专家丨复合翼无人机成为趋势,多种设计构型大PK

来源:宇辰网 作者:量子黑洞 时间:2018-02-05 分享至:
[宇辰导读]本文将对近年来出现和发展的复合翼构型无人机做简要梳理,添几根柴火,泼几盆冷水,以期为行业健康发展尽微薄之力。

回首2017年的工业级无人机技术,新构型的爆发式发展成为了最明显的趋势,以至于有媒体认为2017年是 “垂直起降固定翼无人机元年”。姑且不提此种说法对于先行者们的稍有不公,至少绝大多数工业级无人机厂商都纷纷推出了各种具有垂直起降能力的固定翼无人机产品。当然,大趋势中的发展方向也是鱼龙混杂,各出奇招昏招。

本文将对近年来出现和发展的复合翼构型无人机做简要梳理,添几根柴火,泼几盆冷水,以期为行业健康发展尽微薄之力。

在飞机设计技术已经发展了一百多年的今天,固定翼这种构型在多数应用场景中已经近乎完美了,但是其垂直起降能力的发展仍步履蹒跚,以至于到现在我们都还在针对垂直起降固定翼的基本结构做创新和设计,这几乎已经能说明在动力系统有革命性的进展之前,实现垂直起降都将以大幅度的效率损失为代价。

鉴于此,我们评判一种设计优劣与否,最重要的指标就是其效率损失较小,而不是只要有效率下降便嗤之以鼻。下面就对近年来出现的固定翼垂直起降构型做简要梳理。

一、多旋翼固定翼复合构型

如果十年前一个飞机设计专家被告知这种构型的飞机将成为一种趋势,那对他很可能是一种暴击,就像在二十年前,被告知多旋翼构型会火一样(约二十年前的书籍《无人机系统导论》中,作者明确表示不看好四旋翼这种低效率的飞行器)。

按照常规的飞机设计原则,这种设计一定是最不得已而为之的。这可能正是2015年底,成都纵横发布国内第一款垂直起降固定翼飞控时,还特地发了好几篇文章阐明是在挣扎三年之后才最终确定这个方案的原因。而此时,开源飞控APM的QuadPlane支持也进入测试阶段。

于是,一场大戏在点滴之间悄然拉开帷幕。到2017年底,APM,PX4开源飞控均能很好地支持这种构型的全自动飞行,大多数的工业级无人机整机厂商也都推出了各自的机型,既然是要做总结,那么不可避免地要再来理一遍这种构型的缺点:

但是,对于部分应用场景,以上所有的缺点,都掩盖不了可垂直起降这一优点,这也是这种构型无人机爆发的原因,只是很多厂商可能并没有很好地思考这背后的逻辑,本文将最适合运用垂直起降固定翼无人机的应用场景特点总结如下表:

垂直起降固定翼构型结构上易于实现,在现有的固定翼平台上增加多旋翼动力部分,且加强机翼扭转强度即可。在控制方面的优势就是控制系统相对简单,最简单的情况下就是固定翼和多旋翼两套飞控硬切换就可以实现正常飞行。还有一个不太被关注的优势,就是前拉桨的效率。多旋翼桨和固定翼桨典型工作条件下的来流速度不同,因此设计时翼型和桨距也有很大区别,正常的工业级无人机都采用定距桨,多旋翼桨只能高效运转于多旋翼模态,固定翼桨用于多旋翼模态时效率也低很多,因此这种构型中,多旋翼桨只工作在多旋翼模态,固定翼桨只工作在固定翼模态,在桨的效率运用上是个不小的优势。

正如每种飞行器都有其适用场景,同样没有一种飞行器是万能的,例如,5-20kg起飞重量的飞行器,其灵活性要求一般都是高于载荷能力的,因此能够在很小的区域内快速组装、起飞就成为很大的优势;但是起飞重量小于5kg时,要想实现这种复合构型就困难了,而采用纯固定翼构型,手抛起飞或弹射起飞加伞降更合适;而起飞重量过大时,复合翼构型的缺点也同时被放大,加上这种情况下的载荷能力要求一般更高,此时采用纯固定翼构型,利用通航机场甚至小型开阔道路滑跑起飞可能更合适。因此近期出现的用垂直起降固定翼飞机运送货物、携带较重的设备,甚至把起飞重量做到100kg以上,则属于一叶障目不见泰山了。

至于多旋翼固定翼复合构型的产品,则是以成都纵横的“大鹏”系列为代表,采用快速拆装结构,最大起飞重量涵盖10-30kg级别,载荷能力也覆盖了1-6kg。

光点科技的“游龙”也是应用较多的产品,起飞重量约14kg,载荷能力1.5kg,也处于较为实用的参数范围。

二、倾转旋翼固定翼复合构型

倾转旋翼固定翼构型在思路上明显比多旋翼固定翼构型要高明许多,至少有一部分动力是多旋翼模态和固定翼模态共用的,减小了整个飞行过程的死重,而代价只是增加一套(或多套)旋转机构。例如V-22鱼鹰运输机,依靠两套倾转旋翼完成了垂直起降和固定翼飞行。但是有得必有失,下表总结了倾转旋翼构型相对于多旋翼固定翼构型的缺点:

因此,与多旋翼固定翼复合型类似,起飞重量要求非常小(小于5kg)时,也不宜采用倾转旋翼布局,而对于载荷重量要求比较大的应用中,倾转旋翼的效率提升就可以弥补结构、控制复杂的劣势了,特别是如果有野外的大载重、长航时需求,由于现在大载重直升机的飞控仍有很多不足,倾转旋翼不失为一种折中策略。当前多旋翼固定翼复合构型市场已经成为红海,PX4等开源飞控也都支持了倾转旋翼,可用预见,下一步倾转旋翼的产品和应用也将越来越多。

产品方面,有深圳智航一直在进行倾转旋翼固定翼构型的研发和测试,并且推出了面向物流(V330)和测绘(V400)的两款产品,智航产品的一个优点是旋翼下洗流不会打到机翼上,因此垂直起降模态的动力损失较少,而在实际应用中,这两款产品具有不错的载荷能力和续航时间。

沈阳无距则推出了串列翼布局的倾转旋翼,只是我们看到的都只是概念模型。

虽然实用化的产品还较少,但笔者还是对创新设计的倾转旋翼寄予希望,也相信设计合理的倾转旋翼无人机在未来几年也将大放异彩。

三、尾座式垂直起降

相对于倾转旋翼构型的将旋翼轴转90度转平飞,尾座式垂直起降无人机则是将自己整体转90度转平飞,这样设计的绝妙之处在于省略了旋翼的倾转机构,具有更高的机械可靠性。单从结构上看,尾座式垂直起降构型只比固定翼构型多出了尾部支撑机构,但是由于省下了起落架系统,因此很可能会比相同起飞重量的固定翼重量更轻。从气动布局上看,尾座式构型可用设计成飞翼布局,翼身融合布局,甚至是常规布局,因此气动效率优势明显。

但是由于较大的机翼面积,尾座式构型飞行器在垂直飞行阶段更容易受到气流扰动影响,而由于涉及控制策略转换以及姿态的迅速变化,垂直和平飞的转换过程也较难控制,因此现在尚没看到哪个飞控可用非常好地实现尾座式构型飞行器的全自动飞行。不过一旦这个问题得以完善解决,尾座式构型将是垂直起降固定翼无人机构型最好的解决方案。

既然尾座式构型的气动效率很高,且垂直起降阶段容易受侧风干扰,那么可以开个脑洞,在物流运输行业中,高附加值或者急需物资的仓对仓、仓对柜运输就可以考虑这种构型,因为无论是仓库,还是大型快递柜,为尾座式无人机设置供起降进入的天井,而仓库货快递柜内完全可以提供无风的起降空间。当然,这些想法都是基于飞控已经成熟的前提下。

尾座式无人机的产品方面,除了军用的有611所研发的VD200,民用的也有四川傲势科技X-Hawk概念机,从外观上看还是有一定新意,大展弦比机翼配合翼梢前掠,只要控制得当,续航和机动性都有一定保证。

事实上,2017年市场上能见得到产品、样机甚至概念机且相对靠谱的,也就以上这几种构型了,而且假以时日,随着民用无人机结构、气动、飞控等技术的进展,这些构型的无人机都将有自己的用武之地。下面就来看几种少见的、新型的复合翼构型。

四、其他复合构型

LightningStrike,这是一款分布涵道式旋翼与固定翼混合构型的飞行器,动力系统为一台涡轴发动机带动三台发电机,进而为24台涵道螺旋桨提供动力,其小型无人缩比验证机也已完成测试。鉴于小直径涵道式螺旋桨的效率,这种飞行器也不是冲着高效飞行而设计的,我宁愿相信DARPA为了测试和改进其混合动力输配电系统而故意做出一台十分费电的飞机。

Carter Copter,这是Carter Aviation公司推出的一款自转旋翼和固定翼复合构型飞机,这种飞行器结合了自转旋翼机的结构简单、可跳飞性能,以及固定翼飞机高速飞行时的高升阻比,由于采用电传操纵,未来也是要成为无人机的一种可行方案。

X-50A,这架混合构型飞机虽然距离2017年比较远(首飞于2003年),但是看在其不拘一格的设计思路以及NASA的背景,则有必要提及一下。X-50A的主旋翼在垂直起降和低速飞行时为桨尖喷气动力的旋翼,同时,桨尖喷气也提供前飞动力。随着前飞速度的提高,鸭翼和尾翼逐步提供足够的升力,从而卸载主旋翼的转速,并最终转为固定翼模态。由于采用了桨尖喷气技术,其旋翼并没有反力矩,因此在垂直起降阶段,并不需要类似于直升机的尾桨。不过由于验证机完全没有达到预期的效果,我们现在才看不到以此为原型的产品。

本文简单梳理了近年来出现的几种既能够完成垂直起降,有在一定程度上具有固定翼续航优势的复合翼构型,但是无人机的设计千变万化,应用场景也多种多样,我们既要从理论和试验出发探索不同飞行器的优势和不足,又要避免对某些技术盲目自信,固守并过分夸大其应用范围,这才是无人机技术能一直向前发展的有效保证。



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