梁毅辰

(西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院，西安 710077)

0 引言

無人機因其無人員傷亡風(fēng)險，生存能力強，機動性能好，使用方便等特點，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中有重要作用，也越來越受到各國航空業(yè)人士的關(guān)注?！叭蝥棥薄安妒痴摺薄耙睚垺钡燃夹g(shù)先進、對設(shè)備要求比較高的大型無人機如雨后春筍一般層出不窮。區(qū)域性沖突以及戰(zhàn)爭中的特種戰(zhàn)術(shù)行動中，行動組往往需要便于攜帶，可靠性強的情報收集工具以完成快速戰(zhàn)術(shù)部署，而大型無人機多部署于營級以上單位，所需地面輔助設(shè)施笨重繁雜，無法單兵攜帶，對于機動戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的支援作用無法充分發(fā)揮。此外，在日常的警用巡邏，消防火情偵察，自然災(zāi)害地區(qū)災(zāi)情偵察等活動中，便攜式無人偵察機相比大型無人機有著部署快，信息反饋及時等特點。在此背景下，由單兵攜帶的低成本、高可靠性、小包絡(luò)、輕重量、易操作的無人偵察機具有重要的實戰(zhàn)意義。

1 便攜式無人偵察機發(fā)展概況

國外發(fā)達國家對于便攜式單兵無人機偵察機已經(jīng)做了深入的研究，并已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品裝備部隊，在作戰(zhàn)中起到了關(guān)鍵作用。

圖1 RQ-16無人機

美軍的RQ-16無人機[1](見圖1)可協(xié)助步兵完成偵察、情報收集、火炮校準(zhǔn)以及激光照射任務(wù)。整套系統(tǒng)總重量小于23kg，可由一個步兵班攜帶，快速展開部署。其中，無人機的大小近似一個籃球，為了提供足夠的續(xù)航時間，該無人機由活塞式汽油發(fā)動機驅(qū)動的涵道風(fēng)扇產(chǎn)生升力，可垂直起降并懸停，最大飛行速度約74km/h，續(xù)航時間約為40min。該無人機可以實現(xiàn)自主控制和導(dǎo)航，也可以實現(xiàn)人工干預(yù)以動態(tài)調(diào)節(jié)路線和目標(biāo)信息，同時具有盤旋凝視功能。

美軍的RQ-11B“大烏鴉”無人機(見圖2)可以為小型作戰(zhàn)單位提供強力的戰(zhàn)場態(tài)勢，感知并通過對機動區(qū)域邊界的擴展勘測和情報收集用來保護作戰(zhàn)部隊[2]。該無人機可由單兵攜帶，可由手拋起飛，快速部署，還可以自動跟蹤地面機動車輛執(zhí)行護航任務(wù)，為地面部隊傳遞周邊安全情報供排級部隊使用?！按鬄貘f”質(zhì)量2.72kg，使用電池驅(qū)動，可攜帶紅外攝像機和數(shù)據(jù)鏈，滯空時間為90min，由電動機推進，非常安靜，因此在100米以上空中飛行時幾乎不會被察覺，戰(zhàn)場記錄顯示，大烏鴉損毀幾乎都是由失控和故障造成的，很少被敵軍擊落。

圖2 RQ-11B無人機

RQ-20A(見圖3)是由美國AeroVironment公司生產(chǎn)的單兵固定翼電動無人機[3-4]，主要用于對戰(zhàn)場進行監(jiān)控和情報收集。該無人機采用固定翼常規(guī)布局，平直梯形機翼可折疊，外端翼有一定上反角，由單兵手?jǐn)S起飛，具有全天候作戰(zhàn)能力，翼展2.9m，最大起飛重量5.9kg，最大飛行速度83km/h。通過添加太陽能電池板與更加強勁的電動機以及電池，RQ-20A的續(xù)航時間預(yù)計可達到9小時。

圖3 RQ-20A無人機

可以看出，目前現(xiàn)役的小型無人偵察機采用單一的垂直起降/懸浮飛行方式或者固定翼方式飛行，這兩種控制方式各有利弊，垂直起降/懸浮方式具有較好的機動性，對于起降場地沒有要求，并可以懸浮對目標(biāo)進行凝視，但飛行速度慢，續(xù)航時間短。以RQ-16為例，為了獲得較長的續(xù)航時間(40min)，采用了活塞式發(fā)動機，但這樣的設(shè)計大大增加了其使用噪音，使其進行抵近偵察時易被發(fā)現(xiàn)；固定翼飛行方式飛行速度較高，節(jié)省燃料，續(xù)航時間長，但是無法實現(xiàn)在空中的懸浮，對于目標(biāo)的偵察不利，同時無法在復(fù)雜的地形中(如街道，廢墟、廠房內(nèi)部)飛行。因此，設(shè)計一種雙?？刂茻o人偵察機可以同時兼顧兩種飛行模式的優(yōu)點，有利于對地偵察。

2 雙模無人機發(fā)展概況

垂直起降飛行器(Vertical Take-Off and Landing，VTOL)能夠以零速度起飛/著陸，具備懸停能力，并能夠以固定翼飛機的方式水平飛行。早期開發(fā)的試驗機類型多種多樣，包括尾座式、傾轉(zhuǎn)涵道式、噴氣流轉(zhuǎn)向式以及噴氣升力發(fā)動機式等。各國在20世紀(jì)50年代就先后試制了數(shù)十種垂直起降飛機，然而大多數(shù)都以失敗告終。具有代表性的是美國的XFV-1，XFY-1及英國的SC.1等。特別是英國霍克西德利公司成功研制出的AV8鷂式戰(zhàn)斗機成為世界上首架成功投入使用的垂直起降飛機。垂直起降飛行器雖具有固定翼飛機速度快、航程遠(yuǎn)和垂直起降、可懸停作業(yè)的優(yōu)點，但也帶來了設(shè)計過于復(fù)雜、控制困難等弊端，這些因素也是使垂直起降飛行器在20世紀(jì)60年代后期發(fā)展減緩的重要原因之一。直到20世紀(jì)80年代后期，美國的V-22魚鷹傾轉(zhuǎn)旋翼機給VTOL領(lǐng)域帶來了希望。V-22可由兩具旋翼驅(qū)動垂直起飛，在起飛后旋翼向前傾轉(zhuǎn)，由垂直起降模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ㄒ砥斤w模態(tài)，旋翼的動力轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚯巴屏Γ蓹C翼產(chǎn)生大部分升力。當(dāng)旋翼重新傾轉(zhuǎn)朝上后，V-22又將獲得垂直著陸的能力，對于著陸場的要求大大減少。V-22的出現(xiàn)使得美國海軍陸戰(zhàn)隊獲得了裝載大量兵員物資從兩棲登陸艦上起飛，長途奔襲，降落前線起降場快速投入作戰(zhàn)的能力。

固定翼多旋翼復(fù)合飛行器是一種新型的垂直起降飛行器，采用多旋翼與固定翼飛行平臺相結(jié)合的方式得到簡單而有效的垂直起降解決方案。復(fù)合多旋翼相對其他無人飛行器具有多方面的優(yōu)勢，相較于其他垂直起降飛行器，具有技術(shù)實現(xiàn)性好、成本較低等優(yōu)點。經(jīng)過幾年發(fā)展，復(fù)合多旋翼技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)突破性發(fā)展，小型復(fù)合多旋翼即將投放市場。固定翼多旋翼復(fù)合飛行器是最近幾年才發(fā)展起來的新型航空器，實踐證明其技術(shù)可實現(xiàn)性好，遠(yuǎn)高于傾轉(zhuǎn)旋翼機、涵道升力風(fēng)扇(傾轉(zhuǎn))、尾座式等其他垂直起降無人機。

采用復(fù)合多旋翼技術(shù)可以實現(xiàn)垂直起降與固定翼模式平飛的結(jié)合。復(fù)合多旋翼飛行器經(jīng)過短短幾年發(fā)展，完成了技術(shù)驗證，相關(guān)技術(shù)正在發(fā)展成熟。復(fù)合多旋翼已經(jīng)進入實用化產(chǎn)品研制發(fā)展階段，其中一些產(chǎn)品即將投放市場。作為一種新型高效低成本垂直起降無人機，復(fù)合多旋翼有著獨特的性能優(yōu)勢，能夠充分滿足用戶的各種需求，預(yù)期市場巨大，未來發(fā)展前景廣闊。美國Latitude Engineering在復(fù)合多旋翼飛行器技術(shù)研究及產(chǎn)品方面走在世界前列。Latitude 公司成功研制出多款復(fù)合多旋翼飛行器，并開發(fā)多旋翼套件，與Arcturns UAV Sensintel、Dronetech UAV等無人機企業(yè)合作，使用多旋翼套件改裝現(xiàn)有的固定翼無人機，成功開發(fā)多款復(fù)合多旋翼飛行器。除了專業(yè)化無人機公司外，國外一些航空愛好者和小公司也成功試制出小型復(fù)合多旋翼飛行器。國內(nèi)的上海昊翔電能運動公司已經(jīng)成功申報“固定翼與多旋翼組合的復(fù)合飛行器”專利。成都縱橫自動化有限公司于2015年也推出了他們的第一款復(fù)合翼飛行器CW20“大鵬”，成為國內(nèi)民用無人機行業(yè)第一款投入實際應(yīng)用的復(fù)合多旋翼飛行器。

復(fù)合多旋翼技術(shù)將多旋翼動力系統(tǒng)和平飛推進系統(tǒng)分開，在起降階段使用多旋翼動力系統(tǒng)，起飛后平飛推進系統(tǒng)啟動，隨著機翼升力逐漸提升，多旋翼動力逐漸減弱，直到關(guān)閉。這種設(shè)計相對簡單，因此受到大量小型民用企業(yè)的歡迎，然而多旋翼動力系統(tǒng)和平飛動力系統(tǒng)存在冗余，會造成大量廢重，減少續(xù)航時間與航程。

3 便攜式雙模無人機概念設(shè)計

3.1 設(shè)計需求

本文擬設(shè)計一種較為可行的便攜式雙模飛行無人機方案，該無人機應(yīng)可在飛行中自由切換固定翼模式與旋翼模式，在固定翼模式飛行時，具有較好的低速穩(wěn)定性和操縱性，旋翼飛行模式可以垂直起降以及懸停。同時，作為一型單兵便攜式偵察無人機，要求其折疊后具有較小的包絡(luò)，并盡可能減重以提升有效載荷、續(xù)航時間以及降低攜帶負(fù)擔(dān)。

3.2 任務(wù)規(guī)劃

由于雙模無人機具有多旋翼與固定翼兩種飛行方式，因此既可手?jǐn)S起飛，也可在地面垂直起飛。在空域較為開闊的地區(qū)，可采用手?jǐn)S起飛增加續(xù)航時間，而如果在地形和空域較為復(fù)雜的地區(qū)，可采用垂直起飛以便對飛行進行精確控制。

在飛行過程中，針對不同的任務(wù)需求，無人機可在多旋翼模式與固定翼模式之間切換，即可在目標(biāo)上空盤旋，也可進行懸停。

任務(wù)結(jié)束返航后，可切換至多旋翼模式降落，對于著陸場要求較低。整個任務(wù)如圖4所示。

圖4 多旋翼模式與固定翼模式之間的轉(zhuǎn)換

3.3 氣動布局

本文提出一種復(fù)合升力布局，將固定翼和多旋翼布局的優(yōu)勢相結(jié)合。起飛降落及空中懸停作業(yè)時可采用多旋翼提供升力，轉(zhuǎn)換平飛模態(tài)時兩個前置旋翼向前傾轉(zhuǎn)，將垂直升力轉(zhuǎn)換為水平推力，由機翼提供升力。

基本布局為大展弦比梯形后掠機翼，雙尾撐，兩片相連的傾斜尾翼同時起到垂尾和平尾的作用，簡化整機結(jié)構(gòu)，減少單兵攜帶中垂尾、平尾翼尖刮蹭的可能。

圖5 雙模無人機氣動布局方案

機翼后掠一方面可以減少對于兩個前置螺旋槳在旋翼飛行模式時槳氣流的阻擋，另一方面可以提升整機的方向穩(wěn)定性和橫側(cè)穩(wěn)定性，減少傾斜尾翼設(shè)計造成的等效垂直尾翼面積減少的影響。兩個可伸縮尾撐桿向前伸出機翼，安裝兩套可傾轉(zhuǎn)電機和螺旋槳。另一套電機和螺旋槳安裝在機身后部。整機設(shè)計如圖5所示。

3.4 動力系統(tǒng)

為了盡可能減輕重量，該機在旋翼飛行狀態(tài)采用三旋翼動力系統(tǒng)，為了保持槳葉總扭矩為零，在本設(shè)計中，兩個前置電機轉(zhuǎn)向相反，尾部電機繞機身縱軸偏轉(zhuǎn)一個角度，在產(chǎn)生升力的同時，產(chǎn)生一個側(cè)向力，以抵消返扭，如圖6所示[5-7]。

圖6 三旋翼系統(tǒng)抵消反扭方式

同時，為了使旋翼模式與固定翼模式共用一套動力系統(tǒng)，兩個前電機與螺旋槳可在傾轉(zhuǎn)機構(gòu)的推動下向前傾轉(zhuǎn)，實現(xiàn)從旋翼模式向固定翼模式的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后兩個前電機旋轉(zhuǎn)方向相反，后電機停轉(zhuǎn)，消除了槳葉反扭對于平飛的影響。旋翼傾轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖7所示，由舵機驅(qū)動的搖臂使得機構(gòu)繞主軸轉(zhuǎn)動90度，并且兩個狀態(tài)均接近搖臂死點，可減少舵機在不傾轉(zhuǎn)時的受力。

圖7 旋翼傾轉(zhuǎn)機構(gòu)

3.5 系統(tǒng)折疊設(shè)計

為了便于單兵攜帶，需要對無人機進行折疊設(shè)計，減少無人機折疊后的縱向、橫向長度，本文對無人機的折疊設(shè)計包括機翼的折疊與電機撐桿、尾撐桿的折疊。

本文中機翼可以通過在機翼上表面的鉸鏈向上折起，減少運輸攜帶過程中的翼展。機翼展開后，通過在機翼梁上設(shè)置的閉鎖機構(gòu)實現(xiàn)鎖定進行飛行。折疊機翼設(shè)計在微型無人機中大量采用，技術(shù)難度不高，在此不再贅述。

無人機左右兩側(cè)前后貫通的電機/尾翼撐桿為可伸縮模式，機翼前的撐桿在儲存/運輸狀態(tài)下可縮回機翼中，尾撐桿也可縮回機翼中(見圖8)，傾斜尾翼遮蔽后電機，減少機身長度。儲存/運輸狀態(tài)下的便攜式無人機如圖9所示。

圖8 電機/尾翼撐管折疊示意圖

圖9 無人機折疊后效果圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一款可折疊的雙模無人機，將固定翼無人機航程遠(yuǎn)、速度快的特點與多旋翼無人機可垂直起降，懸停的特點結(jié)合在一起，不同于常見的復(fù)合升力無人機。本文采用了傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)實現(xiàn)同一套動力系統(tǒng)對于多旋翼模式與固定翼模式的驅(qū)動，大大減少了飛機的結(jié)構(gòu)重量。折疊設(shè)計使得整個無人機小巧便于單兵攜帶，可以在班一級戰(zhàn)場偵察、警用監(jiān)控、災(zāi)情監(jiān)控和偵察等方面起到很大作用。但是本設(shè)計尚處在方案與概念設(shè)計階段，在傾轉(zhuǎn)機構(gòu)、折疊機構(gòu)的具體設(shè)計，傾轉(zhuǎn)過程的飛行力學(xué)性能等方面仍有大量工作需要完成。

[1] 蔡. 美國海軍訂購372架RQ-16A無人駕駛直升機[J].直升機技術(shù),2008(3):24.

[2] 彭小龍,宗剛,郭翔，等.微型無人機將改變“游戲規(guī)則”——美軍微型無人機的發(fā)展[J].飛航導(dǎo)彈,2012(10):31-36.

[3] 劉廣斌,羅衛(wèi)兵,嚴(yán)斌亨.美軍微小型無人機及關(guān)鍵技術(shù)探析[J].飛航導(dǎo)彈,2016(5):43-47.

[4] 莊林,張偉.美國陸軍無人系統(tǒng)力量建設(shè)舉要[J].國防科技,2015,36(2):82-88.

[5] 陳琦,江濤,蔚建斌，等.傾轉(zhuǎn)三旋翼無人機關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢[J].飛航導(dǎo)彈,2016(7):34-37.

[6] 崔金峰.三旋翼航模飛行姿態(tài)的智能控制研究[D].長春：長春理工大學(xué),2013.

[7] 張飛,路平,江濤，等.傾轉(zhuǎn)三旋翼無人機縱向推力矢量控制研究[J].飛行力學(xué),2017(9):1-5.