美國海軍艦載無人機發射與回收技術分析

2021-01-10 泡泡網
美國海軍艦載無人機發射與回收技術分析
2015年07月30日 14:55作者:畢小菊編輯:畢小菊

  SideArm系統由極光(Aurora)飛行科學公司開發。該公司於2013年10月獲得TERN項目第一階段的合同,對TERN項目中無人機的發射與回收技術進行初步研究。

  1、系統組成

  SideArm系統,如圖所示,由三部分組成:起重機、滑軌和滑動回收器。起重機包含可轉動的基座、可伸縮的支臂和連接支臂的鉸鏈關節。基座內有一套錨固系統,以實現SideArm系統在甲板的快速鋪設和移除。可伸縮的支臂和鉸鏈能保證滑動回收器位置的迅速調整,以最大程度抵消高海況條件下艦船出現的晃動。此外,系統移除時起重機的幾個支臂可以摺疊,從而減小佔用空間。

  滑軌安裝在起重機支臂的末端,可保證滑動回收器在軌上的運動。滑軌的末端安裝有停止裝置和安全裝置,它們的功能正好相反。在回收過程中,如果無人機掛上滑動回收器後運行到滑軌末端時仍有較小的速度,停止裝置能夠防止無人機滑出滑軌。而如果該速度較大,安全裝置將確保無人機滑出滑軌,以防損壞SideArm系統和艦船。

  滑動回收器是實際開展無人機回收的裝置,如圖2所示,其包括支柱a、支柱b、繩索a、繩索b、繩索c、第一繩索管理器和第二繩索管理器。繩索a由支柱a支撐並最終通過滑輪連接到第一繩索管理器上。繩索b由支柱b支撐。繩索c通過滑輪把整個滑動回收器和第二繩索管理器相連接。繩索管理器內含能量吸收器和絞車等裝置。

  為了匹配SideArm系統,如圖3所示,在中空長航時無人機的機身上需要安裝收放機構、主鉤和輔鉤。收放機構可使主鉤在無人機巡航時折向機身以降低阻力,而在接近艦船時向上豎起準備掛上繩索a。另外收放機構內還包括阻尼和能量吸收裝置,以降低回收時的衝擊力。輔鉤位於無人機的機頭位置,其在回收時將掛在繩索b上,從而避免無人機在向甲板轉移時發生晃動。

  2、工作原理

  在海上回收時,位於艦船和無人機上的精確定位裝置保證主鉤對準繩索a。在主鉤掛上繩索a後,如圖4所示,無人機將會同時產生兩個方向的運動,即由於慣性繼續向前運動和受主鉤拉力作用的向上擺動。在無人機向前運動過程中,由於受到向前的衝擊作用,滑動回收器將沿著滑軌向前滑動,繩索c隨即被拉長,第二繩索管理器將吸收衝擊力並產生阻力,阻止滑動回收器和無人機繼續前移。在向上擺動過程中,繩索a上的張力、第一繩索管理器以及無人機收放機構產生的阻力將共同衝擊力進行吸收。當無人機的輔鉤掛上繩索b後,由於慣性將繼續向上擺動,而隨著繩索b被拉長,其產生的阻力將使無人機停止向上擺動。最終無人機在各阻力的作用下停止前移和擺動,回收過程完畢。

  SideArm系統可以通過調節繩索管理器的參數適應不同重量的無人機。而位於艦船側邊的回收方式,不僅使無人機避開艦尾亂流,也可避免因回收失敗導致直接撞艦。除了回收功能,SideArm系統也能利用滑軌採用火箭助推方式發射無人機,從而實現多功能使用。

  3、小結

  根據以上內容,SideArm系統可分為固定裝置和滑軌起降系統。即,起重機充當特定環境條件下起降系統的固定裝置,用於滑軌的懸空固定;而滑軌則通過一系列配套組件保證無人機的起降作業。

  在回收作業過程中,滑軌系統採用兩級攔阻、雙索固定的方式。即,繩索a與第一繩索管理器為第一級攔阻系統,繩索c與第二繩索管理器為第二級攔阻系統。而繩索b主要用於輔助繩索a對無人機的姿態進行固定。

  關於如何利用SideArm系統來發射無人機,公開資料中未予提及。參考美軍現役小型無人機(如,「掃描鷹」)的發射方式,作者認為,在發射作業時,SideArm系統可能通過在滑軌上安裝模塊來固定無人機,並利用導軌段的加速實現無人機的彈射起飛。

  對SideArm發射與回收系統的剖析

  1、對國外公開資料的基本判斷

  SideArm系統瞄準的目標是解決艦船有限艦面空間內,中空長航時無人機的發射與回收問題。從公開資料來看,其當前的系統架構是對傳統海上無人機發射與回收方式的再創新。其核心思想是將傳統無人機的導軌發射/撞網回收方式進行升級改進,進而部署到中小型艦船上完成中空長航時無人機的發射與回收。從原理上看,其起降作業過程與「掃描鷹」所使用的Super-Wedge氣動彈射發射架和「天鉤」(SkyHook)系統比較相似。

  TERN項目的目標是一種最大有效載重可達450千克的中空長航時無人機。考慮到SideArm系統的工作方式,這種中空長航時無人機可能無須配備輪式起降系統。因此,若將該機的有效載重係數(最大有效載荷/對應狀態下的起飛重量)設定為0.4左右(高於MQ-1/9),那麼從技術參數上可以推測,這種中空長航時無人機的最大起飛重量將超過1噸。而SideArm系統在項目第一階段的縮比試驗中所達到的階段目標為「適用於最大起飛重量為409.6千克(900磅)的無人機」。因此,SideArm系統在第一階段結束時距離TERN項目的目標尚有較大差距。

  2、可能的技術難點

  從SideArm系統的工作過程來看,其可能面臨的與飛機高度相關的技術難點主要包括:

  既定飛行速度下的精確空中掛索

  由於SideArm系統的適用對象可能為最大起飛重量超過1噸的無人機,其難以直接通過等比例放大SkyHook系統來達成目的。形象地來說,如果為了回收翼展為1米的無人機可以接受懸臂達10米的回收裝置,但這並不意味著為了回收翼展為10米的無人機可以接受懸臂達100米的回收裝置。

  如果上述說法成立的話,那麼勢必要通過合理劃設回收作業速度區間、提升無人機在複雜海況(5級)下低速飛行的能力與品質、精確引導與控制等一系列措施來確保無人機能夠在既定飛行速度區間內實現精確空中掛索。

  掛索後減速過程中的飛行姿態控制

  筆者認為,對外公布的關於輔鉤掛索的描述過於模糊。從工程角度來看,要實現複雜海況下低速掛索過程中的姿態控制絕非易事。實際上,掛索後無人機減速過程中的姿態控制與繩索阻尼控制系統密切相關。與有人機的航母攔阻著艦相比,艦載機在攔阻著艦過程中艦面可以承受飛機垂直方向的衝擊載荷,因而飛機一般沿3.5°~4°的下滑線不拉平進場著艦,且攔阻系統的主要功能是從水平方向上對飛機進行減速。而SideArm系統在無人機掛索後,繩索需要同時承擔多個方向上的衝擊載荷,且隨著無人機速度的降低舵面控制系統的效率急速下降。因此,如何保證無人機能夠以預期的姿態減速並完成輔鉤掛索可能是回收作業中的一大難點。

  啟示與建議

  充分發揮軍事需求對武器裝備的牽引作用

  從TERN項目發展來看,美國對於該項目所提出的中空長航時無人機的需求定位十分明確。即,瞄準未來美軍海上持久情報、監視與偵察(ISR)能力和適度打擊能力的建設。反觀國內,預研階段對於軍事需求的研究還很不夠,一些裝備甚至在進入型號立項階段時還沒有就軍事需求達成共識。

  航空武器裝備體系是一個體系化的整體性問題。要實現所謂的「1+1>2」,就不能僅僅是為了論型號而論型號。從軍事需求研究開始,就需要對我軍武器裝備體系的建設進行全方位、多層次的整體規劃與設計。統籌軍事需求與技術可能,有針對性地開展先期技術探索和技術攻關,通過不斷迭代逐步過渡到「需求牽引」與「技術推動」形成合力的階段,進而有力地支撐武器裝備的研製與發展。

  加強以應用為背景的先期技術探索

  美國歷來重視武器裝備的先期技術探索。在TERN項目上,DARPA通過先期投資推動主要關鍵技術的發展,為美軍海上ISR與打擊系統的發展奠定技術基礎。而我國在航空裝備的發展過程中對先期技術探索的重視程度不夠,造成一些型號在裝備研製的過程中重新回頭「補課」,既增加了型號研製的風險,也影響了型號研製的進度。從一定程度上講,技術本身是一把「雙刃劍」。良好的管理與科研模式,可以使技術成為武器裝備的「孵化器」,有力推動武器裝備的發展。反之,則有可能形成技術條件「制約」,導致能力跟不上思想,計劃趕不上變化,進而影響武器裝備的正常研製和發展。

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