一种野外科研用固定翼无人机轻便式起飞装置及使用方法与流程

本发明属于无人机辅助起飞装置。

背景技术：

一般来说，固定翼无人机的起降都需要一定长度的平坦跑道用于滑跑，但在野外没有理想平坦场地的条件下，起飞全重约6-30公斤的中等尺寸固定翼无人机一直是难题。野外一般比较常见的平坦场地主要是公路，但公路是公共交通设施，出于安全考虑，无人机不应利用公路作为起降场地，因此目前各种级别、用途的无人机都有无跑道条件下各自的辅助起飞方法。

全重不超过5公斤的小型固定翼无人机起飞速度比较低，加速快，所以一般来说都可以采用人员投掷起飞的最简单野外操作方式，适用于各种野外条件。但是此种级别的固定翼无人机大多只能携带微型摄像头用于士兵了解局部战场情况，无法承载带有专业光学镜头的高分辨率相机以及其他高级遥感器材，所以不能完全满足科研的要求。

起飞重量50-300公斤级的大型军用无人机重量大、惯性大，除了使用动力强劲的蒸汽弹射架弹射起飞之外，还经常使用火箭助推起飞，这样可以免去笨重的弹射架和高压蓄能装置，整套系统简洁易操作，其缺点是火箭属于军用产品、作为危险品受到严格管制，一般民用科研单位在普通野外考察时是不能使用的。

起飞重量6-40公斤的固定翼无人机在民用科研领域应用较多，尤其是15-25公斤级别(本方案下文称之为“中型”)的产品用量最大，主要是因为这样大小的固定翼无人机翼展约为2-3.5米，有效荷载达到2-5公斤，能够携带单反相机、红外成像仪、多光谱相机、空气污染物检测仪器等多种便携式的信息采集器材，单次航程达到50-200公里，因此在科研领域有广泛的用途。中型固定翼无人机携带也比较方便，两三人的工作小组和普通小型车辆就可以满足操作、拆卸、运输要求。

科研用中型固定翼无人机的起飞速度一般介于50-70公里/小时，一般都需要100-300米长平直、无尘土且跑道两端无障碍物的起降场地用于加速或减速，若不能使用公路，野外很难寻觅此类场地，又不可能投掷起飞，也不能使用火箭助推起飞方式，因此绝大多数都采用弹射架弹射起飞方式。弹射架一般由滑轨、弹射小车、动力源三个基本部分组成。滑轨一般长度4-8米，由金属制成，用于支撑弹射小车在其上的前后滑动；弹射小车与滑轨之间依靠轮子接触，保证小车不会脱离滑轨且前后滑动阻力小，弹射时将无人机放置于弹射小车上并适当固定以保证人工启动动力源后，动力源将施加强大的牵引力给弹射小车，弹射小车将牵引力传递给无人机，两者迅速加速，在一般不超过8米的有限滑轨行程范围内将无人机加速到50公里/小时以上，此时弹射小车在滑轨尽端停止，无人机达到了起飞速度，且自身发动机处于工作状态，继续提供前飞推力，于是无人机起飞。

弹射动力源有多种类型。军用无人机可以采用压缩空气动力源，其优点是耗材少、设备持续使用、提供的牵引力稳定、可调，缺点是气缸、压缩泵等部件的存在使得整个弹射装置沉重，因此大多用在中型的军用无人机上。粗橡筋束是民用无人机弹射一般最常用的动力源，其优点是相对简单、轻便，但缺点是牵引力在弹射过程中先大后小不恒定，在弹射初始阶段容易拉伤无人机机体，后续加速能力又有限，而且橡筋束使用一次其牵引力就显著衰减，需要时常更换。其他新的动力源还包括电磁弹射等，还未普及，不再详述。

一般来说，为了承受弹射时巨大的牵引力，结构不变形并保持稳定，弹射架的全部设备重量可达到50-100公斤，且尺度巨大，小型车辆运输不便，严重降低了中型固定翼无人机作为基层科研单位便携易用设备在野外的实用效能，而且将约150米长的加速过程缩短到4-8米，机体瞬间加速度提高了约30倍，对无人机本身结构强度以及机载信息获取设备的要求大大提高，这样机体结构就必须加强，其重量在起飞全重中所占的比例大幅提高，能够携带的科研器材更少、航程更短。如此强的瞬间加速度亦足以破坏多种机载光学设备。

为了避免使用弹射架，目前还有其他的固定翼无人机起飞方式，例如在车顶安置短小的无人机放置架，车在公路上快速行驶，达到起飞速度后，无人机自然拉起离开车辆，此种方式看似避免了弹射和弹射架，但其仍然需要使用公路这样的公共交通设施，违背基本的安全原则，所以目前用量非常少。也有人研发出了具有垂直起降功能的固定翼无人机，在起降阶段靠旋翼向上的升力垂直拉起机身离开地面，再逐渐转换为水平飞行状态。但这些折中的设计对无人机的载重量有严格限制，并且由于起飞耗能太多，航程大大缩短。固定翼无人机相对于旋翼类飞行器最主要的优点就是长航程、长航时，折中的设计显著减弱了这一固有优势。

根据上述分析，目前若要保持科研用中型固定翼无人机长航程、长航时的优点不衰减，还没有替代弹射起飞架的更好的野外辅助起飞装置和方法。

技术实现要素：

本发明的主要目的是：一套用于中型固定翼无人机在野外无跑道条件下辅助起飞的装置，在全部辅助起飞装置总重量不超过5公斤、收纳体积小、可用小型车辆运输的前提下，保证可以正常实施起飞，适应农田、丘陵、山地、稀树林地等绝大多数的自然崎岖地面、自然地物覆盖区域。该装置允许的起飞加速行程突破弹射起飞架一般4-8米的限制，起飞过程加速度和自然滑跑起飞相比仅为适度增加，降低对机体结构强度的要求，不会明显缩减固定翼无人机原本应有的航程或载重量，起飞过程中飞机螺旋桨距地面保持安全距离，飞机上的镜头亦不易受到地面尘土、草叶等飞起的污染，从而满足野外科研的普遍需求。该装置还应能够适用于不同型号、各种气动布局的固定翼无人机。

本发明技术方案是：

一种野外科研用固定翼无人机轻便式起飞装置，主要由两端用于地面固定的部件和中间被拉紧的钢丝绳部件两部分构成，方形外套管和方形内套管是地面固定用部件的主体，两个管均为中空的，方形内套管截面的边长略小于方形外套管的内边长，因此方形内套管可以在方形外套管的内部插入或拔出，方形外套管的上下侧面均有圆形安装孔，孔上下对位，直径一样、间距一样；方形内套管也有相同排列、相同直径和间距的安装孔。在两管相重叠部分的孔中插入一或两个固定螺栓并拧紧，使内套管与外套管之间不再能自由滑动，两个套管未重叠的端部各自固定有一个拉环，两个拉环各有一个钢丝绳的端头穿过并用钢丝绳扣固定住，使得钢丝绳与拉环之间固定住，两根钢丝绳的另外一端同样用钢丝绳扣与钢丝绳张紧器的钩子相接，两个钢丝绳张紧器的另外一端钩子钩在地面固定用部件另一端的内外套管上的两个拉环上。

进一步的，还包括粘接在固定翼无人机机翼上的滑套组件，滑套组件包括滑套、将滑套和机翼下表面粘接在一起的海绵双面胶、以及楔形填充体。

进一步的，滑套是套在钢丝绳外面的长杆状物体，横截面基本呈现菱形，菱形的上顶点被放大，成为更宽、平整的横截面上表面，并与海绵双面胶粘接在一起，滑套为一个平直的杆状物体，其前端略微上翘。

进一步的，滑套底部的中间段还在开口的基础上，继续被切削至仅剩上半个菱形，截面下部呈喇叭状完全开口。

进一步的，还包括多个用于将套管固定于泥土中或岩石上的的长钉或膨胀螺栓，长钉长度为30-40厘米。

一种野外科研用固定翼无人机轻便式起飞装置的使用方法，包括以上所述的起飞装置，在地面倾斜固定好装置之后，将飞机安放于钢丝绳之上，让两条钢丝绳都被置于滑套之内，之后人员将无人机滑动到钢丝绳较高的一端并手扶以保持其位置，准备起飞时启动无人机及发动机，同时放开无人机，飞机开始沿着钢丝绳的缓坡角度缓缓下滑，起飞操纵人员将发动机推力增加至最大，此时无人机在自身重力、发动机推力的双重作用下很快加速，两个套在钢丝绳上的滑套两端均有较小的向下开口，防止此加速滑行过程中机身振动导致钢丝绳从滑套中脱出，飞机到达起飞速度后起飞操纵人员拉操纵杆使机头仰起，原本套在钢丝绳上面的滑套前段跟随仰起的机身上升而脱离钢丝绳，钢丝绳从滑套前段下侧与钢丝绳等宽的开口脱出，此时滑套后段仍套在钢丝绳上，以保证从滑行状态向飞行状态过渡时的安全性，随后伴随无人机仰起进一步加速并脱离的趋势，滑套的后段也跟随上升，钢丝绳从滑套后段下方开口中脱出，无人机完成起飞的全过程。

进一步的，在机翼安装了滑套之后，将连接固定内外套管的固定螺栓松开并拔出，调节内套管在外套管中的插入深度，使两管的安装孔仍相互对准并且两个拉环之间的距离与两滑套之间的距离最接近，此时重新在两套管的中间重叠部分插好固定螺栓并紧固，使得两套管之间不会松动。

本发明的优点和积极效果：(a)装置体积小、重量轻。(b)适应几乎各种地形、地质条件。(c)可快速安装、拆卸。(d)滑跑行程长、加速和缓、无外力施加。(e)无需设计弹射小车，适应各种固定翼无人机。

附图说明

图1为本发明起飞装置结构示意图。

图2为本发明的侧视图。

图3为本发明起飞装置剖开视图。

图4为本发明滑套在机翼下表面安装侧视示意图。

图5为本发明滑套在机翼下表面安装仰视示意图。

图6为本发明滑套中段横剖开示意图。

图7为本发明滑套端部剖开示意图。

图8为本发明在梯田等山地条件下的起飞方案示意图。

图9为本发明在遇到坚硬岩石条件下利用打孔并放入膨胀螺栓的方法固定套管示意图。

图10为本发明在有树木等地物的平地装置基本使用方案示意图。

图11为本发明在有树木等地物的平地装置基本使用方案俯视示意图。

图中，1方形外套管，2方形内套管，3固定螺栓，4安装孔，5长钉，6拉环，7钢丝绳，8钢丝绳扣，9钢丝绳张紧器，10冗余的钢丝绳，11机翼，12固定翼无人机，13飞机重心和气动中心位置(平直机翼)，14飞机重心和气动中心位置(后掠机翼)，15楔形填充体，16滑套，17海绵双面胶，18副翼，19翼型中轴线。

具体实施方式

参见附图1-附图3，本发明起飞辅助装置主要由两端用于地面固定的部件和中间被拉紧的钢丝绳部件两部分构成。方形外套管1和方形内套管2是地面固定用部件的主体，两个管均为中空的，方形内套管2截面的边长(满外尺寸)略小于方形外套管1的内边长，因此方形内套管2可以在方形外套管1的内部插入或拔出，方形外套管1的上下侧面均有圆形安装孔4，孔上下对位，直径一样、间距一样；方形内套管2也有相同排列、相同直径和间距的安装孔4。在两管相重叠部分的孔中插入一或两个固定螺栓3(包括完全穿过的螺丝及其螺母)并拧紧，使内套管与外套管之间不再能自由滑动。两个套管未重叠的端部各自固定有一个拉环6，两个拉环各有一个钢丝绳7的端头穿过并用市面常见的钢丝绳扣8固定住，使得钢丝绳7与拉环6之间固定住，不能脱开。两根钢丝绳7的另外一端同样用钢丝绳扣8与钢丝绳张紧器9的钩子相接，两个钢丝绳张紧器的另外一端钩子钩在另一端地面固定用部件(另一组内外套管)上的两个拉环6上。第二组套管与上述的第一组套管完全相同(图中所示的两组套管拉环安装角度差90度，但其实并无特殊要求，两种角度均可)。

参见附图4、附图5，该起飞辅助装置还包括粘接在固定翼无人机12机翼11上的滑套组件，滑套组件包括滑套16、将滑套16和机翼11下表面粘接在一起的海绵双面胶17、以及为了把机翼截面形状(即一般称为翼型)中下表面弧线修正成近似直线的楔形填充体15。滑套16是套在钢丝绳7外面的长杆状物体，横截面基本呈现菱形(参见图7)，菱形的上顶点被放大，成为更宽、平整的横截面上表面，并与海绵双面胶17粘接在一起。滑套16上表面、海绵双面胶、楔形填充体15三者的宽度基本相同。虽然滑套16基本为一个平直的杆状物体，但其前端略微上翘。滑套16下部被切开，开口宽度与钢丝绳7的直径相同。此外在滑套16底部的中间段还在开口的基础上，继续被切削至仅剩上半个菱形(参见图6)，截面下部呈喇叭状完全开口。

该起飞辅助装置还包括其他配件，例如足够长度的钢丝绳7及足够数量的钢丝绳扣8，以及包括多个长钉5、多个普通膨胀螺栓。长钉5用于将套管固定于泥土中，因此长度可达30-40厘米；膨胀螺栓为普通型号，仅用于多石地表，可将套管固定于岩石之上(参见附图1、附图10、附图11)。

实施过程：

固定翼无人机机翼内部都有高强度、大直径的复合材料横梁贯穿，以使机翼这一主要提供飞行升力的部件结构强度足够大，在遇到气流时或起飞爬升时能够承受数倍于飞机自身重量的空气压力而不会弯折，本方案就是基于这一特点，通过在机翼下表面适当位置安装滑套，使飞机可以通过机翼11、滑套在两条钢丝绳7上滑行及起飞。因此在实施起飞之前，需要使用者先根据自己固定翼无人机机翼的翼展、结构特点，选择两个机翼上间距较远的对称位置的下表面作为最佳的安装位置，分别安装一个滑套，本方案对两个滑套之间的距离并无严格要求，以不处于翼尖、不影响舵机等机翼部件的安装、操纵动作为宜。一般来说飞机越大、翼展越宽、起飞滑行距离越长，则两滑套的安装间距越大。

滑套在机翼下表面粘接的另外一个原则是要保持滑套与机翼翼型中轴线19(即机翼前缘最前点与机翼后缘最后点的连线、也叫翼弦)基本平行，因此在选择好机翼安装位置之后，一般都要先在翼型剖面下表面的后半部分(靠近后缘)先粘接楔形填充体15，使得原本为弧形的下表面接近直线，再用海绵双面胶将滑套与机翼下表面粘接在一起，海绵双面胶的塑性能够填补两个粘接面之间轻微的不平造成的空间。机翼的升力中心一般在机翼上表面的最高点附近，一般来说大致在机翼整个翼弦长度的前三分之一处附近(接近13所示点)，在工厂设计和生产飞机时已经将飞机的重心与升力中心基本对齐。基于这一原则，在粘接滑套到机翼下表面时，滑套的中心位置要更靠进机翼前缘一些，因为滑套不宜进入机翼后缘副翼18的上下行程中，导致阻碍副翼的动作，而滑套的前端一般来说应该伸出机翼前缘，这样使得重心仍大致位于滑套的中央位置，飞机放在钢丝绳上俯仰仍保持稳定，不会随意旋转。上述“重心一般位于翼弦前三分之一处”是针对平直机翼而言，对于机翼有轻微后掠的固定翼无人机，只要不处于翼根位置，重心比前述的三分之一位置可能更靠近前缘飞机重心和气动中心位置(后掠机翼)14，因此滑套前端将相应的伸出更多一些。

前述两滑套的间距应选择翼展方向上的“适中”位置，也是基于此种考虑而在后掠机翼上安装时不宜过于接近翼尖。此外10-25公斤级的中型科研用固定翼无人机一般机翼翼弦长度为25-35厘米之间，因此滑套长度也基本为35-40厘米左右。

由于楔形填充体15、海绵双面胶、滑套已经有一定高度，所以钢丝绳7和副翼18之间有一定距离，而且在滑行起飞时并非做特技飞行动作，副翼18的行程不大，钢丝绳7不会对副翼18的动作产生阻碍。

在机翼安装了滑套之后，两个滑套之间的距离就确定了，将连接、固定内、外套管的固定螺栓松开并拔出，调节方形内套管2在方形外套管1中的插入深度，使两管的安装孔4仍相互对准并且两个拉环6之间的距离与两滑套之间的距离最接近，此时重新在两套管的中间重叠部分插好固定螺栓3并紧固，使得两套管之间不会松动。按照完全相同的办法调整钢丝绳另一端两套管上拉环的间距。之后在崎岖起伏或者山地的地形中选择适宜的位置固定两组套管。因本方案中若利用无人机自身重力可以使得其在钢丝绳上的滑行加速更快，所以本方案完全可以在山地使用，以我国常见的梯田型或非梯田型的山坡为例(图8)，可以用长钉5穿过套管，将两组套管均固定于山坡上的适宜位置，两组套管之间的距离满足无人机起飞所需的滑行距离即可。连接两组套管的钢丝绳7总长度可能是非常长的，可以通过松开钢丝绳扣8来调节实际连接用绳段的长度，以适应目前固定两组套管后的间距，之后重新拧紧钢丝绳扣8。此时钢丝绳7的张紧度肯定是不够的，还需要旋转钢丝绳张紧器9来进一步拉紧钢丝绳7，使之不容易颤动并能承受无人机的重量。

在多石的山地，难以寻找可插入长钉的土壤情况下，可以用手电钻在巨石上打小孔并放入小型的膨胀螺栓，同样可以替代长钉固定好套管(图9)。在林地较多的地区，还可以将一组套管用冗余的钢丝绳7穿过并用同样的钢丝绳扣8固定于树干上，另一端的套管可以固定于土埂之上(附图10、附图11)。不论哪种固定方式，均应利用最靠近拉环6的那个安装孔4穿过长钉5、膨胀螺栓或树干捆绑用钢丝绳7，这样钢丝绳7的拉力可以直接传递给地物，扭矩比较小，套管不易弯折变形。

在地面固定好装置之后，将飞机安放于钢丝绳7之上，要让两条钢丝绳7都被置于滑套之内，之后人员将无人机滑动到钢丝绳7较高的一端并手扶以保持其位置，准备起飞时启动无人机及发动机，同时放开无人机，飞机开始沿着钢丝绳7的缓坡角度缓缓下滑，起飞操纵人员将发动机推力增加至最大，此时无人机在自身重力、发动机推力的双重作用下很快加速。两个套在钢丝绳上的滑套16两端均有较小的向下开口，防止此加速滑行过程中机身振动导致钢丝绳从滑套16中脱出。飞机到达起飞速度后起飞操纵人员拉操纵杆(升降舵)使机头仰起，原本套在钢丝绳上面的滑套16前段跟随仰起的机身上升而脱离钢丝绳，钢丝绳从滑套16前段下侧与钢丝绳等宽的开口脱出，此时滑套16后段仍套在钢丝绳上，以保证从滑行状态向飞行状态过渡时的安全性。随后伴随无人机仰起进一步加速并脱离的趋势，滑套16的后段也跟随上升，钢丝绳从滑套16后段下方开口中脱出，无人机完成起飞的全过程。

在收回起飞辅助装置时，还可以拔出两套管中间的固定螺栓，将内套管尽可能伸入外套管中，再拧上固定螺栓，这样可以进一步缩短装置运输时的长度。

利用自然环境中的坡地或高差，可以使滑行加速度更高，缩短钢丝绳的长度和对场地的要求，正是因为这一点，使得本方案所需的滑行长度小于正常起飞所需的跑道长度。钢丝绳的安装坡度允许范围很宽，但一般介于15-35度之间，可根据场地条件自行选择。

滑套16的前端微微上翘是因为把无人机放在张紧的钢丝绳上之后，钢丝绳会有略微下坠，轻微上翘的前端刚好符合这一规律，使得高速滑行过程中的阻力更小，滑套16中段的下半部分被切掉也是为了进一步减轻重量、减少摩擦力，并且使得人更容易从下方看到滑套内的钢丝绳，此外还便于人员在滑套内涂抹润滑脂以进一步减小摩擦并延长滑套的使用寿命。滑套16保护了机翼11不被钢丝绳7磨损，但其自身属于损耗品，起飞多次后磨损过于严重的滑套16可以更换。

科研用的固定翼无人机机翼简单，没有像民航客机那样的前缘缝翼，所以滑套16可以比机翼前缘还突出。

本方案同时满足的以下各项要求：

(a)装置体积小、重量轻。由于使用张紧的细钢丝绳替代了粗重的金属弹射架，并且不再需要弹射小车和短距急加速所需的动力源，本装置的重量极轻，一般不超过5公斤。另因主要针对翼展2-3.5米的中型固定翼无人机设计，因此内外套管在使用时候的套管总长度一般不必超过2米，收纳尺寸一般不会超过1.2米，因此小型车辆就可以运输。

(b)适应几乎各种地形、地质条件。在崎岖山地使用固定翼无人机的难度最高，即使携带了传统的弹射起飞架，其过于笨重且需要平坦地面安放的缺点也限制了在山地移动和使用的便捷性，本方案中的装备不仅轻便易于携带，而且化弊端为优势，利用地形高差使得无人机因借自身重力缩短滑行距离，不再需要额外的弹射动力源，在野外山地操作更为方便。选择前后两个略微突出的位置固定两组套管，就使得钢丝绳稍高于地面，从而避免原来地面起飞时螺旋桨尾流卷起的沙尘破坏、污染飞机上的各种零部件。

目前固定翼无人机已经有成熟的空中开伞降落技术，可以在崎岖地形或山地降落，不需要跑道。本方案解决山地起飞难题后，可以实现中型无人机在全地形条件下的便捷操作，有利于野外科研的实施。

(c)可快速安装、拆卸。仅需固定两组套管在地面(或者树干等其他突出地物上)，并旋转钢丝绳张紧器张紧两条钢丝绳就完成了起飞辅助装置的布设，再将飞机通过滑套放置于钢丝绳较高的那一端就完成了起飞准备，所以操作极为简单。

(d)滑跑行程长、加速和缓、无外力施加。本方案中的钢丝绳长度可根据地形坡度、无人机重量、动力任意调整，可长达20-30米以上，和只有4-8米的弹射架相比，无人机可用于滑行的行程更长，加速度更小，尤其是利用自身重力，避免瞬间的强外力施加到机身上，机身结构重量可以大幅度减轻，不仅有利于增加航程，而且反过来也使得单位面积的翼载荷更小，起飞速度低，起飞所需滑行距离进一步缩短。

(e)无需设计弹射小车，适应各种固定翼无人机。一般弹射小车都是与机身相连接，向前弹射时推动机身随小车一同高速弹出，而不同型号的无人机机身尺寸、形状都是不同的，而且执行不同任务的时候，机腹还可能带有不同的信息采集设备，在强力弹射过程中容易被碰坏，所以弹射小车总要根据飞机的型号和携带的机腹设备、任务方案进行专门改造，若想临时换用不同的无人机进行弹射几乎是不可能的。本方案中的钢丝绳间距可调，能适应大小不同的无人机，且完全避开机腹的信息采集器材，也避开机头的发动机或机尾的尾翼，避免飞机与起飞辅助装备之间各种潜在的碰撞，所以综上所述本装置可适用于6-30公斤不同型号的、加速性不同的固定翼无人机，即使要在同一任务中前后起飞不同的无人机，也仅需重新调节内外套管的重叠度，也即调整两根钢丝绳的间距即可，非常方便。