无距科技发布倾转系列无人机,从飞控迈向整机

来源:宇辰网 作者:赵孜 时间:2017-06-14 分享至:
[宇辰导读]本次发布的两款无人机,是无距科技从核心飞控产品升级融合到整机产品发展的一个里程碑。

今天(6月14日),无距科技在北京中关村国家自主创新示范区展示中心召开发布会,现场发布了多款新品,包括国内首款串列翼倾转旋翼无人机“无距”、“辽”系列矢量多轴旋翼无人机、工业级THONE-I型飞控。

无距科技总经理苏文博在发布会上介绍产品/图   来源宇辰网

沈阳无距科技有限公司(以下简称“无距科技”)总经理苏文博表示,本次发布的两款无人机,是无距科技从核心飞控产品升级融合到整机产品发展的一个里程碑。

不是所有的复合翼都叫倾转旋翼

自从民用无人机的市场被打开后,消费级无人机风头不减,但不少业内人士认为无人机的潜力应该在具体的行业应用,比如植保、测绘、巡检、安防等。

目前市场上充斥着多轴旋翼,其优点显而易见,结构简单、易操作、可垂直起降,对场地要求低,但囿于无人机平台的可靠性与续航,多轴在很多应用领域并不见得是最优的选择。考虑到续航与载荷的问题,在测绘等对滞空时间要求较高的领域,更多的采用固定翼方案,但固定翼对场地的要求较高,需要较长的跑道或者弹射起飞,局限性同样明显。

偏偏行业应用大多需要在复杂情况下起飞,又对续航和载荷有较高的要求,因此,复合平台解决方案应运而生。目前,行业级无人机中,较为常见的是复合翼垂直起降(或者垂直起降固定翼)。

苏文博表示,“无距”这款串列翼倾转旋翼无人机就是针对市场的痛点来研发的。

在此,首先要区分一下垂直起降固定翼机与倾转旋翼机。

垂直起降固定翼是在固定翼无人机上叠加一套垂直升力系统,从而在结构上基本实现了多旋翼和固定翼的优势结合,基本具备了垂直起降、定点悬停、高速巡航的能力。

 

垂直起降固定翼/图  来源网络

这种组合是典型的取长补短模式,固定翼续航时间长,但起降需要跑道;多旋翼可垂直起降又能悬停,但续航问题无法解决,干脆把二者捆绑,功能也就叠加了,但这其中没有考虑太多的动力复用和气动减阻。

不过,复合翼平台搭载固定翼和多旋翼两套动力系统,工作原理是:在起降及低速状态下按照多轴模式飞行,通过多个螺旋桨产生的拉力克服重力和气动阻力进行飞行;而在高速状态下,切换至固定翼模式飞行,通过气动升力克服重力,通过拉力向前的螺旋桨克服气动阻力实现飞行。可见,在其中一套动力系统工作时,另一套基本处于闲置状态,两套动力系统之间切换采用的是跳转方式,这种方式在切换过程中稳定性较差,如遇侧风,增加了飞机坠机的风险,这就对飞行平台控制的自适应能力有较高的要求。

另外,相对于单动力系统而言两套动力系统无疑增加了机体自身重量,也在一定程度上增大了飞行阻力,影响飞行速度,在整体载重量一定的前提下,留给任务载荷的载重量就较为有限,从而相对限制了该方案未来搭载大型任务载荷的扩展能力。

无距科技发布会现场/图   来源宇辰网

苏文博指出,垂直起降固定翼的问题在于无法实现多点悬停,负责多旋翼的动力通常是锂电池,悬停十分耗费能源,飞机整机需要考虑整体的效率,一旦分配给多旋翼的能量增加了,势必要增加锂电池的用量,而锂电池的体积和重量增大,会影响到整机的效率。所以,垂直起降固定翼的锂电池能量,只够起飞和降落,不能支撑其实现悬停。

而无距科技今天发布的倾转旋翼机,则是在类似固定翼飞机机翼的两翼尖处,各装一套可在水平位置与垂直位置之间转动的旋翼倾转系统组件,当飞机垂直起飞和着陆时,旋翼轴垂直于地面,呈横列式直升机飞行状态,并可在空中悬停、前后飞行和侧飞;在倾转旋翼机起飞达到一定速度后,旋翼轴可向前倾转90°角,呈水平状态,旋翼当作拉力螺旋桨使用,此时倾转旋翼机能像固定翼飞机那样以较高的速度作远程飞行。

在两种模式间转换时,如果只有旋翼/驱动轴倾转,发动机舱保持不动的,则为倾转旋翼/驱动轴式;发动机舱跟着旋转的,即为倾转旋翼式;连同整个机翼一起旋转的,即倾转机翼式。“无距”属于第一种,据苏文博解释,该方案在控制方面的突破更难。

根据上文简单的介绍,尽管垂直起降固定翼与倾转旋翼均属于复合翼平台,但两者在设计理念、机体结构、工作原理等方面皆不相同。

无距科技研发的串列翼倾转旋翼无人机“无距”/图   来源宇辰网

不过,也有专家承认垂直起降固定翼是费效比最高的设计,在小体积的飞机上为了一点点的效率提升,去做倾转旋翼或者机臂折叠等,那么可靠性和成本都会大幅度提升。

苏文博反问:都考虑费效比,那么谁来做呢?最后这一点效率就不提升了吗?

做飞碟一样的无人机

此前有业内人士指出,目前的技术,要用传统旋翼动力解决旋翼机慢速、短航程、低载荷最有效的方案,就是倾转旋翼系统。

倾转旋翼机最早应用于军事,倾转旋翼飞行器的概念最早可追溯到上个世纪三十年代。当时,Weserflug飞机制造公司的德国工程师们开始研制横列式双旋翼飞行器,但二战结束后,该项目不了了之,1950年,贝尔直升机公司推出了XH-33倾转旋翼方案,通过控制倾角实现垂直起飞、过渡前飞和平飞动作。80年代后,倾转旋翼机获得了美国陆军的支持,由此引出了V-22“鱼鹰”。

目前全球惟一成熟的倾转旋翼机V-22可以说是集五十年之大成,并且V-22 也是历史上第一架且仅有的一架可以垂直/短距起落的量产型运输机。

这主要是由于倾转旋翼机的研制技术难度大,不仅拥有固定翼飞机和直升机所拥有的各种技术难点,同时还有许多倾转旋翼机独特的技术问题,其结构、气动、控制等技术比一般飞机或直升机复杂得多。

V-22在研发过程中七架原型机摔了一半,总投资在500亿美元以上。可见研发难度之大、投入成本之高,技术和资金不到位的企业不敢轻易接触。

随着军民融合的趋势加快以及军用技术的外溢,再加上行业级应用中对复合平台的迫切需求,民用市场上也有人研发倾转旋翼系统。宇辰网记者在各类展会上也曾见到倾转旋翼无人机展出过,但大多是概念机、原型机或工程机,离正式上市量产还有一定的距离。

对此,苏文博解释到,目前很多团队没有攻克倾转旋翼系统的关键在于人才的整合还不到位,“懂控制的不懂结构,懂结构的不懂气动,懂气动的不懂飞控,”苏文博说,“倾转旋翼是个系统工程,缺了哪一环都不行。”

无距科技研发的串列翼倾转旋翼无人机“无距”/图   来源宇辰网

在技术这一块,无距科技核心技术团队拥有中科院背景,“无距”串列翼倾转旋翼无人机拥有11项关键技术专利,主要在飞控、气动、结构等方面有所创新和突破。并且,改善了垂直起降固定翼在多种模态下切换的不及时,在多旋翼模态、倾转多旋翼模态和固定翼模态之间切换时具备高度的敏捷性。

苏文博认为,未来的无人机就该像科幻电影中的飞碟一样,能垂直起降,能高速飞行,想悬停立马就能停住。

苏文博(左三)向参观者介绍倾转旋翼的原理/图   来源宇辰网

宇辰网记者注意到“无距”无人机使用的是串列双翼布局,关于为何采用该布局,无距科技总经理助理韩来旺表示,使用双翼能有效减少翼展长度,同时降低飞机的惯量,从而使其更具机动性。

自20世纪70年代以来,串列双翼就成为受欢迎的布局,该布局除了能够增加整体结构刚度,还能通过改变机翼之间的升力分布,使飞机的配平阻力降低,性能更加优异。

串列双翼的前后机翼通常不处于同一平面。可以采用前翼下置,后翼上置,这样前翼的下洗气流不至于对后翼造成不利影响;也可以前翼上置,后翼下置,这样可以利用前翼的下洗气流为后机翼上的表面气流加速,增强后翼的升力。“无距”串列翼倾转旋翼无人机采用的就是前者。

由于串列双翼布局重心分布与两翼之间,前后翼在飞行中均产生正升力,其巡航气动性能要略优于单机翼布局。正因如此,“无距”的最大飞行速度可达120km/h,续航时间达90min,巡航距离90km。

据无距科技工作人员介绍,“无距”无人机可广泛应用于电力巡检、油气管道巡线、地质勘测、军用侦查、安防巡护、森林防火、环境监测、搜索救援、农作物数据监测等领域。

旋翼还能这么玩?

除了推出的“无距”串列翼倾转旋翼无人机外,无距科技还发布了一款全新的四旋翼无人机——矢量多旋翼无人机“辽”。在苏文博看来,“辽”也是属于未来的无人机。

常见的多旋翼无人机,其搭载的光电传感器设备通常在无人机重心处,“普通的四轴航拍机,云台都是挂在无人机下方的,”韩来旺说,“这样很稳定,但是不可避免造成相机的视场角有限。”传统的无人机工作时在顶部及其他角度存在视觉盲区——被机体本身挡住或者受制于云台的角度。

“辽”矢量多旋翼无人机/图   来源宇辰网

但“辽”矢量多旋翼无人机利用倾转技术,最大限度的减少盲区,“在飞行时,‘辽’可以通过改变旋翼的倾角,实现飞机姿态的俯仰变化,”韩来旺指出,“在俯仰方向上,机身角度最大可以上仰或下俯45度。”因此,“辽”可实现全向巡检,满足桥梁、隧道巡检等对巡检视角要求高的场合。

多旋翼是通过改变桨叶转速实现方向的改变,因此,在向前飞行时,机身是倾斜的,与地面有很大的姿态角,而“辽”仅需要通过桨面的倾斜,使机身始终保持与地面平行,大大减少了空气阻力,也节省了能耗,能实现0-100km瞬间加速仅需6秒。并且,在同等无人机体积条件下,飞行过程中受外力干扰影响降低33%以上。

另外,“辽”凭借X型独立旋转旋翼结构,可任意改变飞行模态并保持精准悬停,同时其抗风性能也大大增强。“抗风性一方面是指在风中飞机的速度要大于风速,这样才能抵抗风速,防止被风吹跑;”韩来旺说,“另一方面是指,在阵风环境中飞机能快速反应,用极高的灵敏性和机动性调整自己的姿态和速度,达到在阵风中稳定悬停的目的。”据了解,“辽”的抗风性达到7级,正是得益于其高度的飞行机动性和敏捷性。

另外,“辽”可以提供多种挂载系统方案,满足不同行业应用需求。

苏文博强调,无距科技更注重的专业,而不是具体的行业应用,公司看重的是技术,甚至愿意开放给企业,做定制型的平台。但“教会徒弟,饿死师傅”这事还少吗?

“不怕竞争对手太多么?”

“给我该有的尊严就行。”

 

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