直升机空中回收和投放货物技术发展综述

韩雅慧，王亚伟，杨春信，徐晓东，杨雪松

(1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191;2.陆军航空兵学院，北京 100123;3.空军装备研究院航空装备研究所，北京 100039;4.航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441022)

0 引言

降落伞回收和空投技术具有重要的军事应用价值和民用价值，在战场快速机动、救灾减灾、货物传送补给、飞行器回收等领域得到日益广泛的应用。传统的降落伞系统采用弹道式圆型伞系统，因而有“随风飘”的特点，一旦从空投平台投放后就无法操纵，使得其高空空投落点精度很差，而且空投精度受高度和风场的影响较大，空投时所需的降落区面积大，集结兵力或装备所需的时间长［1，2］。鉴于上述问题，近年来精确空投系统得到了广泛的研究。

精确空投系统的目标是提供迅速、准确和低成本的空投。它具有很多优点，如归航过程的可控制性和实现远距离机动飞行，不仅大大提高了空投精度，同时可以更灵活地选择空投目标点，克服了传统方法的脆弱性，极大地增强空投的作战效能，但实现精确空投系统和提高空投精度很难［2］。

与此同时，直升机被赋予新的使命，在降落伞回收和空投系统中发挥了重要的作用，使传统降落伞系统的末端更具机动性，对着陆地点和系统的精度要求降低，而且可在极端气象地区和危险区域为军队运输补给，进行无人货物多点空投。直升机和降落伞系统的结合具有重要的战略意义，对远洋舰船、岛礁、山区的物资补给和多兵种联合使用具有重要意义。

本文从直升机空中回收技术和无人直升机投放货物技术两个方面来研究直升机在降落伞系统中的应用。为进一步开展直升机和降落伞系统联合应用的理论研究与工程应用提供基础，进一步拓展直升机的应用领域。

1 直升机空中回收系统

直升机空中回收系统是20世纪60年代以来美国军方发展的一种针对高价值目标的回收技术，它结合直升机和降落伞系统进行回收，具有无损、精确、快速等优点。通过使用直升机空中拦截降落伞系统，然后利用钩挂系统将降落伞与货物钩挂或回收至直升机上，由直升机转移至目的地［3-8］。

直升机空中回收技术充分发挥了直升机的机动性，具有很高的可靠性，可以大大拓展直升机的业务范围。它使降落伞系统避免了着陆过程，从而降低了冲击过载，避免了不利地形(如雪地、海洋)的影响，而且还能实现回收目标的快速转移，使传统空投系统的末端更具机动性，在无人机、巡航导弹、卫星、航天器返回舱等高价值载荷回收中得到广泛应用。

本部分按照直升机空中回收系统发展的三个阶段，简要介绍了三代直升机空中回收系统的特点、典型工作过程以及应用情况，为国内发展类似的系统提供参考。

1.1 第一代直升机空中回收系统

第一代直升机回收技术是20世纪70年代末由美国军方提出的，用于回收贵重的空射巡航导弹，在1989年成功应用于两种型号的空射巡航导弹回收，重量分别是970 kg和635～1134 kg［4］;回收用的直升机为美国CH－3“海王”直升机(图1)。由于使用圆形降落伞系统，第一代技术需要改装直升机，在机身上安装吊杆和挂钩以勾取降落伞，还需要安装绞车以控制钩挂过程的冲击过载(图2)，这些改装需要耗费大量的时间和金钱。此外，第一代空中回收还有其他一些缺点:由于降落伞系统采用圆伞，圆伞不具备滑翔能力，钩挂操作过程中飞行员的视野有限;直升机相对于稳降阶段的降落伞速度大，钩挂过程冲击过载大，对绞车强度要求高［3-5］。

1.2 第二代直升机空中回收系统

随着翼伞回收系统的广泛应用，直升机空中回收技术也在不断改进，在90年代初开始进入了第二代。第二代技术的典型特征是回收物的减速系统为翼伞系统，但仍需要对直升机机身进行改装。第二代是直升机空中回收技术发展的过渡阶段，典型的应用有美国中距无人机回收计划(1991年)［3，6］和美国宇航局的新世纪样品返回舱计划(图3，1998年)［3，8］。

中距无人机项目的空中回收系统由美国Vertigo公司为NASA研制，首次引入了高滑翔比的冲压翼伞。新世纪样品返回舱的空中回收系统是美国洛克希德·马丁公司为NASA研制的，其目的是保护返回舱免于着陆冲击，减少运送时间以防止样品暴露太久。与中距无人机的回收系统相比，其降落伞系统只保留了一具翼伞主伞和一具牵引伞，但其明显的不足之处是:直升机钩挂回收系统后，对翼伞未采取抛弃或收口措施，使其保留一定的气动外形，导致钩挂过程产生较大的过载，并给后续的运输带来麻烦。总体来说，第二代空中回收系统体现了翼伞的优势:具有较高的滑翔能力，飞行员钩挂操作过程具有良好的视野。但是直升机依然需要改装以安装绞车、吊杆等钩挂结构。同时，翼伞系统在系统简化和钩挂后的收口技术上的设计还不成熟。

图3 第二代直升机空中回收系统［8］

1.3 第三代直升机空中回收系统

进入21世纪之后，随着信息技术和自动控制技术的发展，直升机空中回收技术发展进入第三代，其典型特征是智能吊钩的研发。2003年，美国洛克希德·马丁公司和Vertigo公司联合完成了第三代空中回收系统的概念验证(图4a图4b为第三代直升机空中回收系统的应用实例和工作过程)。与前两代空中回收系统相比，第三代系统的相关技术已相对完善:无需改装直升机，控制了钩取过程的过载并极大地改善了飞行员在操作过程中的视野。由于翼伞具有一定的滑翔比，在回收过程中，直升机可以保持与翼伞相近的飞行速度，从而大大降低了回收过程中产生的过载，因此不需要再在直升机上安装绞车以控制钩挂过载。第三代系统采用智能吊钩，代替了原有的吊杆和挂钩，如图4c，牵引伞伞绳在一个或更多的吊钩钩爪张口内，当钩爪感知到结合绳(牵引伞伞绳)后会自动闭合，完成钩挂工作，因此不再需要对直升机机体做任何改装，从而大大提高了该技术的适用性［3，8］。翼伞上安装了滑动收口装置，完成钩挂工作后，直升机缓慢上升，收口装置工作，实现翼伞的收口排气，待翼伞收起后将伞与货物收至直升机内运至目的地。

随着第三代直升机空中回收技术的发展，其实用安全性和能回收的载荷重量都有了很大程度的提高。在不需要对直升机进行改装的条件下，已经能够实现重量为8吨左右的货物的空中回收［3］。

从20世纪90年代至本世纪初，美国相关科研机构实施的多次直升机空中回收任务都取得了成功(表1)，如此高的可靠性以及直升机与翼伞技术的成熟，使直升机空中回收技术在美国得到越来越多的应用［6］。

表1 美国直升机空中回收任务及成功率

表2 可用于空中回收物资输运的直升机［3，9-11］

直升机空中回收技术可以避开不利地形，防止着陆冲击以及地表特征对回收目标带来的损害，并实现回收目标的快速转移，具有广阔的应用前景。如小型物资输运和重型物资的空中回收，目前可用于物资输运的直升机有贝尔公司的TH－57“海上骑兵”、西科斯基SH－60“海鹰”、卡曼SH－2G“海妖”和波音CH－46“海上勇士”，见表2。这几种中小型物资输运的直升机当前正在美国海军服役并执行海上物资运输任务。可输运10吨以上物资的重型直升机主要有波音CH－47“支努干”、西科斯基MH －53E“海龙”、CH －53E“超种马”和米 －26“光环”直升机［3，9-11］。

直升机空中回收技术最有前景的应用是快速为水面舰艇、岛礁提供物资补给和战场物资垂直补给。由大型运输机携带物资在4500米高度上飞向需要补给的舰船，在到达一定距离后空投物资，直升机在距离海平面3000米的高度上抓取物资，然后调运至舰船甲板上。

2 无人直升机投放货物系统

无人直升机以其特殊的飞行能力在军事领域得到了广泛的运用，使用范围包括侦察、监视、情报获取、数据传输和对地攻击等。随着降落伞系统的发展，无人直升机和降落伞系统结合可在极端气象地区和危险区域为军队运输补给，进行货物定点空投，提高作战的效费比。

2.1 高原投放

美国海军陆战队在阿富汗进行的作战行动需要大量的物资补给，而当地的高原多山地形使得运送补给行动变得困难重重，复杂的山地降低了轮式运输车辆的效率，增加了遇袭风险。在这一背景下，美国军方开始加速研制无人运输直升机，为特种作战分队提供补给或运送伤员。

2007年卡曼宇航公司宣布与洛克希德·马丁公司联合开发K－MAX直升机的无人机版，即KMAX UAS无人直升机。

2010年4月，两家公司为海军陆战队展示了K－MAX无人直升机在阿富汗地区前线为士兵提供再次补给的能力。在这次演示中，K－MAX展示了在视线内/外进行遥控/自主吊装货物的能力。

该无人直升机投放系统的关键技术包括:吊/投放系统为卡曼公司设计的四爪卡盘;降落伞采用的是十字伞系统;控制系统为视距内和视距外遥控和自主飞行/投放［12］。

K－max无人直升机投放系统使特种部队可以在危险区域获得补给，还可以进一步为更高海拔高度上的单一或多个联合精确空投系统(JPADS)使用。其在海平面的载重能力可达2722千克，而在4572米的高原地区载重能力也能达到1950千克［13］。这使得其投放系统可用于更危险的战场环境下，从一个K－max部署点为多个分散的地面部队提供物资补给。

2.2 海上补给

K－max无人直升机投放系统不仅用于高原复杂地形的运输补给，而且可用于短距离水面舰艇、岛礁的物资补给。由于采用交叉双旋翼式结构，K－max相比其它无人直升机，改善了起重能力并减少运行和后勤保障费用，可在一次飞行任务中向更多地点运送更多的物资。如图5所示，K－max无人直升机在水面舰艇物资补给中，使用了4个挂钩的旋转盘，验证了在单次任务中进行4次空投的能力［13］。

与地面运输车辆和传统有人操控的直升机相比，K－max更节省燃油和人力，也可以降低执行任务时的风险，提高可操作性，降低成本。

图5 K－max无人直升机空投系统［13］

3 总结与讨论

3.1 结论

直升机空中回收和无人直升机货物投放是直升机和降落伞系统的结合应用，本文对其进行了探讨，为我国开发直升机空中回收系统、拓展直升机潜在应用领域提供了一定技术参考。

1)直升机空中回收技术可以避开不利地形，达到无损、精确并实现目标的快速转移，具有广阔的应用前景。直升机空中回收技术可应用于太空探测器返回舱、无人机等高价值目标的回收，其中最有前景的应用为水面舰艇或岛礁的物资补给。

2)借鉴K－max无人直升机投放货物技术的验证，给危险、复杂的环境提供了一种新的货物投送方式，具有重要的军事意义。

3.2 进一步开展的工作

1)目前，国内直升机装备数量少、功能单一，而且考虑到拓展现有机群能力、基础设施和保障性以及经济效益等方面的因素，应及早开展直升机空中回收技术的研究与应用;针对现有直升机外挂承载能力、翼伞技术和测控技术，先期开展中小型载荷的空中回收技术研究。

2)根据未来战争的发展需要，为降低执行任务的风险和成本，提高战争的效费比，应对空中末端补给模式开展探索，例如采用大飞机空投物资方式，通过任务规划系统来进行控制，将空中回收技术和无人直升机结合来进行回收和物资的补给。

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［2］宋旭民，程文科，彭勇，等.先进的精确空投系统［J］.航天返回与遥感，2004，25(1).

［3］Jorgensen D S，Haggard R A，Brown G J.The Past，Present，and Future of Mid － Air Retrieval［R］.AIAA2005－1673，2005.

［4］史献林，余莉.翼伞空中回收系统的研究及其进展［J］.航天器返回与遥感，2008，29(1):1－10.

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［6］Hintzke S M，Haggard R.Demonstration of a Parafoil Based Mid－Air Retrieval System for an Unmanned Air Vehicle［R］.AIAA1991－0836－CP.

［7］Brown G ，Haggard R，et al.Parafoil Mid－Air Retrieval for Space Sample Return Missions［R］.AIAA －2001－2018，2001.

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［10］施永立，陈福玲，等.世界直升机手册［M］.北京:航空工业出版社，1994.

［11］http://www.zgjunshi.com/world/hangtianqi/zhishengji/200903/20090327105352_5.html［EB/OL］.

［12］http://news.xinhuanet.com/mil/2010 － 07/19/content_13883006.htm［EB/OL］.

［13］http://blog.sina.com.cn/s/blog_56bf65670100i41d.html［EB/OL］.