一种水上牵引式超视距探测与通信系统及使用方法与流程

1.本发明属于超视距探测技术领域，特别是一种水上牵引式超视距探测与通信 系统及使用方法。


背景技术：

2.受地球曲率和安装高度的制约，传统舰船雷达、光电跟踪传感器对海面航行 目标的最大探测距离被限制在30公里以内，对小型舰船及贴近海面运动目标的 最大探测距离甚至不足20公里。此外，视距的限制极大压缩了水面舰船发现掠 海来袭目标的告警时长，组织有效防御的难度陡增。基于同样的制约条件，在没 有卫星和其他手段通信中继的情况下，水上舰船间的通信亦被限制在其视距范围 内。为突破视距限制，国际上目前主要采取的方式是提高探测器或通信载荷的安 装高度，将雷达或光电跟踪传感器安装在有人/无人飞机、系留无人机或浮空艇 上。浮空艇载超视距探测系统优点是滞空时间长、载荷最大可到数吨，依靠系留 缆绳供电，使用成本极低，仅为飞机平台的5％，但要实现大吨位的承载能力， 浮空艇长度要达到数十米，体积高达上万立方米，庞大的体积造成巨大风阻系数， 加之柔性气囊及艇翼的刚度差，在大风天气难以稳定操控；此外，此类系统地面 站维护操作复杂、机动性较差，依靠系留缆绳从地面供电的方式受缆绳重量约束 和压降等影响，供电能力较为有限，制约了其推广应用。有人/无人飞机搭载雷 达、光电传感器进行超视距探测与通信的优势是机动灵活，同时续航时间、供电 等也能通过飞机设计得到一定程度的解决，但制造成本和运行维护成本高昂，国 外长航时大载荷无人机造价往往高达数千万美元，每小时的飞行燃料费用达到数 万美元；此外，由于必须在陆上或航母平台上起降、维护，此类有人/无人机载 超视距探测与通信系统难以为常规舰船提供随队不间断信息支持服务，更无法实 现连续数天以上长时间滞空。系留无人机载超视距探测与通信系统目前多采用系 留缆供电多旋翼无人机，具备垂直起降能力，虽解决了随队不间断信息支持的问 题，但此类电动多旋翼无人机的承载能力极为有限，对超视距探测与通信能力提 升幅度有限，应用性价比不高。另外，现有技术虽公开过牵引自转旋翼机的方案， 但是并不解决水上无自主动力起降、无动力自主大功率供电、随队不间断滞空、 大承载能力、超视距探测与通信等技术问题。因此，在广域覆盖、强实时性要求 应用场景下，价格低廉、使用维护便捷且性能优异的超视距探测与通信系统仍是 各国研究攻关的重点。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有方案的不足，提供一种水上牵引式超视距探测与 通信系统及使用方法，解决水上超视距探测与通信能力不足的问题。
4.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种水上牵引式超视距探测 与通信系统，其特征在于，利用水面舰船搭载卷扬机，以复合缆绳牵引装载有风 力发电机、光学探测与通信载荷、微波探测与通信载荷的水上自转旋翼机升空进 行超视距探测与通信，执行水面系泊和水面航行任务，起飞任务，滞空任务，以 及降落任务，所述水上自转旋翼机的
机身采用船身式结构，在所述机身上无专用 的发动机和驱动动力装置，所述水上自转旋翼机的机翼为上单翼结构，每侧机翼 下方对称各安装有辅助浮筒，每侧机翼顶端均安装有一部风力发电机，在所述水 上自转旋翼机的机身的上方安装有自转旋翼，机身尾部配置有方向舵和升降舵， 所述卷扬机安装在所述水面舰船尾部，并通过所述复合缆绳连接所述水上自转旋 翼机的机身头部。
5.进一步地，所述风力发电机连接螺旋桨，能够工作在风力发电或电驱动状态， 分别用于产生电能或产生辅助推力。
6.进一步地，所述风力发电机在风力发电状态下，能够绕其在机翼上的安装面 旋转，调整螺旋桨与气流方向的夹角，使螺旋桨受到的风驱动力最大。
7.进一步地，所述旋翼具备折叠和展开两种状态，在执行飞行任务时处于展开 状态，在水面系泊和水面航行时处于折叠状态。
8.进一步地，所述辅助浮筒为产生浮力的船形结构，底部高于机身底部，在平 静水面停泊时，辅助浮筒不与水面接触，当水面风浪较大或水面起降阶段，机身 剧烈左右摇摆，辅助浮筒接触水面而产生向上浮力避免水上自转旋翼机倾覆及机 上设备浸水。
9.进一步地，所述机身内配备有蓄电池及供配电模块，用于存储由风力发电机 输送的电能，并向用电设备输出所需品质和功率要求的电能。
10.进一步地，所述机身内配备自动驾驶系统，根据水上自转旋翼机运动姿态和 舰船的指令，控制方向舵、升降舵转动，调整水上自转旋翼机水平方向、俯仰方 向及滚转方向运动姿态。
11.进一步地，所述机身能够自主断开与复合缆绳的物理连接。
12.进一步地，所述风力发电机可在水面系泊、水面航行及空中飞行阶段依靠风 力、舰船牵引形成的气流驱动产生电能为机上设备供电。
13.进一步地，所述水上自转旋翼机可由舰船牵引起飞及在空中长时间滞空，亦 可在升空后，舰船锚泊停止航行状态依靠风力实现长时间滞空。
14.本发明的另一目的在于提供一种水上牵引式超视距探测与通信系统使用方 法，其特征在于，包括：
15.首先，提供一水面舰船搭载卷扬机与水上自转旋翼机，所述水上自转旋翼机 的机身采用船身式结构，在所述机身上无专用的发动机和驱动动力系统，所述水 上自转旋翼机的机翼为上单翼结构，每侧机翼下方对称各安装有辅助浮筒，每侧 机翼顶端均安装有一部风力发电机，在所述水上自转旋翼机的机身的上方安装有 自转旋翼，机身尾部配置有方向舵和升降舵，所述卷扬机安装在所述水面舰船尾 部，并通过所述复合缆绳连接所述水上自转旋翼机的机身头部；
16.然后，以复合缆绳牵引装载有风力发电机、光学探测与通信载荷、微波探测 与通信载荷的水上自转旋翼机升空进行超视距探测与通信，执行水面系泊和水面 航行任务，起飞任务，滞空任务，和降落任务，风力发电机全程为水上自转旋翼 机上设备提供电源，所述光学探测与通信载荷、微波探测与通信载荷利用自身所 处的高度优势，实现超视距对海探测及通信。
17.本发明实现了以下显著的有益效果：
18.实现简单，本发明利用舰船搭载卷扬机，以复合缆绳牵引装载有风力发电机、 光
学探测与通信载荷、微波探测与通信载荷的水上自转旋翼机，完全依靠风能或 部分依靠舰船的牵引使水上自转旋翼机长时间滞空，依靠风力、舰船牵引形成的 气流驱动风力发电机产生电能解决大功率自供电问题，且水上自转旋翼机在低速 飞行状态下仍具有较大的承载能力，大幅提升了探测传感器和通信设备安装高 度、能源供给、任务载荷质量，突破了传统舰船视距极限，提升了超视距探测与 通信能力。与已知有人、无人飞机、浮空艇搭载探测与通信载荷升空方案相比， 本系统的水上自转旋翼机无专用的推进发动机，实现简单、价格低廉；运行时无 燃料消耗或仅需舰船正常航行牵引，节能环保、使用费用低；依靠风能自供电、 能够适应低速大任务载荷应用环境、作用距离远；能够不间断滞空执行任务，且 抗风能力强，操控性能好，起降便捷。实现造价和使用成本低、维护操作简单、 承载能力强、可执行随队超视距信息支持服务。
附图说明
19.图1是本发明组成示意图；
20.图2是本发明水上自转旋翼机及机上设备前视图；
21.图3是本发明水上自转旋翼机俯视图；
22.图4是本发明水上自转旋翼机侧视图；
23.图5是本发明水上自转旋翼机旋翼折叠状态俯视图。
24.附图标记示意
25.1—水上自转旋翼机11—机身12—旋翼13—方向舵14—升降舵
26.15—机翼16—辅助浮筒17—风力发电机2—光学探测与通信载荷
27.3—微波探测与通信载荷4—复合缆绳5—卷扬机
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。在此需要说明的是， 对于实施方式的说明仅用于帮助理解本发明，但不构成对本发明的限定。此外， 下面所描述的本发明实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此间未构成冲突就 可以相互结合，其他任何未背离本发明技术方案所做的增减、集成、改变或其他 等效的置换方式，都包含在本发明专利的保护范围内。
29.请参照图1至图5，本发明的一种水上牵引式超视距探测与通信系统，包括： 水上自转旋翼机、光学探测与通信载荷、雷达探测与通信载荷、复合缆绳、卷扬 机，水上自转旋翼机上包括机身、旋翼、方向舵、升降舵、机翼、辅助浮筒、风 力发电机。卷扬机安装在水面舰船尾部，并通过复合缆绳连接水上自转旋翼机的 机身头部。水上自转旋翼机的机身采用船身式结构，可漂浮在水面上；机翼为上 单翼结构，每侧机翼下方对称各安装有辅助浮筒，每侧机翼顶端均安装有一部风 力发电机，机身的上方安装有自转旋翼，机身尾部配置有方向舵和升降舵。光学 探测与通信载荷、雷达探测与通信载荷根据在空中探测、通信视场、视角要求， 选择性安装在机身及机翼上。
30.在本技术的一种实施例中，具体地，如图1所示，本发明的一种水上牵引式 超视距探测与通信系统的实例，包括：水上自转旋翼机1、光学探测与通信载荷 2、雷达探测与通信载荷3、复合缆绳4、卷扬机5，水上自转旋翼机1上包括机 身11、旋翼12、方向舵13、升降舵
14、机翼15、辅助浮筒16、风力发电机17。 卷扬机5安装在水面舰船尾部，并通过复合缆绳4连接机身11头部。机身11采 用船身式结构，可漂浮在水面上，机翼15为上单翼结构，每侧机翼15下方对称 各安装有辅助浮筒16，每侧机翼15顶端均安装有一部风力发电机17，机身11 的上方安装有可转动的旋翼12，机身11尾部配置两个垂直方向舵13，机身11 尾部对称配置两个升降舵14，光学探测与通信载荷2对称安装在两个机翼15下 方，雷达探测与通信载荷3以相控阵赋形形式安装在机身11两侧。
31.在本技术的一种实施例中，具体地，所述的复合缆绳4由通信光缆或电缆、 承力金属或复合材料缆绳组成，可在承受牵引力的同时用于水上自转旋翼机1 与舰船间的信息传输。
32.在本技术的一种实施例中，具体地，所述的机身11内配备有蓄电池及供配 电模块，可用于存储由风力发电机17输送的电能，并向用电设备输出所需品质 和功率要求的电能。
33.在本技术的一种实施例中，具体地，所述的风力发电机17由发电机和螺旋 桨组成，能够工作在风力发电或电驱动状态，当水上自转旋翼机1在水面系泊、 舰船牵引水面航行或舰船牵引空中飞行阶段时，风力发电机17工作在风力发电 状态，为水上自转旋翼机1上的蓄电池及其他用电设备提供电能；当水上自转旋 翼机1被舰船牵引起飞阶段或紧急情况自主降落阶段，风力发电机17可切换至 电驱动状态，由蓄电池供电，驱动螺旋桨形成辅助水上自转旋翼机1飞行的驱动 力。
34.在本技术的一种实施例中，具体地，所述的风力发电机17可绕其与机翼15 安装面进行旋转，以调节风力发电机17上的螺旋桨与气流的夹角，使螺旋桨受 到的风驱动力最大，获得尽可能大的输出电能。
35.在本技术的一种实施例中，具体地，所述的机身11内配备自动驾驶系统， 可根据水上自转旋翼机1运动姿态和舰船的指令，控制方向舵13、升降舵14转 动，方向舵13左、右偏转可控制机身11分别向左、右偏航，两个升降舵14同 时上下转动可控制机身11分别抬头、低头，当两个升降舵14一上一下或一下一 上差动转动，可控制机身11沿前进方向顺时针或逆时针滚转。
36.在本技术的一种实施例中，具体地，所述的机身11能够自主断开与复合缆 绳4的物理连接。
37.在本技术的一种实施例中，具体地，所述的卷扬机5能够按指令形成足够的 力矩收放和锁紧复合缆绳4。
38.在本技术的一种实施例中，具体地，所述光学探测与通信载荷2为能够实施 可见光、红外成像、激光测距与激光通信的设备。
39.在本技术的一种实施例中，具体地，所述微波探测与通信载荷3为能够实施 无线电探测和无线电通信的设备。
40.在本技术的一种实施例中，具体地，所述的旋翼12具备折叠和展开两种状 态，在执行飞行任务时处于展开状态，在水面系泊和水面航行时处于折叠状态。
41.在本技术的一种实施例中，具体地，如图2所示，所述的辅助浮筒16为可 产生浮力的船形结构，底部高于机身11底部，水上自转旋翼机1在平静水面停 泊时，辅助浮筒16不与水面接触，当水面风浪较大或水上自转旋翼机1在水面 起降阶段，机身11剧烈左右摇摆，辅
助浮筒16接触水面而产生向上浮力，避免 机翼15及安装在机翼上的设备被水浸泡。
42.本技术实施例还提供了一种水上牵引式超视距探测与通信系统使用方法，需 要说明的是，本技术实施例的水上牵引式超视距探测与通信系统可以用于执行本 申请实施例所提供的水上牵引式超视距探测与通信方法。以下对本技术实施例提 供的水上牵引式超视距探测与通信系统使用方法进行介绍。
43.作为具体的实施例，本发明的一种水上牵引式超视距探测与通信系统使用方 法，包括：
44.第一阶段，本发明水面系泊和水面航行阶段，旋翼12处于如图5所示的折 叠状态，卷扬机5锁紧复合缆绳，使水上自转旋翼机1停泊在水上或牵引其跟随 舰船航行。水面自然风或跟随舰船航行形成的相对气流带动风力发电机17的螺 旋桨旋转，驱动风力发电机17产生电能向机身11内蓄电池充电并向其他用电设 备供电，自动驾驶系统根据机身11姿态及舰船从复合缆绳4传递的舰船航向信 息，调整方向舵13和升降舵14，使水上自转旋翼机1在水面保持稳定、航行方 向与舰船保持一致。
45.第二阶段，本发明起飞阶段，旋翼12处于如图3所示的展开状态，卷扬机 5锁紧复合缆绳4，舰船高速航行牵引水上自转旋翼机1在水面滑行，相对运动 气流驱动旋翼12高速旋转产生向上的升力，与相对运动气流在机翼15上产生的 升力一并作用，使水上自转旋翼机1飞离水面升空，在此过程中，自动驾驶系统 控制方向舵13、升降舵14偏转，以保证水上自转旋翼机1的航向、飞行稳定及 爬升所需的攻角；为加快升空速度，风力发电机17在此阶段可切换至电动机状 态，由蓄电池供电驱动螺旋桨产生推力，提升水上自转旋翼机1滑行起飞阶段速 度；随着水上自转旋翼机1飞行高度升高，卷扬机5缓慢释放复合缆绳4，直至 水上自转旋翼机1升至设定的高度，卷扬机5再次锁紧复合缆绳4；当高空的风 力驱动旋翼12高速旋转产生向上的升力，与相对运动气流在机翼15上产生的升 力一并作用足以平衡水上自转旋翼机1的重力和复合缆绳4向下的拉力，使水上 自转旋翼机1在空中悬停时，舰船可锚泊停止航行，依靠风力实现水上自转旋翼 机1长时间滞空；亦可按既定航线，舰船牵引水上自转旋翼机1进行空中巡航。
46.第三阶段，本发明滞空工作阶段，水上自转旋翼机1在空中悬停或在舰船牵 引下进行空中巡航，自动驾驶系统控制方向舵13、升降舵14偏转，以保证水上 自转旋翼机1的航向、飞行稳定，同时风力发电机17绕安装面旋转，使其螺旋 桨受到的风驱动力最大，风力带动螺旋桨高速旋转，驱动风力发动机17产生电 能为机身11上的蓄电池、自动驾驶系统以及光学探测与通信载荷2、微波探测 与通信载荷3等设备供电；光学探测与通信载荷2、微波探测与通信载荷3利用 自身所处的高度优势，实现超视距对海探测及通信。
47.第四阶段，本发明降落阶段，自动驾驶系统控制升降舵14下偏，使机身11 产生负攻角，逐步降低高度，卷扬机5逐步卷起复合缆绳4，直至降至海面，卷 扬机5锁紧复合缆绳4，旋翼12折叠；紧急情况下，水上自转旋翼机1可分离 复合缆绳4，依靠滑翔及工作在电驱动状态的风力发动机17驱动自主在水面上 着陆。
48.本发明实现了以下显著的有益效果：
49.实现简单，本发明利用舰船搭载卷扬机，以复合缆绳牵引装载有风力发电机、 光学探测与通信载荷、微波探测与通信载荷的水上自转旋翼机，完全依靠风能或 部分依靠舰船的牵引使水上自转旋翼机长时间滞空，依靠风力、舰船牵引形成的 气流驱动风力发电机
产生电能解决大功率自供电问题，且水上自转旋翼机在低速 飞行状态下仍具有较大的承载能力，大幅提升了探测传感器和通信设备安装高 度、能源供给、任务载荷质量，突破了传统舰船视距极限，提升了超视距探测与 通信能力。与已知有人、无人飞机、浮空艇搭载探测与通信载荷升空方案相比， 本系统的水上自转旋翼机无专用的推进发动机，实现简单、价格低廉；运行时无 燃料消耗或仅需舰船正常航行牵引，节能环保、使用费用低；依靠风能自供电、 能够适应低速大任务载荷应用环境、作用距离远；能够不间断滞空执行任务，且 抗风能力强，操控性能好，起降便捷。实现造价和使用成本低、维护操作简单、 承载能力强、可执行随队超视距信息支持服务。
50.根据本发明技术方案和构思，还可以有其他任何合适的改动。对于本领域普 通技术人员来说，所有这些替换、调整和改进都应属于本发明所附权利要求的保 护范围。