(2)倾转旋翼动力装置
倾转旋翼动力装置技术特点与带机翼倾转涵道风扇动力装置相似。卡雷姆公司X-plane方案为与V-22“鱼鹰”类似的构型,将旋翼置于翼尖,单独倾转旋翼实现垂直起降,这类飞行器与倾转涵道风扇无人机类似,需要复杂的倾转机构,结构复杂,两种飞行模式的动力需求差异极大。此外,在起飞和悬停状态下,旋翼和机翼之间存在明显的气流干扰情况,机翼上表面受到的旋翼下洗流增重效应严重影响了飞机的运输能力。
西科斯基公司X-plane方案为尾座式整体倾转旋翼机,由于旋翼作用面积大,使得无人机无论是起飞、姿态调整、悬停还是平飞状态,机翼都几乎完全笼罩在下洗流中,使机翼不会发生气流分离。但是,同样面临着机翼垂直状态下迎风面积大,在军舰等风速较大的场景下起降操控难度大的问题。
与带机翼倾转涵道风扇动力装置类似,单独倾转旋翼动力装置更适用于执行物资运送、空中侦察任务;尾座式倾转旋翼动力装置更适用于执行ISR等任务。
(3)复合式动力装置
复合式动力装置构型简单、无需倾转机构、无需整体姿态调整,工程实现难度较小。但是存在大量缺点:1)垂直起降动力装置和飞行动力装置均是独立使用,即垂直起降过程中推进系统不工作,飞行过程中升力系统不工作,给两种工作模态都带来很大的直接“死重”,结构重量太大,飞行速度不会太快,载重量很小;2)垂直起降阶段,大面积的机翼会增大起降阻力,在平飞阶段,旋翼则会增大飞行阻力,带来了较大的间接“死重”;3)固定翼和旋翼结构在气体动力学上会互相干扰,影响效率,同样带来间接“死重”。
尽管复合式动力装置的“死重”问题最严重、效率低下、载重量小、航程小,但是其在工程上是最容易实现的,因此目前国内外均有大量企业开展研发和应用,一般可用于军事侦查或短距离轻载运输等场景。
(4)停转旋翼动力装置
停转旋翼无人机既没有两套动力装置带来的直接“死重”,也没有大面积的机翼或两套动力装置互相干扰带来的间接“死重”,所以“死重”问题可能较小。但是,停转旋翼的研制难度是最大的:1)旋翼设计需兼顾固定翼机翼的功能,而旋翼和机翼虽然工作原理均为机翼上下受力差形成升力,但具体设计方法不尽相同,导致旋翼不仅设计难度增大,而且在两种模式下都无法达到最优效果;2)通过旋翼翼尖喷气驱动旋翼旋转效率较低、且难以控制,带来一系列结构问题;3)垂直起降和平飞之间姿态转换过程中,旋翼的非定常载荷非常严重,操控难度极大;4)由于结构实现难度大,为了克服结构难度导致机械系统复杂度大大提高。
相对而言,停转旋翼无人机大幅解决了“死重”问题,但是其存在大量的技术问题需要解决,研制难度极大,因此,目前国内外对该构型的工程研制很少见。该构型无人机动力装置可能更适用于尺寸小、载重量轻、执行ISR任务的无人机。
启示和建议
本文结合无人机构型将垂直起降动力装置进行了分类,对各类型动力装置的技术优劣、应用场景进行归纳总结,得出以下启示和建议:
(1)垂直起降无人机可执行长距/短距ISR、物资运送、高/低空侦察等任务,在军用和民用领域都有着极为广阔的应用场景,发展前景广阔,可针对不同的应用场景开展相关研究工作;
(2)制约垂直起降无人机及其动力装置发展的关键技术包括飞发气动耦合设计技术、飞行模态转换控制技术、倾转机构等机械结构设计技术等,需要开展深入的技术研究;
(3)复合式动力虽然效率低、载重量小、航程短,但是技术实现难度相对较小,仍然是当前阶段研究的重要方向;倾转涵道风扇和倾转旋翼技术难度较大,但应用前景广阔,且已有工程应用,应开展较为深入的关键技术研究;停转旋翼技术难度最大,建议更多的开展理论研究和单点关键技术攻关


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