从技术验证到产业生态：垂直起降固定翼无人机主流构型的技术特征与演进路径对比研究

垂直起降固定翼飞行器能够以直升机方式垂直起降，并能以固定翼方式巡航前飞。与传统直升机相比较，垂直起降固定翼飞行器具有前飞速度快、航程远、航时长等显著优势，而与常规固定翼飞行器相比较，垂直起降固定翼飞行器能够定点起降和悬停，对机场跑道没有依赖，任务能力显著增强。以上优点促使该类飞行器成为当今世界研究的热门领域。从2004年起，美国已经针对垂直起降固定翼飞行器技术布置并开展了系列研究和验证，包括联合多任务旋翼机（JMR）技术验证项目、未来垂直起降飞行器（FVL）项目、垂直起降试验飞机（VXP）项目、战术侦察节点（TERN）项目、海军陆战队空地特遣部队远征无人机系统（MUX）项目等，而在上述项目的带动下，美国垂直起降固定翼飞行器技术实力得到了显著提升，同时也积累了大量工程经验，对未来高效垂直起降固定翼飞行器装备发展提供了有力支撑。

近年来，随着无人机在军事、民用领域的用途越来越广泛，对无人机起降方式的要求也越来越多样化，因此，将垂直起降技术应用到无人机上已经成为必然。由于无人机无需考虑飞行员的生命保障、生理极限等问题，将垂直起降技术应用于无人机领域将更为灵活，且更容易实现。

 

一、主流构型技术分类与特点分析

根据实现垂直起降与水平巡航功能融合的不同方式，当前垂直起降固定翼无人机主要可分为升推复合式、尾座式和倾转动力式三种基本构型，每种构型又可细分为不同的技术路线。

1.1 升推复合式垂直起降固定翼无人机

升推复合式构型，亦称复合翼或“多旋翼+固定翼”构型，是当前技术成熟度最高、应用最广泛的方案。其核心理念是为垂直起降和水平巡航阶段配备两套独立的动力系统。在垂直起降阶段，由专门布置的多个升力旋翼或螺旋桨提供垂直升力，此时固定翼不产生作用；当达到一定高度和空速后，飞行器过渡至平飞状态，升力旋翼停转（或仅提供部分辅助升力），主要依靠固定翼机翼产生的气动升力来平衡重力，并由独立的推进螺旋桨或涡桨/涡喷发动机提供前飞推力。

 

技术特点与代表机型：

该构型的最大优势在于设计简洁、技术风险低。垂直与水平两套动力系统可针对各自最恶劣的工况进行独立优化设计，无需兼顾对方的工作状态，例如垂直起降动力可专注于大功率、快速响应，而巡航动力则专注于高效率。德国莱茵金属与瑞士Swiss UAV公司联合研制的TU-150战术无人机是典型代表，其在两侧翼尖各安装一副三叶旋翼用于垂直起降，机身尾部则配备推进螺旋桨用于前飞，最大速度可达222公里/小时，续航8小时。国内的纵横股份CW大鹏系列、峰飞航空的V50等无人机也采用类似构型，在测绘、物流等领域得到广泛应用。

固有局限性：

然而，升推复合式构型存在显著的“死重”问题。在巡航阶段，庞大的升力旋翼系统及其结构完全成为无效载荷，严重降低了全机的质量效率和有效载荷能力。此外，在垂直起降和过渡阶段，旋翼产生的强动力尾流会对机翼、尾翼等部件造成复杂的气动干扰，增加飞行控制和稳定性的难度。一种特殊的亚型——旋转机翼式无人机，试图将旋翼与机翼功能合一，但在设计上需要采用气动特性较差的对称翼型和小展弦比布局，其总体气动效率和控制复杂性仍是待解难题。

 

1.2 尾座式垂直起降固定翼无人机

尾座式构型是一种极具特色且结构紧凑的方案。其动力系统（通常是螺旋桨）固定安装在机体上，起飞时整个机体呈“头朝上、尾朝下”的垂直姿态，像火箭一样坐在地面或舰船甲板上，依靠动力系统的推力直接克服重力实现垂直起飞。达到安全高度后，飞行器通过整体低头偏转，从垂直姿态逐渐转为水平飞行姿态，此时动力推力方向转为水平，固定翼开始产生升力，进入巡航状态。降落过程则相反。

技术特点与代表机型：

尾座式构型的核心优点在于结构高度一体化，没有多余的、仅在部分阶段工作的动力部件，因此理论上具有更高的质量效率。其起降占地面积小，对起降平台尺寸要求极为苛刻，特别适合在空间有限的舰船或野外地形使用。美国国防高级研究计划局支持的“燕鸥”项目是尾座式无人机的明星机型，它采用飞翼布局，机身前部装有大型对转螺旋桨，设计目标是在驱逐舰级别的小型舰船上起降，执行长航时侦察任务。国内航空工业成都飞机工业集团也曾展出VD-200尾座式无人机，展示了在该领域的探索。

主要挑战：

尾座式构型的挑战主要集中在飞行动力学与控制上。其垂直与水平飞行状态间的姿态转换（过渡飞行）动力学特性极为复杂，涉及大范围姿态角变化，对飞控系统的设计提出了极高要求。此外，在垂直姿态下，机翼和尾翼处于失速状态，几乎不提供稳定和控制力矩，完全依赖推力矢量和反应控制系统（如姿态控制喷口）来维持稳定，这增加了系统复杂性和能耗。

 

1.3 倾转动力式垂直起降固定翼无人机

倾转动力式构型通过机械机构使产生推力的部件（旋翼、涵道风扇或螺旋桨）能够相对于机体转动，从而改变推力矢量的方向。在垂直起降时，推力部件指向下方，提供升力；在过渡阶段，推力矢量逐渐向前倾斜；在巡航阶段，推力部件完全指向前方，提供前进推力。这是当前被认为最具发展潜力和性能上限的主流技术路线。

 

1.3.1 倾转旋翼式

这是最经典的倾转构型，灵感来源于V-22“鱼鹰”倾转旋翼机。其动力单元通常是带有多片桨叶的大尺寸旋翼。在垂直起降时，旋翼平面水平，像直升机旋翼一样工作；在巡航时，整个短舱连同旋翼向前倾转约90度，旋翼平面变为垂直，像涡桨飞机的螺旋桨一样工作。

优势：结合了直升机垂直起降与固定翼飞机高速巡航的优点，前飞速度远高于传统直升机，航程和航时优势明显。

挑战：机械倾转机构复杂、重量大；旋翼在倾转过渡过程中经历复杂的流场变化，气动与飞控设计难度高；存在“涡环状态”等危险飞行包线。

 

1.3.2 倾转涵道式

与倾转旋翼类似，但其动力单元是安装在涵道内的风扇。涵道起到了保护风扇、降低噪音、并在一定程度上提高垂直状态下的气动效率的作用。

优势：安全性更高，避免了暴露的旋翼桨叶带来的风险；噪音显著低于开放式旋翼，更符合城市环境对安静飞行的要求。

挑战：涵道增加了额外的结构重量；在高速巡航时，涵道外壁会产生附加阻力，可能影响巡航效率。

 

1.3.3 倾转分布式动力

这是随着分布式电推进技术兴起的新型构型。它不是在机翼两端布置少数大尺寸倾转单元，而是在机翼前缘或后缘分布式布置多个小尺寸的电动力单元（电机驱动螺旋桨或涵道风扇）。这些动力单元可独立或分组进行倾转。

优势：分布式布局带来了革命性的气动收益，通过主动流量控制，能够延缓机翼失速、增加升力、降低阻力。多个动力单元提供了极高的冗余安全性，单一单元失效对飞行安全影响较小。控制灵活性极高，可通过差动推力实现多种控制功能。

挑战：系统高度复杂，涉及大量电机、电调、倾转作动器的协同控制；配电、散热和能源管理难度大。

 

二、垂直起降固定翼无人机技术发展趋势

由国内外垂直起降固定翼无人机技术方案发展现状可以看出，更高的飞行速度、更长的续航时间、更强的任务载荷能力将是未来垂直起降固定翼无人机技术的必然趋势。综合来看，倾转旋翼式和尾座式已成为当前国内外军民用垂直起降固定翼无人机的主流，在已有成果的基础上进一步追求高效悬停、高速和远程能力是近期垂直起降固定翼无人机技术研发的主要任务。此外，出于分布式电推进技术的诸多利好特性，发展基于分布式电推进的高速垂直起降固定翼无人机技术或将成为未来航空领域新热点，而随着分布式电推进技术在飞行器总体/动力/气动/控制等方面潜力的深入挖掘，探索垂直起降固定翼无人机新构型、新原理十分必要。综上，未来垂直起降固定翼无人机技术发展的趋势可以主要概括为以下三个方面。

（1） 倾转旋翼式和尾座式已成为垂直起降固定翼无人机主流构型

垂直起降固定翼无人机因无需考虑飞行员的生理极限、生命保障等多种问题，其布局形式十分灵活且极具创造力，目前国内外在研的就有多种构型，其中以倾转旋翼式和尾座式最具代表性。然而，未来战场对垂直起降固定翼无人机快速响应能力、快速到达能力要求必然极高，而现有倾转旋翼式和尾座式垂直起降固定翼无人机技术尚无法满足应用需求，因此需要在已有成果的基础上进一步追求高效悬停、高速和远程能力，主要在先进旋翼系统设计、旋翼/机翼气动干扰、高可靠倾转传动系统技术、系统建模技术、飞行控制技术等方面进行突破创新。

 

（2） 基于分布式电推进的高速垂直起降固定翼无人机技术或将成为未来航空领域新热点

随着2016年VXP项目中极光公司“雷击”方案的胜出，“分布式电推进技术”已经成为近几年航空领域发展新热点。该项技术将飞行器总体、动力、气动等进行综合，充分利用了电推进动力单元高可靠、易分配、尺度无关特性，省去了不必要的传动机械，简化全机设备布置，有效提高了无人机的气动特性，被认为是下一代航空器设计最具潜力的动力布局形式。

首先，与传统动力形式相比，分布式电推进系统具有增加载运量，提高升阻比以及降低油耗、尾气排放量和低噪声等优势。空客、NASA等均对分布式电推进系统在未来民用客机上的应用进行了分析研究，研究结果表明：分布式电推进系统可以按照需求对机翼升力分布进行调整，如在巡航阶段实现椭圆形升力分布，从而使飞机具有更良好的气动效率等。其次，分布式电推进系统可以通过差量控制实现动力的矢量运转，控制模式更多样和直接。最后，分布式电推进系统与全机融合度高，采用多个小尺寸动力单元不会引起重量的增加，且单个动力在较宽的转速范围内都能保持较高效率，极大地提升了飞行器设计空间。

总体来说，分布式电推进技术在飞机总体、气动、动力、控制上已展示出无可比拟的潜力，如GL-10“闪电”、XV-24“雷击”垂直起降固定翼无人机等均为分布式电推进技术发展的产物。通过分布式电推进系统与垂直起降固定翼无人机的有效结合，可以获得以下优势：提高巡航效率，增大航时、航程；减小垂直起降和巡航平飞阶段需用功率之间差异，实现动力/气动最优匹配；增强飞行控制能力，提高控制冗余度和鲁棒性。因此，基于分布式电推进的髙速垂直起降固定翼无人机技术或将成为未来航空领域的研究热点方向，尽快发展基于分布式电推进的总体/动力/气动/控制综合设计技术、高性能轻量化电机驱动技术等势在必行。

电力系统技术始终是支撑分布式电推进技术发展的重要基础，如何研究出可靠性更高、效率更高、质量更轻的分布式电推进系统是使得该类飞机真正走上实用的关键。分布式电推进飞机的分布式动力与机体耦合程度更高，气动干扰尤为显著，只有依据分布式电推进动力/气动强耦合特征开展特种布局总体设计技术研究，才可以最大程度发挥分布式电推进垂直起降的性能和优势。基于分布式电推进的髙速垂直起降固定翼无人机控制系统设计也极具革新，分布式动力配置为飞行器高效控制带来了更高的设计自由度，而通过与传统气动舵面的联动也可以取得更优的控制效果，研究探索出适用于该类无人机的分布式控制系统设计方法迫在眉睫。

 

（3） 需加强对垂直起降固定翼无人机新构型、新原理的探索研究

无论哪种垂直起降构型方案，只要是完全依靠发动机推力来提供上升力，就要求无人机动力推力与重量之比（推重比）至少大于1，而在固定翼飞行模式下，需用推重比一般在0.1~0.3左右，这导致两种飞行模式的需用推力（发动机需用功率）相差近5倍，由此带来垂直起降/巡航双模态发动机功率不匹配、巡航状态动力极度富余、发动机无法工作在最佳状态的根本性问题，而若要突破这一桎梏，就需要以“最小动力代价”实现垂直起降，这是传统垂直起降固定翼飞行器设计面临的挑战性问题。

自20世纪40年代以来，设计人员就已经开始探讨各种有利于垂直/短距起降的新构型和新原理，如半环形机翼—螺旋桨构型、外部吹气襟翼构型、环量控制技术、扇翼飞行器技术、前缘异步螺旋桨技术等，尽管现有理论方法和数值模拟技术始终无法对一些复杂构型的流动机理、气动力特性等作出较好的描述和预测，但相关研究结果表明，动力部件与机翼的高效耦合可以有效提高动力部件向大气环境内注入能量的利用率，将其应用于垂直起降潜力巨大。

因此，随着计算机技术和实验技术的快速发展，以及国内外对分布式电推进技术在飞行器总体/动力/气动/控制等方面潜力的深入挖掘，进一步加强对垂直起降固定翼无人机新构型、新原理的探索性研究，突破垂直起降完全依靠动力推力的限制很有必要。

 

三、油电混合动力系统技术详解

为突破纯电动的续航限制，同时避免传统燃油直升机效率低、噪音大、排放高的缺点，油电混合动力系统成为目前重型、长航时垂直起降固定翼无人机最具现实可行性的解决方案。

3.1 系统构型与工作原理

常见的方案是增程式油电混合系统。该系统主要由涡轮轴发动机或活塞发动机（作为燃油发电机）、发电机、储能电池组、电力分配系统以及驱动电机/螺旋桨的电力推进单元组成。

在垂直起飞、爬升和过渡阶段，这些飞行阶段需要瞬时大功率。此时，电池组和燃油发电机可共同输出功率（“油电协同”），满足峰值动力需求，例如星汉一号HW450H在此模式下推力比纯电方案提升35%。

在高速巡航阶段，这是飞行中持续时间最长的状态，所需功率相对平稳且低于峰值。系统可以切换至燃油发电机单独工作的模式，以最佳燃油经济性转速运行，一方面为推进电机供电，另一方面为电池组充电，补充前期消耗的能量。在低噪音要求的城市区域，甚至可以短时切换至纯电池驱动模式。在降落阶段，可再次调用电池功率辅助，确保安全冗余。

3.2 技术优势与价值

显著提升航程与续航：燃油的高能量密度彻底解决了“航程焦虑”，使无人机能够执行数百公里距离的运输、巡逻等任务。研究显示，通过合理的参数匹配和能量管理策略，混合动力系统能确保电池荷电状态在飞行中保持稳定，满足全航程功率需求。

增强环境适应性与任务可靠性：混合动力系统在高原、高寒等恶劣环境下性能衰减远小于纯内燃机或受低温影响的电池。例如，HW450H在6000米高原动力仅衰减10%，在零下30度可一键启动。

优化经济性：混合动力通过让发动机持续工作在高效区间，并结合电池的“削峰填谷”作用，大幅降低了吨公里运营成本。HW450H宣称其吨公里成本仅为2.7元，是传统直升机的1/20，展现了颠覆性的经济优势。

保留电动化的优点：保留了电驱动带来的控制精准、响应快速、维护相对简便的优点。

3.3 设计关键：参数匹配与能量管理

混合动力系统设计的核心是参数匹配与能量管理策略。参数匹配需要根据无人机的总体设计指标（起飞重量、载荷、航程、航时、爬升率、巡航速度等），通过建模与仿真，科学地确定发动机的功率、发电机的容量、电池组的能量与功率、电机的功率等关键部件的规格，在性能、重量和成本间取得最优平衡。

能量管理策略则是系统的“大脑”，它基于飞行任务剖面，实时决策发动机的启停、功率分配以及电池的充放电状态，目标是最大化燃油经济性、保障系统安全并延长部件寿命。常用的策略包括基于规则的（如恒功率控制）、基于优化算法的（如瞬时最优、全局最优）等，通常需要通过MATLAB/Simulink等工具进行建模仿真验证。

 

四、结论与展望

垂直起降固定翼无人机技术的发展，正处在一个多技术路线并行探索、性能边界不断突破、并与低空经济产业深度融合的历史性阶段。

构型融合与创新并存：短期内，技术成熟的升推复合式将继续在特定市场广泛应用；倾转旋翼式和尾座式因其优异的综合性能，仍是军民用高端平台的主流研究方向。长远看，基于分布式电推进的新构型将引领下一代高速、高效垂直起降飞行器的设计革命。

动力系统多元化演进：动力系统将呈现纯电动、混合动力（油电/氢电）多元发展格局。纯电动是城市短途空中交通的终极绿色解决方案，但其发展取决于电池技术的根本性突破。油电混合动力是目前实现重载、长航时任务最务实和高效的选择，已展现出强大的商业竞争力。氢燃料电池混合动力则代表了更清洁的远期方向，是实现零排放长航时的潜在路径。

智能化与集群化深度集成：人工智能、5G/5G-A通信、高精度导航技术的发展，将使垂直起降固定翼无人机不仅是一个飞行平台，更是智能空中节点。未来的发展趋势是高度自主化（全自主起降、巡航、避障）、网络化（多机协同、集群作业）和任务自适应化（通过模块化载荷快速切换功能）。

产业化进程任重道远：技术的成熟不等于产业的成熟。全行业必须清醒认识到，适航认证的严苛性、量产工程的复杂性和商业模式的可持续性，是比技术研发本身更为艰巨的挑战。需要技术开发者、监管机构、资本方和基础设施运营商的长期共同努力，才能将这片充满想象力的天空，真正转化为安全、高效、经济的低空运输新维度。

最终，垂直起降固定翼无人机技术的进步，不仅是航空器本身的进化，更是人类利用三维空间方式的一次深刻变革，它将与其他交通方式共同编织成立体化、网络化、智能化的未来综合交通体系。

&注：此文章内使用的及部分文字内容来源网络，仅供参考使用，如侵权可联系我们删除，如需进一步了解公司产品及商务合作，请与我们联系！！

湖南泰德航空技术有限公司于2012年成立，多年来持续学习与创新，成长为行业内有影响力的高新技术企业。公司聚焦高品质航空航天流体控制元件及系统研发，深度布局航空航天、船舶兵器、低空经济等高科技领域，在航空航天燃/滑油泵、阀元件、流体控制系统及航空测试设备的研发上投入大量精力持续研发，为提升公司整体竞争力提供坚实支撑。

公司总部位于长沙市雨花区同升街道汇金路877号，株洲市天元区动力谷作为现代化生产基地，构建起集研发、生产、检测、测试于一体的全链条产业体系。经过十余年稳步发展，成功实现从贸易和航空非标测试设备研制迈向航空航天发动机、无人机、靶机、eVTOL等飞行器燃油、润滑、冷却系统的创新研发转型，不断提升技术实力。

公司已通过 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015质量管理体系认证，以严苛标准保障产品质量。公司注重知识产权的保护和利用，积极申请发明专利、实用新型专利和软著，目前累计获得的知识产权已经有10多项。湖南泰德航空以客户需求为导向，积极拓展核心业务，与国内顶尖科研单位达成深度战略合作，整合优势资源，攻克多项技术难题，为进一步的发展奠定坚实基础。

湖南泰德航空始终坚持创新，建立健全供应链和销售服务体系、坚持质量管理的目标，不断提高自身核心竞争优势，为客户提供更经济、更高效的飞行器动力、润滑、冷却系统、测试系统等解决方案。