无人直升机发展现状及技术难点

2022-09-11

一、微型无人直升机的特点与作用

(一) 无人直升机的特点

无人直升机区与有人直升机最大的区别在于, 无人直升机对跑道没有过程的要求, 能够快速适应不同机场要求, 进入飞行状态后仍可保持机体的灵活性, 可应对多种突发性飞行事故。无人直升机的飞行能力在某种程度上优于其他飞行器, 对于有人驾驶直升机中所无法完成的飞行任务, 无人直升机可做到有效的弥补, 出于这一特性, 越来越多基国内外产业逐渐意识到无人直升机的优势。与单旋翼带尾桨直升机相比, 共轴式直升机体型较小, 结构设置合理, 在悬停和中速飞行过程中飞行效率极为显著。且无尾桨设计极大的削弱了故障产生的可能性, 有利于的直升机在无人驾驶情况下的安全着陆, 多被应用于起降场地受到空间限制等情况下, 因而, 加快推动共轴式无人直升机已成为全球发展无人机产业的主流趋势[1]。

(二) 无人直升机的作用

1. 军用

第一, 无人直升机在军事方面的应用, 可完成对目标的远程侦查和实时监视, 通常, 具备图像传感器等设备的无人直升机, 其工作范围可集中在与地面相距50m左右的空中, 根据目标所在位置进行定位和移动, 代替侦察机和基深入险要地区和卫星信号不可深入探测的死角。

第二, 在某种情况基下, 无人直升机可起到传感器的作用, 但前提必须满足无人直升机安置条件等, 确保无人直升机的隐蔽性, 将实际侦查过程中所收集信息实时传回至指挥中心。

第三, 在特定作业环境下, 将通信设备以及摄像机设置于无人直升机中, 可充当通信中继, 对人员无法到达的危险区域, 对该区域实况进行实时拍摄, 并通过信息传输技术共享于指挥中心及前线作战人员。

2. 民用

无人直升机可检测区域生产生活过程中所产生的各种化学及生物污染, 如, 因地震等自然灾害所造成的环境污染问题, 无人直升机可通过携带相关检测设备, 达到被污染区域上空, 排除生物化学物质对人的影响, 对区域内实际环境情况进行全面探测, 并将所记录数据及信息实时传输至地面指挥中心[2]。

二、无人直升机的关键技术和难点技术分析

(一) 直升机平台技术

在我国, 对于有人直升机的研究远多于对无人直升机的研究时长, 已保持长达数十年的研究过程, 技术与经验基础相对稳定, 但对其中部分问题的研究尚处于研究不断深化及完善过程中, 如, 动力学建模问题、飞行控制问题等, 而这些问题的解决均离不开平台设计技术的支持。

因而, 纵观无人机整体研究现状来看, 对于平台技术仍具有较强的依赖性, 在确保直升机平台设计与使用环境、用户用途、自主起降等的有效融合, 才有效保证无人直升机系统的性能的优越性, 例如, 拥有高抗风能力的无人直升机, 其性能的实现不仅需要以现代化飞行控制算法为前提条件, 且在某种程度与平台自身的旋翼设计具有十分密切的关系[3]。

(二) 飞行控制技术

一是象特性差异显著。无论是在直升机纵向运动还是横向运动中, 运功本身具有一定的耦合性, 这些耦合主要表现横滚机动时桨叶挥舞引起俯仰力矩、旋翼旋转时形成的偏航力矩以及俯仰机动情况下所构成的横滚力矩以及前飞速度变化时尾桨拉力变化引起的偏航力矩等等, 但无人直升机处于悬停状态、低速飞行等状态时, 横、纵向耦合性表现愈加凸显;相反, 无人直升机飞行速度处于中低速度时, 纵向耦合相对突出。

二是非线性特性强。基于无人直升机系统角度来看, 非线性特征主要集中在两个方面, 包括执行机构的非线性以及数学模型的非线性。对于旋翼部分而言看, 结构自身具有严重的非线性特征, 无人直升机特性的差异化, 除了表现在不同飞行状态时, 在施加激操纵量的同一飞行状态下, 同样可激发其中潜藏非线性特征。此外, 固有耦合性长期作用于无人直升机通道之间, 一旦通道执行机构具备非线性特点, 在影响自身通道飞行响应的同时, 也在某种程度上对其他通道的响应造成严重的影响。

三是行模态数量多。无人直升机在飞行过程中, 有多重飞行模态可进行随意切换, 并且不同模态可进行随意组合, 无人直升机完成特殊任务的能力在各种复杂环境条件下得以全面提升。因此, 对于飞行控制系统而言, 不仅要确保不同飞行模态功能的实现, 且还要对当前模态切换机制进行不断完善及优化, 即使在模态切换过程中, 也要时刻保持高效率、高品质的飞行状态[4]。

(三) 动力系统-涡轮有望逐步取代活塞

(1) 当前阶段, 国内外无人直升机基本采用活塞式发动机作为动力装置, 但从实际应用效果来看, 活塞式发动机在应用范围上局域一定的局限性, 通常在低速低空小型无人机中的应用效果显著;

(2) 针对靶机、自杀式无人机以及导弹等装置的一次性应用, 要求对推重比的要求较高, 但是在寿命时长上允许缩短1—2h, 通常涡喷式发动机的应用频率较高;

(3) 低空无人直升机一般使用涡轴发动机, 高空长航时的大型无人机一般使用涡扇发动机 (美国全球鹰重达12t) ;

(4) 消费级微型无人机 (多旋翼) 一般使用电池驱动的电动机, 起飞质量不到100克、续航时间小于一小时。

(四) 数据链传输系统

从技术组成结构上来看, 无人直升机系统的运行离不开数据链传输系统的支撑作用, 数据链传输系统在整个运行中承担着对无人直升机的遥控、遥测、传感器传输以及跟踪定位, 上行和下行数据链分别对应无人机遥控和执行遥测、数据传输等功能。通常情况下, 普通规格的无人直升机在数据链的选择上以定制视距为主, 视距和超视距卫通数据链则常被应用于中高空、长航时的无人直升机。且随着记载传感器、定位的精细程度和执行任务的复杂程度越来越高, 对数据链的贷款提出更高要求, 未来需进一步提升对数据链传输速率的提升。

三、结束语

无人直升机作为信息技术时代的产物, 凭借自身结构紧凑、转场灵活、垂直起降等特点, 广泛应用于军事、民用以及各类农林业生产, 而从其实际发展现状来看, 面临着技术和应用的双重压力, 需不断打破传统技术形式, 积极引进现代化信息技术, 推动无人直升机在技术方面的跨越式发展。

摘要：在新一轮科技革命中, 无人直升机成为全球产业热点, 与无人机相关联的技术形式层出不穷, 基本已细分蔓延至不同行业领域, 无人及潜在市场规模也在快速扩容。文章以无人直升机的发展现状为切入点, 结合无人直升机发展特点与作用等关键因素, 对无人直升机的关键技术和难点技术展开更加深入的分析, 以期通过对无人机的有效利用, 全面推动各行各业的发展。

关键词：无人直升机,发展现状,技术难点