回首2017年的工業(yè)級無人機技術(shù)，新構(gòu)型的爆發(fā)式發(fā)展成為了最明顯的趨勢，以至于有媒體認(rèn)為2017年是 “垂直起降固定翼無人機元年”。姑且不提此種說法對于先行者們的稍有不公，至少絕大多數(shù)工業(yè)級無人機廠商都紛紛推出了各種具有垂直起降能力的固定翼無人機產(chǎn)品。當(dāng)然，大趨勢中的發(fā)展方向也是魚龍混雜，各出奇招昏招。
本文將對近年來出現(xiàn)和發(fā)展的復(fù)合翼構(gòu)型無人機做簡要梳理，添幾根柴火，潑幾盆冷水，以期為行業(yè)健康發(fā)展盡微薄之力。
在飛機設(shè)計技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了一百多年的今天，固定翼這種構(gòu)型在多數(shù)應(yīng)用場景中已經(jīng)近乎完美了，但是其垂直起降能力的發(fā)展仍步履蹣跚，以至于到現(xiàn)在我們都還在針對垂直起降固定翼的基本結(jié)構(gòu)做創(chuàng)新和設(shè)計，這幾乎已經(jīng)能說明在動力系統(tǒng)有革命性的進(jìn)展之前，實現(xiàn)垂直起降都將以大幅度的效率損失為代價。
鑒于此，我們評判一種設(shè)計優(yōu)劣與否，最重要的指標(biāo)就是其效率損失較小，而不是只要有效率下降便嗤之以鼻。下面就對近年來出現(xiàn)的固定翼垂直起降構(gòu)型做簡要梳理。
如果十年前一個飛機設(shè)計專家被告知這種構(gòu)型的飛機將成為一種趨勢，那對他很可能是一種暴擊，就像在二十年前，被告知多旋翼構(gòu)型會火一樣(約二十年前的書籍《無人機系統(tǒng)導(dǎo)論》中，作者明確表示不看好四旋翼這種低效率的飛行器)。
按照常規(guī)的飛機設(shè)計原則，這種設(shè)計一定是最不得已而為之的。這可能正是2015年底，成都縱橫發(fā)布國內(nèi)第一款垂直起降固定翼飛控時，還特地發(fā)了好幾篇文章闡明是在掙扎三年之后才最終確定這個方案的原因。而此時，開源飛控APM的QuadPlane支持也進(jìn)入測試階段。
于是，一場大戲在點滴之間悄然拉開帷幕。到2017年底，APM，PX4開源飛控均能很好地支持這種構(gòu)型的全自動飛行，大多數(shù)的工業(yè)級無人機整機廠商也都推出了各自的機型，既然是要做總結(jié)，那么不可避免地要再來理一遍這種構(gòu)型的缺點：
但是，對于部分應(yīng)用場景，以上所有的缺點，都掩蓋不了可垂直起降這一優(yōu)點，這也是這種構(gòu)型無人機爆發(fā)的原因，只是很多廠商可能并沒有很好地思考這背后的邏輯，本文將最適合運用垂直起降固定翼無人機的應(yīng)用場景特點總結(jié)如下表：
垂直起降固定翼構(gòu)型結(jié)構(gòu)上易于實現(xiàn)，在現(xiàn)有的固定翼平臺上增加多旋翼動力部分，且加強機翼扭轉(zhuǎn)強度即可。在控制方面的優(yōu)勢就是控制系統(tǒng)相對簡單，最簡單的情況下就是固定翼和多旋翼兩套飛控硬切換就可以實現(xiàn)正常飛行。還有一個不太被關(guān)注的優(yōu)勢，就是前拉槳的效率。多旋翼槳和固定翼槳典型工作條件下的來流速度不同，因此設(shè)計時翼型和槳距也有很大區(qū)別，正常的工業(yè)級無人機都采用定距槳，多旋翼槳只能高效運轉(zhuǎn)于多旋翼模態(tài)，固定翼槳用于多旋翼模態(tài)時效率也低很多，因此這種構(gòu)型中，多旋翼槳只工作在多旋翼模態(tài)，固定翼槳只工作在固定翼模態(tài)，在槳的效率運用上是個不小的優(yōu)勢。
正如每種飛行器都有其適用場景，同樣沒有一種飛行器是萬能的，例如，5-20kg起飛重量的飛行器，其靈活性要求一般都是高于載荷能力的，因此能夠在很小的區(qū)域內(nèi)快速組裝、起飛就成為很大的優(yōu)勢；但是起飛重量小于5kg時，要想實現(xiàn)這種復(fù)合構(gòu)型就困難了，而采用純固定翼構(gòu)型，手拋起飛或彈射起飛加傘降更合適；而起飛重量過大時，復(fù)合翼構(gòu)型的缺點也同時被放大，加上這種情況下的載荷能力要求一般更高，此時采用純固定翼構(gòu)型，利用通航機場甚至小型開闊道路滑跑起飛可能更合適。因此近期出現(xiàn)的用垂直起降固定翼飛機運送貨物、攜帶較重的設(shè)備，甚至把起飛重量做到100kg以上，則屬于一葉障目不見泰山了。
至于多旋翼固定翼復(fù)合構(gòu)型的產(chǎn)品，則是以成都縱橫的“大鵬”系列為代表，采用快速拆裝結(jié)構(gòu)，最大起飛重量涵蓋10-30kg級別，載荷能力也覆蓋了1-6kg。
光點科技的“游龍”也是應(yīng)用較多的產(chǎn)品，起飛重量約14kg，載荷能力1.5kg，也處于較為實用的參數(shù)范圍。
傾轉(zhuǎn)旋翼固定翼構(gòu)型在思路上明顯比多旋翼固定翼構(gòu)型要高明許多，至少有一部分動力是多旋翼模態(tài)和固定翼模態(tài)共用的，減小了整個飛行過程的死重，而代價只是增加一套(或多套)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。例如V-22魚鷹運輸機，依靠兩套傾轉(zhuǎn)旋翼完成了垂直起降和固定翼飛行。但是有得必有失，下表總結(jié)了傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型相對于多旋翼固定翼構(gòu)型的缺點：
因此，與多旋翼固定翼復(fù)合型類似，起飛重量要求非常小(小于5kg)時，也不宜采用傾轉(zhuǎn)旋翼布局，而對于載荷重量要求比較大的應(yīng)用中，傾轉(zhuǎn)旋翼的效率提升就可以彌補結(jié)構(gòu)、控制復(fù)雜的劣勢了，特別是如果有野外的大載重、長航時需求，由于現(xiàn)在大載重直升機的飛控仍有很多不足，傾轉(zhuǎn)旋翼不失為一種折中策略。當(dāng)前多旋翼固定翼復(fù)合構(gòu)型市場已經(jīng)成為紅海，PX4等開源飛控也都支持了傾轉(zhuǎn)旋翼，可用預(yù)見，下一步傾轉(zhuǎn)旋翼的產(chǎn)品和應(yīng)用也將越來越多。
產(chǎn)品方面，有深圳智航一直在進(jìn)行傾轉(zhuǎn)旋翼固定翼構(gòu)型的研發(fā)和測試，并且推出了面向物流(V330)和測繪(V400)的兩款產(chǎn)品，智航產(chǎn)品的一個優(yōu)點是旋翼下洗流不會打到機翼上，因此垂直起降模態(tài)的動力損失較少，而在實際應(yīng)用中，這兩款產(chǎn)品具有不錯的載荷能力和續(xù)航時間。
沈陽無距則推出了串列翼布局的傾轉(zhuǎn)旋翼，只是我們看到的都只是概念模型。
雖然實用化的產(chǎn)品還較少，但筆者還是對創(chuàng)新設(shè)計的傾轉(zhuǎn)旋翼寄予希望，也相信設(shè)計合理的傾轉(zhuǎn)旋翼無人機在未來幾年也將大放異彩。
相對于傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型的將旋翼軸轉(zhuǎn)90度轉(zhuǎn)平飛，尾座式垂直起降無人機則是將自己整體轉(zhuǎn)90度轉(zhuǎn)平飛，這樣設(shè)計的絕妙之處在于省略了旋翼的傾轉(zhuǎn)機構(gòu)，具有更高的機械可靠性。單從結(jié)構(gòu)上看，尾座式垂直起降構(gòu)型只比固定翼構(gòu)型多出了尾部支撐機構(gòu)，但是由于省下了起落架系統(tǒng)，因此很可能會比相同起飛重量的固定翼重量更輕。從氣動布局上看，尾座式構(gòu)型可用設(shè)計成飛翼布局，翼身融合布局，甚至是常規(guī)布局，因此氣動效率優(yōu)勢明顯。
但是由于較大的機翼面積，尾座式構(gòu)型飛行器在垂直飛行階段更容易受到氣流擾動影響，而由于涉及控制策略轉(zhuǎn)換以及姿態(tài)的迅速變化，垂直和平飛的轉(zhuǎn)換過程也較難控制，因此現(xiàn)在尚沒看到哪個飛控可用非常好地實現(xiàn)尾座式構(gòu)型飛行器的全自動飛行。不過一旦這個問題得以完善解決，尾座式構(gòu)型將是垂直起降固定翼無人機構(gòu)型最好的解決方案。
既然尾座式構(gòu)型的氣動效率很高，且垂直起降階段容易受側(cè)風(fēng)干擾，那么可以開個腦洞，在物流運輸行業(yè)中，高附加值或者急需物資的倉對倉、倉對柜運輸就可以考慮這種構(gòu)型，因為無論是倉庫，還是大型快遞柜，為尾座式無人機設(shè)置供起降進(jìn)入的天井，而倉庫貨快遞柜內(nèi)完全可以提供無風(fēng)的起降空間。當(dāng)然，這些想法都是基于飛控已經(jīng)成熟的前提下。
尾座式無人機的產(chǎn)品方面，除了軍用的有611所研發(fā)的VD200，民用的也有四川傲勢科技X-Hawk概念機，從外觀上看還是有一定新意，大展弦比機翼配合翼梢前掠，只要控制得當(dāng)，續(xù)航和機動性都有一定保證。
事實上，2017年市場上能見得到產(chǎn)品、樣機甚至概念機且相對靠譜的，也就以上這幾種構(gòu)型了，而且假以時日，隨著民用無人機結(jié)構(gòu)、氣動、飛控等技術(shù)的進(jìn)展，這些構(gòu)型的無人機都將有自己的用武之地。下面就來看幾種少見的、新型的復(fù)合翼構(gòu)型。
LightningStrike，這是一款分布涵道式旋翼與固定翼混合構(gòu)型的飛行器，動力系統(tǒng)為一臺渦軸發(fā)動機帶動三臺發(fā)電機，進(jìn)而為24臺涵道螺旋槳提供動力，其小型無人縮比驗證機也已完成測試。鑒于小直徑涵道式螺旋槳的效率，這種飛行器也不是沖著高效飛行而設(shè)計的，我寧愿相信DARPA為了測試和改進(jìn)其混合動力輸配電系統(tǒng)而故意做出一臺十分費電的飛機。
Carter Copter，這是Carter Aviation公司推出的一款自轉(zhuǎn)旋翼和固定翼復(fù)合構(gòu)型飛機，這種飛行器結(jié)合了自轉(zhuǎn)旋翼機的結(jié)構(gòu)簡單、可跳飛性能，以及固定翼飛機高速飛行時的高升阻比，由于采用電傳操縱，未來也是要成為無人機的一種可行方案。
X-50A，這架混合構(gòu)型飛機雖然距離2017年比較遠(yuǎn)(首飛于2003年)，但是看在其不拘一格的設(shè)計思路以及NASA的背景，則有必要提及一下。X-50A的主旋翼在垂直起降和低速飛行時為槳尖噴氣動力的旋翼，同時，槳尖噴氣也提供前飛動力。隨著前飛速度的提高，鴨翼和尾翼逐步提供足夠的升力，從而卸載主旋翼的轉(zhuǎn)速，并最終轉(zhuǎn)為固定翼模態(tài)。由于采用了槳尖噴氣技術(shù)，其旋翼并沒有反力矩，因此在垂直起降階段，并不需要類似于直升機的尾槳。不過由于驗證機完全沒有達(dá)到預(yù)期的效果，我們現(xiàn)在才看不到以此為原型的產(chǎn)品。
本文簡單梳理了近年來出現(xiàn)的幾種既能夠完成垂直起降，有在一定程度上具有固定翼續(xù)航優(yōu)勢的復(fù)合翼構(gòu)型，但是無人機的設(shè)計千變?nèi)f化，應(yīng)用場景也多種多樣，我們既要從理論和試驗出發(fā)探索不同飛行器的優(yōu)勢和不足，又要避免對某些技術(shù)盲目自信，固守并過分夸大其應(yīng)用范圍，這才是無人機技術(shù)能一直向前發(fā)展的有效保證。
源自：宇辰網(wǎng)無人機資訊
聯(lián)系客服
