本文主要介紹利用機(jī)載網(wǎng)槍進(jìn)行無(wú)人機(jī)反制的相關(guān)技術(shù)。之前的文章（微小型無(wú)人機(jī)，一把雙刃劍）提到：在目前的反無(wú)人機(jī)方案中，尚缺乏一種高自主化、強(qiáng)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(wú)人機(jī)進(jìn)行反制這一方案能很好地填補(bǔ)這方面空白：首先它容錯(cuò)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(guò)程中不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成損害。其次它的適用范圍廣，對(duì)目標(biāo)無(wú)人機(jī)的形狀尺寸、是否無(wú)線電靜默等均無(wú)要求，因此能夠針對(duì)各類“黑飛”進(jìn)行有效抓捕。當(dāng)然，還有一點(diǎn)是它的部署成本低，只需要能夠攜帶網(wǎng)槍的自主無(wú)人機(jī)系統(tǒng)即可[1]。然而，采用無(wú)人機(jī)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(biāo)呢？發(fā)射出去的飛網(wǎng)，又會(huì)做怎樣的運(yùn)動(dòng)呢？

一、網(wǎng)槍的工作原理

想要回答這兩個(gè)問(wèn)題，就要先從網(wǎng)槍發(fā)射飛網(wǎng)的原理說(shuō)起。飛網(wǎng)平時(shí)儲(chǔ)存于網(wǎng)槍的發(fā)射筒中，發(fā)射時(shí)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(dòng)展開(kāi)，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?cè)?Vicon 環(huán)境下研究了飛網(wǎng)在發(fā)射過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況，并得到了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

一些研究者發(fā)現(xiàn)飛網(wǎng)的這種運(yùn)動(dòng)過(guò)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(duì)網(wǎng)中繩索可拉長(zhǎng)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(guò)這種模型我們可以計(jì)算飛網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)單元所受的內(nèi)力大小。在進(jìn)一步考慮重力和空氣阻力等對(duì)飛網(wǎng)的影響之后就可以通過(guò)牛頓運(yùn)動(dòng)定律得到飛網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)其數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程感興趣的讀者可閱讀文獻(xiàn)[3], [6]。

二、 發(fā)射效果模擬及分析

下面的 2 個(gè) GIF 分別是針對(duì)我們實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)槍系統(tǒng)獲得的飛網(wǎng)仿真以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)發(fā)射飛網(wǎng)的效果。

從圖 4 可以明顯看到，飛網(wǎng)在發(fā)射之后，網(wǎng)口先逐漸擴(kuò)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(gè)指標(biāo)可以用來(lái)描述飛網(wǎng)的展開(kāi)特性[6]：1.展開(kāi)面積（deployment area）：展開(kāi)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(kāi)面積隨時(shí)間的變化示意圖如圖 5 所示：其中

表示的是最大展開(kāi)面積，以及所需飛行時(shí)間

。當(dāng)飛網(wǎng)展開(kāi)面積不小于

時(shí)，就認(rèn)為能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的抓捕，此時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍是

。

2.?飛行距離（flight distance）：根據(jù)圖 5 中得到的三個(gè)時(shí)間可以分別計(jì)算出相應(yīng)的飛網(wǎng)運(yùn)動(dòng)距離，如圖 6 所示。

被認(rèn)為是飛網(wǎng)的有效作用距離。

利用上述兩項(xiàng)指標(biāo)就可以描述飛網(wǎng)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，并以此為安保無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)策略提供指導(dǎo)。

三：從航空到航天，飛網(wǎng)潛力無(wú)限

飛網(wǎng)除了用于反無(wú)人機(jī)之外，還可以給太空軌道做垃圾清除。在今年 1 月份，我國(guó)的“實(shí)踐-21 號(hào)”衛(wèi)星就利用飛網(wǎng)成功清理了一顆失效的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，引發(fā)了國(guó)際航天界的高度關(guān)注。據(jù)推測(cè)[7]，在這次任務(wù)中，“實(shí)踐-21 號(hào)”衛(wèi)星先運(yùn)動(dòng)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(biāo)拖到“墳?zāi)埂避壍?，并釋放，最后“?shí)踐-21 號(hào)”衛(wèi)星返回自己的運(yùn)行軌道。

除了我國(guó)之外，還有不少國(guó)家和地區(qū)也在積極推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的研究。歐空局（European Space Agency，ESA）啟動(dòng)了e.deorbit 項(xiàng)目以進(jìn)行空間碎片清除技術(shù)的研究。該項(xiàng)目中的柔性繩網(wǎng)方案就是利用飛網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間碎片的柔性抓捕。目前該項(xiàng)目已經(jīng)研制出了繩網(wǎng)捕獲的原型機(jī)并完成了拋物線飛行試驗(yàn)，在微重力環(huán)境下測(cè)試了飛網(wǎng)發(fā)射系統(tǒng)[8]：

相比于e.deorbit，另一個(gè)歐洲當(dāng)局資助的研究項(xiàng)目（RemoveDEBRIS）已于2018年9月成功完成了在軌繩網(wǎng)抓捕實(shí)驗(yàn)[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(duì)目標(biāo)立方體的捕獲，見(jiàn)圖9：

上述的這些實(shí)例反映出飛網(wǎng)抓捕有著很大的應(yīng)用潛力，它所具備高容錯(cuò)、低要求和低成本的特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于各種各樣的無(wú)人機(jī)反制場(chǎng)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(shì)，受到了世界各國(guó)的青睞。當(dāng)然，隨著飛網(wǎng)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，也涌現(xiàn)出越來(lái)越多亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。一起期待這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善吧！

參考文獻(xiàn)

[1]陳青全, “柔性繩網(wǎng)動(dòng)力學(xué)與應(yīng)用,” 博士, 國(guó)防科技大學(xué), 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(guó)鵬, 豐志偉, 祁玉峰, 劉永健, and 高慶玉, “柔性繩網(wǎng)動(dòng)力學(xué)建模與天地差異性分析,” 宇航學(xué)報(bào), vol. 35, no. 08, pp. 871–877, 2014.

[5]高慶玉, “空間繩網(wǎng)系統(tǒng)展開(kāi)動(dòng)力學(xué)與優(yōu)化設(shè)計(jì),” 博士, 國(guó)防科技大學(xué), 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(shí)踐-21號(hào)’衛(wèi)星為何讓西方緊張？-手機(jī)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.

本文共1738字

由西湖大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室博士生米軼澤原創(chuàng)

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