郭改英 吴斌
内蒙古河西航天科技发展有限公司 内蒙古呼和浩特010010
摘要：随着科技的发展，旋翼类无人机的发展越来越快，而随之带来的安全性问题也越来越多，此类无人机因其隐蔽性强、可获得性容易、升空突然、易操控、反射截面小成为防控重点和难点。尤其是在城市作战环境中，往往人口密度大、建筑物密度高、电磁、交通等环境复杂，使得对于无人机的防范、处置十分困难。而传统的硬毁伤拦截无人机方式在城市环境中并不适用，针对此一些科研机构对此展开了研究。基于碳纤维丝缠绕无人机使之毁伤机理，采用 ABABQUS 有限元分析软件对不同形状纤维丝缠绕无人机螺旋桨过程进行了数值仿真分析。结果表明，不同纤维丝形状对螺旋桨缠绕的效果不同:对螺旋桨旋转速度的影响，圆形纤维丝缠绕效能较优；而对螺旋桨前行速度的影响，矩形纤维丝缠绕效能更优
关键词：碳纤维丝；无人机毁伤；数值仿真
In recent years, with the gradual opening of the airspace under aviation administration and the rapid development of UAV technology, the phenomenon of "black flying" and "excessive flying" of "low, slow and small" aircraft and the cases used in terrorist attacks are increasing day by day. Moreover, such aircraft are small in size, light in weight, low in cost, easy to carry and easy to operate. With a simple lift, low altitude, route is complicated and sudden departure, discovered in the face of the difficulties, reflection area is small, hard to detect the characteristic such as, if not stipulated in the relevant operation process application, approval, easy to cause serious security issues, this cause huge potential danger to air defense security, serious when will affect the normal development of national security and national economy, Causes the larger negative influence and the economic loss.
近年来，随着航空管辖空域的逐步开放以及无人机技术的迅猛发展，“低慢小”飞行器“黑飞”、“滥飞”现象和用于恐怖袭击事件的案例日益增多，且这类飞行器体积较小、质量较轻、成本较低、易携带、易操作，具有升降简单、飞行高度低、航线复杂多变、起飞突发性强、发现后应对困难、反射面积小，难以探测等特点，如果不按相关规定流程申请、批准就作业，极易造成严重的安全性问题，这对空防安全造成巨大的潜在危险，严重时将影响国家安全和国民经济的正常发展，造成较大负面影响和经济损失。
一、反无人机技术发展现状
无人机技术与反无人机技术一直体现为“矛”与“盾”的关系，随着无人机技术的迅猛发展，反无人机技术的社会和市场需求亦愈演愈烈。反无人机系统是指利用先进的科学手段对无人机进行探测、干扰诱导、控制或毁坏的一种装置。当前，反无人机的技术手段主要有常规枪炮，激光武器等动能袭击、信号干扰欺骗、声波干扰、无线电控制等。这些反无人机方法大体上可分为两类：一是硬毁伤方式，即直接摧毁无人机并使其丧失飞行能力，这种方式主要是利用导弹、激光炮、微波枪以及常规火力等手段直接打击破坏无人机；二是软毁伤方式，即采用特殊的技术手段，对来路不明的飞行器进行监测、识别和压制，从而达到驱赶、警告、迫降、返航或接管无人机的目。现阶段由于硬毁伤反无人机手段击毁无人机会产生大量破片，可能造成严重的人员及财产损伤，故其大多应用于战场上。而为适应复杂城市环境，软毁伤反无人机技术逐渐成为了一种趋势，为此，许多研发机构对此展开了研究。
二、碳纤维丝缠绕无人机毁伤机理
常规的反无人机方法有：摧毁发射平台、伪装欺骗、电磁干扰、直接火力打击、激光武器等。但这些方法通常都带伴随着附带损伤，因此在复杂的城市环境中并不适合使用。利用碳纤维丝缠绕无人机的方法主要针对的是“低慢小”旋翼类飞行器，它是一种通过探测系统、指控系统、拦截系统来对目标进行拦截的软毁伤方式。可在大型活动安保工作中或禁止飞行区域可以有效地防御不明无人机的侵入，并可避免不必要的人员和财产等损失。
碳纤维丝软毁伤旋翼类无人机的原理与渔网或水草缠绕船舶螺旋桨的原理异曲同工。当碳纤维弹飞至目标后打出若干纤维丝团，丝团展开成若干排，形成拦截幕，向前飞行的无人机由于惯性力来不及调转方向而撞入拦截幕中，此时其螺旋桨将很容易被纤维丝所缠绕，使螺旋桨阻力矩增大，从而造成发动机负荷增大，甚至超负荷工作，严重时可能将使轴系、螺旋桨蹩停，螺旋桨桨叶变形、损坏等故障，导致无人机失稳，运动轨迹改变，甚至坠毁，进而达到防御无人机的目的。
由于无人机螺旋桨叶片形状的不规则性、碳纤维丝为柔性材料且表现为各向异性以及无人机在飞行过程中气流的复杂性，所以，目前还未见关于对碳维丝缠绕无人机螺旋桨过程的理论计算分析的相关文献报道。本文利用有限元分析软件，通过数值仿真的方法定性地分析了纤维丝对无人机的缠绕效果。由空气动力学可知，不同形状的物体在空气中运动时的空气阻力系数不同，相比与圆形纤维丝，在相同迎风面积下，矩形纤维丝阻力系数较大，减缓了纤维丝团的展开速度，且增加了其漂浮时间，延长了拦截时长。然而，二者对无人机的拦截效果尚未可知，故对两种形状的纤维丝缠绕无人机的过程进行数值仿真分析，以期选出更优的纤维丝形状。
三、数值仿真
1、模型建立。考虑到无人机螺旋桨叶片形状的不规则性及飞行环境的复杂性， 对无人机模型及其环境进行 简化：由于纤维丝主要缠绕毁伤无人机螺旋桨， 故模型只取螺旋桨部分；假设碳纤维丝团已成 展开状态，并忽略空气流动的影响。简化后的模型如图所示。
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2、材料属性。无人机螺旋桨比纤维丝刚度大很多，故简化模型将螺旋桨视为刚体。在AB安全ABAQ US软件中，按照材料刚度与方向的关系将材料线弹性分为：各向同性、各向异性、正交各向异性、横观各向同性。 碳纤维丝为柔性体， 且表现为各项异性， 但考虑到本文仿真中碳纤维丝横截面为规则几何形状，故认为碳纤维丝为横观各向同性材料， 并作以下假设简化材料模型来确定纤维丝材料参数：纤维丝各方向泊松比为0；纤维丝各方向剪切模量均相等。由此给出纤维丝材料参数，如表所示。
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3、边界条件。因在缠绕过程时间很短，故视纤维丝处于静止状态。给予碳纤维丝自由态，不限制其任何自由度，来模拟纤维丝团展开后状态，即垂直摆成一排（为简化模型，将其假设为垂直状态）漂浮在无人机面前。设置预定义场：赋予螺旋桨 830r/s（电机最大转速）的初始旋转速度，及 15m/s（无人机最大速度）的前行速度，以此来模拟无人机的运动。
4、仿真结果及分析
经 ABAQUS/Explicit 显示积分求解器[1]求解，得出了不同时刻圆形、矩形碳纤维丝缠绕螺旋桨的仿真结果，图 6、8、10、12 分别为圆形纤维丝在 0.3ms、1.2ms、3ms、10ms时刻缠绕无人机螺旋桨结果。从图中可以看出圆形与矩形纤维丝对螺旋桨均有缠绕效果，但是有所差别。在每个时刻，二者所受应力趋势一致，但是矩形纤维丝最大应力处所受应力大于圆形纤维丝最大应力所受应力，由此可得出矩形纤维丝给予无人机螺旋桨更大的反作用力。当螺旋桨撞上圆形或矩形纤维丝后，二者旋转速度基本上都是呈线性下降。在 6ms 时刻，矩形纤维丝缠绕效能下降并逐渐趋于 200r/s，而圆形纤维丝缠绕效能则是在 9ms 时刻开始减弱并趋于 100m/s。可见，从旋转速度下降效果来看，圆形纤维丝优于矩形纤维丝。
从前行速度-时间比较图中可以看出，二者趋势是一致的，均是一开始撞上纤维丝后，前行速度下降，之后由于受到纤维丝的反作用力，速度变大，随着其旋转，后期又受到纤维丝的阻力，速度下降可以看出，最终矩形纤维丝对螺旋桨的影响较大。
结论
从仿真结果可知，圆形纤维丝和矩形纤维丝对螺旋桨均有缠绕效果，但缠绕效果有所不同：对螺旋桨旋转速度的影响，圆形纤维丝缠绕效能较优。对螺旋桨前行速度的影响，矩形纤维丝缠绕效能更优。
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