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設(shè)備與工具全文1738字，預計閱讀時間4分鐘
原創(chuàng) | 米軼澤
編輯 | 呂嘉玲
本文主要介紹利用機載網(wǎng)槍進行無人機反制的相關(guān)技術(shù)。之前的文章（微小型無人機，一把雙刃劍）提到：在目前的反無人機方案中，尚缺乏一種高自主化、強通用性、且可靠安全的反制技術(shù)。而利用攜帶網(wǎng)槍的安保無人機進行反制這一方案能很好地填補這方面空白：首先它容錯率高，且足夠安全，即使發(fā)射存在一定的誤差也可以成功抓捕，并且在抓捕過程中不會對周邊環(huán)境造成損害。其次它的適用范圍廣，對目標無人機的形狀尺寸、是否無線電靜默等均無要求，因此能夠針對各類“黑飛”進行有效抓捕。當然，還有一點是它的部署成本低，只需要能夠攜帶網(wǎng)槍的自主無人機系統(tǒng)即可[1]。然而，采用無人機網(wǎng)捕這一技術(shù)面臨著一系列難題，例如：網(wǎng)槍系統(tǒng)在什么條件下發(fā)射才能夠抓捕到目標呢？發(fā)射出去的飛網(wǎng)，又會做怎樣的運動呢？
一、網(wǎng)槍的工作原理
想要回答這兩個問題，就要先從網(wǎng)槍發(fā)射飛網(wǎng)的原理說起。飛網(wǎng)平時儲存于網(wǎng)槍的發(fā)射筒中，發(fā)射時依靠擊發(fā)裝置（火藥、氣瓶）釋放：網(wǎng)槍以固定的初速度和初始角度彈出系在飛網(wǎng)上的質(zhì)量塊，而飛網(wǎng)在質(zhì)量塊的牽拉下被動展開，直到其最大面積。圖 1 是 University at Buffalo 研制的網(wǎng)槍系統(tǒng)[2]，他 們在 Vicon 環(huán)境下研究了飛網(wǎng)在發(fā)射過程中的運動情況，并得到了各個節(jié)點的運動數(shù)據(jù)。
圖 1 網(wǎng)槍發(fā)射飛網(wǎng)的動態(tài)過程[2]
一些研究者發(fā)現(xiàn)飛網(wǎng)的這種運動過程，可以建模成一種集中質(zhì)量-半阻尼彈簧模型 [1], [3]。圖 2 是一種飛網(wǎng)建模的示意圖[4]。這種模型針對網(wǎng)中繩索可拉長但不可壓縮的物理特性，主要模擬繩索的軸向拉伸變化[5]。通過這種模型我們可以計算飛網(wǎng)中各節(jié)點單元所受的內(nèi)力大小。在進一步考慮重力和空氣阻力等對飛網(wǎng)的影響之后就可以通過牛頓運動定律得到飛網(wǎng)各節(jié)點的運動狀態(tài)。對其數(shù)學推導過程感興趣的讀者可閱讀文獻[3], [6]。
圖 2 將飛網(wǎng)建模成集中質(zhì)量-半阻尼彈簧模型[4]
二、 發(fā)射效果模擬及分析
下面的 2 個 GIF 分別是針對我們實驗室的網(wǎng)槍系統(tǒng)獲得的飛網(wǎng)仿真以及實際實驗發(fā)射飛網(wǎng)的效果。
圖 3 飛網(wǎng)仿真效果
視頻1 實際實驗效果
從視頻1可以明顯看到，飛網(wǎng)在發(fā)射之后，網(wǎng)口先逐漸擴大，后逐漸收縮。并在空氣阻力作用下飛網(wǎng)沿發(fā)射方向的速度逐漸減小，因此，有這樣 2 個指標可以用來描述飛網(wǎng)的展開特性[6]：1. 展開面積（deployment area）：展開面積指的是相鄰的質(zhì)量塊依次連接形成的多邊形面積。飛網(wǎng)的展開面積隨時間的變化示意圖如圖 5 所示：其中表示的是最大展開面積，以及所需飛行時間。當飛網(wǎng)展開面積不小于時，就認為能夠?qū)崿F(xiàn)對目標的抓捕，此時對應的時間范圍是。
圖 5 展開面積的示意圖[6]
2. 飛行距離（flight distance）：根據(jù)圖 5 中得到的三個時間可以分別計算出相應的飛網(wǎng)運動距離，如圖 6所示。被認為是飛網(wǎng)的有效作用距離。
圖 6 飛行距離的示意圖[6]
利用上述兩項指標就可以描述飛網(wǎng)運動的特點，并以此為安保無人機的運動策略提供指導。
三：從航空到航天，飛網(wǎng)潛力無限
飛網(wǎng)除了用于反無人機之外，還可以給太空軌道做垃圾清除。在今年 1 月份，我國的“實踐-21 號”衛(wèi)星就利用飛網(wǎng)成功清理了一顆失效的北斗導航衛(wèi)星，引發(fā)了國際航天界的高度關(guān)注。據(jù)推測[7]，在這次任務中，“實踐-21 號”衛(wèi)星先運動到地球同步軌道并靠近失效衛(wèi)星，再釋放出了一張“大網(wǎng)”，包裹住失效衛(wèi)星， 之后將目標拖到“墳墓”軌道，并釋放，最后“實踐-21 號”衛(wèi)星返回自己的運行軌道。
圖 7 實踐-21 號”衛(wèi)星清理太空空間碎片模擬圖。
圖源：GJ
除了我國之外，還有不少國家和地區(qū)也在積極推進相關(guān)技術(shù)的研究。歐空局（European Space Agency，ESA）啟動了e.deorbit 項目以進行空間碎片清除技術(shù)的研究。該項目中的柔性繩網(wǎng)方案就是利用飛網(wǎng)來實現(xiàn)對空間碎片的柔性抓捕。目前該項目已經(jīng)研制出了繩網(wǎng)捕獲的原型機并完成了拋物線飛行試驗，在微重力環(huán)境下測試了飛網(wǎng)發(fā)射系統(tǒng)[8]：
圖8 拋物線飛行實驗中測試飛網(wǎng)系統(tǒng)[8]
相比于e.deorbit，另一個歐洲當局資助的研究項目（RemoveDEBRIS）已于2018年9月成功完成了在軌繩網(wǎng)抓捕實驗[9]：衛(wèi)星釋放了用于模擬太空碎片的立方體DSAT#1，并隨后發(fā)射了飛網(wǎng)完成了對目標立方體的捕獲，見圖9：
圖9 由6個質(zhì)量塊牽拉的飛網(wǎng)展開過程[9]
上述的這些實例反映出飛網(wǎng)抓捕有著很大的應用潛力，它所具備高容錯、低要求和低成本的特點，能夠應用于各種各樣的無人機反制場景；此外在軌道垃圾清除方面飛網(wǎng)抓捕技術(shù)也占據(jù)優(yōu)勢，受到了世界各國的青睞。當然，隨著飛網(wǎng)的應用范圍越來越廣，也涌現(xiàn)出越來越多亟待解決的科學問題。一起期待這項技術(shù)的進一步開發(fā)和完善吧！
參考文獻：
[1]陳青全, “柔性繩網(wǎng)動力學與應用,” 博士, 國防科技大學, 2019.
[2]D. Yu, A. Judasz, M. Zheng, and E. M. Botta, “Design and Testing of a Net-Launch Device for Drone Capture,” presented at the AIAA SCITECH 2022 Forum, San Diego, CA & Virtual, Jan. 2022.
[3]E. M. Botta, “Deployment and Capture Dynamics of Tether-Nets for Active Space Debris Removal,” p. 192.
[4]張青斌, 孫國鵬, 豐志偉, 祁玉峰, 劉永健, and 高慶玉, “柔性繩網(wǎng)動力學建模與天地差異性分析,” 宇航學報, vol. 35, no. 08, pp. 871–877, 2014.
[5]高慶玉, “空間繩網(wǎng)系統(tǒng)展開動力學與優(yōu)化設(shè)計,” 博士, 國防科技大學, 2017.
[6]L. Yang, Q. Zhang, M. Zhen, and H. Liu, Dynamics and Design of Space Nets for Orbital Capture. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2017. doi: 10.1007/978-3-662-54064-0.
[7]“新民環(huán)球 | ‘實踐-21號’衛(wèi)星為何讓西方緊張？-手機新民網(wǎng).” https://wap.xinmin.cn/content/32115601.html.
[8]W. Go??biowski, R. Michalczyk, M. Dyrek, U. Battista, and K. Wormnes, “Validated simulator for space debris removal with nets and other flexible tethers applications,” Acta Astronautica, vol. 129, pp. 229–240, Dec. 2016.
[9]G. S. Aglietti et al., “The active space debris removal mission RemoveDebris. Part 2: In orbit operations,” Acta Astronautica, vol. 168, pp. 310–322, Mar. 2020.
-END-
本文由西湖大學智能無人系統(tǒng)實驗室博士生米軼澤原創(chuàng)，申請文章授權(quán)請聯(lián)系后臺相關(guān)運營人員。
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