国外垂直起降固定翼无人机技术发展情况（上）

 

 

 

导读：垂直起降固定翼无人机具有对起降场地要求低、机动性好、巡航速度高、航时长等优势，是目前航空领域研究热点话题。垂直起降固定翼无人机有不同的技术特点，包括复合式、尾座式、倾转动力式等。更高的飞行速度、更长的续航时间、更强的任务载荷能力将是未来垂直起降固定翼无人机技术的主要发展方向和必然趋势。国外企业和机构在垂直起降固定翼无人机方面有些先进成果可供借鉴。

 

 

一、引言

 

垂直起降固定翼飞行器能够以直升机方式垂直起降，并能以固定翼方式巡航前飞。与传统直升机相比较，垂直起降固定翼飞行器具有前飞速度快、航程远、航时长等显著优势，而与常规固定翼飞行器相比较，垂直起降固定翼飞行器能够定点起降和悬停，对机场跑道没有依赖，任务能力显著增强。近年来，随着无人机在军事、民用领域的用途越来越广泛，对无人机起降方式的要求也越来越多样化，因此，将垂直起降技术应用到无人机上已经成为必然。而由于无人机无需考虑飞行员的生命保障、生理极限等问题，将垂直起降技术应用于无人机领域将更为灵活，且更容易实现。

 

与有人驾驶飞行器相比，无人机系统组成更为简单，更适合垂直起降技术应用和发展，按照总体构型及动力形式的不同，可以将目前主流垂直起降固定翼无人机划分为升推复合式、尾座式、倾转动力式共3 种形式。

 

二、升推复合式垂直起降固定翼无人机

 

升推复合式垂直起降固定翼无人机大多都是直接在固定翼的基础上加装多旋翼或升力螺旋桨，在垂直起降阶段由多旋翼或螺旋桨系统提供升力，在平飞阶段则切换回固定翼模式。

 

TU-150战术多用途无人机

 

莱茵金属机载系统有限公司与瑞士无人机公司于2016年联合研制的TU-150战术多用途无人机应用“双复合”设计，即旋翼-固定翼复合和混合动力：两侧翼尖各装配一副三叶旋翼来提供垂直升力，使其在旋翼模式下具有直升飞行能力;而在固定翼模式下，将旋翼停止，靠机翼升力平衡重力，由机身末端电机驱动的推进螺旋桨提供前进推力。TU-150垂直起降固定翼无人机的设计目标是“具有低保障要求的高性能系统”。TU-150重300磅，包括旋翼在内翼展为26英尺，最大起飞重量约为140kg，最大任务载荷质量约为30kg，可配装多种传感器，执行多种任务，最大飞行速度约为220km/h，续航时间约8h(使用副油箱为11小时)。TU-150由涡轮发动机组产生的动力，同时驱动电动转子和推进式螺旋桨，该装置以机动车柴油(F54)或煤油(F34/F40)为燃料。

 

随着TU-150的推出，莱茵金属机载系统公司正在扩大其战术无人机系统产品系列。除了KZO**和TR-50SCOUT固定翼无人机外，未来还将提供一个机载系统，该系统由联合地面和数据链基础设施支持，涵盖包括海洋领域在内的广泛的民用和军用任务场景。

 

 

Songbird无人机

 

采用类似方案的还有Songbird无人机，专门设计的飞行控制器允许在垂直起降模式和固定翼模式之间的过渡阶段的每个状态稳定飞行。这种可以始终保持稳定的飞行过程，使得Songbird上可以使用昂贵的有效载荷，如高光谱传感器或先进的光学相机。

 

所有Songbird系列飞机都具有出色的水平飞行性能，最高速度超过110km/h，拥有良好的滑翔性能和长达1小时的飞行时间。在风速高达18m/s时也可以稳定飞行。Songbird可用于从0.5kg到2kg的不同有效载荷。在每次飞行时，都可以随时中断任务并在任一状态上进行详细调查。

 

Songbird的整个飞行，包括起飞和着陆，都可以由自动驾驶完成。Songbird专为在专业环境中的日常使用而设计，由玻璃纤维和碳复合材料制成，使用寿命长。在安全保障方面，Songbird配备了冗余飞行控制器和传感器、先进的电源管理系统和成熟的故障安全程序，此外Songbird还可以拆成小部件进行运输。

 

上述两种升推复合式垂直起降固定翼无人机，直升机模式和平飞模式时，都有一套动力系统处于完全无用状态，不仅成为“死重”，还影响垂直飞行或平飞时的飞行效率。为此设计人员提出了一种“在巡航时将旋翼停转并锁定，进而转变成机翼或其他翼面以提供气动力”的旋转机翼创新思路。

 

 

X-50A

 

美国波音公司鬼怪工厂于2003年研制的X-50A“蜻蜓”概念验证机即采用“旋转机翼+鸭翼+尾翼”布局形式，其垂直起降和悬停时的飞行模式与直升机相似，但其旋翼旋转运动是依靠“桨尖喷气驱动”技术实现，而抗自旋扭矩则是通过“无尾桨”系统实现。当无人机进入固定翼模式，旋翼停转变为主机翼以提供巡航升力。

 

X-50A项目的诞生源于美国陆军、海军和海军陆战队对用于支持沿海和城市地区的分散部队使用的可负担的、可生存的、垂直起降(VTOL)飞行器的需求。X-50A鸭翼旋翼/机翼(CRW)飞机，与其他垂直起降概念相比，它提供了垂直起降无人机的快速响应能力，并且具有显着的航程和隐身改进。CRW的概念来源于波音公司之前在反作用驱动旋翼系统方面的工作中的特定专业知识，包括1950年代初的XH-17和1960年代中期的XV-9A。

 

 

 

X-50A三种飞行状态下发动机排气位置

 

X-50A无人机长17.7英尺，高6.5英尺。转子叶片的直径为12英尺。X-50A由单个常规涡扇发动机提供动力，分流阀将发动机排气引导至旋翼尖端或尾部推力喷管。对于垂直起飞、悬停、低速飞行和垂直着陆时，发动机的排气被转移到旋翼桨叶尖端的喷嘴，从而驱动旋翼旋转。由于旋翼直接由喷气推力驱动，因此不需要像传统直升机那样需要尾桨抵消扭矩。X-50A还有一个“鸭式”前翼和一个传统的尾翼，在平飞时提供升力。一旦旋翼机达到足够的前进速度，所需的升力就会从旋翼传递到鸭翼和水平尾翼。在过渡飞行期间，发动机排气同时被导入旋翼尖端和飞机尾部的喷管。当飞机过渡到完全向前飞行时，发动机排气被引导至飞机后部的喷嘴，旋翼停止并被锁定在一个固定位置，起到传统机翼的作用。此外由于CRW概念消除了对重型和复杂机械传动系统、传动装置和反扭矩系统的需要，CRW比传统旋翼机更轻、更简单，因此操作和支持成本也更低。由于CRW的旋翼停止以允许高速向前飞行，因此旋翼的翼型横截面必须是椭圆形的，这是传统旋翼飞行的最佳翼型和高速停旋翼飞行的最佳翼型之间的折衷。

 

预想中的X-50A可以演变成能够执行特殊任务的更大的有人驾驶的飞行器，执行包括侦察、武装护送、城市作战、战术空中支援、通信/数据中继和补给的任务。但是在2004年3月23日X-50A原型机的第三次飞行中，由于控制系统中的交叉耦合，飞行器坠毁。第二个改进的原型机也在2006年4月12日的一次坠机事故中损毁。随后的调查显示，该飞机的机身受到了剧烈的空气动力学俯仰力矩的影响。由于在完成的试飞计划中，两架飞机都无法过渡到完全平飞模式。2006年9月，DARPA认识到了固有的设计缺陷并撤回了对该计划的资助。

 

三、尾座式垂直起降固定翼无人机

 

尾座式垂直起降固定翼无人机是将动力系统固连在机体上，并随全机整体偏转的一种特殊布局无人机。该类型无人机将起落架安装在尾部，起飞时，全机纵轴垂直地面从而“坐地”起飞;当满足一定的高度和速度条件后低头过渡进入固定翼巡航模式;降落前需全机抬头恢复“ 坐地”姿势后垂直降落。

 

Aerovel公司于2012年研制的弹性旋翼尾座式无人机Flexrotor是具有垂直起降(VTOL)功能Group2小型战术无人机系统(STUAS)。它可以被美国和盟军用于昼夜陆地和海上的各种情报、监视、目标获取和侦察(ISTAR)。Flexrotor具备全天候飞行的能力，拥有超过30小时的飞行续航时间和120公里的通信范围，可以在一些恶劣的条件下执行。Flexrotor非常适合远征任务，可快速组装起飞，并且可由一个人在几分钟内完成装箱和存放，发射和回收只需要20英尺x20英尺的区域，可以垂直起飞和降落，并且可以轻松过渡到水平飞行。在起飞后完全自动飞行，无需飞行员干预。

 

 

 

 

Flexrotor的螺旋桨直径 2.2米，机身长度 2米，翼展 3米，最大发射重量 25千克。Flexrotor实现了小尺寸、大有效载荷/航程、经济性、自主性和灵活性的结合。

 

 

Flexrotor无人机参数

 

Flexrotor上的可操纵、可缩放的成像系统使用日光或红外摄像机执行搜索和目标跟踪，可以实时查看视频图像，随后在联网显示器、Wi-Fi设备和智能手机上查看，通过检测异常和威胁活动以及爆炸装置来帮助保护军事基地和其他重要资产。必要时可以从单个操作站管理多架Flexrotor无人机，以便可以同时监控多个区域。

 

另一款典型的尾座式垂直起降无人机是美国诺斯罗普·格鲁曼公司2015年即提出且目前正在研制的TERN“燕鸥”尾座式无人机。TERN是一项先进的技术开发计划，旨在实现未来小型船舶上飞行器的发射、回收和操作，使未来的飞行器能够提供超越现有直升机平台提供的有限航程和持续的情报、监视侦察(ISR)和打击能力。TERN“燕鸥”尾座式无人机采用飞翼布局，前置大型对转螺旋桨，根据美国国防高级研究计划局(DARPA)的设想，TERN可以在5级海况下在驱逐舰或更小的舰船上垂直起降。

 

 

TERN“燕鸥”尾座式无人机艺术概念图

 

“燕鸥独特的速度、长续航、航程和高度组合将使海军和海军陆战队具有成本效益的转型能力，可以在超过600海里的范围内从海上执行ISR、轻型打击和其他任务”，诺格公司TERN项目负责人表示“即使在没有传统航母舰载机或陆基巡逻机的情况下，TERN也可以满足海军任务需求，以提供情报和决定性的进攻和防御能力。”TERN可以携带多达600磅的载荷，包括传感器、通信数据链路和外挂武器，600磅的载荷足以装载6枚地狱火导弹，此外Tern将监视可能从数百海里外发射的导弹。这些表明，从一开始，诺格公司就没有将TERN仅仅设计成一种“侦察”飞行器，而是一种武装无人机，可以为任何足够大的战舰提供空中打击能力，TERN将支持新出现的美国海军陆战队远征任务对大型舰载、远程、长航时无人机系统的需求。

 

TERN采用同轴对转螺旋桨，可以不需要尾翼通过产生偏航力矩来抵消扭矩。TERN的螺旋桨在必要时共同改变角度，以获得最大的垂直升力，并可以单独产生所需的俯仰力矩和滚转力矩，以保持飞机在垂直飞行时的稳定，并在过渡到水平飞行时改变攻角。TERN可以在不同飞行角度中变化，一旦进入水平巡航飞行，旋翼只起到螺旋桨的作用，而由机翼和飞行控制部件来操纵飞机。

在推进方面，诺格公司选择改装通用电气T700涡轮轴发动机，该发动机同时也是海军的MH-60海鹰直升机所用的发动机。为了适应T700发动机在TERN起飞和着陆时垂直放置的设计要求，通用公司会对T700做出一些修改，包括设计和制造新齿轮和新变速箱，以确保发动机和变速箱在垂直位置的工作性能。

 

小结

 

独立的升推复合式垂直起降固定翼无人机受其工作效率限制，目前仅用于小型无人机领域，且目前来看不具备大型无人机的应用前景，而复合的升推复合式方案目前还无法解决气动和效率问题。尾座式垂直起降方案在上世纪五十年代就已提出，但由于对驾驶员操作要求高而被放弃，近些年由于无人机电控水平的提升，又重新回归主流设计方案。无论哪种设计方案，动力，效率和飞行气动控制都是垂直起降设计中的难点。