CN103968714A - 一种悬空防御弹装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种被动式战略防空武器——悬空防御弹的设计及关键技术，该装置为一种空中悬浮的小型可组网类武器系统，由悬空防御弹母体、八旋翼结构、动力系统、监控站等部分组成。以蓄电池供能为主、太阳能供能为辅，基于电磁吸附与旋翼推送，对快速移动的目标进行跟踪、吸附，经敌我分辨后利用所携载的战斗部进行告警、定向爆破、电力、红外干扰，使其丧失飞行、攻击能力。悬空防御弹是一种长时间在空中悬浮并能保持空间坐标不变的硬屏障式防空武器，可以解决现代武器在时间和空间上的局限性，无须顾忌空袭的突然性。可以有效对付超低空飞行的威胁目标，防御敌机、导弹、伞降部队以及隐形目标的攻击，能很好地对领空、航空母舰、重要军事工事等进行有效的被动式防护。

Description

一种悬空防御弹装置

技术领域

本发明涉及国防被动式防御作战领域，具体地，涉及一种屏障式被动战略防空武器——悬空防御弹的设计及关键技术。

背景技术

目前，自科索沃战争、伊拉克战争后，制空权的重要性日益凸显。随着高技术、高分子材料的发展，世界各国航天军备竞争日益激烈，争先发展先进战机、高速巡航导弹，优先发展空军争夺制空权，进而争夺战争的主动权。我军武器装备与发达国家仍存在一定差距，应提高防敌从空中突防的硬打击实力，保护领空，严防敌人的突然袭击。

(1)现有防空武器的基本问题

目前国际防空武器从机理上可分为：以攻为守式的截击武器，将来袭的目标击毁于飞行途中，以此来达到防御的目的；一类是屏障类被动防空武器，通过在被防卫目标的前沿设置一道屏障，采用“以逸待劳”的机理，来阻拦空袭武器的进攻。

随着导弹速度、机动性的大幅度提高，以高炮为代表的截击武器，愈发显得不能满足现代战争的需求。而且多数电子雷达设备在勘探敌情时存在误差，时常发生敌方已侵犯领土主权但仍没侦测到的情况。目前导弹采用超音速飞行，隐身技术也日新月异，饱和攻击战术也显著改善了突防能力。由于人员反应时间长、武器装备灵敏度不高，人与武器不协调等问题导致战机稍纵即逝，甚至影响战役进程。通过提高反导系统的射击精度、发射率来缩短反应时间，固然可以在一定程度提高它的防空反导能力。但是这些指标在技术上提高是有限度的。从长远来看，防空系统应用大系统的思想和分层次拦截的防御体系，但仅靠截击式武器难以完成任务，仍达不到万无一失的效果。

(2)“屏障式”被动防空武器的发展

屏障式防空武器是指在所防御目标的局部空域建立一道防御空袭武器进入的屏障。这样的屏障可以是把所防御的目标特征辐射隐蔽起来，以免遭对方空袭武器探测和捕获的“软屏障”，也可以是直接阻拦对方空袭武器进入的“硬屏障”。

“被动式”防御武器，通过雷达和控制系统，预设在敌方飞机或导弹的来袭方向或必经航线上，等待来袭目标侵入防御区域时，控制系统通过爆炸破片等方式毁灭来袭目标或使其偏航降低其毁伤性。

屏障式防空武器最大特点是不以目标能否被发现为前提，这一点对于今后对付隐身空袭武器奠定了基础；另一个重要特点是它的长效性，无须顾忌空袭的突然性，为此防空武器、警戒系统不必时刻处于戒备的高度紧张之中。它是一种新型防空武器，不仅可以弥补现有防空武器的不足，而且具有成本低、使用灵活的优点。它与“主动式”防空系统结合使用，层层设防、由远及近，能弥补现有防空武器的不足，能在较大范围防御区域内大大提升军队防空作战能力。

(3)空中悬停技术的发展

悬空防御弹涉及空中悬停技术。目前常用的悬浮装置主要有浮力气球、喷气反推装置以及螺旋桨。

①浮力气球

目前，成熟的屏障式防空武器主要是利用浮力气球或系缆飘空雷技术与弹载悬浮技术(降落伞式)，例如悬浮侦查照明弹将浮力气球与武器有效结合，这种悬浮武器通过母弹发射升空，在指定区域开仓，使用降落伞降速减旋，减缓下降速度，提供滞空时间，从而实现照明和侦察的目任务。但浮力气球或者降落伞目前存在如下问题：

·浮力气球(降落伞)体积过大，极易被敌机雷达侦测到，而且由于体积的限制机动性差，一旦浮力气球(降落伞)遭遇袭击则该武器作战性能会完全丧失；

·浮力气球(降落伞)受高空气流的影响较大，一旦气候发生变化会严重影响作战性能，甚至使得战斗部丧失作战性能。

·系缆式浮力气球由于缆绳的重量，会给武器带来重量上的负担，这导致系缆式浮力气球不利于在防御空间布阵防御；

·非系缆式浮力气球利用密度较小的气体为武器创造大浮力环境，但不利于武器的机动性，极易受空气流的影响。

②喷气反推装置

喷气反推装置的作用原理和人造卫星运动姿态控制类似，通过高压气体存储装置向下喷射高速流体，高压气体通过电磁阀、喷嘴排出从而获得向上的反作用力。虽然利用喷气反推力提供升力是结构最简单的方法，但是分期反推装置需要专门的姿态控制。而且在小型悬浮武器上利用高压气体喷射时姿态控制难度较大，造价高。

③螺旋桨

四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的位置和姿态。它是一种具有四个螺旋桨的飞行器且呈十字形交叉结构。对角线上的旋翼逆时针旋转的同时，另外两电机顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，空气动力扭矩效应和陀螺效应均被抵消。但是四旋翼飞行器在空间共有6个自由度，这6个自由度的控制需要调节不同电机的转速，来实现垂直升降、俯仰、翻转等运动。

四旋翼结构目前也存在一些技术制约因素：

·由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，会导致其动力不稳定，所以需要一种能够长期稳定的控制方法。

·四旋翼结构必须同时协调控制四个旋翼的状态参数，这对驾驶操纵来说是一件非常困难的事。

(4)动力技术

目前常用动力源装置主要有：涡轮喷气发动机、电机。

微型涡轮喷气发动机是一种经高压冲气机水平喷气提供水平飞行动力的微型涡轮发动机。

微型涡轮喷气发动机尺寸小、转速高，加工设计制造困难，燃烧时间短。涡轮喷气发动机的涡轮高速旋转起来后，扭力通过挤压空气变成升力以此产生巨大的攀升力。若将涡轮喷气飞行器与普通飞行器进行比较的话，整个武器都可以作为机翼。微涡轮喷气发动机具有精度高、制造难度大、结构复杂的特点。

电机易于制造、结构简单、易微型化，一般用于微型飞行器上。其中有刷电机功率小，效率低，控制系统简单；无刷电机虽然功率大，寿命长，效率高，但是控制电路复杂。

(5)能源技术

悬空防御弹作为一种微型飞行器，它的悬浮对微动力源的要求是能量密度高、体积小、重量轻、总能量大，以保证武器的悬浮和续航时间。

多数空中运载器，为了在战略侦察和情报收集方面更好的发挥高空长航时的优势，其飞行高度不断提升、飞行时间也越来越长。同时由于能源装置带来的负载应当减轻。目前主要的能源有：电池能源、矿物质能源和太阳能。微型飞行运载器上常用的电源有蓄电池、燃料电池等，为满足高空长航时的需求，在常规动力系统潜力有限的情况下，采用普通的电池不能满足空中运载平台长时间高空飞行要求。

发明内容

本装置仿效水雷、地雷的概念，利用蓄电池供能为主、太阳能供能为辅，根据流体力学、吸附性原理，研制和发展能在高空中悬浮，对进入防御区域的飞行目标进行吸附爆破或者电力、红外干扰使其丧失飞行、攻击能力的“被动式屏障防空武器——悬空防御弹”，其飞行时示意情况如图1所示。“悬空防御弹”携载战斗部，起飞后，既可实现自主飞行、悬停，通过红外感应、多飞行侦察器资源共享(武器资源侦察共享平台)或者地面自动指挥侦察系统发现目标后发出指令、跟踪目标，并完成各项侦察、告警、爆破任务。

悬空防御弹的研制可以解决现有防空武器在时间和空间上的局限性，它依靠自身产生的持久悬浮力来携带有效载荷和必要的控制设备，稳定在空中所设定的空间坐标点上。依靠这样在空间、时间上都相对稳定的屏障阵，将可以有效地防御敌机、导弹、伞降部队的偷袭，可以很好地对于领空、航空母舰、重要军事工事进行被动式防护。若能形成悬空防御弹攻击网(可在某一领域固定放置悬空防御弹阵地)，对来方战机或导弹在不知不觉中进行吸附，爆破，对敌方先行战机、或制空导弹进行毁灭性打击、打击敌方士气，给予敌人惨痛的打击，降低敌方战斗力，缩短敌人的作战半径。

悬空防御弹的基本构成主要有以下几个主体部分：悬空防御弹母体、旋翼、动力系统、监控站。悬空防御弹运载器母体包括弹载仪器设备和战斗载荷；旋翼(包括赤道端四个旋翼)用于产生悬浮和修正坐标运动的空气动力；动力系统为运载器悬浮和坐标修正运动、控制系统和执行机构提供动力源，由动力装置、发电机组和蓄电池组、太阳能供电组构成；监控站用于设定运载器的坐标位置。适当结合监控站计算机算出运载器修正的运动参数，由发射装置通过电磁信号向飞行器发送控制信号。

其基本性能如下：

·悬空防御弹最明显的特点是不以目标能否被发现为前提且具有明显的长效性。如此一来便不必顾忌空袭的突然性，可以适当的减轻防空武器系统的负担；同时可以很好地对付隐身空袭武器。

·悬空防御弹在空中实现稳定悬浮。设定坐标数据后，在北斗导航系统的控制下升空，能它在各种干扰力的作用下利用陀螺仪等装置对位置坐标实现持续修正，稳定在预定战斗坐标上。如果平台是航空母舰、水面舰船艇，则它可以与舰船艇保持同步移动和相对位置不变。

·悬空防御弹具有自主迎击能力。当发现来袭的战机、导弹可能超出悬空防御弹本身作用半径时，它将自动迎上去、吸附、爆炸出小型碎弹来袭击目标。

·为便于飞行、悬浮，减少能源消耗，将悬空防御弹的外壳做成光滑的圆弧状(蛋形)。如此可以最大限度地减少空气的摩擦，而内部设计也将力求减少机械磨损，以利于延长悬空时间。悬空防御弹整体内外部构造简单轮廓如图2所示。

·悬空防御弹是可回收的。未遭毁损的悬空防御弹在能源消耗完后可予以回收，补充能源后能够重新升空执行任务。

悬空防御弹的不同攻击方式可以应用到海、陆、空的实际战场背景，其作战效能如下：

·陆军战场上，目前空降兵出其不意的突袭对于一场战争的胜负往往起到关键性作用。空降兵的作战空间范围大，隐蔽性强，能超越地理障碍，遂行机动作战任务，通常人员、武器装备的空降主要配合正面部队对于敌人后方重要军事目标进行突袭，夺取战略要地。利用火炮对空中运输机进行攻击或许会对空降兵进行少量的打击，但是对于空投后的大规模士兵，目前武器却无能为力，只能看着敌军的降落，为此，即使阵地的防控体系再完善健全目前也没有对空降兵实施有效火力攻击的武器。悬空防御弹可以通过及时的部署，实施有效的“被动式”防御。重要的战略目标(重大民生工程如三峡大坝)、军事工事附近低空可以根据目标的重要程度、军事实力在低空部署悬空防御弹网。一旦发现人员、武器装备的空降，则及时进行低空引爆，通过引爆的散弹射片对于区域内的伞兵、装备实施扼杀性攻击，降低敌方战斗力，避免敌方偷袭、腹背受敌情况的发生，避免在我后方建立登陆场。

·海军战场上，悬空防御弹可在舰艇一定范围内的距离内低空悬浮。一方面起到预测侦查的作用；另一方面一旦敌人导弹来袭，而悬空防御弹恰好位于弹道的飞行区域内，悬空防御弹可以通过推送加吸附的方式，在远距离内避免对我方舰艇的袭击，形成远距离安全网。目前，我国大力发展航空母舰，如何保护航母的安全至关重要。虽然有多艘战舰的保护，但往往各舰协调时间少，经验不足。为此将悬空防御弹列装到我国新型航母上，在一定范围内形成悬空防御弹防护网，能护航航母，增强战斗力。因为总有一枚悬空防御弹会迎击、吸附、引爆，并在有效半径范围内将战机、导弹毁伤。在这种情况下，它的防御效费比可能会高于防空导弹。为了防止战斗部爆炸可能危及相邻运载器的安全，行间距应根据爆炸半径进行调整。假设这种武器在海上为航母护航时，炸弹的爆炸威力半径约为32米，对于航空母舰则可以通过多枚悬空防御弹的布置轮流值班，大约有56-60枚悬空防御弹值班即形成悬空防御弹网可完成点防御任务，来为航母提供全天候护航。

·利用地形和气候等条件，在敌重点来袭目标的外围或敌方可能经过的航线上，采取预先和随机设伏的方法，建立空中障碍场，拦阻、迟滞敌人的空袭行动。一是使用烟幕悬空防御弹，利用气溶胶形成空中遮障，根据战场情况，及时在重要目标上空形成保护层；二是预先设置爆炸性悬空防御弹。在敌易选为航线的地形上，设置悬空防御弹，并以火力相结合，控制敌机可能进入的方向，拦阻敌机行动。

·悬空防御弹可以作较长时间的陆海空轮值防空，不必像其它武器装备那样须长期处于高度紧张的戒备状态之中，这有利于防止敌方战机、导弹、伞降部队的偷袭。即使警戒系统没有发现目标，也照样可以有效防御导弹的攻击，这对于规模不大的局部战争将十分有价值。若进行大规模的布阵巡逻，对于饱和攻击也可以很好地进行防御。如能和其它反导武器系统、“利剑”无人机综合组成反导组合系统，将取得更佳的防御效果。

·悬空防御弹的研发可以应用到我国设定的特殊敏感区域(东海防空识别区)。通过对该领域常用飞行高度进行部署，形成“空中陷阱”可以很好地预防假想敌的侦察偷袭。

·悬空防御弹因跟踪、吸附、引爆而毁损后，可以将备用悬空防御弹升空予以递补，也可以把其它防御弹调整到防御最需要的位置上去。如果遭遇攻击则悬空防御弹可通过引爆的方式对近距离目标进行攻击。

悬空防御弹的核心设计结构主要有八旋翼结构、自动收放发射保护结构、战斗部糅合结构、敌我识别与吸附结构四个方面。

(1)八旋翼结构

最适合的被动攻击武器需要长时间悬浮在空中等待敌人武器的到来再对其实施打击，这就要求悬浮装置必须具备持续稳定强大的升力源。四旋翼结构虽然具有不需要尾翼的控制，也没有共轴双桨飞机的复杂，而且载重量很大易于控制飞行器的姿态的特点，但是同时存在控制量较多的问题。共轴双旋翼虽没有用于平衡反扭矩的尾桨功率消耗，但操纵性优良。本装置提出一种融合四旋翼、共轴双旋翼优点的八旋翼结构，由4组共轴的反向旋转的双旋翼组成。这样既继承了四旋翼升力产生稳定，不易侧翻可以长时间悬浮的优点，另一方面发扬了共轴双旋翼方向和飞行易于操作的特点，避免了四旋翼飞行中需要调节四个旋翼的速度依靠复杂的智能控制系统的缺点，确保整个武器的性能稳定。

(2)自动收放发射保护装置

在对悬空防御弹使用大口径火炮或专用发射设备发射时，由于发射瞬间悬空防御弹底端受到的冲击力大，若八旋翼结构的螺旋桨裸露在外，弹射投放时极易受到瞬时冲力的破坏。结合战机的炸弹投放装置，设计“自锁”装置，使得无论是关闭还是打开过程中，如果没有内部锯齿滑轮的推动，即使再大的外力也不能改变其开仓和闭仓状态。自锁装置的使用使得悬空防御弹在发射过程中对于底部可以起到很好的保护作用。

(3)战斗部糅合结构

现代武器应向着软(电磁压制)与硬武器(火药压制)一体化的方式发展。为增强悬空防御弹的实用性、高效性，通过将“软硬”武器结合，一方面有箔条等软屏障武器对雷达装置的屏蔽，另一方面有“子母弹”等爆炸装置对敌方目标的毁灭性打击，两者优势互补，可以将悬空防御弹的性能进一步提升。通过对攻击武器进行空中销毁，避免对我方军事目标的攻击。如此一来的防御方式，面对核武器、洲际导弹进行大规模地面打击时通过在非军事区域引爆、阻拦，在一定程度上为军事设施提供安全保障。

(4)敌我识别与吸附结构

为避免武器对已方进行攻击，敌我识别便显得尤为必要。而且随着现代作战武器的机动性能和杀伤力的不断提高，对敌我识别的准确性和快速性的要求也越来越高。悬空防御弹采取推送、吸附的方式靠近目标飞行器，通过询问应答机对通过其控制领域的飞行器进行自主识别。进而决定是否根据战略目的进行攻击。

由于敌方目标飞行器可能距离悬空防御弹较远，单单靠固定磁铁吸附，则会大大限制悬空防御弹的吸附半径，还会存在悬空防御弹未对敌方进行自主识别、攻击时悬空防御弹已被发现甚至被击毁。另外空战武器凹凸面较多(且多为铁磁性材料)，电磁吸附适应性强。因此悬空防御弹在靠近敌方武器的吸附装置采用磁吸附。其中一个关键性优点是，通过对电流强弱的控制，在传感器采集到目标时触发内部吸附开关，并通过环绕外部的电磁铁在内部电流的控制下对飞行目标的吸附，以此来加速靠近目标。敌我双方辨别后若为我方飞行目标，则悬空防御弹内部控制系统自动断电，取消吸附能力，使得悬空防御弹摆脱对对该飞行目标的吸附，如此一来采用磁吸附的方法对飞行目标进行追踪使得反吸附问题得到很好地解决。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对技术方案中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是悬空防御弹滞空巡逻示意图，该图为露出旋翼后悬空防御弹自主飞行时的状态图(其中电磁铁主要位于赤道端，同时纵穿悬空防御弹的南部和北部；为对太阳能电池起保护作用对悬空防御弹的外壳进行了凹槽化，将太阳能电池板镶嵌至凹槽中)；

图2是悬空防御弹内外部构造简单轮廓图，该图为悬空防御弹的整体结构轮廓图(未打开投放装置)；

图3是自行设计的八旋翼外部轮廓示意图，该视图为从悬空防御弹底部观察的图像，从图中可以观察到同一轴上的两种颜色的旋翼构成共轴双旋翼，同时存在四组类似的装置构成共轴四旋翼；

图4是八旋翼整体结构立体示意图，该图可以清晰地表征在三维空间中的共轴四旋翼飞行器在电机驱动下的结构；

图5是悬空防御弹整体受力分析示意图，整体的重心应当位于中心或者稍微偏下的位置；

图6是涵道旋翼驱动方向示意图，该图为悬空防御弹，翻转后在中心赤道端的旋翼通过涵道口排气的反推作用力恢复正常姿态的情况；

图7是悬空防御弹整体结构分析示意图，它详细介绍了各个控制系统在悬空防御弹内部的布局设置，反映的是不同功能区的空间位置，主要由弹仓收容区、涵道旋翼螺旋桨、控制系统、箔片容纳区、吸附与反吸附系统、能源控制系统、中心控制区、投送保护装置、驱动装置等部分组成；

图8是八旋翼结构冷却效果示意图，通过底部旋翼排出的空气可以对内部的设备进行降温、冷却；

图9是悬空防御弹投放保护装置示意图，当发射至最高位置时在上方滑块的作用下可以将底部的保护装置打开，从而为后期旋翼飞行做准备；

图10是悬空防御弹太阳能-蓄电池供能系统原理图，它反映的是在蓄电池和电池组件的作用下如何对能源控制区以及系统控制区各个模块供电；

图11是悬空防御弹弹仓收容区示意图，它底层主要由子母弹组成对整体弹仓收容区起支撑作用，外层为箔条放置区；

图12是悬空防御弹协作式敌我识别系统原理示意图，表达询问机和应答机如何协同工作敌我辨别；

图13是悬空防御弹控制系统工作原理示意框图，包括控制系统、能源控制系统、吸附反吸附系统、武器控制系统等几大核心系统，阐述了各系统在悬空防御弹内部的协同关系以及对敌方武器袭击的工作原理。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分核心，而不是全部。

悬空防御弹可由普通飞机、战斗机、轰炸机进行批量投放或者利用弹射系统弹射，待投放后便由地面指挥系统根据流体力学原理对悬空防御弹浮力进行控制，利用动力装置，使得悬空防御弹到达指定高空领域，之后通过控制使其悬浮在指定领域。悬空防御弹还设计了类似于卫星的环绕四周的喷气装置，用于方向偏离、机体侧翻后进行姿态调整。

(1)用来解决悬浮问题的改进八旋翼结构

悬空防御弹要在空中悬停一定长的时间。需要24小时长时间不间断分批次悬浮在高空中等待敌人武器的到来再对其实施打击，这就要求悬浮装置必须具备持续稳定的动力源。所以装置整体必须满足结构简单、重量轻、体积小等特点，而螺旋桨的使用可以很好地满足上述需求。

四旋翼结构通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，它的自旋不稳定性易被抵消，不需要尾翼的控制，也没有共轴双桨复杂。但是四旋翼通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力不稳定必须同时协调控制四个旋翼的状态参数，存在控制量较多的问题。共轴双旋翼的主要气动特性具有合理的功率消耗(无用于平衡反扭矩的尾桨功率消耗)，优良的操纵性、较小的总体尺寸等特点。现阶段基于四旋翼结构、共轴双旋翼存在的优缺点，在此考虑利用两者结合，建立八旋翼结构来解决悬空防御弹的悬浮问题。该结构将四旋翼和共轴双旋翼相融合，它由4组共轴的反向旋转的双旋翼组结构构成，八旋翼外部轮廓如图3所示。

该结构一方面继承了四旋翼升力产生稳定，不易侧翻可以长时间悬浮的优点，另一方面发扬了共轴双旋翼方向和飞行易于操作的特点，避免了四旋翼飞行中需要调节四个旋翼的速度依靠复杂的智能控制系统的内部结构，可以使得四个旋翼在万向铰的连接下，全方位进行同步旋转而不需对速度进行调整，方便的实现飞行姿态的调控，等待“猎物”的到来，八旋翼整体结构如图4所示。

利用八旋翼升力结构确定后，仍需对悬空防御弹整体结构进行设计，确保整个武器的性能稳定。

①水平飞行问题

对于八旋翼结构的悬空防御弹，若在空气流的作用下偏离指定位置或者弹射后未进入指定区域，此时就需对飞行姿态进行调整，设定了坐标数据后，在北斗导航系统的控制下升空后它在各种干扰力的作用下可以保持对该坐标位置不变，稳定在新战斗坐标上，而且八旋翼结构飞行姿态的调整较简单。由于它具有共轴双旋翼控制姿态方便的特点，不需像四旋翼控制四个旋翼的转速，进而控制飞行姿态，它只需将旋翼在万向铰头的联动下，旋翼朝向指定位置，在空气流的作用下向指定区域飞行。极大地简化了飞行姿态的调整，在提高升力的同时简化了对于高性能控制系统的依赖。

②平衡度控制问题

当悬空防御弹处于发射驶入预定区域过程中，又或者在空中执勤处于戒备状态时，空中影响飞行的因素多，尤其气流对于飞行器的姿态控制影响大，悬空防御弹可能会发生旋转，为保持悬空防御弹的作战性能，保持稳定的飞行姿态便显得尤为关键。

为此首先要对悬空防御弹的整体结构进行设计，通过对重心进行设计，从物理上保持悬空防御弹的悬浮飞行稳定。为保持悬空防御弹的滞空稳定性能，应尽可能设计的重心位于共轴四旋翼中心的上方，位于整个悬空防御弹结构的中下端。如此设计可以最大化悬空防御弹的悬浮与姿态偏航飞行，悬空防御弹整体受力分析如图5所示。

对于身处气候万变过程中的悬空防御弹而言，侧翻的情况极有可能发生，基于在轨卫星的喷气反推装置，可在悬空防御弹的赤道端(悬空防御弹的中心平面)布置以驱动电机为主的，对称的四个方向的涵道螺旋桨。当向东侧翻转时，可以通过电机驱动供能，然后从东侧涵道口螺旋桨推进，通过反推力使得悬空防御弹恢复正常姿态。为此悬空防御弹在空中只需利用赤道端电机向翻转方向提供反推力，形成反作用力，就可实现姿态的调整。涵道旋翼驱动方向示意图如图6所示。

若悬空防御弹不够平衡时，悬空防御弹上的陀螺仪和加速度计等传感器把信息传给自动控制系统，通过机载控制系统自动调控赤道端涵道口螺旋桨状态。依据实际需要控制喷气时间和气流强度。

赤道内部的电机，若悬空防御弹内部气温过高，可以通过螺旋桨的旋转，在降低机体温度的情况下，向4个方向的涵道口进行排气，延长仪器寿命。

同时，赤道端螺旋桨反推装置还有增大飞行速度的作用。如果战时悬空防御弹飞行速度较慢，可以通过螺旋桨喷气形成反推力，为悬空防御弹的前行提供较大的动力，提高飞行速度。

③重心问题

由于战时武器受损概率高，往往由于装备的一次性使用导致武器资源的浪费。在此，为便于悬空防御弹的易修复性，提高生产速度(弹体、核心装置分离生产)，将悬空防御弹主体分为两大部分即：中心控制区、弹仓容纳区。

基于以上八旋翼结构，以及赤道端内部以电机为核心的防翻转结构，确定整个悬空防御弹核心控制中枢的位置。能源控制区主要包括以蓄电池为主、太阳能充电电池为辅的动力装置；以电磁吸附为主，旋翼推送为辅的吸附装置；以弹药攻击为主，箔条散射干扰为辅的攻击装置；以询问应答机为主的敌我识别。控制系统区重量较大，综合考虑，悬空防御弹的控制终端应尽可能靠近旋翼，同时位于赤道端电机的下端。如此结构，下侧有旋翼旋转降温，可以很大程度上保证悬空防御弹的机动性、完好性、便于姿态调整的特性。悬空防御弹整体结构分析如图7所示。

④驱动装置位置设计

改进的电平驱动共轴四旋翼结构，位于整个悬空防御弹的底端。它既融合了共轴双旋翼的方向易于控制的特点，又糅合了四旋翼稳定、升力大的特点。整个武器在大功率电机的驱动下，为实现悬浮升空准备条件。同时，由于悬空防御弹需要长时间滞空，不管是电路还是各项电子仪器设备均会因工作时间过长，导致工作效率急剧下降。而位于底部的大规模旋翼螺旋桨，可以通过与空气的相对运动从而实现悬空防御弹内部的通风，降低内部温度。八旋翼结构整体效果如图8所示

(2)解决发射投放问题的自动收放装置

利用弹射设备发射时，由于发射瞬间悬空防御弹底端受到的冲击力大，若八旋翼结构的螺旋桨裸露在外，弹射投放时极易受到瞬时冲力的冲击。为此对于悬空防御弹底部需要有易于封锁与打开的旋桨投送结构，在最高点旋翼投放结构设计应易于飞行操作，方便悬空防御弹的飞行控制，同时该旋翼投放结构不易受到大气压强、气流的冲击，严禁螺旋桨运行时，底部端口开启状态突然变封锁状态，导致悬空防御弹武器性能消失。

结合战机的炸弹投放装置，运用“自锁”原理，使装置存在死点位置，无论是处于关闭还是打开过程中，如果没有内部锯齿滑轮的推动，即使再大的外力也不能改变其开仓和闭仓状态。如果将炸弹投放结构运用到悬空防御弹低端的旋翼投放装置中，可以很好地实现悬空防御弹底部端口的开与闭。

悬空防御弹投放保护装置如图9所示，该装置当悬空防御弹处于投射状态，具有一定的初速度爬升时，为避免悬空防御弹的底部端口遭遇瞬时冲击，同时由于封闭的类似椭球形的结构可以使机体呈流体型，有助于减少空气阻力、降低能源消耗，此时需要底端处于闭合状态。同时，为避免高温灼烧、瞬时冲击对悬空防御弹的损伤；一旦悬空防御弹上升至最高点后，底部端口打开，将旋翼结构下放，以便获取升力，即使外部气流再大也不会导致该装置闭合，同时不会导致悬空防御弹丧失战斗力。悬空防御弹滞空巡逻情况如图1所示。

(3)解决能源问题的太阳能电池

由于悬空防御弹需要长航时巡逻，而且应当具备质量轻的性能，如此方能便于机动。如果使用燃料电池，由于燃料重量的限制则不能实现长航时的目标；虽然化学电池质量轻，但是电池能源消耗后，则需要将悬空防御弹回收，这样一来会大大减弱悬空防御弹的作战性能。

太阳能取之不尽，用之不竭，该能源非常适用于为悬空防御弹提供动力。一方面空中阳光充沛，可以对光能进行大量的收集，来满足悬空防御弹的动力需求；另一方面，太阳能供电也减轻了悬空防御弹的重量，减少不必要能量的消耗。

要实现悬空防御弹全天候太阳能动力航行仅依靠太阳能光伏装置还不够，储能装置的应用也非常关键，储能装置的应用似乎起到了“以时间换取能量空间和密度”的功效。它可储蓄太阳能转换而来的电能，作为悬空防御弹主动力电动机的能源，以实现全天候、高功率动力供应。

为此考虑采用蓄电池组供能为主，太阳能供能系统为辅的能源装置。悬空防御弹白天吸收和储存能量可以为蓄电池组补充能量。确保夜间悬浮，并具有很长的持续飞行时间。

悬空防御弹太阳能-蓄电池供能系统由太阳能电池组件、能源控制器(太阳能充电管理控制模块、供能优选模块)、蓄电池及系统控制区四大部分组成。

阳光充足时，太阳电池组件通过能源控制区的供能优先模块，经系统控制区对悬空防御弹内部机械进行驱动，同时对蓄电池充电；阴雨天或夜晚，由蓄电池提供电源，使悬空防御弹正常悬浮巡逻。悬空防御弹工作具体原理如图10所示。能源控制区是该系统的核心部件。它的主要作用是将太阳电池板、蓄电池、系统控制负载有机地结合起来。延长悬空防御弹供能系统的使用寿命，尽可能地使系统达到省电节能的效果。能源控制区主要具有以下功能：

·太阳电池板的阳光电力经供能优先选择模块，对悬空防御弹悬浮攻击供应电力。同时将多余的电能储存到蓄电池中，以备夜间使用。

·太阳能-蓄电池供能切换使用，确保悬空防御弹武器性能可靠稳定。

能源控制分充电控制部分与负载能源供应部分，以自动检测太阳电池优先供能为原则。当太阳电池电力足够产生有效电能输出时悬空防御弹负载能源供应将供能通路切换到太阳能电池板直接供电端口，由太阳电池组件优先供能；当太阳能电池因夜间、下雨等原因不能有效供电时。能源控制区检测到信号后，进行供能端口切换，由蓄电池对悬空防御弹负载进行输出供能，以确保悬空防御弹性能稳定。

由于悬空防御弹的表面积有限，如何在有限的空间内合理的设计并安装太阳能电池板为悬空防御弹系统提供能源采集工作显得至关重要。为此利用透镜提高悬空防御弹的受光强度来提高悬空防御弹太阳能电池板的能源转化率，使悬空防御弹太阳能电池板在阳光较弱时也可正常供电。为对太阳能起到很好的保护作用，将悬空防御弹外表设置一些凹槽，将太阳能板放置其中，太阳能电池板在悬空防御弹中的安装排列见图1。

利用上述原理对太阳能-蓄电池供能系统太阳能电池板和蓄电池组进行控制，在确保悬空防御弹保持作战性能、满足供能的的基础上，通过合理设计蓄电池容量的大小，太阳电池板数量与功率，减少悬空防御弹研发成本。

(4)战斗部位区域划分

弹仓收容区是悬空防御弹的战斗部位。悬空防御弹通过多飞行侦察器资源共享或者地面自动指挥侦察系统发出指令发现目标后，跟踪目标，缩短作战半径。同时对于近距离作战，可以用吸附的方式，对于远距离作战应采取(赤道端)涵道螺旋桨推送与吸附相结合的方式，靠近目标飞行器。对于攻击的方法，在此考虑采用如下的方法：

·通过对悬空防御弹设置箔条收容区，内置箔条容器装置，一旦悬空防御弹定向爆破后除杀伤武器外还实施电磁干扰。利用撒布的箔条可以形成一个层状屏障，用来对付、干扰、迷惑、阻断反舰(空)导弹，防御红外制导导弹的攻击。悬空防御弹还可通过在子母弹集群的外侧放置气溶胶烟幕容器增强战斗力。可对攻击中的导弹、战机雷达光学信号装置进行一定的隔绝，防止对我方目标的探测、攻击。

·爆炸装置对软屏障防空的补充，其中包括火药填充，爆炸散射为主的定时吸附攻击手段。由于悬空防御弹武器体积不宜过大，载重量也应当适度，因此不适合大规模的火药存储，同时过多的火药会导致储存安全性得不到保障。如果单纯以火药填充，则在悬空防御弹投掷升空时温度较高、长时间滞空停留也极易导致火药的引爆。为此，可以考虑采用“子母弹”形式填装，内部包含多颗小型炸弹，一旦悬空防御弹推送吸附后定时爆破。无需进行精确瞄准也不必对悬空防御弹进行导引，采取全向爆破。一旦爆炸，悬空防御弹大约在10秒以内，预制弹片对导弹战机，呈迎击状态时便会形成有效的攻击能力。悬空防御弹弹仓收容区示意图见图11。

通过将“软硬”武器结合，一方面有箔条等软屏障武器对雷达等装置的屏蔽，另一方面有“子母弹”等爆炸装置对敌方目标的毁灭性打击，两者优势互补，可以将悬空防御弹的性能进一步提升。这样的攻击方式对于预防核弹、洲际导弹等大规模地面打击武器的攻击提供安全保障。可对攻击武器进行空中销毁，避免对我方军事目标的攻击。海上舰艇通过悬空防御弹的护航可以有效地对付偷袭的反舰导弹。

(5)敌我双方辨别系统的设置

目前非协作式敌我识别从发现目标到采集信息、分析判断需要做大量的计算，即使运算速度足够快也需要较长的运算时间；系统结构非常复杂，各种干扰和不确定因素很多；而且数据融合的处理方法目前还不够完善，这都导致非协作式的敌我识别系统工作的可靠性难以保证。

悬空防御弹协作式敌我识别系统原理如图12所示，悬空防御弹采取推送、吸附的方式靠近目标飞行器，通过询问应答机对通过其控制领域的飞行器进行自主识别。进而决定是否根据战略目的进行爆破。悬空防御弹的敌我识别系统使用扩频技术，通过对询问频率和应答频率进行设计，有加密和非加密两种通信方式。一种用通过特殊的加密算法进行加密，防止频段被敌军破译。另一种用于民用飞行交通管理和控制。

(6)吸附与反吸附装置的设计

电磁吸附结构简单，吸附力较大，而且空战武器凹凸面较多(且多为铁磁性材料)，电磁吸附适应性强，因此靠近敌方武器的吸附装置采用电磁吸附法。基于电磁继电器“小电流控制磁性控制强电流”的原理。悬空防御弹通过环绕外部的电磁铁在内部电流的控制下对飞行目标的吸附，设置时采用电力强磁体吸附，在目标飞行器靠近时通过瞬时产生强电流，进而产生巨大的吸附力，使得悬空防御弹的吸附半径会大大加大。悬空防御弹电磁铁放置如图1所示，由于悬空防御弹仅凭吸附靠近飞行目标，速度存在严重不足。为此在吸附时结合旋翼推送(赤道端用于平衡飞行姿态的四旋翼)，会从根本上加快悬空防御弹的吸附速度。一旦发现飞行目标、空降人员进入目标区域，由中央控制单元触发吸附控制系统，通过瞬时电流产生的磁力以及(赤道端)旋翼推送装置的推送下靠近飞行目标。此时在敌我识别系统通过问答机对飞行目标、空降人员进行自主识别。如为敌方目标则悬空防御弹控制系统激活悬空防御弹武器系统，通过悬空防御弹战斗部的爆炸将箔条散射至空中对于敌机以及导弹进行红外干扰，与此同时悬空防御弹的“子母弹”也会通过爆炸实现多弹片的散射，无需进行精确瞄准也不必对悬空防御弹进行导引，采取全向爆破。若为已方目标，则通过断电启动反吸附装置，悬空防御弹内部控制系统自动断电，取消吸附能力，使得悬空防御弹摆脱对对该飞行目标的吸附，进而进入下个目标任务执行区域。如此一来采用电磁吸附的方法对飞行目标进行追踪使得反吸附问题得到很好地解决，悬空防御弹控制系统工作原理如图13所示。

(7)悬空防御弹的战后(战时受损)处理

如果悬空防御弹达到了预定的屏障目的而需要解除任务时，可以遥控引导自动回收。

如果在防御时由于太阳能电池板等外部构造被发现突然遭受袭击时，此时距离位于悬空防御弹的爆炸射程内，一旦被攻击，则会自动启动内部的引爆装置，通过弹药或者箔条对袭击的近距离武器(飞机或导弹)进行干扰、袭击。

Claims (5)

1.一种屏障式被动战略防空武器——悬空防御弹，该装置为一种能在空中悬浮的可组网类武器系统，由悬空防御弹母体、八旋翼结构、动力系统、监控站等部分组成。悬空防御弹母体包括战斗载荷和弹载仪器设备；旋翼(包括赤道端四个旋翼)用于产生悬浮和修正运动的空气动力；动力系统为飞行器悬浮和坐标修正运动、控制系统等执行系统机构提供动力源，由动力装置、发电机组和蓄电池组、太阳能供电组构成；监控站用于设定飞行器的坐标位置(或者应用北斗自主导航系统)，测定当前坐标位置。适当结合监控站计算机修正运动参数，由发射装置通过电磁信号等向飞行器发送控制信号。

2.改进的八旋翼(共轴四旋翼)结构，由4组共轴的反向旋转的双旋翼组成。采用基于喷气反推原理的涵道螺旋桨结构实现姿态平衡控制；通过飞行姿态调整，在北斗导航系统的控制下升空后，能够在各种干扰力的作用下稳定在预定战斗坐标上。

3.基于“自锁”理念的自动收放装置，通过锁定控制，无论是处于关闭还是打开过程中，在没有内部锯齿滑轮的推动下，即使再大的外力也不能改变其开仓和闭仓状态，从而实现悬空防御弹底部端口的开与闭，防止弹射投放时瞬时冲力的破坏。

4.电磁吸附与旋翼结构推送相结合的目标快速跟踪、吸附方式。

5.融合侦察、告警、软杀伤与硬杀伤相结合的战斗部结构设计与攻击方法。