新型復(fù)合飛行器的特點(diǎn)及應(yīng)用

鄭豐蕾　肖長天

摘 要：旋翼飛機(jī)對起降的地理位置要求低，飛行穩(wěn)定，但是速度容易受到自身結(jié)構(gòu)限制，而且負(fù)載不能超過最大拉力；固定翼飛機(jī)飛行速度快，負(fù)載高，卻需要很長的滑行距離。可見兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，如果把四旋翼的動(dòng)力和控制系統(tǒng)加入到固定翼中，讓兩者取長補(bǔ)短，形成一種兼具兩者優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合飛行器，是未來飛行器發(fā)展的主要方向。

關(guān)鍵詞：旋翼；固定翼；機(jī)械結(jié)構(gòu)；分析和優(yōu)化；垂直起降。

0引言

傳統(tǒng)四旋翼，靈活性強(qiáng)，能夠完成短距離小范圍的飛行任務(wù)，但是（由于續(xù)航問題和旋翼機(jī)的爬升原理的限制）在中高空、遠(yuǎn)航程、高航速應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)欠佳；傳統(tǒng)固定翼載重量大、遠(yuǎn)程快速，但起飛條件高，往往需要長距離的平直跑道，這對發(fā)揮固定翼飛機(jī)的性能，是不利的，導(dǎo)致使用場地受限，無形中了增加使用成本。

垂直起降型無人機(jī)作為無人機(jī)家族的重要組成部分，憑借其起降方式靈活、發(fā)射回收方便等優(yōu)點(diǎn)，獲得了世界各軍事大國的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。近些年來垂直起降（VTOL）飛行器發(fā)展迅速，并獲得了一些突破性進(jìn)展，但仍有許多尚未解決的問題。

1實(shí)現(xiàn)原理

要研究垂直起降技術(shù)是怎樣實(shí)現(xiàn)的，就要知道比空氣重的飛機(jī)是如何飛行的。飛機(jī)飛行需要克服兩種力—重力和阻力。重力是由飛機(jī)的氣動(dòng)面，即機(jī)翼和尾翼產(chǎn)生的垂直升力平衡的；阻力則是由發(fā)動(dòng)機(jī)提供的水平推力克服的。正常飛機(jī)的起飛過程就是飛機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)下，在跑道上克服阻力向前滑跑，機(jī)翼在空氣中直線平移運(yùn)動(dòng)，利用特定翼型和飛行狀態(tài)產(chǎn)生的空氣壓差獲取升力。隨著速度的加快，升力也越來越大，當(dāng)滑跑速度足夠大到使機(jī)翼產(chǎn)生的升力大于飛機(jī)的重量時(shí)，飛機(jī)就可以離開地面升空飛行了。由于在一定的條件下飛行的阻力遠(yuǎn)小于飛機(jī)的重量，所以飛機(jī)的飛行可以實(shí)現(xiàn)以小推力托起大重量，也就是推重比小于1，是一種省力的飛行方式。從上面可以看出，飛機(jī)要想飛行必須克服重力，而垂直起落飛機(jī)由于不需要滑跑，就不可能由機(jī)翼產(chǎn)生克服重力的升力。那到底如何才能實(shí)現(xiàn)在原地的垂直起降呢？只能有兩種方法，一種是噴氣反作用力，一種是利用空氣動(dòng)力。噴氣反作用力，就是由發(fā)動(dòng)機(jī)向下噴氣產(chǎn)生的反作用力升力來克服重力實(shí)現(xiàn)垂直起降的。辦法有三個(gè)，一個(gè)是偏轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管（如英國的鷂式），第二種是直接使用升力發(fā)動(dòng)機(jī)提供升力，第三個(gè)是前兩種辦法的組合，同時(shí)使用升力發(fā)動(dòng)機(jī)和主發(fā)動(dòng)機(jī)（如前蘇聯(lián)的雅克）。根據(jù)牛頓第三定律，作用力與反作用力大小相等，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)的的推力與升力相等，那么垂直起降時(shí)的推重比就得大于1才能垂直起降，與推重比小于1的飛機(jī)的飛行相比，這種反作用力升力并不省力，耗能太多，不實(shí)用，因此很難推廣。

垂直起降復(fù)合飛行器集合了傳統(tǒng)兩種飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，取長補(bǔ)短，是未來飛行器方面的主要研究方向，它將把無人機(jī)的安全系數(shù)提高一個(gè)檔次，將無人機(jī)工作效率提高數(shù)倍。

2應(yīng)用

2.1、物流運(yùn)輸方面：現(xiàn)在國內(nèi)快遞市場容量全球第一，并且以非常高的速度在發(fā)展。關(guān)于“最后一公里”的問題----中國的快遞行業(yè)是勞動(dòng)密集型行業(yè)，服務(wù)人員的職業(yè)素養(yǎng)欠缺；且電子商務(wù)企業(yè)往往集中在大城市，而越來越多的訂單來自于中西部或者三四級中小城市，也使得快遞業(yè)面臨復(fù)雜局面。所以真正的問題在于連接網(wǎng)購的兩端，物流的發(fā)展困局解決應(yīng)該在分貨和最終幾公里的配送上面，也就是從配送中心到用戶手里的過程，這個(gè)環(huán)節(jié)現(xiàn)有的物流公司不好解決。，但總體的趨勢是明確的。即：科技化、自動(dòng)化、綠色化。目前，農(nóng)村快遞可行的一大關(guān)鍵問題是，如何降低遠(yuǎn)離倉儲(chǔ)空間的偏遠(yuǎn)地區(qū)的快遞成本？一些地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施差，以劃算的價(jià)格抵達(dá)這些地點(diǎn)幾乎不可能。而無人機(jī)能改變這一切，在路修好前把貨物送達(dá)。無人機(jī)團(tuán)隊(duì)在兩地之間規(guī)劃了一條固定的航線，避開了學(xué)校、居民區(qū)等人員密集的場所，并且全程通過GPS進(jìn)行定位和監(jiān)控。無人機(jī)配送模式，并非真正通過無人機(jī)把快遞直接送到村民的家里，而是會(huì)首先配送到各個(gè)村的“鄉(xiāng)村推廣員”手上，再由他們送到村民手中。

2.2、軍用方面。飛行器可在數(shù)米至數(shù)百米的空中貼近目標(biāo)執(zhí)行偵查任務(wù)，尤其是在地勢險(xiǎn)要或者人員無法到達(dá)的地區(qū)，四軸飛行模式輕松地解決復(fù)雜地形問題，能把偵查到的信息傳送回來；兩種模式都可以用來作為攻擊性武器，用于摧毀敵方雷達(dá)等電子設(shè)備，也可攜帶武器執(zhí)行攻擊； 未來，復(fù)合四旋翼在解決一些相關(guān)問題之后在艦載使用方面很有潛力。

2.3、救援方面。向偏遠(yuǎn)地區(qū)提供醫(yī)療物資，搜尋災(zāi)難的幸存者。 另外在科學(xué)研究方面，復(fù)合飛行器的設(shè)計(jì)和研制包含了多種學(xué)科高、精、尖技術(shù)，涉及一系列綜合性科學(xué)問題，如：空氣動(dòng)力學(xué)，MEMS技術(shù)，動(dòng)力能源，圖像處理和通信技術(shù)等等。

參考文獻(xiàn)：

[1]張嘯遲.旋翼固定翼復(fù)合式垂直起降飛行器概念設(shè)計(jì)研究【J】.航空學(xué)報(bào).2015-12-4

[2]何小九.國外垂直起降無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)【J】.飛航導(dǎo)彈.2016-6-15

[3]劉凱.垂直起降飛行器的發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢分析【J】.航空工程進(jìn)展2015-5-28

[4]萬德旺.四旋翼垂直起降機(jī)控制問題的研究【D】.哈爾濱工業(yè)大學(xué)

[5]Magnetorheological finishing of low-gradient curved surfaces based on four-axis linkage technique 【D】. National University of Defense Technology

[6]Study on Disturbance Rejection of Four-axis Turntable in Coaxial Work Mode【D】. Harbin Institute of Technology