垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)應(yīng)用與展望

王健

一、背景介紹

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)的日益成熟與行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，并且廣泛服務(wù)于民用、軍事等多個(gè)領(lǐng)域。

統(tǒng)計(jì)資料顯示，截至2021年6月底，我國(guó)無(wú)人機(jī)的注冊(cè)量已突破64萬(wàn)臺(tái)，比去年同期高出了52%，操作人員超過(guò)10萬(wàn)。全國(guó)共有無(wú)人機(jī)通用航空企業(yè)1.14萬(wàn)家，運(yùn)營(yíng)商用無(wú)人駕駛航空器超過(guò)14萬(wàn)架，同比分別增長(zhǎng)38.6%和26.7%。根據(jù)2019年的資料，我國(guó)工業(yè)無(wú)人機(jī)整機(jī)市場(chǎng)規(guī)模（按訂單統(tǒng)計(jì)）為50.62億元（不包含無(wú)人機(jī)服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模），其中垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)整機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為5.12億元，占無(wú)人機(jī)整機(jī)市場(chǎng)規(guī)模比例為10.12%。面對(duì)廣闊的市場(chǎng)前景和相對(duì)較小的市場(chǎng)份額，垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)仍然有很大的發(fā)展空間。

垂直起降（vertical takeoff and landing ，VOTL）固定翼無(wú)人機(jī)是以直升機(jī)方式垂直起降，并能以固定翼方式前飛的無(wú)人飛行器。該種無(wú)人機(jī)一般在兩側(cè)機(jī)翼中部的前后方各設(shè)置一個(gè)定距螺旋槳，提供垂直起降所用升力，機(jī)身頭部或尾部設(shè)置一個(gè)推進(jìn)螺旋槳，提供平飛巡航階段的推力。在平飛階段，機(jī)翼位置的四個(gè)螺旋槳將停轉(zhuǎn)并固定在最小阻力位置，從而降低平飛階段的阻力。與多旋翼無(wú)人機(jī)相比，垂起固定翼無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，航程遠(yuǎn);和無(wú)人直升機(jī)相比，垂直起降無(wú)人機(jī)前飛速度快、航程遠(yuǎn)，同時(shí)造價(jià)和飛控難度較低;與固定翼無(wú)人機(jī)相比，垂直起降無(wú)人機(jī)對(duì)跑道無(wú)依賴，能夠定點(diǎn)懸停。因此，這種兼具優(yōu)秀懸停能力、長(zhǎng)巡航速度與航程的無(wú)人機(jī)，在市場(chǎng)化應(yīng)用方面蘊(yùn)含著巨大需求。

二、主要應(yīng)用

在目前的技術(shù)條件下，該型無(wú)人機(jī)主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。

（1）日常物資運(yùn)輸

中國(guó)地域遼闊，地跨北溫帶、亞熱帶地區(qū)，有高原、平原、盆地、山區(qū)、島礁，地形復(fù)雜多變。在廣大的偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于道路通行條件較差，汽車成本較高，單純依靠人力運(yùn)輸?shù)托ｋU(xiǎn)，在有河流、溝壑、海洋阻隔時(shí)更是無(wú)法開展運(yùn)輸工作。因此，亟需一種方便、快捷并且效率較高的運(yùn)輸工具，完成重要物資和對(duì)于時(shí)效性要求比較高的物資的運(yùn)輸工作。垂直起降無(wú)人機(jī)充分利用了自身起降方便、對(duì)場(chǎng)地要求低的特點(diǎn)，利用空中運(yùn)輸這一最有效、直接的運(yùn)輸方式，克服地形、距離、時(shí)效的限制，完成運(yùn)輸工作。

（2）重大突發(fā)事件和自然災(zāi)害緊急響應(yīng)

中國(guó)是一個(gè)自然災(zāi)害高發(fā)的國(guó)家，在中國(guó)西南地區(qū)和山區(qū)，滑坡、泥石流等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生;在西北接沙漠和高原地區(qū)，多風(fēng)沙風(fēng)暴;在東南與西南邊境，由于處于環(huán)太平洋地震帶和西太平洋熱帶海域，地震與臺(tái)風(fēng)災(zāi)害頻發(fā)。重大自然災(zāi)害給中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民的財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了重大損失，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和緊急救援就顯得尤為重要。

當(dāng)?shù)卣稹⒑樗?、泥石流等?zāi)害發(fā)生時(shí)，地表情況相比之前會(huì)發(fā)生重大改變。特別是當(dāng)通訊道路被阻，導(dǎo)致道路、信息等不暢時(shí)，會(huì)給之后的救災(zāi)行動(dòng)造成巨大影響。垂直起降無(wú)人機(jī)對(duì)起降場(chǎng)地要求低，行動(dòng)靈活，可以有效開展救援和災(zāi)后影像獲取任務(wù)。當(dāng)災(zāi)難發(fā)生，救援部隊(duì)難以直接接觸被困人員時(shí)，給被困人員投送水、食物、藥品等必要物資也十分重要。

（3）國(guó)土資源環(huán)境調(diào)查和測(cè)繪

中國(guó)是土地資源大國(guó)，土地資源總量位于世界第三位，僅次于俄羅斯和加拿大，但同時(shí)又是人均占有資源量最小的國(guó)家之一，這一基本國(guó)情迫切需要非常精細(xì)及時(shí)的土地管理。測(cè)繪無(wú)人機(jī)已常態(tài)化應(yīng)用在土地確權(quán)、基礎(chǔ)測(cè)繪、土地資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)字城市建設(shè)、應(yīng)急救災(zāi)測(cè)繪等領(lǐng)域。垂直起降無(wú)人機(jī)除具有垂直起降功能外，還具有定點(diǎn)懸停能力，可以對(duì)地勢(shì)資源進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和測(cè)繪。

（4）警方執(zhí)法和國(guó)家安全事業(yè)

隨著國(guó)際和周邊局勢(shì)的日趨復(fù)雜，對(duì)于沿海走私、邊境偷渡、重點(diǎn)地區(qū)安全防控等方面態(tài)勢(shì)感知的需求愈加迫切，使用無(wú)人機(jī)從空中進(jìn)行實(shí)時(shí)情況的獲取往往是最為高效的一種方式。由于場(chǎng)地和資金的限制，在邊境、沿海、島礁、中小型艦艇上布置跑道供無(wú)人機(jī)起降往往難以實(shí)現(xiàn)。一般情況下，載重15kg的垂直起降無(wú)人機(jī)僅需要5m×5m的平整地面即可完成起降，不需要起降場(chǎng)地的支持，較好的契合了安全防控的需求。國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有部分地區(qū)的緝私部門，使用垂直起降無(wú)人機(jī)完成了對(duì)走私快艇“大飛”的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與追捕，取得了良好效果。

三、未來(lái)發(fā)展思考

雖然垂直起降無(wú)人機(jī)有以上種種優(yōu)點(diǎn)，但相比較于其他空中運(yùn)輸方式，它仍然存在一些亟待改進(jìn)的缺點(diǎn)，需要技術(shù)的發(fā)展對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

（1）氣動(dòng)性能差，飛行效率低

垂直起降無(wú)人機(jī)在機(jī)翼兩側(cè)設(shè)置連桿并安置起降螺旋槳，在平飛過(guò)程中，連桿和起降螺旋槳面對(duì)空氣來(lái)流，無(wú)法產(chǎn)生有效的升力，反而會(huì)增加系統(tǒng)風(fēng)阻，對(duì)氣動(dòng)性能產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，起降機(jī)械裝置和相關(guān)能源供應(yīng)系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)平飛過(guò)程中都會(huì)作為系統(tǒng)“死重”存在，大大減小了系統(tǒng)飛行效率。

（2）載荷重量小

該型無(wú)人機(jī)在起降過(guò)程中會(huì)受到側(cè)風(fēng)的較大影響，為了保證過(guò)程的平穩(wěn)安全，對(duì)于各螺旋槳的轉(zhuǎn)速需要快速和精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)。通過(guò)油機(jī)油門開度來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)速，其精度和反饋速度均無(wú)法達(dá)到使用要求。在此情況下，使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳、電調(diào)控制轉(zhuǎn)速、鋰電池為起降系統(tǒng)供電無(wú)疑是最合理的選擇。這些相關(guān)系統(tǒng)，特別是起降用鋰電池，將會(huì)大大侵占有效載荷重量。以不含燃油重量為45kg的垂直起降無(wú)人機(jī)為例，其起降螺旋槳、電機(jī)、電調(diào)和起降電池的總重量為15kg，載荷重量?jī)H為8kg，起降相關(guān)裝置大大侵占了系統(tǒng)有效重量。

（3）控制難度高

垂直起降無(wú)人機(jī)在多旋翼狀態(tài)和固定翼狀態(tài)之間存在多次相互轉(zhuǎn)換，兩種模式之間控制頻率、控制結(jié)構(gòu)、控制方案、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器使用方式都不一樣，兩種控制結(jié)構(gòu)切換過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生抖振等影響控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素。因此需要專門的控制算法，對(duì)于兩種模式和模態(tài)轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行控制。

為了克服這些不足，在后續(xù)的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品迭代過(guò)程中，垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)正在向多元化的動(dòng)力、智能化的系統(tǒng)、多樣化的布局以及合理化的尺寸等方向持續(xù)改進(jìn)。燃料電池、液態(tài)燃料等新型能源的應(yīng)用研究，進(jìn)一步增強(qiáng)無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力;計(jì)算芯片的高性能和小型化設(shè)計(jì)，遇到緊急情況可以快速解算，提高安全性;將旋翼與飛翼、聯(lián)合翼、環(huán)形翼面等布局方式相結(jié)合，進(jìn)一步優(yōu)化氣動(dòng)布局，也能夠改進(jìn)無(wú)人機(jī)飛行性能，節(jié)省燃油，提高巡航速度并增加續(xù)航時(shí)間。相信通過(guò)技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)市場(chǎng)的普及，垂直起降無(wú)人機(jī)必將在未來(lái)的航空市場(chǎng)中發(fā)揮愈加重要的作用。