摘要：目前復(fù)合翼無人機(jī)的技術(shù)比較成熟，發(fā)展迅速，產(chǎn)品種類多，但大多載重能力比較小，使用范圍有限。為提高其適用性，對具備大載重能力的復(fù)合翼無人機(jī)優(yōu)化研發(fā)顯得尤為重要。本文介紹了大載重復(fù)合翼無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，以國內(nèi)外幾款重要機(jī)型為例，分析了其大載重能力、長續(xù)航力和廣泛的環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步給出了飛行速度較慢、維護(hù)和使用復(fù)雜性較高等現(xiàn)有主要缺點(diǎn)，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方向。

關(guān)鍵詞：復(fù)合翼無人機(jī)；大載重；長航時；垂直起降

中圖分類號：TB"""""""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""""""doi：10.19311/j.cnki.16723198.2025.12.077

1"大載重復(fù)合翼無人機(jī)主要機(jī)型特點(diǎn)

1.1"國外現(xiàn)有主要機(jī)型特點(diǎn)

上世紀(jì)90年代為滿足美國海軍陸戰(zhàn)隊在城市環(huán)境中的偵察要求而設(shè)計了一款Dragon"Warrior無人機(jī)[1]，Dragon"Warrior無人機(jī)采用涵道風(fēng)扇設(shè)計，由兩個四槳葉同軸旋翼組成，這種設(shè)計在懸停模式下能產(chǎn)生足夠的升力。Dragon"Warrior無人機(jī)在環(huán)形機(jī)身上連接了常規(guī)機(jī)翼。這些機(jī)翼與飛機(jī)尾部第二個較小的涵道風(fēng)扇一起用于向前推進(jìn)。Dragon"Warrior無人機(jī)的翼展2.6米，最大總重量為100千克，可載重20.4千克，最高速度可達(dá)231.5千米/小時，可續(xù)航3～5小時。

德國和瑞士在2016年推出一款TU-150戰(zhàn)術(shù)多用途無人機(jī)[2]，該機(jī)兩側(cè)翼尖各裝配一副三葉旋翼來提供垂直升力，使其在旋翼模式下具有直升飛行能力，而在固定翼模式下，將旋翼停止，靠機(jī)翼升力平衡重力，由機(jī)身末端電機(jī)驅(qū)動的推進(jìn)螺旋槳提供前進(jìn)推力。該機(jī)裝配一臺噴氣發(fā)動機(jī)和一套發(fā)電機(jī)組為旋翼和螺旋槳提供電力，翼展達(dá)7.9米，其最大起飛質(zhì)量約為140千克，最大任務(wù)載荷質(zhì)量約為25千克，最大速度為222公里每小時，續(xù)航時間約為8小時。

斯洛文尼亞蝙蝠飛機(jī)公司2021年開發(fā)了一款Nuuva"V300無人機(jī)[3]，該機(jī)是一種長航程、大載荷、自主飛行無人機(jī)，使用八臺由電池驅(qū)動的Pipistrel電機(jī)，實現(xiàn)垂直起降，使用一臺FADEC發(fā)動機(jī)驅(qū)動后推電機(jī)實現(xiàn)平飛。V300總長度11.3米、翼展13.2米，在滿油情況下續(xù)航時間可達(dá)12個小時，其最大起飛總量為1700千克，載重可達(dá)300千克，最大飛行速度為220公里每小時。

1.2"國內(nèi)現(xiàn)有主要機(jī)型特點(diǎn)

我國的縱橫自動化技術(shù)有限公司在國內(nèi)率先進(jìn)行復(fù)合翼垂直起降無人機(jī)的研發(fā)，并推出了一系列四旋翼垂直起降無人機(jī)，CW-100是其中一款油電混合中型無人機(jī)平臺[4]，具備4個旋翼電機(jī)和一個油動發(fā)動機(jī)，最大起飛重量為105千克，有效載荷可達(dá)20千克。該機(jī)翼展為5.4米，最大飛行速度為144公里每小時，負(fù)載續(xù)航可達(dá)4—8小時。

上海峰飛航空2019年推出一款V400信天翁大載重長航時垂直起降無人機(jī)[5]，該機(jī)機(jī)身長度6.67米、高度1.11米，機(jī)翼翼展9米，具有"8"升"2"推多冗余控制系統(tǒng)，最大起飛重量"400"千克，最大載荷可達(dá)100"千克，航程可達(dá)1000千米。

煙臺壹通無人機(jī)系統(tǒng)有限公司2024年成功研制了一款大型無人運(yùn)輸機(jī)"TR100[6]，該無人機(jī)是一款"600"千克級大型垂直起降固定翼無人機(jī)，采用主流復(fù)合翼布局，電混動力系統(tǒng)，具有6個垂起電機(jī)和一臺后推發(fā)動機(jī)，載重"150"千克，具有長航時、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可用于支線到末端貨物轉(zhuǎn)運(yùn)及配送。

2"大載重復(fù)合翼無人機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1"優(yōu)勢分析

2.1.1"載重能力強(qiáng)

這些無人機(jī)的顯著特點(diǎn)是它們的大載重能力。無論是Dragon"Warrior的20.4千克、TU-150的25千克、Nuuva"V300的300千克、CW-100的20千克、V400信天翁的100千克、還是TR100的150千克，它們都遠(yuǎn)超一般復(fù)合翼無人機(jī)的載重能力。

這類復(fù)合翼無人機(jī)的機(jī)身往往比較大，具備較寬的翼展，比如TU-150翼展為7.9米，Nuuva"V300無人機(jī)的翼展甚至達(dá)13.2米，較大的翼展可以分散和支撐更多的重量。這些設(shè)計有助于提升飛機(jī)的穩(wěn)定性和承載能力，使其在保持空氣動力學(xué)平衡的情況下攜帶較大重量。另一方面這類復(fù)合翼無人機(jī)通常配備功率足夠大的電機(jī)和適合無人機(jī)尺寸和功率的螺旋槳，以提供更大的升力。比如Dragon"Warrior無人機(jī)為提高升力而使用了涵道風(fēng)扇設(shè)計；TU-150無人機(jī)采用了尺寸較大的三葉旋翼；Nuuva"V300無人機(jī)采用了8個垂起電機(jī)提供升力。

2.1.2"續(xù)航能力長

續(xù)航能力長也是這類無人機(jī)的一個重要特點(diǎn)，Dragon"Warrior可續(xù)航3～5小時，TU-150約為8小時，Nuuva"V300在滿油情況下可達(dá)12個小時，CW-100的負(fù)載續(xù)航可達(dá)4～8小時，V400的航程更是可達(dá)1000千米。長航時飛行能力使得這些無人機(jī)能夠執(zhí)行更長時間的任務(wù)，提高了任務(wù)執(zhí)行的靈活性和效率。

續(xù)航能力長的一個主要原因是采用了油電混合的動力形式，復(fù)合翼無人機(jī)只在起飛和降落時采用電動形式，而巡航階段采用油動形式。巡航階段無人機(jī)對飛行姿態(tài)和震動沒有太高的要求，而燃油的能量密度遠(yuǎn)高于電池，油動發(fā)動機(jī)能夠在長時間巡航中提供持續(xù)的動力。與電池相比，燃油發(fā)動機(jī)攜帶的燃料在續(xù)航方面更具優(yōu)勢，因此更適合長距離飛行任務(wù)。為了進(jìn)一步增強(qiáng)續(xù)航能力，Dragon"Warrior和Nuuva"V300無人機(jī)甚至采用了重油發(fā)動機(jī)。

2.1.3"環(huán)境適應(yīng)性好

美國海軍陸戰(zhàn)隊將Dragon"Warrior無人機(jī)用在了城市環(huán)境中的偵察任務(wù)上，TU-150無人機(jī)被用作戰(zhàn)術(shù)多用途無人機(jī)，CW-100無人機(jī)被廣泛應(yīng)用于測繪地理信息、巡檢、安防監(jiān)控、應(yīng)急等領(lǐng)域的多種應(yīng)用場景上，這是固定翼和多旋翼無人機(jī)無法完成的，究其原因是復(fù)合翼無人機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)。

復(fù)合翼無人機(jī)具備旋翼功能，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降（VTOL），不需要跑道，適合在復(fù)雜或狹窄的場地起降。這使它特別適用于山區(qū)、海上或其他難以部署傳統(tǒng)跑道的場地，極大擴(kuò)展了任務(wù)環(huán)境的適應(yīng)性。復(fù)合翼無人機(jī)具備懸停能力，使得它能夠在特定位置進(jìn)行長時間觀察和監(jiān)測，為各種任務(wù)提供了便利。

另外由于兼具旋翼懸停和固定翼巡航能力，復(fù)合翼無人機(jī)既能進(jìn)行穩(wěn)定的低速飛行和懸停偵察，也能切換到高效的固定翼巡航模式，在同一飛行中兼顧不同飛行需求，適用于偵察、監(jiān)測、救援等多種任務(wù)場景。

2.2"缺點(diǎn)分析

2.2.1"飛行速度相對較慢

長航時大載重復(fù)合翼無人機(jī)的飛行速度相較于固定翼無人機(jī)比較慢，Dragon"Warrior無人機(jī)是幾款中速度中最快的，其最高速度才為2315千米每小時，而美國全球鷹無人機(jī)的最大速度可達(dá)740千米每小時，捕食者B的最大速度可達(dá)444千米每小時，中國的翼龍-2無人機(jī)最大飛行速度也可達(dá)370千米每小時。

復(fù)合翼無人機(jī)設(shè)計為兼具固定翼和旋翼的特點(diǎn)，以支持垂直起降和巡航飛行。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)帶來了額外的空氣阻力，降低了氣動效率，不利于高速飛行。尤其是旋翼在高速飛行時會產(chǎn)生較大阻力，限制了飛行速度。復(fù)合翼無人機(jī)的翼型和旋翼結(jié)構(gòu)更注重提升升力而非推力。這種設(shè)計在低速飛行中有優(yōu)勢，但在高速飛行時會顯著增加空氣阻力，導(dǎo)致速度受限。為實現(xiàn)多功能飛行，復(fù)合翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)通常更復(fù)雜，帶有額外的機(jī)翼、旋翼和冗余設(shè)備，這些部件增加了機(jī)體重量，影響了加速性能，較重的機(jī)體需要更大的推力才能提升速度。

2.2.2"自重問題仍然明顯

復(fù)合翼無人機(jī)的“自重”問題主要指其結(jié)構(gòu)中存在的無效載重，即在飛行中某些部件不同時發(fā)揮作用，從而增加了重量和能量消耗。

復(fù)合翼無人機(jī)集成了多旋翼和固定翼的功能，需要安裝多旋翼的電機(jī)和螺旋槳，同時還要配備固定翼的機(jī)翼和尾翼。這導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)上冗余，增加了飛機(jī)的整體重量。

復(fù)合翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要設(shè)計合理的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)旋翼和固定翼之間的切換。這些轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)增加了無人機(jī)的重量和復(fù)雜性。

在多旋翼模式下，固定翼部分通常不參與升力的提供；而在固定翼巡航階段，多旋翼的電機(jī)和螺旋槳則基本閑置，成為無效的載荷。這種階段性“自重”使得整機(jī)有效載重比例降低。比如TU-150戰(zhàn)術(shù)多用途無人機(jī)具有兩個較大的旋翼，在起降階段可以提供比較大的升力，但在巡航階段卻成為負(fù)擔(dān)，其他無人機(jī)的多個旋翼會帶來更大的負(fù)擔(dān)。

2.2.3"造價和維護(hù)成本高

大載重復(fù)合翼無人機(jī)的設(shè)計需要配備固定翼、旋翼、多個電機(jī)或發(fā)動機(jī)以及復(fù)雜的控制系統(tǒng)。這種多功能的集成帶來顯著的制造和裝配成本。

為實現(xiàn)平穩(wěn)切換和精確控制，復(fù)合翼無人機(jī)通常需要先進(jìn)的飛控系統(tǒng)來管理固定翼和多旋翼模式的轉(zhuǎn)換。這涉及高精度的傳感器、更多的控制器及專用的軟件算法。這些精密設(shè)備和算法研發(fā)增加了設(shè)計、調(diào)試和生產(chǎn)的成本。

另一方面為了加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)，減輕機(jī)體重量，大載重復(fù)合翼無人機(jī)在材料選擇上可能更傾向于輕量高強(qiáng)度的復(fù)合材料，進(jìn)一步推高了材料成本。

由于復(fù)合翼設(shè)計涉及多旋翼、電機(jī)、發(fā)動機(jī)等多種動力系統(tǒng)組合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對機(jī)體、電子系統(tǒng)和動力系統(tǒng)的維護(hù)要求較高。這種復(fù)雜性增加了維護(hù)成本，且在高強(qiáng)度使用中容易出現(xiàn)故障，需要頻繁檢查和保養(yǎng)。

3"優(yōu)化分析

針對大載重多旋翼無人機(jī)的主要缺點(diǎn)，應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化。

3.1"優(yōu)化無人機(jī)的氣動布局和重量

深入研究無人機(jī)的空氣動力學(xué)性能，通過建立精確的三維幾何模型和仿真平臺，優(yōu)化其機(jī)翼、機(jī)身及尾翼的氣動布局，減少突出的旋翼支架，將旋翼設(shè)計為折疊或收起形式，通過減少空氣阻力和提高升力系數(shù)，使無人機(jī)的飛行速度得到提高。對于大載重飛行任務(wù)，特別關(guān)注機(jī)體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，使用高強(qiáng)度、輕質(zhì)復(fù)合材料（如碳纖維、鈦合金等）來減輕整體重量，但同時確保機(jī)體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗疲勞性能，將動力裝置進(jìn)行集成化設(shè)計，減少零部件數(shù)量和重量，以進(jìn)一步減輕無人機(jī)的自重問題。

3.2"開發(fā)高效推進(jìn)系統(tǒng)

為了進(jìn)一步提升無人機(jī)的載重和續(xù)航能力，需要開發(fā)高效的推進(jìn)系統(tǒng)，包括電動、燃油推進(jìn)系統(tǒng)或混合動力推進(jìn)系統(tǒng)。對推進(jìn)系統(tǒng)的推力-功率比進(jìn)行優(yōu)化、電池能量密度進(jìn)行提升、燃油效率進(jìn)行提高等。針對電動推進(jìn)系統(tǒng)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高能量密度的電池系統(tǒng)選配及其散熱管理上，以延長續(xù)航時間并確保安全性；對于燃油推進(jìn)系統(tǒng)，則需要通過改進(jìn)發(fā)動機(jī)的燃燒效率、降低能源消耗，實現(xiàn)更大載重和更長航時的飛行。

3.3"降低使用和維護(hù)成本

第一，通過模塊化設(shè)計，將不同的飛行模式組件（如旋翼、電機(jī)、固定翼等）分解成可替換的模塊。這樣在維護(hù)時，只需更換或修理受損模塊，無須對整個無人機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的檢修。模塊化設(shè)計還可以允許更靈活的配置，根據(jù)任務(wù)需求增減不同模塊，從而降低制造成本。

第二，針對固定翼和多旋翼組合部分的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，選用更耐用的材料，如碳纖維或高強(qiáng)度塑料，以延長部件壽命、減少維修頻率。

第三，建立嚴(yán)格的定期維護(hù)和預(yù)防性保養(yǎng)計劃，避免小問題累積成大故障，通過有規(guī)律的檢修來保持無人機(jī)的健康狀態(tài)。

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