沙永祥 錢凱

垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)具有無(wú)需跑道、續(xù)航力強(qiáng)、安全性高、制造難度低等優(yōu)點(diǎn)，正成為工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)發(fā)展的新趨勢(shì)。本文從其總體布局的角度，闡述了該類型無(wú)人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，各種構(gòu)型性能優(yōu)缺點(diǎn)與差異，并對(duì)未來(lái)行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)做了系統(tǒng)分析。

隨著軍民融合戰(zhàn)略的推進(jìn)，近年來(lái)工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、商業(yè)、能源和醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)按照構(gòu)型大致可以分為三類：無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)。無(wú)人直升機(jī)在載重、續(xù)航等指標(biāo)上有著突出的優(yōu)勢(shì)，但其動(dòng)力和操縱都來(lái)自旋翼，機(jī)構(gòu)異常復(fù)雜，導(dǎo)致成本高，可靠性低，限制了無(wú)人直升機(jī)的推廣;多旋翼無(wú)人機(jī)興起于消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域，其構(gòu)型簡(jiǎn)單，零部件成品化高，技術(shù)門檻相對(duì)較低，但航時(shí)和航程短的缺點(diǎn)極大地限制了其應(yīng)用場(chǎng)景;固定翼飛行器具備效率高、速度快、航時(shí)長(zhǎng)、航程遠(yuǎn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)起降條件要求高，且輔助保障設(shè)備多，部署時(shí)間長(zhǎng)。

垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)作為近年工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)的新興事物，融合了多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，具有無(wú)需跑道，續(xù)航力強(qiáng)，安全性高，制造難度低等優(yōu)點(diǎn)，正成為工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)發(fā)展的新趨勢(shì)。

工業(yè)級(jí)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)總體布局

從總體布局形式來(lái)看，垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)主要有以下幾類：尾座式、傾轉(zhuǎn)動(dòng)力式（包括傾轉(zhuǎn)旋翼式、傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇式、傾轉(zhuǎn)機(jī)翼式）以及復(fù)合式。

尾座式

尾座式垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)兼具多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。在機(jī)尾安裝有起降支架，垂直起飛時(shí)機(jī)尾坐地機(jī)頭向上，達(dá)到一定高度后轉(zhuǎn)入平飛，降落時(shí)先調(diào)整姿態(tài)使機(jī)頭向上，隨后進(jìn)行垂直降落。這種起降方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)廢重少、效率高，但其控制系統(tǒng)開發(fā)難度較高，在垂直起降期間抗風(fēng)性能較低，且其尾座式的特點(diǎn)在一定程度上降低了總體布局的靈活性。

“V-BAT”是MartinUAV公司設(shè)計(jì)的先進(jìn)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)。其機(jī)尾安裝的涵道風(fēng)扇使無(wú)人機(jī)可以直立起降，并通過(guò)涵道風(fēng)扇中安裝的舵面進(jìn)行直立起降飛行的三軸姿態(tài)控制，在爬升到一定高度后再轉(zhuǎn)換成水平飛行模式。根據(jù)資料顯示，“V-BAT”能夠在移動(dòng)的卡車上自主著陸，可靠性強(qiáng)，安全性好。此外，高效率、高航程、高航時(shí)等優(yōu)異的性能特點(diǎn)使“V-BAT”贏得了美國(guó)陸軍的青睞。

“X-Hawk”尾座式無(wú)人機(jī)

“X-Hawk”是四川傲勢(shì)科技有限公司推出的一種純電動(dòng)尾座式垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)。其垂直起降階段采用四旋翼作為動(dòng)力來(lái)源，并通過(guò)四旋翼的控制方法進(jìn)行姿態(tài)控制，在轉(zhuǎn)平飛后，通過(guò)對(duì)螺旋槳進(jìn)行變距的形式，實(shí)現(xiàn)不同巡航速度下的高效飛行。 此外，“X-Hawk”可實(shí)現(xiàn)完全自主飛行。它可在使用者設(shè)定任務(wù)后，自主設(shè)計(jì)航線飛行，同時(shí)也可切換手動(dòng)飛行或指令飛行模式，具有失控返航、一鍵返航、低電量返航、斷鏈路返航、可設(shè)置的虛擬圍欄等高級(jí)功能，系統(tǒng)可靠性較高。

傾轉(zhuǎn)動(dòng)力式

傾轉(zhuǎn)動(dòng)力飛行器的概念最早由美國(guó)貝爾公司提出，無(wú)人機(jī)起飛時(shí)推力向上，轉(zhuǎn)入水平飛行時(shí)利用傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使推力向前，作為前飛動(dòng)力。由機(jī)翼承擔(dān)部分或全部升力。傾轉(zhuǎn)動(dòng)力式無(wú)人機(jī)推力方向變化都需要傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，這樣必然會(huì)存在機(jī)構(gòu)可靠性與費(fèi)重問(wèn)題，并且垂直轉(zhuǎn)平飛過(guò)渡階段穩(wěn)定性差的問(wèn)題也對(duì)智能飛控技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。傾轉(zhuǎn)動(dòng)力式垂直起降固定翼飛行器包括傾轉(zhuǎn)旋翼式、傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇式以及傾轉(zhuǎn)機(jī)翼式。

傾轉(zhuǎn)旋翼

“Quantum TRON90”是由德國(guó)慕尼黑Quantum System公司研制的一款純電驅(qū)動(dòng)傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無(wú)人機(jī)。起降時(shí)采用四旋翼模式，提供向上的拉力;平飛時(shí)，前兩部旋翼水平傾轉(zhuǎn)提供前飛動(dòng)力，后兩部旋翼向后傾轉(zhuǎn)以減小飛行阻力。根據(jù)其官方資料，該機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，能快速有效的適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景。目前該機(jī)已成功應(yīng)用于電力巡檢、航空測(cè)繪、農(nóng)業(yè)監(jiān)視等領(lǐng)域。此外，Quantum System公司還推出了三旋翼布局傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)。

傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇

德國(guó)空中出租車公司Lilium推出了一款私人“百合號(hào)（Lilium）”傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇飛行器，該機(jī)采用純電力驅(qū)動(dòng)，垂直起降，配備可收放起落架。

百合噴氣的兩座版已于2017年4月首飛，該機(jī)使用36個(gè)傾轉(zhuǎn)涵道電動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（主翼24個(gè)，鴨翼12個(gè)）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，重量約600kg，最大商載200kg，最大飛行時(shí)速可達(dá)300km/h，單次充電航行距離達(dá)300km。起飛時(shí)風(fēng)扇偏轉(zhuǎn)指向下方，水平飛行時(shí)風(fēng)扇水平指向前方，提供前飛動(dòng)力。該無(wú)人機(jī)采用Lilium航空公司的“超冗余”概念，從安全性出發(fā)，任何一個(gè)組件的故障都不會(huì)影響正常飛行著陸。

傾轉(zhuǎn)機(jī)翼

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）最近研發(fā)了一款傾轉(zhuǎn)機(jī)翼垂直起降無(wú)人機(jī)，簡(jiǎn)稱“GL-10”。NASA的工程師于2017年測(cè)試了這款無(wú)人機(jī)的縮比驗(yàn)證機(jī)，其翼展為3.05m，機(jī)翼上有8個(gè)電機(jī)，尾部有兩個(gè)電機(jī)，起飛時(shí)最大重量為28.1kg。

全尺寸版本將采用電力/柴油混合驅(qū)動(dòng)螺旋槳。起飛時(shí)，機(jī)翼平尾處于傾轉(zhuǎn)狀態(tài)，螺旋槳推力方向向上，垂直起飛，一定高度后，機(jī)翼平尾再傾轉(zhuǎn)到水平位置，螺旋槳推力向前，類似固定翼一樣飛行，起飛降落均無(wú)需一些額外的地面輔助起降裝置。此外，“GL-10”螺旋槳槳尖速度設(shè)計(jì)較低，顯著降低了螺旋槳的噪聲。

“雷擊（LightningStrike）”

“雷擊”無(wú)人機(jī)是美國(guó)極光公司為美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的“垂直起降試驗(yàn)飛機(jī)”（VTOL X-Plane）項(xiàng)目研制的一款傾轉(zhuǎn)機(jī)翼垂直起降飛機(jī)。其正式代號(hào)為XV-24A。由1臺(tái)羅羅公司的AE1107C渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)其驅(qū)動(dòng)3臺(tái)霍尼韋爾公司的發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生電力，并將電力分配至全機(jī)24個(gè)涵道式風(fēng)扇上（2個(gè)鴨翼上各安裝3個(gè)，2個(gè)主機(jī)翼上則各安裝9個(gè)風(fēng)扇），形成分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)。

圖 6（a）所示為“雷擊”1/5等比例驗(yàn)證機(jī)，全機(jī)重量為147.4kg，采用電力推進(jìn)，配有54.4kg的鋰電池，能以185km/h的速度連續(xù)航行5min。

然而，子承包商霍尼韋爾公司在研發(fā)高性能1兆瓦級(jí)發(fā)電機(jī)時(shí)遇到了技術(shù)瓶頸，使項(xiàng)目在第二階段難以制造出全尺寸原型機(jī)。目前美國(guó)防部國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）決定取消項(xiàng)目第三階段研發(fā)和相關(guān)飛行試驗(yàn)。

復(fù)合式

復(fù)合式垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)類似于在固定翼的基礎(chǔ)上加裝一套垂直起降動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)兩套動(dòng)力分別實(shí)現(xiàn)起降和平飛。相對(duì)于其他垂直起降飛行器，復(fù)合式垂直起降無(wú)人機(jī)具有技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性好、飛行可靠性高、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點(diǎn)。早期復(fù)合式無(wú)人機(jī)由于電機(jī)技術(shù)不成熟，巡航無(wú)效重量較大，但隨著高功重比無(wú)刷電機(jī)的出現(xiàn)，配合良好的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，復(fù)合式無(wú)人機(jī)也能達(dá)到極高的飛行性能。

“X-Swift”復(fù)合式無(wú)人機(jī)

“X-Swift”是四川傲勢(shì)科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的一款純電驅(qū)動(dòng)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)，該機(jī)采用四旋翼與固定翼復(fù)合式布局，通過(guò)四旋翼模式進(jìn)行垂直起降，固定翼模式進(jìn)行平飛。

“X-Swift”具備高可靠性（平均故障時(shí)間為50h）、高便捷維護(hù)性（可更換相應(yīng)部件）、高安全性（防插錯(cuò)設(shè)計(jì)、防動(dòng)力系統(tǒng)非指令性啟動(dòng)）以及載荷互換性（可配備光電吊艙、正射像機(jī)、傾斜相機(jī)、喊話器等載荷），具備全自主飛行能力，能夠通過(guò)模塊化的多構(gòu)型配置，為航空測(cè)繪、線路巡查、偵查監(jiān)視等工業(yè)級(jí)用戶提供專業(yè)解決方案。

“X-Chimera”復(fù)合式無(wú)人機(jī)

“X-Chimera”是四川傲勢(shì)科技有限公司推出的一款純電動(dòng)高任務(wù)性能的垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)。該機(jī)于2018年成功實(shí)現(xiàn)首飛。

“X-Chimera”無(wú)人機(jī)采用了前沿的翼身融合氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該機(jī)優(yōu)異的氣動(dòng)性能，機(jī)身采用航空鈦合金、鎂合金材料讓該機(jī)輕盈堅(jiān)固，可靠性更高。此外，模塊化設(shè)計(jì)其可智能識(shí)別多種載荷設(shè)備，僅需簡(jiǎn)單更換，便能持續(xù)完成不同任務(wù)。據(jù)介紹，“X-Chimera”具備很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，滿足小雨、高海拔、高低溫、強(qiáng)側(cè)風(fēng)、鹽霧、沙塵、復(fù)雜地形、復(fù)雜電磁環(huán)境等場(chǎng)景下的飛行應(yīng)用。在系統(tǒng)部署方面，全套無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可由一輛SUV攜行，兩人10min內(nèi)無(wú)工具完成全系統(tǒng)展開、飛前準(zhǔn)備或拆收工作，極具靈活性。

綜上所述，從垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)總體布局形式來(lái)看，尾座式無(wú)人機(jī)控制難度高，起降期間抗風(fēng)性能差，可靠性偏低，導(dǎo)致其并未得到大規(guī)模的應(yīng)用;傾轉(zhuǎn)動(dòng)力式無(wú)人機(jī)具備航程遠(yuǎn)，航速高等特點(diǎn)，并且隨著分布式電推進(jìn)技術(shù)以及智能控制技術(shù)的成熟，傾轉(zhuǎn)動(dòng)力無(wú)人機(jī)將會(huì)具有廣闊的應(yīng)用前景;復(fù)合式垂直起降無(wú)人機(jī)具有技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性好、飛行可靠性高、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在民用領(lǐng)域比如航拍測(cè)繪、電力巡檢、公共安全、交通城管等行業(yè)將發(fā)揮重要的作用。

發(fā)展趨勢(shì)

任務(wù)載荷多樣化、模塊化、互換性

工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷多種多樣，包括多拼相機(jī)、光電球、喊話器、滅火彈等等。載荷的多樣性決定了無(wú)人機(jī)從設(shè)計(jì)之初就必須考慮其載荷的模塊化及互換性。當(dāng)無(wú)人機(jī)執(zhí)行不同任務(wù)或者升級(jí)相關(guān)設(shè)備時(shí)，能夠迅速更換其任務(wù)載荷，以更好滿足特定任務(wù)需求，適應(yīng)不同行業(yè)應(yīng)用。

高環(huán)境適應(yīng)性

隨著用途越來(lái)越多樣化，未來(lái)無(wú)人機(jī)需要具備在任何嚴(yán)苛的環(huán)境條件下可靠工作的能力。例如，在艦船起降時(shí)需要面臨風(fēng)力、洋流和船舶本身的運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境，這對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載智能控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性提出了更高的要求。

純電驅(qū)動(dòng)、分布式電推進(jìn)

對(duì)于工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)的動(dòng)力推進(jìn)方式，業(yè)界普遍認(rèn)為零排放、高效率、低噪聲的純電推進(jìn)驅(qū)動(dòng)將會(huì)是垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)主流發(fā)展方向。分布式電推進(jìn)采用電力驅(qū)動(dòng)多個(gè)分布于機(jī)翼、機(jī)身或尾翼的電機(jī)，并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳、涵道風(fēng)扇等動(dòng)力裝置提供全部推力。分布式電推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力分散布置，控制更為靈活，容錯(cuò)性能更好，系統(tǒng)冗余度高。另外，小風(fēng)扇能夠更為方便地融入機(jī)身，利于氣流附著翼面，使得氣動(dòng)效率更高，有助于改善飛行性能。

感知與避讓

感知和避讓技術(shù)是防止無(wú)人機(jī)與其它飛行器相撞的重要技術(shù)保障。利用無(wú)人機(jī)攜帶的設(shè)備探測(cè)感知周圍環(huán)境、在當(dāng)前態(tài)勢(shì)感知的基礎(chǔ)上判斷是否存在飛行沖突、重新規(guī)劃航跡規(guī)避沖突是感知與規(guī)避的三大關(guān)鍵技術(shù)。與有人機(jī)相比，無(wú)人機(jī)感知規(guī)避技術(shù)還不夠成熟，尚不具備多機(jī)、三維尺度下的感知與規(guī)避能力，而且感知、判斷、規(guī)避任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)信號(hào)傳輸延遲都將直接影響規(guī)避結(jié)果，感知與規(guī)避的可靠性、魯棒性也需進(jìn)一步提高。

自主性與智能化

未來(lái)無(wú)人機(jī)將不僅僅是一個(gè)飛行載體，被動(dòng)完成飛行任務(wù)，而是向單機(jī)智能飛行、多機(jī)智能協(xié)同、任務(wù)自主智能等方向發(fā)展，具備主動(dòng)感知、自主判斷、采集數(shù)據(jù)、智能學(xué)習(xí)和協(xié)同作業(yè)等各項(xiàng)能力。同時(shí)，與AR、VR設(shè)備的結(jié)合，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行和操控也將帶來(lái)全新的體驗(yàn)。

結(jié)論

縱觀國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)研究成果及其應(yīng)用領(lǐng)域，垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)正成為工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)發(fā)展的新趨勢(shì)。從總體布局來(lái)看，傾轉(zhuǎn)動(dòng)力式以及復(fù)合式將具有更廣泛的應(yīng)用前景;從推進(jìn)動(dòng)力來(lái)看，業(yè)界普遍認(rèn)為零排放高效率低噪聲的電推進(jìn)方式將是未來(lái)的主流發(fā)展方向;從載荷形式來(lái)看，任務(wù)載荷多樣化、模塊化、互換性等特點(diǎn)能更好滿足特定任務(wù)需求，適應(yīng)不同行業(yè)應(yīng)用;從飛機(jī)性能來(lái)看，高環(huán)境適應(yīng)性、先進(jìn)態(tài)勢(shì)感知技術(shù)、自主性與智能化等關(guān)鍵技術(shù)也將是工業(yè)級(jí)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)發(fā)展的重要方向。