會飛的“竹蜻蜓”

石一文

很多人兒時的記憶里，常常浮現(xiàn)“竹蜻蜓”在空中旋轉(zhuǎn)飛舞的影子，每個人都懷揣著像“竹蜻蜓”一樣飛翔的夢。如今，一群執(zhí)著夢想、敢于創(chuàng)新的年輕團隊，將一只大大的“竹蜻蜒”放飛，也放飛了他們的夢想這只大大的“竹蜻蜓”就是“彩虹”新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機。近日，該機圓滿完成了首次全自主飛行試驗，在國際上也是大型自轉(zhuǎn)旋翼機完全自主起降及空中飛行的首次試驗（題圖）。

西班牙人西爾瓦研制的C30自轉(zhuǎn)旋翼機

無人自轉(zhuǎn)旋翼機是采用自轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)實現(xiàn)飛行的飛行器，之所以將其比作“竹蜻蜓”，是由于在飛行過程中，飛機兩片大大長長的旋翼看上去很像放大的竹蜻蜓，而且它依靠前飛過程中空氣氣流持續(xù)的氣動力使旋翼自轉(zhuǎn)，從而維持旋翼轉(zhuǎn)速并提供全機所需升力，這一飛行原理也同“竹蜻蜓”有著相似之處。它除了機體頂部的旋翼外，還帶有一副水平放置的螺旋槳以提供前進的動力，有的自轉(zhuǎn)旋翼機還裝有較小的機翼提供部分升力。自轉(zhuǎn)旋翼機不是由發(fā)動機驅(qū)動旋翼來提供升力的，而是在飛行過程中由前方氣流吹動旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力的。由于旋翼為自轉(zhuǎn)式，傳遞到機身上的扭矩很小，因此自轉(zhuǎn)旋翼機無需單旋翼直升機那樣的尾槳，而采用類似固定翼飛機的尾翼，以實現(xiàn)穩(wěn)定飛行。

何方神圣？

實際上，有人駕駛的自轉(zhuǎn)旋翼機出現(xiàn)較早，甚至早于直升機。上世紀(jì)20年代，西班牙人西爾瓦為了設(shè)計一種不失速且具有低速起飛和降落功能的飛行器，將旋翼升力原理應(yīng)用于飛行器，經(jīng)反復(fù)試驗研制出了帶自轉(zhuǎn)旋翼的一種新型飛行器，即自轉(zhuǎn)旋翼機。他于1934年成功地設(shè)計出C30自轉(zhuǎn)旋翼機，并實現(xiàn)了跳躍起飛。但隨著西爾瓦的去世和直升機的興起，自轉(zhuǎn)旋翼機的發(fā)展跌入谷底。自轉(zhuǎn)旋翼機與直升機相比最大的劣勢在于不能懸停，這是其沉寂多年的主要原因。然而，自轉(zhuǎn)旋翼機所具有的技術(shù)優(yōu)勢沒有被航空界忘記，特別是該機型具有更高的安全性和經(jīng)濟性，因而在近十幾年得到了迅速發(fā)展。

目前，有人自轉(zhuǎn)旋翼機技術(shù)已經(jīng)非常成熟，國際上有40多個國家研制和生產(chǎn)該類機型。其中，美國Carter公司研制的Carter copter自轉(zhuǎn)旋翼機和美國GBA公司研制的Hawk-4自轉(zhuǎn)旋翼機最具有代表性，技術(shù)較為先進。Hawk-4已取得了適航許可證，用于美國警方空中治安巡邏。國內(nèi)近些年也出現(xiàn)了較多國外自轉(zhuǎn)旋翼機產(chǎn)品的代理商和引進國外技術(shù)實現(xiàn)國產(chǎn)化的制造商，他們的產(chǎn)品已經(jīng)廣泛用于航空旅游、農(nóng)業(yè)植保、航空攝影等。

網(wǎng)絡(luò)上披露的一型國產(chǎn)雙人旋翼機

自轉(zhuǎn)旋翼機的旋翼槳轂特寫

技術(shù)優(yōu)勢何在？

有人駕駛的自轉(zhuǎn)旋翼機在國內(nèi)外的廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用喚起了人們對這一機型的重新認識。

自轉(zhuǎn)旋翼機旋翼槳轂通常采用蹺蹺板式，這一形式非常簡單，可靠性高、拆裝方便、易于維護;尾翼也只有方向舵，沒有升降舵，升降運動和縱向姿態(tài)控制通過縱向傾轉(zhuǎn)旋翼槳盤和調(diào)節(jié)發(fā)動機油門改變螺旋槳推力來實現(xiàn)。起飛時，通過地面旋翼預(yù)轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)旋翼機可以實現(xiàn)超短距起飛，或者近似垂直起飛（又稱“跳飛”）。降落時，自轉(zhuǎn)旋翼機可以超短距降落或者“點”式著陸。

自轉(zhuǎn)旋翼機結(jié)構(gòu)簡單，效費比高，故障率低，安全性高，即使發(fā)動機空中熄火，也可以憑借旋翼慣性轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的升力，確保飛機安全迫降。此外，自轉(zhuǎn)旋翼機可以在小型機場、公路、平坦土地等場地起降，對起降條件要求很低，可以替代完成直升機的絕大多數(shù)任務(wù)。

無人更出色

自轉(zhuǎn)旋翼機要實現(xiàn)良好的飛行性能，首先需要確定合適的總體參數(shù)，包括氣動布局、重量重心、旋翼參數(shù)、動力參數(shù)等：同時需要合理布置設(shè)備位置，旋翼、螺旋槳、尾翼等需要選擇合適的相對重心的位置，以獲得良好的飛行穩(wěn)定性：空速、旋翼槳盤后倒角、螺旋槳推力等需要合理匹配以控制飛行：建立準(zhǔn)確可靠的飛行動力學(xué)模型，設(shè)計合理的飛行控制律以實現(xiàn)無人化飛行。此外，自轉(zhuǎn)旋翼機具有旋翼、螺旋槳兩個振動源，需要考慮結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題。因此，自轉(zhuǎn)旋翼機要實現(xiàn)良好的飛行性能，需要突破氣動、控制、動力、結(jié)構(gòu)一體化、總體綜合優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。該過程涉及多個方面，需要從全局把握好研制過程的關(guān)鍵技術(shù)點，包括合理的總體布置、性能的估算、全機配平、操穩(wěn)特性分析及與各專業(yè)的銜接。

自轉(zhuǎn)旋翼機的飛行特性與直升機和固定翼飛機既有相同點，又有不同點。在偏航控制方面，與固定翼飛機類似，方向舵為操縱面;在俯仰、滾轉(zhuǎn)及側(cè)向控制方面，與直升機類似，旋翼為操縱面;速度和高度控制方面，具有自身特點，采用旋翼槳盤縱向傾斜控制速度，螺旋槳推力控制高度：在起降階段，需要同時操縱方向舵和旋翼槳盤。這些特點給自轉(zhuǎn)旋翼機的自主飛行控制帶來一定技術(shù)難度。因此，自轉(zhuǎn)旋翼機要實現(xiàn)全自主飛行控制，需要建立全量非線性飛行動力學(xué)機理模型，完成基于機理模型的飛控仿真。同時可以采用參數(shù)辨識，建立基于參數(shù)的飛行控制律，然后對機理模型進行修正，最終完成無人自轉(zhuǎn)旋翼機自主飛行控制系統(tǒng)設(shè)計。

試飛多艱難

經(jīng)過近五年的努力攻關(guān)，通過大量理論計算與大型試驗等途徑，“彩虹”新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機總體設(shè)計技術(shù)、飛行動力學(xué)建模及飛控系統(tǒng)設(shè)計得到了有效突破。其樣機為單尾撐構(gòu)型旋翼機，前三點式起落架，最大起飛重量550千克，巡航速度120～140千米/小時，最大航時10小時，實用升限4 000米。本次飛行試驗起飛重量為420千克，飛行速度126千米/小時，飛行高度為1600米。

2016年7月，在內(nèi)蒙古某機場，“彩虹”新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機迎來了首次全自主飛行試驗。飛機很快爬升至預(yù)定高度，在沿預(yù)定航線平穩(wěn)飛行35分鐘后安全降落在跑道上。

此次試驗面臨的最大挑戰(zhàn)就是環(huán)境。由于此次是首飛試驗，需要驗證飛行控制程序，測量飛行參數(shù)，所以要選擇無風(fēng)或者風(fēng)小的天氣進行試驗，避免危及飛行安全，影響數(shù)據(jù)采集。但是，位于內(nèi)蒙的試驗基地卻經(jīng)常風(fēng)起云涌，漫天黃沙，白天大部分時間風(fēng)力都極大，而且風(fēng)往往變幻無常，時大時小，無法準(zhǔn)確預(yù)測，這一度給試驗帶來了很大困難。時間一天一天過去，試驗隊心急如焚，大家都在想破局之法。功夫不負有心人，經(jīng)過多日的“頭腦風(fēng)暴”和實地觀察、蹲守、測量，試驗隊發(fā)現(xiàn)日出后有短暫的無風(fēng)期，但如果抓住這一窗口就意味著全體試驗人員凌晨三點半必須起床準(zhǔn)備試驗。但是沒有任何一個人對此抱怨，大家立刻準(zhǔn)備，保證試驗進度的正常推進。試驗場地海拔在1000多米以上，紫外線非常強烈，每一天試驗下來，試驗隊員的臉明顯就會比前一天更黑。

某天，一次滑跑試驗發(fā)生了一次美麗的意外，但這恰恰給大家多天來疲憊的身軀打了一針強心劑。滑跑準(zhǔn)備一切正常，總體和飛控人員在逐項核對試驗參數(shù)，其它分系統(tǒng)已進入試驗崗位，等待本次滑跑試驗的開始。隨著“準(zhǔn)備滑跑”指令的發(fā)出，發(fā)動機啟動，旋翼預(yù)旋，滑跑開始。說時遲、那時快，跑道上突然來了一陣強大的逆風(fēng)，總體指揮立即提示全體試驗人員注意突發(fā)情況。大家嚴陣以待，只見飛機在滑跑過程中平穩(wěn)離地起飛，3～4秒后順利著陸。指揮艙內(nèi)響起掌聲，這再次驗證了“彩虹”新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機飛行控制策略的可行可靠。

艱難困苦，玉汝于成。“彩虹”無人自轉(zhuǎn)旋翼機完成了國際首次大型自轉(zhuǎn)旋翼機完全自主起降及空中飛行，突破了無人自轉(zhuǎn)旋翼機全自主飛行控制技術(shù)，填補了我國在無人自轉(zhuǎn)旋翼機領(lǐng)域的空白，為我國后續(xù)無人自轉(zhuǎn)旋翼機的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

長袖善舞

無人自轉(zhuǎn)旋翼機可廣泛用于軍事和民用領(lǐng)域。

在軍用領(lǐng)域，無人自轉(zhuǎn)旋翼機系統(tǒng)可在起降條件困難的邊境地區(qū)執(zhí)行巡邏任務(wù)，也可執(zhí)行偵察、監(jiān)控、察打一體等作戰(zhàn)任務(wù)。無人自轉(zhuǎn)旋翼機系統(tǒng)可配置多種類型的載荷，其典型的使用模式分為偵察和察打兩種。在偵察模式中，飛機通過光電載荷對地面目標(biāo)進行偵察、監(jiān)視、搜索、識別和跟蹤，以及對目標(biāo)進行激光測距和激光照射。在察打模式中，以激光制導(dǎo)小型空地導(dǎo)彈為例，飛機主要是通過光電載荷對戰(zhàn)區(qū)地面實施偵察，指揮控制站識別、確認目標(biāo)并執(zhí)行攻擊流程。

在民用領(lǐng)域，無人自轉(zhuǎn)旋翼機可承擔(dān)森林防火、氣象勘測、海洋測繪、地質(zhì)勘探和檀物保護等諸多任務(wù)。

在執(zhí)行森林防火任務(wù)時，無人自轉(zhuǎn)旋翼機可搭載各種測量監(jiān)控設(shè)備，發(fā)現(xiàn)林火后可第一時間確定林火點位置，為撲救工作提供數(shù)據(jù)支持。例如，可使用基于GPS系統(tǒng)和攝像機的監(jiān)控設(shè)備對林區(qū)進行掃描監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)火情立即定位，并將火情提供給消防系統(tǒng)，既降低了人力成本又提高了防火效率。

隨著地球環(huán)境的不斷惡化，由地震、臺風(fēng)、海嘯和暴雨引起的自然災(zāi)害對于人類和環(huán)境的影響越來越大，諸如汶川地震、印度洋海嘯和近期的長江洪澇等，均給人類的生命和財產(chǎn)造成了巨大的威脅。無人自轉(zhuǎn)旋翼機安全、可靠、續(xù)航時間長，可攜帶相關(guān)氣象監(jiān)測平臺全天候監(jiān)測自然災(zāi)害重災(zāi)區(qū)，獲得實時氣象數(shù)據(jù)。

不同國家對于海權(quán)的重視程度不斷提高，人類對海洋礦產(chǎn)資源的依賴不斷加深，海洋環(huán)境變得與人類愈發(fā)息息相關(guān)，了解海洋、利用海洋成為了環(huán)境研究的題中之義。無人自轉(zhuǎn)旋翼機可搭載相關(guān)測繪儀器全天候進行海洋測繪任務(wù)，可大大提高測繪效率，降低測繪風(fēng)險。

無人自轉(zhuǎn)旋翼機具備超低空、低速飛行的能力，因此可掛載配備電、磁綜合系統(tǒng)的拖吊吊艙，用于地形復(fù)雜地區(qū)的大比例尺詳查工作。在礦產(chǎn)勘查方面，國內(nèi)許多成礦遠景區(qū)帶的地形比較復(fù)雜，而無人自轉(zhuǎn)旋翼機能滿足國土資源調(diào)查的需要。

目前國際上普遍采用無人直升機進行植保作業(yè)。我國地域遼闊，地理及氣象條件復(fù)雜多變，農(nóng)業(yè)人口眾多，農(nóng)作物的病蟲害每年都大面積發(fā)生，且18億畝耕地中大多為山地、丘陵。無人自轉(zhuǎn)旋翼機用于植物保護具備諸多優(yōu)勢，如安全方便、短距離起降等，且病蟲害防治效果好、效率高，最關(guān)鍵的是，其使用成本遠遠低于無（有）人直升機。例如，“彩虹”新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機可加裝130升的藥箱，噴幅達10～15米，作業(yè)效率達45畝/分鐘。

前路仍漫漫

自轉(zhuǎn)旋翼機具有獨特的優(yōu)勢，目前許多國家都擁有成熟的自轉(zhuǎn)旋翼機設(shè)計技術(shù)和產(chǎn)品，并且都在發(fā)展大型旋翼機，而我國在這一領(lǐng)域的研究還非常薄弱。同時，由于無人自轉(zhuǎn)旋翼機用途廣泛、優(yōu)勢突出，因此，開展該領(lǐng)域研究具有積極的經(jīng)濟和社會意義。

無人自轉(zhuǎn)旋翼機將沿著更快、更大、可垂直起降的路線發(fā)展。未來，“彩虹”新型無人自轉(zhuǎn)旋囂機將開發(fā)出可垂直起降型，起飛重量可達到1000千克量級，最大飛行速度高達500千米/小時。相信這只美麗的“竹蜻蜒”一定會飛得更遠、更高、更穩(wěn)健。

[編輯/山水]