如何找到一种既能垂直起降又具备较长续航时间的无人机

如何找到一种既能垂直起降又具备较长续航时间的无人机，这一直是无人机市场的痛点问题，也是人们一直在思考的问题。在该需求的推动下，人们从动力、结构、飞行器布局等方面提出了很多方案。首先在动力方面，国内外均提出了油动多旋翼或是油电混合多旋翼的概念，通过汽油发动机直驱旋翼或是通过发电机将汽油化学能转换为电能提供给旋翼进而提升多旋翼无人机续航时间；其次在结构方面，有人提出在多旋翼机体外部增加流线型外型，使其在前飞过程中起到增升减阻的作用，但实际效果并不太显著。

而在飞行器布局方面，国内外研究人员均提出大量兼具垂直起降能力与长续航能力的设计方案。其中包括倾转旋翼无人机、尾座式无人机、复合式无人机以及涵道式无人机等。四者既有相同点又有不同点，相同点是四者综合了固定翼长续航能力与旋翼无人机垂直起降能力的优点，不同点则是其实现方式不一致，倾转旋翼无人机是通过将旋翼轴线倾转90°为固定翼提供动力来实现飞行状态的改变；尾座式无人机通过改变飞行器的飞行姿态来实现飞行状态的改变；复合式无人机以及涵道式无人机均是通过操纵不同的执行机构来实现飞行模态的改变。

图1  倾转旋翼机

倾转旋翼飞行器在保证固定翼高速巡航的前提下，兼具旋翼飞行器的垂直起降能力，起降受场地限制较小，有很高的灵活性，在军事方面具有广阔的应用领域。倾转旋翼的设计概念提出时间很早，早在上个世纪三四十年代就已经有倾转旋翼的设计方案。早期的设计方案一般是双旋翼类型的倾转旋翼，即在机翼两端安装旋翼系统，内部通过涡轮发动机来驱动旋翼系统，发动机部分可以绕着机翼轴转动，当处于垂直起降模式时，发动机向上，过渡到固定翼模式飞行时，发动机向前倾转，提供固定翼水平向前动力，如图所示。

图2  XV-3 倾转旋翼机

美国早在上个世纪四十年代开始对倾转旋翼技术进行研究，但其发展过程中十分曲折。1955年，美国贝尔公司成功研制倾转旋翼原型样机XV-3，采用两台活塞发动机安装在机翼两侧，通过变速箱与传动轴分别驱动两副旋翼系统，1958年12月成功完成两副旋翼系统倾转飞行实验，验证了倾转旋翼概念的可行性，如图所示。

图3  V-22倾转旋翼机

美国先后继续研制出XV-15，V-22等系列倾转旋翼机，其中V22在机翼两端各有一可变向的旋翼推进转置，各包含涡轮轴发动机及三桨叶组成的旋翼，整个推进装置可以在向上到向前之间转动变向，产生向上或向前的推力，分别用于直升机垂直起降或悬停以及固定翼飞行阶段。V-22“鱼鹰”倾转旋翼机是世界上第一种投入使用的倾转旋翼机，如图所示。

图4  鹰眼倾转旋翼无人机

倾转旋翼无人机的发展较晚，在上个世纪90年代美国贝尔公司基于V22“鱼鹰”有人驾驶倾转旋翼机的基础开始研制“鹰眼”无人机，外形上类似于传统固定翼飞机，使用机翼两端的两旋翼结构实现无人机的垂直起降与固定翼巡航，主要用于海事巡逻，机长5.18米，翼展4.6米，最高飞行速度可达388公里/小时，飞机重量1.3吨，载重量90-130千克，如图所示。

但是双旋翼倾转旋翼在垂直起降模式下，由于螺旋桨位于机翼的翼尖上方，旋翼产生的下洗气流不仅降低了旋翼的有效升力，而且也会影响飞行器的稳定性，增加了控制难度。此外双旋翼的结构非常复杂，需要对螺旋桨进行机械变距实现垂直起降模式下的飞行器的稳定控制。

四旋翼飞行器具有结构简单，控制方便等优点，使用四旋翼代替原来的双旋翼结构可以减少双旋翼类型的倾转旋翼中气动干扰的问题，同时也避免了双旋翼结构复杂，难以控制的缺点。

倾转旋翼（四旋翼）无人机具有三种飞行模式：四旋翼飞行模式、倾转过渡飞行模式、固定翼飞行模式。四旋翼飞行模式主要使用在无人机垂直起降过程中，一是爬升高度准备切换固定翼飞行，二是垂直降落结束飞行；倾转过渡飞行模式可以具体细分两个阶段，一是旋翼轴向前倾转，由四旋翼模式切换至固定翼模式，二是旋翼轴向上倾转，由固定翼模式切换至多旋翼模式；固定翼飞行模式是飞行器巡航工作的飞行模式，在此模式下，飞行器巡航速度快，续航时间长，能够充分完成飞行任务。倾转过渡飞行模式是倾转旋翼无人机飞行过程中最为核心的环节，在旋翼倾转过程中，不仅改变了飞行器整体的受力状态，而且飞行器的控制模式、执行机构均随之变化，极易导致飞行器异常甚至坠机，因此保证飞行器在倾转过渡过程中姿态平稳，实现四旋翼模式与固定翼模式之间平滑稳定的切换，是研究重点难点。

图5  黑豹倾转旋翼无人机

黑豹是以色列航空工业公司研制生产的新一代倾转旋翼无人机，黑豹属于倾转三旋翼布局，其中在机翼两端各有一可倾转的旋翼结构，可在向上与向前之间倾转，尾部安装有可左右偏转的旋翼结构，起降过程中，通过三旋翼垂直向上提供升力，稳定姿态与航向；正常巡航时，位于机翼两侧的旋翼倾转至向前提供前飞动力，以固定翼模式进行巡航飞行。黑豹无人机起飞重量65千克左右，可以更换模块化机翼，有2米，6米，8米等多种翼展的机翼可供选择，在使用6米翼展机翼时，能携带8千克设备飞行6小时，如图所示。

图6  Songbrid 1400倾转旋翼无人机

Songbrid1400是由德国AeroLution公司研发制造的一种倾转四旋翼布局无人机，这款飞行器是结合固定翼飞行器与四旋翼飞行器的优点，在固定翼飞行器的机翼上增加四旋翼机构，在机翼两侧分别各有两旋翼结构与机翼通过可变形轴连接，前部旋翼轴可向下旋转，后部旋翼轴可向上旋转。起降过程中，四旋翼结构垂直向上，提供向上升力；当切换至固定翼时，Songbrid飞行器首先上升一定高度，四旋翼结构倾转90°提供固定翼前飞动力。由于在切换过程中无倾转过渡阶段，因此会出现掉高现象，不利于飞行安全，如图所示。

图7  Quantum TRON倾转旋翼无人机

Quantum TRON是由Quantum System公司研制的一款倾转四旋翼布局无人机，与Songbrid1400类似，均是通过在固定翼机翼两侧增加四旋翼机构，实现固定翼飞行器与四旋翼飞行器的结合。不同点是Quantum TRON仅倾转旋翼结构，而且固定翼前飞动力仅由前部两旋翼向前倾转90°提供，后部两旋翼在固定翼飞行时停转并向后倾转以减少固定翼飞行阻力。Quantum TRON翼展3.5米，最大起飞重量14千克，载重2千克，巡航速度60-90公里/小时。

图8  VTOL350倾转旋翼无人机

优雷特航空技术有限公司研制的VTOL350是一款十字形四旋翼布局倾转式无人机。采用优雷特独有的专利技术，左右两侧旋翼倾转过程中带动机翼中段同步倾转，实现了稳定的全流程飞行。

图9  智航V330倾转旋翼无人机

深圳智航无人机公司研制的V330倾转旋翼无人机也是一款倾转四旋翼布局无人机。V330在机身纵向前后分别安装两根轴管，四旋翼结构搭载在轴管上，在飞行切换过程中倾转前部轴管实现前部两旋翼倾转完成固定翼模态切换。

图10  三旋翼布局倾转式无人机

如上图所示的三旋翼布局也是一款技术成熟的倾转式无人机。和黑豹无人机不同的是它的中后部电机座固定，多旋翼模态下前部左右两个电机以垂直为中心，靠倾转机构差动实现航向控制；固定翼模态下，中后电机停转，前部左右两个电机倾转为水平态，变为固定翼动力。此种三旋翼布局倾转式无人机废重较少，整体效率相对较高，适合10kg以下小型电动机型。