開拓創新的電動無人機

林一平

電動無人機是當前無人機發展的一大方向，有其產生的背景，也有其發展的多樣性。發展不同構型的電動無人機，設計需要開拓、創新，但仍然離不開學科交叉、技術融合、巧思和優化。

電動技術符合綠色環保、節能要求，具有旋翼結構的無人機則滿足大載荷及重載、多用途、起降靈活的實際需要。這兩大技術集成融合不僅優勢互補，而且開拓創新。

電動技術背景

人類研制電動無人機的理想久遠，但目前技術有局限性，量產電機的功率普遍偏小，電池的功率密度偏低，還無法在短期內直接將單電機作為大中型無人機的動力，發展電動無人機面臨如下三種選擇。

一是放棄發展，認為沒有實際的使用價值，沒有必要去研制；

二是等待大功率電機供貨，高功率密度電池技術過關，這樣需要付出長時間研制和持續大投資的代價；

三是堅持發展。抓住發展機遇，爭取時間，從小機型著手，邊干邊完善，實現可持續發展。而需要承擔的是，短時間的付出和小投資的代價。另一方面，在不斷使用中促進大功率電機、高功率密度電池的研發。

令人滿意的是，絕大多數國家和團隊選擇了第三種做法，堅持發展，并且經過數年努力已研制出不同構型的電動無人機。

基本類型

電動無人機從構型上可分為多旋翼式、涵道風扇式、傾轉旋翼式、復合翼式及其他類型。其中，涵道風扇式又可分為多涵道風扇式、涵道風扇分體式，其他類型如扇翼+X式等。這些電動無人機的共同特點是應用了分布式組合動力設計。

目前具有雙旋翼、三旋翼、四旋翼、五旋翼、六旋翼、八旋翼等不同構型的電動無人機，極大豐富了無人機的構型設計和應用，不斷滿足市場和用戶的需求，并拓寬了這些新科技產品在多個領域的創新應用。

雙傾轉旋翼復合式無人機

無人機采用三發上單翼、垂直尾翼配短艙式機身總體布局見圖1。雙傾轉旋翼和一個涵道風扇形成“兩前一后”的動力配置，即雙發雙傾轉旋翼安裝在翼尖，另有一個涵道風扇安裝在后機身上方，由此組成三點動力平衡面，能很好控制重心位移，保障無人機完成垂直起降。而且此處的雙傾轉旋翼也非固定式，其電機能伴隨轉動機構的變動在0～90°范圍內傾轉并鎖定位置，巡航時雙傾轉旋翼處于水平前飛狀態。機翼上的2臺電機實際起到4臺固定式小型電機的作用，在技術上是個進步。既簡化了結構，又減小了氣動阻力，還減輕了無人機重量。美中不足的是，由于后機身采用了涵道風扇結構，電機只能驅動旋翼水平旋轉，飛行中會增加氣動阻力，削弱平尾的效能，有待設法改進。

圖1 雙傾轉旋翼復合式無人機布局設計。

三旋翼復合式無人機

無人機采用三發上單翼、V型尾翼配短艙式機身總體布局見圖2。三副旋翼形成“兩前一后”的布局，即雙發雙旋翼安裝在機翼前緣，另有一發和一副旋翼安裝在后機身上方，由此組成三點動力平衡面，能很好控制重心位移，同樣能保障無人機完成垂直起降。而且此處的雙旋翼也非固定式，其電機能伴隨轉動機構的變動在0～90°范圍內傾轉并鎖定位置，巡航時旋翼隨電機傾轉到水平位置，處于水平前飛狀態。機翼上的2臺電機實際起到常規狀態下4臺固定式電機的作用，即2臺電機驅動旋翼轉動提供水平前飛的升力，另外1臺電機驅動旋翼全程提供升力，技術上既簡化了結構，又減小了氣動阻力，還減輕了無人機重量。美中不足的是，后機身安裝的電機由于結構原因，旋翼只能處于水平狀態，飛行中會增加氣動阻力，削弱尾翼的效能，有待設法改進。

圖2 三旋翼復合式無人機。

四旋翼無人機

無人機機身具有四根旋翼桿，安裝4臺電機驅動四副旋翼旋轉提供升力，以外形簡潔、結構簡單、對稱性佳、通用性好、容易操控、維修方便為特征。也是最典型、擁有數量最多、使用最廣泛的無人機構型見圖3。作為空中平臺，廣泛應用在空中目標搜尋、航拍、快遞、交通監管、電力巡線、農業植保及播種、科普教學等諸多領域。其優點是整體性好，結構重量輕、機身下方可搭載多種任務載荷，便于控制重心位移，確保飛行平穩，并能夠垂直起降。

圖3 典型四旋翼無人機。

四旋翼一槳復合式無人機

無人機采用四副旋翼、雙尾撐門框型尾翼布局見圖4，即含有四副旋翼和一副螺旋槳。其中，四副兩葉旋翼為無人機垂直起降提供升力，機身尾艙的三葉螺旋槳提供水平飛行的升力。雙尾撐采用碳纖維復合材料桿嵌入機翼結構，保證前、后、左、右的對稱性。該機翼略帶后掠角含翼梢小翼，以減小誘導阻力改善巡航性能。被抬高的門框型尾翼具有下反角，很好地提供螺旋槳滑流通道，減小機翼、機身洗流的不利影響，則以最小結構重量取得俯仰及航向操縱性和穩定性。

圖4 四旋翼一槳復合式無人機。

四旋翼復合式無人機

四旋翼復合式無人機將電動垂直起降和水平推進的功能合二為一。其雙碳纖維復合材料旋翼桿被插入機身的前部和中部，采取上單翼和V型尾翼總體布局見圖5。該機注重長航時飛行，依靠張臂式大展弦比機翼產生的高升阻比獲得優良的空氣動力性能，完善巡航性能，提高經濟性。且電機可以驅動旋翼在90°范圍內傾轉，完成垂直起降和水平前飛。該機張臂式上單翼采用斜撐結構，幫助增加強度并減重。后三點起落架的兩個主輪靠近機頭下方，機尾使用斜桿架，起到共同保護旋翼不觸地免遭損壞。

圖5 四旋翼復合式無人機。

圖6中同樣帶有四副旋翼的無人機，其雙碳纖維復合材料桿則被左右對稱地嵌入機翼中段。按照一切就簡原則，該無人機采用滑橇式起落架，V型尾翼配尾鰭布局，除提供方向穩定功能外，還增添了著陸時的支撐點，起到一物多用的作用。

圖6 四旋翼復合式無人機。

六旋翼復合式無人機

無人機采用四發雙涵道風扇、雙旋翼、下單翼、雙垂直尾翼配短艙式機身總體布局見圖7。雙碳纖維復合材料桿組成雙尾撐結構，與四副旋翼形成“兩前兩后”的布局，即四發四旋翼分別安裝在機翼前后方，另有一對涵道風扇安裝在機翼兩側的翼尖處，由此組成六點動力平衡面，能很好控制重心位移，保障無人機完成垂直起降。而且位于機翼前緣的雙旋翼也非固定式，其電機能伴隨機構的變動在0～90°范圍內傾轉并鎖定位置，巡航時傾轉旋翼提供水平前飛升力。下單翼既作為該型無人機的主要升力部件，又作為連接機身、雙尾撐、雙涵道風扇、雙托架的重要構件，被高抬的上層機翼具備上單翼的功能，能提供附加升力，雙垂直尾翼則提供方向操控與穩定，水平尾翼則提供俯仰操縱與穩定。短艙式機身則適合任務載荷方便進出無人機貨艙。

圖7 六旋翼復合式無人機。

該無人機與其他構型無人機相比，總體布局顯得較繁瑣，會增加飛行時的氣動阻力和干擾阻力，也會增加結構重量，導致電動系統復雜化，增加飛控系統負擔，同樣有待簡化結構與系統，并具體落實多方面的改進。

八旋翼無人機

研制多旋翼無人機的初衷并不是追求配置的電機或旋翼數量越多越好，而是迫于無奈。一個現實難題是隨著任務載荷增加，無人機原有功率不夠，動力不足。并且，由于大電機重量過重，耗電量亦大，于是最簡單的辦法就只能增加電機或旋翼數量，但要考慮如何布置電機和旋翼來滿足需要。

典型四旋翼無人機大眾都非常熟悉，倘若將四根旋翼桿延長，每根中間再增加1個機座，那么總計可以設置八臺小電機和八副旋翼見圖8，八旋翼無人機就此誕生。不僅起飛重量增加，而且任務載荷重量也同時增加，飛行性能得到提升。

圖8 電動八旋翼無人機。

上海交通大學師生曾研制出十六旋翼電動無人機，機身采用碳纖維復合材料，配置高性能鋰電池，既能垂直起降，又能空中懸停，飛行速度50km/h，實用升限1000m。

電動無人機已經成為當前乃至今后無人機發展的一大方向，構型琳瑯滿目，極大豐富了無人機科學的內涵，促進了無人機技術進步，正不斷結出碩果。