可折叠旋翼式防空无人机设计

摘要：能否有效地防御空中打击是一个国家防御体系中极为重要的一环。精确制导武器造价高，拦截成功率不到百分百，而密集阵防空火炮射程近，范围小，且拦截后的残骸有可能会造成威胁。在此基础上，本文提出了一种电磁炮发射的可折叠旋翼蜂群式防空无人机设计。该系统依靠电磁炮将带整流罩的无人机群发射至35km高度后，依靠无人机自动控制调整为预定阵型，对导弹进行有效拦截。

关键词：电磁炮；可折叠旋翼无人机；无人机蜂群

1 研究背景

在现代化的战争中，空中打击已成为十分重要的战争手段。特别是高技术航空兵器的发展和导弹的大量使用，使得空中打击不仅能摧毁掩体和工事等战场目标，而且还能摧毁指挥控制中心、通讯中心、防空阵地等纵深的军事目标。空中打击不仅仅是地面进攻的前奏，而且可为地面进攻的顺利推进和最后胜利创造条件。[1]因此，在未来战争中，能否有效地防御空中打击已成为国家防御中的极为重要的一环。[2]

二战后期，德国为对付英、美轰炸机群，使用“复仇武器”V1和V2导弹的同时，开展了比高炮打得更高更远的防空导弹的研究试验，这更增加了全世界对防空防导技术的重视。[34]

2001年以后，美国小布什政府提出发展的全球一体化多段多层防御系统（助推段、中段、末段），实现对各个阶段飞行的、各种射程的弹道导弹全程防御。其中，地基中段防御系统作为美国全球一体化弹道导弹防御系统中段防御的陆基部分，承担防御洲际弹道导弹攻击的战略防御任务。地基中段防御系统由天基预警卫星、改进的早期预警雷达、前沿部署雷达、地基拦截弹、作战管理与指挥控制通信网络组成。地基中段防御系统共进行了18 次拦截飞行试验，成功9 次，成功率50%。仅验证了地基中段防御系统大气层外防御不携带突防措施的中远程、远程弹道导弹技术能力，具备战时针对威胁目标防御简单威胁的“有限防御能力”。[56]目前的防空手段有以下问题：精确制导武器造价高，拦截成功率不到百分百，一般航母或重要建筑的最后一道防御系统还是密集阵；但同时密集阵防空火炮射程近，范围小，且拦截后的残骸有可能会造成威胁。

2 发射式可折叠旋翼式无人机结构设计

根据以上论述，本文提出了一种电磁炮发射的可折叠旋翼蜂群式防空无人机设计。依靠电磁炮发射带整流罩的可折叠旋翼式无人机群至空中35千米高度后，无人机展开旋翼，并排出相应的蜂群式阵型，对导弹进行有效拦截，用于防御空中打击。电磁炮发射旋翼式无人机蜂群式布置作为防空手段，相对于造价昂贵的防空导弹等防空武器，拥有隐蔽性强，密集阵防空射程远，范围大，反应迅速、拦截效率高、机动性强、性价比高的特点。

2.1 总体构型设计

发射式可折叠旋翼式无人机主要由整流罩、旋翼式无人机系统以及控制舵面三大部分组成，该可折叠旋翼无人机构型如下图所示。

整流罩主要是为无人机提供良好的气动外形，便于电磁弹射的炮弹飞行阶段降低飞行阻力，提高发射高度，同时还为无人机提供容纳空间和保护作用。整流罩分为头部整流部分和尾部整流两部分，无人机弹射到指定高度后自动飞离。控制舵面主要是为了在炮射过程中对发射式可折叠无人机的飞行线路进行小范围的修正，从而使其能更加准确地到达预定位置。

旋翼式无人机系统的最上端有两个对转桨三叶螺旋桨，待机状态时折叠紧贴于机身，下部有两个负责水平位移的尾舵，可以通过尾舵实现水平方向的位移。无人机中端则是装有用于拦截目标的特殊炸药的战斗部，待目标靠近后迅速引爆。整流罩脱落后，无人机双层对转折叠翼展开工作，为无人机提供悬停所需的动力，尾翼电机工作为无人机快速移动到指定位置提供侧向推力。智能控制作用下在制定空域形成密集式蜂群布置，并可以根据情况实现小范围的调整和机群位置移动，以进一步精准调整布置位置，使机群进一步准确布置或主动精准调整到来袭目标的预估位置。当来袭目标到达无人机控制范围以内后，无人机以自爆所携带战斗部来击毁来袭目标。

2.2 拦截过程

系统的雷达发现导弹后由高速电磁弹射器将数百个戴着整流罩的无人机超音速弹射至千米高空的导弹轨道。达到指定位置后整流罩脱离无人机，原本在整流罩里折叠的两个对转三叶螺旋桨竖起并开始旋转。在系统的控制和尾舵的调整下，数百个无人机在导弹轨道处迅速排列成防空矩阵，单个个体无人机上的感应器感应到导弹靠近后引爆尾部炸药，以同归于尽的方式实现导弹的拦截。矩阵完成任务之后，剩余没有引爆的无人机可从新编排队列返回并进行回收。

3 结论

本研究首先提出了一种电磁炮发射的可折叠旋翼蜂群式防空无人机系统。该系统依靠电磁炮发射带整流罩的可折叠旋翼式无人机群至空中35千米的高度后，无人机展开旋翼，并排出相应的蜂群式阵型。主要针对无人机结构进行了设计：无人机旋翼结构依靠对转桨的高速旋转提供升力，并在此基础上依靠置于尾部的尾舵实现姿态的调整。为了进行快速反应，在尾翼部分增加了电机驱动的小型姿态螺旋桨，来为无人机的快速移动提供侧向推力。

总体来说，电磁炮发射旋翼式无人机蜂群式布置作为防空手段，相对于造价昂贵的防空导弹等防空武器，拥有隐蔽性强，相比密集阵防空射程远，范围大，反应迅速、拦截效率高、机动性强、性价比高的特点。是一种具有潜力的新型防空手段。

参考文献：

[1]郑志洲，侯广华，贾林，杨志强，雷云茂.末段反导预警系统的界壳论模型及其运用[J].空天防御，2018，1（04）：17.

[2]戴卫青，刘康，刘杰.国外防空导弹弹族化发展研究[J].空天防御，2018，1（03）：6166.

[3]薛慧.印度防空反导体系研究[J].飞航导弹，2018（05）：4953+67.

[4]韩宝瑞，刘涛，赵小勇.美国近程防空武器发展及趋势分析[J].飞航导弹，2018（04）：1216.

[5]刘丽娟.金属风暴武器弹药关键技术研究[D].沈阳理工大学，2016.

[6]李书甫，常卫伟，殷利.金属风暴武器技术发展综述[J].舰船科学技术，2012，34（03）：38.

作者簡介：何嘉琛（2001），男，汉族，北京人，就读于清华附中将台路校区，高中在读，研究方向是飞行器设计。