陳昱瑋　藺越國　馮坤輝　李冠臻　姜鵬瀚

【摘 要】針對傳統(tǒng)小型無人飛行器的起飛條件要求高、單人攜帶不便、外場起飛準(zhǔn)備耗費(fèi)時(shí)間過長等問題，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一款基于零長發(fā)射技術(shù)的便攜式無人機(jī)。該款無人機(jī)解決了傳統(tǒng)無人機(jī)需要空曠場地起飛和便攜性 不好等問題，能夠由單人攜帶并在任何地形快速起飛，大大提高了工作效率。設(shè)計(jì)制作及飛行試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性與實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)；零長發(fā)射；便攜

【Abstract】As traditional small-scale UAVs have the high requirement of take off ，carrying inconvenience，outfield Take off preparation takes too long，a portable，Zero-Length Launch UAV was designed and realized in this paper.This UAV overcomes the shortcomings of traditional UAVs，such as need for wide space takeoff and in-convenience of carrying，achieves Carried by a single person and taken off quickly in any terrain，greatly improving the work efficiency.Production and experi-ment on physical object proved the feasibility of this design.

【Key words】UAV；Zero-Length Launch；Portable

0 引言

無人機(jī)作為現(xiàn)代高科技發(fā)展的產(chǎn)物，在民用和軍用領(lǐng)域都有廣泛的使用，在一些危險(xiǎn)場合，通過使用無人機(jī)代替人進(jìn)行勘察，大大減小了任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)性，無人機(jī)有旋翼和固定翼兩種，旋翼無人機(jī)攜帶方便，可以垂直起降，弱化起飛條件，使得旋翼無人機(jī)使用越來越廣泛，但存在航時(shí)短，飛行半徑小等缺點(diǎn)；固定翼無人機(jī)體積普遍比旋翼機(jī)大，載重大，航時(shí)長，可搭載一定重量的設(shè)備進(jìn)行高空任務(wù)，但由于體積大，起飛需要一定距離，使得固定翼無人機(jī)使用的局限性要大于旋翼無人機(jī)。零長發(fā)射，也叫零距離發(fā)射，是指飛機(jī)可以在一個(gè)特制支架上通過火箭助推起飛，具有零長發(fā)射技術(shù)的固定翼無人機(jī)就可以克服上述困難，在任何地區(qū)條件下起飛無人機(jī)。通過對零長發(fā)射技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)制造出了該款基于零長技術(shù)的便攜式無人機(jī)。

1 零長發(fā)射無人機(jī)發(fā)展

1950 年代中期，北約組織的官員擔(dān)心蘇聯(lián)的核彈突襲可能摧毀盟軍機(jī)場和停放于地面的飛機(jī)，使北約無力報(bào)復(fù)。其中一個(gè)解決方法是將戰(zhàn)斗機(jī)疏散進(jìn)遠(yuǎn)離機(jī)場并且具有核防護(hù)能力的掩體中，核打擊過后，這些飛機(jī)可以在一個(gè)特制支架上通過火箭助推起飛，這個(gè)概念就是零距離發(fā)射——ZEL，Zero-Length Launch。1956 年 10 月 12 日，北美航空獲得合約，使最后一批 148 架 F-100D 具有 ZEL 能力。USAF借給北美兩架 F-100D（56-2904 和 56-2947），進(jìn)行 ZEL 的系統(tǒng)測試。北美航空的火箭推進(jìn)分部研制了一種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，可以安裝 F-100D 后機(jī)身底部。該發(fā)動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生 58，970.44 千克的推力并持續(xù)四秒，足夠使 F-100D 在 4 秒內(nèi)速度從 0 加速到 482.70 公里/小時(shí)?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)在燃料耗盡后脫落，飛機(jī)憑借自身動(dòng)力繼續(xù)爬升。在進(jìn)行實(shí)機(jī)發(fā)射前，先進(jìn)行了 5 次配重發(fā)射，其中首次發(fā)射于 1957 年 12 月 12 日進(jìn)行。1958 年 3 月 26 日，進(jìn)行了首次 F-100D 實(shí)機(jī)發(fā)射。試飛員阿爾.布萊克本（Al Blackburn）爬入 56-2904，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，將油門置于全加力狀態(tài)，然后點(diǎn)燃了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。在 4 秒內(nèi)，他加速到 482.70 公里/小時(shí)飛向天空，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)脫落后，布萊克本進(jìn)入了標(biāo)準(zhǔn)起落航線安全著陸。接下來的 20 次試射都很成功，飛機(jī)掛載著標(biāo)準(zhǔn)外掛（包括核彈模型）順利升空。

2 飛翼布局無人機(jī)的前景

早在二戰(zhàn)期間，美國和德國就開始研制飛翼布局無人機(jī)?，F(xiàn)代采用飛翼布局最成功的飛機(jī)是美國的B-2隱形轟炸機(jī)，如圖2所示。

飛翼布局的優(yōu)點(diǎn)是氣動(dòng)力效率高、升阻比大；雷達(dá)反射截面積小，隱身性能好，缺點(diǎn)主要是起降性能差和中低空跨聲速機(jī)動(dòng)性差，但隨著推力矢量技術(shù)的發(fā)展和飛機(jī)隱身要求增加，飛翼布局的缺陷可以用推力矢量來彌補(bǔ)，從現(xiàn)在的技術(shù)來看，推力矢量能在航向控制增穩(wěn)上助其一臂之力。在未來作戰(zhàn)中，戰(zhàn)斗機(jī)隱身至關(guān)重要。由此可以推斷將來最具發(fā)展前途的戰(zhàn)斗機(jī)氣動(dòng)布局應(yīng)該是·飛翼布局。

3 整機(jī)技術(shù)方案

在基于零長發(fā)射的便攜式無人機(jī)中，整機(jī)分為左機(jī)翼，中段機(jī)身，右機(jī)翼三部分，左右機(jī)翼可以向中段機(jī)身折疊，機(jī)身前部為電機(jī)與電子艙，電子艙用于放置電調(diào)，動(dòng)力電池、設(shè)備電源等，電子艙下部為設(shè)備艙，可安裝攝像頭、傳感器等任務(wù)載荷，機(jī)身尾部為火箭動(dòng)力艙，里面可安裝最多8具火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，可根據(jù)任務(wù)需要靈活調(diào)整火箭發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量。

整機(jī)制造材料采用高密度層板，翼尖小翼、翼刀等高負(fù)載位置采用高密度航空層板，飛機(jī)設(shè)計(jì)自重1400g

3.1 機(jī)翼幾何參數(shù)

由于飛翼布局的飛行器整個(gè)機(jī)身都可以產(chǎn)生升力，機(jī)身本身也是與機(jī)翼同樣的流線型，故選取翼展為1.4m，翼弦最長52cm，機(jī)翼面積0.4469m2，設(shè)計(jì)期望最大起飛重量為2000g。翼展位1.4m的飛翼布局飛行器起飛初速度要求為10m/s。

3.1.1 翼型選擇

該飛行器主要用于空中偵查、物資投放、環(huán)境監(jiān)測等，另外飛翼布局的航向操控性較低，故選用S5010翼型，該翼型有很好的升阻比和較大的升力系數(shù)。

3.1.2 折疊機(jī)翼設(shè)計(jì)

為了達(dá)到便攜的目的，該機(jī)使用了折疊機(jī)翼設(shè)計(jì)，在機(jī)翼與機(jī)身連接的上層安裝了一個(gè)45mm×35mm×12mm的塑料合頁，在機(jī)翼與機(jī)身連接的下層安裝了一個(gè)59mm×39mm×14mm的鋁合金搭扣，通過搭扣解鎖，可以將機(jī)翼向上折疊，使得機(jī)身面積縮小為0.2995m2。

3.2 動(dòng)力設(shè)置

飛行器在起飛時(shí)最多可安裝8枚B6-4航?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)平均推力為6N，發(fā)射角為30°，當(dāng)飛行器總質(zhì)量為2000g時(shí)，可在0.83s內(nèi)獲得17.66m/s初速度，滿足該飛行器起飛初速度要求。該飛行器期望航時(shí)為30min，選用的2814電機(jī)在配合9寸減速槳并使用巡航油門，即油門為25%時(shí)，功率為147.95w，一塊5200mAh的4S電池時(shí)，可以飛行30min以上，達(dá)到使用要求。

4 結(jié)論

運(yùn)用零長發(fā)射技術(shù)和折疊機(jī)身設(shè)計(jì)，使得單兵攜帶成為了可能。目前無人機(jī)趨向于小型化、單兵化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該無人機(jī)順應(yīng)這一趨勢，其最大亮點(diǎn)固體燃料助推裝置，直接將固定翼飛行器的滑跑距離減至零米，并且安全可靠，另外可靠的快速釋放及緊鎖機(jī)構(gòu)可極大減少發(fā)射的繁瑣，由單人即可操作，在數(shù)分鐘內(nèi)即可完成起飛。無人機(jī)機(jī)身采用飛翼布局設(shè)計(jì)，通過對機(jī)體氣動(dòng)布局進(jìn)行符合性機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)將內(nèi)部空間加大，可搭載不同設(shè)備實(shí)現(xiàn)不同功能，且相同載荷下減少結(jié)構(gòu)重量，提高飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能。在較為復(fù)雜的地形上降落時(shí)，還可安裝傘降裝置，實(shí)現(xiàn)零長發(fā)射與回收，大大提高了工作效率。

該無人機(jī)可為航拍測繪、偵查搜尋和環(huán)境偵測提供有力支持，使得無人機(jī)的市場應(yīng)用更加廣泛。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張繼高.飛翼布局[A]，北京：空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2009.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]