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垂直起降固定翼無人機技術發展及趨勢分析
來源:尖兵之翼 | 作者:王科雷 周洲 馬悅文 杜萬閃 郭佳豪 李旭 張陽 孫蓬勃 | 發布時間: 2023-02-13 | 14777 次瀏覽 | 分享到:
垂直起降固定翼無人機具有對起降場地要求低、機動性好、巡航速度高、航時長等優勢,是目前航空領域研究熱點……

由于可傾轉旋翼和發動機短艙一般是在機翼外端或翼尖安裝,因此對傾轉傳動機構和機翼結構帶來了很大的設計壓力。尤其是傾轉旋翼無人機傳動系統除了具備常規直升機傳動系統功能外,還需帶動兩側翼尖旋翼實現傾轉運動,同時傳動系統還需要將兩側發動機的動力通過固定端的減速器和傾轉旋翼減速器按要求傳遞給旋翼系統,并在單發失效的情況下具備實現兩側動力互連的功能。因此,高效、高可靠的傾轉/傳動機構和結構系統是傾轉旋翼無人機技術實現的關鍵[55-56]。

(2)傾轉涵道式

傾轉涵道式垂直起降固定翼無人機的技術特點與傾轉旋翼相類似,但由于涵道動力與機體融合度更高,可以設置在機身或機翼上從而提供直接的升力,在設計上更加靈活。此外,涵道壁面相對旋轉葉片物理隔離,一方面可以起到防護作用,另一方面也可以屏蔽和降低槳葉氣動噪聲,最終使得該類型飛行器飛行過程更加安全和安靜,增強其實用性。

然而,傾轉涵道式垂直起降固定翼無人機的動力/氣動特性分析始終較為困難,這是由于無人機多模態飛行導致的涵道風扇工作環境異常復雜,而且國內外缺少相關的在低速大攻角狀態下涵道風扇的理論分析[57],因此其特性多數是從風洞試驗中獲得。此外,當傾轉涵道的直徑達到一定程度后,其在前飛狀態下產生的阻力會嚴重影響飛行器整體性能,這極大地限制了傾轉涵道式垂直起降固定翼無人機規模[58]。

(3)傾轉分布式動力結構

傾轉分布式動力結構垂直起降固定翼無人機最大特點在于采用分布式混合動力電驅動系統,減少其他傳動機械在飛機內部的空間占比,有效降低結構重量和復雜度。通過分布式動力與機翼相耦合的形式,在同等升力需求的情況下可以有效減小機翼弦長,提高懸停狀態的操縱性和抗風穩定性。此外,電驅動形式帶來更快的響應速度和更精細化的操縱性能,如XV-24“雷擊”無人機每一個涵道風扇都采用恒定轉速設計,通過調節總距可以控制各個風扇拉力,同時每個風扇所處涵道的上、下機翼面都可以獨立控制,實時優化涵道/機翼耦合氣動效率和在垂直平面內提供的矢量推力[59],這種控制形式具有更高的冗余度和可靠性。

然而,由于傾轉分布式動力結構垂直起降固定翼無人機都采用分布式動力/機翼融合體整體傾轉的形式,其傳力和受力情況較為復雜,對全機結構和傳動機構的強度和剛度要求更髙。提出每一個動力部件均可以獨立控制是分布式電推進飛行器的發展愿景,這要求系統模型和控制律等具有處理極復雜問題的能力,基于當前飛行控制技術還無法實現。

此外,由于采用混合動力電驅動設計,能量從發動機輸出到所需動力會產生約三成的損失[60],嚴重降低無人機的續航能力,同時,目前的電動機功率密度較低導致其重量較大,造成全機重量中動力重量占比較高,不利于全機重量分配。

  3    垂直起降固定翼無人機技術發展趨勢 

由國內外垂直起降固定翼無人機技術方案發展現狀可以看出,更高的飛行速度、更長的續航時間、更強的任務載荷能力將是未來垂直起降固定翼無人機技術的必然趨勢。綜合來看,傾轉旋翼式和尾座式已成為當前國內外軍民用垂直起降固定翼無人機的主流,在已有成果的基礎上進一步追求高效懸停、高速和遠程能力是近期垂直起降固定翼無人機技術研發的主要任務。此外,出于分布式電推進技術的諸多利好特性,發展基于分布式電推進的高速垂直起降固定翼無人機技術或將成為未來航空領域新熱點,而隨著分布式電推進技術在飛行器總體/動力/氣動/控制等方面潛力的深入挖掘,探索垂直起降固定翼無人機新構型、新原理十分必要。綜上,未來垂直起降固定翼無人機技術發展的趨勢可以主要概括為以下三個方面。

(1)傾轉旋翼式和尾座式已成為垂直起降固定翼無人機主流構型

垂直起降固定翼無人機因無需考慮飛行員的生理極限、生命保障等多種問題,其布局形式十分靈活且極具創造力,目前國內外在研的就有多種構型,其中以傾轉旋翼式和尾座式最具代表性。然而,未來戰場對垂直起降固定翼無人機快速響應能力、快速到達能力要求必然極高,而現有傾轉旋翼式和尾座式垂直起降固定翼無人機技術尚無法滿足應用需求,因此需要在已有成果的基礎上進一步追求高效懸停、高速和遠程能力,主要在先進旋翼系統設計、旋翼/機翼氣動干擾、高可靠傾轉傳動系統技術、系統建模技術、飛行控制技術等方面進行突破創新。

(2)基于分布式電推進的高速垂直起降固定翼無人機技術或將成為未來航空領域新熱點

隨著2016年VXP項目中極光公司“雷擊”方案的勝出,“分布式電推進技術”已經成為近幾年航空領域發展新熱點。該項技術將飛行器總體、動力、氣動等進行綜合,充分利用了電推進動力單元高可靠、易分配、尺度無關特性[61],省去了不必要的傳動機械,簡化全機設備布置,有效提高了無人機的氣動特性,被認為是下一代航空器設計最具潛力的動力布局形式。

首先,與傳統動力形式相比,分布式電推進系統具有增加載運量,提高升阻比以及降低油耗、尾氣排放量和低噪聲等優勢??湛?、NASA等均對分布式電推進系統在未來民用客機上的應用進行了分析研究,如圖15~圖18所示,研究結果表明:分布式電推進系統可以按照需求對機翼升力分布進行調整,如在巡航階段實現橢圓形升力分布,從而使飛機具有更良好的氣動效率等[38,62-65]。其次,分布式電推進系統可以通過差量控制實現動力的矢量運轉,控制模式更多樣和直接。最后,分布式電推進系統與全機融合度高,采用多個小尺寸動力單元不會引起重量的增加,且單個動力在較寬的轉速范圍內都能保持較高效率,極大地提升了飛行器設計空間。

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