工业级垂直起降固定翼无人机总体布局及发展趋势

工业级垂直起降固定翼无人机总体布局及发展趋势

作者：沙永祥钱凯

来源：《无人机》2019年第01期

垂直起降固定翼无人机具有无需跑道、续航力强、安全性高、制造难度低等优点，正成为工业级无人机发展的新趋势。本文从其总体布局的角度，阐述了该类型无人机的发展现状，各种构型性能优缺点與差异，并对未来行业技术发展趋势做了系统分析。

随着军民融合战略的推进，近年来工业级无人机在民用领域获得了突飞猛进的发展，被广泛应用于农业、商业、能源和医疗等各个领域。工业级无人机按照构型大致可以分为三类：无人直升机、多旋翼无人机、固定翼无人机。无人直升机在载重、续航等指标上有着突出的优势，但其动力和操纵都来自旋翼，机构异常复杂，导致成本高，可靠性低，限制了无人直升机的推广;多旋翼无人机兴起于消费级领域，其构型简单，零部件成品化高，技术门槛相对较低，但航时和航程短的缺点极大地限制了其应用场景;固定翼飞行器具备效率高、速度快、航时长、航程远、可靠性高等优点，但其对起降条件要求高，且辅助保障设备多，部署时间长。

垂直起降固定翼无人机作为近年工业级无人机的新兴事物，融合了多旋翼无人机和固定翼无人机的特点，具有无需跑道，续航力强，安全性高，制造难度低等优点，正成为工业级无人

机发展的新趋势。

工业级垂直起降固定翼无人机总体布局

从总体布局形式来看，垂直起降固定翼无人机主要有以下几类：尾座式、倾转动力式（包括倾转旋翼式、倾转涵道风扇式、倾转机翼式）以及复合式。

尾座式

尾座式垂直起降固定翼无人机兼具多旋翼无人机和固定翼无人机的优点。在机尾安装有起降支架，垂直起飞时机尾坐地机头向上，达到一定高度后转入平飞，降落时先调整姿态使机头向上，随后进行垂直降落。这种起降方式的优点是结构简单、系统废重少、效率高，但其控制系统开发难度较高，在垂直起降期间抗风性能较低，且其尾座式的特点在一定程度上降低了总体布局的灵活性。

“V-BAT”是MartinUAV公司设计的先进垂直起降固定翼无人机。其机尾安装的涵道风扇使无人机可以直立起降，并通过涵道风扇中安装的舵面进行直立起降飞行的三轴姿态控制，在爬升到一定高度后再转换成水平飞行模式。根据资料显示，“V-BAT”能够在移动的卡车上自主着陆，可靠性强，安全性好。此外，高效率、高航程、高航时等优异的性能特点使“V-BAT”赢得了美国陆军的青睐。

“X-Hawk”尾座式无人机

“X-Hawk”是四川傲势科技有限公司推出的一种纯电动尾座式垂直起降固定翼无人机。其垂直起降阶段采用四旋翼作为动力来源，并通过四旋翼的控制方法进行姿态控制，在转平飞后，通过对螺旋桨进行变距的形式，实现不同巡航速度下的高效飞行。此外，“X-Hawk”可实现完全自主飞行。它可在使用者设定任务后，自主设计航线飞行，同时也可切换手动飞行或指令飞行模式，具有失控返航、一键返航、低电量返航、断链路返航、可设置的虚拟围栏等高级功能，系统可靠性较高。

倾转动力式

倾转动力飞行器的概念最早由美国贝尔公司提出，无人机起飞时推力向上，转入水平飞行时利用倾转机构使推力向前，作为前飞动力。由机翼承担部分或全部升力。倾转动力式无人机推力方向变化都需要倾转机构，这样必然会存在机构可靠性与费重问题，并且垂直转平飞过渡阶段稳定性差的问题也对智能飞控技术提出了新的挑战。倾转动力式垂直起降固定翼飞行器包括倾转旋翼式、倾转涵道风扇式以及倾转机翼式。

倾转旋翼

“Quantum TRON90”是由德国慕尼黑Quantum System公司研制的一款纯电驱动倾转旋翼式垂直起降无人机。起降时采用四旋翼模式，提供向上的拉力;平飞时，前两部旋翼水平倾转提供前飞动力，后两部旋翼向后倾转以减小飞行阻力。根据其官方资料，该机采用模块化设计，

能快速有效的适应不同应用场景。目前该机已成功应用于电力巡检、航空测绘、农业监视等领域。此外，Quantum System公司还推出了三旋翼布局倾转旋翼无人机。

倾转涵道风扇

德国空中出租车公司Lilium推出了一款私人“百合号（Lilium）”倾转涵道风扇飞行器，该机采用纯电力驱动，垂直起降，配备可收放起落架。

百合喷气的两座版已于2017年4月首飞，该机使用36个倾转涵道电动风扇发动机（主翼24个，鸭翼12个）进行驱动，重量约600kg，最大商载200kg，最大飞行时速可达300km/h，单次充电航行距离达300km。起飞时风扇偏转指向下方，水平飞行时风扇水平指向前方，提供前飞动力。该无人机采用Lilium航空公司的“超冗余”概念，从安全性出发，任何一个组件的故障都不会影响正常飞行着陆。

倾转机翼

美国国家航空航天局（NASA）最近研发了一款倾转机翼垂直起降无人机，简称“GL-10”。NASA的工程师于2017年测试了这款无人机的缩比验证机，其翼展为3.05m，机翼上有8个电机，尾部有两个电机，起飞时最大重量为28.1kg。

全尺寸版本将采用电力/柴油混合驱动螺旋桨。起飞时，机翼平尾处于倾转状态，螺旋桨推力方向向上，垂直起飞，一定高度后，机翼平尾再倾转到水平位置，螺旋桨推力向前，类似固定翼一样飞行，起飞降落均无需一些额外的地面辅助起降装置。此外，“GL-10”螺旋桨桨尖速度设计较低，显著降低了螺旋桨的噪声。

“雷击（LightningStrike）”

“雷击”无人机是美国极光公司为美国国防高级研究计划局（DARPA）的“垂直起降试验飞机”（VTOL X-Plane）项目研制的一款倾转机翼垂直起降飞机。其正式代号为XV-24A。由1台罗罗公司的AE1107C涡轴发动机驱动，通过其驱动3台霍尼韦尔公司的发电机来产生电力，并将电力分配至全机24个涵道式风扇上（2个鸭翼上各安装3个，2个主机翼上则各安装9个风扇），形成分布式混合电推进系统。

图 6（a）所示为“雷击”1/5等比例验证机，全机重量为147.4kg，采用电力推进，配有54.4kg的锂电池，能以185km/h的速度连续航行5min。

然而，子承包商霍尼韦尔公司在研发高性能1兆瓦级发电机时遇到了技术瓶颈，使项目在第二阶段难以制造出全尺寸原型机。目前美国防部国防高级研究计划局（DARPA）决定取消项目第三阶段研发和相关飞行试验。

复合式