便攜式雙模無人偵察機概念設計研究

梁毅辰

(西安航空學院 飛行器學院，西安 710077)

0 引言

無人機因其無人員傷亡風險，生存能力強，機動性能好，使用方便等特點，在現代戰爭中有重要作用，也越來越受到各國航空業人士的關注。“全球鷹”“捕食者”“翼龍”等技術先進、對設備要求比較高的大型無人機如雨后春筍一般層出不窮。區域性沖突以及戰爭中的特種戰術行動中，行動組往往需要便于攜帶，可靠性強的情報收集工具以完成快速戰術部署，而大型無人機多部署于營級以上單位，所需地面輔助設施笨重繁雜，無法單兵攜帶，對于機動戰術任務的支援作用無法充分發揮。此外，在日常的警用巡邏，消防火情偵察，自然災害地區災情偵察等活動中，便攜式無人偵察機相比大型無人機有著部署快，信息反饋及時等特點。在此背景下，由單兵攜帶的低成本、高可靠性、小包絡、輕重量、易操作的無人偵察機具有重要的實戰意義。

1 便攜式無人偵察機發展概況

國外發達國家對于便攜式單兵無人機偵察機已經做了深入的研究，并已經有比較成熟的產品裝備部隊，在作戰中起到了關鍵作用。

圖1 RQ-16無人機

美軍的RQ-16無人機[1](見圖1)可協助步兵完成偵察、情報收集、火炮校準以及激光照射任務。整套系統總重量小于23kg，可由一個步兵班攜帶，快速展開部署。其中，無人機的大小近似一個籃球，為了提供足夠的續航時間，該無人機由活塞式汽油發動機驅動的涵道風扇產生升力，可垂直起降并懸停，最大飛行速度約74km/h，續航時間約為40min。該無人機可以實現自主控制和導航，也可以實現人工干預以動態調節路線和目標信息，同時具有盤旋凝視功能。

美軍的RQ-11B“大烏鴉”無人機(見圖2)可以為小型作戰單位提供強力的戰場態勢，感知并通過對機動區域邊界的擴展勘測和情報收集用來保護作戰部隊[2]。該無人機可由單兵攜帶，可由手拋起飛，快速部署，還可以自動跟蹤地面機動車輛執行護航任務，為地面部隊傳遞周邊安全情報供排級部隊使用。“大烏鴉”質量2.72kg，使用電池驅動，可攜帶紅外攝像機和數據鏈，滯空時間為90min，由電動機推進，非常安靜，因此在100米以上空中飛行時幾乎不會被察覺，戰場記錄顯示，大烏鴉損毀幾乎都是由失控和故障造成的，很少被敵軍擊落。

圖2 RQ-11B無人機

RQ-20A(見圖3)是由美國AeroVironment公司生產的單兵固定翼電動無人機[3-4]，主要用于對戰場進行監控和情報收集。該無人機采用固定翼常規布局，平直梯形機翼可折疊，外端翼有一定上反角，由單兵手擲起飛，具有全天候作戰能力，翼展2.9m，最大起飛重量5.9kg，最大飛行速度83km/h。通過添加太陽能電池板與更加強勁的電動機以及電池，RQ-20A的續航時間預計可達到9小時。

圖3 RQ-20A無人機

可以看出，目前現役的小型無人偵察機采用單一的垂直起降/懸浮飛行方式或者固定翼方式飛行，這兩種控制方式各有利弊，垂直起降/懸浮方式具有較好的機動性，對于起降場地沒有要求，并可以懸浮對目標進行凝視，但飛行速度慢，續航時間短。以RQ-16為例，為了獲得較長的續航時間(40min)，采用了活塞式發動機，但這樣的設計大大增加了其使用噪音，使其進行抵近偵察時易被發現；固定翼飛行方式飛行速度較高，節省燃料，續航時間長，但是無法實現在空中的懸浮，對于目標的偵察不利，同時無法在復雜的地形中(如街道，廢墟、廠房內部)飛行。因此，設計一種雙模控制無人偵察機可以同時兼顧兩種飛行模式的優點，有利于對地偵察。

2 雙模無人機發展概況

垂直起降飛行器(Vertical Take-Off and Landing，VTOL)能夠以零速度起飛/著陸，具備懸停能力，并能夠以固定翼飛機的方式水平飛行。早期開發的試驗機類型多種多樣，包括尾座式、傾轉涵道式、噴氣流轉向式以及噴氣升力發動機式等。各國在20世紀50年代就先后試制了數十種垂直起降飛機，然而大多數都以失敗告終。具有代表性的是美國的XFV-1，XFY-1及英國的SC.1等。特別是英國霍克西德利公司成功研制出的AV8鷂式戰斗機成為世界上首架成功投入使用的垂直起降飛機。垂直起降飛行器雖具有固定翼飛機速度快、航程遠和垂直起降、可懸停作業的優點，但也帶來了設計過于復雜、控制困難等弊端，這些因素也是使垂直起降飛行器在20世紀60年代后期發展減緩的重要原因之一。直到20世紀80年代后期，美國的V-22魚鷹傾轉旋翼機給VTOL領域帶來了希望。V-22可由兩具旋翼驅動垂直起飛，在起飛后旋翼向前傾轉，由垂直起降模態轉變為固定翼平飛模態，旋翼的動力轉變為向前推力，由機翼產生大部分升力。當旋翼重新傾轉朝上后，V-22又將獲得垂直著陸的能力，對于著陸場的要求大大減少。V-22的出現使得美國海軍陸戰隊獲得了裝載大量兵員物資從兩棲登陸艦上起飛，長途奔襲，降落前線起降場快速投入作戰的能力。

固定翼多旋翼復合飛行器是一種新型的垂直起降飛行器，采用多旋翼與固定翼飛行平臺相結合的方式得到簡單而有效的垂直起降解決方案。復合多旋翼相對其他無人飛行器具有多方面的優勢，相較于其他垂直起降飛行器，具有技術實現性好、成本較低等優點。經過幾年發展，復合多旋翼技術已經實現突破性發展，小型復合多旋翼即將投放市場。固定翼多旋翼復合飛行器是最近幾年才發展起來的新型航空器，實踐證明其技術可實現性好，遠高于傾轉旋翼機、涵道升力風扇(傾轉)、尾座式等其他垂直起降無人機。

采用復合多旋翼技術可以實現垂直起降與固定翼模式平飛的結合。復合多旋翼飛行器經過短短幾年發展，完成了技術驗證，相關技術正在發展成熟。復合多旋翼已經進入實用化產品研制發展階段，其中一些產品即將投放市場。作為一種新型高效低成本垂直起降無人機，復合多旋翼有著獨特的性能優勢，能夠充分滿足用戶的各種需求，預期市場巨大，未來發展前景廣闊。美國Latitude Engineering在復合多旋翼飛行器技術研究及產品方面走在世界前列。Latitude 公司成功研制出多款復合多旋翼飛行器，并開發多旋翼套件，與Arcturns UAV Sensintel、Dronetech UAV等無人機企業合作，使用多旋翼套件改裝現有的固定翼無人機，成功開發多款復合多旋翼飛行器。除了專業化無人機公司外，國外一些航空愛好者和小公司也成功試制出小型復合多旋翼飛行器。國內的上海昊翔電能運動公司已經成功申報“固定翼與多旋翼組合的復合飛行器”專利。成都縱橫自動化有限公司于2015年也推出了他們的第一款復合翼飛行器CW20“大鵬”，成為國內民用無人機行業第一款投入實際應用的復合多旋翼飛行器。

復合多旋翼技術將多旋翼動力系統和平飛推進系統分開，在起降階段使用多旋翼動力系統，起飛后平飛推進系統啟動，隨著機翼升力逐漸提升，多旋翼動力逐漸減弱，直到關閉。這種設計相對簡單，因此受到大量小型民用企業的歡迎，然而多旋翼動力系統和平飛動力系統存在冗余，會造成大量廢重，減少續航時間與航程。

3 便攜式雙模無人機概念設計

3.1 設計需求

本文擬設計一種較為可行的便攜式雙模飛行無人機方案，該無人機應可在飛行中自由切換固定翼模式與旋翼模式，在固定翼模式飛行時，具有較好的低速穩定性和操縱性，旋翼飛行模式可以垂直起降以及懸停。同時，作為一型單兵便攜式偵察無人機，要求其折疊后具有較小的包絡，并盡可能減重以提升有效載荷、續航時間以及降低攜帶負擔。

3.2 任務規劃

由于雙模無人機具有多旋翼與固定翼兩種飛行方式，因此既可手擲起飛，也可在地面垂直起飛。在空域較為開闊的地區，可采用手擲起飛增加續航時間，而如果在地形和空域較為復雜的地區，可采用垂直起飛以便對飛行進行精確控制。

在飛行過程中，針對不同的任務需求，無人機可在多旋翼模式與固定翼模式之間切換，即可在目標上空盤旋，也可進行懸停。

任務結束返航后，可切換至多旋翼模式降落，對于著陸場要求較低。整個任務如圖4所示。

圖4 多旋翼模式與固定翼模式之間的轉換

3.3 氣動布局

本文提出一種復合升力布局，將固定翼和多旋翼布局的優勢相結合。起飛降落及空中懸停作業時可采用多旋翼提供升力，轉換平飛模態時兩個前置旋翼向前傾轉，將垂直升力轉換為水平推力，由機翼提供升力。

基本布局為大展弦比梯形后掠機翼，雙尾撐，兩片相連的傾斜尾翼同時起到垂尾和平尾的作用，簡化整機結構，減少單兵攜帶中垂尾、平尾翼尖刮蹭的可能。

圖5 雙模無人機氣動布局方案

機翼后掠一方面可以減少對于兩個前置螺旋槳在旋翼飛行模式時槳氣流的阻擋，另一方面可以提升整機的方向穩定性和橫側穩定性，減少傾斜尾翼設計造成的等效垂直尾翼面積減少的影響。兩個可伸縮尾撐桿向前伸出機翼，安裝兩套可傾轉電機和螺旋槳。另一套電機和螺旋槳安裝在機身后部。整機設計如圖5所示。

3.4 動力系統

為了盡可能減輕重量，該機在旋翼飛行狀態采用三旋翼動力系統，為了保持槳葉總扭矩為零，在本設計中，兩個前置電機轉向相反，尾部電機繞機身縱軸偏轉一個角度，在產生升力的同時，產生一個側向力，以抵消返扭，如圖6所示[5-7]。

圖6 三旋翼系統抵消反扭方式

同時，為了使旋翼模式與固定翼模式共用一套動力系統，兩個前電機與螺旋槳可在傾轉機構的推動下向前傾轉，實現從旋翼模式向固定翼模式的轉換。轉換后兩個前電機旋轉方向相反，后電機停轉，消除了槳葉反扭對于平飛的影響。旋翼傾轉機構如圖7所示，由舵機驅動的搖臂使得機構繞主軸轉動90度，并且兩個狀態均接近搖臂死點，可減少舵機在不傾轉時的受力。

圖7 旋翼傾轉機構

3.5 系統折疊設計

為了便于單兵攜帶，需要對無人機進行折疊設計，減少無人機折疊后的縱向、橫向長度，本文對無人機的折疊設計包括機翼的折疊與電機撐桿、尾撐桿的折疊。

本文中機翼可以通過在機翼上表面的鉸鏈向上折起，減少運輸攜帶過程中的翼展。機翼展開后，通過在機翼梁上設置的閉鎖機構實現鎖定進行飛行。折疊機翼設計在微型無人機中大量采用，技術難度不高，在此不再贅述。

無人機左右兩側前后貫通的電機/尾翼撐桿為可伸縮模式，機翼前的撐桿在儲存/運輸狀態下可縮回機翼中，尾撐桿也可縮回機翼中(見圖8)，傾斜尾翼遮蔽后電機，減少機身長度。儲存/運輸狀態下的便攜式無人機如圖9所示。

圖8 電機/尾翼撐管折疊示意圖

圖9 無人機折疊后效果圖

4 結語

本文設計了一款可折疊的雙模無人機，將固定翼無人機航程遠、速度快的特點與多旋翼無人機可垂直起降，懸停的特點結合在一起，不同于常見的復合升力無人機。本文采用了傾轉旋翼技術實現同一套動力系統對于多旋翼模式與固定翼模式的驅動，大大減少了飛機的結構重量。折疊設計使得整個無人機小巧便于單兵攜帶，可以在班一級戰場偵察、警用監控、災情監控和偵察等方面起到很大作用。但是本設計尚處在方案與概念設計階段，在傾轉機構、折疊機構的具體設計，傾轉過程的飛行力學性能等方面仍有大量工作需要完成。

[1] 蔡. 美國海軍訂購372架RQ-16A無人駕駛直升機[J].直升機技術,2008(3):24.

[2] 彭小龍,宗剛,郭翔，等.微型無人機將改變“游戲規則”——美軍微型無人機的發展[J].飛航導彈,2012(10):31-36.

[3] 劉廣斌,羅衛兵,嚴斌亨.美軍微小型無人機及關鍵技術探析[J].飛航導彈,2016(5):43-47.

[4] 莊林,張偉.美國陸軍無人系統力量建設舉要[J].國防科技,2015,36(2):82-88.

[5] 陳琦,江濤,蔚建斌，等.傾轉三旋翼無人機關鍵技術與發展趨勢[J].飛航導彈,2016(7):34-37.

[6] 崔金峰.三旋翼航模飛行姿態的智能控制研究[D].長春：長春理工大學,2013.

[7] 張飛,路平,江濤，等.傾轉三旋翼無人機縱向推力矢量控制研究[J].飛行力學,2017(9):1-5.