工業(yè)級垂直起降固定翼無人機總體布局及發(fā)展趨勢

沙永祥 錢凱

垂直起降固定翼無人機具有無需跑道、續(xù)航力強、安全性高、制造難度低等優(yōu)點，正成為工業(yè)級無人機發(fā)展的新趨勢。本文從其總體布局的角度，闡述了該類型無人機的發(fā)展現(xiàn)狀，各種構(gòu)型性能優(yōu)缺點與差異，并對未來行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢做了系統(tǒng)分析。

隨著軍民融合戰(zhàn)略的推進(jìn)，近年來工業(yè)級無人機在民用領(lǐng)域獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、商業(yè)、能源和醫(yī)療等各個領(lǐng)域。工業(yè)級無人機按照構(gòu)型大致可以分為三類：無人直升機、多旋翼無人機、固定翼無人機。無人直升機在載重、續(xù)航等指標(biāo)上有著突出的優(yōu)勢，但其動力和操縱都來自旋翼，機構(gòu)異常復(fù)雜，導(dǎo)致成本高，可靠性低，限制了無人直升機的推廣;多旋翼無人機興起于消費級領(lǐng)域，其構(gòu)型簡單，零部件成品化高，技術(shù)門檻相對較低，但航時和航程短的缺點極大地限制了其應(yīng)用場景;固定翼飛行器具備效率高、速度快、航時長、航程遠(yuǎn)、可靠性高等優(yōu)點，但其對起降條件要求高，且輔助保障設(shè)備多，部署時間長。

垂直起降固定翼無人機作為近年工業(yè)級無人機的新興事物，融合了多旋翼無人機和固定翼無人機的特點，具有無需跑道，續(xù)航力強，安全性高，制造難度低等優(yōu)點，正成為工業(yè)級無人機發(fā)展的新趨勢。

工業(yè)級垂直起降固定翼無人機總體布局

從總體布局形式來看，垂直起降固定翼無人機主要有以下幾類：尾座式、傾轉(zhuǎn)動力式（包括傾轉(zhuǎn)旋翼式、傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇式、傾轉(zhuǎn)機翼式）以及復(fù)合式。

尾座式

尾座式垂直起降固定翼無人機兼具多旋翼無人機和固定翼無人機的優(yōu)點。在機尾安裝有起降支架，垂直起飛時機尾坐地機頭向上，達(dá)到一定高度后轉(zhuǎn)入平飛，降落時先調(diào)整姿態(tài)使機頭向上，隨后進(jìn)行垂直降落。這種起降方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)廢重少、效率高，但其控制系統(tǒng)開發(fā)難度較高，在垂直起降期間抗風(fēng)性能較低，且其尾座式的特點在一定程度上降低了總體布局的靈活性。

“V-BAT”是MartinUAV公司設(shè)計的先進(jìn)垂直起降固定翼無人機。其機尾安裝的涵道風(fēng)扇使無人機可以直立起降，并通過涵道風(fēng)扇中安裝的舵面進(jìn)行直立起降飛行的三軸姿態(tài)控制，在爬升到一定高度后再轉(zhuǎn)換成水平飛行模式。根據(jù)資料顯示，“V-BAT”能夠在移動的卡車上自主著陸，可靠性強，安全性好。此外，高效率、高航程、高航時等優(yōu)異的性能特點使“V-BAT”贏得了美國陸軍的青睞。

“X-Hawk”尾座式無人機

“X-Hawk”是四川傲勢科技有限公司推出的一種純電動尾座式垂直起降固定翼無人機。其垂直起降階段采用四旋翼作為動力來源，并通過四旋翼的控制方法進(jìn)行姿態(tài)控制，在轉(zhuǎn)平飛后，通過對螺旋槳進(jìn)行變距的形式，實現(xiàn)不同巡航速度下的高效飛行。 此外，“X-Hawk”可實現(xiàn)完全自主飛行。它可在使用者設(shè)定任務(wù)后，自主設(shè)計航線飛行，同時也可切換手動飛行或指令飛行模式，具有失控返航、一鍵返航、低電量返航、斷鏈路返航、可設(shè)置的虛擬圍欄等高級功能，系統(tǒng)可靠性較高。

傾轉(zhuǎn)動力式

傾轉(zhuǎn)動力飛行器的概念最早由美國貝爾公司提出，無人機起飛時推力向上，轉(zhuǎn)入水平飛行時利用傾轉(zhuǎn)機構(gòu)使推力向前，作為前飛動力。由機翼承擔(dān)部分或全部升力。傾轉(zhuǎn)動力式無人機推力方向變化都需要傾轉(zhuǎn)機構(gòu)，這樣必然會存在機構(gòu)可靠性與費重問題，并且垂直轉(zhuǎn)平飛過渡階段穩(wěn)定性差的問題也對智能飛控技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。傾轉(zhuǎn)動力式垂直起降固定翼飛行器包括傾轉(zhuǎn)旋翼式、傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇式以及傾轉(zhuǎn)機翼式。

傾轉(zhuǎn)旋翼

“Quantum TRON90”是由德國慕尼黑Quantum System公司研制的一款純電驅(qū)動傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機。起降時采用四旋翼模式，提供向上的拉力;平飛時，前兩部旋翼水平傾轉(zhuǎn)提供前飛動力，后兩部旋翼向后傾轉(zhuǎn)以減小飛行阻力。根據(jù)其官方資料，該機采用模塊化設(shè)計，能快速有效的適應(yīng)不同應(yīng)用場景。目前該機已成功應(yīng)用于電力巡檢、航空測繪、農(nóng)業(yè)監(jiān)視等領(lǐng)域。此外，Quantum System公司還推出了三旋翼布局傾轉(zhuǎn)旋翼無人機。

傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇

德國空中出租車公司Lilium推出了一款私人“百合號（Lilium）”傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇飛行器，該機采用純電力驅(qū)動，垂直起降，配備可收放起落架。

百合噴氣的兩座版已于2017年4月首飛，該機使用36個傾轉(zhuǎn)涵道電動風(fēng)扇發(fā)動機（主翼24個，鴨翼12個）進(jìn)行驅(qū)動，重量約600kg，最大商載200kg，最大飛行時速可達(dá)300km/h，單次充電航行距離達(dá)300km。起飛時風(fēng)扇偏轉(zhuǎn)指向下方，水平飛行時風(fēng)扇水平指向前方，提供前飛動力。該無人機采用Lilium航空公司的“超冗余”概念，從安全性出發(fā)，任何一個組件的故障都不會影響正常飛行著陸。

傾轉(zhuǎn)機翼

美國國家航空航天局（NASA）最近研發(fā)了一款傾轉(zhuǎn)機翼垂直起降無人機，簡稱“GL-10”。NASA的工程師于2017年測試了這款無人機的縮比驗證機，其翼展為3.05m，機翼上有8個電機，尾部有兩個電機，起飛時最大重量為28.1kg。

全尺寸版本將采用電力/柴油混合驅(qū)動螺旋槳。起飛時，機翼平尾處于傾轉(zhuǎn)狀態(tài)，螺旋槳推力方向向上，垂直起飛，一定高度后，機翼平尾再傾轉(zhuǎn)到水平位置，螺旋槳推力向前，類似固定翼一樣飛行，起飛降落均無需一些額外的地面輔助起降裝置。此外，“GL-10”螺旋槳槳尖速度設(shè)計較低，顯著降低了螺旋槳的噪聲。

“雷擊（LightningStrike）”

“雷擊”無人機是美國極光公司為美國國防高級研究計劃局（DARPA）的“垂直起降試驗飛機”（VTOL X-Plane）項目研制的一款傾轉(zhuǎn)機翼垂直起降飛機。其正式代號為XV-24A。由1臺羅羅公司的AE1107C渦軸發(fā)動機驅(qū)動，通過其驅(qū)動3臺霍尼韋爾公司的發(fā)電機來產(chǎn)生電力，并將電力分配至全機24個涵道式風(fēng)扇上（2個鴨翼上各安裝3個，2個主機翼上則各安裝9個風(fēng)扇），形成分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)。

圖 6（a）所示為“雷擊”1/5等比例驗證機，全機重量為147.4kg，采用電力推進(jìn)，配有54.4kg的鋰電池，能以185km/h的速度連續(xù)航行5min。

然而，子承包商霍尼韋爾公司在研發(fā)高性能1兆瓦級發(fā)電機時遇到了技術(shù)瓶頸，使項目在第二階段難以制造出全尺寸原型機。目前美國防部國防高級研究計劃局（DARPA）決定取消項目第三階段研發(fā)和相關(guān)飛行試驗。

復(fù)合式

復(fù)合式垂直起降固定翼無人機類似于在固定翼的基礎(chǔ)上加裝一套垂直起降動力系統(tǒng)，通過兩套動力分別實現(xiàn)起降和平飛。相對于其他垂直起降飛行器，復(fù)合式垂直起降無人機具有技術(shù)可實現(xiàn)性好、飛行可靠性高、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點。早期復(fù)合式無人機由于電機技術(shù)不成熟，巡航無效重量較大，但隨著高功重比無刷電機的出現(xiàn)，配合良好的氣動外形設(shè)計，復(fù)合式無人機也能達(dá)到極高的飛行性能。

“X-Swift”復(fù)合式無人機

“X-Swift”是四川傲勢科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的一款純電驅(qū)動垂直起降固定翼無人機，該機采用四旋翼與固定翼復(fù)合式布局，通過四旋翼模式進(jìn)行垂直起降，固定翼模式進(jìn)行平飛。

“X-Swift”具備高可靠性（平均故障時間為50h）、高便捷維護性（可更換相應(yīng)部件）、高安全性（防插錯設(shè)計、防動力系統(tǒng)非指令性啟動）以及載荷互換性（可配備光電吊艙、正射像機、傾斜相機、喊話器等載荷），具備全自主飛行能力，能夠通過模塊化的多構(gòu)型配置，為航空測繪、線路巡查、偵查監(jiān)視等工業(yè)級用戶提供專業(yè)解決方案。

“X-Chimera”復(fù)合式無人機

“X-Chimera”是四川傲勢科技有限公司推出的一款純電動高任務(wù)性能的垂直起降固定翼無人機。該機于2018年成功實現(xiàn)首飛。

“X-Chimera”無人機采用了前沿的翼身融合氣動設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了該機優(yōu)異的氣動性能，機身采用航空鈦合金、鎂合金材料讓該機輕盈堅固，可靠性更高。此外，模塊化設(shè)計其可智能識別多種載荷設(shè)備，僅需簡單更換，便能持續(xù)完成不同任務(wù)。據(jù)介紹，“X-Chimera”具備很強的環(huán)境適應(yīng)能力，滿足小雨、高海拔、高低溫、強側(cè)風(fēng)、鹽霧、沙塵、復(fù)雜地形、復(fù)雜電磁環(huán)境等場景下的飛行應(yīng)用。在系統(tǒng)部署方面，全套無人機系統(tǒng)可由一輛SUV攜行，兩人10min內(nèi)無工具完成全系統(tǒng)展開、飛前準(zhǔn)備或拆收工作，極具靈活性。

綜上所述，從垂直起降固定翼無人機總體布局形式來看，尾座式無人機控制難度高，起降期間抗風(fēng)性能差，可靠性偏低，導(dǎo)致其并未得到大規(guī)模的應(yīng)用;傾轉(zhuǎn)動力式無人機具備航程遠(yuǎn)，航速高等特點，并且隨著分布式電推進(jìn)技術(shù)以及智能控制技術(shù)的成熟，傾轉(zhuǎn)動力無人機將會具有廣闊的應(yīng)用前景;復(fù)合式垂直起降無人機具有技術(shù)可實現(xiàn)性好、飛行可靠性高、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點，在民用領(lǐng)域比如航拍測繪、電力巡檢、公共安全、交通城管等行業(yè)將發(fā)揮重要的作用。

發(fā)展趨勢

任務(wù)載荷多樣化、模塊化、互換性

工業(yè)級無人機任務(wù)載荷多種多樣，包括多拼相機、光電球、喊話器、滅火彈等等。載荷的多樣性決定了無人機從設(shè)計之初就必須考慮其載荷的模塊化及互換性。當(dāng)無人機執(zhí)行不同任務(wù)或者升級相關(guān)設(shè)備時，能夠迅速更換其任務(wù)載荷，以更好滿足特定任務(wù)需求，適應(yīng)不同行業(yè)應(yīng)用。

高環(huán)境適應(yīng)性

隨著用途越來越多樣化，未來無人機需要具備在任何嚴(yán)苛的環(huán)境條件下可靠工作的能力。例如，在艦船起降時需要面臨風(fēng)力、洋流和船舶本身的運動等復(fù)雜環(huán)境，這對無人機機載智能控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性提出了更高的要求。

純電驅(qū)動、分布式電推進(jìn)

對于工業(yè)級無人機的動力推進(jìn)方式，業(yè)界普遍認(rèn)為零排放、高效率、低噪聲的純電推進(jìn)驅(qū)動將會是垂直起降固定翼無人機主流發(fā)展方向。分布式電推進(jìn)采用電力驅(qū)動多個分布于機翼、機身或尾翼的電機，并由電機驅(qū)動螺旋槳、涵道風(fēng)扇等動力裝置提供全部推力。分布式電推進(jìn)系統(tǒng)動力分散布置，控制更為靈活，容錯性能更好，系統(tǒng)冗余度高。另外，小風(fēng)扇能夠更為方便地融入機身，利于氣流附著翼面，使得氣動效率更高，有助于改善飛行性能。

感知與避讓

感知和避讓技術(shù)是防止無人機與其它飛行器相撞的重要技術(shù)保障。利用無人機攜帶的設(shè)備探測感知周圍環(huán)境、在當(dāng)前態(tài)勢感知的基礎(chǔ)上判斷是否存在飛行沖突、重新規(guī)劃航跡規(guī)避沖突是感知與規(guī)避的三大關(guān)鍵技術(shù)。與有人機相比，無人機感知規(guī)避技術(shù)還不夠成熟，尚不具備多機、三維尺度下的感知與規(guī)避能力，而且感知、判斷、規(guī)避任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)信號傳輸延遲都將直接影響規(guī)避結(jié)果，感知與規(guī)避的可靠性、魯棒性也需進(jìn)一步提高。

自主性與智能化

未來無人機將不僅僅是一個飛行載體，被動完成飛行任務(wù)，而是向單機智能飛行、多機智能協(xié)同、任務(wù)自主智能等方向發(fā)展，具備主動感知、自主判斷、采集數(shù)據(jù)、智能學(xué)習(xí)和協(xié)同作業(yè)等各項能力。同時，與AR、VR設(shè)備的結(jié)合，對無人機的飛行和操控也將帶來全新的體驗。

結(jié)論

縱觀國內(nèi)外無人機研究成果及其應(yīng)用領(lǐng)域，垂直起降固定翼無人機正成為工業(yè)級無人機發(fā)展的新趨勢。從總體布局來看，傾轉(zhuǎn)動力式以及復(fù)合式將具有更廣泛的應(yīng)用前景;從推進(jìn)動力來看，業(yè)界普遍認(rèn)為零排放高效率低噪聲的電推進(jìn)方式將是未來的主流發(fā)展方向;從載荷形式來看，任務(wù)載荷多樣化、模塊化、互換性等特點能更好滿足特定任務(wù)需求，適應(yīng)不同行業(yè)應(yīng)用;從飛機性能來看，高環(huán)境適應(yīng)性、先進(jìn)態(tài)勢感知技術(shù)、自主性與智能化等關(guān)鍵技術(shù)也將是工業(yè)級垂直起降固定翼無人機發(fā)展的重要方向。