回首2017年的工業(yè)級(jí)無人機(jī)技術(shù)，新構(gòu)型的爆發(fā)式發(fā)展成為了最明顯的趨勢(shì)，以至于有媒體認(rèn)為2017年是 “垂直起降固定翼無人機(jī)元年”。姑且不提此種說法對(duì)于先行者們的稍有不公，至少絕大多數(shù)工業(yè)級(jí)無人機(jī)廠商都紛紛推出了各種具有垂直起降能力的固定翼無人機(jī)產(chǎn)品。當(dāng)然，大趨勢(shì)中的發(fā)展方向也是魚龍混雜，各出奇招昏招。

本文將對(duì)近年來出現(xiàn)和發(fā)展的復(fù)合翼構(gòu)型無人機(jī)做簡要梳理，添幾根柴火，潑幾盆冷水，以期為行業(yè)健康發(fā)展盡微薄之力。

在飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了一百多年的今天，固定翼這種構(gòu)型在多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中已經(jīng)近乎完美了，但是其垂直起降能力的發(fā)展仍步履蹣跚，以至于到現(xiàn)在我們都還在針對(duì)垂直起降固定翼的基本結(jié)構(gòu)做創(chuàng)新和設(shè)計(jì)，這幾乎已經(jīng)能說明在動(dòng)力系統(tǒng)有革命性的進(jìn)展之前，實(shí)現(xiàn)垂直起降都將以大幅度的效率損失為代價(jià)。

鑒于此，我們?cè)u(píng)判一種設(shè)計(jì)優(yōu)劣與否，最重要的指標(biāo)就是其效率損失較小，而不是只要有效率下降便嗤之以鼻。下面就對(duì)近年來出現(xiàn)的固定翼垂直起降構(gòu)型做簡要梳理。

如果十年前一個(gè)飛機(jī)設(shè)計(jì)專家被告知這種構(gòu)型的飛機(jī)將成為一種趨勢(shì)，那對(duì)他很可能是一種暴擊，就像在二十年前，被告知多旋翼構(gòu)型會(huì)火一樣(約二十年前的書籍《無人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論》中，作者明確表示不看好四旋翼這種低效率的飛行器)。

按照常規(guī)的飛機(jī)設(shè)計(jì)原則，這種設(shè)計(jì)一定是最不得已而為之的。這可能正是2015年底，成都縱橫發(fā)布國內(nèi)第一款垂直起降固定翼飛控時(shí)，還特地發(fā)了好幾篇文章闡明是在掙扎三年之后才最終確定這個(gè)方案的原因。而此時(shí)，開源飛控APM的QuadPlane支持也進(jìn)入測(cè)試階段。

于是，一場(chǎng)大戲在點(diǎn)滴之間悄然拉開帷幕。到2017年底，APM，PX4開源飛控均能很好地支持這種構(gòu)型的全自動(dòng)飛行，大多數(shù)的工業(yè)級(jí)無人機(jī)整機(jī)廠商也都推出了各自的機(jī)型，既然是要做總結(jié)，那么不可避免地要再來理一遍這種構(gòu)型的缺點(diǎn)：

但是，對(duì)于部分應(yīng)用場(chǎng)景，以上所有的缺點(diǎn)，都掩蓋不了可垂直起降這一優(yōu)點(diǎn)，這也是這種構(gòu)型無人機(jī)爆發(fā)的原因，只是很多廠商可能并沒有很好地思考這背后的邏輯，本文將最適合運(yùn)用垂直起降固定翼無人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景特點(diǎn)總結(jié)如下表：

垂直起降固定翼構(gòu)型結(jié)構(gòu)上易于實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)有的固定翼平臺(tái)上增加多旋翼動(dòng)力部分，且加強(qiáng)機(jī)翼扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度即可。在控制方面的優(yōu)勢(shì)就是控制系統(tǒng)相對(duì)簡單，最簡單的情況下就是固定翼和多旋翼兩套飛控硬切換就可以實(shí)現(xiàn)正常飛行。還有一個(gè)不太被關(guān)注的優(yōu)勢(shì)，就是前拉槳的效率。多旋翼槳和固定翼槳典型工作條件下的來流速度不同，因此設(shè)計(jì)時(shí)翼型和槳距也有很大區(qū)別，正常的工業(yè)級(jí)無人機(jī)都采用定距槳，多旋翼槳只能高效運(yùn)轉(zhuǎn)于多旋翼模態(tài)，固定翼槳用于多旋翼模態(tài)時(shí)效率也低很多，因此這種構(gòu)型中，多旋翼槳只工作在多旋翼模態(tài)，固定翼槳只工作在固定翼模態(tài)，在槳的效率運(yùn)用上是個(gè)不小的優(yōu)勢(shì)。

正如每種飛行器都有其適用場(chǎng)景，同樣沒有一種飛行器是萬能的，例如，5-20kg起飛重量的飛行器，其靈活性要求一般都是高于載荷能力的，因此能夠在很小的區(qū)域內(nèi)快速組裝、起飛就成為很大的優(yōu)勢(shì)；但是起飛重量小于5kg時(shí)，要想實(shí)現(xiàn)這種復(fù)合構(gòu)型就困難了，而采用純固定翼構(gòu)型，手拋起飛或彈射起飛加傘降更合適；而起飛重量過大時(shí)，復(fù)合翼構(gòu)型的缺點(diǎn)也同時(shí)被放大，加上這種情況下的載荷能力要求一般更高，此時(shí)采用純固定翼構(gòu)型，利用通航機(jī)場(chǎng)甚至小型開闊道路滑跑起飛可能更合適。因此近期出現(xiàn)的用垂直起降固定翼飛機(jī)運(yùn)送貨物、攜帶較重的設(shè)備，甚至把起飛重量做到100kg以上，則屬于一葉障目不見泰山了。

至于多旋翼固定翼復(fù)合構(gòu)型的產(chǎn)品，則是以成都縱橫的“大鵬”系列為代表，采用快速拆裝結(jié)構(gòu)，最大起飛重量涵蓋10-30kg級(jí)別，載荷能力也覆蓋了1-6kg。

光點(diǎn)科技的“游龍”也是應(yīng)用較多的產(chǎn)品，起飛重量約14kg，載荷能力1.5kg，也處于較為實(shí)用的參數(shù)范圍。

傾轉(zhuǎn)旋翼固定翼構(gòu)型在思路上明顯比多旋翼固定翼構(gòu)型要高明許多，至少有一部分動(dòng)力是多旋翼模態(tài)和固定翼模態(tài)共用的，減小了整個(gè)飛行過程的死重，而代價(jià)只是增加一套(或多套)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。例如V-22魚鷹運(yùn)輸機(jī)，依靠兩套傾轉(zhuǎn)旋翼完成了垂直起降和固定翼飛行。但是有得必有失，下表總結(jié)了傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型相對(duì)于多旋翼固定翼構(gòu)型的缺點(diǎn)：

因此，與多旋翼固定翼復(fù)合型類似，起飛重量要求非常小(小于5kg)時(shí)，也不宜采用傾轉(zhuǎn)旋翼布局，而對(duì)于載荷重量要求比較大的應(yīng)用中，傾轉(zhuǎn)旋翼的效率提升就可以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)、控制復(fù)雜的劣勢(shì)了，特別是如果有野外的大載重、長航時(shí)需求，由于現(xiàn)在大載重直升機(jī)的飛控仍有很多不足，傾轉(zhuǎn)旋翼不失為一種折中策略。當(dāng)前多旋翼固定翼復(fù)合構(gòu)型市場(chǎng)已經(jīng)成為紅海，PX4等開源飛控也都支持了傾轉(zhuǎn)旋翼，可用預(yù)見，下一步傾轉(zhuǎn)旋翼的產(chǎn)品和應(yīng)用也將越來越多。

產(chǎn)品方面，有深圳智航一直在進(jìn)行傾轉(zhuǎn)旋翼固定翼構(gòu)型的研發(fā)和測(cè)試，并且推出了面向物流(V330)和測(cè)繪(V400)的兩款產(chǎn)品，智航產(chǎn)品的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是旋翼下洗流不會(huì)打到機(jī)翼上，因此垂直起降模態(tài)的動(dòng)力損失較少，而在實(shí)際應(yīng)用中，這兩款產(chǎn)品具有不錯(cuò)的載荷能力和續(xù)航時(shí)間。

沈陽無距則推出了串列翼布局的傾轉(zhuǎn)旋翼，只是我們看到的都只是概念模型。

雖然實(shí)用化的產(chǎn)品還較少，但筆者還是對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的傾轉(zhuǎn)旋翼寄予希望，也相信設(shè)計(jì)合理的傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)在未來幾年也將大放異彩。

相對(duì)于傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型的將旋翼軸轉(zhuǎn)90度轉(zhuǎn)平飛，尾座式垂直起降無人機(jī)則是將自己整體轉(zhuǎn)90度轉(zhuǎn)平飛，這樣設(shè)計(jì)的絕妙之處在于省略了旋翼的傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，具有更高的機(jī)械可靠性。單從結(jié)構(gòu)上看，尾座式垂直起降構(gòu)型只比固定翼構(gòu)型多出了尾部支撐機(jī)構(gòu)，但是由于省下了起落架系統(tǒng)，因此很可能會(huì)比相同起飛重量的固定翼重量更輕。從氣動(dòng)布局上看，尾座式構(gòu)型可用設(shè)計(jì)成飛翼布局，翼身融合布局，甚至是常規(guī)布局，因此氣動(dòng)效率優(yōu)勢(shì)明顯。

但是由于較大的機(jī)翼面積，尾座式構(gòu)型飛行器在垂直飛行階段更容易受到氣流擾動(dòng)影響，而由于涉及控制策略轉(zhuǎn)換以及姿態(tài)的迅速變化，垂直和平飛的轉(zhuǎn)換過程也較難控制，因此現(xiàn)在尚沒看到哪個(gè)飛控可用非常好地實(shí)現(xiàn)尾座式構(gòu)型飛行器的全自動(dòng)飛行。不過一旦這個(gè)問題得以完善解決，尾座式構(gòu)型將是垂直起降固定翼無人機(jī)構(gòu)型最好的解決方案。

既然尾座式構(gòu)型的氣動(dòng)效率很高，且垂直起降階段容易受側(cè)風(fēng)干擾，那么可以開個(gè)腦洞，在物流運(yùn)輸行業(yè)中，高附加值或者急需物資的倉對(duì)倉、倉對(duì)柜運(yùn)輸就可以考慮這種構(gòu)型，因?yàn)闊o論是倉庫，還是大型快遞柜，為尾座式無人機(jī)設(shè)置供起降進(jìn)入的天井，而倉庫貨快遞柜內(nèi)完全可以提供無風(fēng)的起降空間。當(dāng)然，這些想法都是基于飛控已經(jīng)成熟的前提下。

尾座式無人機(jī)的產(chǎn)品方面，除了軍用的有611所研發(fā)的VD200，民用的也有四川傲勢(shì)科技X-Hawk概念機(jī)，從外觀上看還是有一定新意，大展弦比機(jī)翼配合翼梢前掠，只要控制得當(dāng)，續(xù)航和機(jī)動(dòng)性都有一定保證。

事實(shí)上，2017年市場(chǎng)上能見得到產(chǎn)品、樣機(jī)甚至概念機(jī)且相對(duì)靠譜的，也就以上這幾種構(gòu)型了，而且假以時(shí)日，隨著民用無人機(jī)結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)、飛控等技術(shù)的進(jìn)展，這些構(gòu)型的無人機(jī)都將有自己的用武之地。下面就來看幾種少見的、新型的復(fù)合翼構(gòu)型。

LightningStrike，這是一款分布涵道式旋翼與固定翼混合構(gòu)型的飛行器，動(dòng)力系統(tǒng)為一臺(tái)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)三臺(tái)發(fā)電機(jī)，進(jìn)而為24臺(tái)涵道螺旋槳提供動(dòng)力，其小型無人縮比驗(yàn)證機(jī)也已完成測(cè)試。鑒于小直徑涵道式螺旋槳的效率，這種飛行器也不是沖著高效飛行而設(shè)計(jì)的，我寧愿相信DARPA為了測(cè)試和改進(jìn)其混合動(dòng)力輸配電系統(tǒng)而故意做出一臺(tái)十分費(fèi)電的飛機(jī)。

Carter Copter，這是Carter Aviation公司推出的一款自轉(zhuǎn)旋翼和固定翼復(fù)合構(gòu)型飛機(jī)，這種飛行器結(jié)合了自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、可跳飛性能，以及固定翼飛機(jī)高速飛行時(shí)的高升阻比，由于采用電傳操縱，未來也是要成為無人機(jī)的一種可行方案。

X-50A，這架混合構(gòu)型飛機(jī)雖然距離2017年比較遠(yuǎn)(首飛于2003年)，但是看在其不拘一格的設(shè)計(jì)思路以及NASA的背景，則有必要提及一下。X-50A的主旋翼在垂直起降和低速飛行時(shí)為槳尖噴氣動(dòng)力的旋翼，同時(shí)，槳尖噴氣也提供前飛動(dòng)力。隨著前飛速度的提高，鴨翼和尾翼逐步提供足夠的升力，從而卸載主旋翼的轉(zhuǎn)速，并最終轉(zhuǎn)為固定翼模態(tài)。由于采用了槳尖噴氣技術(shù)，其旋翼并沒有反力矩，因此在垂直起降階段，并不需要類似于直升機(jī)的尾槳。不過由于驗(yàn)證機(jī)完全沒有達(dá)到預(yù)期的效果，我們現(xiàn)在才看不到以此為原型的產(chǎn)品。

本文簡單梳理了近年來出現(xiàn)的幾種既能夠完成垂直起降，有在一定程度上具有固定翼續(xù)航優(yōu)勢(shì)的復(fù)合翼構(gòu)型，但是無人機(jī)的設(shè)計(jì)千變?nèi)f化，應(yīng)用場(chǎng)景也多種多樣，我們既要從理論和試驗(yàn)出發(fā)探索不同飛行器的優(yōu)勢(shì)和不足，又要避免對(duì)某些技術(shù)盲目自信，固守并過分夸大其應(yīng)用范圍，這才是無人機(jī)技術(shù)能一直向前發(fā)展的有效保證。

源自：宇辰網(wǎng)無人機(jī)資訊