摘 要: 我国拥有广阔的地域和复杂的地质自然环境，发生自然灾害的频率非常高。为了有效提高地质灾害应急救援效率和质量，将灾害损失程度降到最低，需要建立平台统一、效率较高、反应快速的应急救援指挥体。这些都要求快速、准确地掌握灾害发生后的重要灾情信息。基于自转旋翼机的航空遥感平台在各种自然灾害的应急救援中发挥重要作用，实现了灾害点的无人监测，达到快速收集灾情数据，提高救援指挥决策效率，并大大改善了指挥决策研判的准确性。
关键词: 地质灾害、自转旋翼机、应急救援、灾情信息
一、引言
我国地质灾害具有种类多、诱发因素复杂、分布广、危害大，突然性等特点。地质灾害类型主要有崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝等。快速准确的获取灾情信息是第一时间制定救援策略的保障，是促进救援效率与提高救援质量的基础。受外界环境、使用成本和时空分辨率等因素的影响，载人航空遥感和卫星遥感获取灾害信息的效果往往无法达到应急救援的要求，进而阻碍了灾害应急救援。而由于无人机航空遥感系统具有诸多优势，如成本低廉、具有很高的影像分辨率和较强的实时性、能够灵活操作等，因而在地质灾害救援中能够很好地发挥作用。本文从自转旋翼无人机的特性入手，设计了基于自转旋翼无人机的地质灾害应急救援平台，实践证明该平台在地质灾害应急救援中可以发挥重要作用，提高救援效率[1-3]。
二、自转旋翼机的优缺点
旋翼机外形与直升机在外形上相似，顶部都有大直径的旋翼，飞行中依靠旋翼的旋转提供升力，但是在飞行原理上旋翼机和直升机却是两种完全不同的飞机。两者最大区别是旋翼机的旋翼不与发动机传动系统相连，发动机不是以驱动旋翼为飞机提供升力，而是在旋翼机飞行的过程中，由气流吹动旋翼旋转产生升力。
本质上，旋翼机是介于直升机和固定翼飞机之间的飞行器，除旋翼外，旋翼机还带有一副独立垂直安装的螺旋桨以提供前进动力，部分机型还会有较小的固定翼提供水平飞行的部分升力。旋翼机最主要的特点是旋翼不与发动机传动系统相连，发动机不是以驱动旋翼为飞机提供升力，而是在旋翼机飞行的过程中，由前方气流吹动旋翼旋转产生升力，而直升机的旋翼与发动机传动系统相连，爬升升力和飞行动力全部由旋翼提供。由于旋翼为自转式，传递到机身上的扭矩很小，因此旋翼机无需尾桨，但是需要尾翼以控制飞行。现代自转旋翼飞行器采用旋翼预转技术，起飞前通过简单传动装置将旋翼预先驱转产生举力，使得它可以超短距起飞；然后后起飞，待升空后通过离合器切断传动链路使旋翼在空中自由旋转。这样可以有效缩短起飞滑跑距离，以接近于直升机起飞方式的陡直地向上爬升，而且由于旋翼机旋翼无主动动力驱动，不能在空中实现直升机的悬停飞行模式。自转旋翼飞行器降落时，通过操纵旋翼锥体后倾，可实现点式着陆，不需要专用机场[4]。
在飞行中，旋翼机同直升机最明显的分别为直升机的旋翼面向前倾斜，而旋翼机的旋翼则是向后倾斜的。
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旋翼机在前进过程中获得旋翼旋转的动力，前方来流吹动旋翼，使其始终处于自转状态。发动机在空中紧急停车的情况下，旋翼机的惯性可以继续维持前飞状态，并逐渐减低速度和高度的同时，自下而上的相对气流，就能为旋翼自转提供升力，安全地滑翔降落，加上旋翼机本身处在自转状态下飞行，不需要进行有动力到无动力状态的过渡，因此摆脱了状态转换所需的安全高度约束，此外，旋翼机由于其旋翼自转，没有从发动机到旋翼的减速和传动装置，也不需要平衡旋翼反扭矩的尾桨，因而结构大大简化，提高了系统的可靠性。
（1）动力系统。旋翼机的动力系统包括推进系统和旋翼系统两部分，发动机在飞行中提供独立于旋翼系统的前飞动力，在地面则可以提供旋翼桨叶预转的动力。其中发动机可以是活塞式也可以是涡轮式，推进螺旋桨可以是拉进式也可以是推进式。旋翼系统主要给旋翼机提供升力和操纵，常用的是全铰接式、半刚性跷跷板式。因不需反扭矩装置，现代旋翼机的主要型式是单一的旋翼。
（2）飞控系统。用来保证飞行器的稳定性和操纵性、提高完成任务的能力与飞行品质、增强飞行的安全性能。无人旋翼机的自动飞行控制系统，控制指令是系统本身自动产生的。飞机的俯仰、滚转和偏航控制，增升和增阻控制，人工配平，直接力控制以及其它改变飞机的构形控制，也属于飞行控制系统。
（3）机身。机身是所有其他部件的连接件，结构可以是焊接管、金属片、复合材料、单管栓接或混合结构方式，最大强度重量比的机身是碳纤维材料或焊接管结构[5]。
（4）载荷系统。为完成灾情决策辅助支持系统的信息采集和灾情监测任务，旋翼机平台根据不同任务需求搭载不同的载荷设备，通常为光学、红外，或者雷达等传感器设备组成的信息采集载荷系统，应急物资和救灾人员，临时通讯组网设备等。
三、地质灾害现场应用平台设计
以自主研发的AX系列自转旋翼机在地质灾害现场救援工作平台中的应用为例，开展自转旋翼机平台在应急救灾系统中发挥支撑作用的流程进行分析。
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针对不同情况下应急响应任务要求，在三维数字地形图的辅助支持下，旋翼机平台可以根据应急响应方案进行灾情监测、物资投放以及应急通信等救灾任务，具体工作流程主要包含几个方面：
（1）飞行模式确定。灾情发生激发应急响应系统后，根据现有的地形地貌信息，对飞行任务路径进行规划和制定，是顺利完成信息采集、物资投放和通信组网等救灾任务的首要条件。因此，接收到决策系统的指令后，必须结合三维数字地形图对任务重点监测地区进行全面的数据调查和系统分析，安全合理的制定航行路线，从而为确保完成数据采集任务奠定基础。
（2）选取任务模式。确保旋翼机安全飞行并圆满完成信息采集、物资投放和通信组网等任务，是制定应急救灾决策方案成败的关键。在执行具体任务前通过飞控系统的算法优化，确定合理的工作模式，如飞行高度、巡航路线、监测位置等，完成高效的救灾任务，顺利实现系统平台的支撑作用。
（3）紧急情况处理。由于灾情发生后的地质气象情况复杂多变，云雾、气流[6][7]等突发状况会威胁旋翼机执行任务的安全，影响应急决策支持系统制定方案的准确性。因此针对不同的灾害情况，综合考虑各自特点，确定不同的任务执行模式，并在必要时实时调整飞行路径和工作模式，是排除故障确保信息采集任务顺利完成的必不可少的措施。
四、自转旋翼机在地质灾害现场救援中的应用模式探讨
（1）灾害面航空遥感信息获取
旋翼机平台根据救灾响应系统要求，搭载光学、红外或SAR雷达等信息采集设备，可以在不同天候下进行灾情监测，原始数据可以在平台上进行初步处理后，通过数据链路实时传递到控制中心进行专业的分析处理，获取全面的灾情信息，以便为应急决策支持系统制定救灾方案提供第一手的情报。
（2）物资和人员的定点投放
地质灾害伴随出现道路塌方、山体滑坡等现象，直接影响救援组织开展顺利进行，因此紧急情况下，借助旋翼机平台运载能力和系统可靠性等优势，进行重要的救灾物资精准投放和救援人员的迅速到位，充分利用救援黄金时间进行定点救助和救援力量的配置。
（3）临时组网的通信中继
地质灾害发生时，通常会造成地面设施设备的损坏，特别时通讯网络的破坏，会影响人员和物资调动的合理性，降低效率，浪费宝贵的救援时间，对救援方案制定造成不利影响。借助旋翼机续航时间长、自主可控程度高、系统可靠性好等特点，可在旋翼机上搭载移动基站或MESH设备进行灾区的临时通讯组网，对比卫星通信组网的周期性问题，旋翼机可在指定地理位置范围内连续不间断组建应急通信网络，从而避免了通信空窗期，大大提高应急救援工作开展效率。
五、结论
无人机遥感技术是传统遥感手段的有利补充且具有明显优势，自转旋翼无人机在地质灾害现场应急救援中具有巨大的潜力。由于其具有航时长、载重大、稳定性高等技术优势，并且可以与各类新型的专用智能传感器相结合，其平台的集成能力不断提升，势必是未来灾害现场航空救援的主力军。
参考文献：
[1]黄莹，尹文龙.多旋翼无人机在救援领域的应用与发展[J].中国 应急救援，2019（5）：31-34.
[2]张玉兴，李炜.多旋翼无人机在应急救援行动中的应用[J].技术与市场，2019（10）：42-43.
[3]吴振宇，马彦山.无人机遥感技术在地质灾害调查中的应用[J].宁夏工程技术，2012，11( 2) :39-42．
[4]郝春杰.无人驾驶自转旋翼机控制技术研究，南京航空航天大学， 2011年
[5]旋翼飞机飞行手册，美国运输部 联邦航空管理局 飞行标准处，2000第十八章
[6]苏刚，胡维民，付彬，原廷宏. 强震前后短期内的异常天气及灾害叠加. 灾害学，1997，12（1）：34-37
[7]苏海洋，雍际春，晏波，尤晓妮. 甘肃历史地震与气象异常关联性研究之三－明时期. 安徽农业科学，2011，39（28）：17747－17751
作者简介: 作者：刘利宏，男，生于1978年，山西太原人，硕士研究生，工程师，研究方向：流体力学，系统工程