工業級垂直起降固定翼無人機總體布局及發展趨勢

沙永祥 錢凱

垂直起降固定翼無人機具有無需跑道、續航力強、安全性高、制造難度低等優點，正成為工業級無人機發展的新趨勢。本文從其總體布局的角度，闡述了該類型無人機的發展現狀，各種構型性能優缺點與差異，并對未來行業技術發展趨勢做了系統分析。

隨著軍民融合戰略的推進，近年來工業級無人機在民用領域獲得了突飛猛進的發展，被廣泛應用于農業、商業、能源和醫療等各個領域。工業級無人機按照構型大致可以分為三類：無人直升機、多旋翼無人機、固定翼無人機。無人直升機在載重、續航等指標上有著突出的優勢，但其動力和操縱都來自旋翼，機構異常復雜，導致成本高，可靠性低，限制了無人直升機的推廣;多旋翼無人機興起于消費級領域，其構型簡單，零部件成品化高，技術門檻相對較低，但航時和航程短的缺點極大地限制了其應用場景;固定翼飛行器具備效率高、速度快、航時長、航程遠、可靠性高等優點，但其對起降條件要求高，且輔助保障設備多，部署時間長。

垂直起降固定翼無人機作為近年工業級無人機的新興事物，融合了多旋翼無人機和固定翼無人機的特點，具有無需跑道，續航力強，安全性高，制造難度低等優點，正成為工業級無人機發展的新趨勢。

工業級垂直起降固定翼無人機總體布局

從總體布局形式來看，垂直起降固定翼無人機主要有以下幾類：尾座式、傾轉動力式（包括傾轉旋翼式、傾轉涵道風扇式、傾轉機翼式）以及復合式。

尾座式

尾座式垂直起降固定翼無人機兼具多旋翼無人機和固定翼無人機的優點。在機尾安裝有起降支架，垂直起飛時機尾坐地機頭向上，達到一定高度后轉入平飛，降落時先調整姿態使機頭向上，隨后進行垂直降落。這種起降方式的優點是結構簡單、系統廢重少、效率高，但其控制系統開發難度較高，在垂直起降期間抗風性能較低，且其尾座式的特點在一定程度上降低了總體布局的靈活性。

“V-BAT”是MartinUAV公司設計的先進垂直起降固定翼無人機。其機尾安裝的涵道風扇使無人機可以直立起降，并通過涵道風扇中安裝的舵面進行直立起降飛行的三軸姿態控制，在爬升到一定高度后再轉換成水平飛行模式。根據資料顯示，“V-BAT”能夠在移動的卡車上自主著陸，可靠性強，安全性好。此外，高效率、高航程、高航時等優異的性能特點使“V-BAT”贏得了美國陸軍的青睞。

“X-Hawk”尾座式無人機

“X-Hawk”是四川傲勢科技有限公司推出的一種純電動尾座式垂直起降固定翼無人機。其垂直起降階段采用四旋翼作為動力來源，并通過四旋翼的控制方法進行姿態控制，在轉平飛后，通過對螺旋槳進行變距的形式，實現不同巡航速度下的高效飛行。 此外，“X-Hawk”可實現完全自主飛行。它可在使用者設定任務后，自主設計航線飛行，同時也可切換手動飛行或指令飛行模式，具有失控返航、一鍵返航、低電量返航、斷鏈路返航、可設置的虛擬圍欄等高級功能，系統可靠性較高。

傾轉動力式

傾轉動力飛行器的概念最早由美國貝爾公司提出，無人機起飛時推力向上，轉入水平飛行時利用傾轉機構使推力向前，作為前飛動力。由機翼承擔部分或全部升力。傾轉動力式無人機推力方向變化都需要傾轉機構，這樣必然會存在機構可靠性與費重問題，并且垂直轉平飛過渡階段穩定性差的問題也對智能飛控技術提出了新的挑戰。傾轉動力式垂直起降固定翼飛行器包括傾轉旋翼式、傾轉涵道風扇式以及傾轉機翼式。

傾轉旋翼

“Quantum TRON90”是由德國慕尼黑Quantum System公司研制的一款純電驅動傾轉旋翼式垂直起降無人機。起降時采用四旋翼模式，提供向上的拉力;平飛時，前兩部旋翼水平傾轉提供前飛動力，后兩部旋翼向后傾轉以減小飛行阻力。根據其官方資料，該機采用模塊化設計，能快速有效的適應不同應用場景。目前該機已成功應用于電力巡檢、航空測繪、農業監視等領域。此外，Quantum System公司還推出了三旋翼布局傾轉旋翼無人機。

傾轉涵道風扇

德國空中出租車公司Lilium推出了一款私人“百合號（Lilium）”傾轉涵道風扇飛行器，該機采用純電力驅動，垂直起降，配備可收放起落架。

百合噴氣的兩座版已于2017年4月首飛，該機使用36個傾轉涵道電動風扇發動機（主翼24個，鴨翼12個）進行驅動，重量約600kg，最大商載200kg，最大飛行時速可達300km/h，單次充電航行距離達300km。起飛時風扇偏轉指向下方，水平飛行時風扇水平指向前方，提供前飛動力。該無人機采用Lilium航空公司的“超冗余”概念，從安全性出發，任何一個組件的故障都不會影響正常飛行著陸。

傾轉機翼

美國國家航空航天局（NASA）最近研發了一款傾轉機翼垂直起降無人機，簡稱“GL-10”。NASA的工程師于2017年測試了這款無人機的縮比驗證機，其翼展為3.05m，機翼上有8個電機，尾部有兩個電機，起飛時最大重量為28.1kg。

全尺寸版本將采用電力/柴油混合驅動螺旋槳。起飛時，機翼平尾處于傾轉狀態，螺旋槳推力方向向上，垂直起飛，一定高度后，機翼平尾再傾轉到水平位置，螺旋槳推力向前，類似固定翼一樣飛行，起飛降落均無需一些額外的地面輔助起降裝置。此外，“GL-10”螺旋槳槳尖速度設計較低，顯著降低了螺旋槳的噪聲。

“雷擊（LightningStrike）”

“雷擊”無人機是美國極光公司為美國國防高級研究計劃局（DARPA）的“垂直起降試驗飛機”（VTOL X-Plane）項目研制的一款傾轉機翼垂直起降飛機。其正式代號為XV-24A。由1臺羅羅公司的AE1107C渦軸發動機驅動，通過其驅動3臺霍尼韋爾公司的發電機來產生電力，并將電力分配至全機24個涵道式風扇上（2個鴨翼上各安裝3個，2個主機翼上則各安裝9個風扇），形成分布式混合電推進系統。

圖 6（a）所示為“雷擊”1/5等比例驗證機，全機重量為147.4kg，采用電力推進，配有54.4kg的鋰電池，能以185km/h的速度連續航行5min。

然而，子承包商霍尼韋爾公司在研發高性能1兆瓦級發電機時遇到了技術瓶頸，使項目在第二階段難以制造出全尺寸原型機。目前美國防部國防高級研究計劃局（DARPA）決定取消項目第三階段研發和相關飛行試驗。

復合式

復合式垂直起降固定翼無人機類似于在固定翼的基礎上加裝一套垂直起降動力系統，通過兩套動力分別實現起降和平飛。相對于其他垂直起降飛行器，復合式垂直起降無人機具有技術可實現性好、飛行可靠性高、生產成本較低等優點。早期復合式無人機由于電機技術不成熟，巡航無效重量較大，但隨著高功重比無刷電機的出現，配合良好的氣動外形設計，復合式無人機也能達到極高的飛行性能。

“X-Swift”復合式無人機

“X-Swift”是四川傲勢科技有限公司研發生產的一款純電驅動垂直起降固定翼無人機，該機采用四旋翼與固定翼復合式布局，通過四旋翼模式進行垂直起降，固定翼模式進行平飛。

“X-Swift”具備高可靠性（平均故障時間為50h）、高便捷維護性（可更換相應部件）、高安全性（防插錯設計、防動力系統非指令性啟動）以及載荷互換性（可配備光電吊艙、正射像機、傾斜相機、喊話器等載荷），具備全自主飛行能力，能夠通過模塊化的多構型配置，為航空測繪、線路巡查、偵查監視等工業級用戶提供專業解決方案。

“X-Chimera”復合式無人機

“X-Chimera”是四川傲勢科技有限公司推出的一款純電動高任務性能的垂直起降固定翼無人機。該機于2018年成功實現首飛。

“X-Chimera”無人機采用了前沿的翼身融合氣動設計技術，實現了該機優異的氣動性能，機身采用航空鈦合金、鎂合金材料讓該機輕盈堅固，可靠性更高。此外，模塊化設計其可智能識別多種載荷設備，僅需簡單更換，便能持續完成不同任務。據介紹，“X-Chimera”具備很強的環境適應能力，滿足小雨、高海拔、高低溫、強側風、鹽霧、沙塵、復雜地形、復雜電磁環境等場景下的飛行應用。在系統部署方面，全套無人機系統可由一輛SUV攜行，兩人10min內無工具完成全系統展開、飛前準備或拆收工作，極具靈活性。

綜上所述，從垂直起降固定翼無人機總體布局形式來看，尾座式無人機控制難度高，起降期間抗風性能差，可靠性偏低，導致其并未得到大規模的應用;傾轉動力式無人機具備航程遠，航速高等特點，并且隨著分布式電推進技術以及智能控制技術的成熟，傾轉動力無人機將會具有廣闊的應用前景;復合式垂直起降無人機具有技術可實現性好、飛行可靠性高、生產成本較低等優點，在民用領域比如航拍測繪、電力巡檢、公共安全、交通城管等行業將發揮重要的作用。

發展趨勢

任務載荷多樣化、模塊化、互換性

工業級無人機任務載荷多種多樣，包括多拼相機、光電球、喊話器、滅火彈等等。載荷的多樣性決定了無人機從設計之初就必須考慮其載荷的模塊化及互換性。當無人機執行不同任務或者升級相關設備時，能夠迅速更換其任務載荷，以更好滿足特定任務需求，適應不同行業應用。

高環境適應性

隨著用途越來越多樣化，未來無人機需要具備在任何嚴苛的環境條件下可靠工作的能力。例如，在艦船起降時需要面臨風力、洋流和船舶本身的運動等復雜環境，這對無人機機載智能控制系統的穩定性和魯棒性提出了更高的要求。

純電驅動、分布式電推進

對于工業級無人機的動力推進方式，業界普遍認為零排放、高效率、低噪聲的純電推進驅動將會是垂直起降固定翼無人機主流發展方向。分布式電推進采用電力驅動多個分布于機翼、機身或尾翼的電機，并由電機驅動螺旋槳、涵道風扇等動力裝置提供全部推力。分布式電推進系統動力分散布置，控制更為靈活，容錯性能更好，系統冗余度高。另外，小風扇能夠更為方便地融入機身，利于氣流附著翼面，使得氣動效率更高，有助于改善飛行性能。

感知與避讓

感知和避讓技術是防止無人機與其它飛行器相撞的重要技術保障。利用無人機攜帶的設備探測感知周圍環境、在當前態勢感知的基礎上判斷是否存在飛行沖突、重新規劃航跡規避沖突是感知與規避的三大關鍵技術。與有人機相比，無人機感知規避技術還不夠成熟，尚不具備多機、三維尺度下的感知與規避能力，而且感知、判斷、規避任何一個環節出現信號傳輸延遲都將直接影響規避結果，感知與規避的可靠性、魯棒性也需進一步提高。

自主性與智能化

未來無人機將不僅僅是一個飛行載體，被動完成飛行任務，而是向單機智能飛行、多機智能協同、任務自主智能等方向發展，具備主動感知、自主判斷、采集數據、智能學習和協同作業等各項能力。同時，與AR、VR設備的結合，對無人機的飛行和操控也將帶來全新的體驗。

結論

縱觀國內外無人機研究成果及其應用領域，垂直起降固定翼無人機正成為工業級無人機發展的新趨勢。從總體布局來看，傾轉動力式以及復合式將具有更廣泛的應用前景;從推進動力來看，業界普遍認為零排放高效率低噪聲的電推進方式將是未來的主流發展方向;從載荷形式來看，任務載荷多樣化、模塊化、互換性等特點能更好滿足特定任務需求，適應不同行業應用;從飛機性能來看，高環境適應性、先進態勢感知技術、自主性與智能化等關鍵技術也將是工業級垂直起降固定翼無人機發展的重要方向。