救援物資快速輸送系統(tǒng)設(shè)計*

苗琛琛，田明月，葛 濤，孫 斌

（1.北京理工大學(xué) 設(shè)計與藝術(shù)學(xué)院，北京100081；2.中國航空無線電電子研究所，上海200000；3.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安710000）

1 背景

1.1 災(zāi)害與救援

全球變暖背景下，災(zāi)害發(fā)生頻率顯著上升，災(zāi)害強(qiáng)度也越來越大[1]。災(zāi)害應(yīng)急救援的關(guān)鍵是災(zāi)害發(fā)生后的快速反應(yīng)。及時快捷的災(zāi)情信息對于及時制定救援策略，提高救援效率和質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用[2]。

在和平時期，非戰(zhàn)爭軍事行動已成為軍隊經(jīng)常性、現(xiàn)實性的重要任務(wù)，災(zāi)害救援便是任務(wù)的重點。加大軍事先進(jìn)技術(shù)在災(zāi)害救援中的應(yīng)用可以提升救援效率挽救更多生命、盡可能減少國家人民財產(chǎn)損失。

所以結(jié)合軍事技術(shù)對災(zāi)害救援進(jìn)行發(fā)想，針對救援物資輸送的快速性、準(zhǔn)確度和緊迫性三方面的要求進(jìn)行設(shè)計構(gòu)思。

現(xiàn)代救援：

現(xiàn)有救援物資輸送平臺和裝備眾多，挑選其中典型者進(jìn)行分析。對現(xiàn)有救援物資輸送平臺或裝備進(jìn)行對比、評估。將無人機(jī)、直升機(jī)、野戰(zhàn)救援車和救援船分別從速度、準(zhǔn)確性、安全性、攜帶物資量還有救援范圍進(jìn)行分析和對比。根據(jù)預(yù)定設(shè)計要求分析并呈現(xiàn)設(shè)計概念的優(yōu)勢與劣勢。

圖1 現(xiàn)有救援物資輸送平臺分析對比

采用哈里斯圖表法對救援設(shè)備的設(shè)計構(gòu)想進(jìn)行收斂評估[3]。

根據(jù)圖1 可知，四種方案各具優(yōu)缺點，無人機(jī)是目前的最優(yōu)解決方式。但是現(xiàn)存無人機(jī)在續(xù)航、遙控距離上有致命缺陷。需尋找一個救援范圍更廣闊的解決方案，來更好的適應(yīng)更加危險的災(zāi)害現(xiàn)場。

在相同體量下是目前戰(zhàn)場上已應(yīng)用的相較于無人機(jī)在速度、可到達(dá)范圍上都有明顯的優(yōu)勢的運(yùn)輸平臺。無人機(jī)中美國的MQ-9 收割者速度可達(dá)260 節(jié)，也就是482km/h 左右，但是多種小型導(dǎo)彈是超聲速（1842km/h）飛行的[4]。在飛行范圍上，中程無人機(jī)在200～800km 之間，而導(dǎo)彈可以遠(yuǎn)大于這個范圍。

導(dǎo)彈速度更快，相較于無人機(jī)更不易被雷達(dá)捕捉，不易被攔截、擊落。相同時間內(nèi)導(dǎo)彈可到達(dá)的范圍遠(yuǎn)大于無人機(jī)，緊急情況下，救援范圍更廣。綜合來看，導(dǎo)彈作為運(yùn)輸平臺比無人機(jī)更適用于分秒必爭的災(zāi)難救援。

1.2 導(dǎo)彈概念與結(jié)構(gòu)

導(dǎo)彈是一種無人駕駛的有控飛行武器。在常規(guī)意義上，導(dǎo)彈主要是一種具有殺傷力的彈藥武器，但是從它的定義上我們可以看出，本質(zhì)是一種飛行武器，只是搭載了彈藥具有了爆炸用途，正確理解和把握導(dǎo)彈的本質(zhì)特征，對于促進(jìn)導(dǎo)彈的技術(shù)創(chuàng)新和有關(guān)學(xué)科的發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實意義[5]。通過分析對比現(xiàn)有導(dǎo)彈特性，對導(dǎo)彈可進(jìn)行救援物資的輸送的可能性進(jìn)行論證與設(shè)計，給導(dǎo)彈賦予不同于常規(guī)的新用途。

圖2 導(dǎo)彈的一般結(jié)構(gòu)示意圖[5]

導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)組成一般分為推進(jìn)系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、彈頭、彈藥載荷等四部分，如圖2[5]。在救援彈的概念設(shè)計中，主要是將彈藥載荷部分替換成物資裝備載荷，仍借助導(dǎo)彈原有的發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行物資輸送。

救援導(dǎo)彈只要可以裝下救援物資即可，不具有摧毀性，不需要裝載彈藥，并需要適配不同的裝載平臺、作戰(zhàn)環(huán)境，所以應(yīng)從分析現(xiàn)有小型多用途導(dǎo)彈入手。

1.3 導(dǎo)彈數(shù)據(jù)對比

針對現(xiàn)代戰(zhàn)爭與救援的特點，以及近年來美、英等軍事大國在阿富汗、伊拉克和利比亞的非傳統(tǒng)作戰(zhàn)，廣泛的使用小型多用途導(dǎo)彈，并且表現(xiàn)優(yōu)良[3]。表1 是戰(zhàn)場表現(xiàn)較為優(yōu)秀的小型多用途導(dǎo)彈信息對比。

經(jīng)過對信息的分析，考慮選擇質(zhì)量為20～60kg 的導(dǎo)彈為藍(lán)本進(jìn)行設(shè)計。此類導(dǎo)彈擁有小尺寸、大載彈量和低成本等優(yōu)勢，與20kg 以下微型導(dǎo)彈相比有更寬松的設(shè)計空間，可以獲得更強(qiáng)的戰(zhàn)技性能和戰(zhàn)場環(huán)境適應(yīng)性，具有自主動力可以適配更豐富的發(fā)射平臺[6]。而超過60kg 的導(dǎo)彈則更偏重殺傷力，損失了一些輕量化、小型化的優(yōu)勢，不適用于救援彈的設(shè)計。

2 方案設(shè)計與分析

2.1 系統(tǒng)化救援

當(dāng)今各種先進(jìn)技術(shù)的突飛猛進(jìn)也引發(fā)了軍事領(lǐng)域一系列重大變革，其中作為軍事力量后盾的醫(yī)用后勤裝備也應(yīng)該不斷推陳出新，呈現(xiàn)出信息化、智能化、無人化的趨勢[7]。救援用途的導(dǎo)彈與現(xiàn)有導(dǎo)彈具有一定本質(zhì)區(qū)別，應(yīng)從救援角度出發(fā)，重新構(gòu)建一套用于救援的系統(tǒng)，整個系統(tǒng)大致從下面幾方面出發(fā)，發(fā)射救援信號，接收并準(zhǔn)備相應(yīng)救援彈，發(fā)射救援彈至指定區(qū)域，最后還應(yīng)該包括對于救援裝備的回收檢驗與再利用。

2.1.1 典型使用場景

考慮到救援彈的特殊性，針對救援彈的具體使用，應(yīng)是在一定特定條件下，這種特殊性展現(xiàn)出了救援環(huán)境的更加緊迫性與危機(jī)性，以及若不能及時救援將造成極大的損失。構(gòu)思了如下三種使用情形（不限以下三種）：

（1）海上艦艇突遇重大致命襲擊，艇上人員落海遇到重大風(fēng)險，收到報警后我方可快速發(fā)射裝有大量救生裝置的救援彈，迅速降落到落海區(qū)域。

（2）人員密集區(qū)域突遇非常規(guī)生化武器襲擊，收到報警后我方可快速發(fā)射裝有大量防護(hù)裝置的救援彈，迅速降落到救援區(qū)域。

表1 小型多用途導(dǎo)彈信息對比表[6]

圖3 基于彈道平臺的救援物資快速輸送系統(tǒng)理念圖

圖4 救援彈尺寸線框圖（頂視圖，側(cè)視圖）

圖5 結(jié)構(gòu)拆分示意圖

圖6 存儲倉設(shè)計示意圖

（3）災(zāi)害現(xiàn)場情況瞬息萬變，既定救援部署可能隨時需要調(diào)整變化，在受到電磁干擾或一切有緊急需要的場合，可利用救援彈迅速將有關(guān)小型關(guān)鍵物資發(fā)射降落到特定區(qū)域。

2.1.2 輸送系統(tǒng)設(shè)計

首先待救援區(qū)域通過單兵作戰(zhàn)攜帶的高強(qiáng)度通訊設(shè)備發(fā)射救援信號，信號中包含地理坐標(biāo)以及所需何種救援物資等信息。其后，指揮中心收到救援信號，根據(jù)待救援區(qū)域的具體需求選擇布置發(fā)射相應(yīng)救援彈。救援彈到達(dá)一定高度后彈載分離，助推段繼續(xù)按照飛行軌跡到達(dá)待救援區(qū)域，載荷段和導(dǎo)航段繼續(xù)飛行至待救援區(qū)域并降落。最后，待救援區(qū)域拿到載荷段中的救援物資，救援過程結(jié)束，見圖3。

在輸送系統(tǒng)的設(shè)計中，考慮了信號的發(fā)射、收取以及救援彈發(fā)射分離的全過程，較為全面。系統(tǒng)有效的溝通了前線待救援區(qū)域與指揮中心兩地，使得中心能較為準(zhǔn)確的獲取前線救援需求信息，并使前線待救援區(qū)域受到及時有效的救援。整個系統(tǒng)是基于現(xiàn)有的戰(zhàn)場設(shè)備進(jìn)行設(shè)計，其中承擔(dān)救援物資運(yùn)輸任務(wù)、最為重要的就是救援彈了。救援彈的目的、作用都不同于以往的導(dǎo)彈，需要在現(xiàn)有導(dǎo)彈運(yùn)載平臺上進(jìn)行構(gòu)思和設(shè)計改裝。對此，進(jìn)行了彈體的概念設(shè)計。

2.2 彈體概念設(shè)計

2.2.1 外形設(shè)計方案

這款裝備在進(jìn)行外形設(shè)計時，首先應(yīng)有符合空氣動力學(xué)的外形，并能使用現(xiàn)有的發(fā)射技術(shù)發(fā)射，這是其可用性；其次外形應(yīng)該與傳統(tǒng)作為武器的“導(dǎo)彈”有所區(qū)別，便于辨認(rèn)。參考前文小型多用途導(dǎo)彈的尺寸，將彈長設(shè)定為1.8m、彈徑180mm，各段長度如圖4。

2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

最前端為導(dǎo)航裝置，中段為儲藏裝置，最后段則是助推裝置。將導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗部替換成為儲藏物資的儲藏裝置，見圖5。

（1）存儲倉設(shè)計

尾端打開。導(dǎo)彈分離后的尾端直徑比前端大，且可根據(jù)內(nèi)部空間設(shè)計儲物倉，能較為合理的利用導(dǎo)彈的內(nèi)部空間，見圖6。

（2）著陸方式設(shè)計

傳統(tǒng)導(dǎo)彈并不考慮戰(zhàn)斗部在著陸時或之后是否損壞，但是這款裝備并非殺傷性武器而是運(yùn)送救援物資。所以不能以傳統(tǒng)方式著陸，故與旋翼機(jī)結(jié)合。

“助推段”與“旋翼機(jī)”分離后，旋翼機(jī)旋翼開啟，此時可操控旋翼機(jī)運(yùn)送物資，見圖7。

圖7 旋翼機(jī)展開圖

（3）內(nèi)部物資裝備設(shè)計

在裝載救援物資時，為了能夠清晰辨別物資類型，快速裝載到導(dǎo)彈載體中，采用不同顏色來標(biāo)識不同類型的救援物資：

藍(lán)色：食品。若有人員被困在危險區(qū)域，救援人員又不能在人員生命不受危險前抵達(dá)，此時食品重要性處于第一位，所以使用象征生命之源——水的藍(lán)色作為標(biāo)識。

橙色：醫(yī)藥。緊急救援中，醫(yī)治和保護(hù)傷員是最緊急的，故使用明亮的橘色作為標(biāo)識。

3 討論

關(guān)于彈體設(shè)計方面，過程中產(chǎn)生了不止一個方案，選擇之前都進(jìn)行了比較和分析。

一方面，關(guān)于存儲倉開口設(shè)計，尾端彈出更具優(yōu)勢。在前端、尾端、側(cè)面三個方案中：前端彈出。由于導(dǎo)彈的前端彈徑較小，故若從前端彈出儲物倉，儲物倉的直徑也必然較小。所以這種彈出方式的缺點是不能充分利用內(nèi)部空間。側(cè)面打開。對導(dǎo)彈殼體強(qiáng)度有影響，不能滿足導(dǎo)彈發(fā)射飛行的要求。

另一方面，在選擇著陸方案時，曾考慮傳統(tǒng)的減速傘。在載荷段尾端內(nèi)置減速傘如圖8。助推段脫離后減速傘彈出，保證救援物資的艙段緩慢降落，很大程度上防止了物資因著陸速度過快受損，但是無法使物資精準(zhǔn)的降落在目標(biāo)地點，所以未選擇這個方案。

圖8 著陸方式一：減速傘

最后，需要進(jìn)一步思考的是導(dǎo)彈使用成本。傳統(tǒng)導(dǎo)彈一般是單次使用，但是成本較高，若能回收多次利用則能降低使用成本。所以關(guān)于如何回收利用載荷段和導(dǎo)航段仍需要進(jìn)一步設(shè)計。

4 結(jié)束語

在對災(zāi)害救援需求的特點進(jìn)行分析總結(jié)后，從設(shè)計的角度探索以小型多用途導(dǎo)彈為載荷平臺的新型運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計。從系統(tǒng)如何運(yùn)作到具體產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)外觀設(shè)計都給出了較為具體的方案。救援彈在分離前的運(yùn)作方式更貼近于導(dǎo)彈，在彈載分離后又變形具備了無人機(jī)的特點，巧妙的結(jié)合了兩者的優(yōu)點進(jìn)行設(shè)計，雖然在實現(xiàn)性、成本上尚待考量，但不失為一種未來緊急救援物資輸送新思路和新選擇。