊。法國AVE-DAVE-D是世界上最早具備自主飛行控制的無人機之一。該機采用隱身設(shè)計，整個機角呈三角形，表

16、面由眾多不同反射方向的小平面構(gòu)成。機身后緣有3個襟翼，尾部有V形等弦后掠尾翼。該機大多數(shù)構(gòu)件采用復(fù)合材料制造，機身和翼表面有吸波涂層。據(jù)達索公司稱，該機的雷達等效反射面積，小到如同一只麻雀。英國“微風”先前無人偵察機的飛行時間記錄，是由美國“全球鷹”創(chuàng)造的，時間為30小時24分鐘。2008年，英國研制的一種太陽能無人偵察機，連續(xù)飛行87小時37分鐘，遠遠超過“全球鷹”。俄系：理念先進“遠東羊茅”2008年，俄陸軍武備戰(zhàn)力提升的亮點之一，就是“遠東羊茅”無人機的服役?！斑h東羊茅”采用稍微后掠的機翼和雙梁尾翼，利用空氣彈射器發(fā)射，傘降回收?！斑h東羊茅”可執(zhí)行距作戰(zhàn)接觸線300-350公里的縱深偵察

17、任務(wù)，是俄軍同類系統(tǒng)中最先進的無人機。“鰩魚”“鰩魚”無人機在2007年莫斯科航展上首次展出，比美國的X-47B略大。該機采用后掠翼，看上去像一只很大的蝙蝠。無人機民用案例：無人機智能電網(wǎng)巡線。在山東，由山東電力集團公司自主研發(fā)的同步智能電力線路無人飛機巡查系統(tǒng)，在500千伏帶電線路上試飛成功，這次的飛行是無人機巡線納入巡檢常態(tài)化應(yīng)用的第一步。這只如同超級大號蜻蜓搬的無人機具有4只與眾不同的“眼鏡”，可以通過搭載高清照相機、攝像機，清楚的看到塔桿和輸電線路出現(xiàn)的各種難題，并且還能夠應(yīng)用紅外測溫儀，使得無人直升機可以在紅外條件下檢測到導(dǎo)線、間隔棒的發(fā)熱；如果導(dǎo)線發(fā)生放電和電暈等現(xiàn)象，無人直升機搭載的紫外成像儀可以大顯身手。這一“大蜻蜓”僅用時18分鐘，就完成了對220千伏壽海線6基桿塔的巡檢，這以速度遠遠快于人工巡查。而這一項目的組組長王騫介紹說，“在正常天氣條 件下，無人直升機空中作業(yè)40分鐘就可以完成壽海線14基桿塔、5000千米輸電線路的巡檢任務(wù)，極大地降低了巡線作業(yè)風險、成本、時間和勞動強度”。無人機遙控噴灑農(nóng)藥。7月22日，浮梁縣湘湖鎮(zhèn)的蘭田村，一架遙控無人機背著噴霧器正在向水稻田里噴灑農(nóng)藥，當?shù)氐姆N糧大戶對此表示