曹浩楠++黄建峰++安城辉++杨鹤猛++谢璐
摘 要：综述了固定翼无人机的发射与回收技术发展，结合军民领域无人机需求旺盛、发展迅速的特点，特别对蓄能弹射和伞降、垂直起降、一体化起降等发射与回收技术着重阐述，并对各类固定翼无人机的发射与回收技术现状、优缺点、应用领域和发展趋势分别进行了介绍和分析，为固定翼无人机发射与回收系统设计方案选择提供了一定参考。
关键词：无人机 固定翼 发射 回收 起降方式
中图分类号：V27 文献标识码：A 文章編号：1674-098X（2017）11（a）-0020-03
Abstract： Technology development for emission and recovery of fixed wing UAV is summarized. Combined with great demand and rapid development of UAV characteristics in military and civil fields， emission and recovery technology has been described， including energy storage ejection and parachute landing， vertical take-off and landing， integrated take-off and landing， etc. Whats more， introduction and analysis of the technologys current status， advantages， disadvantages， application fields and development trends are provided respectively. With this review， references will be provided for designing of fixed wing UAVs emission and recovery system.
Key words： UAV； Fixed wing； Emission； Recovery； Take-off and landing way
当前，固定翼无人机的应用过程分为展开、起飞、飞行、降落、撤收等过程环节，其中飞行已经可以手控或程控飞行，起飞和降落很大程度上仍依赖于操控手人工完成，主要是受限于发射与回收技术的成熟度和起降条件。在固定翼无人机设计时选择合理的发射与回收方案，在应用时选择合适的起降条件，对实现固定翼无人机系统的安全性和无人化作业至关重要，良好的发射与回收装置不仅可有效提升无人机机动灵活性、气象和地域适应性、重复耐用性和经济性，也有利于无人机系统作业效能的提高[1-3]。
固定翼无人机发射和回收方式众多，发射方式的设计主要是对无人机速度和高度瞬时增大过程中的动力加注方式，包括滑跑起飞、弹射、手抛、垂直起飞、火箭助推和空投等[4]，固定翼无人机回收方式主要是对运动无人机速度和高度减小过程中的缓冲吸能方式的设计上，包括着陆滑跑、伞降、着陆擦地、气囊和气垫回收、垂直降落、中空回收、绳钩和撞网回收等[5-6]。根据发射和回收场地，又可分为陆基、空基、海基、车基、船基等，根据发射动力又可分为自力和他力等[7]。各国对无人机发射与回收技术进行了大量研究和尝试，一些发射和回收技术只适于特定军事用途，固定翼无人机发射与回收装置的无人化、自动化、便捷性和耐用性仍较大限制了民用的灵活性和经济性。
近年来，固定翼无人机在我国电力、石油、交通、测绘、环保、海事等多行业领域快速发展应用，对无人机应用的生存率、机动性和可靠性需求强烈，这对固定翼无人机的发射和回收装置提出了更高要求。为此，本文结合军民领域固定翼无人机应用需求，系统地对各类固定翼无人机的发射与回收技术现状、优缺点、应用领域和发展趋势进行介绍和分析，旨在为固定翼无人机发射与回收装置设计选择提供价值参考。
1 无人机发射技术
1.1 滑跑起飞
滑跑起飞是通过动力装置的自力推动实现加速升空。根据滑跑的基体，可分为跑道、车载、水面起飞方式。地面跑道起飞方式的发射系统相对简单可靠，所需配套保障设备少，加速过程过载小，而车载和水面发射摆脱了对起飞跑道和地况的依赖，具有更好的机动灵活性。传统的跑道式固定翼无人机起飞方式与有人机类似，但对起落架和跑道的要求不如有人机苛刻，一般适合较大型无人机，如美国捕食者、全球鹰，以色列苍鹭、赫尔墨斯，英国守望者，中国彩虹系列，美国的“秃鹰”和巴西的BQM-1BR还采用了可弃式起落架。车载起飞方式，起飞车充当了无人机起落架，达到起飞速度时，无人机可飞离起飞车升空，如英国天眼无人机。水面起飞方式使无人机摆脱了对跑道和起飞车的依赖，再配合可收放起落架，适用条件更为广泛，如加拿大SUWAVE小型太阳能固定翼无人机，中国U650大型固定翼无人机，顺丰公司也在试验其用于物流的水陆两栖大型固定翼无人机。
1.2 弹射起飞
弹射起飞是通过弹射装置的外力推动，将弹性势能、液/气压能、热能、电磁能等不同形式能量转换为机械动能，使无人机在一定长度的滑轨上实现加速升空。根据弹射储能的类型，可分为弹力、液/气压、燃气和电磁等弹射方式。弹力弹射是以瞬态伸缩性极强的弹性部件（如弹簧、橡皮筋）为起飞动力输出，受限于弹性部件能效水平，适用于轻小型无人机，已广泛应用于军民多领域，如美国波音公司扫描鹰，法国“玛尔特”MK II，天津航天中为公司的ZW系列无人机。液/气压弹射是采用液/气压能源为起飞动力输出，隐蔽性和经济性好，如美国影子200、英国“不死鸟”和瑞士“巡逻兵”。燃气弹射是借助火药燃烧产生推力在火炮身管内完成加速发射过程，又称炮射无人机，如美国陆军已装备的“快看”炮射无人机，加拿大CL-289，英国“火影”炮射无人机，俄罗斯R-90，机长1.42m，翼展2.56m，重42kg，由俄制“龙卷风”火箭炮200mm大口径火箭弹发射，比利时“食雀鹰”在自带的M3型火箭助推器作用下从2.5m短轨上发射。电磁弹射是将无人机携带通电电枢置于直线电机产生的电磁场中，利用电磁力使其完成加速发射过程，其发射用时更短、效率更高，便于大范围和精确调节弹射能输出，适用于从轻型到重型无人机。endprint
1.3 手抛发射
手抛起飞是通过操作人员徒手投掷无人机到空中实现加速升空。手抛发射方式一般适用于尺寸小、重量轻的微小型无人机，如美国大乌鸦、英国沙漠之鹰-3、法国DT18、瑞士ebee、我国彩虹802等。
1.4 垂直起飞
垂直起飞是指无人机能够以初始零速度垂直起飞升空，并具备空中悬停能力。目前垂起固定翼广泛采用推力换向的原理，即起飞时推力向上，转入水平飞行时推力向前倾转，同时由机翼承担部分或全部升力[8-9]。它综合了直升机起飞对场地依赖小和固定翼飞行效率高的优点，可分为倾转旋翼式，如贝尔与波音直升机公司的“鹰眼”；倾转机身式，如自由翼航空机器人公司的“蝎”式无人机；相比倾转旋翼式，倾转函道式是将倾转的旋翼换成了风扇，如美国OAV，倾转机翼式是将旋翼连同机翼一起偏转，如格鲁门公司的754型无人机；尾座式，如极光飞行科学公司的“金眼-100”、克万德公司的“无风-3”和成都飞机工业公司的VD200；旋翼/机翼转换式，如美国“蜻蜓”和成都纵横自动化技术有限公司的“CW-大鹏”系列。
1.5 其他发射方式
其他发射方式包括空中投放、旋转抛射、潜射等。
空中投放是指无人机被其他母体飞行器运载到空中借助相关技术放飞。母体飞行器可以是有人机、无人机或特殊弹体。借助母体飞行器投放无人机，展开速度快，具有小型化、维护和使用便利的优点，但也存在作用距离短、续航时间短、不易回收和重复使用等缺点。典型的有意大利的“米奇拉”100由Agusta A109直升机空中发射，美国广域侦察无人机（WASP）由子母弹携带投放，盾牌无人验证机则通过P-3C母机的机翼或弹舱内发射，扫描鹰无人机可由其他无人机空中投放。
旋转抛射是利用通用旋转抛射装置锁紧无人机，通过控制装置内电机的旋转速度达到无人机起飞速度时抛射放飞。这种发射方式适用于中小型固定翼无人机，可有效减小无人机起飞时的过载，从而延长其使用寿命。该装置由西北工业大学发明并申请了专利[10]。
潜射是从潜艇内水下发射无人机。根据无人机在水下段是否直接接触水环境，分为干式发射和湿式发射。干式发射是将无人机折叠后装入运载器，通过发射运载器将其送至水面，出水过程中完成与运载器的分离，如“海上搜索者”。湿式发射是将无人机装于潜艇弹道导弹的发射管内发射，如“鸬鹚”。
2 无人机回收技术
2.1 滑跑降落回收
滑跑降落是通过起落架滑轮着陆和跑道滑行缓冲实现能量吸收的回收方式。根据滑跑的基体，可分为跑道、车载、水面降落方式。不同滑跑降落方式的技术特点和滑跑起飞类似，1.1中已叙述，一般能够支持滑跑起飞的固定翼无人机，也能够支持同样的方式进行滑跑降落。传统的跑道式固定翼无人机降落方式，如美国捕食者、全球鹰，以色列苍鹭，中国彩虹系列。车载降落方式，行进的车载平台充当停机坪，德国航空航天中心已成功试验了“企鹅”太阳能无人机，可稳定降落在75km时速的车辆顶部。水面降落方式，如加拿大SUWAVE小型太阳能固定翼无人机，中国U650大型固定翼无人机，美国RQ-20A无人机则可以在水面和舰船等平台区域降落。
2.2 伞降回收
伞降回收是通过无人机带着降落伞到达回收区域和适当高度时开伞降落实现速度缓冲的回收方式。根据降落区域，可分为陆地伞降和水面伞降。前者一般配置滑橇减震器或充气气囊，着陆时起到缓冲作用，后者一般配置浮筒气囊或密封机体，着陆时起到漂浮作用。伞降回收一般应用于低速无人机，发动机停车时通过引导伞/阻力伞使飞机急剧减速和降高，并拉出主降落伞，主伞一次充气涨满开伞，主伞类型包括平面圆形伞、方形伞、十字形伞、冲压式翼伞等。伞降回收具有结构简单、场地要求不高、经济性好等优点，尤其十字形伞因其性能稳定、工艺简单、开伞动载小的优势，在低速无人机广泛应用。传统的跑道式固定翼无人机降落方式，如美国捕食者、全球鹰，以色列苍鹭，中国彩虹系列。车载降落方式，行进的车载平台充当停机坪，德国航空航天中心已成功试验了“企鹅”太阳能无人机，可稳定降落在75km时速的车辆顶部。水面降落方式，如加拿大SUWAVE小型太阳能固定翼无人机，中国U650大型固定翼无人机，美国RQ-20A无人机则可以在水面和舰船等平台区域降落。
2.3 擦地着陆回收
擦地着陆回收是通过无人机与地面摩擦阻力实现速度缓冲与能量吸收的回收方式。需要对无人机机体和任务载荷采取保护措施，防止着陆撞击和滑行摩擦造成损伤，经典方式是采取气囊着陆原理，即在无人机机腹四周安装橡胶裙边，中间留出带孔气囊，发动机把空气压入气囊，压缩空气从气囊喷出，在机腹下形成“气垫”式的高压空气区，该气垫能支托无人机缓冲贴近地面时的冲击力。擦地着陆不受地形条件和机型大小限制，回收率高，但容易造成机体损伤。如英国UMAC11飞翼式无人机，完成任务后靠机腹着陆回收，英国“大鸭”I型无人机，机身下装有着陆滑橇，机翼装有翼尖滑橇，可有效吸收着陆撞击力，超轻型材质的小型手抛机如ebee等，也采用擦地着陆回收方式，莫斯科无线电技术科研所公司利用3D打印打造了一款代号“水鸭”的全地形气垫式载人无人机。
2.4 垂直降落回收
垂直降落回收是通过固定翼发动机推力抵消重力实现速度缓冲至着陆的回收方式，可以依靠主发动机推力在垂直方向的分力作用，也可以配置着陆专用发动机，在着陆专用发动机推力和主发动机推力在垂直方向的分力共同作用下实现减速和着陆。垂直降落回收方式只需小面积回收场地，不受回收区地形条件限制，机动灵活性高。不同垂直降落方式的技术特点和垂直起飞类似，1.4中已叙述，一般能够支持垂直起飞的固定翼无人机，也能够支持同样的方式进行垂直降落。如“鹰眼”、“金眼-100”、“蜻蜓”等。
2.5 其他回收方式
其他回收方式包括繩钩、撞线、拦阻着陆、部分回收和空中捕获等。如以色列的“先锋”“猛犬”在机尾装有尾钩，着陆滑跑时，尾钩钩住地面拦截绳，可有效缩短着陆滑跑距离。如美国“苍鹰”、以色列“侦察兵”都支持拦阻网着陆回收，其返航时一般要求以小角度下滑，时速降到120以下时，地面站确定返航航迹偏差并修正飞行路线，使无人机对准拦阻网中心线飞行拦阻网，舰载“银狐”无人机也是采用拦阻网回收。如美国的D-21/GTD-21型无人机，完成任务返航至回收阵地时，照相舱被弹出伞降，机体部分坠毁。如美国“扫描鹰”无人机，采用“天钩”对无人机撞线回收，负责对其发射和回收的无人机系统牵引一根缆绳由其自主捕获实现空中回收。endprint
3 无人机发射回收一体化技术
发射与回收紧密联系，从能效设计考虑，同种工作方式的发射与回收一体化可有效提升飞机整体效能，如滑跑起飞则支持滑跑降落。固定翼无人机的发射与回收系统的高度融合一体化，发射与回收多种手段的综合运用也成为其向着高可靠、高效率、高度地形适应性发展的技术方向之一[5]。
多发射系统融合，如美国XBQM-108A无人机，保留普通起落架同时，机尾安装有尾支座，支持滑跑起飞和垂直起飞双发射方式。
多回收系统融合，如伞降结合气囊缓冲是无人机常用的着陆回收方式，加拿大的CL-89，伞降回收同时机腹翻转180°以上，机背前后的着陆气包先着地，可有效吸收撞击能量，保护机腹内任务载荷。着陆滑跑结合拦阻索可以缩短着陆滑跑距离，如以色列的“先锋”“猛犬”。以色列“侦察兵”可着陆滑跑降落和使用拦阻网着陆回收。
融合多种发射与回收系统的无人机，如法国DT18支持手抛和弹射起飞，支持自动腹部着地降落和网降，如滑跑与弹射起飞，滑跑与伞降降落方式的综合运用，作为一主一备，在固定翼无人机中也较为常见。
4 结语
固定翼无人机的发射与回收方式是其重要性能指标，发射是否安全、快捷，回收是否准确、简单、可靠，已成为衡量无人机系统可用性和经济性的关键内容之一。随着军民领域愈发旺盛的应用需求和无人机技术的快速发展，对无人机的要求趋于效能最优化、操作自动化、展开便捷化和场地小型化，不同行业领域还会提出独特的需求，并据此选择无人机型号，对固定翼无人机发射与回收系统的设计和技术应用也提出更高要求。
参考文献
[1]祝小平，向锦武，张才文，等.无人机设计手册[M].北京：国防工业出版社，2007.
[2]鲍传美，刘长亮，孙烨，等.无人机发射技术及其发展[J].飞航导弹，2012（2）：56-60.
[3]张九阳.无人机发射与回收技术[M].南京：南京航空航天大学，2013.
[4]葛峰.无人机发射及回收技术研究[J].军民两用技术與产品，2016（10）：155.
[5]杜聪聪，李武军，陈朝浪，等.固定翼无人机回收与发射系统发展综述[J].科技传播，2016（7）：113-115.
[6]臧春喜，褚鹏蛟，胡琦，等.无人机回收技术专利现状及发展趋势[J].飞航导弹，2016（3）：39-42.
[7]王宏新，刘长亮，成坚.无人机回收技术及其发展[J].飞航导弹，2016（1）：27-31.
[8]何小九，李彦彬，朱枫，等.国外垂直起降无人机发展现状及设计制造关键技术[J].飞航导弹，2016（6）：22-27.
[9]邓钊.尾座式垂直起降无人机动力系统设计及其控制技术研究[D].厦门大学，2016.
[10]李攀，裴扬，宋笔锋，等.一种中小型无人机旋转抛射装置[P].中国：201101197645.5，2011-07-14.endprint
