跨界 · 融合 · 服務 · 創新
摘要：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。本文闡述了國內外現有垂直起降固定翼無人機研究現狀和基本特征，詳細分析了不同類型垂直起降固定翼無人機的技術特點，提出更高的飛行速度、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主要發展方向和必然趨勢。盡管傾轉旋翼式和尾座式仍是當今垂直起降固定翼無人機主流構型，但基于分布式電推進的高速垂直起降固定翼無人機技術將成為未來航空領域新熱點，給出進一步加強對垂直起降固定翼無人機新構型、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方式垂直起降，并能以固定翼方式巡航前飛。與傳統直升機相比較，垂直起降固定翼飛行器具有前飛速度快、航程遠、航時長等顯著優勢，而與常規固定翼飛行器相比較，垂直起降固定翼飛行器能夠定點起降和懸停，對機場跑道沒有依賴，任務能力顯著增強。以上優點促使該類飛行器成為當今世界研究的熱門領域［1］。從2004年起，美國已經針對垂直起降固定翼飛行器技術布置并開展了系列研究和驗證，包括聯合多任務旋翼機（JMR）技術驗證項目［2-3］、未來垂直起降飛行器（FVL）項目［4-8］、垂直起降試驗飛機（VXP）項目［9］、戰術偵察節點（TERN）項目［10-12］、海軍陸戰隊空地特遣部隊遠征無人機系統（MUX）項目［13-15］等，而在上述項目的帶動下，美國垂直起降固定翼飛行器技術實力得到了顯著提升，同時也積累了大量工程經驗，對未來高效垂直起降固定翼飛行器裝備發展提供了有力支撐。
近年來，隨著無人機在軍事、民用領域的用途越來越廣泛，對無人機起降方式的要求也越來越多樣化，因此，將垂直起降技術應用到無人機上已經成為必然。由于無人機無需考慮飛行員的生命保障、生理極限等問題，將垂直起降技術應用于無人機領域將更為靈活，且更容易實現。
本文首先闡述國內外垂直起降固定翼無人機研究進展，然后分析不同種類垂直起降固定翼無人機方案技術特點，最后討論垂直起降固定翼無人機技術的發展趨勢。
1 垂直起降固定翼無人機技術研究進展
與有人機相比，無人機系統組成更為簡單，更適合垂直起降技術應用和發展，按照總體構型及動力形式的不同，可以將目前主流垂直起降固定翼無人機劃分為升推復合式、尾座式、傾轉動力式3種構型形式。
1.1 升推復合式垂直起降固定翼無人機
升推復合式垂直起降固定翼無人機大多直接在固定翼的基礎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年聯合研制的TU-150戰術多用途無人機［16］應用“雙復合”設計，如圖1所示，即旋翼—固定翼復合和混合動力：兩側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，靠機翼升力平衡重力，由機身末端電機驅動的推進螺旋槳提供前進推力。TU-150垂直起降固定翼無人機的設計目標是“具有低保障要求的高性能系統”，其最大起飛質量約為140 kg，最大任務載荷質量約為25 kg，可配裝多種傳感器，能夠執行多種任務，最大飛行速度約222 km/h，續航時間約8 h。其他如Songbird無人機［17］，CW大鵬系列無人機［18］等也是采用類似方案。
圖1 TU-150戰術多用途無人機［16］
Fig.1 TU-150 tactical multi-role UAV［16］
為了進一步提高垂直起降固定翼無人機效率，設計人員提出了一種“在巡航時將旋翼停轉并鎖定，進而轉變成機翼或其他翼面以提供氣動力”［19-21］的旋轉機翼創新思路，進而形成一種特殊的升推復合式垂直起降構型。美國波音公司鬼怪工廠于2003年研制的X-50A“蜻蜓”概念驗證機［22］即采用“旋轉機翼+鴨翼+尾翼”布局形式，如圖2所示，其垂直起降和懸停時的飛行模式與直升機相似，但其旋翼旋轉運動是依靠“槳尖噴氣驅動”技術實現，而抗自旋扭矩則是通過“無尾槳”系統實現。當無人機進入固定翼模式，旋翼停變為主機翼以提供巡航升力［23］，相類似地如西北工業大學于2006年提出的“靈龍”無人機［24-25］，如圖3所示，其與X-50A“蜻蜓”概念驗證機主要區別在于機身尾部加裝反扭矩尾槳，并且固定翼飛行狀態采用機頭拉進螺旋槳而非噴氣推進裝置。
圖2 X-50A“蜻蜓”概念驗證機［22］
Fig.2 X-50A"Dragonfly"proof-of-concept［22］
圖3 “靈龍”無人機概念圖［24］
Fig.3"Linglong"UAV concept［24］
1.2 尾座式垂直起降固定翼無人機
尾座式垂直起降固定翼無人機是將動力系統固連在機體上，并隨全機整體偏轉的一種特殊布局無人機。該類型無人機將起落架安裝在尾部，起飛時，全機縱軸垂直地面從而“坐地”起飛；當滿足一定的高度和速度條件后低頭過渡進入固定翼巡航模式；降落前需全機抬頭恢復“坐地”姿勢后垂直降落。
目前該類型無人機代表機型包括Aerovel公司于2012年研制的彈性旋翼尾座式無人機（如圖4所示）、美國諾格公司2015年提出且目前正在研制的TERN“燕鷗”尾座式無人機（如圖5所示）以及國內航空工業成都飛機工業有限責任公司2016年于第十四屆中國西部國際博覽會展出的VD-200尾座式無人機（如圖6所示）等。其中TERN“燕鷗”尾座式無人機采用飛翼布局，前置大型對轉螺旋槳，而根據DARPA的設想，TERN“燕鷗”尾座式無人機可以于5級海況下在驅逐艦或更小的艦船上垂直起降。
圖4 彈性旋翼尾座式無人機［26］
Fig.4 Tail seat UAV with elastic rotor［26］
圖5 TERN尾座式無人機概念圖［27-28］
Fig.5 TERN tail seat UAV concept［27-28］
圖6 VD-200尾座式無人機［29］
Fig.6 VD-200 tail seat UAV［29］
1.3 傾轉動力式垂直起降固定翼無人機
傾轉動力式垂直起降固定翼無人機是指無人機在垂直起降和平飛過程中按需求對動力部件進行向上或向前的傾轉。傳統傾轉動力式垂直起降固定翼無人機主要包括傾轉旋翼和傾轉涵道兩種形式，是目前國內外各軍種垂直起降固定翼飛行器的主流構型。但隨著近年來分布式電推進技術、分布式動力的發展，傾轉分布式動力的垂直起降形式逐漸興起，已成為國內外研發重點。
（1）傾轉旋翼式
傾轉旋翼式垂直起降固定翼無人機技術發展較早，其最具代表的機型是美國V-22艦載無人機“鷹眼”［30-31］，如圖7所示。“鷹眼”無人機與V-22無人機的總體布局十分相像，都采用中單翼布局，雙垂尾內傾，兩副旋翼由機身內部的一臺發動機驅動，推力轉向則是通過翼尖旋翼的傾轉來實現。
圖7 “鷹眼”傾轉旋翼式無人機［30-31］
Fig.7"Hawk-eye"tilt-rotor UAV［30-31］
在繼承V-22、“鷹眼”成熟技術的基礎上，美國貝爾公司于2019年又提出了V-247“警惕”傾轉旋翼無人機方案（如圖8所示），其采用的呈紡錘體的機體外形使全機趨于流線型，且將發動機固定安裝于機身內，縮小了旋翼短艙截面，有效提高了全機阻力特性［32］。同時為進一步提高全機續航性能，V-247“警惕”無人機在旋翼短艙外側特別增加了一段機翼設計，有效提高了機翼展弦比和升阻比。
圖8 V-247“警惕”傾轉旋翼式無人機概念圖［32］
Fig.8 V-247"Alert"tilt-rotor UAV concept［32］
此外，采用傾轉旋翼式方案的還有以色列2012年研制的“黑豹”［33］和韓國2017年研制的TR-60［34］垂直起降固定翼無人機，如圖9～圖10所示。
圖9 “黑豹”傾轉旋翼式無人機［33］
Fig.9"Panther"tilt-rotor UAV［33］
圖10 TR-60傾轉旋翼式無人機［34］
Fig.10 TR-60 tilt-rotor UAV［34］
（2）傾轉涵道式
傾轉涵道式垂直起降固定翼無人機的垂直起降方式與傾轉旋翼式相同，不同之處是將旋翼換成了涵道，這種幾何特征上的改進使得動力部件可以更好地融入機身/機翼中。Project Zero傾轉涵道風扇驗證機于2010年開始研制，采用飛翼布局，如圖11所示，包括可拆卸機翼和中央翼，其中央翼面積很大，于兩側各開有一個圓環以安裝內埋式涵道風扇，并通過安裝罩上裝有的轉軸按任務需求繞機身橫軸進行傾轉。
圖11 Project Zero傾轉涵道式無人機［35］
Fig.11 Project Zero tilt-duct UAV［35］
美國波音公司鬼怪工廠于2016提出的“幽靈雨燕”傾轉涵道式無人機，如圖12所示，由四個涵道風扇共同提供動力，垂起狀態下由機身內埋涵道提供主要升力，翼梢涵道向上傾轉提供輔助升力，前飛狀態下機身風扇及其蓋板關閉，翼梢涵道向前傾轉提供前飛動力。
圖12 “幽靈雨燕”傾轉涵道式無人機概念圖［36-37］
Fig.12"Ghost Swift"tilt-duct UAV concept［36-37］
（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與傾轉旋翼、傾轉涵道的最大區別在于其分布式動力部件與機翼的融合度或一體化程度相對更高，且需要利用位于機身內部的傾轉機構操縱機翼/動力融合體的旋轉運動來實現推力轉向。其外形特征與傾轉機翼式垂直起降飛行器相類似，但本質上仍是傾轉動力的一種特殊體現。NASA蘭利中心于2015年推出了GL-10閃電無人機，如圖13所示。采用分布式螺旋槳—固定翼常規布局形式，利用機翼上8個螺旋槳和平尾上2個螺旋槳共同驅動實現垂直起降和前飛，目前已經過多次驗證飛行，證明了分布式電推進技術應用于垂直起降飛機具有十分明顯的優勢，借助于分布式螺旋槳與機翼的一體化設計，全機功重比有效提升，同時電機在整個轉速范圍內都有較高的效率，且全機巡航階段飛行的可靠性明顯提升。理論上GL-10無人機綜合效率能夠達到常規直升機的4倍，但其不足之處在于全電驅動下飛行航時相對較短，預計后期采用油電混合動力后此問題可以得到改善。
圖13 GL-10“閃電”分布式動力傾轉機翼驗證機［38］
Fig.13 GL-10"Lightning"distributed dynamic tilting wing verifier［38］
美國極光飛行科學公司針對VXP項目聯合羅羅公司和霍尼韋爾公司于2016年推出的XV-24“雷擊”無人機，如圖14所示，致力于將垂直起降飛行器的飛行速度在現有基礎上提升50%。“雷擊”無人機采用鴨翼布局的傾轉分布式動力/機翼融合體設計，由1臺羅羅公司的AE1107C渦軸發動機驅動，通過3臺霍尼韋爾公司的發電機產生電力，進而驅動全機共計24個變距涵道風扇（機翼18個、鴨翼6個），2017年4月，項目團隊完成了1∶5縮比驗證機試飛，驗證了分布式電推進系統、傾轉分布式動力等設計的可行性。盡管該項目由于在研發高性能1兆瓦級發電機熱管理方面遇到技術瓶頸、沒有找到合適軍方合作伙伴等原因被取消，但XV-24“雷擊”無人機所采用的分布式混合電驅動變距涵道風扇、創新的同步電驅動系統、用于垂直起降的可傾轉的分布式動力/機翼融合體，具有高效的懸停/平飛雙模態適應性等特點，讓其被譽為最具革命性的新型未來垂直起降飛機。
圖14 XV-24“雷擊”分布式動力傾轉機翼驗證機［39-40］
Fig.14 XV-24"Li ghtning-strike"distributed dynamic tilting wing validator［39-40］
2 垂直起降固定翼無人機技術特點
2.1 升推復合式垂直起降固定翼無人機
升推復合式垂直起降固定翼無人機是在垂直起降和巡航階段各自采用相互獨立的動力系統，如旋翼系統和推進螺旋槳系統，技術成熟度高，實現性較好。同時各動力系統只在特定階段使用，不用兼顧其他工作狀態，因此各動力單元均為單點工況設計，能夠做到垂直起降階段和巡航階段的動力特性最優，是目前最為常見的垂直起降固定翼無人機布局形式。
然而，在升推復合式垂直起降固定翼無人機進行垂直起降或巡航平飛時，其垂直、水平兩套升力/推力裝置之一需要停止工作，完全成為廢重，致使全機質量效率較低。同時，在過渡階段垂直起降動力依舊存在，因此動力尾流會對機翼、平尾等部件產生氣動干擾，影響操縱和控制。
對于采用旋轉機翼的升推復合式垂直起降固定翼無人機而言，盡管將旋翼與機翼進行了結合，并從根本上避免了旋翼前飛時左右氣流不對稱導致的飛行速度限制。但由于需要同時滿足旋翼和固定翼要求，旋轉機翼需要采用前后對稱的橢圓翼型，而橢圓翼型的鈍后緣特征會使其在較小角度下產生流動分離，同時，旋轉機翼通常需要采用小展弦比的無扭轉梯形翼，與傳統機翼的氣動和結構特性存在一定差異［41］。此外，由于旋轉機翼不具備常規機翼一般優異的升力特性，因此需要采用較大尺寸的平尾和鴨翼來共同產生升力，這使得在懸停、過渡、前飛階段，旋轉機翼的尾流與機身、平尾、鴨翼等產生較為復雜的氣動干擾，對飛行器的動力學特性及控制產生不利影響［42-43］。
2.2 尾座式垂直起降固定翼無人機
尾座式垂直起降固定翼無人機采用無人機整體轉動的模態轉換方式，相比傾轉動力/機翼類的垂直起降方案不需要額外的運動偏轉機構，因此設計制作相對簡單直接，使用十分靈活。但其在垂直起降時重心偏高，容易受側風和地形的影響，有傾覆的風險。此外，尾座式垂直起降方案從垂直起降模式轉化為平飛過程中，飛機姿態角變化大，對動力要求很高。在垂直起降和過渡過程中，尾座式無人機的操穩特性較差，應對突風能力不強，因此保證其在狀態轉換過程中需要的傾轉力矩是主要難點［44-46］。
2.3 傾轉動力式垂直起降固定翼無人機
（1）傾轉旋翼式
傾轉旋翼式垂直起降固定翼無人機［47］相當于將直升無人機和固定翼無人機合二為一。然而，由于傾轉旋翼既要作為垂直起降時的直升旋翼使用，又要作為固定翼拉力/推進螺旋槳使用，而垂直起降和巡航兩種模態工作環境差異顯著，帶來了旋翼系統兼顧垂直起降、過渡、前飛多模態綜合效能的多點設計問題［48］。
傾轉旋翼無人機還面臨著嚴重的旋翼/機翼氣動干擾問題［49］。在懸停狀態，旋翼下洗流沖擊機翼表面，使機翼受到較大的垂直方向載荷，隨后的氣流反彈會使旋翼效率下降，影響旋翼的懸停性能和飛機的穩定性能［50］；在前飛狀態，旋翼尾流仍然可以誘使機翼產生周期性氣動力，容易造成旋翼與機翼耦合的氣彈穩定性問題以及旋翼回轉的顫振［51］，對飛行安全產生影響；而在垂直起降距離地面較近時，機翼會對旋翼下洗流產生阻塞影響，可能會造成旋翼氣流出現“噴泉”效應［52］，也可能會造成傾轉旋翼無人機在垂直下降時進入渦環狀態［53］。
傾轉旋翼無人機也面臨著較大的過渡階段飛行控制難題［54］，這是由于傾轉旋翼無人機過渡模態轉換速度范圍相對較窄，且動力傾角、飛機速度、飛機迎角等參數不斷改變，使得全機氣動特性及穩定性隨時間呈非線性變化，進而導致控制難度大幅增加。
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。空客、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。
圖15 空客E-Airbus分布式電推進概念圖［61］
Fig.15 Airbus E-Airbus distributed electric propulsion concept［61］
圖16 NASA X-57分布式電推進驗證機［61］
Fig.16 NASA X-57 distributed electric propulsion verifier［61］
圖17 NASA N3-X分布式電推進概念圖［61］
Fig.17 NASA N3-X distributed electric propulsion concept［61］
總體來說，分布式電推進技術在飛機總體、氣動、動力、控制上已展示出無可比擬的潛力，前文所 述 如GL-10“閃電”、XV-24“雷 擊”垂直 起 降 固定翼無人機等均為分布式電推進技術發展的產物。通過分布式電推進系統與垂直起降固定翼無人機的有效結合，可以獲得以下優勢：提高巡航效率，增大航時、航程；減小垂直起降和巡航平飛階段需用功率之間差異，實現動力/氣動最優匹配；增強飛行控制能力，提高控制冗余度和魯棒性。因此，基于分布式電推進的髙速垂直起降固定翼無人機技術或將成為未來航空領域的研究熱點方向，盡快發展基于分布式電推進的總體/動力/氣動/控制綜合設計技術、高性能輕量化電機驅動技術等勢在必行。
電力系統技術始終是支撐分布式電推進技術發展的重要基礎，如何研究出可靠性更高、效率更高、質量更輕的分布式電推進系統是使得該類飛機真正走上實用的關鍵。分布式電推進飛機的分布式動力與機體耦合程度更高，氣動干擾尤為顯著，只有依據分布式電推進動力/氣動強耦合特征開展特種布局總體設計技術研究，才可以最大程度發揮分布式電推進垂直起降的性能和優勢。基于分布式電推進的髙速垂直起降固定翼無人機控制系統設計也極具革新，分布式動力配置為飛行器高效控制帶來了更高的設計自由度，而通過與傳統氣動舵面的聯動也可以取得更優的控制效果，研究探索出適用于該類無人機的分布式控制系統設計方法迫在眉睫。
（3）需加強對垂直起降固定翼無人機新構型、新原理的探索研究
無論哪種垂直起降構型方案［66-71］，只要是完全依靠發動機推力來提供上升力，就要求無人機動力推力與重量之比（推重比）至少大于1，而在固定翼飛行模式下，需用推重比一般在0.1～0.3左右，這導致兩種飛行模式的需用推力（發動機需用功率）相差近5倍，由此帶來垂直起降/巡航雙模態發動機功率不匹配、巡航狀態動力極度富余、發動機無法工作在最佳狀態的根本性問題，而若要突破這一桎梏，就需要以“最小動力代價”實現垂直起降，這是傳統垂直起降固定翼飛行器設計面臨的挑戰性問題。
自20世紀40年代以來，設計人員就已經開始探討各種有利于垂直/短距起降的新構型和新原理，如半環形機翼—螺旋槳構型［72-73］、外部吹氣襟翼 構 型［74-75］、環 量 控 制 技 術［76-77］、扇 翼 飛 行 器 技術［78-79］、前緣異步螺旋槳技術［80-81］等，盡管現有理論方法和數值模擬技術始終無法對一些復雜構型的流動機理、氣動力特性等作出較好的描述和預測，但相關研究結果表明，動力部件與機翼的高效耦合可以有效提高動力部件向大氣環境內注入能量的利用率，將其應用于垂直起降潛力巨大。
因此，隨著計算機技術和實驗技術的快速發展，以及國內外對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，進一步加強對垂直起降固定翼無人機新構型、新原理的探索性研究，突破垂直起降完全依靠動力推力的限制很有必要。
4 結束語
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，在軍用和民用領域都具有極為廣泛的應用前景，是目前航空領域研究的熱點話題。
目前國內外在研垂直起降固定翼無人機仍是以傾轉旋翼式和尾座式為主流構型，但由于現有技術尚無法滿足未來戰場對垂直起降固定翼無人機快速響應能力、快速到達能力的極高要求，需要在已有成果的基礎上進一步進行突破創新。而隨著分布式電推進技術在飛機總體、氣動、動力、控制上逐漸展示出無可比擬的潛力，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，因此需要深入挖掘布式電推進技術在飛行器總體/動力/氣動/控制等方面的優勢，加強對垂直起降固定翼無人機新構型、新原理的探索性研究，為我國未來的垂直起降固定翼無人機裝備發展提供技術更成熟、性能更先進、選擇更多樣的解決方案。
王科雷，周洲，馬悅文，杜萬閃，郭佳豪，李旭，張陽，孫蓬勃（西北工業大學航空學院，西安 710072）
以上內容為高博特編輯選取的熱點新聞，尊重原創，如有侵權請聯系刪除。
—————— 特別關注 ——————
讓科技更好地賦能產業，“尖兵之翼”永不落幕。高博特自2006年發起、策劃、投資、組織，在相關專業機構支持下成功舉辦了最早的無人機主題會展活動——“尖兵之翼中國無人機大會暨展覽會”后持續推動無人機技術交流。高博特創新引領最早在深圳、上海、鄭州等地發起舉辦無人系統會展賽飛活動，有力促進了我國無人系統整體技術進步和產業發展。
20年來，高博特始終堅持讓科技更好地賦能產業的愿景；努力為行業企業搭建產業鏈高端交流平臺，為科技轉化為生產力服務。具體業務范圍涵蓋：信息情報、媒介傳播、會展活動、招商加盟、品牌提升、咨詢服務、產品中心等七大服務體系，長期服務于“軍轉民、民參軍、軍民融合”等國家戰略。
2023年，高博特集買、賣、租、播、展、會、賽、培于一體的新型展廳項目即將啟幕，該展廳旨在從深度對接的層面為各入駐企業一站式解決經營中面臨的各項問題，企業租、賣的產品我們來、企業需要的品牌我們筑、行業頂尖的賽會我們辦、行業急需的培訓我們辦。新的一年，高博特新模式、新服務、新平臺，必將給各一直以來支持我們的朋友帶來全新的體驗。
