倾转旋翼无人机集合了旋翼无人机与固定翼无人机的优势，凭借既能高速巡航又能垂直起降、精准悬停的性能被人们称之为空中“混血儿”，是什么样的契机造就了倾转旋翼的出现？是市场多样化的需求？亦或是技术的发展趋势使然？想了解这些，首先就要弄清楚整个无人机世界。 根据艾瑞咨询今年5月中旬制作的《2016年中国无人机行业研究报告简版》IDC预测，到2019年全球无人机年销量将达到393万架，其中消费级300万台，CAGR达到60%；工业级无人机销量为93万台，CAGR达到45%。由此可以看出，消费级无人机的“盛世”之下，工业级无人机的发展存在一定程度的滞后，长此以往将制约无人机市场发展。那么是什么制约工业级无人机的发展？作为工业无人机三大平台的多旋翼、直升机及固定翼自身又作何感想呢？ 多旋翼一直是微小型无人机或航模的主流，除此之外多旋翼无人机以其垂直起降，可定点盘旋的优点，同样受到多个领域的青睐，航拍领域应用中，利用多旋翼无人机搭载相机设备，并配备图像传输系统，被人们称为“可飞行的相机”，广泛应用于电力巡线、测绘等行业。然而，由于多旋翼飞行速度慢，航拍过程中不能满足航拍者们对于高空速镜头的拍摄；且飞行半径较短，不能满足工业领域对无人机大航时、长距离的需求，工业市场缺口大。 无人直升机以其大载荷，在军事领域一直享有盛誉。民用无人直升机沿用了无人直升机在军事领域的优势，植保作业中以其大载荷及强下压风场受到农民的青睐；同样具有着陆场地小、可垂直起降、空中悬停、使用灵活的特点，直升机覆盖了多旋翼作业的一系列领域。市场上无人直升机大批生产或投入实际使用的机型还很少，原因之一就是无人直升机稳定性较差，其操纵和飞行控制比固定翼无人机和有人驾驶直升机要困难的多。与多旋翼无人机一样，航速航程受限使其在工业领域应用中尚留有空白。 由于固定翼无人机巡航距离远，成本低廉、安全性好，在电力巡线中得到广泛应用。固定翼无人机搭载可见光检测仪与红外热成像仪，对输电线路进行检查和录像，具有高效率、快捷、可靠、不受地域影响等优点，一度成为工业级应用的宠儿。然而航空巡线中，固定翼无人机不能悬停，对线路的近距离观察成为它永远的痛。加之固定翼无人机对于起飞场地的苛刻要求，人们对其在工业领域中的应用总是很纠结。 工业级市场呼唤着身披金盔金甲，脚踏七彩祥云的“超级英雄”来解决行业的实际需求。在这样的背景下，人们脑洞大开，各路“英雄”纷纷出场，各种解决方案纷至沓来。 闲言少叙.让我们把工业级市场的具体需求再明确一下： 1. 起降场地不能过多限制，要根据作业面实际地形条件，随时升空作业并安全降落。 2. 巡查过程中要高速机动，在有限续航内，最大化的扩大搜索和巡视的范围，提高作业效率。 3. 发现作业目标后，要能快速安全的完成由巡航状态到定点悬停状态的转换，制动距离要短。如遇较长较大且问题较多的作业环境，无人机要能满足频繁转换飞行状态的要求。 4. 针对具体作业点，要能精准定点悬停、详细勘察。要能抵御勘察点周围大风、雾霾、扬尘、雨雪等恶劣气象条件的影响，以及高温、电磁、腐蚀等因素的影响。能够清晰、稳定、细致的勘察，并实现数据的有效采集与及时回传。 5. 在整体载重能力范围内，尽量减轻飞行平台的自身重量，为搭载大型任务载荷预留更多的载重配额。 那么需求明确了.接下来就有请我们的各路英雄闪亮登场。 复合翼垂直起降：一加一等于二吗？ 复合翼垂直起降属于“1+1型”的垂直起降固定翼，即在固定翼无人机上叠加一套垂直升力系统，从而在结构上基本实现了多旋翼和固定翼的优势结合，基本具备了垂直起降、定点悬停、高速巡航的能力。但由于这种复合翼平台带有固定翼和多旋翼两套动力系统，一套动力系统工作时，另一套基本处于闲置状态，两套动力系统的切换采用的是跳转方式，这种方式在切换过程中稳定性较差，如遇侧风，增加了飞机坠机的风险，而且转换速度较慢、制动距离较长，很难满足频繁、快速、安全转换的实际需求。相对于单动力系统而言两套动力系统无疑增加了机体自身重量，也在一定程度上增大了飞行阻力，影响飞行速度，而且相应的在整体载重量一定的前提下，留给任务载荷的载重量就更加有限，从而相对限制了该方案未来搭载大型任务载荷的扩展能力。 立式垂直起降：大力能出奇迹吗？ 立式垂直起降就是把一款固定翼设计为可以竖起、直起直落的复合型解决方案。它不做结构上的过多变化，奉行“只要马力大，板砖飞上天”的理念。它确实解决了对起降场地的要求问题，在进入固定翼平飞姿态之后，也基本满足了巡航的速度，但由于它是通过整体机身倾转来实现从竖直到平飞的转换，转换的过程需要大幅度调整，操作复杂，转换速度慢。如果强行快速转换姿态，又势必影响飞行的稳定性，所以在实际作业过程中这种机型很难实现在空中急飞急停，急停急飞，频繁转换的具体需求。 以上两种目前常见的复合平台解决方案让我们看到，为了满足工业级市场的具体行业需求，人们确实已经绞尽脑汁，而且取得了相当大的进步，各厂家也做出了各具特色的优化与改进，涌现出了许多在现阶段各类型中非常优秀的产品。 倾转旋翼技术应用在无人机领域对于满足工业级需求的巨大优势，而从世界范围来看，倾转旋翼技术还处于起步阶段，仅有美国和以色列少数国家技术相对成熟。我国在这个技术领域的研究起步相对较晚，且面临严密的技术封锁，进展较慢。究其原因归根结底还是因为倾转旋翼技术有许多难点难以攻克，这些难点成为制约研发倾转旋翼无人机企业共同的问题，谁能率先攻克这些难点，取得更多阶段性的实质成果，直至将国产倾转旋翼无人机投入市场应用，谁就能先拔头筹成为万众瞩目的焦点。 总体来讲倾转旋翼无人机具有三种飞行模式:悬停/小速度前飞的直升机(或多旋翼)飞行模式，巡航和高速前飞的固定翼飞机飞行模式以及从直升机(或多旋翼)模式向固定翼飞机模式转换的过渡飞行模式。过渡飞行模式是倾转旋翼技术的关键所在。在不同飞行模式转换的过程中，旋翼的流场与尾迹都很复杂，加之桨叶非正常变化的气动力直接影响飞行器的平衡和操纵，使快速转换、平稳过渡成为难点。具体来看: 难点一:气动干扰研究 倾转旋翼无人机在兼具直升机(或多旋翼)和固定翼无人机优点的同时也兼具二者的动力学问题，其复杂性也大于二者之和。倾转旋翼的气动干扰问题涉及到旋翼-机翼、旋翼-旋翼、旋翼-机身、旋翼-尾翼等多个方面，其中以垂直飞行和悬停时旋翼-机翼的气动干扰最为严重。由于定点悬停时机翼是固定不动的，受旋翼桨尖脱落的螺旋形桨尖涡干扰，诱导产生的下洗流以接近90°方向撞击机翼，继而在机翼上表面形成阻塞的三维效应流场，严重影响无人机的稳定性。 而且，倾转旋翼无人机性能的一个重要指标是它的有效载荷。在悬停状态下，旋翼-机翼气动干扰对该有效载荷具有重大影响。实验研究发现，机翼上的下洗载荷占旋翼总拉力的一部分，这种不利的气动干扰造成飞机有效载荷的降低。只有正确处理旋翼/机翼气动干扰，才能提高倾转旋翼无人机的有效载荷。 另外，由于悬停状态下的倾转旋翼机存在横向对称性，左右机翼上方的气流在接近飞行器对称面处相遇，因而气流转为向上运动。这种运动形成了特有的附着涡分离和气流再入等复杂现象，直接影响倾转旋翼的气动特性。 难点二:飞行控制研究 为实现多种飞行模式多种飞行状态的操纵控制，倾转旋翼无人机的操纵控制系统可能是世界上最复杂的飞行器控制系统之一。除了用于普通的固定翼螺旋桨飞机与横列式直升机(或多旋翼)的操纵控制系统外，倾转旋翼无人机的操纵控制系统还须操纵控制旋翼轴的倾转，以实现不同飞机模式的功能。在倾转过程中，要同时进行飞机和直升机(或多旋翼)两种控制系统的操纵，即同时通过操纵旋翼和飞机的常规空气动力操纵面，以实现对旋翼倾转和飞机飞行状态的控制。其操纵和飞行控制比单一的固定翼无人机和无人直升机(或多旋翼)都要困难许多。特别，倾转旋翼无人机在过渡模态时，存在明显的拉力矢量控制特性，由于拉力矢量的存在，三通道之间出现较强的耦合。同时，还存在着气动舵面操纵与拉力矢量控制之间的协调问题，使得过渡模态下飞行控制系统设计变得更加复杂。因此飞行控制技术是倾转旋翼无人机的另一个关键难点。 难点三:结构设计研究 倾转旋翼无人机为了适应直升机(或多旋翼)模式的垂直起降、飞机模式的高速巡航飞行以及各种飞行状态的控制，在结构设计方面有诸多考究。具体来说，倾转旋翼系统既要适用于高速前飞，又要兼顾垂直悬停效率，桨叶的形状、扭转及桨毂形式的设计都不同于常规的旋翼。而且，在机翼两翼尖处要安装旋翼系统，旋翼轴要相对机翼倾转，这就对机翼强度和气弹稳定性提出了更高的要求。这其中也涉及到复合材料方面的技术工艺研究，比如桨叶需要采用弯扭耦合特性更强的复合材料制造，通过复合材料机翼塑造出理想状态的气动，同时也需要复合材料设计优化桨尖形状。另外，如何在不影响飞机的整体强度的前提下，减轻飞机自身的重量，使飞机承担更多的负载，实现更远的航程，需要精细和合理的结构设计。因此，综合考量各方面要求的设计才能很好的保证飞机的控制精度，减少控制难度，保证飞机的飞行安全，且合理的解决重量与强度之间的矛盾问题。 上述难题还只是压在倾转旋翼无人机研发上的三座大山，更多细节问题更是不胜枚举。这也就不难理解为什么各种概念机、原型机、工程机屡见不鲜，但能正式上市量产的倾转旋翼无人机却仍犹抱琵琶半遮面。即便如此我们仍然坚定的认为不积跬步无以至千里，虽然量产机型目前还没有横空出世，但它的出现一定也是遵循着一个又一个技术难关的解决和阶段性成果的取得这样一个历程，因为科学技术讲究的是求真务实，掺不得半点假，揉不进一粒沙。2016年9月20日，搜狐科技头条报道《无距科技:即将实现“工业级”倾转旋翼无人机产品》，一石激起千层浪。一家成立于2015年12月，地处东北名不见经传的无人机企业，短短几个月就用他们实实在在的专利成果向世人展示了这个“即将实现”之约背后的坚实。他们共取得了气动干扰研究方面的专利3项、结构设计研究方面的专利5项、飞行控制研究方面的专利3项。这些专利成果的取得，都在向我们昭示这家公司在解决上述倾转旋翼关键技术难题上所取得的重大突破。无距科技的核心技术团队来自中科院，在无人机技术方面具有十余年的开发经验，曾被国际顶级刊物评为“世界十大无人机应用团队”，同时也聘请了深耕无人机软硬件领域多年的国内外技术专家。目前他们是国内屈指可数的拥有多旋翼、直升机和固定翼全品类无人机飞控研发和制造实力的企业。我们期待像无距科技这样求真务实的企业在不久的将来取得更多实质的进展，因为量变必将转化为质变。我们也希望能早日看见无距倾转旋翼无人机翱翔蓝天。我们更希望中国能有更多像沈阳无距科技有限公司这样踏踏实实攻坚克难的企业出现，因为一枝独秀不是春，百花齐放才是中国工业级无人机产业共同企盼的春天。 本文来自：搜狐平台宇辰网 |
