垂直起降固定翼無人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)分析

高洪波 蘇周 張兆海

摘 ? 要：無人機(jī)種類眾多，各有特點(diǎn)。如固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、撲翼機(jī)，各種機(jī)型層出不窮。不同的機(jī)型，根據(jù)其自身特點(diǎn)，應(yīng)用場(chǎng)合也略有不同。而垂直起降固定翼作為其中重要的組成部分，其發(fā)展非常迅速。本文概述了目前常見無人機(jī)類型及特點(diǎn)，介紹了垂直起降固定翼無人機(jī)的最新發(fā)展，闡述了該機(jī)型所擁有的優(yōu)勢(shì)以及未來的發(fā)展趨勢(shì)，并從人類研發(fā)無人機(jī)的初衷出發(fā)，展望了無人機(jī)未來的發(fā)展。希望可以為無人機(jī)的發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：無人機(jī) ?垂直起降 ?固定翼

中圖分類號(hào)：V221.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（a）-0232-02

隨著無人技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)在世界各國軍民領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用越來越廣泛。像我國自主品牌“大疆”無人機(jī)的應(yīng)用已深入航拍、測(cè)繪、偵察、電力巡線等各個(gè)領(lǐng)域。固定翼無人機(jī)以其空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)，相對(duì)載重更大，能耗更少，續(xù)航時(shí)間更長，可以實(shí)現(xiàn)長航時(shí)遠(yuǎn)距離任務(wù)需求，因此其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。人類研發(fā)無人機(jī)的初衷是追求更加智能、便捷，不管是軍用還是民用領(lǐng)域，永遠(yuǎn)都不會(huì)排斥使用方便、性能優(yōu)越的無人機(jī)。近些年，垂直起降固定翼無人機(jī)逐漸映入人們眼簾。這種機(jī)型，融合了旋翼無人機(jī)對(duì)起降場(chǎng)地依賴小和固定翼無人機(jī)飛行效率高的優(yōu)點(diǎn)。

1 ?無人機(jī)機(jī)型類別及特點(diǎn)

無人機(jī)按照機(jī)型不同，目前常見類型主要包括固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、多旋翼無人機(jī)。其中無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)都是靠螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，克服無人機(jī)自身重力實(shí)現(xiàn)飛行。因此都屬于旋翼機(jī)類型。顯然旋翼機(jī)型的螺旋槳產(chǎn)生的升力必須大于其自身重力，因而其能耗很高，一般飛行時(shí)間較短，航程比較近。優(yōu)點(diǎn)是可以懸停，容易操控。

而固定翼無人機(jī)，是根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理來設(shè)計(jì)機(jī)翼的形狀，靠動(dòng)力裝置產(chǎn)生推力或者拉力，使無人機(jī)獲得一定速度后，會(huì)導(dǎo)致空氣在飛機(jī)上下表面的壓力不同，進(jìn)而產(chǎn)生升力，其升力主要來源于固定的機(jī)翼。顯然，有速度才有升力，因而固定翼無人機(jī)是不能夠懸停的。由于其推重比可以小于1，所以相對(duì)能耗不高，飛行速度可以更快，飛行時(shí)間可以更長。主要缺點(diǎn)是不容易操控。

2 ?垂直起降固定翼無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

垂直起降（Vertical Take-Off and Landing）一般簡稱VTOL，垂直起降固定翼無人機(jī)，是指具有固定機(jī)翼，又能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降的無人機(jī)，它融合了旋翼和固定翼的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 傾轉(zhuǎn)旋翼垂直起降無人機(jī)

由美國貝爾公司研制的"鷹眼"傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)，是早期研發(fā)的一款典型的垂直起降固定翼飛機(jī)，但該飛機(jī)后因成本問題被束之高閣。同樣由該公司研制的V-280有人機(jī)，作為第三代傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，是為美國陸軍“未來垂直起降飛行器（FVL）”計(jì)劃所專門打造的機(jī)型。

2018年11月舉辦的珠海航展上，由航天十一院研發(fā)的彩虹-10無人傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，如圖1所示，同樣是采用第三代傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器技術(shù)，展示了我國對(duì)無人傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的研發(fā)能力。

誠然，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)制使得“垂直起降”和“固定翼速度”能二者兼得，但其復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)、對(duì)材料、飛控乃至發(fā)動(dòng)機(jī)的苛刻要求使得價(jià)格極高。

2.2 旋翼固定翼復(fù)合式垂直起降無人機(jī)

由美國洛克希德·馬丁公司制造的一款商用混合動(dòng)力無人機(jī)“追蹤者”XE（Stalker XE），如圖2所示，是一款使用燃料電池和鋰離子電池混合驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)無人機(jī)，2011年，洛克希德·馬丁公司報(bào)告，Stalker XE經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，其飛行時(shí)間達(dá)8h。2018年，在佛羅里達(dá)州坦帕市舉行的特種作戰(zhàn)部隊(duì)行業(yè)展銷會(huì)（SOFIC）上，洛克希德·馬丁公司宣布其Stalker XE無人機(jī)已經(jīng)增加了垂直起飛和著陸（VTOL）能力，如圖2（b）所示，將為用戶提供更大的任務(wù)靈活性，使無人機(jī)可以用于更嚴(yán)苛的環(huán)境中。

這種無人機(jī)和傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)完全不同，它是在保留原有固定翼動(dòng)力裝置的基礎(chǔ)上，額外增加一套四旋翼動(dòng)力裝置，相當(dāng)于采用了兩套動(dòng)力裝置。在起降階段采用旋翼裝置，在巡航階段采用常規(guī)固定翼動(dòng)力裝置飛行。由于兩套裝置相互獨(dú)立，其關(guān)鍵技術(shù)在于解決兩種模式之間的順利轉(zhuǎn)換。

3 ?垂直起降固定翼無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展趨勢(shì)

垂直起降固定翼無人機(jī)，克服了旋翼無人機(jī)的航程和航速始終受限的通病，又?jǐn)[脫了常規(guī)固定翼無人機(jī)發(fā)射與回收方式繁瑣且不夠穩(wěn)定、對(duì)人員要求較高的缺點(diǎn)。這種特點(diǎn)很好地契合了人們對(duì)無人機(jī)更加智能便捷、載重更大、能耗更少、續(xù)航時(shí)間更長、使用范圍更廣的期待。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，使得世界各國對(duì)垂直起降固定翼無人機(jī)的重視程度越來越高，各無人機(jī)公司也紛紛開始研發(fā)各種垂直起降固定翼無人機(jī)。

隨著飛控技術(shù)的發(fā)展，垂直起降固定翼無人機(jī)在模式轉(zhuǎn)換階段越來越平滑、可靠。而且一些開源飛控也已經(jīng)加入垂直起降固定翼機(jī)型，使大眾可以自行設(shè)計(jì)制作或者進(jìn)行改造。隨著小型化技術(shù)的不斷發(fā)展，垂直起降固定翼無人機(jī)的尺寸可以做到更小。小型無人機(jī)以其獨(dú)特的重量優(yōu)勢(shì)，逐漸開始具備大型無人機(jī)所特有的軍事能力，并且能夠極大地節(jié)省費(fèi)用。垂直起降固定翼無人機(jī)的用途也因此變得更加廣泛。隨著電池技術(shù)的推進(jìn)，采用燃料電池或者混合動(dòng)力電池供電技術(shù)，使垂直起降固定翼無人機(jī)在原有的基礎(chǔ)上，續(xù)航時(shí)間更長，飛行性能得到大幅度提升，勝任場(chǎng)合變得更多。

4 ?結(jié)語

無人機(jī)的發(fā)展速度之快是無法想象的，無人機(jī)的應(yīng)用已深入各個(gè)領(lǐng)域。隨著選擇越來越多，經(jīng)過不斷的沉淀后，最好用的機(jī)型終究會(huì)浮出水面?？梢钥闯觯怪逼鸾倒潭ㄒ頍o人機(jī)的優(yōu)勢(shì)明顯，也越來越智能，其推廣速度也越來越快。隨著世界各國對(duì)垂直起降固定翼無人機(jī)的充分重視及進(jìn)一步研發(fā)，垂直起降固定翼無人機(jī)極有可能成為未來無人機(jī)的主要機(jī)型選擇，占據(jù)無人機(jī)市場(chǎng)的龍頭地位。

參考文獻(xiàn)

[1] 林碩威，吳湘蓮，樓平，等.一種新型固定翼無人機(jī)的研制[J].電子制作，2019（7）：91-92，84.

[2] 劉俊龍. 推力換向式垂直起降無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017.

[3] 劉凱，葉賦晨.垂直起降飛行器的發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)分析[J].航空工程進(jìn)展，2015，6（2）：127-138，159.