2019, Vol. 51
2. 哈尔滨工业大学 控制理论与制导技术研究中心, 哈尔滨 150001;
3. 西南科技大学 信息工程学院, 四川 绵阳 621010
2. Center for Control Theory and Guidance Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;
3. School of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, Sichuan, China
近年来，南海争端问题不断，国土安全是国家安全和社会稳定的基石，中国国土安全面临严峻挑战.随着航空母舰、战列舰、驱逐舰、护卫舰和两栖舰等军舰装备舰载无人机日益增加，无人机在信息化武器和智能化武器为主导的“非接触战争”中发挥着重要作用[1-3].利用小排水量的舰船搭载固定翼无人机，到达某些特殊作战区域执行战场侦察、反潜反舰、两栖突击、空中预警等危险任务变得日益广泛，掌握未来战争中的制海权、制空权，从而增强国家国防实力.因此，研究面向小型舰船的固定翼无人机着舰回收技术，对掌握海上制空权，维护海洋权益，保障领海安全具有重要意义，也是国际普遍关注的重要问题.
无人机着舰回收以安全可靠、机动性好、使用次数多、机体及机载设备损伤小、操作简便和维修方便来满足其经济效益要求.从1911年凭借飞行员飞行技术飞机首次在舰船上降落，到经历降落伞/翼伞回收、撞网回收、撞线回收、定点高精度回收的发展历程.无人机着舰关键技术[4-7]主要分为回收装置与方法、无人机着舰/回收制导与控制系统与方法两部分.
本文结合军民领域中的固定翼无人机应用需求，系统地对传统跑道回收、撞网回收、降落伞回收、挂线回收和定点精确回收等各类固定翼无人机海上回收技术的现状、优缺点、应用领域和发展趋势进行介绍和分析[8]，旨在为固定翼无人机海上回收装置的设计和选择提供有价值参考.
1 传统跑道回收法传统跑道无人机海上回收技术类似于舰载机着陆技术，由于小型无人机着舰速度远小于舰载机的着陆速度，因此在风浪较小条件下不需要制动装置进行制动减速.传统跑道回收法对舰船的甲板、尾钩和拦阻索等设施设备要求高[9].此外，舰船甲板振荡角度对无人机着舰下滑角、着舰轨迹影响较大[10-11].如：无人机着舰时下滑角须大于甲板振荡的允许角度，否则会导致无人机与船体的碰撞(如图 1(a)、(b)所示).图 1(c)为无人机在甲板处于振荡幅值内顺利完成着舰任务示意图.因此，传统跑道回收方法[12-13]主要用于配有飞行操作大型甲板的大型舰船，并且该类舰船具有较大的质量和尺寸而不易受波浪的影响.当今，大型无人机“捕食者”已成功在航母上起降.
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图 1 下滑角与船舶振荡幅度的关系 Fig. 1 Relationship between glideslope and ship pitch amplitude (not to scale) |
基于弹性网回收技术[14]是固定翼无人机在小型舰船回收领域较为可行和广泛应用的回收技术.该方法所需安装设备简单、舰船甲板空间小，可根据需求进行部署和卸载，并且无需无人机像传统跑道回收法保持精确速率着舰，只需着陆速度尽量小.因此，网辅助回收方法有效、简单适合于具有高强度比的轻型和超轻型无人机[15].该方法于1986年首次部署在爱荷华号战列舰的USN RQ-2先锋无人机回收(如图 2所示).
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图 2 先锋无人机网辅助回收 Fig. 2 Pioneer UAV net-assisted recovery |
至今国内外无人机撞网回收典型结构有单网三杆、双网双杆、单网单杆和单网双杆4种方案[16].前两者需要吸能缓冲装置，而单网单杆需要旋转驱动装置和阻尼器，单网双杆结构主要靠网体和支架的弹性变形对无人机进行吸能缓冲, 不需额外的阻尼缓冲装置.如美国海军的USS依阿华战舰上的“先锋”无人机使用了尺寸约为7.6 m×14.3 m(高×宽)的单网三杆撞网回收系统[17]
由于无人机吸能缓冲技术与无人机末端精确引导技术等关键技术发展的限制，无人机撞网回收系统需要飞机进场速度保持40~60 m/s，飞机降落速度在3 m/s内，且制导精度在2 m范围内.目前无人机回收质量未超过170 kg，而南京航空航天大学研制的某型无人机拦阻网成功回收了质量120 kg、入网速度28 m/s的无人机[18].
此外，该回收技术的缺点有：1)着陆时回收网与螺旋桨、天线以及机翼间的缠绕[19]增加无人机损坏风险与维修成本，从而影响回收装置准备时间和工作效率；2)无人机未成功飞入回收网，容易与舰船上层建筑发生碰撞[20-21]；3)与传统跑道回收类似，在逼近着陆高度太低时无人机易与船体发生碰撞；4)该回收方法手动操作量高，难实现机械化.
3 降落伞回收法目前，降落伞回收法可辅助维持无人机着陆时最低速度，而广泛用于常规跑道的陆基无人机回收.降落伞回收法具有重量轻，包装后体积小、成本相对低等优点[22-23].但伞自动回收难度大、对风敏感性高[24-26].降落伞回收法主要分为不可控降落伞回收、滑翔降落伞回收和动态降落伞回收3个方面，以下详细展开分析.
3.1 不可控降落伞回收不可控降落伞回收技术通常使用非导向拖曳圆形或十字形降落伞，用于无风环境下无人机稳定垂直或近乎垂直着陆.因此，风和环境模型是影响着陆精度的主要因素[27-28]，若无人机回收开伞高度为2 500 m，下落速度为3 m/s，回收落地精度半径为2 km.如无人机从70~100 m的高度下降时(假设典型的下降速率为4 m/s)仅以1 m/s的风速误差将导致地面位置偏差[29]为15~20 m.因而对于不可控制的降落伞回收技术，需要高精度估计风速与风向.其次，当无人机靠近船舶时，会出现船舶空气动力学问题，进而会显著改变风的速度、方向和扰动，因此需精确建立空气尾流的环境模型[30-31].需要注意的是，随着船舶向前运动，无人机在下降过程中将会与高于甲板的船舶上层建筑发生碰撞[32]，且着陆失败后无法进行二次着陆[33].
综上所述，对于靠近舰船的无人机采取水上迫降是不可控降落伞回收的可行方式，从而消除着陆精度和碰撞冲击的影响，真正达到简化回收的目的.但是，必须解决无人机的浮力和水上保护以及如何回收等问题.目前，不可控降落伞法回收技术主要用于目标无人机和类似的军用无人机.如澳大利亚海军和空军用于机组训练和武器系统性能评估[34]的Kalkara无人机及Teledyne-Ryan BQM-34 Firebee目标无人机(如图 3所示).
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图 3 DRS无人驾驶技术下的BQM-34 Firebee目标无人机降落伞回收 Fig. 3 The parachute recovery of BQM-34 Firebee UAV with unmanned operating technologies |
滑翔降落伞回收方式[35]可解决在低空速下无人机的空气动力学表面效率下降问题.因为，滑翔伞伞篷通常采用翼伞形式[36-37]；当用冲压空气充气时，降落伞横截面呈翼型形状，可通过下拉制动线使后缘变形[38]来控制翼面从而在有限时间内降低前进速度和下沉率.
翼伞系统的运动形式有4种：滑翔、转弯、减速和雀降[39]如图 4所示.具体流程如下：
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图 4 翼伞归航工作程序示意 Fig. 4 Sketch map of the returning process of the booster parafoil system |
1) 无人机定位设备完成自身定位；
2) 翼伞携带无人机向目标落点定向飞行；
3) 进入目标落点附近，翼伞携带助无人机进行盘旋消高；
4) 为了降低水平着陆速度，通过控制使翼伞携带无人机进入逆风飞行状态；
5) 在特定高度，翼伞进行“雀降”操作，使无人机的下降速度进一步迅速降低；
6) 无人机最终安全降落在指定的着陆区域内，可进一步收缩翼伞操纵绳，以减小地面风对翼伞的影响.
上述流程可反映，翼伞系统的位置、速度方向控制及转弯性能对是否精确回收至关重要.目前国内外对翼伞的滑翔、转弯、稳定等特性进行了数字仿真与实验研究，确定该回收方式由于受翼伞结构、展开机制、展开控制的影响需精准计算翼伞展开点[40-43].如对于质量300 kg的无人机，若着陆速度和开伞力峰值限制在7 m/s和5 kN以下，那么降落伞总阻力面积可选取在103~163 m2范围内.
此外，滑翔降落伞回收方式可在没有冲击衰减器情况下实现无人机软着陆[44]，但船舶由于海浪引起的甲板运动对该回收方式设备配置更高，如需要采用某种捕获装置或配备缓冲器.目前，使用翼伞进行回收的无人机包括Skyeye(BAE)、Eyeview(IAI Malat)、Sentry(S-TEC)、Poisk-1/2(KhAI)等.尽管对于其中无人机而言，翼伞回收是可选择的一种方式或仅用于紧急着陆.
3.3 动态降落伞回收动态降落伞回收技术与跑道着陆或弹性网回收，以及降落伞回收等传统回收方式[45]结合，从而降低了回收过程对风的敏感程度.该方法的回收示意图如图 5所示，根据无人机的质量和降落伞的大小，滑行路径会在指定着陆点之前0.5~3.0 m高度处结束，然后关闭发动机并进入无引导降落伞滑翔模式[46](如图 5(a)所示).
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图 5 动态降落伞回收 Fig. 5 Recovery using dynamic parachute deployment |
回收之初如制动降落伞，当前进速度降低且无人机开始下降时，降落伞逐渐向上转动，此时像传统着陆降落伞(如图 5(b)、(c)所示).该回收方式为了避免着陆冲击造成的无人机损伤，须设计船/舰机载的缓冲器，如图 5(c)所示.
动态降落伞回收技术存在以下两个主要问题：首先，须以极高精度测量着陆点与无人机间的距离及相对速度，以确定展开时刻，否则几分之一秒的延迟将导致几米的过靶，因此须安装专用的跟踪定位设备；其次，降落伞展开的过程须具备快速性和稳定性，从而导致辅助展开系统[47]的复杂性.从工程的角度来看，该技术难用于模拟和研发，须设计一个精确的降落伞展开动态模型和在过失速攻角和侧滑角下的无人机模型.目前，该方法尚未成功用于固定翼无人机在小型舰船上的回收.
4 深度失速回收法基于深度失速技术[48]的固定翼无人机在小型舰船上回收的示例，如图 6所示.在无人机与船舶间靠近的最后时间段，无人机通过上拉升降舵，使攻角提升至相对较高的后失速值[49-50]，从而使机翼失去部分升力且阻力增加，导致无人机速度迅速降低，实现安全回收.与降落伞辅助回收方法类似，该方法需在间船上安装水平/倾斜弹性网作为冲击衰减器.
此外，另一种基于深度失速技术[51]的固定翼无人机在小型舰船上回收方法是‘栖息着陆’(如图 7所示).该方法无人机在正常(预失速)攻角下以陡峭的上升拉平机动发生失速，在轨迹的最高点速度达到最小，无人机失速并下降至预先设置好的着陆点.理论上可实现零速下降，但须提供较高且无障碍的着陆点.
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图 7 栖息着陆 Fig. 7 Perched landing |
基于深度失速技术的固定翼无人机回收方法主要面临以下问题：1)在所需攻角和速度下，飞机具有有限的可控性，且无人机飞行状况常比降落伞的飞行状况复杂如轻微的水平不对称(空气动力学或质量)可在达到失速攻角时产生快速滚转响应[52]; 2)需特定高度的最佳轨迹，从而需要无人机不同控制器的设计方法.
目前，AeroVironment的FQM-151指针微型无人机采用深度失速机动实现在平坦的地面上自主着陆，然而该回收方法无法达到船舶回收所需的精确的点着陆要求.
5 “变结构”回收法“变结构”回收法的无人机能够在飞行中改变其空气动力学配置，以提供足够的巡航和起飞/着陆性能.本文不考虑悬停的可转换设计(即垂直起降无人机[53]).变结构设计主要有两个分支：1)柔软机翼无人机[54]，实现方式之一为可折叠三角形(Rogallo)机翼[55]，类似于蝙蝠翅膀的网状翼尖；该结构可提供良好的可控性、大速度范围、低风敏感性及高稳定、方便的机翼展开，但结构设计复杂、难度高.2)倾转旋翼[56]、倾转机体和自由翼[57-59]的概念.该结构采用有限角度转换设计来提高短距着陆能力，倾转旋翼设计需要复杂机构来控制旋翼(或整个发动机组)的旋转.
该类飞行器在飞行过程中有3种模态:垂直起降模态、转换模态、前飞模态.通常情况下，垂直起降状态时, 该类飞行器类似多旋翼飞行器，升力、俯仰、滚转和偏航力矩均由旋翼提供.但倾转旋翼的气动外形设计需要对其在直升机模式和飞机模式下的不同要求进行综合考虑, 对其气动外形相关参数进行优化以使倾转旋翼同时具有较高的悬停效率和巡航效率.文献[60]建立了倾转旋翼的气动特性分析模型, 研究了倾转旋翼机倾转过渡状态旋翼尾迹和气动干扰特性，从理论上给操纵导数在倾转过渡过程中变化情况、操纵分配策略奠定了基础.总体上，倾转旋翼过渡阶段动态复杂、开发成本高、对无人机的整体设计影响大.
目前，倾转旋翼设计常用于有人驾驶或无人驾驶的短距起降/垂直起降飞机[61-62](如图 8所示，贝尔XV-15、V-22、鹰眼).
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图 8 贝尔-波音V-22倾转旋翼机三维图 Fig. 8 3-D view of the Bell-Boeing V-22 tilting rotor aircraft |
至今，本文讨论回收技术都致力于降低进近速度，以便使无人机降落在舰船甲板有限区域内.挂线回收法[63-64]是在正常靠近速度下捕获无人机，并实现对无人机安全减速.该回收技术借鉴航空母舰上拦截索回收经验[65-67]，但航母拦截索不同的是回收拦截索[68-71]可水平，也可垂直.挂线回收系统由无人机翼尖小钩或拦阻绳组成的捕获装置、吸能缓冲装置和末端引导装置组成.可分为对准撞绳、滑行锁定和回旋摆动3个阶段.
6.1 天钩天钩为垂直悬挂线技术，该回收系统利用一根垂直悬挂在吊杆上的拦阻绳捕获无人机翼尖锁钩来实现精确定点回收的先进回收方式，其具有良好的研究应用价值和开发前景.该技术主要对无人机回收轨迹及速度响应、回收系统吸能特性、回收系统缓冲特性，以及回收过程中拦阻力峰值载荷下的机翼应力和应变需求较高.机翼触绳后拦阻绳沿机翼前缘滑行到前缘翼尖，滑行过程较短暂，大约只有0.08 s.此后无人机翼尖小钩钩住并锁定拦阻绳，吸能缓冲装置吸收无人机动能，无人机做半径和速度均减小的回旋运动.回旋约1.75圈后速度即降至2.5 m/s以下，回旋两圈后无人机在平衡位置微幅摆动，此时可安全取下无人机.
目前，Insitu Group开发的小型SeaScan和ScanEagle无人机均采用了垂直悬挂线的天钩技术[72].在接近舰船时，无人机直接飞入悬挂线，使悬挂线撞击其中半翼前缘，而后向翼尖滑动并将自身锁定在钩子中(如图 9所示).该方法已成功实验测试，但强风下回收率低.此外，该技术对无人机设计有着严格的要求，如需要无人机拥有后掠翼[73]、加强前翼、长翼展.
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图 9 天钩回收 Fig. 9 Skyhook recovery |
拦截钩回收技术可分水平拦截索和机载尾钩.与航母拦截索回收系统[74-75]不同，该技术的拦截索安装在延伸至甲板外侧的吊杆、凸起的杆或类似设施上.此外，钩长度不受起落架高度限制，因此，尾钩线不限长度，从而为无人机位置提供大的容差：允许的垂直误差很大程度上取决于拦截索钩的长度，允许的水平误差由制动线的长度决定.
该类回收示例如图 10所示，无人机尾端伸出带有自锁钩的长拦截索[76-77]，并从吊杆上方飞过，吊钩滑过拦截索并锁定拦截索进行着陆.成功捕获后，无人机被提升至载机上或船体绞盘处.当然该回收方式需要在300 m外确定回收着陆点，即最终进场开始的位置，并预测无人机回收点的位置，从而无人机不断调整姿态来补偿船舶行驶和风力影响，跟踪回收臂位置.无人机回收时间主要取决定位精度、橡筋绳阻尼器参数等因素.文献[78]对无人机绳钩回收系统建立多目标优化模型, 对吸能缓冲系统参数进行优化分析确定无人机回收时间、速度与橡筋绳阻尼器有关.
该技术尚未成功应用于固定翼无人机在小型舰船上的回收，但具有对准精度要求低、无复杂机械结构设计、着陆失败与舰船无碰撞等[79].
7 定点高精度着陆法一般而言，在海洋环境下应用固定翼无人机时都会直接降落于大型舰船，但对于小型舰船易受甲板空间所限，难以寻到无人机所需着陆空间.美国国防高级研究计划局(DARPA)公布了SideArm系统原型旨在解决500 kg下固定翼无人机在小型船舶上回收的问题，从而降低了无人机在小型舰船上着陆的风险.
SideArm系统由起重机、滑轨和制动装置3部分组成.在回收过程中，机载飞控系统根据接收到的SideArm信号控制无人机减速，从而通过滑轨降落到SideArm的制动装置中(如图 11所示).
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图 11 SideArm无人机海上回收 Fig. 11 SideArm UAV maritime recovery |
SideArm系统的主要优点为通过低成本的便携模块化设计，让飞机能够安全地实现快速设置和受控减速；布放/回收非常灵活，不受舰船上的基础设施干扰；体积小，可放在6.096 m集装箱内，便于交通运输；着陆装置被延伸至船体外侧，因而在着陆失败的情况下无人机与船体或船上建筑不会发生碰撞，在载机燃料充足的情况下可进行二次着陆[80]. SideArm系统的缺点为要求无人机配备高精度导航和制导系统，保证无人机与着陆装置间的精确对接；从控制无人机减速到无人机与着陆装置对接间只有2~3 s的时间，这对无人机的控制系统设计提出了很高的要求；着陆的成功率受风浪引起的舰船摇晃和天气影响严重[81].
2016年12月，SideArm系统顺利通过了181 kg的Lockheed Martin Fury无人机系统测试.为了增加测试难度，Aurora Flight Sciences加快了无人机的飞行速度，但SideArm还是成功地将Lockheed Martin Fury无人机“捕获”.
在过去的几十年里，美国、俄罗斯以及欧盟在无人机海上应用领域[82]取得了一系列成绩，中国在相关领域的基础理论研究和技术储备相比之下还有较大的差距.对于无人机海上应用来说，舰/船载无人机的海上回收是不可获取的技术.本文对舰/船载固定翼无人机系统的关键技术以及国外发展现状与趋势进行综合分析[83-85]，并归纳总结小型舰载固定翼无人机回收技术如下(各回收方法的各项性能特点见表 1).
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表 1 各回收方法的各项性能特点 Tab. 1 Performance characteristics of each recycling method |
1) 传统跑道回收法主要用于长距离且速度较大的无人机回收，对跑道要求高，典型于航母的无人机回收.
2) 拦截网回收和伞降回收是近年来无人机常用的回收方法，前者需要能量吸收设备、自动导引设备，所以成本高；而伞降回收适用范围广、性价比高，无需复杂昂贵的自动导航着陆系统和宽阔平坦的专用着陆场地，但需求定位精度高，飞机进场速度小.
3) 无人机深度失速回收法、挂线回收法、定点高精度着陆法对近场导航精度要求、飞机降落速度高，实际回收困难.
4)“变结构”回收法虽结构设计难度大，但对回收设备、回收场地、回收速度、进场导航精度的需求低，是小型舰载固定翼无人机舰上回收方式的首选.舰/船载无人机系统作为未来信息化作战和海洋环境监测的重要组成部分，中国应加大投入力度，重视发展.
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