无人机回收技术及其发展..

无人机回收技术及其发展 王宏新  刘长亮  成  坚 摘 要  本文对降落伞回收、气囊着陆回收、撞网回收、空中回收等常用回收方式及技术最新进展进行了着重介绍，对绳钩回收、撞线回收、拦阻着陆回收、滚翼机和扑翼机垂直着陆回收等新型回收方式及其关键技术进行了重点阐述，对回收的不同方式、适用的机型及相应的优缺点进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 比较，为无人机选择回收 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 提供参考。 关键词 无人机  回收技术  发展 引 言 无人机的回收方式是无人机的重要性能之一，回收方式是否机动灵活、准确性及可靠性是否高、设备及操作是否简单等已成为评价无人机性能好坏的重要指标。无人机的回收方式多种多样，传统的回收大致可归纳为降落伞回收、气囊着陆回收、撞网回收、空中回收、旋翼垂直着陆回收和起落架滑轮着陆回收等[1-2]；绳钩回收、撞线回收、拦阻着陆回收、“飞鸟”着陆回收、滚翼机和飞蝶无人机垂直着陆回收等类型是较为新型的着陆方式。有些无人机采用部分回收，只回收有更有价值的设备。比如美国的D-21/GTD-21型无人机，当它完成任务返航至回收阵地时，照相舱被弹出，降落伞自动打开，缓慢降落地面，而机体部分坠毁，比较明显的好处是可以简化回收设备减轻重量。有些无人机在回收时不使用回收设备而是靠机体某部分直接触地回收，通常是小型和微型无人机采用这种简单回收方式[3]，例如英国的UMAC11飞翼式无人机等，完成任务后靠机腹着陆回收。 1 降落伞回收 伞降回收具有结构简单，回收场地要求不高，可重复使用以及成本低廉等优点。经过几十年的不断发展，伞降回收技术日趋成熟，是使用较多的一种回收方式。无人机带着降落伞到达回收区开伞降落在陆地或水面上。地面着陆时，为防止触地时冲击过载造成损坏，无人机要安装滑撬减震器或充气气囊等减震装置，触地时起到缓冲作用[4]。降落在海面时，应配备飘浮系统，可以是无人机的密封机体，也可以是充气的浮筒式气囊，或者是两者的组合。  无人机伞降回收一般应用在低速无人机上。低速无人机主要是指速度在220km/h以下的无人机。由于回收时飞行速度比较低，一般采用引导伞加主伞的回收方式，其过程是引导伞直接拉出主伞，主伞一次充气涨满开伞。目前低速无人机回收系统技术已经较为成熟，伞形一般选用平面圆形伞、方形伞、十字形伞以及冲压式翼伞等。其中十字形伞以其稳定性能好、制造工艺简单、开伞动载较小等优点在低速无人机上应用最为广泛[5]。翼伞具有平稳滑翔的特性，能够以较低的速度下降，可以通过人工或自动控制实现精确着陆。 在使用无人机过程中，不安全因素始终存在着，为了确保安全，美国发明了可自动开启的SmartChutes智能降落伞系统，在无人机出现不可预测的故障时，能够及时有效地保障无人机安全回收。其在降落伞系统中内置了传感器，能够时刻监测无人机的飞行状态，当发现状态异常时在第一时间打开降落伞，以确保无人机安全回收。由于该系统使用的是它自带的可充电电池，因此就算无人机的电池用光了它也能工作，所以安全系数很高，如图1所示。 图1  SmartChutes智能降落伞系统 2  气囊着陆回收 伞降结合气囊缓冲是无人机常用的着陆回收方式。在无人机的机腹下装有气囊，无人机降落时，压缩空气从储气罐进入气囊，部分又从气囊开口中喷出，这个过程在机腹下形成暂时的高压空气缓冲区，使无人机“缓慢”接近地面，避免猛烈撞击产生不良后果。无人机采用气囊着陆的突出优点是，可以在大多数地面或水上着陆，机动性能高。其次，大型和小型无人机都可以使用，回收率较高，使用费用较低。 目前国内外无人机所用的气囊，内部是一个用于填充压缩空气的简单空间。填充气囊压缩空气的气源一般预先贮存在高压贮气罐里，小型气囊也使用化学反应产生气体的发生器。为减少气囊对压缩气体的需求，目前研究较多的是多空间气囊。多空间气囊是以压缩空气预先充填起骨架作用的部分气囊来支撑气囊的外形，再吸入外部环境中的空气充填其余部分。该结构去除了机械结构，气囊重量增加很少；由于大部分充填气囊的空气来自于外部，减少了对压缩气体的需求，达到减轻气源系统重量的目的[6]。 3  撞网回收 无人机撞网回收特别适合在舰船上回收小型固定翼无人机。其核心技术在于引导无人机准确地飞向拦阻网，触网后柔和地吸收能量，从而平稳、准确地实现撞网回收[7]。目前，国内外无人机撞网回收的典型结构有两大类：双网和单网。双网主要是指双网双杆结构。单网根据支撑杆的多少又可分为单网单杆、单网双杆、单网三杆结构。由于双网双杆和单网三杆结构强度和面积较大，舰船应用较多，单网单杆与双杆方案由于结构简单，强度较小，主要应于小型无人机的回收。在引导技术方面，国外研究的范围比较广，主要研究了激光、雷达、GPS组合、电视跟踪和机器视觉等末端精确引导技术。瑞典在激光引导方面研究较深，美国在GPS组合引导方面比较先进，典型应用有“银狐”无人机的Piccolo自动着舰系统[3]等。 4  绳钩回收 绳钩回收是在撞网基础上发展起来的，相对于撞网回收，绳钩回收结构比较简单，一般用于回收体积比较小和重量比较轻的固定翼无人机。无人机绳钩回收系统主要包括翼尖小钩、支架、回收绳、橡筋绳、导向轮、阻尼器和导引装置等，如图2所示。回收过程一般可分为滑行和回旋两个阶段。在引导装置指引下，机翼前缘撞绳后，回收绳沿机翼前缘滑行到前缘翼尖处（图2中从H点滑到F点），翼尖小钩钩住并锁定回收绳[8]。在吸能缓冲装置作用下，无人机飞行速度递减，同时翻转运动的半径和速度也是逐渐降低的，当速度降到比较小时可人工回收。 图2  无人机撞绳回收示意图 5  撞线回收 无人机撞线回收又称为单垂绳拦阻回收。无人机在地面或机载设备引导下，逐渐降低高度、减小速度，直接飞入回收窗口，通过安装在无人机上的自锁挂钩锁定在拦阻缆线上进行回收[9]。撞线回收系统一般由回收吊架装置、拦阻缆绳装置和安装在无人机上的自锁钩装置等组成。如图3所示。其回收所用的关键技术是精确引导无人机飞向预设的回收窗口，并在自锁钩撞击缆绳并锁定后能及时停车，从而准确、平稳地实现回收。目前，撞线回收所用引导方式和设备与撞网回收引导方式相似。 图3 撞线回收方式示意图 美国英西图公司研制了两款无人机撞线回收系统，一种是SkyHook“天钩”系统，一种是“CLRE”系统，两种系统都是在空中完成回收任务的，并且都在“扫描鹰”无人机上进行了应用，机动性高，效果很好。“CLRE”撞线回收系统更加先进，比“天钩”系统更加小型化和轻质化[10]。在回收过程中，“CLRE”撞线回收系统所应用的关键技术是，在无人机撞线时，机翼上的挂钩能钩住回收杆上的绳索。整套系统不工作时，可以折叠起来，便于储藏和携带。这两种回收方式一般应用在小型无人机上。由美国极光科学飞行公司开发的SideArm系统主要是解决中空长航时舰载无人机的发射与回收问题。SideArm系统由三部分组成：起重机、滑轨和滑动回收器。起重机用于滑轨的悬空固定，而滑轨则通过一系列配套组件保证无人机的起降作业，滑动回收器是实际开展无人机回收的装置。为了匹配SideArm系统，在中空长航时无人机的机身上需要安装收放机构、主钩和辅钩。收放机构可使主钩在无人机巡航时折向机身以降低阻力，而在接近舰船时向上竖起准备挂上绳索。 6  拦阻着陆回收 拦阻着陆回收主要应用在舰载有人机的回收上，主要过程是：舰载飞机顺利进场后，飞机上的尾钩钩住拦阻索，飞机在向前滑行的过程中，通过绳索带动甲板下的能产生阻力的拦阻索装置而使飞机制动。当飞机停止时，绳索中储存的应变能会使飞机稍微往后滑动一下，从而使拦阻索自动从飞机尾钩上脱落[11]。这项技术在无人机特别是大型无人机在航空母舰上的应用，可以使航母战斗群处于更安全的位置，也可以更加深入内陆执行打击任务，具有重要意义。比较典型的应用是2013年美国X-47B无人机在布什号航空母舰上成功拦阻着舰。 7  空中回收 无人机空中回收是结合直升机和降落伞系统进行的，具有无损、精确、快速、机动等优点。通过使用直升机空中拦截降落伞系统，利用钩挂机构钩挂无人机，由直升机转移至目的地进行回收 [12]。 无人机空中回收发展经过了三个时期：第一个时期是由于使用不具备滑翔能力的圆形降落伞系统，其典型应用于美国“火蜂”AQM-34N型侦察无人机上。第二个时期是在广泛应用具有较高滑翔能力的冲压翼伞基础上开始的，其典型应用是美国Vertigo公司研制的中距无人机回收项目。第三个时期是以智能吊钩的出现为标志的。牵引伞伞绳在一个或多个智能吊钩钩爪张口内时，钩爪感知到结合绳（牵引伞伞绳）后会自动闭合，完成钩挂工作，大大提高了回收的适用性[12]。 8  垂直着陆 垂直着陆的无人机机动灵活、反应迅速，适于低速、低空抵近飞行，可以垂直起降和空中悬停，不需要特定的起降场地，可以在狭窄空间执行任务，所以受到广泛应用。根据旋翼数量和布局的不同，垂直着陆无人机可分为单旋翼无人机、双旋翼无人机、四旋翼无人机、扑翼机、滚翼机和飞蝶无人机等。 8.1  单旋翼无人机 单旋翼无人机主要是指单旋翼常规式无人直升机。单旋翼常规式无人直升机是有人直升机的无人化，其发展最早、应用最广、型号和数量最多，技术最为成熟。较大型的如美国的A160T“蜂鸟”无人直升机，最大起飞重量达3000kg，中型的如以色列的“斗牛士”无人直升机，最大起飞重量720kg ，较小型的如日本YAMAHA公司研制的RMAX无人机，重量为64 kg，它最大的突破在于其独特的飞行姿态控制系统YACS，使得飞行操纵变得十分简单。 8.2  双旋翼无人机 双旋翼无人机可分为双旋翼常规式无人直升机和涵道共轴式无人机直升机。双旋翼布局主要优点是结构紧凑、外形尺寸小，飞行稳定性好，气动效率高。其主要特点是双旋翼上下旋翼旋向相反，空气动力上的对称性消除了偏航因素，与单旋翼相比操纵相对简单，主要缺点是操纵机构复杂，而且无法进行某些单旋翼直升机可以进行的机动。典型的无人机有英国的Spite、俄罗斯的Ka-137和加拿大的CL-327。涵道共轴式无人直升机的涵道可以保护旋翼、提供附加升力，旋翼的噪声小、安全性好，复杂条件下起降性能优越。典型机型有美国的Cypher及其改进型CypherⅡ。 8.3  四旋翼无人机 四旋翼无人机可实现垂直起降、悬停、横飞、倒飞以及超低空飞行等多种飞行方式[13]。旋翼无人机基本上都属于微小型无人飞行器。适宜于在比较狭小的空间或复杂地形环境中使用，其良好的灵活性是它的主要特点。其旋翼效率非常低，单个旋翼增加拉力的能力有限，增加数量是比较好的方法，因此六旋翼、八旋翼等多旋翼无人机就被研发出来了[14]。四（多）旋翼无人机典型代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 是美国参考技术公司公司的蜂鸟II直升机，能飞到4267米高空，飞行速度达到97km/h，特别适合用于监视。其中的倾转四旋翼无人机是把固定翼飞行的有效性与四旋翼垂直起降的机动性有机结合起来的无人机，其技术关键是要克服状态转换时无人机不稳定带来的风险，其典型代表有美国贝尔和波音公司联合研制的垂直起降倾转四旋翼无人机和伊朗的“Koker-1”垂直起降倾转四旋翼无人机，如图4所示。 图4 伊朗“Koker-1”垂直起降无人机 8.4  扑翼机 扑翼机是仿生微型无人机的代表，它采用自然界生物的扑动翼的飞行方式来同时产生飞行所需的升力和推力。扑翼可以使微型无人机像昆虫和鸟类那样低速飞行、盘旋、急转弯、悬停甚至倒飞和垂直降落。扑翼飞行可随时调整扑动的频率、幅度以适应不同的飞行状况，甚至可以停止扑动采用滑翔飞行方式来节省体力[15]。其典型机型有美国哈佛大学研制的机器“苍蝇”无人机等。机器“苍蝇”无人机的成功研制和起飞得益于在材料和加工技术等方面取得的突破。机器“苍蝇”拥有由压电晶体制成的“飞行肌肉”，由于使用了超薄层材料，从而使其能够一秒钟扇动翅膀120次——频率几乎接近真苍蝇。