大型動(dòng)力翼傘飛行器發(fā)展研究

許望晶 王立武 滕海山 劉濤

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

未來的近地空間將充滿各類飛行器，承擔(dān)載人和載貨運(yùn)輸。從發(fā)展趨勢(shì)看，較高安全性、低費(fèi)效比飛行器必將成為發(fā)展的重點(diǎn)[1]。

動(dòng)力翼傘飛行器由沖壓翼傘和動(dòng)力裝置共同組成[2]，當(dāng)不施加任何控制，它同沖壓翼傘的飛行特性完全一樣，可以完成沖壓翼傘的所有任務(wù)；當(dāng)對(duì)其施加控制，可等同于固定翼的飛行器，通過對(duì)動(dòng)力裝置產(chǎn)生的推力的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力翼傘飛行高度的控制。動(dòng)力翼傘飛行器與固定翼和旋翼無人機(jī)相比[3-4]，由于其采用沖壓翼傘作為機(jī)翼，可提供更大的升力，相比同等起飛質(zhì)量的固定翼無人機(jī)，其有效載荷更大，約是固定翼飛機(jī)的數(shù)倍；在可靠性和安全性方面，即使在動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)生故障，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)的情況下，動(dòng)力翼傘無人機(jī)仍然可以依靠翼傘實(shí)現(xiàn)緩降，不會(huì)對(duì)設(shè)備和地面人員造成損傷；動(dòng)力翼傘操作簡(jiǎn)便，易于調(diào)整方向和飛行路徑，其生產(chǎn)成本和維護(hù)成本相對(duì)同量級(jí)固定翼無人機(jī)或旋翼無人機(jī)更低，有很大的綜合成本優(yōu)勢(shì)。正因?yàn)閯?dòng)力翼傘飛行器具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，可滿足飛行器高安全性、低費(fèi)效比的需求，在軍、民用領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考無人機(jī)發(fā)展歷程和結(jié)合翼傘的發(fā)展現(xiàn)狀，從技術(shù)發(fā)展和行業(yè)需求來說，大型動(dòng)力翼傘飛行器是動(dòng)力翼傘的發(fā)展趨勢(shì)。大型動(dòng)力翼傘飛行器是指采用大型沖壓翼傘作為機(jī)翼、使用大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛行動(dòng)力，起飛質(zhì)量可達(dá)到噸級(jí)以上的無人飛行器。但是到目前為止，國(guó)內(nèi)外均還沒有大型動(dòng)力翼傘飛行器，其應(yīng)用領(lǐng)域有哪些，市場(chǎng)前景究竟如何，技術(shù)是否可行，還沒有人進(jìn)行過系統(tǒng)的論證。因此通過對(duì)國(guó)內(nèi)外動(dòng)力翼傘飛行器的技術(shù)分析和應(yīng)用情況調(diào)研，結(jié)合大型動(dòng)力翼傘自身的特征，對(duì)大型動(dòng)力翼傘飛行器的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，希望能夠?yàn)槲磥戆l(fā)展提供參考。

1 動(dòng)力翼傘應(yīng)用概況

1.1 國(guó)外

國(guó)外動(dòng)力翼傘飛行器發(fā)展較早，比較典型和影響力較大的是加拿大的Snow-X系列動(dòng)力翼傘飛行器[5]以及美國(guó)的Buckeye試驗(yàn)驗(yàn)證飛行器[6]。

1.1.1 Snow-X系列

Snow-X系列微小型動(dòng)力翼傘系統(tǒng)由加拿大MMIST公司（Mist Mobility Integrated System Technology Inc）研制，該系列包括Snowflake（雪花）、Snowbird（雪鳥）和Snowgoose（雪雁）三個(gè)產(chǎn)品。其設(shè)計(jì)用途是空投軍事補(bǔ)給物資、布撒傳單等[7]。

Snowflake是微型翼傘輸送系統(tǒng)，主要用于試驗(yàn)，翼傘面積只有1.6m2，有效載荷為控制系統(tǒng)，包括加速度計(jì)、陀螺儀、羅盤、GPS和氣壓高度計(jì)等。

Snowbird是人貨兩用制導(dǎo)翼傘輸送系統(tǒng)，輸送能力達(dá)71kg，具備高空遠(yuǎn)距離投送能力。系統(tǒng)由14m2翼傘、控制單元和遠(yuǎn)程控制組成，控制單元利用著陸點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)有效載荷和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄飛行航跡，并計(jì)算出空投釋放點(diǎn)。

Snowgoose是一種無人投送/偵察系統(tǒng)，最初是針對(duì)美國(guó)特種作戰(zhàn)司令部投放傳單的要求而研制的，能執(zhí)行監(jiān)視、偵察及物資補(bǔ)給任務(wù)。其依靠一具方形的67.35m2翼傘來提供升力，最大起飛質(zhì)量608kg，輸送能力270kg，最大航程900km(無風(fēng)情況下)，最大飛行高度7 630m，最小操作高度61m，采用“航線點(diǎn)”制導(dǎo)模式，飛行控制方式可通過地面人員遙控飛行或預(yù)設(shè)目標(biāo)點(diǎn)自主飛行。

CQ-10為Snowgoose原型機(jī)，為車載牽引起飛的傘翼無人機(jī)，可由“悍馬”之類的越野車車載加速至55km/h后放飛，不需要跑道；CQ-10A改進(jìn)型是精確空投系統(tǒng)，可由C-130、C-141或C-17等運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行空投，一架C-130飛機(jī)可載4套產(chǎn)品[8]。2001年Snowgoose首飛，2005年1月形成初始作戰(zhàn)能力，美國(guó)特種作戰(zhàn)司令部已經(jīng)采購(gòu)了200多套Snowgoose系統(tǒng)裝備部隊(duì)，技術(shù)性能優(yōu)異。

1.1.2 Buckeye

在研制 X-38的大型翼傘歸航控制系統(tǒng)時(shí)，美國(guó)先鋒公司采用了 Buckeye作為試驗(yàn)驗(yàn)證飛行器，用于試驗(yàn)翼傘及歸航控制系統(tǒng)。Buckeye飛行器爬升到一定高度后，動(dòng)力關(guān)機(jī)，進(jìn)行歸航系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)最低高度時(shí)，通過地面遙控指令重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以爬升到一定高度進(jìn)行下一個(gè)歸航系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)。Buckeye飛行器系統(tǒng)具備起飛和爬升能力，由歸航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)返回和著陸[9-10]。

Buckeye飛行器起飛質(zhì)量約304kg，采用46.4m2運(yùn)動(dòng)翼傘，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后的升阻比為3.5~4.0，最大飛行速度45km/h，配有可測(cè)量速度、姿態(tài)和機(jī)身角速率的測(cè)量裝置，利用飛行軌跡追蹤并評(píng)估導(dǎo)航性能，以驗(yàn)證X-38的大型翼傘歸航控制系統(tǒng)[11]。

1.2 國(guó)內(nèi)

目前我國(guó)研制出動(dòng)力翼傘飛行器，并經(jīng)過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證的主要有中航工業(yè)航宇公司和中科院的沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，均為小型動(dòng)力翼傘飛行器，具體情況如下。

1.2.1 航宇公司柔翼無人機(jī)

航宇公司共研制了2款柔翼無人機(jī)：SYW-1用于消霧作業(yè)，起飛質(zhì)量220kg，可以承受的最大有效載荷為70kg，通過卡車拖曳完成，最小起飛距離為50m，其每次加油可以留空3h以上[12-13]；SYW-2是在SYW-1的基礎(chǔ)上，專為農(nóng)業(yè)播撒而設(shè)計(jì)，起飛質(zhì)量從220kg增加到370kg，載荷質(zhì)量達(dá)到150kg，續(xù)航時(shí)間5h[14]。

1.2.2 沈陽(yáng)自動(dòng)化所軟翼無人機(jī)

沈陽(yáng)自動(dòng)化所開發(fā)的無人動(dòng)力傘是應(yīng)國(guó)家地震搜救隊(duì)研制的，旨在解決大范圍災(zāi)情搜索、重要救災(zāi)物資遠(yuǎn)距離投放的難題。其原型是借鑒了雙人動(dòng)力翼傘，將其控制系統(tǒng)更改為自動(dòng)控制，于2015年完成了4 000m高海拔飛行性能測(cè)試、自主飛行試驗(yàn)、遠(yuǎn)距離物資投放試驗(yàn)等飛行測(cè)試。該型動(dòng)力傘裝備能夠續(xù)航4h以上，具備200kg載荷能力，可在海拔4 000m進(jìn)行穩(wěn)定飛行。同時(shí)，該裝備配備了可見光及紅外光電載荷，適合在地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)進(jìn)行震區(qū)的快速信息獲取與物資投放，為國(guó)家地震搜救隊(duì)提供了一種信息搜索和物資投放兩用型無人空中裝備[15]。

1.3 小結(jié)

通過以上對(duì)國(guó)內(nèi)外動(dòng)力翼傘飛行器的應(yīng)用情況的調(diào)研分析可知，目前國(guó)內(nèi)外使用的動(dòng)力翼傘飛行器均為中小型的飛行器，最大起飛質(zhì)量不超過700kg，國(guó)外在軍用和民用上都有應(yīng)用，國(guó)內(nèi)主要用于民用。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果分析，動(dòng)力翼傘飛行器主要可實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)目標(biāo)：

1）作為運(yùn)載飛行器，用于實(shí)現(xiàn)物品的空中運(yùn)輸和掛載荷帶飛（Snow-X等），如圖1所示。這實(shí)際是一種功能齊全的慢速無人機(jī)，系統(tǒng)具備飛機(jī)的基本功能，包括起飛、巡航到降落。

2）作為試驗(yàn)驗(yàn)證飛行器，用于試驗(yàn)翼傘及歸航控制系統(tǒng)（Buckeye）。試驗(yàn)驗(yàn)證飛行器是一種功能簡(jiǎn)單的無人機(jī)，飛行器爬升到一定高度后，動(dòng)力關(guān)機(jī)，進(jìn)行歸航系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)。系統(tǒng)具備起飛和爬升能力，由歸航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)返回和著陸。

圖1 作為運(yùn)載飛行器示意Fig.1 As a carrier aircraft

2 大型動(dòng)力翼傘的應(yīng)用分析

動(dòng)力翼傘是在傳統(tǒng)翼傘基礎(chǔ)上發(fā)展產(chǎn)生的一種新型柔性飛行器，除了擁有傳統(tǒng)翼傘的飛行特性之外，還可以依靠動(dòng)力推進(jìn)裝置實(shí)現(xiàn)高度的控制，未來隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，動(dòng)力翼傘的最大起飛質(zhì)量將達(dá)到噸級(jí)以上，可實(shí)現(xiàn)24h以上的續(xù)航時(shí)間，大型動(dòng)力翼傘的應(yīng)用前景更為廣闊。而大型動(dòng)力翼傘具有有效載荷更大但同時(shí)技術(shù)難度也更大的特點(diǎn)，需要綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)景、需求、成本，選擇更適合大型動(dòng)力翼傘飛行器的應(yīng)用方向。

2.1 民用領(lǐng)域

經(jīng)調(diào)研分析，在民用領(lǐng)域，動(dòng)力翼傘飛行器可進(jìn)行以下應(yīng)用，如表1所示[16-19]。

表1 動(dòng)力翼傘飛行器在民用領(lǐng)域的應(yīng)用Tab.1 The application of powered parafoil aircraft in civil field

對(duì)于大型動(dòng)力翼傘飛行器來說，在民用領(lǐng)域更適合用于農(nóng)林業(yè)植保平臺(tái)以及大型物流運(yùn)輸平臺(tái)。

（1）農(nóng)林業(yè)植保平臺(tái)

我國(guó)目前有400多架飛機(jī)在大面積的墾區(qū)和農(nóng)場(chǎng)從事農(nóng)業(yè)航空工作。在大型農(nóng)場(chǎng)或林場(chǎng)運(yùn)用國(guó)產(chǎn)的“農(nóng)業(yè)5”、“Y5B”、“Y11”等固定翼機(jī)型進(jìn)行農(nóng)業(yè)航空作業(yè)，但受機(jī)場(chǎng)和專用跑道限制，不能推廣，且有人駕駛飛機(jī)成本髙、調(diào)度困難、危險(xiǎn)性大，特別是超低空飛行進(jìn)行農(nóng)藥播撒時(shí)，距離地面太近，危險(xiǎn)性高[20]。

農(nóng)業(yè)航空播撒作業(yè)要求無人機(jī)具有低空、低速、平穩(wěn)飛行、耐用性、操作簡(jiǎn)易性、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)?，F(xiàn)在常見的可低空飛行的無人機(jī)主要是直升機(jī)式和多旋翼式，有效載荷都在20kg以下，無法滿足大面積作業(yè)任務(wù)需求，且受機(jī)體和有效載荷限制，田間作業(yè)時(shí)無法完全實(shí)現(xiàn)智能化。

大型動(dòng)力翼傘的載藥量可達(dá)到噸級(jí)以上，并具有超低空飛行的特性，飛行高度可低至7~10m，且飛行速度低（40~50km/h），非常適合大面積的播撒殺蟲藥劑、種子等。同時(shí)可事先設(shè)置好飛行區(qū)域航線，放飛后只要在地面進(jìn)行監(jiān)控，必要時(shí)進(jìn)行人工操縱干預(yù)，整個(gè)播撒過程簡(jiǎn)單可行，安全可控，因此大型動(dòng)力翼傘飛行器在農(nóng)林業(yè)植保方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，基本農(nóng)田面積約18億畝，2014年“中央1號(hào)”文件，將農(nóng)業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化列入“中國(guó)制造2025”中重點(diǎn)發(fā)展的十大領(lǐng)域之一，預(yù)計(jì)未來10年，我國(guó)農(nóng)林植保無人機(jī)規(guī)模將達(dá)到221億元[21]。

有人駕駛的固定翼飛機(jī)受機(jī)場(chǎng)和專用跑道限制，不能推廣，且成本高、調(diào)度困難、危險(xiǎn)性大；無人機(jī)有效載荷小，無法滿足大面積作業(yè)需求，又受機(jī)體限制，無法進(jìn)行智能化田間作業(yè)。而大型動(dòng)力翼傘飛行器與固定翼飛機(jī)相比，不需要駕駛員，不需要專用跑道，起飛降落方便，可低空或超低空飛行，安全可靠；與無人機(jī)相比，有效載荷大、飛行時(shí)間長(zhǎng)、可自主飛行控制，可進(jìn)行大規(guī)模、大面積農(nóng)業(yè)播撒飛行作業(yè)，因此在農(nóng)林業(yè)植保市場(chǎng)具有極大的應(yīng)用前景。

（2）大型物流運(yùn)輸平臺(tái)

無人機(jī)因其機(jī)動(dòng)、靈活、快捷的特性，被國(guó)際物流巨頭看作是未來物流的運(yùn)輸載體[22]。為了解決小型無人機(jī)續(xù)航時(shí)間短和有效載荷小的問題，“順豐”、“京東”也在投入財(cái)力、物力、人力布局支線大型貨運(yùn)無人機(jī)，如“順豐”的“飛鴻-98”無人機(jī)以及AT200?！帮w鴻-98”無人機(jī)以“運(yùn)五-B”運(yùn)輸機(jī)為基礎(chǔ)平臺(tái)，最大起飛質(zhì)量5.25t，最大有效載荷1.5t，最大容積量15m3，飛行高度4 500m，巡航速度180km/h，最大航程1 200km，起飛與著陸距離最短僅有150m。此外“京東”的“京鴻”大型貨運(yùn)無人機(jī)也在研制中，無人機(jī)物流行業(yè)有望在未來幾年內(nèi)達(dá)到百億市場(chǎng)規(guī)模[22]。

大型動(dòng)力翼傘飛行器與大型貨運(yùn)無人機(jī)相比，具有有效載荷大（目前全球首款大型貨運(yùn)無人機(jī)AT200起飛質(zhì)量3.4t，有效載荷最大1.5t，有效載荷比0.44，而大型動(dòng)力翼傘飛行器起飛質(zhì)量4t時(shí)，有效載荷可達(dá)2.5t，有效載荷比0.625），成本低（AT200的原型機(jī)是Pacific P-750，售價(jià)約1 200萬元，維護(hù)成本高，而4 t級(jí)動(dòng)力翼傘飛行器僅約為其1/2~2/3），使用維護(hù)成本低，操作簡(jiǎn)單，對(duì)起飛降落場(chǎng)地要求低、起飛距離短，可以在土坡、草地上起降飛行，通過飛行姿態(tài)控制，可以實(shí)現(xiàn)精確定點(diǎn)降落。相對(duì)來說，大型動(dòng)力翼傘飛行器更加具有競(jìng)爭(zhēng)力。

因此大型動(dòng)力翼傘飛行器作為現(xiàn)代物流運(yùn)輸手段的有益補(bǔ)充，在鐵路和公路運(yùn)輸不發(fā)達(dá)的地區(qū)以及特種貨物運(yùn)輸領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。此外大型動(dòng)力翼傘飛行器的燃油和貨物存儲(chǔ)箱可采用模塊化設(shè)計(jì)，使用者根據(jù)任務(wù)的不同距離和載荷來調(diào)配兩者的比例，而且既可以直接精確降落在目標(biāo)區(qū)卸下貨物，也可以在飛行到目標(biāo)區(qū)上空時(shí)準(zhǔn)確空投貨物。

2.2 軍用領(lǐng)域

經(jīng)調(diào)研分析，在軍用領(lǐng)域，動(dòng)力翼傘飛行器可進(jìn)行以下應(yīng)用，如表2所示[4]。

表2 動(dòng)力翼傘飛行器在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用Tab.2 The application of powered parafoil aircraft in military field

對(duì)于大型動(dòng)力翼傘飛行器來說，在軍用領(lǐng)域更適合用于重型物資補(bǔ)給運(yùn)輸，尤其是作為海上艦艇補(bǔ)給運(yùn)輸平臺(tái)。

海上補(bǔ)給是現(xiàn)代海上作戰(zhàn)，特別是中遠(yuǎn)海作戰(zhàn)必須采用的后勤保障手段。借助于海上補(bǔ)給，可以增大艦艇的作戰(zhàn)半徑，延長(zhǎng)艦艇在海上的逗留時(shí)間，減少艦艇對(duì)基地的直接依賴程度，提高遠(yuǎn)航艦船的生存能力，增強(qiáng)作戰(zhàn)艦艇的戰(zhàn)斗力。國(guó)內(nèi)外海軍都在尋找一種精確、靈巧且相對(duì)便宜的后勤補(bǔ)給工具，以提高在現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)條件下的海軍后勤綜合保障能力。目前常用的是利用直升機(jī)進(jìn)行垂直補(bǔ)給，但垂直補(bǔ)給對(duì)直升機(jī)駕駛員要求高，需要經(jīng)過專門訓(xùn)練，成本較高[23]。因此將大型動(dòng)力翼傘飛行器作為海上艦艇補(bǔ)給運(yùn)輸平臺(tái)開展海上補(bǔ)給，如圖2所示，相對(duì)直升機(jī)來說，所占空間小，養(yǎng)護(hù)維護(hù)簡(jiǎn)單方便，且無需駕駛員操控，成本將大幅下降，有效載荷也大幅提高，從而減少了補(bǔ)給次數(shù)，提高了工作效率。

我國(guó)“903型”大型補(bǔ)給艦，艦長(zhǎng)171.4m，寬24.6m，最高航速至少為19節(jié)（35km/h），新建的“901型”補(bǔ)給艦，艦長(zhǎng)239.5m，寬30.5m，最高航速25節(jié)（35km/h），完全可以用于大型動(dòng)力翼傘飛行器的起降，大型動(dòng)力翼傘飛行器采用可控動(dòng)目標(biāo)協(xié)同歸航方案[24]，將艦船作為可控的動(dòng)目標(biāo)，在翼傘的著陸末段協(xié)同機(jī)動(dòng)，可以有效地將落點(diǎn)誤差控制到5m以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)精確著艦。

圖2 大型動(dòng)力翼傘飛行器海上補(bǔ)給示意Fig.2 Supplies at sea by large power parafoil aircraft

2.3 科研領(lǐng)域

在科研領(lǐng)域，大型動(dòng)力翼傘飛行器除了可以用于大型翼傘歸航控制系統(tǒng)驗(yàn)證外，還可以作為空投試驗(yàn)平臺(tái)?？胀对囼?yàn)是回收系統(tǒng)用于驗(yàn)證降落傘性能、回收系統(tǒng)整體性能廣泛采用的一種方法，目前一般采用熱氣球、飛機(jī)作為空投試驗(yàn)平臺(tái)。大型動(dòng)力翼傘飛行器作為空投試驗(yàn)平臺(tái)見圖3。

圖3 大型動(dòng)力翼傘空投試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行示意Fig.3 Large power parafoil aircraft airdrop test platform

一般空投試驗(yàn)平臺(tái)的有效載荷比在 0.125~0.36，且空投試驗(yàn)費(fèi)用昂貴。而大型動(dòng)力翼傘平臺(tái)的有效載荷比可達(dá)到0.625，且大型動(dòng)力翼傘平臺(tái)組成相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)氣動(dòng)外形要求不高，受氣象條件的限制小，相關(guān)研制費(fèi)用、成本相對(duì)較低，非常適合作為空投試驗(yàn)平臺(tái)。

將大型翼傘飛行器作為空投試驗(yàn)平臺(tái)，使其具備直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)或轟炸機(jī)載荷投放能力，并最終開發(fā)出具有投放能力的動(dòng)力翼傘飛行器，不僅可以解決回收系統(tǒng)空投試驗(yàn)協(xié)調(diào)難度大、費(fèi)用高等一系列問題，同時(shí)還可兼顧進(jìn)行其他載荷掛飛試驗(yàn)等，將可創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和提高系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2.4 小結(jié)

通過以上對(duì)國(guó)內(nèi)外動(dòng)力翼傘飛行器的應(yīng)用情況、應(yīng)用領(lǐng)域及市場(chǎng)調(diào)研分析，結(jié)合大型動(dòng)力翼傘飛行器有效載荷大的特點(diǎn)，其既可以用于軍用領(lǐng)域的大型物資補(bǔ)給運(yùn)輸、科研領(lǐng)域的驗(yàn)證歸航控制平臺(tái)和空投平臺(tái)，還可在民用領(lǐng)域的農(nóng)林業(yè)、物流行業(yè)等大展身手，應(yīng)用前景廣闊，因此開展大型動(dòng)力翼傘飛行器的相關(guān)研制工作，以滿足應(yīng)用需求。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

與中小型動(dòng)力翼傘飛行器相比，大型動(dòng)力翼傘飛行器由于采用了大型沖壓翼傘作為機(jī)翼、使用大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛行動(dòng)力，技術(shù)難度更大，其研制難點(diǎn)在于大型翼傘、大載荷和大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配問題以及考慮動(dòng)力系統(tǒng)和大載荷下飛行器的自主控制問題，這也是國(guó)內(nèi)外未有大型動(dòng)力翼傘飛行器的重要原因。

經(jīng)梳理分析，大型動(dòng)力翼傘飛行器關(guān)鍵技術(shù)包括總體設(shè)計(jì)技術(shù)、大型翼傘技術(shù)、動(dòng)力技術(shù)、控制技術(shù)以及起降技術(shù)等[25-26]。

1）總體設(shè)計(jì)技術(shù)。大型動(dòng)力翼傘飛行器用翼傘取代了機(jī)翼，靠翼傘產(chǎn)生上升的升力，且飛行速度相對(duì)較慢，對(duì)氣動(dòng)外形要求不高，因此在總體設(shè)計(jì)時(shí)不需要專門進(jìn)行氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)，主要是考慮大型翼傘、大載荷和大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，給出性能指標(biāo)，在動(dòng)力學(xué)模型和氣動(dòng)參數(shù)仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，分析有風(fēng)情況下動(dòng)力翼傘的平飛、爬升、轉(zhuǎn)彎、盤旋的飛行特性，同時(shí)分析動(dòng)力翼傘發(fā)動(dòng)機(jī)推力和爬升速度之間的關(guān)系及翼傘左右后緣下偏量與轉(zhuǎn)彎半徑之間的關(guān)系，為動(dòng)力翼傘飛行控制提供依據(jù)，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案進(jìn)行性能驗(yàn)證。

2）大型翼傘技術(shù)。為了滿足起飛質(zhì)量達(dá)噸級(jí)的動(dòng)力翼傘飛行器，翼傘面積至少為 80m2，目前國(guó)外已經(jīng)研制出近千平的精確空投用大型翼傘，但國(guó)內(nèi)研制成功的翼傘最大面積僅為80m2，目前在研制300m2的大型翼傘。大型翼傘設(shè)計(jì)需要綜合考慮翼型、翼面形狀、前緣切口、安裝角、前視弧度等參數(shù)對(duì)翼傘滑翔、轉(zhuǎn)向控制及雀降等氣動(dòng)性能的影響，同時(shí)還要兼顧大型翼傘的折疊、充氣展開、強(qiáng)度等性能，需開展更多的理論研究及試驗(yàn)驗(yàn)證，才能獲得可靠性較高、滑翔及操控性能滿足要求的大型翼傘。

3）動(dòng)力技術(shù)。動(dòng)力系統(tǒng)主要用來產(chǎn)生推力或拉力，為飛行器提供前進(jìn)的動(dòng)力，其次還可為飛行器上其他用電設(shè)備提供電源等[27]。動(dòng)力系統(tǒng)由推力控制實(shí)現(xiàn)前向和高度方向控制，發(fā)動(dòng)機(jī)的選型決定了飛行速度、升限等，螺旋漿式需考慮動(dòng)力偏心作用，需設(shè)計(jì)合適的安裝角，發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳的匹配以及螺旋槳的氣動(dòng)性能都是最終確定發(fā)動(dòng)機(jī)的重要依據(jù)，通過裝油量設(shè)計(jì)來控制航程和航時(shí)。大型動(dòng)力翼傘飛行器的飛行速度相對(duì)較低，不能使用噴氣式的發(fā)動(dòng)機(jī)，以免噴出的氣體或火焰在起飛或著陸過程中燒壞翼傘，因此比較適合大型動(dòng)力翼傘飛行器的動(dòng)力裝置主要有大型活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)等，需根據(jù)技術(shù)需求和成本進(jìn)行綜合考慮。

4）控制技術(shù)。動(dòng)力翼傘的控制是由控制操縱繩和油門來進(jìn)行。通過對(duì)動(dòng)力翼傘的兩根操縱繩實(shí)現(xiàn)航向的控制，通過推力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)飛行速度和飛行高度控制[28-29]，同時(shí)需要考慮翼傘的飛行控制與動(dòng)力裝置的匹配性問題。翼傘作為一個(gè)復(fù)雜的大延時(shí)、高遲滯、大慣量的非線性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確操縱難度較大，在考慮環(huán)境隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)、避障及動(dòng)力系統(tǒng)等因素影響下，控制飛行器實(shí)現(xiàn)精確著陸更難，需要對(duì)航跡規(guī)劃和航跡跟蹤控制算法進(jìn)行重點(diǎn)研究。首先要進(jìn)行基于左右操縱繩之外的動(dòng)力系統(tǒng)及控制特性仿真計(jì)算，得到起飛過程中的不同動(dòng)力系統(tǒng)功率下的起飛時(shí)間、起飛距離以及起飛角度等變化趨勢(shì)，并修正起飛控制程序使飛行過程趨于平穩(wěn)。其次在降落過程，開展不同的動(dòng)力輸出特性下垂直降落速度變化關(guān)系計(jì)算，在最大降落跑道長(zhǎng)度約束下，進(jìn)行零垂直速度下動(dòng)力控制參數(shù)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大型動(dòng)力翼傘飛行器高度及航跡可控的飛行控制。

5）起降技術(shù)。大型動(dòng)力翼傘飛行器起降均為自主起降，尤其是起飛質(zhì)量增加后，對(duì)控制要求較高。起飛需適應(yīng)地面汽車拖曳方式起飛和空投這兩種方式，降落可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量較輕的滑橇式起落架方式著陸。為實(shí)現(xiàn)自主起降控制，需開展帶動(dòng)力條件的動(dòng)力學(xué)模型研究和飛行控制方法研究，針對(duì)自主起飛著陸過程開展起飛著陸姿態(tài)控制、航向控制及更高精度的位置控制技術(shù)研究，同時(shí)開展翼傘起飛初始充氣及著陸雀降減速方法研究。

綜上所述，雖然目前國(guó)內(nèi)外未有大型動(dòng)力翼傘飛行器，但其涉及的關(guān)鍵技術(shù)以現(xiàn)在的技術(shù)水平來說，通過相關(guān)技術(shù)研究和攻關(guān)，是可以突破的。

4 結(jié)束語

動(dòng)力翼傘飛行器具有有效載荷大、安全可靠、飛行時(shí)間長(zhǎng)、操作易便和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外軍民用都有應(yīng)用，國(guó)內(nèi)主要用于民用。但目前國(guó)內(nèi)外使用的均為質(zhì)量不超過700kg的中小型飛行器，還沒有大型動(dòng)力翼傘飛行器的使用先例。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外動(dòng)力翼傘飛行器的應(yīng)用情況調(diào)研及分析，大型動(dòng)力翼傘飛行器應(yīng)用前景廣闊，在軍用領(lǐng)域可以用于戰(zhàn)場(chǎng)大型物資轉(zhuǎn)運(yùn)，還可用于海上艦艇補(bǔ)給等；在民用領(lǐng)域，可以重點(diǎn)突破農(nóng)林業(yè)植保市場(chǎng)和物流市場(chǎng)；在科研領(lǐng)域，可以替代直升機(jī)和運(yùn)輸機(jī)作為空投試驗(yàn)平臺(tái)，還可作為試驗(yàn)驗(yàn)證飛行器，用于驗(yàn)證大型翼傘歸航控制系統(tǒng)。

通過對(duì)大型動(dòng)力翼傘飛行器關(guān)鍵技術(shù)的梳理及系統(tǒng)分析，目前研制大型動(dòng)力翼傘飛行器，在技術(shù)上沒有不可克服的困難，后續(xù)可分步實(shí)施，逐級(jí)推進(jìn)，先進(jìn)行1t級(jí)動(dòng)力翼傘飛行器的研制和開發(fā)，積累動(dòng)力翼傘飛行器技術(shù)基礎(chǔ)，而后隨著國(guó)內(nèi)大型翼傘技術(shù)的突破，開展更大型動(dòng)力翼傘的研制，形成系列化產(chǎn)品平臺(tái)。