无人机复合载荷与其他设计构型有什么区别?

回首近几年的工业级无人机技术,无人机复合载荷技术的出现,让大多数工业级无人机厂商都纷纷推出了各种具有垂直起降能力的固定翼无人机产品。那么,无人机复合载荷与其他设计构型有什么区别?

在飞机设计技术已经发展了一百多年的今天,固定翼这种构型在多数应用场景中已经近乎完美了,但是其垂直起降能力的发展仍步履蹒跚,以至于到现在我们都还在针对垂直起降固定翼的基本结构做创新和设计,这几乎已经能说明在动力系统有革命性的进展之前,实现垂直起降都将以大幅度的效率损失为代价。

一、多旋翼固定翼复合构型

垂直起降固定翼构型结构上易于实现,在现有的固定翼平台上增加多旋翼动力部分,且加强机翼扭转强度即可。在控制方面的优势就是控制系统相对简单,最简单的情况下就是固定翼和多旋翼两套飞控硬切换就可以实现正常飞行。还有一个不太被关注的优势,就是前拉桨的效率。多旋翼桨和固定翼桨典型工作条件下的来流速度不同,因此设计时翼型和桨距也有很大区别,正常的工业级无人机都采用定距桨,多旋翼桨只能高效运转于多旋翼模态,固定翼桨用于多旋翼模态时效率也低很多,因此这种构型中,多旋翼桨只工作在多旋翼模态,固定翼桨只工作在固定翼模态,在桨的效率运用上是个不小的优势。

正如每种飞行器都有其适用场景,同样没有一种飞行器是万能的,例如,5-20kg起飞重量的飞行器,其灵活性要求一般都是高于载荷能力的,因此能够在很小的区域内快速组装、起飞就成为很大的优势;但是起飞重量小于5kg时,要想实现这种复合构型就困难了,而采用纯固定翼构型,手抛起飞或弹射起飞加伞降更合适;而起飞重量过大时,复合翼构型的缺点也同时被放大,加上这种情况下的载荷能力要求一般更高,此时采用纯固定翼构型,利用通航机场甚至小型开阔道路滑跑起飞可能更合适。因此近期出现的用垂直起降固定翼飞机运送货物、携带较重的设备,甚至把起飞重量做到100kg以上,则属于一叶障目不见泰山了。

二、倾转旋翼固定翼复合构型

倾转旋翼固定翼构型在思路上明显比多旋翼固定翼构型要高明许多,至少有一部分动力是多旋翼模态和固定翼模态共用的,减小了整个飞行过程的死重,而代价只是增加一套(或多套)旋转机构。因此,与多旋翼固定翼复合型类似,起飞重量要求非常小(小于5kg)时,也不宜采用倾转旋翼布局,而对于载荷重量要求比较大的应用中,倾转旋翼的效率提升就可以弥补结构、控制复杂的劣势了,特别是如果有野外的大载重、长航时需求,由于现在大载重直升机的飞控仍有很多不足,倾转旋翼不失为一种折中策略。当前多旋翼固定翼复合构型市场已经成为红海,PX4等开源飞控也都支持了倾转旋翼,可用预见,下一步倾转旋翼的产品和应用也将越来越多。

三、尾座式垂直起降

相对于倾转旋翼构型的将旋翼轴转90度转平飞,尾座式垂直起降无人机则是将自己整体转90度转平飞,这样设计的绝妙之处在于省略了旋翼的倾转机构,具有更高的机械可靠性。单从结构上看,尾座式垂直起降构型只比固定翼构型多出了尾部支撑机构,但是由于省下了起落架系统,因此很可能会比相同起飞重量的固定翼重量更轻。从气动布局上看,尾座式构型可用设计成飞翼布局,翼身融合布局,甚至是常规布局,因此气动效率优势明显。

但是由于较大的机翼面积,尾座式构型飞行器在垂直飞行阶段更容易受到气流扰动影响,而由于涉及控制策略转换以及姿态的迅速变化,垂直和平飞的转换过程也较难控制,因此现在尚没看到哪个飞控可用非常好地实现尾座式构型飞行器的全自动飞行。不过一旦这个问题得以完善解决,尾座式构型将是垂直起降固定翼无人机构型最好的解决方案。

既然尾座式构型的气动效率很高,且垂直起降阶段容易受侧风干扰,那么可以开个脑洞,在物流运输行业中,高附加值或者急需物资的仓对仓、仓对柜运输就可以考虑这种构型,因为无论是仓库,还是大型快递柜,为尾座式无人机设置供起降进入的天井,而仓库货快递柜内完全可以提供无风的起降空间。当然,这些想法都是基于飞控已经成熟的前提下。

尾座式无人机的产品方面,除了军用的有611所研发的VD200,民用的也有四川傲势科技X-Hawk概念机,从外观上看还是有一定新意,大展弦比机翼配合翼梢前掠,只要控制得当,续航和机动性都有一定保证。

9月3日 09:56
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