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摘要：垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)具有對(duì)起降場(chǎng)地要求低、機(jī)動(dòng)性好、巡航速度高、航時(shí)長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，是目前航空領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。本文闡述了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)研究現(xiàn)狀和基本特征，詳細(xì)分析了不同類型垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，提出更高的飛行速度、更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間、更強(qiáng)的任務(wù)載荷能力將是未來(lái)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)的主要發(fā)展方向和必然趨勢(shì)。盡管傾轉(zhuǎn)旋翼式和尾座式仍是當(dāng)今垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)主流構(gòu)型，但基于分布式電推進(jìn)的高速垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)將成為未來(lái)航空領(lǐng)域新熱點(diǎn)，給出進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)新構(gòu)型、新原理的探索性研究的建議。

 0     引言  

垂直起降固定翼飛行器能夠以直升機(jī)方式垂直起降，并能以固定翼方式巡航前飛。與傳統(tǒng)直升機(jī)相比較，垂直起降固定翼飛行器具有前飛速度快、航程遠(yuǎn)、航時(shí)長(zhǎng)等顯著優(yōu)勢(shì)，而與常規(guī)固定翼飛行器相比較，垂直起降固定翼飛行器能夠定點(diǎn)起降和懸停，對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道沒(méi)有依賴，任務(wù)能力顯著增強(qiáng)。以上優(yōu)點(diǎn)促使該類飛行器成為當(dāng)今世界研究的熱門(mén)領(lǐng)域［1］。從2004年起，美國(guó)已經(jīng)針對(duì)垂直起降固定翼飛行器技術(shù)布置并開(kāi)展了系列研究和驗(yàn)證，包括聯(lián)合多任務(wù)旋翼機(jī)（JMR）技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目［2-3］、未來(lái)垂直起降飛行器（FVL）項(xiàng)目［4-8］、垂直起降試驗(yàn)飛機(jī)（VXP）項(xiàng)目［9］、戰(zhàn)術(shù)偵察節(jié)點(diǎn)（TERN）項(xiàng)目［10-12］、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)空地特遣部隊(duì)遠(yuǎn)征無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（MUX）項(xiàng)目［13-15］等，而在上述項(xiàng)目的帶動(dòng)下，美國(guó)垂直起降固定翼飛行器技術(shù)實(shí)力得到了顯著提升，同時(shí)也積累了大量工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)未來(lái)高效垂直起降固定翼飛行器裝備發(fā)展提供了有力支撐。

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)在軍事、民用領(lǐng)域的用途越來(lái)越廣泛，對(duì)無(wú)人機(jī)起降方式的要求也越來(lái)越多樣化，因此，將垂直起降技術(shù)應(yīng)用到無(wú)人機(jī)上已經(jīng)成為必然。由于無(wú)人機(jī)無(wú)需考慮飛行員的生命保障、生理極限等問(wèn)題，將垂直起降技術(shù)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)領(lǐng)域?qū)⒏鼮殪`活，且更容易實(shí)現(xiàn)。

本文首先闡述國(guó)內(nèi)外垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)研究進(jìn)展，然后分析不同種類垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)方案技術(shù)特點(diǎn)，最后討論垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

  1    垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)研究進(jìn)展 

與有人機(jī)相比，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成更為簡(jiǎn)單，更適合垂直起降技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展，按照總體構(gòu)型及動(dòng)力形式的不同，可以將目前主流垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)劃分為升推復(fù)合式、尾座式、傾轉(zhuǎn)動(dòng)力式3種構(gòu)型形式。

1.1 升推復(fù)合式垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)

升推復(fù)合式垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)大多直接在固定翼的基礎(chǔ)上加裝多旋翼或升力螺旋槳，在垂直起降階段由多旋翼或螺旋槳系統(tǒng)提供升力，在平飛階段則切換回固定翼模式。Rheinmetall Airborne Systems公司與Swiss UAV公司于2016年聯(lián)合研制的TU-150戰(zhàn)術(shù)多用途無(wú)人機(jī)［16］應(yīng)用“雙復(fù)合”設(shè)計(jì)，如圖1所示，即旋翼—固定翼復(fù)合和混合動(dòng)力：兩側(cè)翼尖各裝配一副三葉旋翼來(lái)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(dòng)的推進(jìn)螺旋槳提供前進(jìn)推力。TU-150垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是“具有低保障要求的高性能系統(tǒng)”，其最大起飛質(zhì)量約為140 kg，最大任務(wù)載荷質(zhì)量約為25 kg，可配裝多種傳感器，能夠執(zhí)行多種任務(wù)，最大飛行速度約222 km/h，續(xù)航時(shí)間約8 h。其他如Songbird無(wú)人機(jī)［17］，CW大鵬系列無(wú)人機(jī)［18］等也是采用類似方案。

圖1 TU-150戰(zhàn)術(shù)多用途無(wú)人機(jī)［16］

Fig.1 TU-150 tactical multi-role UAV［16］

為了進(jìn)一步提高垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)效率，設(shè)計(jì)人員提出了一種“在巡航時(shí)將旋翼停轉(zhuǎn)并鎖定，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成機(jī)翼或其他翼面以提供氣動(dòng)力”［19-21］的旋轉(zhuǎn)機(jī)翼創(chuàng)新思路，進(jìn)而形成一種特殊的升推復(fù)合式垂直起降構(gòu)型。美國(guó)波音公司鬼怪工廠于2003年研制的X-50A“蜻蜓”概念驗(yàn)證機(jī)［22］即采用“旋轉(zhuǎn)機(jī)翼+鴨翼+尾翼”布局形式，如圖2所示，其垂直起降和懸停時(shí)的飛行模式與直升機(jī)相似，但其旋翼旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是依靠“槳尖噴氣驅(qū)動(dòng)”技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而抗自旋扭矩則是通過(guò)“無(wú)尾槳”系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)入固定翼模式，旋翼停變?yōu)橹鳈C(jī)翼以提供巡航升力［23］，相類似地如西北工業(yè)大學(xué)于2006年提出的“靈龍”無(wú)人機(jī)［24-25］，如圖3所示，其與X-50A“蜻蜓”概念驗(yàn)證機(jī)主要區(qū)別在于機(jī)身尾部加裝反扭矩尾槳，并且固定翼飛行狀態(tài)采用機(jī)頭拉進(jìn)螺旋槳而非噴氣推進(jìn)裝置。

 圖2 X-50A“蜻蜓”概念驗(yàn)證機(jī)［22］

Fig.2 X-50A"Dragonfly"proof-of-concept［22］

圖3 “靈龍”無(wú)人機(jī)概念圖［24］

Fig.3"Linglong"UAV concept［24］

1.2 尾座式垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)