国外无人直升机及其关键技术发展(曹喜金).doc

第二十四届（2008）全国直升机年会论文国外无人直升机及其关键技术的发展曹喜金 万俊保 （中国直升机设计研究所）摘 要：本文概述了国外无人直升机的发展历程及其不同发展阶段的主要特征，分析了无人直升机关键技术的定义与范围，从6个方面对国外无人直升机关键技术的研究思路、方法和获得的成果以及技术发展现状进行了全面的综合分析和研究，包括总体设计、固有特性、飞行控制、航空电子、动力装置以及机载武器，最后，提出了可供国内有关人员参考借鉴的一些结论。1 概述概括的说，国外无人直升机的发展经历了3个不同阶段，各个阶段具有不同的技术特征：表1 国外无人直升机的发展历程与特征时 期无人直升机主要特征第一个发展阶段20世纪50年代以前系留旋翼平台，结构简单，任务载荷功能单一，没有复杂的飞行控制系统，悬停高度100米以下，平台简单的平移运动第二个发展阶段20世纪50年代到70年代，其中，70年代处于停滞状态视距内/超视距遥控飞行，传统构型或共轴构型，金属或合金材料，最大起飞重量1000千克以下，速度150千米/小时以内，续航时间3小时以内第三个发展阶段20世纪80年代以后飞行控制技术有了较大突破，有限自主飞行，预编成控制飞行，向全自主飞行方向发展，速度200千米/小时，续航时间超过3小时，任务半径超过200千米，长航时、远航程无人直升机的关键技术包括以下几个方面：1）总体设计技术；2）固有特性研究； 3）飞行控制技术；4）航空电子技术；5）动力装置，即发动机选择与控制技术；6）战斗无人直升机的机载武器，包括这些武器的特点、性能要求以及使用等。2 无人直升机总体设计技术无人直升机的构型选择与其任务包线密切相关，而无人直升机的任务按速度和有效载荷可以分为3类：第1类任务高速、大有效载荷任务；第2类任务低速/悬停、大有效载荷任务；第3类高速、小有效载荷任务1。对第一类任务而言，选择倾转旋翼构型是最有竞争力的。对第二类任务来说，选择常规直升机构型是最合适的。在第三类任务中，组合构型就成为最好的选择。从速度、重量、紧凑性和成本方面来考虑，升力与推力组合构型是最好的选择。需用功率（千瓦）倾转旋翼机常规直升机共轴旋翼直升机纵列旋翼直升机前飞速度（千米/小时）图1 不同构型无人直升机需用功率比较以双旋翼共轴构型和常规构型无人直升机执行相同的11个阶段的山区侦察任务为例，通过分析计算可以得出：在所有的任务阶段，双旋翼共轴无人直升机的需用功率都要比常规无人直升机的大，最大相差约20千瓦2。这2种无人直升机最初携带的燃油均为52.5千克。在整个任务过程中，双旋翼共轴无人直升机的总燃油消耗量为35.37千克，为初始燃油量的67%。常规直升机的总燃油消耗量为39.27千克，为初始燃油量的75%。两者相比，相差不大。诱导功率（千瓦）前飞速度（千米/小时）倾转旋翼机常规直升机共轴旋翼直升机纵列旋翼直升机图2 不同构型无人直升机诱导功率比较3 无人直升机固有特性分析目前，国外在对无人直升机气动特性进行分析研究时，通常的做法是：首先，以有人直升机的应用经验为基础，建立无人直升机的理论数学模型，并考虑无人直升机特有的特征，然后，利用各种传统的有人直升机气动特性计算方法，计算无人直升机的气动特性，再通过模拟，或利用比较成熟的无人直升机（应用较多的是日本雅马哈R-50）或有人直升机进行飞行验证，最后，利用获得的精确的模型进行未知参数如惯量和气动常数的识别，并在此基础上进行无人直升机的设计，开发飞行控制律3。通常，人们在建立无人直升机数学模型时，采用2种坐标系：惯性坐标系和机体坐标系。通过齐次变换矩阵在这2种坐标系之间进行变换，就可以获得刚体运动的欧拉方程。同时，在建立无人直升机的数学模型时，还假设无人直升机是在旋翼系统产生的力和力矩的作用下具有6个运动自由度的刚体。这6个运动自由度分别是：纵向、横向和垂向运动自由度以及俯仰、横滚和偏航运动自由度。直升机动力学特性的一个关键方面是旋翼（产生大部分操纵力和力矩）与机身之间的动态耦合。事实已经证明：如果忽略这种耦合影响，那么，在中等到高频范围，就会影响模型的精度。因此，需要精确模拟旋翼的动力学特性，然后综合到机身的运动方程中。实现这一点的标准做法是用公式表示混合模型。这种做法最初是为有人直升机建立的，但它同样适用于无人直升机。其它系统如作动器、发动机/传统系统以及操纵增稳（包括主动偏航阻尼系统或希勒伺服小翼）的动力学特性也要考虑在内。系统参数识别的主要目的是找出数学建模所采用的物理参数。采用较多的识别方法是频率响应综合识别技术。4 无人直升机飞行控制技术 神经网络PID、神经网络自适应技 术 水 平动态逆、自适应PID技术智能控制现代控制经典控制 50 60 70 80 90年 代图3 无人直升机飞行控制技术的发展传统飞行控制系统的基本设计策略是利用增益调参对无人直升机系统的非线性进行补偿。目前，无人直升机上采用的自适应控制技术主要包括自适应高带宽控制、自适应状态反馈控制、伪控制Hedging自适应控制以及输出反馈自适应控制等。20世纪90年代，人们开始为无人直升机开发智能控制技术。虽然说现代无人直升机还没有完全采用智能控制，大部分在役的无人直升机也只是在传统控制技术的基础上，不断对飞行控制系统进行升级，但可以预料这类先进控制技术将越来越多的应用于现代无人直升机上。可以说，智能控制技术是无人直升机飞行控制技术发展的重要方向。无人直升机的智能控制技术主要包括神经网络（NN）PID控制和神经网络自适应控制47。5 无人直升机的航空电子与机载设备从技术角度来看，早期的无人直升机由于大多为遥控飞行，即视距内或超视距遥控飞行，其航空电子和机载设备与飞行控制等其它系统基本上是彼此相互独立的，相互之间没有数据链路连接，并且功能单一，各种信息和数据，通过无线电链路下传到地面控制站，由地面操作员进行遥控操作，以此控制无人直升机的姿态、位置及速度等。在现代具有一定自主飞行能力的无人直升机上，航空电子、机载设备以及各类传感器通常是紧密融合在一起的。它们探测到的信息和数据直接馈送给飞行控制计算机，再通过飞行控制回路实现无人直升机的姿态、高度及速度控制，形成一种人不在回路的控制。同时，现代无人直升机的航空电子与机载设备正在向模块化、集成化和开放式结构的方向发展8。无人直升机开放式结构航空电子设计主要涉及以下几个方面：1）软件、接口以及硬件标准的选择，要确保接口的可移植性、可扩缩性、互操作性以及公用性；2）各种不同功能的集成，尽可能减少模块数量和功率消耗；3）尽可能选用商用货架产品，降低成本。指挥控制站可以说是无人直升机系统的中枢，因为它承担着处理来自无人直升机的信息数据、并向无人直升机发送控制指令的任务。一般来说，指挥控制站至少有3个功能：任务计划、任务控制以及数据处理。 6 无人直升机动力装置现有无人直升机采用的动力装置可分为2大类，一类是活塞发动机，包括往复式活塞发动机和转子式活塞发动机，另一类就是涡轴发动机。通过对国外近30种典型无人直升机的统计，其中，最大起飞重量不超过1000千克的约占80%，采用活塞发动机的约占70%。由此可见，活塞发动机是无人直升机最主要的动力装置。通过对国外无人直升机采用的动力装置的统计分析，可以看出，国外在为无人直升机选择动力装置时，基本都遵循以下几个原则：1）发动机技术成熟度2）发动机与无人直升机的匹配性3）发动机性能与用户经济可承受性在无人直升机飞行控制系统中，需要综合设计发动机控制。无人直升机发动机控制的设计方法与飞行控制系统的基本相似。对中型及以上的无人直升机而言，由于其发动机要求相对大一些（一般功率在100千瓦以上），因此，继续利用成熟的、有人直升机的动力装置，通过一定改进后为其所用，仍将是今后相当长时期内这类无人直升机选择动力装置的主要途径。对小型及以下的无人直升机来说，由于其发动机要求比较小（一般功率在100千瓦以下），因此，除了选用现有的发动机作为动力装置外，国外还进行了其它一些探索。特别是微型无人直升机，采用电流动力系统正成为一种研究方向。有2种电流动力系统可供选择，它们是蓄电池和燃料电池。在蓄电池方面，最有可能实现高能比的就是锂蓄电池。由于重油具有燃点低、易燃烧以及燃烧效率高的特点，因此，非常适合无人直升机所采用的中、小型发动机使用。特别是对活塞发动机来说，因其自身的内部结构所限，油气混合体难以充分燃烧，因而更加适合采用重油作为燃料。也正是因为这个原因，将重油作为无人直升机发动机的燃料已成为一种发展趋势9。7 战斗无人直升机及其武器系统迄今为止，世界上还没有任何一种战斗无人直升机进入部队服役并投入实战使用。但是，由于它具有显著的零伤亡、低成本优势，因此，必将成为军用无人直升机未来发展的一个重要方向。在战斗无人直升机研制方面，可以说美国在全球独领风骚，不仅最先开展研究，制订了完整、详细的研制计划，虽然这项计划后来被迫终止，但在该计划的影响下，美国战斗无人直升机的研制工作一直没有停顿，并且目前已进行了一些武器试验，其它国家则相差甚远。从美国开展研制及用于武器发射试验的无人直升机来看，其为战斗无人直升机选择的都是起飞重量大于1000千克的平台。对战斗无人直升机平台的基本要求是：要有足够的有效载荷能力，结构强度必须能够承受所悬挂的武器以及武器发射时产生的冲击载荷，飞行管理与武器火控系统要有较大的处理速度和存储容量等。到目前为止，美国海军和陆军只是在MQ-8B“火力侦察兵”、 “治安员”等极少数无人直升机上进行过武器发射试验。战斗无人直升机的武器系统基本上可选用成熟的、武装直升机所使用的那些武器，其中包括机枪、航炮、火箭、导弹和炸弹等，不过，应尽可能使这些武器小型化，以适应战斗无人直升机的要求。美国波音公司负责“先进陆军和直升机系统”项目的高级职员卡拉蒙透露，该公司正在为小型无人飞机和直升机开发定向能武器，包括便携式激光器和高能微波（HPM）装置。这类武器要装载到战斗无人直升机上，就必须大幅度降低其重量。锂离子电池这样的新技术已经解决了这类武器的动力装置问题，但冷却装置仍然使这类武器系统的重量过大。不过，波音公司研制的定向能武器的重量已降到只有453千克。看来，战斗无人直升机携带这类武器的设想变成现实的确为时不远。8 结束语作为一种具有广阔应用前景的高技术空中平台，无人直升机技术涉及多个专业与学科，而其中的关键技术又决定了其研制的成败。通过对国外无人直升机关键技术的综合分析和研究，可以得出以下一些重要结论：1）精确的数学建模和自主飞行控制系统的开发是目前国外无人直升机发展的2大核心关键技术，目前，国外还在不断进行更深入的研究，以期获得更大的突破，从而为实现无人直升机的完全自主飞行奠定技术基础；2）传统的有人直升机的分析理论、计算方法和应用经验适用于常规无人直升机的研究，如叶素理论、涡流理论、计算流体动力学等，不过，在具体应用过程中必须考虑无人直升机固有的特性。3）有人直升机研制、试验的工具与方法，如风洞试验、模拟试验等，也适用于无人直升机的研制，特别是模拟试验技术，在无人直升机研制过程中应用更广泛，并且在未来相当长时期内仍将是研制无人直升机的一种重要的工具。4）一些成熟的、低成本的有人直升机部件可以选择用于无人直升机，如动力装置、机载武器等，不过，需要对这些部件进行小型化处理，以便更适合用于无人直升机。5）从国外情况来分析，目前，专门为无人直升机研制的机载设备、系统及武器还非常少，可以说几乎没有，不过，可以预计，在不久的将来，这类研究工作将开始受到人们的高度关注，美国国家航空航天局陆军研究实验室着手专门为无人直升机开发一种可以燃烧重油的“摆盘”发动机就是一个很好的例证。6） 除了技术因素以外，无人直升机关键技术的突破还是一项长期的、需要大投入的研究活动。参 考 文 献1 D.V.Humpherson, Possible rotorcraft configurations for unmanned application, RPVS Vol.12 P.-M.BassetJ.Deslous, Performances comparisons of differect rotary wing UAV configurations, 31ERF, 20053 S.K.Kim, D.M.Tilbury, Mathemeatical Modeling and Experimental Identification of a Model Helicopter, AIAA-98-43574 Bourhance Kadmiry, Fuzzy Control for an Unmanned Helicopter, ISSN 0280-79715 Bernad Mettler, Mark B.Tischler, Takeo Kanade, System Identification of SmallSize Unmanned Helicopter Dynamics, 55th AHS International Annual Forum Proceedings, May, 19996 Bernad Mettler, Mark B.Tischler, Takeo Kanade, System Identification of SmallSize Unmanned Rotorcraft for Flight Control Design, 58th AHS International Annual Forum Proceedings, May, 20027 Jason D. Col