垂直起降固定翼無人機的市場應用與展望

王健

一、背景介紹

近年來，隨著無人機相關技術的日益成熟與行業應用領域的不斷拓展，無人機產業規模呈現持續穩定增長的態勢，并且廣泛服務于民用、軍事等多個領域。

統計資料顯示，截至2021年6月底，我國無人機的注冊量已突破64萬臺，比去年同期高出了52%，操作人員超過10萬。全國共有無人機通用航空企業1.14萬家，運營商用無人駕駛航空器超過14萬架，同比分別增長38.6%和26.7%。根據2019年的資料，我國工業無人機整機市場規模（按訂單統計）為50.62億元（不包含無人機服務市場規模），其中垂直起降固定翼無人機整機市場規模為5.12億元，占無人機整機市場規模比例為10.12%。面對廣闊的市場前景和相對較小的市場份額，垂直起降固定翼無人機仍然有很大的發展空間。

垂直起降（vertical takeoff and landing ，VOTL）固定翼無人機是以直升機方式垂直起降，并能以固定翼方式前飛的無人飛行器。該種無人機一般在兩側機翼中部的前后方各設置一個定距螺旋槳，提供垂直起降所用升力，機身頭部或尾部設置一個推進螺旋槳，提供平飛巡航階段的推力。在平飛階段，機翼位置的四個螺旋槳將停轉并固定在最小阻力位置，從而降低平飛階段的阻力。與多旋翼無人機相比，垂起固定翼無人機續航時間長，航程遠;和無人直升機相比，垂直起降無人機前飛速度快、航程遠，同時造價和飛控難度較低;與固定翼無人機相比，垂直起降無人機對跑道無依賴，能夠定點懸停。因此，這種兼具優秀懸停能力、長巡航速度與航程的無人機，在市場化應用方面蘊含著巨大需求。

二、主要應用

在目前的技術條件下，該型無人機主要應用于以下幾個方面。

（1）日常物資運輸

中國地域遼闊，地跨北溫帶、亞熱帶地區，有高原、平原、盆地、山區、島礁，地形復雜多變。在廣大的偏遠地區，由于道路通行條件較差，汽車成本較高，單純依靠人力運輸低效危險，在有河流、溝壑、海洋阻隔時更是無法開展運輸工作。因此，亟需一種方便、快捷并且效率較高的運輸工具，完成重要物資和對于時效性要求比較高的物資的運輸工作。垂直起降無人機充分利用了自身起降方便、對場地要求低的特點，利用空中運輸這一最有效、直接的運輸方式，克服地形、距離、時效的限制，完成運輸工作。

（2）重大突發事件和自然災害緊急響應

中國是一個自然災害高發的國家，在中國西南地區和山區，滑坡、泥石流等現象經常發生;在西北接沙漠和高原地區，多風沙風暴;在東南與西南邊境，由于處于環太平洋地震帶和西太平洋熱帶海域，地震與臺風災害頻發。重大自然災害給中國經濟社會的發展和人民的財產安全帶來了重大損失，實現快速響應和緊急救援就顯得尤為重要。

當地震、洪水、泥石流等災害發生時，地表情況相比之前會發生重大改變。特別是當通訊道路被阻，導致道路、信息等不暢時，會給之后的救災行動造成巨大影響。垂直起降無人機對起降場地要求低，行動靈活，可以有效開展救援和災后影像獲取任務。當災難發生，救援部隊難以直接接觸被困人員時，給被困人員投送水、食物、藥品等必要物資也十分重要。

（3）國土資源環境調查和測繪

中國是土地資源大國，土地資源總量位于世界第三位，僅次于俄羅斯和加拿大，但同時又是人均占有資源量最小的國家之一，這一基本國情迫切需要非常精細及時的土地管理。測繪無人機已常態化應用在土地確權、基礎測繪、土地資源調查監測、土地利用動態監測、數字城市建設、應急救災測繪等領域。垂直起降無人機除具有垂直起降功能外，還具有定點懸停能力，可以對地勢資源進行詳細的調查和測繪。

（4）警方執法和國家安全事業

隨著國際和周邊局勢的日趨復雜，對于沿海走私、邊境偷渡、重點地區安全防控等方面態勢感知的需求愈加迫切，使用無人機從空中進行實時情況的獲取往往是最為高效的一種方式。由于場地和資金的限制，在邊境、沿海、島礁、中小型艦艇上布置跑道供無人機起降往往難以實現。一般情況下，載重15kg的垂直起降無人機僅需要5m×5m的平整地面即可完成起降，不需要起降場地的支持，較好的契合了安全防控的需求。國內也已經有部分地區的緝私部門，使用垂直起降無人機完成了對走私快艇“大飛”的實時監測與追捕，取得了良好效果。

三、未來發展思考

雖然垂直起降無人機有以上種種優點，但相比較于其他空中運輸方式，它仍然存在一些亟待改進的缺點，需要技術的發展對其進行改進。

（1）氣動性能差，飛行效率低

垂直起降無人機在機翼兩側設置連桿并安置起降螺旋槳，在平飛過程中，連桿和起降螺旋槳面對空氣來流，無法產生有效的升力，反而會增加系統風阻，對氣動性能產生不利影響。同時，起降機械裝置和相關能源供應系統在無人機平飛過程中都會作為系統“死重”存在，大大減小了系統飛行效率。

（2）載荷重量小

該型無人機在起降過程中會受到側風的較大影響，為了保證過程的平穩安全，對于各螺旋槳的轉速需要快速和精準的調節。通過油機油門開度來調整轉速，其精度和反饋速度均無法達到使用要求。在此情況下，使用電機驅動螺旋槳、電調控制轉速、鋰電池為起降系統供電無疑是最合理的選擇。這些相關系統，特別是起降用鋰電池，將會大大侵占有效載荷重量。以不含燃油重量為45kg的垂直起降無人機為例，其起降螺旋槳、電機、電調和起降電池的總重量為15kg，載荷重量僅為8kg，起降相關裝置大大侵占了系統有效重量。

（3）控制難度高

垂直起降無人機在多旋翼狀態和固定翼狀態之間存在多次相互轉換，兩種模式之間控制頻率、控制結構、控制方案、執行機構和傳感器使用方式都不一樣，兩種控制結構切換過程中可能會產生抖振等影響控制系統穩定性的因素。因此需要專門的控制算法，對于兩種模式和模態轉換方式進行控制。

為了克服這些不足，在后續的技術發展和產品迭代過程中，垂直起降固定翼無人機正在向多元化的動力、智能化的系統、多樣化的布局以及合理化的尺寸等方向持續改進。燃料電池、液態燃料等新型能源的應用研究，進一步增強無人機的續航能力;計算芯片的高性能和小型化設計，遇到緊急情況可以快速解算，提高安全性;將旋翼與飛翼、聯合翼、環形翼面等布局方式相結合，進一步優化氣動布局，也能夠改進無人機飛行性能，節省燃油，提高巡航速度并增加續航時間。相信通過技術的發展以及相關市場的普及，垂直起降無人機必將在未來的航空市場中發揮愈加重要的作用。