可折疊旋翼式防空無人機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：能否有效地防御空中打擊是一個國家防御體系中極為重要的一環(huán)。精確制導(dǎo)武器造價(jià)高，攔截成功率不到百分百，而密集陣防空火炮射程近，范圍小，且攔截后的殘骸有可能會造成威脅。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種電磁炮發(fā)射的可折疊旋翼蜂群式防空無人機(jī)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)依靠電磁炮將帶整流罩的無人機(jī)群發(fā)射至35km高度后，依靠無人機(jī)自動控制調(diào)整為預(yù)定陣型，對導(dǎo)彈進(jìn)行有效攔截。

關(guān)鍵詞：電磁炮；可折疊旋翼無人機(jī)；無人機(jī)蜂群

1 研究背景

在現(xiàn)代化的戰(zhàn)爭中，空中打擊已成為十分重要的戰(zhàn)爭手段。特別是高技術(shù)航空兵器的發(fā)展和導(dǎo)彈的大量使用，使得空中打擊不僅能摧毀掩體和工事等戰(zhàn)場目標(biāo)，而且還能摧毀指揮控制中心、通訊中心、防空陣地等縱深的軍事目標(biāo)?？罩写驌舨粌H僅是地面進(jìn)攻的前奏，而且可為地面進(jìn)攻的順利推進(jìn)和最后勝利創(chuàng)造條件。[1]因此，在未來戰(zhàn)爭中，能否有效地防御空中打擊已成為國家防御中的極為重要的一環(huán)。[2]

二戰(zhàn)后期，德國為對付英、美轟炸機(jī)群，使用“復(fù)仇武器”V1和V2導(dǎo)彈的同時，開展了比高炮打得更高更遠(yuǎn)的防空導(dǎo)彈的研究試驗(yàn)，這更增加了全世界對防空防導(dǎo)技術(shù)的重視。[34]

2001年以后，美國小布什政府提出發(fā)展的全球一體化多段多層防御系統(tǒng)（助推段、中段、末段），實(shí)現(xiàn)對各個階段飛行的、各種射程的彈道導(dǎo)彈全程防御。其中，地基中段防御系統(tǒng)作為美國全球一體化彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中段防御的陸基部分，承擔(dān)防御洲際彈道導(dǎo)彈攻擊的戰(zhàn)略防御任務(wù)。地基中段防御系統(tǒng)由天基預(yù)警衛(wèi)星、改進(jìn)的早期預(yù)警雷達(dá)、前沿部署雷達(dá)、地基攔截彈、作戰(zhàn)管理與指揮控制通信網(wǎng)絡(luò)組成。地基中段防御系統(tǒng)共進(jìn)行了18 次攔截飛行試驗(yàn)，成功9 次，成功率50%。僅驗(yàn)證了地基中段防御系統(tǒng)大氣層外防御不攜帶突防措施的中遠(yuǎn)程、遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈技術(shù)能力，具備戰(zhàn)時針對威脅目標(biāo)防御簡單威脅的“有限防御能力”。[56]目前的防空手段有以下問題：精確制導(dǎo)武器造價(jià)高，攔截成功率不到百分百，一般航母或重要建筑的最后一道防御系統(tǒng)還是密集陣；但同時密集陣防空火炮射程近，范圍小，且攔截后的殘骸有可能會造成威脅。

2 發(fā)射式可折疊旋翼式無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上論述，本文提出了一種電磁炮發(fā)射的可折疊旋翼蜂群式防空無人機(jī)設(shè)計(jì)。依靠電磁炮發(fā)射帶整流罩的可折疊旋翼式無人機(jī)群至空中35千米高度后，無人機(jī)展開旋翼，并排出相應(yīng)的蜂群式陣型，對導(dǎo)彈進(jìn)行有效攔截，用于防御空中打擊。電磁炮發(fā)射旋翼式無人機(jī)蜂群式布置作為防空手段，相對于造價(jià)昂貴的防空導(dǎo)彈等防空武器，擁有隱蔽性強(qiáng)，密集陣防空射程遠(yuǎn)，范圍大，反應(yīng)迅速、攔截效率高、機(jī)動性強(qiáng)、性價(jià)比高的特點(diǎn)。

2.1 總體構(gòu)型設(shè)計(jì)

發(fā)射式可折疊旋翼式無人機(jī)主要由整流罩、旋翼式無人機(jī)系統(tǒng)以及控制舵面三大部分組成，該可折疊旋翼無人機(jī)構(gòu)型如下圖所示。

整流罩主要是為無人機(jī)提供良好的氣動外形，便于電磁彈射的炮彈飛行階段降低飛行阻力，提高發(fā)射高度，同時還為無人機(jī)提供容納空間和保護(hù)作用。整流罩分為頭部整流部分和尾部整流兩部分，無人機(jī)彈射到指定高度后自動飛離。控制舵面主要是為了在炮射過程中對發(fā)射式可折疊無人機(jī)的飛行線路進(jìn)行小范圍的修正，從而使其能更加準(zhǔn)確地到達(dá)預(yù)定位置。

旋翼式無人機(jī)系統(tǒng)的最上端有兩個對轉(zhuǎn)槳三葉螺旋槳，待機(jī)狀態(tài)時折疊緊貼于機(jī)身，下部有兩個負(fù)責(zé)水平位移的尾舵，可以通過尾舵實(shí)現(xiàn)水平方向的位移。無人機(jī)中端則是裝有用于攔截目標(biāo)的特殊炸藥的戰(zhàn)斗部，待目標(biāo)靠近后迅速引爆。整流罩脫落后，無人機(jī)雙層對轉(zhuǎn)折疊翼展開工作，為無人機(jī)提供懸停所需的動力，尾翼電機(jī)工作為無人機(jī)快速移動到指定位置提供側(cè)向推力。智能控制作用下在制定空域形成密集式蜂群布置，并可以根據(jù)情況實(shí)現(xiàn)小范圍的調(diào)整和機(jī)群位置移動，以進(jìn)一步精準(zhǔn)調(diào)整布置位置，使機(jī)群進(jìn)一步準(zhǔn)確布置或主動精準(zhǔn)調(diào)整到來襲目標(biāo)的預(yù)估位置。當(dāng)來襲目標(biāo)到達(dá)無人機(jī)控制范圍以內(nèi)后，無人機(jī)以自爆所攜帶戰(zhàn)斗部來擊毀來襲目標(biāo)。

2.2 攔截過程

系統(tǒng)的雷達(dá)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈后由高速電磁彈射器將數(shù)百個戴著整流罩的無人機(jī)超音速彈射至千米高空的導(dǎo)彈軌道。達(dá)到指定位置后整流罩脫離無人機(jī)，原本在整流罩里折疊的兩個對轉(zhuǎn)三葉螺旋槳豎起并開始旋轉(zhuǎn)。在系統(tǒng)的控制和尾舵的調(diào)整下，數(shù)百個無人機(jī)在導(dǎo)彈軌道處迅速排列成防空矩陣，單個個體無人機(jī)上的感應(yīng)器感應(yīng)到導(dǎo)彈靠近后引爆尾部炸藥，以同歸于盡的方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的攔截。矩陣完成任務(wù)之后，剩余沒有引爆的無人機(jī)可從新編排隊(duì)列返回并進(jìn)行回收。

3 結(jié)論

本研究首先提出了一種電磁炮發(fā)射的可折疊旋翼蜂群式防空無人機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠電磁炮發(fā)射帶整流罩的可折疊旋翼式無人機(jī)群至空中35千米的高度后，無人機(jī)展開旋翼，并排出相應(yīng)的蜂群式陣型。主要針對無人機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)：無人機(jī)旋翼結(jié)構(gòu)依靠對轉(zhuǎn)槳的高速旋轉(zhuǎn)提供升力，并在此基礎(chǔ)上依靠置于尾部的尾舵實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的調(diào)整。為了進(jìn)行快速反應(yīng)，在尾翼部分增加了電機(jī)驅(qū)動的小型姿態(tài)螺旋槳，來為無人機(jī)的快速移動提供側(cè)向推力。

總體來說，電磁炮發(fā)射旋翼式無人機(jī)蜂群式布置作為防空手段，相對于造價(jià)昂貴的防空導(dǎo)彈等防空武器，擁有隱蔽性強(qiáng)，相比密集陣防空射程遠(yuǎn)，范圍大，反應(yīng)迅速、攔截效率高、機(jī)動性強(qiáng)、性價(jià)比高的特點(diǎn)。是一種具有潛力的新型防空手段。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：何嘉?。?001），男，漢族，北京人，就讀于清華附中將臺路校區(qū)，高中在讀，研究方向是飛行器設(shè)計(jì)。