航空創新火花的集中迸發

胡芳蕾+羅馥佳

中航工業杯國際無人飛行器創新大賽是中國航空學會與中國航空工業集團公司聯袂主辦的面向社會、面向國際，以無人機為主題的大型綜合性航空科普活動，大賽每2年舉辦一次，從2011年9月首屆舉辦以來，至今已成功舉辦了兩屆。整個活動由創意賽、競技賽、國際航模大師秀、創新論壇、創新作品展5部分組成，其中又以競技賽和創意賽為活動的核心。

競技賽旨在考察評判參賽作品完成競技任務的能力，兩屆競技賽的主要內容是要求設計制作無人飛行器，用全程自動控制的方式完成規定航路的飛行、定點投擲和模擬航母甲板上的鉤索攔阻著艦。首屆采用固定平臺，第2屆添加了沿航向勻速位移的動平臺。第2屆還增加了旋翼類競技，即完成2個動平臺之間的物品拾取和碼放任務。

創意賽旨在倡導和推動原始創新，鼓勵飛行原理、氣動布局、機構結構、控制系統等方面一切形式的創意創新，是該賽事最獨特、最重要的部分。要求參賽者通過設計制作、現場介紹與答辯飛行演示環節，把新航空器創意展示出來。

兩屆賽事集中反映了5個方面的科技創新成果：

第一，聚焦仿生飛行、變體/變向飛行、特種構型等的新樣式飛行器；

第二，聚焦固定翼旋翼模態轉換、新增升機構與結構、新的升力混合體垂直/短距起降飛行器；

第三，聚焦翼身融合、自穩定控制、等離子技術應用的新控制系統飛行器；

第四，聚焦雙旋翼共軸、高速飛行、特殊構型的新布局旋翼飛行器；

第五，聚焦航路與姿態自動控制、引導與著艦方式創新的競技賽固定翼飛行器。

兩屆賽事先后涌現出一大批面向現實的應用，極具創新價值的新思維、新概念，并引發專業研究單位和潛在用戶的極大關注。2014年8月28日，中國航空工業集團公司和中國航空協會共同舉辦了中航工業杯國際無人機飛行器創新大賽匯報推介會，對兩屆大賽中涌現的創新成果進行了推介。

“靈龍”旋翼固定翼轉換飛行器

該飛行器由西北工業大學研發，獲首屆大獎賽創意大獎。

“靈龍”采用與美國X-50相似的總體布局，但控制方式更加成熟可靠。“靈龍”無人機飛行原理驗證機最大起飛質量為11千克，飛行速度范圍為0～35米/秒。

“靈龍”將直升機與固定翼飛機的操縱控制相結合，采用了組合動力形式，降低了飛行控制難度。采用T型尾翼三翼面布局，減小了各翼面間的氣動干擾，為飛機的穩定可控飛行奠定了基礎。其直升機與固定翼飛機的特點有效融合，使飛行器兼具垂直起降與高速飛行的能力。

“靈龍”無人機既可以是無人的，也有潛力發展為有人飛行器和多發動機驅動的大噸位型飛行器。其特殊的垂直起降能力使其具有極大的使用靈活性，可廣泛用于偵察搜索、地質勘探、武裝護衛、戰術空中支援、交通管理、中繼通信、數據傳輸和后勤補給等。西北工業大學研究團隊對采用“靈龍”布局的中型多用途無人機進行了研究，估算了其大致性能，預計其起飛重量為500～2000千克，有效載荷為50～300千克，前飛速度可達300～650千米/小時。

“紫電”等離子體無人飛行器

“紫電”等離子體無人飛行器由南京航空航天大學研制，獲第二屆大賽創意大獎。

“紫電”無人機是依靠等離子體進行氣動性能改善，實施姿態控制的無人飛行器，是新原理與應用方向的創新。之所以取名“紫電”一方面是因為等離子體激勵器在放電過程中會發出淡淡的紫光；另一方面是借用唐代詩人王勃《滕王閣序》中的“紫電青霜”的詩句，“紫電”意為上好的武器。

根據已知科學實踐的成果表明，等離子體可改善飛行器的空氣動力學性能，實現增升減阻，提高升阻比。同時，等離子體可產生力矩，實現飛行控制。同時等離子體可多個方面提升飛行器的隱身性能，首先等離子體具有折射和吸波效應，可大大減小雷達發射面積；其次，使用等離子體進行飛行控制后，飛行器操縱舵面可大幅度減少，簡化了飛行器結構，減少空隙的出現，飛行時一些氣動翼面可保持靜止，這都顯著降低了飛行器的雷達信號特征。“紫電”等離子體飛行器機翼的不同位置布置有等離子體激勵器，控制激勵器放電產生等離子體。“紫電”飛行器的一系列成功試飛結果表明，等離子體在氣動性能改善、姿態控制和隱身性能提升方面均達到了預想的結果，可以說極具應用前景。

“四舵面飛翼”飛行器

“四舵面飛翼”飛行器由中航沈陽飛機設計研究所和沈陽航空航天大學聯合研制，獲得了首屆大賽優秀創意獎，是首屆大賽中唯一同時參加創意賽和競技賽，并均有出色表現的作品，是專家和觀眾公認完成度最高的作品，也是最接近實用裝備的無人機。

無尾飛翼布局裝載空間大，氣動效率高，隱身性能好，是高隱身轟炸機和無人機作戰飛行器的理想布局形式。但這種氣動布局的飛行控制難度大，特別是航向穩定性不足。盡管備受世界各航空大國矚目，但成功方案并不多。

“四舵面飛翼”飛行器采用小展弦比、大后掠全無尾飛翼布局。背部設置進氣道，采用二元噴管，碳纖維機身結構，配裝1臺10千克級電動涵道風扇發動機，前3點可收放式起落架。該飛行器總重約18千克，翼展2.2米，機身長2.2米，飛行速度約70～120千米/小時，起飛滑跑距離不大于50米，著陸滑跑距離不大于80米。飛行品質達到珀-哈珀飛行品質評分等級中的1級（共分10級，1級最優，10級最差，一般應高于3.5）。

該飛行器的意義在于，從航空裝備的實際應用出發，創造性地提出了“四舵面”控制思路，并研制出合理而可靠的飛行控制系統，較好地解決了困擾世界航空界的技術難題。飛行器機翼后緣設置了4個操縱舵面，每側2個后緣操縱面為1組，兩組操縱面同向偏轉時控制飛機俯仰，兩組操縱面反向偏轉時控制滾轉。進行航向操縱時，同組兩個操縱面差動偏轉時，形成兩翼阻力差，進而產生航向偏轉控制。在首屆大賽中，該飛行器實際飛行的表現表明其飛行控制設計是成功的，飛行器的飛行非常穩定，競技賽中無論是空中盤旋、低空通場，還是最終模擬著艦掛索，均一氣呵成，異常精準。endprint

該機所代表的技術成果的潛在應用價值包括，應急狀態下的航向穩定與控制；作為技術驗證機，驗證關鍵技術；減少氣動舵面，提升隱身性能；提供長航時高亞聲速巡航飛行能力；提供較大的裝載能力等。

“飛云”號旋翼無人飛行器

“飛云”號旋翼無人飛行器由中科院沈陽自動化研究所研制，獲得第二屆大賽競技一等獎。

“飛云”號無人直升機采用單旋翼帶尾槳的常規布局，無副翼結構。主要部分包括：無副翼電動直升機機體、3自由度機械手、導航與飛行控制計算機、組合導航傳感器（慣性測量單元、磁羅盤、GPS）、單目攝像機以及無線傳輸模塊。該飛行器具有包括自主起降功能在內的全自主任務執行能力，能以較高的精度自主完成目標的跟蹤、抓取與投放；采用3自由度機械手，可實現對目標任意角度的抓取與放置。在競技賽中，該無人機以極高的效率，準確無誤地完成了在2個動平臺之間進行物品的拾取、轉移和碼放。

其貌不揚的“飛云”飛行器實際上解決了無人機導航控制領域的2個世界級難題—擾動控制和動態跟蹤。

在擾動控制方面，無人飛行器在吊掛載荷時，載荷質量可能隨時發生變化，載荷也可能受到側風、撞擊的影響發生橫向的晃動，如果不能有效抑制載荷擾動，就很難能夠保證無人機能正常飛行。為此中科院沈陽自動化所研究團隊采用了無人直升機主動模型控制理論，有效解決了擾動的實時在線估計與抑制控制問題。

在動態跟蹤方面，無人直升機需要對運動目標進行跟蹤判別，并控制自身進行相對運動，無人直升機自主著艦是其最典型的應用。研究團隊使用動目標運動模型在線識別跟蹤控制理論，有效解決了動態目標跟蹤控制問題。

“飛云”號無人機直升機所代表的技術實際上已經有了非常現實的應用。在抑制擾動控制方面，已經有無人機用于高壓輸電線路初級導引線繩的牽引和架設，極大提高了工作效率。隨著導引繩的不斷釋放，無人直升機牽引的重量在不斷增加，與此同時，牽引繩會因風擾等各種因素產生晃動，這都對無人機的飛行產生顯著影響。“飛云”號的控制技術完美地解決了這一問題，目前沈陽自動化所的無人直升機至今還保持著高壓輸電線初級導引繩架設跨度的世界紀錄。在動目標跟蹤方面，已經實現無人直升機的艦載自主起降。

使用同樣的技術，沈陽自動化所還發展有一系列起飛重量不等的無人機直升機系統，如SIA-40、SIA-100、SIA-700，其中SIA-700的起飛重量達到700千克，最大載荷達160千克，最大空速達120千米/小時，標準續航時間為2小時。

“珈”共軸雙旋翼無人機直升機

“珈”（音加聰）共軸雙旋翼無人直升機由中航工業慶安集團有限公司研發團隊為驗證中置集成操縱作動系統專利技術而研制的，在第2屆大賽中獲得創意二等獎。

傳統的共軸雙旋翼無人直升機操縱機構的舵機均處于下槳盤下方機體內部，操縱變矩時，桿系需要穿過下槳盤，間接控制上漿，傳遞環節多，桿系剛度差，桿系旋轉造成氣動性較差，還需考慮桿系與下槳盤之間的干涉。針對上述問題，研發團隊研制了中置槳矩控制裝置，將變矩操縱機構和舵機均移至上下槳盤之間，采用全差動控制方式改變航向姿態，從而減少了變矩機構傳遞路線，具有傳遞緊湊，環節少，剛度好，控制精度和效率高，穩定性好等優點，而且不用考慮機構與上下槳盤的干涉問題。

這種結構上的創新進而引發了該機在控制方式上的創新—航向操縱系統采用全差動總矩控制；在傳動系統上的創新—中置式集成操作系統中心軸固定，有下空心軸將動力傳遞給下槳，并通過錐齒輪、反向齒輪將動力傳遞給上空心軸，同時驅動上下槳等速反向轉動；以及應用創新—機身內部空間更大，可以容納更多任務載荷，中心軸固定不動，在最上端留有機械、電氣接口，可進一步擴展，安裝任務載荷。

“珈”無人機為原理樣機，目前慶安公司正在研制起飛重量為300千克級的中置槳矩控制裝置工程樣機。

Z字型折疊飛機

Z字型折疊飛機由河北科技大學和中航通飛華北飛機公司研制，該機在第2屆大賽中獲得創意一等獎。

河北科技大學的研發團隊認為，無人飛行器在其全壽命中，90%以上的時間處于儲運狀態。為了解決無人駕駛飛行器存在的儲運尺寸大、質量密度低的問題，他們構思、設計、制作了采用折疊機翼設計的Z字型折疊無人機。其獨特的折疊方式既保證了折疊機構的可實現性，又保證了展弦比和翼面積等基本指標。

在獲得良好的折疊性能的同時，該機著重解決了非對稱氣動布局下飛行器的控制問題。研發團隊通過理論分析和實際飛行試驗，掌握了該布局的控制特性，實現了Z字型飛行器無自動控制系統下的純手動控制飛行。

Z字型折疊飛機具有折疊后占地面積小，體積小的特點，在1立方米空間內，可容納裝有起飛助推裝置的16架Z字型無人機。由于兩片機翼分別安裝機身首尾兩端，機身中段留有幾何形狀規則的任務載荷艙，便于布置不同種類的載荷物。機身各段功能相對獨立，便于實現模塊化設計，能夠針對不同任務更換不同種類的載荷艙，從而具備更為優異的任務適應能力。上述優點對于需要攜帶無人機、巡飛彈藥的武器平臺來說顯得非常重要。

據研制者介紹，盡管該機已在大賽上實現可靠的手控飛行，但這一概念無人機的發展仍尚處于早期階段，還有很大的發展空間，例如應進一步為其編寫飛行控制軟件，實現自主化控制；目前折疊翼展開只有1個與機身垂直的角度，未來在自動飛行控制模式下，應能夠根據任務需要變后掠角；使用任務適應性更強的前緣控制，提高控制效率；采用更多的動力方式等。

“風火輪”滾翼機

“風火輪”滾翼機由西北工業大學研發團隊研制，先后參加了兩次大獎賽，獲首屆大賽創意獎。“風火輪”是一種以擺線槳作為升力來源的飛行器，也是世界上第一種實現自主飛行的垂直起降滾翼機。它不同于固定翼、撲翼機、直升機，是一種頗為獨特的飛行器。

擺線槳是2片以上槳葉組成的高效的全向矢量推力裝置，其葉片旋轉軸線與葉片平面平行，葉片運動軌跡呈圓周狀或擺線狀，故被稱為擺線槳。擺線槳槳葉在做圓周運動或擺線運動過程中，槳葉迎角呈周期性變化，使槳葉在不同方位能始終獲得一個恒定方向的槳葉升力，該槳葉升力既可作為飛行器克服重力的升力，又可作為推進飛行器運動的動力。與空氣螺旋槳相比，擺線槳具有以下優勢：endprint

第一，具有比螺旋槳高近一倍的拉力，高15%以上的氣動效率，從而帶來更低的油耗，更遠的航程，更小的尺寸。

第二，具有極低的轉速（僅為普通螺旋槳的1/10）和均勻分布的升力，因此具有更高的碰撞安全性，極低的氣動噪聲，更高的隱蔽性，而極低的槳尖速度可帶來高速飛行的可能性。

第三，具有平面內360°的全向矢量推力，從而具備優異的機動性、場地起降適應性和通過能力。

第四，擺線槳很大的轉動慣量產生很大的陀螺力矩，通過對其合理利用，可使飛行器具備極佳的飛行穩定性。

由于擺線槳具有上述性能優勢，因此其擁有廣闊的應用前景。基于擺線槳可發展有人和無人型滾翼機，承擔戰場救援、特種偵察滲透、監視偵察、物資運輸等任務。擺線槳還可與重型飛艇相結合，執行長距離物資運輸，油田補給，搶險救災等任務。

“風火輪”滾翼機的動力裝置是1對左右對稱的擺線槳，可以同時產生推力和升力，依靠其可實現空中飛行。在垂直于擺線槳軸線方向布置1對常規螺旋槳，用于平衡擺線槳產生的扭轉力矩，進而實現飛行器的平衡和姿態控制，調節螺旋槳的轉速，可實現俯仰方向的平衡與控制；調節擺線槳的轉速，可實現翻滾方向的平衡與控制。由于此類飛行器特殊的升力原理和控制方式，能夠進行前飛、后飛、左右側飛、垂直起降，其機動性可與昆蟲媲美。

以胡峪副教授為首的研究團隊在“風火輪”飛行器的研發過程中解決了擺線槳迎角周期變化問題；實現了全向推力矢量控制，使飛行器獲得了滿意的穩定性和操縱性；實現了擺線槳扭矩自配平，有效削弱了非定常氣動力帶來的振動；在槳葉葉片選型，飛行參數調節等方面獲得了寶貴的經驗；首次實現滾翼機的自主穩定飛行。在2013年的第2屆大賽上，該研究團隊又推出了“風火輪V2.0”滾翼機，該機已經實現遙控操作飛行，是世界上首個可以執行偵察任務的滾翼機。

“絕影8”高速直升機

“絕影8”高速直升機由中國直升機設計研究所團隊研制，在第2屆大賽中獲創意二等獎。

“絕影8”小型無人直升機布局上采用雙軸雙旋翼+前拉力槳形式。以大功率無刷電機驅動，鋰聚合物電池提供電力，無線電目視操縱遙控飛行。具備前飛、垂直起降、懸停、偏航等飛行性能。該飛行器由旋翼系統、拉力槳、傳動系統、驅動電機、電池、機身、尾面、起落裝置、飛行控制系統、操縱系統等部分組成。

“絕影8”為新構型復合高速無人直升機，布局上采用剛性共軸雙旋翼、流線型機身及拉力螺旋槳構型，復合高速直升機的性能要求，具有直接的工程應用前景。該構型既保留了直升機的特點，有能有效解決常規構型直升機速度難以提高的問題，可將速度提升60%～80%。在大速度前飛時，2副旋翼后行側卸載，升力由外側的前行側提供，避免了后行側大迎角失速問題，前行側槳葉類似于固定的機翼，可以充分發揮升力潛力，懸停效率高，前飛性能好；整個機身結構更加緊湊，迎風阻力更小，更適合于高速飛行。新構型不需要復雜的旋轉機構和傾轉過渡狀態的操縱機構及其控制系統。

“躍龍”超短距起降技術驗證機

“躍龍”超短距起降技術驗證機由中航工業成都設計研究所設計團隊研制，在第2屆大賽中獲創意新星獎。

“躍龍”是一種非常規布局固定翼無人機，采用雙層串列翼布局，通過上下舵面的配合形成滑流矢量通道，可在極低的飛行速度下，充分利用螺旋槳滑流為無人機提供部分升力，同時上翼的下洗氣流也可以做一部分升力貢獻。雙發推力可調，可在無人機低速狀態提供航向控制力矩。后翼尖短板有垂直安定面的作用。除外段機翼外，所有舵面都可以被被預偏作為襟翼使用。該無人機無需專門的跑道，可以在狹小的空地、公路以及艦船上超短距起降。該機在相同翼面積的情況下，飛行器尺寸比常規固定翼設計要小得多，更適合作為艦載機使用。endprint