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无人驾驶飞机

无人驾驶飞机

 

无人驾驶飞机简称“无人机”,是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱,但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备,对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空,也可由母机带到空中投放飞行。回收时,可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆,也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反覆使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。

 

一、无人驾驶飞机简介

 

    无人驾驶飞机是一种以无线电遥控或由自身程序控制为主的不载人飞机。它的研制成功和战场运用,揭开了以远距离攻击型智能化武器、信息化武器为主导的“非接触性战争”的新篇章。

    与载人飞机相比,它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点,备受世界各国军队的青睐。在几场局部战争中,无人驾驶飞机以其准确、高效和灵便的侦察 、干扰、欺骗、搜索、校射及在非正规条件下作战等多种作战能力,发挥着显著的作用,并引发了层出不穷的军事学术、装备技术等相关问题的研究。

   

二、无人驾驶飞机的构成

 

    无人机主要包括飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等。

    而其中与本专业自动控制有关的主要是无人驾驶飞机的飞控系统。无人机通常具备自动驾驶功能,能按任务要求进行自主飞行,避免人工操作造成的各项限制。飞行控制系统是无人机系统的灵魂和核心组件,是实现无人机自主飞行执行任务的关键设备。

    其实飞控系统的定义就是飞机上所有用来传递操纵指令,驱动舵面运动的所有部件和装置的总合。它包括3个部分:

1、中央操纵机构,具体包括驾驶盘/侧杆和脚蹬。

2、传动机构,包括机械传动和电传。

3、驱动机构,包括液压的和电动的。
它可以实现飞机绕纵轴、横轴、立轴旋转,以完成对飞机的飞行姿态和飞行轨迹的控制。

主要用于实现自动驾驶,获得所要求的最佳飞行性能。

 

三、飞机飞行自动控制系统(automatic flight control system of aircraft)

 

高度控制系统

  控制飞机在某一恒定高度上飞行的系统。它以飞机俯仰角控制系统为内回路,因此除包括与自动驾驶仪俯仰通道中相同的元、部件(如俯仰角敏感元件、计算机、舵回路等)外,还包括产生高度差(当前高度与期望高度的差值ΔH)信号和升降速度(夑)信号的敏感元件。专用的高度修正器或大气数据计算机能输出高度差和升降速度信号。高度控制系统有两种工作状态:一种是自动保持飞机在当时的高度上飞行,简称定高状态;另一种是自动改变飞行高度直到人工预先选定的高度,再保持定高飞行,简称预选高度状态。当驾驶员拨动预选高度旋钮调到预选高度刻度时,飞机自动进入爬高(或下滑)状态。在飞机趋近预选高度后,自动保持在预选的高度上作平直飞行。

速度控制系统

  通过升降舵或升降舵加油门来自动控制空速或马赫数的系统。通过升降舵调节的系统与高度控制系统相似,也以自动驾驶仪俯仰通道作为内回路。在保持定速状态下,空速差(ΔV)等于当时空速(V)与系统投入该状态瞬间空速(V0)之差。在预选空速状态下,空速差等于当时空速与预选空速(Vg)之差。为提高控制速度的精度,须引入空速差的积分信号。在保持飞机姿态或飞行高度不变的条件下,空速也可由油门自动控制。将空速差和空速变化率(妭)信号引入油门控制器来改变发动机油门的大小。如不满足上述条件,改变油门大小只能使飞机升高或降低,而速度不变。为防止随机阵风引起空速频繁变化以致对发动机过分频繁调节,一般将空速差和空速变化率信号经过阵风滤波器(通常为低通滤波器)进行滤波。为了改善飞机速度控制的质量,常采用比例加积分再加微分的控制方式。

侧向航迹控制系统

  通过副翼和方向舵两个通道控制飞机在水平面内的航迹的系统,它以偏航角(ψ)控制系统或滚转角(γ)控制系统为内回路。其中典型的方案以副翼通道为主通道,以方向舵通道为辅助通道,后者只起阻尼和协调的作用。侧向偏离(Z,即飞机位置与预定航线的横向偏差)信号通过第一限幅器后与偏航角信号综合,再经过第二限幅器与滚转角和滚转角速度(夲)信号综合,然后送入舵回路操纵副翼。第一限幅器的作用是防止因侧向偏离信号过大而产生超过90°的偏航角,从而造成“之”字形的航线;第二限幅器的作用是在转弯时限制滚转角,使它不致过大。

自动着陆系统

  自动导引和控制飞机安全着陆的设备,一般分为两大类:①雷达波束型(见地面控制进场系统);②固定波束型(见无线电控制着陆)。这两类系统都是先把飞机导引和控制到某一高度(拉平起始高度,约15~25米),然后利用拉平计算机、自动油门系统和自动抗偏流系统使飞机拉平直到接地。拉平计算机又称拉平耦合器。从飞机进入拉平起始高度,到平稳接地称为着陆段(拉平段)。在着陆段拉平计算机连续向自动驾驶仪纵向通道发出指令信号,使飞机由下滑状态变为着陆状态;减小垂直下降速度,最后以0.6~0.9米/秒的垂直速度接地。按拉平段飞行轨迹,拉平计算机的控制规律分三类:①指数轨迹控制:使飞机的下降速度与飞行高度成比例,按指数轨迹飞行直至接地。这种形式多用于大型飞机和旅客机。②固定轨迹控制:飞机按规定的曲线飞行,多用于歼击机。③接地点控制:又称终值控制。保证飞机在预定点接地,中间的拉平轨迹是任意的,这种控制适用于自动着舰。自动油门系统在自动着陆阶段自动调节油门以保证飞机安全着陆。如果不能着陆,自动油门系统应能提供飞机复飞的动力。自动抗偏流系统用来自动消除飞机在接地前由侧风等因素引起的偏流,保证飞机航向精确对准航迹(即机头对准跑道),并保证机翼水平。

迎角和侧滑角边界控制系统

  在歼击机作特大机动飞行情况下保证其迎角为常值(边界迎角值)的系统。系统的工作原理是引入当时迎角与边界迎角(给定的)之差的信号,通过升降舵通道控制飞机以边界迎角作机动飞行。为提高控制精度,可引入上述差值信号的积分。正常控制状态与迎角边界控制状态应能自然而平滑地转换,这种转换是由信号选择器自动实现的。当迎角超过某值时,它对迎角进行限制。

瞄准控制系统

  使飞机转弯或俯仰以瞄准地面或空中目标的系统。瞄准器的计算结果传送给飞行控制系统,使飞机瞄准目标。这实际上是把飞机当作活动炮架或发射架来操纵,以便灵活机动地发射导弹、炮弹或投弹。

编队控制系统

自动控制僚机进行编队飞行的系统。它自动控制僚机的速度、偏航角和俯仰角,以保持僚机与长机之间的距离、侧向间隔和高度差为给定值。这种系统的作用原理是在僚机上测出它与长机之间的距离、侧向间隔和高度差等参数,将测得的参数与给定的参数值比较得出各参数的偏差值,通过适当的校正网络送入油门控制系统和自动驾驶仪,以改变僚机的速度、偏航角和俯仰角。

 

四、无人驾驶飞机的发展目标

良好的隐身性能

无人驾驶飞机在近期的几场局部战争中,尤其是在空袭南联盟行动中发挥的巨大作用是令人瞩目的,但由于自身隐身技术存在着一定的不足和遂行作战任务性质的局限,使其在作战中暴露出来的很高的被击毁率又是发人深省的。在以“非接触”方式为主导的未来战争中,不尽快解决无人驾驶飞机隐身技术问题或仅仅扮演一个不堪一击的“假目标”角色是远远不够的。因此,增强无人驾驶战斗机的隐身性能是迫切需要的。这个问题已经引起了一些军事大国的高度重视。无人驾驶飞机隐身技术虽然仍处于发展阶段,但随着适用于无人驾驶飞机的隐身材料的不断研制和隐身机型的不断完善,在未来战争中,它必将成为令敌方防不胜防的空中“暗箭杀星”。

准确的攻击能力

  无人机和战斗机的结合,构成了一种全新的武器系统——无人驾驶战斗机。第二次世界大战以来,无人驾驶飞行器的研究应运兴起。遗憾的是,此后几十年中,无人机与战斗机却一直无缘结成连理,没能造就出无人驾驶战斗机。近年来,随着中远程巡航导弹弹道导弹的发展日新月异,地空导弹、空空导弹的制导技术日臻成熟,可重复使用的无人驾驶飞机的控制水平也日益提高,“无人驾驶战斗机”的话题才得以被人提及,且有人将反辐射导弹的技术移植到无人机上,研制出了反辐射无人机,成为一种对地面雷达极具威胁的新式武器。这种航空武器的出现,可以说是向无人战斗/攻击机的发展目标又迈进了一步,但它还不是真正意义上的无人驾驶战斗机。它采取“自杀”的方式,与敌方雷达同归于尽,充其量仅仅是巡航导弹的翻版。而真正的无人驾驶战斗机应是“可以重复使用的巡航导弹”。

轻便灵巧的机型

  微型武器具有重量轻、体积小、造价低、不易被发现和摧毁等特点,因此被世界各国尖端武器研制机构所看好,并投入了巨大的研制资金,在未来战场上有着强劲的发展前景和潜力。无人驾驶战斗机根据其较为特殊的战争使命,在微型化发展方面更具有非常强烈的要求。

双重性的驾驶机理

  为了提高作战效益和遂行各种任务的需要,一种有人和无人两用型战斗机,也将随着无人驾驶飞机技术的日益成熟而在未来的空战中出场。它具有两个可以相互独立工作的飞机操作平台,既可以和普通飞机一样由飞行员操纵飞行,也可以由基地指挥中心直接遥控飞行或预置飞行程序自身控制飞行。两用型战斗机的优点是在执行某项任务中,当飞行员伤亡或出于其它原因对飞机操作失灵或是需要暂时脱离飞行操作工作以完成其它任务时,飞机的遥控指挥系统只要未被破坏,仍可以顺利完成任务,安全归返。美国与英国合作研制的三军通用型联合攻击/战斗机,现正在研究无人化的问题。该机很可能成为世界上第一种有人和无人两用的战斗机。   

    可见,在未来战争中,品类众多、功能各异的无人驾驶飞机,必将成为广奥空宇中的百变幽灵而无处不在,无所不能。随着航空工艺、材料和技术的不断进步,无人驾驶飞机在未来的20年间将会真正崛起。

 

五、无人驾驶飞机的优劣介绍

主要优点

无人战斗机具有以下优势:   

*更强的机动性——近代,战斗机内人体忍耐力会限制军队在快速行动期间利用飞机集中人员的数量,而无人战斗机消除了这一瓶颈,从而使得机动性大幅提高。   

*重量更小——重量可以影响很多方面,如续航时间、加速、有效载荷等。毕竟驾驶舱内的一两名飞行员及所有物品会有很大的重量。   

*更好的空气动力——不需要驾驶舱顶蓬。   

*环境感知——利用无人战斗机能够在地面上构建虚拟座舱,这比飞机上安装任何装置都有效。而且,对于执行制空任务而言,环境感知是很重要的,而空空作战并不需要在实际飞机上进行侦察。   

*不会让相关人员疲劳——地面飞行员可以控制他们的无人战斗机,执行任务时更舒适,更灵活。   

*耗资更低——飞行部队耗资更低。所有的人机互动装置、生命维持、弹射座椅等会需要很多资金,但如果是无人战斗机,就仅需要人机交互装置,而且许多无人机可以共用一个,更低价,无需承受所有的压力。相关人员只需与无人战斗机进行通信,而且飞机中已经有一些通信方式,所以不会有大的变化。   

*让飞行员远离危险——无人战斗机能够挽救飞行员的生命。训练飞行员的成本很高,而且很难迅速进行替换。   

*无人战斗机能够开展远程超视距外空对空攻击以及视距内近程作战,而且无人战斗机成本低、数量与质量相当并且有可能用于与敌军同归于尽的战术中。

主要劣势

  不过,相对地,无人战斗机也存在一定的劣势。例如,无人战斗机很容易受到干扰以及人员因素的影响。而且,无人战斗机的行动还存在滞后性,虽然无线电通信能够迅速传播,但在空战过程中反应时间也是至关重要的。此外,无人战斗机还存在单点失效性:一旦敌军摧毁了指挥中心,那么所有无人战斗机便会丧失效用。

 

总而言之,任何新技术的诞生都是社会发展的需要,并会推动社会进步的步伐,如蒸汽机的诞生、互联网的使用。海委防汛部门应该是新技术大量应用的单位,无人机技术的应用也是如此。在新技术的使用上,防汛部门也应有敢为人先的勇气和科学的态度。先进的技术、方便的使用、低廉的价格和运行费用是无人机技术在防汛部门应用的有利条件。机器代替人工,危险工作由机器承担,危险工作不再需要海委职工挺身而出用宝贵的生命去完成,这是建设和谐社会的需要,也是建设海委防洪减灾保障体系的需要。

无人驾驶飞机将与孕育中的武库舰、无人驾驶坦克、机器人士兵、计算机病毒武器、天基武器激光武器等一道,成为21世纪陆战海战空战、天战舞台上的重要角色,一些专家预言:“未来的空战,将是具有隐身特性的无人驾驶飞行器与防空武器之间的作战。”但是,由于无人驾驶飞机还是军事研究领域的新生事物,实战经验少,各项技术不够完善,使其作战应用还只局限于高空电子及照相侦察等有限技术,并未完全发挥出应有的巨大战场影响力和战斗力,无人驾驶飞机会对未来的军事斗争造成较为深远的影响。





 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

自动化专业前沿

 

无人驾驶飞机

 

 

 

班级:09电1

姓名:汤佳杰

      学号:200901010132

                 学院:电气学院


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