摘要

垂直起降无人机兼具固定翼无人机飞行速度快、距离长和旋翼无人机垂直起降的优点,有着对跑道无依赖、能够定点悬停、前飞速度快、航程远等特点,在现代战争和民用领域有着极为广泛的用途。而实现垂直起降与高速飞行两大功能的核心在于动力装置,其直接决定无人机构型、升限、航程、载重等重要技术指标,是制约垂直起降无人机发展的关键和难点。本文针对垂直起降无人机典型动力装置研究和应用现状开展了研究,并根据其特点对动力装置基本构型进行分类,在此基础上对各类动力装置的特点进行分析。

 引 言 

二十世纪50年代的无人机结构、控制简单，主要是作为靶机使用；60年代后，无人机的研究重点开展着力于侦查用途，标志着其无人机技术开始进入以应用需求为牵引的快速发展阶段；近几十年来，世界各军事强国不断推出用于情报获取、战术侦查、目标打击、货物运输等无人机研究计划，且成果斐然。从两伊战争、海湾战争、科索沃战争到阿富汗战争、伊拉克战争，无人机以其特有的优势在战场上的使用越来越广泛，发挥了越来越关键的作用。

垂直起降无人机是一种专门的定义，特指兼具固定翼无人机和旋翼无人机优势，既能像固定翼无人机一样水平高速飞行，又能像无人直升机一样垂直起飞、悬停、降落的一类无人机。垂直起降无人机摆脱了滑跑和降落所需的场地要求，或者专门的发射和回收装置，使装备环境适应性大幅提高。因此，垂直起降无人机一直以来都是无人机领域研究的重点方向，而制约垂直起降无人机技术发展和应用的关键所在是动力装置。本文从对垂直起降无人机动力装置基本构型出发，按升力和推力来源的不同将动力装置进行分类分析和梳理，对典型技术方案进行研究，得出不同类型动力装置的使用和应用方向。

垂直起降动力装置主要构型及研究和应用现状

垂直起降无人机融合了旋翼无人机和固定翼无人机的优势，可以实现垂直起降、悬停、高速飞行，但其缺点也很明显，那就是难以解决两种模式融合带来的“死重”问题。

“死重”主要包括三种：

1）垂直起降或飞行过程中无用的装置带来的直接“死重”；

2）垂直起降模式下动力功率需求大，飞行模式下动力功率小，采用同一动力装置时会出现飞行状态下“大马拉小车”的现象，同样带来“死重”；

3）结构设计复杂带来的“死重”，尤其是面积较大的机翼，在垂直起降过程中会带来较大的阻力，产生额外的增重效应，而如果采用独立的升力系统，在平飞过程中也会带来很大的飞行阻力。

因此，垂直起降无人机需要解决的根本问题是为了降低“死重”影响而提出的各种无人机构型及其动力技术。按照动力装置的不同（主要指升力和推力产生的原理），本文将垂直起降无人机的主要构型分为四大类：倾转涵道风扇、倾转旋翼、复合式以及停转旋翼。

 倾转涵道风扇动力装置 

(1）不带机翼的倾转涵道风扇动力装置

不带机翼的倾转涵道风扇动力装置可以说是从直升机旋翼加涵道改进而来，其水平飞行动力来源于无人机整体小角度倾斜后，涵道风扇桨叶产生斜向推力，分解到竖直方向的分力形成升力抵消重量，分解到水平方向的分力形成推力，推动无人机飞行。

“AROD”无人机（图1）来源于20世纪80年代末期美国海军陆战队发起的美军地空遥控机器人系统。该无人机以涵道作为主体，没有机翼，仅通过一个19.12kw的活塞发动机驱动涵道内部三个定桨距桨叶高速旋转提供升力，通过改变出口气流的方向实现飞行器的姿态调整和稳定飞行。“AROD”无人机曾在一次飞行试验中展示了30多分钟的无约束飞行，其表现出的飞行和控制性能，证明了此类气动布局和动力配置的涵道无人机是可以实现垂直起降、可控飞行的。在后续联合宇航公司发展的“ISTAR”无人机、霍尼韦尔公司Kestrel无人机乃至“MAV”项目中都能看到“AROD”的影子。

 图1“AROD”无人机

2003年，DARPA主持启动了“MAV”演示验证项目，其目标是设计一种单兵背负的涵道式无人机，主要用于地面作战小分队。霍尼韦尔公司的“MAV”无人机采用涵道风扇动力装置。涵道风扇由一台活塞发动机驱动，为“MAV”无人机提供垂直起降和前飞动力。与固定翼无人机不同，“MAV”无人机可以74km/h的速度飞行，续航时间约为46分，可提供精确的点部署和恢复且易于操作，能够实现更好的悬停和凝视能力。在伊拉克战争中，美军使用装备的“MAV”无人机的开展近距离监察和排爆工作，使用非常成功。

 图2“MAV”无人机 

(2）带机翼倾转涵道风扇动力装置

配备带机翼倾转涵道风扇动力装置的无人机飞行动力来源与固定翼飞机原理相同，通过机翼上下表面压差形成升力。

DARPA于2013年启动了“VTOL X-Plane”项目，意在开发能够垂直起降、悬停和高速飞行的无人机。波音公司的“鬼怪雨燕”无人机（图3）全尺寸翼展15.2m，机身长度13.4m，重量5450kg，安装2台涡轴发动机发电，机身内嵌入2个大型升力风扇用于提供大部分的升力，两侧翼尖安装2个小型可倾转涵道风扇用于提供小部分升力和前飞推力。飞机起飞后，机身内的2个升力风扇通过“百叶窗”来调节悬停或向前机动，翼尖涵道风扇开始倾转之后，机身涵道风扇停止工作，无人机像常规固定翼飞行器一样平飞。