无人直升机物资运输与投送方式研究

芦志明 姬乐强 聂顺鹏

前线物资快速运输与精准投送对于现代战争具有十分重要的作用。无人直升机一经投入使用，将承担复杂战场环境下人员和补给物资末端运输、补给物资垂直投送、伤员搜索与救援等任务。随着智能化、自主化、网络化等技术的发展，无人直升机凭借部署方便、操控简单、机动灵活等使用特点，在山区运输、城市运输、伤员撤离等领域发挥了独特的优势。由于战时物资运输的急迫性与持续性，有人直升机飞行员始终处于高强度工作之中，极易引发安全事故。因此，有人直升机较难胜任持续性物资运输与投送任务。而无人直升机可以有效降低人员伤亡率，提升运输效率。固定翼运输机受飞行高度与飞行速度的限制，很难实现物资精准投送，而无人直升机具有优异的低空低速飞行品质，可以在悬停或低速前飞状态下实现物资精准投送。未来，无人直升机大量投入使用，将与有人直升机、固定翼运输机配合使用，构建一种全天时执行多类运输任务的装备体系。

除有人-无人模式直升机外，大部分无人直升机机身内部设备布置紧凑，且中机身通常装配有大容积燃油箱，较难实现机身舱内物资运输，一般采用机腹、简易挂架或短翼、起落架及外吊掛装置等设备运输物资。依据总体布局特点和物资运输要求，不同型号的无人直升机将选用最优运输方式，同时针对实际作战场景，采取抛放、伞降、索降等不同的物资投送方式。未来，随着运输无人直升机的发展，一型装备将同时具备多种运输与投送方式，能够根据不同任务需求而灵活选用不同的运输与投送方式，进一步提升无人直升机对运输任务的适应性。

运输方式

机腹运输

运输物资会对无人直升机重心产生不利影响。为确保整机重心在设计包线范围内，物资的位置应尽可能靠近整机重心的位置。需要强调的是，在计算与分析无人直升机重量、重心的过程中，技术人员一定要考虑物资的极限重心。考虑到重心控制和安装空间尺寸，机腹运输成为最常用的运输方式之一。机腹运输所采用的机械接口简单，重量代价小，且在满足无人直升机最小侧罩角要求的前提下，通过增加起落架的高度，进一步扩大运输箱的尺寸，提升无人直升机的运输能力。但是，按照GJB479-88标准对直升机最小离地间隙的要求，运输箱或物资与地面应至少保持150mm的间隙。机腹运输方式不适用于机腹安装了通信天线、着陆灯、助降装置等设备的无人直升机。

简易挂架或短翼运输

最大起飞重量相对较重的无人直升机通常采用简易挂架或短翼来实现物资运输与投送。相比于机腹运输方式，简易挂架或短翼运输方式可以方便地勤人员的操作，实现物资快速装卸，大幅提高无人直升机的运输效率。由于运输箱布置在机身两侧，无人直升机可以采用更大容积的运输箱来运输大尺寸物资。该运输方式最大的优点是具有良好的任务拓展性。其他任务载荷采用模块化设计，能以吊舱形式挂载于简易挂架或短翼下方，实现任务载荷即插即用。简易挂架具备快速装卸功能，用户可以依据作战任务需求而灵活选装简易挂架。但是，受限于无人直升机的横向重心包线，并考虑飞行安全，该运输方式往往设置有应急投送功能，以实现紧急情况下的物资快速投送。采用该运输方式的无人直升机机身两侧加装了简易挂架或短翼、运输挂架及相关控制设备，考虑到空机重量控制，无人直升机需要付出一定的重量代价。在气动特性方面，无人直升机加装简易挂架或短翼后，不仅要考虑全机的阻力特性，还需重点关注平台的俯仰稳定性。

外吊挂运输

无人直升机通过外吊挂方式运输物资，突破了其他运输方式对物资尺寸的限制，极大地发挥了运输能力。美国国家运输安全委员会的统计表明，在实际飞行中，超过10%的有人直升机飞行事故与外吊挂飞行有关。飞行员操作失误是导致有人直升机外吊挂飞行事故的一个常见诱因，而无人直升机在很大程度上可以改善这一现状。因此，外吊挂飞行将成为一种极具特色且非常重要的无人直升机飞行模式。由于外吊挂体对无人直升机的平衡、操纵性、稳定性影响较大，国外针对这个问题开展了大量飞行品质研究。目前，国内外依然没有专门的无人直升机飞行品质规范，军用直升机飞行品质规范虽然对有人直升机的外吊挂飞行提出了明确的指标要求，但是相关要求并未细化。依据验证试飞和实际使用经验，当无人直升机执行外吊挂飞行任务时，为了降低旋翼下洗流对外挂物的影响，外吊挂系统吊索的长度应大于旋翼直径，同时，外挂物的重量和尺寸、平台飞行速度和转弯坡度角、吊索与机体之间的角度都应受到限制。考虑到无人直升机的特殊性以及当前无人直升机的载重能力，制造商一方面需要开展外吊挂监测与告警系统研制；另一方面也要开展小型轻量化外吊挂系统研制。外吊挂系统必须具备正常投送和应急投送两种工作模式。

随着型号持续发展和需求逐步明确，国内将加大无人直升机外吊挂运输方式的理论研究、研制和试验，加快型号应用的进程。

客货舱、行李舱运输

在无人直升机蓬勃发展的背景下，有人-无人模式的出现将为未来直升机的发展提供一条全新的思路。随着基于有人-无人模式的直升机技术逐步发展，国内外已经对一些新研、改型直升机的有人-无人模式相关技术开展了验证试验，典型型号包括贝尔公司V280倾转旋翼机、卡曼公司K-MAX直升机等机型。有人-无人模式直升机在无人模式下，可以充分继承有人机的运输能力，利用平台的客货舱和行李舱运输作战物资。由于有人-无人模式直升机需要兼顾有人、无人两种模式下的使用需求，通常更侧重于有人模式的运用，与无人直升机相比，它的续航能力较弱，难以执行一些远程长航时运输任务，主要执行飞行员难以胜任的作战任务，提升装备使用的灵活性。当技术人员开展有人直升机的无人化改型工作时，会将驾驶舱改装为电子设备舱，以布置飞控、通信终端等机载设备。同时，为了提升直升机的续航能力，更大容积的燃油箱将布置在旋翼轴下方的客舱内，替换原有的燃油箱。因此，客货舱、行李舱运输方式只适合于有人-无人模式直升机。

滑橇起落架运输

为了有效解决起落架高度太小、机腹下方突出物（如天线）对运输箱尺寸和安装位置的限制，采用滑橇起落架的无人直升机可以将封闭式运输箱或网格式吊篮布置在机身两侧的起落架上。滑橇起落架运输所采用的机械接口相对较为简单，工程易实现，运输箱的形状和尺寸主要取决于运送物资的类型。但是，受限于无人直升机的横向重心范围，运输箱的横向尺寸一般较小，进而限制了无人直升机所运送物资的类型。如果重心包线允许，无人直升机可以实现单侧或双侧同时装载运输箱与物资，这在某种程度上提升了无人直升机使用的灵活性。与機腹运输方式相比，滑橇起落架可以让操作人员快速完成运输箱及物资装卸工作，但是无人直升机无法实现物资空中投送。需要说明的是，在设计滑橇起落架运输方案时，制造商需要重点考虑运输箱的外形对阻力系数、垂直增重系数等无人直升机性能参数的影响，以及运输箱对起落架性能的影响。

投送方式

空中投送

空中投送适用于任务区无合适的起降场地、无人直升机须要快速运输物资且迅速撤离危险环境等作战场景，具体投送方案需要依据无人直升机的运输方式和任务需求而确定。本文列举一种适用于机腹运输方式的典型空中投送方案。该方案依据不同的作战场景，既可实现运输箱直接投送，也能实现运输箱伞降。

空中投送系统包含投送装置、伞包（选装）与运输箱。其中，投送装置用于物资挂载与投送，由运输箱锁钩、驱动系统、支架和装机接口组成；伞包由降落伞、主伞绳和开伞拉绳组成，可降低投送物资的空中降落速度，从而降低物资的触地速度；运输箱用于物资装载，由箱体、箱盖和系留带组成。

无人直升机自主定点降落，人工卸载物资

与空中投送不同的是，无人直升机自主降落到指定区域后，地面工作人员完成物资卸载和无人直升机返航操控。当无人直升机到达指定区域上空时，采用控制权交接或自主择址降落的方式，完成精准降落。控制权交接是位于指目的地的操控人员通过便携式控制站获取无人直升机的控制权限，以遥调或遥控的方式完成无人直升机在起降地点上方的位置精确调整，最后操控无人直升机降落，或无人直升机自主降落，保证降落位置的精度。操作人员完成卸货后，无人直升机通过便携式地面控制站完成自主起飞，或由操控员控制起飞。自主择址降落是指，当无人直升机飞抵某区域后，无人直升机利用激光雷达感知技术和在线航线重规划技术，自主选择最佳着陆区域并完成自主降落。当卸货完成后，操控员使用具有一键全自动起降功能的机载按钮，完成无人直升机回收。

关键技术

通过分析无人直升机在不同场景下的运输与投送方式，下文梳理无人直升机运输与投送系统的关键技术。

自动投送装置设计技术

如果无人直升机采用机腹、简易挂架或短翼运输方式，为了提升物资运输效率或满足不具备起降条件的物资运输需求，无人直升机应具备空中自动投送功能。因此，制造商需要研发无人直升机自动投送技术，自动投送装置的设计方案必须具备较高的可靠性、安全性，而且具备实现物资伞降和物资索降的拓展能力。

外吊挂系统设计技术

外吊挂系统作为无人直升机实现外吊挂运输的核心装置，其技术水平在一定程度上决定了无人直升机的运输能力。该技术可以细分为小型轻量化外吊挂装置、自动监测和预警系统、应急投送系统等设计技术。目前，有人直升机外吊挂系统设计技术已趋于成熟，因此技术人员可在有人机外吊挂系统技术基础上，重点围绕无人直升机的技术特点开展外吊挂系统研制。

外吊挂系统飞行控制技术

吊挂物随机摆动会对无人直升机的飞行安全产生十分不利的影响。为了深入研究吊挂物对无人直升机平衡和操纵特性的影响，技术人员需要建立精确的飞行动力学模型；为了解决不同重量、外形的吊挂物对无人直升机稳定飞行产生的不利影响，技术人员需要开展无人直升机飞行控制自适应鲁棒稳定性设计。

控制权交接技术

控制权交接是实现无人直升机异地精确降落的手段之一，其技术成熟度相对较高，已在型号中应用。该技术是指，位于起飞点的地面控制站在合适的时机将无人直升机控制权转交给位于目的地的便携式控制站，位于目的地的飞行操控员完成无人直升机精确降落。

自主择址降落技术

自主择址降落是保证无人直升机在未知环境下安全降落的一种智能化手段，即无人直升机利用机载传感器（如激光雷达）进行着陆场地三维地形模型重建，基于深度学习技术，并利用重建的三维地形模型，对地形地貌、地表障碍物、地表水体等地物进行感知，并根据着陆区域的态势评估准则，启动地形评估，筛选出满足着陆要求的区域，然后自主降落。

总结

物资运输与投送是无人直升机未来的重要应用方向之一。国内外相关科研机构针对运输与投送系统的关键技术开展了大量理论研究和验证试验，部分技术已在型号上投入应用。文中提到的运输与投送方式是目前无人直升机所采用的典型方案。后期，随着运输任务场景的不断拓展以及新技术的出现，相关单位将发展各式各样的运输与运投送系统，以满足未来战场环境下无人直升机的运输需求。