作者：北京航空航天大學(xué)機(jī)器人所 卜亮亮 來源：創(chuàng)衡控制
如何找到一種既能垂直起降又具備較長續(xù)航時(shí)間的無人機(jī)，這一直是無人機(jī)市場的痛點(diǎn)問題，也是人們一直在思考的問題。在該需求的推動(dòng)下，人們從動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、飛行器布局等方面提出了很多方案。首先在動(dòng)力方面，國內(nèi)外均提出了油動(dòng)多旋翼或是油電混合多旋翼的概念，通過汽油發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)旋翼或是通過發(fā)電機(jī)將汽油化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能提供給旋翼進(jìn)而提升多旋翼無人機(jī)續(xù)航時(shí)間；其次在結(jié)構(gòu)方面，有人提出在多旋翼機(jī)體外部增加流線型外型，使其在前飛過程中起到增升減阻的作用，但實(shí)際效果并不太顯著。
而在飛行器布局方面，國內(nèi)外研究人員均提出大量兼具垂直起降能力與長續(xù)航能力的設(shè)計(jì)方案。其中包括傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)、尾座式無人機(jī)、復(fù)合式無人機(jī)以及涵道式無人機(jī)等。四者既有相同點(diǎn)又有不同點(diǎn)，相同點(diǎn)是四者綜合了固定翼長續(xù)航能力與旋翼無人機(jī)垂直起降能力的優(yōu)點(diǎn)，不同點(diǎn)則是其實(shí)現(xiàn)方式不一致，傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)是通過將旋翼軸線傾轉(zhuǎn)90°為固定翼提供動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)的改變；尾座式無人機(jī)通過改變飛行器的飛行姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)的改變；復(fù)合式無人機(jī)以及涵道式無人機(jī)均是通過操縱不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)飛行模態(tài)的改變。
傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器在保證固定翼高速巡航的前提下，兼具旋翼飛行器的垂直起降能力，起降受場地限制較小，有很高的靈活性，在軍事方面具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。傾轉(zhuǎn)旋翼的設(shè)計(jì)概念提出時(shí)間很早，早在上個(gè)世紀(jì)三四十年代就已經(jīng)有傾轉(zhuǎn)旋翼的設(shè)計(jì)方案。早期的設(shè)計(jì)方案一般是雙旋翼類型的傾轉(zhuǎn)旋翼，即在機(jī)翼兩端安裝旋翼系統(tǒng)，內(nèi)部通過渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)旋翼系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)部分可以繞著機(jī)翼軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)處于垂直起降模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)向上，過渡到固定翼模式飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)向前傾轉(zhuǎn)，提供固定翼水平向前動(dòng)力，如圖所示。
圖1 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)
美國早在上個(gè)世紀(jì)四十年代開始對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)進(jìn)行研究，但其發(fā)展過程中十分曲折。1955年，美國貝爾公司成功研制傾轉(zhuǎn)旋翼原型樣機(jī)XV-3，采用兩臺(tái)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼兩側(cè)，通過變速箱與傳動(dòng)軸分別驅(qū)動(dòng)兩副旋翼系統(tǒng)，1958年12月成功完成兩副旋翼系統(tǒng)傾轉(zhuǎn)飛行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了傾轉(zhuǎn)旋翼概念的可行性，如圖所示。
圖2 XV-3 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)
美國先后繼續(xù)研制出XV-15，V-22等系列傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，其中V22在機(jī)翼兩端各有一可變向的旋翼推進(jìn)轉(zhuǎn)置，各包含渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)及三槳葉組成的旋翼，整個(gè)推進(jìn)裝置可以在向上到向前之間轉(zhuǎn)動(dòng)變向，產(chǎn)生向上或向前的推力，分別用于直升機(jī)垂直起降或懸停以及固定翼飛行階段。V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是世界上第一種投入使用的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，如圖所示。
圖3 V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)
傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)的發(fā)展較晚，在上個(gè)世紀(jì)90年代美國貝爾公司基于V22“魚鷹”有人駕駛傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的基礎(chǔ)開始研制“鷹眼”無人機(jī)，外形上類似于傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)，使用機(jī)翼兩端的兩旋翼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的垂直起降與固定翼巡航，主要用于海事巡邏，機(jī)長5.18米，翼展4.6米，最高飛行速度可達(dá)388公里/小時(shí)，飛機(jī)重量1.3噸，載重量90-130千克，如圖所示。
圖4 鷹眼傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)
但是雙旋翼傾轉(zhuǎn)旋翼在垂直起降模式下，由于螺旋槳位于機(jī)翼的翼尖上方，旋翼產(chǎn)生的下洗氣流不僅降低了旋翼的有效升力，而且也會(huì)影響飛行器的穩(wěn)定性，增加了控制難度。此外雙旋翼的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，需要對(duì)螺旋槳進(jìn)行機(jī)械變距實(shí)現(xiàn)垂直起降模式下的飛行器的穩(wěn)定控制。
四旋翼飛行器具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便等優(yōu)點(diǎn)，使用四旋翼代替原來的雙旋翼結(jié)構(gòu)可以減少雙旋翼類型的傾轉(zhuǎn)旋翼中氣動(dòng)干擾的問題，同時(shí)也避免了雙旋翼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以控制的缺點(diǎn)。
傾轉(zhuǎn)旋翼（四旋翼）無人機(jī)具有三種飛行模式：四旋翼飛行模式、傾轉(zhuǎn)過渡飛行模式、固定翼飛行模式。四旋翼飛行模式主要使用在無人機(jī)垂直起降過程中，一是爬升高度準(zhǔn)備切換固定翼飛行，二是垂直降落結(jié)束飛行；傾轉(zhuǎn)過渡飛行模式可以具體細(xì)分兩個(gè)階段，一是旋翼軸向前傾轉(zhuǎn)，由四旋翼模式切換至固定翼模式，二是旋翼軸向上傾轉(zhuǎn)，由固定翼模式切換至多旋翼模式；固定翼飛行模式是飛行器巡航工作的飛行模式，在此模式下，飛行器巡航速度快，續(xù)航時(shí)間長，能夠充分完成飛行任務(wù)。傾轉(zhuǎn)過渡飛行模式是傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)飛行過程中最為核心的環(huán)節(jié)，在旋翼傾轉(zhuǎn)過程中，不僅改變了飛行器整體的受力狀態(tài)，而且飛行器的控制模式、執(zhí)行機(jī)構(gòu)均隨之變化，極易導(dǎo)致飛行器異常甚至墜機(jī)，因此保證飛行器在傾轉(zhuǎn)過渡過程中姿態(tài)平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)四旋翼模式與固定翼模式之間平滑穩(wěn)定的切換，是研究重點(diǎn)難點(diǎn)。
黑豹是以色列航空工業(yè)公司研制生產(chǎn)的新一代傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)，黑豹屬于傾轉(zhuǎn)三旋翼布局，其中在機(jī)翼兩端各有一可傾轉(zhuǎn)的旋翼結(jié)構(gòu)，可在向上與向前之間傾轉(zhuǎn)，尾部安裝有可左右偏轉(zhuǎn)的旋翼結(jié)構(gòu)，起降過程中，通過三旋翼垂直向上提供升力，穩(wěn)定姿態(tài)與航向；正常巡航時(shí)，位于機(jī)翼兩側(cè)的旋翼傾轉(zhuǎn)至向前提供前飛動(dòng)力，以固定翼模式進(jìn)行巡航飛行。黑豹無人機(jī)起飛重量65千克左右，可以更換模塊化機(jī)翼，有2米，6米，8米等多種翼展的機(jī)翼可供選擇，在使用6米翼展機(jī)翼時(shí)，能攜帶8千克設(shè)備飛行6小時(shí)，如圖所示。
圖5 黑豹傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)
Songbrid1400是由德國AeroLution公司研發(fā)制造的一種傾轉(zhuǎn)四旋翼布局無人機(jī)，這款飛行器是結(jié)合固定翼飛行器與四旋翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)，在固定翼飛行器的機(jī)翼上增加四旋翼機(jī)構(gòu)，在機(jī)翼兩側(cè)分別各有兩旋翼結(jié)構(gòu)與機(jī)翼通過可變形軸連接，前部旋翼軸可向下旋轉(zhuǎn)，后部旋翼軸可向上旋轉(zhuǎn)。起降過程中，四旋翼結(jié)構(gòu)垂直向上，提供向上升力；當(dāng)切換至固定翼時(shí)，Songbrid飛行器首先上升一定高度，四旋翼結(jié)構(gòu)傾轉(zhuǎn)90°提供固定翼前飛動(dòng)力。由于在切換過程中無傾轉(zhuǎn)過渡階段，因此會(huì)出現(xiàn)掉高現(xiàn)象，不利于飛行安全，如圖所示。
圖6 Songbrid 1400傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)
Quantum TRON是由Quantum System公司研制的一款傾轉(zhuǎn)四旋翼布局無人機(jī)，與Songbrid1400類似，均是通過在固定翼機(jī)翼兩側(cè)增加四旋翼機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)固定翼飛行器與四旋翼飛行器的結(jié)合。不同點(diǎn)是Quantum TRON僅傾轉(zhuǎn)旋翼結(jié)構(gòu)，而且固定翼前飛動(dòng)力僅由前部兩旋翼向前傾轉(zhuǎn)90°提供，后部兩旋翼在固定翼飛行時(shí)停轉(zhuǎn)并向后傾轉(zhuǎn)以減少固定翼飛行阻力。Quantum TRON翼展3.5米，最大起飛重量14千克，載重2千克，巡航速度60-90公里/小時(shí)。
圖7 Quantum TRON傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)
優(yōu)雷特航空技術(shù)有限公司研制的VTOL350是一款十字形四旋翼布局傾轉(zhuǎn)式無人機(jī)。采用優(yōu)雷特獨(dú)有的專利技術(shù)，左右兩側(cè)旋翼傾轉(zhuǎn)過程中帶動(dòng)機(jī)翼中段同步傾轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的全流程飛行。
圖8 VTOL350傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)
深圳智航無人機(jī)公司研制的V330傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)也是一款傾轉(zhuǎn)四旋翼布局無人機(jī)。V330在機(jī)身縱向前后分別安裝兩根軸管，四旋翼結(jié)構(gòu)搭載在軸管上，在飛行切換過程中傾轉(zhuǎn)前部軸管實(shí)現(xiàn)前部兩旋翼傾轉(zhuǎn)完成固定翼模態(tài)切換。
如下圖所示的三旋翼布局也是一款技術(shù)成熟的傾轉(zhuǎn)式無人機(jī)。和黑豹無人機(jī)不同的是它的中后部電機(jī)座固定，多旋翼模態(tài)下前部左右兩個(gè)電機(jī)以垂直為中心，靠傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)差動(dòng)實(shí)現(xiàn)航向控制；固定翼模態(tài)下，中后電機(jī)停轉(zhuǎn)，前部左右兩個(gè)電機(jī)傾轉(zhuǎn)為水平態(tài)，變?yōu)楣潭ㄒ韯?dòng)力。此種三旋翼布局傾轉(zhuǎn)式無人機(jī)廢重較少，整體效率相對(duì)較高，適合10kg以下小型電動(dòng)機(jī)型。
圖10 三旋翼布局傾轉(zhuǎn)式無人機(jī)
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