CN112461051A - 一种针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，包括浮空组件、捕获组件、配重组件与探测组件；浮空组件依靠浮升气体提供静升力，所需能耗小，能够实现月、年量级的长航时滞空，其所受浮力用于平衡捕获组件、配重组件与探测组件的重量，捕获组件在浮空组件浮力的向上作用力和配重组件的向下作用力的共同作用下延伸展开，形成一幕面积巨大的“网墙”，通过缠绕非合作集群飞行目标的螺旋桨、机翼等部件，实现对非合作集群飞行目标的拦截捕获。本发明能够以“柔”克“刚”、以“大”制“多”、以长航时滞空应对饱和式突击，以低能耗应对低成本，为拦截捕获非合作集群飞行目标提供一种新的有效手段。

Description

一种针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统

技术领域

本发明涉及飞行器捕获技术领域，具体是一种针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统。

背景技术

集群飞行器是将大量飞行器在开放体系架构下综合集成，以协同控制为基础，以提升协同任务能力为目标的分布式系统。集群飞行借助飞行器之间的局部交互实现整体的群体行为从而解决全局性的协同任务，从而能够以分布方式完成大量单个飞行器无法有效完成的任务。小型无人机由于具有体积小、成本低、操控简单的优点，是适宜于大规模集群使用的理想平台。无人机集群将成为未来无人机使用的一种重要样式，目前已在物流运输、航空拍摄、农林作业、安防巡逻、环境监测等领域得到应用。

但是，越来越多的无人机应用于侦察监视、火力导引和空中攻击，特别是具有抗毁性强、成本低、效费比高等优势的无人机集群，可实施广域分布式多点多向突击，对传统防御系统和公共安全提出了极大的挑战，亟须发展非合作集群飞行目标拦截捕获技术。

当前，常见的反非合作飞行目标技术手段包括动能拦截、激光毁伤、电磁干扰等。火炮和防空导弹是传统的防空武器系统，也是最常用的反无人机武器，其优点是技术成熟度高，对单个近距、低空的大型目标拦截效果较好，不足是高炮拦截命中率较低、导弹拦截成本高，且不适合防御大规模无人机集群。激光武器通过对目标施加能量来破坏或摧毁目标。高能激光照射到无人机上可以使机体升温、熔化或汽化，破坏机械结构或电子元件，从而毁伤无人机。激光武器反集群无人机存在以下问题：首先，激光能量转化效率低、光束功率密度小，未能实现“即打即毁”杀伤能力；二是激光在大气传输中衰减较强，受天气影响较大，不具备全天候作战能力；三是目前激光武器的体积和重量大，机动性不强，难以跟得上灵活机动的机群；四是激光武器的波束太窄，一次只能攻击一个无人机目标。

电磁干扰是指对无人机的特定操控频段实施干扰，破坏无人机与操控人员之间的控制与通信链路或GPS信号，使其飞行失控或失去任务能力。电磁干扰操作简单、成本较低、技术成熟，但电磁干扰系统可能干扰其附近的合法通信链路，对无线电信号的正常使用环境造成不良影响，且对自主导航控制的无人机难以奏效。

绳网捕获是指向目标无人机发射捕捉器，捕捉器在抵达无人机前撒开捕获网，将无人机缠住，由降落伞载着无人机降落地面。但是，集群无人机对绳网捕获提出了严峻的挑战。“一对一”发射捕获对数量巨大的集群无人机“应接不暇”，未能实现有效拦截。

综上，现有的动能拦截、激光毁伤、电磁干扰等技术手段在拦截捕获非合作集群飞行目标方面尚存在一定的局限和不足，需要探索简单高效、低成本低廉的近距拦截系统，与动能拦截、激光毁伤、电磁干扰等方式形成有效补充和力量配合。

发明内容

针对上述现有技术中存在的一项或多项不足，本发明提供一种针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，其所需能耗小，能够实现月、年量级的长航时滞空，能够以“柔”克“刚”、以“大”制“多”、以长航时滞空应对饱和式突击，以低能耗应对低成本，为拦截捕获非合作集群飞行目标提供一种新的有效手段。

为实现上述目的，本发明提供一种针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，包括浮空组件、捕获组件、配重组件与探测组件；

所述捕获组件由第一主索、第二主索以及第一主索与第二主索之间的若干纬线编织而成；

所述浮空组件包括若干浮空器，所述第一主索通过第一连接结构吊设在各浮空器的下方；所述配重组件包括若干通过第一连接结构吊设在第二主索上的配重件，以使得捕获组件在浮空器的浮力与配重件的重力作用下展开形成大面积的网幕；

所述探测组件包括若干设在浮空器上的探测单元，以用于探测识别空间中的非合作集群飞行目标。

在其中一个实施例中，所述浮空器上最大直径处环绕周向安装刚性支架，所述刚性支架上等间隔设有多个可调整矢量方向的螺旋桨，以用于控制浮空器的六自由度运动以及多个浮空器之间的相对位置。

在其中一个实施例中，所述螺旋桨的数量为四个，四个螺旋桨呈十字结构对称分布在刚性支架上。

在其中一个实施例中，所述第一主索、第二主索均为尼龙线；

所述纬线由尼龙线与导电碳纤维制成，其中，导电碳纤维为纬线的中芯，尼龙线从该中芯外围螺旋缠绕从而形成一股纬线，以使得纬线能够反射、吸收和衰减电磁信号，使得非合作集群飞行目标通信链路受到干扰甚至失效。

在其中一个实施例中，所述捕获组件中的纬线两两之间以X形交错打结，交织而成的网孔大小尺寸为5～15cm。

在其中一个实施例中，多个探测单元的组合探测角度覆盖捕获组件周围的360度。

在其中一个实施例中，所述浮空器包括主气囊和副气囊，所述主气囊内填充有氦气，所述副气囊通过阀门与外界大气相通。

在其中一个实施例中，所述配重件为模块化的圆柱状铅块。

在其中一个实施例中，所述第一连接结构、第二连接结构均为八字环。

本发明提供的一种针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，相较于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明相比于电磁干扰方案，采用更为直接的拦截捕获手段，对于采用自主导航控制的飞行目标同样有效。

(2)本发明相比于动能毁伤方案和激光毁伤方案，采用柔性网作为捕获组件捕获非合作飞行目标，降低了跟踪瞄准和火力控制的精度要求，更为重要是柔性捕获不产生残骸碎片，避免了对地面的次生灾害。

(3)本发明相比于弹射网捕获方案，结构简单，且不需要弹射装置及消耗工质；

(4)本发明相比于无人机捕获非合作飞行目标方案，采用浮空器挂载捕获组件，能够长航时、低能耗滞空作业；

(5)本发明提出的纬线采用导电碳纤维和尼龙线制成，不仅能够物理缠绕捕获目标，而且能够反射、吸收和衰减电磁信号，使得非合作集群飞行目标通信链路受到干扰甚至失效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中拦截捕获系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中拦截捕获系统捕获非合作集群飞行目标的结构示意图；

图3为本发明实施例中浮空器的结构示意图。

附图标号说明：浮空器1、主气囊11、副气囊12、刚性支架13、螺旋桨14、第一连接结构15、探测单元2、第一主索31、第二主索32、纬线33、第二连接结构34、配重件4、非合作集群飞行目标5。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-3所示为本实施例公开的一种针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，包括浮空组件、捕获组件、配重组件与探测组件。其中，浮空组件依靠浮升气体提供静升力，所需能耗小，能够实现月、年量级的长航时滞空，其所受浮力用于平衡捕获组件和配重组件的重量，捕获组件在浮空组件浮力的向上作用力和配重组件的向下作用力的共同作用下延伸展开，形成一幕面积巨大的“网墙”，通过缠绕非合作集群飞行目标的螺旋桨、机翼等部件，实现对非合作集群飞行目标的拦截捕获。该拦截捕获系统以“柔”克“刚”、以“大”制“多”、以长航时滞空应对饱和式突击，以低能耗应对低成本，为拦截捕获非合作集群飞行目标5提供一种新的有效手段。

浮空组件包括若干球状构型的浮空器1，本实施例中浮空器1的数量为5个。浮空器1内部包括1个主气囊11和1个副气囊12，副气囊12与外界大气相通，主气囊11内充浮升气体提供静升力，浮空器1所受浮力大小能够平衡其自重、捕获组件、配重组件与探测组件重量，用于吊载捕获组件、配重组件与探测组件，飞行所需能耗少，可实现月、年量级的长航时滞空运行；本实施例中，浮空气体为氦气。浮空器1最大直径处环绕周向安装刚性支架13，刚性支架13上安装多个可调整矢量方向的螺旋桨14，用于控制浮空器1的六自由度运动以及多个浮空器1之间的相对位置；本实施例中，螺旋桨14的数量为四个，且四个螺旋桨14呈十字结构对称分布在刚性支架13上。探测组件包括若干设在浮空器1上的探测单元2，用于识别跟踪蜂群无人机目标，并实时将非合作飞行目标信息传送至浮空器1的飞行控制器；多个浮空器1通过导航控制可实现编队或集群飞行，使得捕获组件按照预定的构型拦截非合作集群飞行目标5。其中，多个探测单元2的组合探测角度覆盖捕获组件周围的360度。

本实施例中，采用可见光相机作为探测单元2。单个浮空器1的总体积为13.18m³，所受浮力为166.62N，浮空器自重10kg，包括蒙皮、浮升气体、刚性支架13、螺旋桨14、探测单元2等。多个浮空器1通过导航控制实现直线编队、圆形或“C”形集群飞行，使得捕获组件按照预定的构型拦截非合作集群飞行目标5。

本实施例的主要技术要点在于浮空器1、螺旋桨14以及捕获组件、配置组件的结合所带来的技术效果以及所要解决的技术问题，而并不在于浮空器1、螺旋桨14以及导航控制的单个机械结构或电路结构，以及三者之间的具体控制过程，且浮空器1、螺旋桨14以及导航控制的单个机械结构或电路结构，以及三者之间的具体控制过程均为所属领域的常规技术手段，因此本实施例中不再赘述。

捕获组件为由第一主索31、第二主索32以及第一主索31与第二主索32之间的若干纬线33编织而成的柔性网，其长600m、高300m。第一主索31通过第一连接结构15吊设在各浮空器1的下方；配重组件包括若干通过第一连接结构15吊设在第二主索32上的配重件4，以使得捕获组件在浮空器1的浮力与配重件4的重力作用下展开形成大面积的网幕。具体的，第一主索31、第二主索32均为较粗的尼龙线，用于联结和固定纬线33网络。纬线33采用导电碳纤维和尼龙线制成，其中，导电碳纤维为纬线33的中芯，尼龙线从该中芯外围螺旋缠绕从而形成一股纬线33，使得纬线33能够反射、吸收和衰减电磁信号，使得非合作集群飞行目标5通信链路受到干扰甚至失效。纬线33两两之间以“X”形交错结节，交织而成的网孔大小尺寸为非合作飞行目标尺寸大小的三分之二，具体为5～15cm，其优选为10cm，能够“卡”住常见的小型旋翼无人机。第一主索31通过5个等距间隔排布的八字环作为第一连接结构15，通过绳索与八字环连接浮空器1底部，在浮空器1的浮力作用下，处于松弛叠放状态的捕获组件向上拉伸延展。第二主索32上同样设置有5个等距间隔排布的八字环作为第二连接结构34，通过绳索与八字环连接有5个配重件4。每个配重件4为模块化的圆柱状铅块，重1kg，采用模块化、标准化设计，可按配重需求逐个加装配重件4，捕获组件在配重件4的拉力下向下延伸，从而形成一张大面积的网幕，实现对非合作集群飞行目标5的拦截和捕获。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，其特征在于，包括浮空组件、捕获组件、配重组件与探测组件；

所述捕获组件由第一主索、第二主索以及第一主索与第二主索之间的若干纬线编织而成；

所述浮空组件包括若干浮空器，所述第一主索通过第一连接结构吊设在各浮空器的下方；所述配重组件包括若干通过第一连接结构吊设在第二主索上的配重件，以使得捕获组件在浮空器的浮力与配重件的重力作用下展开形成大面积的网幕；

所述探测组件包括若干设在浮空器上的探测单元，以用于探测识别空中的非合作集群飞行目标。

2.根据权利要求1所述针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，其特征在于，所述浮空器上最大直径处环绕周向安装刚性支架，所述刚性支架上等间隔设有多个可调整矢量方向的螺旋桨，以用于控制浮空器的六自由度运动以及多个浮空器之间的相对位置。

3.根据权利要求2所述针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，其特征在于，所述螺旋桨的数量为四个，四个螺旋桨呈十字结构对称分布在刚性支架上。

4.根据权利要求1或2或3所述针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，其特征在于，所述第一主索、第二主索均为尼龙线；

所述纬线由尼龙线与导电碳纤维制成，其中，导电碳纤维为纬线的中芯，尼龙线从该中芯外围螺旋缠绕从而形成一股纬线，以使得纬线能够反射、吸收和衰减电磁信号，使得非合作集群飞行目标通信链路受到干扰甚至失效。

5.根据权利要求1或2或3所述针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，其特征在于，所述捕获组件中的纬线两两之间以X形交错打结，交织而成的网孔大小尺寸为5～15cm。

6.根据权利要求1或2或3所述针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，其特征在于，多个探测单元的组合探测角度覆盖捕获组件周围的360度。

7.根据权利要求1或2或3所述针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，其特征在于，所述浮空器包括主气囊与副气囊，所述主气囊内填充有氦气，所述副气囊通过阀门与外界大气相通。

8.根据权利要求1或2或3所述针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，其特征在于，所述配重件为模块化的圆柱状铅块。

9.根据权利要求1或2或3所述针对非合作集群飞行目标的长航时低能耗拦截捕获系统，其特征在于，所述第一连接结构、第二连接结构均为八字环。

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