一种基于零长发射技术的便携式无人机

陈昱玮　蔺越国　冯坤辉　李冠臻　姜鹏瀚

【摘 要】针对传统小型无人飞行器的起飞条件要求高、单人携带不便、外场起飞准备耗费时间过长等问题，设计和实现了一款基于零长发射技术的便携式无人机。该款无人机解决了传统无人机需要空旷场地起飞和便携性 不好等问题，能够由单人携带并在任何地形快速起飞，大大提高了工作效率。设计制作及飞行试验结果验证了设计方案的可行性与实用性。

【关键词】无人机；零长发射；便携

【Abstract】As traditional small-scale UAVs have the high requirement of take off ，carrying inconvenience，outfield Take off preparation takes too long，a portable，Zero-Length Launch UAV was designed and realized in this paper.This UAV overcomes the shortcomings of traditional UAVs，such as need for wide space takeoff and in-convenience of carrying，achieves Carried by a single person and taken off quickly in any terrain，greatly improving the work efficiency.Production and experi-ment on physical object proved the feasibility of this design.

【Key words】UAV；Zero-Length Launch；Portable

0 引言

無人机作为现代高科技发展的产物，在民用和军用领域都有广泛的使用，在一些危险场合，通过使用无人机代替人进行勘察，大大减小了任务的风险性，无人机有旋翼和固定翼两种，旋翼无人机携带方便，可以垂直起降，弱化起飞条件，使得旋翼无人机使用越来越广泛，但存在航时短，飞行半径小等缺点；固定翼无人机体积普遍比旋翼机大，载重大，航时长，可搭载一定重量的设备进行高空任务，但由于体积大，起飞需要一定距离，使得固定翼无人机使用的局限性要大于旋翼无人机。零长发射，也叫零距离发射，是指飞机可以在一个特制支架上通过火箭助推起飞，具有零长发射技术的固定翼无人机就可以克服上述困难，在任何地区条件下起飞无人机。通过对零长发射技术的研究，设计制造出了该款基于零长技术的便携式无人机。

1 零长发射无人机发展

1950 年代中期，北约组织的官员担心苏联的核弹突袭可能摧毁盟军机场和停放于地面的飞机，使北约无力报复。其中一个解决方法是将战斗机疏散进远离机场并且具有核防护能力的掩体中，核打击过后，这些飞机可以在一个特制支架上通过火箭助推起飞，这个概念就是零距离发射——ZEL，Zero-Length Launch。1956 年 10 月 12 日，北美航空获得合约，使最后一批 148 架 F-100D 具有 ZEL 能力。USAF借给北美两架 F-100D（56-2904 和 56-2947），进行 ZEL 的系统测试。北美航空的火箭推进分部研制了一种固体火箭发动机，可以安装 F-100D 后机身底部。该发动机可以产生 58，970.44 千克的推力并持续四秒，足够使 F-100D 在 4 秒内速度从 0 加速到 482.70 公里/小时。火箭发动机在燃料耗尽后脱落，飞机凭借自身动力继续爬升。在进行实机发射前，先进行了 5 次配重发射，其中首次发射于 1957 年 12 月 12 日进行。1958 年 3 月 26 日，进行了首次 F-100D 实机发射。试飞员阿尔.布莱克本（Al Blackburn）爬入 56-2904，启动发动机，将油门置于全加力状态，然后点燃了火箭发动机。在 4 秒内，他加速到 482.70 公里/小时飞向天空，火箭发动机脱落后，布莱克本进入了标准起落航线安全着陆。接下来的 20 次试射都很成功，飞机挂载着标准外挂（包括核弹模型）顺利升空。

2 飞翼布局无人机的前景

早在二战期间，美国和德国就开始研制飞翼布局无人机。现代采用飞翼布局最成功的飞机是美国的B-2隐形轰炸机，如图2所示。

飞翼布局的优点是气动力效率高、升阻比大；雷达反射截面积小，隐身性能好，缺点主要是起降性能差和中低空跨声速机动性差，但随着推力矢量技术的发展和飞机隐身要求增加，飞翼布局的缺陷可以用推力矢量来弥补，从现在的技术来看，推力矢量能在航向控制增稳上助其一臂之力。在未来作战中，战斗机隐身至关重要。由此可以推断将来最具发展前途的战斗机气动布局应该是·飞翼布局。

3 整机技术方案

在基于零长发射的便携式无人机中，整机分为左机翼，中段机身，右机翼三部分，左右机翼可以向中段机身折叠，机身前部为电机与电子舱，电子舱用于放置电调，动力电池、设备电源等，电子舱下部为设备舱，可安装摄像头、传感器等任务载荷，机身尾部为火箭动力舱，里面可安装最多8具火箭发动机，可根据任务需要灵活调整火箭发动机数量。

整机制造材料采用高密度层板，翼尖小翼、翼刀等高负载位置采用高密度航空层板，飞机设计自重1400g

3.1 机翼几何参数

由于飞翼布局的飞行器整个机身都可以产生升力，机身本身也是与机翼同样的流线型，故选取翼展为1.4m，翼弦最长52cm，机翼面积0.4469m2，设计期望最大起飞重量为2000g。翼展位1.4m的飞翼布局飞行器起飞初速度要求为10m/s。

3.1.1 翼型选择

该飞行器主要用于空中侦查、物资投放、环境监测等，另外飞翼布局的航向操控性较低，故选用S5010翼型，该翼型有很好的升阻比和较大的升力系数。

3.1.2 折叠机翼设计

为了达到便携的目的，该机使用了折叠机翼设计，在机翼与机身连接的上层安装了一个45mm×35mm×12mm的塑料合页，在机翼与机身连接的下层安装了一个59mm×39mm×14mm的铝合金搭扣，通过搭扣解锁，可以将机翼向上折叠，使得机身面积缩小为0.2995m2。

3.2 动力设置

飞行器在起飞时最多可安装8枚B6-4航模火箭发动机平均推力为6N，发射角为30°，当飞行器总质量为2000g时，可在0.83s内获得17.66m/s初速度，满足该飞行器起飞初速度要求。该飞行器期望航时为30min，选用的2814电机在配合9寸减速桨并使用巡航油门，即油门为25%时，功率为147.95w，一块5200mAh的4S电池时，可以飞行30min以上，达到使用要求。

4 结论

运用零长发射技术和折叠机身设计，使得单兵携带成为了可能。目前无人机趋向于小型化、单兵化的创新设计，该无人机顺应这一趋势，其最大亮点固体燃料助推装置，直接将固定翼飞行器的滑跑距离减至零米，并且安全可靠，另外可靠的快速释放及紧锁机构可极大减少发射的繁琐，由单人即可操作，在数分钟内即可完成起飞。无人机机身采用飞翼布局设计，通过对机体气动布局进行符合性机动设计将内部空间加大，可搭载不同设备实现不同功能，且相同载荷下减少结构重量，提高飞机的机动性能。在较为复杂的地形上降落时，还可安装伞降装置，实现零长发射与回收，大大提高了工作效率。

该无人机可为航拍测绘、侦查搜寻和环境侦测提供有力支持，使得无人机的市场应用更加广泛。

【参考文献】

[1]张继高.飞翼布局[A]，北京：空气动力学学报，2009.

[责任编辑：朱丽娜]