1、第二十四屆（2008）全國直升機年會論文國外無人直升機及其關鍵技術的發展曹喜金萬俊保（中國直升機設計研究所）摘 要：本文概述了國外無人直升機的發展歷程及其不同發展階段的主要特征，分析了無 人直升機關鍵技術的定義與范圍，從6個方面對國外無人直升機關鍵技術的研究思路、方法和獲得的成果以及技術發展現狀進行了全面的綜合分析和研究，包括總體設計、固有特 性、飛行控制、航空電子、動力裝置以及機載武器，最后，提出了可供國內有關人員參考 借鑒的一些結論。1概述概括的說，國外無人直升機的發展經歷了3個不同階段，各個階段具有不同的技術特征：表1國外無人直升機的發展歷程與特征時期無人直升機主要特征第一個發展階段20

2、世紀50年代以、八刖系留旋翼平臺，結構簡單，任務載荷功能單一， 沒有復雜的飛行控制系統，懸停高度100米以下， 平臺簡單的平移運動第二個發展階段20世紀50年代到 70年代，其中，70 年代處于停滯狀 態視距內/超視距遙控飛行，傳統構型或共軸構型， 金屬或合金材料，最大起飛重量1000千克以下， 速度150千米/小時以內，續航時間 3小時以內第三個發展階段20世紀80年代以 后飛行控制技術有了較大突破，有限自主飛行，預 編成控制飛行，向全自主飛行方向發展，速度200 千米/小時，續航時間超過3小時，任務半徑超過 200千米，長航時、遠航程無人直升機的關鍵技術包括以下幾個方面:1）總體設計技術；

3、2 ）固有特性研究;3）飛行控制技術；4）航空電子技術；5）動力裝置，即發動機選擇與控制技術；6）戰斗無人直升機的機載武器，包括這些武器的特點、性能要求以及使用等。2無人直升機總體設計技術無人直升機的構型選擇與其任務包線密切相關，而無人直升機的任務按速度和有效載荷可以分為3類：第1類任務一高速、大有效載荷任務；第 2類任務一低速/懸停、大有效載荷任務；第 3類一咼速、小有效載荷任務1。對第一類任務而言， 選擇傾轉旋翼構型是最有競爭力的。對第二類任務來說， 選擇常規直升機構型是最合適的。在第三類任務中，組合構型就成為最好的選擇。從速度、 重量、緊湊性和成本方面來考慮，升力與推力組合構型是最好的選

4、擇。圖1不同構型無人直升機需用功率比較傾轉旋翼機共軸旋翼直升機需用功率（千瓦以雙旋翼共軸構型和常規構型無人直升機執行相同的11個階段的山區偵察任務為例，通過分析計算可以得出：在所有的任務階段，雙旋翼共軸無人直升機的需用功率都 要比常規無人直升機的大，最大相差約20千瓦2。這2種無人直升機最初攜帶的燃油均為52.5千克。在整個任務過程中，雙旋翼共軸無人直升機的總燃油消耗量為35.37千克，為初始燃油量的67%。常規直升機的總燃油消耗量為39.27千克，為初始燃油量的 75%。兩者相比，相差不大。誘導功率（千瓦前飛速度（千米/小時）傾轉旋翼機共軸旋翼直升機縱列旋翼直升機常規直升機不同構型無人直升機

5、誘導功率比較3無人直升機固有特性分析目前，國外在對無人直升機氣動特性進行分析研究時，通常的做法是：首先，以有人直升機的應用經驗為基礎，建立無人直升機的理論數學模型，并考慮無人直升機特有的特征，然后，利用各種傳統的有人直升機氣動特性計算方法，計算無人直升機的氣動特性，再通過模擬，或利用比較成熟的無人直升機（應用較多的是日本雅馬哈R-50）或有人直升機進行飛行驗證，最后，利用獲得的精確的模型進行未知參數如慣量和氣動 常數的識別，并在此基礎上進行無人直升機的設計，開發飛行控制律3。通常，人們在建立無人直升機數學模型時，采用2種坐標系：慣性坐標系和機體坐標系。通過齊次變換矩陣在這 2種坐標系之間進行變

6、換，就可以獲得剛體運動的歐拉方 程。同時，在建立無人直升機的數學模型時，還假設無人直升機是在旋翼系統產生的力和力矩的作用下具有 6個運動自由度的剛體。 這6個運動自由度分別是： 縱向、橫向和 垂向運動自由度以及俯仰、橫滾和偏航運動自由度。直升機動力學特性的一個關鍵方面是旋翼（產生大部分操縱力和力矩）與機身之間的動態耦合。事實已經證明：如果忽略這種耦合影響，那么，在中等到高頻范圍，就會 影響模型的精度。因此，需要精確模擬旋翼的動力學特性，然后綜合到機身的運動方程中。實現這一點的標準做法是用公式表示混合模型。這種做法最初是為有人直升機建立/傳統系統以及操縱增穩的，但它同樣適用于無人直升機。其它系統

7、如作動器、發動機（包括主動偏航阻尼系統或希勒伺服小翼）的動力學特性也要考慮在內。系統參數識別的主要目的是找出數學建模所采用的物理參數。采用較多的識別方法 是頻率響應綜合識別技術。4無人直升機飛行控制技術年代圖3無人直升機飛行控制技術的發展傳統飛行控制系統的基本設計策略是利用增益調參對無人直升機系統的非線性進自適行補償。目前，無人直升機上采用的自適應控制技術主要包括自適應高帶寬控制、 應狀態反饋控制、偽控制Hedging自適應控制以及輸出反饋自適應控制等。20世紀90年代，人們開始為無人直升機開發智能控制技術。雖然說現代無人直升 機還沒有完全采用智能控制，大部分在役的無人直升機也只是在傳統控制技

8、術的基礎 上，不斷對飛行控制系統進行升級，但可以預料這類先進控制技術將越來越多的應用于 現代無人直升機上?？梢哉f，智能控制技術是無人直升機飛行控制技術發展的重要方向。無人直升機的智能控制技術主要包括神經網絡（NN ） PID控制和神經網絡自適應控制F。5無人直升機的航空電子與機載設備從技術角度來看， 早期的無人直升機由于大多為遙控飛行， 即視距內或超視距遙控 飛行， 其航空電子和機載設備與飛行控制等其它系統基本上是彼此相互獨立的， 相互之 間沒有數據鏈路連接， 并且功能單一， 各種信息和數據， 通過無線電鏈路下傳到地面控 制站，由地面操作員進行遙控操作，以此控制無人直升機的姿態、位置及速度等。

9、形成一種人不在回路的控集成化和開放式結構在現代具有一定自主飛行能力的無人直升機上， 航空電子、 機載設備以及各類傳感 器通常是緊密融合在一起的。 它們探測到的信息和數據直接饋送給飛行控制計算機， 通過飛行控制回路實現無人直升機的姿態、 高度及速度控制， 制。同時，現代無人直升機的航空電子與機載設備正在向模塊化、 的方向發展 8 。1）軟件、接口以及互操作性以及公用性；2）各種3）盡可能選用商用貨架產品，降無人直升機開放式結構航空電子設計主要涉及以下幾個方面： 硬件標準的選擇，要確保接口的可移植性、可擴縮性、 不同功能的集成，盡可能減少模塊數量和功率消耗； 低成本。因為它承擔著處理來自無人直升機

10、的一般來說， 指揮控制站至少有 3 個功指揮控制站可以說是無人直升機系統的中樞， 信息數據、 并向無人直升機發送控制指令的任務。 能：任務計劃、任務控制以及數據處理。6 無人直升機動力裝置現有無人直升機采用的動力裝置可分為 塞發動機和轉子式活塞發動機，另一類就是渦軸發動機。通過對國外近 直升機的統計，其中，最大起飛重量不超過 1000 千克的約占 80%， 約占 70%。由此可見，活塞發動機是無人直升機最主要的動力裝置。通過對國外無人直升機采用的動力裝置的統計分析， 可以看出， 機選擇動力裝置時，基本都遵循以下幾個原則：2 大類，一類是活塞發動機， 包括往復式活30 種典型無人采用活塞發動機的

11、國外在為無人直升1）發動機技術成熟度2）發動機與無人直升機的匹配性3）發動機性能與用戶經濟可承受性 在無人直升機飛行控制系統中， 需要綜合設計發動機控制。 無人直升機發動機控制 的設計方法與飛行控制系統的基本相似。對中型及以上的無人直升機而言，由于其發動機要求相對大一些（一般功率在 千瓦以上），因此，繼續利用成熟的、有人直升機的動力裝置，通過一定改進后為其所 用，仍將是今后相當長時期內這類無人直升機選擇動力裝置的主要途徑。 對小型及以下 的無人直升機來說，由于其發動機要求比較小（一般功率在 100 千瓦以下），因此，除 了選用現有的發動機作為動力裝置外， 國外還進行了其它一些探索。 特別是微型

12、無人直100升機， 采用電流動力系統正成為一種研究方向。 有 2 種電流動力系統可供選擇， 它們是 蓄電池和燃料電池。在蓄電池方面，最有可能實現高能比的就是鋰蓄電池。由于重油具有燃點低、 易燃燒以及燃燒效率高的特點， 因此， 非常適合無人直升機 所采用的中、小型發動機使用。特別是對活塞發動機來說，因其自身的內部結構所限， 油氣混合體難以充分燃燒， 因而更加適合采用重油作為燃料。 也正是因為這個原因， 將 重油作為無人直升機發動機的燃料已成為一種發展趨勢 9 。7 戰斗無人直升機及其武器系統迄今為止，世界上還沒有任何一種戰斗無人直升機進入部隊服役并投入實戰使用。 但是，由于它具有顯著的零傷亡、

13、低成本優勢， 因此， 必將成為軍用無人直升機未來發 展的一個重要方向。在戰斗無人直升機研制方面， 可以說美國在全球獨領風騷， 不僅最先開展研究， 制 訂了完整、詳細的研制計劃， 雖然這項計劃后來被迫終止， 但在該計劃的影響下，美國 戰斗無人直升機的研制工作一直沒有停頓， 并且目前已進行了一些武器試驗， 其它國家 則相差甚遠。其為戰斗無人直升機選擇從美國開展研制及用于武器發射試驗的無人直升機來看，的都是起飛重量大于 1000 千克的平臺。對戰斗無人直升機平臺的基本要求是： 要有足夠的有效載荷能力， 結構強度必須能 夠承受所懸掛的武器以及武器發射時產生的沖擊載荷， 飛行管理與武器火控系統要有較 大

14、的處理速度和存儲容量等。到目前為止，美國海軍和陸軍只是在MQ-8B火力偵察兵”、 治安員”等極少數無人直升機上進行過武器發射試驗。戰斗無人直升機的武器系統基本上可選用成熟的、武裝直升機所使用的那些武器， 其中包括機槍、航炮、火箭、導彈和炸彈等，不過，應盡可能使這些武器小型化，以適 應戰斗無人直升機的要求。該公司正HPM)美國波音公司負責 “先進陸軍和直升機系統 ”項目的高級職員卡拉蒙透露， 在為小型無人飛機和直升機開發定向能武器，包括便攜式激光器和高能微波（ 裝置。這類武器要裝載到戰斗無人直升機上， 就必須大幅度降低其重量。 鋰離子電池這樣 的新技術已經解決了這類武器的動力裝置問題， 但冷卻裝

15、置仍然使這類武器系統的重量 過大。不過， 波音公司研制的定向能武器的重量已降到只有 453 千克。看來，戰斗無人 直升機攜帶這類武器的設想變成現實的確為時不遠。8 結束語作為一種具有廣闊應用前景的高技術空中平臺， 無人直升機技術涉及多個專業與學科，而其中的關鍵技術又決定了其研制的成敗。 通過對國外無人直升機關鍵技術的綜合 分析和研究，可以得出以下一些重要結論：2大 從而為并且在1）精確的數學建模和自主飛行控制系統的開發是目前國外無人直升機發展的 核心關鍵技術，目前， 國外還在不斷進行更深入的研究，以期獲得更大的突破， 實現無人直升機的完全自主飛行奠定技術基礎；2）傳統的有人直升機的分析理論、計

16、算方法和應用經驗適用于常規無人直升機的 研究，如葉素理論、渦流理論、計算流體動力學等，不過，在具體應用過程中必須考慮 無人直升機固有的特性。3）有人直升機研制、試驗的工具與方法，如風洞試驗、模擬試驗等，也適用于無 人直升機的研制， 特別是模擬試驗技術， 在無人直升機研制過程中應用更廣泛， 未來相當長時期內仍將是研制無人直升機的一種重要的工具。4）一些成熟的、 低成本的有人直升機部件可以選擇用于無人直升機，如動力裝置、機載武器等，不過，需要對這些部件進行小型化處理，以便更適合用于無人直升機。5）從國外情況來分析，目前，專門為無人直升機研制的機載設備、系統及武器還 非常少，可以說幾乎沒有，不過，可

17、以預計，在不久的將來，這類研究工作將開始受到 人們的高度關注， 美國國家航空航天局陸軍研究實驗室著手專門為無人直升機開發一種 可以燃燒重油的 “擺盤 ”發動機就是一個很好的例證。6） 除了技術因素以外，無人直升機關鍵技術的突破還是一項長期的、需要大投入 的研究活動。參考文獻1 D.V .Humpherson, Possible rotorcraft configurations for unmanned application, RPVS Vol.12 P.-M. Basset J. Deslous, Performances comparisons of differect rotary w

18、ing 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 Sm