開拓創(chuàng)新的電動(dòng)無人機(jī)

林一平

電動(dòng)無人機(jī)是當(dāng)前無人機(jī)發(fā)展的一大方向，有其產(chǎn)生的背景，也有其發(fā)展的多樣性。發(fā)展不同構(gòu)型的電動(dòng)無人機(jī)，設(shè)計(jì)需要開拓、創(chuàng)新，但仍然離不開學(xué)科交叉、技術(shù)融合、巧思和優(yōu)化。

電動(dòng)技術(shù)符合綠色環(huán)保、節(jié)能要求，具有旋翼結(jié)構(gòu)的無人機(jī)則滿足大載荷及重載、多用途、起降靈活的實(shí)際需要。這兩大技術(shù)集成融合不僅優(yōu)勢互補(bǔ)，而且開拓創(chuàng)新。

電動(dòng)技術(shù)背景

人類研制電動(dòng)無人機(jī)的理想久遠(yuǎn)，但目前技術(shù)有局限性，量產(chǎn)電機(jī)的功率普遍偏小，電池的功率密度偏低，還無法在短期內(nèi)直接將單電機(jī)作為大中型無人機(jī)的動(dòng)力，發(fā)展電動(dòng)無人機(jī)面臨如下三種選擇。

一是放棄發(fā)展，認(rèn)為沒有實(shí)際的使用價(jià)值，沒有必要去研制；

二是等待大功率電機(jī)供貨，高功率密度電池技術(shù)過關(guān)，這樣需要付出長時(shí)間研制和持續(xù)大投資的代價(jià)；

三是堅(jiān)持發(fā)展。抓住發(fā)展機(jī)遇，爭取時(shí)間，從小機(jī)型著手，邊干邊完善，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。而需要承擔(dān)的是，短時(shí)間的付出和小投資的代價(jià)。另一方面，在不斷使用中促進(jìn)大功率電機(jī)、高功率密度電池的研發(fā)。

令人滿意的是，絕大多數(shù)國家和團(tuán)隊(duì)選擇了第三種做法，堅(jiān)持發(fā)展，并且經(jīng)過數(shù)年努力已研制出不同構(gòu)型的電動(dòng)無人機(jī)。

基本類型

電動(dòng)無人機(jī)從構(gòu)型上可分為多旋翼式、涵道風(fēng)扇式、傾轉(zhuǎn)旋翼式、復(fù)合翼式及其他類型。其中，涵道風(fēng)扇式又可分為多涵道風(fēng)扇式、涵道風(fēng)扇分體式，其他類型如扇翼+X式等。這些電動(dòng)無人機(jī)的共同特點(diǎn)是應(yīng)用了分布式組合動(dòng)力設(shè)計(jì)。

目前具有雙旋翼、三旋翼、四旋翼、五旋翼、六旋翼、八旋翼等不同構(gòu)型的電動(dòng)無人機(jī)，極大豐富了無人機(jī)的構(gòu)型設(shè)計(jì)和應(yīng)用，不斷滿足市場和用戶的需求，并拓寬了這些新科技產(chǎn)品在多個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

雙傾轉(zhuǎn)旋翼復(fù)合式無人機(jī)

無人機(jī)采用三發(fā)上單翼、垂直尾翼配短艙式機(jī)身總體布局見圖1。雙傾轉(zhuǎn)旋翼和一個(gè)涵道風(fēng)扇形成“兩前一后”的動(dòng)力配置，即雙發(fā)雙傾轉(zhuǎn)旋翼安裝在翼尖，另有一個(gè)涵道風(fēng)扇安裝在后機(jī)身上方，由此組成三點(diǎn)動(dòng)力平衡面，能很好控制重心位移，保障無人機(jī)完成垂直起降。而且此處的雙傾轉(zhuǎn)旋翼也非固定式，其電機(jī)能伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的變動(dòng)在0～90°范圍內(nèi)傾轉(zhuǎn)并鎖定位置，巡航時(shí)雙傾轉(zhuǎn)旋翼處于水平前飛狀態(tài)。機(jī)翼上的2臺電機(jī)實(shí)際起到4臺固定式小型電機(jī)的作用，在技術(shù)上是個(gè)進(jìn)步。既簡化了結(jié)構(gòu)，又減小了氣動(dòng)阻力，還減輕了無人機(jī)重量。美中不足的是，由于后機(jī)身采用了涵道風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，電機(jī)只能驅(qū)動(dòng)旋翼水平旋轉(zhuǎn)，飛行中會(huì)增加氣動(dòng)阻力，削弱平尾的效能，有待設(shè)法改進(jìn)。

圖1 雙傾轉(zhuǎn)旋翼復(fù)合式無人機(jī)布局設(shè)計(jì)。

三旋翼復(fù)合式無人機(jī)

無人機(jī)采用三發(fā)上單翼、V型尾翼配短艙式機(jī)身總體布局見圖2。三副旋翼形成“兩前一后”的布局，即雙發(fā)雙旋翼安裝在機(jī)翼前緣，另有一發(fā)和一副旋翼安裝在后機(jī)身上方，由此組成三點(diǎn)動(dòng)力平衡面，能很好控制重心位移，同樣能保障無人機(jī)完成垂直起降。而且此處的雙旋翼也非固定式，其電機(jī)能伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的變動(dòng)在0～90°范圍內(nèi)傾轉(zhuǎn)并鎖定位置，巡航時(shí)旋翼隨電機(jī)傾轉(zhuǎn)到水平位置，處于水平前飛狀態(tài)。機(jī)翼上的2臺電機(jī)實(shí)際起到常規(guī)狀態(tài)下4臺固定式電機(jī)的作用，即2臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)提供水平前飛的升力，另外1臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋翼全程提供升力，技術(shù)上既簡化了結(jié)構(gòu)，又減小了氣動(dòng)阻力，還減輕了無人機(jī)重量。美中不足的是，后機(jī)身安裝的電機(jī)由于結(jié)構(gòu)原因，旋翼只能處于水平狀態(tài)，飛行中會(huì)增加氣動(dòng)阻力，削弱尾翼的效能，有待設(shè)法改進(jìn)。

圖2 三旋翼復(fù)合式無人機(jī)。

四旋翼無人機(jī)

無人機(jī)機(jī)身具有四根旋翼?xiàng)U，安裝4臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)四副旋翼旋轉(zhuǎn)提供升力，以外形簡潔、結(jié)構(gòu)簡單、對稱性佳、通用性好、容易操控、維修方便為特征。也是最典型、擁有數(shù)量最多、使用最廣泛的無人機(jī)構(gòu)型見圖3。作為空中平臺，廣泛應(yīng)用在空中目標(biāo)搜尋、航拍、快遞、交通監(jiān)管、電力巡線、農(nóng)業(yè)植保及播種、科普教學(xué)等諸多領(lǐng)域。其優(yōu)點(diǎn)是整體性好，結(jié)構(gòu)重量輕、機(jī)身下方可搭載多種任務(wù)載荷，便于控制重心位移，確保飛行平穩(wěn)，并能夠垂直起降。

圖3 典型四旋翼無人機(jī)。

四旋翼一槳復(fù)合式無人機(jī)

無人機(jī)采用四副旋翼、雙尾撐門框型尾翼布局見圖4，即含有四副旋翼和一副螺旋槳。其中，四副兩葉旋翼為無人機(jī)垂直起降提供升力，機(jī)身尾艙的三葉螺旋槳提供水平飛行的升力。雙尾撐采用碳纖維復(fù)合材料桿嵌入機(jī)翼結(jié)構(gòu)，保證前、后、左、右的對稱性。該機(jī)翼略帶后掠角含翼梢小翼，以減小誘導(dǎo)阻力改善巡航性能。被抬高的門框型尾翼具有下反角，很好地提供螺旋槳滑流通道，減小機(jī)翼、機(jī)身洗流的不利影響，則以最小結(jié)構(gòu)重量取得俯仰及航向操縱性和穩(wěn)定性。

圖4 四旋翼一槳復(fù)合式無人機(jī)。

四旋翼復(fù)合式無人機(jī)

四旋翼復(fù)合式無人機(jī)將電動(dòng)垂直起降和水平推進(jìn)的功能合二為一。其雙碳纖維復(fù)合材料旋翼?xiàng)U被插入機(jī)身的前部和中部，采取上單翼和V型尾翼總體布局見圖5。該機(jī)注重長航時(shí)飛行，依靠張臂式大展弦比機(jī)翼產(chǎn)生的高升阻比獲得優(yōu)良的空氣動(dòng)力性能，完善巡航性能，提高經(jīng)濟(jì)性。且電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)旋翼在90°范圍內(nèi)傾轉(zhuǎn)，完成垂直起降和水平前飛。該機(jī)張臂式上單翼采用斜撐結(jié)構(gòu)，幫助增加強(qiáng)度并減重。后三點(diǎn)起落架的兩個(gè)主輪靠近機(jī)頭下方，機(jī)尾使用斜桿架，起到共同保護(hù)旋翼不觸地免遭損壞。

圖5 四旋翼復(fù)合式無人機(jī)。

圖6中同樣帶有四副旋翼的無人機(jī)，其雙碳纖維復(fù)合材料桿則被左右對稱地嵌入機(jī)翼中段。按照一切就簡原則，該無人機(jī)采用滑橇式起落架，V型尾翼配尾鰭布局，除提供方向穩(wěn)定功能外，還增添了著陸時(shí)的支撐點(diǎn)，起到一物多用的作用。

圖6 四旋翼復(fù)合式無人機(jī)。

六旋翼復(fù)合式無人機(jī)

無人機(jī)采用四發(fā)雙涵道風(fēng)扇、雙旋翼、下單翼、雙垂直尾翼配短艙式機(jī)身總體布局見圖7。雙碳纖維復(fù)合材料桿組成雙尾撐結(jié)構(gòu)，與四副旋翼形成“兩前兩后”的布局，即四發(fā)四旋翼分別安裝在機(jī)翼前后方，另有一對涵道風(fēng)扇安裝在機(jī)翼兩側(cè)的翼尖處，由此組成六點(diǎn)動(dòng)力平衡面，能很好控制重心位移，保障無人機(jī)完成垂直起降。而且位于機(jī)翼前緣的雙旋翼也非固定式，其電機(jī)能伴隨機(jī)構(gòu)的變動(dòng)在0～90°范圍內(nèi)傾轉(zhuǎn)并鎖定位置，巡航時(shí)傾轉(zhuǎn)旋翼提供水平前飛升力。下單翼既作為該型無人機(jī)的主要升力部件，又作為連接機(jī)身、雙尾撐、雙涵道風(fēng)扇、雙托架的重要構(gòu)件，被高抬的上層機(jī)翼具備上單翼的功能，能提供附加升力，雙垂直尾翼則提供方向操控與穩(wěn)定，水平尾翼則提供俯仰操縱與穩(wěn)定。短艙式機(jī)身則適合任務(wù)載荷方便進(jìn)出無人機(jī)貨艙。

圖7 六旋翼復(fù)合式無人機(jī)。

該無人機(jī)與其他構(gòu)型無人機(jī)相比，總體布局顯得較繁瑣，會(huì)增加飛行時(shí)的氣動(dòng)阻力和干擾阻力，也會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量，導(dǎo)致電動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜化，增加飛控系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，同樣有待簡化結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)，并具體落實(shí)多方面的改進(jìn)。

八旋翼無人機(jī)

研制多旋翼無人機(jī)的初衷并不是追求配置的電機(jī)或旋翼數(shù)量越多越好，而是迫于無奈。一個(gè)現(xiàn)實(shí)難題是隨著任務(wù)載荷增加，無人機(jī)原有功率不夠，動(dòng)力不足。并且，由于大電機(jī)重量過重，耗電量亦大，于是最簡單的辦法就只能增加電機(jī)或旋翼數(shù)量，但要考慮如何布置電機(jī)和旋翼來滿足需要。

典型四旋翼無人機(jī)大眾都非常熟悉，倘若將四根旋翼?xiàng)U延長，每根中間再增加1個(gè)機(jī)座，那么總計(jì)可以設(shè)置八臺小電機(jī)和八副旋翼見圖8，八旋翼無人機(jī)就此誕生。不僅起飛重量增加，而且任務(wù)載荷重量也同時(shí)增加，飛行性能得到提升。

圖8 電動(dòng)八旋翼無人機(jī)。

上海交通大學(xué)師生曾研制出十六旋翼電動(dòng)無人機(jī)，機(jī)身采用碳纖維復(fù)合材料，配置高性能鋰電池，既能垂直起降，又能空中懸停，飛行速度50km/h，實(shí)用升限1000m。

電動(dòng)無人機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)前乃至今后無人機(jī)發(fā)展的一大方向，構(gòu)型琳瑯滿目，極大豐富了無人機(jī)科學(xué)的內(nèi)涵，促進(jìn)了無人機(jī)技術(shù)進(jìn)步，正不斷結(jié)出碩果。