大載重復合翼無人機主要機型特點及優化分析

摘要：目前復合翼無人機的技術比較成熟，發展迅速，產品種類多，但大多載重能力比較小，使用范圍有限。為提高其適用性，對具備大載重能力的復合翼無人機優化研發顯得尤為重要。本文介紹了大載重復合翼無人機的發展現狀，以國內外幾款重要機型為例，分析了其大載重能力、長續航力和廣泛的環境適應性等優點，進一步給出了飛行速度較慢、維護和使用復雜性較高等現有主要缺點，并提出相應的優化方向。

關鍵詞：復合翼無人機；大載重；長航時；垂直起降

中圖分類號：TB"""""""文獻標識碼：A""""""doi：10.19311/j.cnki.16723198.2025.12.077

1"大載重復合翼無人機主要機型特點

1.1"國外現有主要機型特點

上世紀90年代為滿足美國海軍陸戰隊在城市環境中的偵察要求而設計了一款Dragon"Warrior無人機[1]，Dragon"Warrior無人機采用涵道風扇設計，由兩個四槳葉同軸旋翼組成，這種設計在懸停模式下能產生足夠的升力。Dragon"Warrior無人機在環形機身上連接了常規機翼。這些機翼與飛機尾部第二個較小的涵道風扇一起用于向前推進。Dragon"Warrior無人機的翼展2.6米，最大總重量為100千克，可載重20.4千克，最高速度可達231.5千米/小時，可續航3～5小時。

德國和瑞士在2016年推出一款TU-150戰術多用途無人機[2]，該機兩側翼尖各裝配一副三葉旋翼來提供垂直升力，使其在旋翼模式下具有直升飛行能力，而在固定翼模式下，將旋翼停止，靠機翼升力平衡重力，由機身末端電機驅動的推進螺旋槳提供前進推力。該機裝配一臺噴氣發動機和一套發電機組為旋翼和螺旋槳提供電力，翼展達7.9米，其最大起飛質量約為140千克，最大任務載荷質量約為25千克，最大速度為222公里每小時，續航時間約為8小時。

斯洛文尼亞蝙蝠飛機公司2021年開發了一款Nuuva"V300無人機[3]，該機是一種長航程、大載荷、自主飛行無人機，使用八臺由電池驅動的Pipistrel電機，實現垂直起降，使用一臺FADEC發動機驅動后推電機實現平飛。V300總長度11.3米、翼展13.2米，在滿油情況下續航時間可達12個小時，其最大起飛總量為1700千克，載重可達300千克，最大飛行速度為220公里每小時。

1.2"國內現有主要機型特點

我國的縱橫自動化技術有限公司在國內率先進行復合翼垂直起降無人機的研發，并推出了一系列四旋翼垂直起降無人機，CW-100是其中一款油電混合中型無人機平臺[4]，具備4個旋翼電機和一個油動發動機，最大起飛重量為105千克，有效載荷可達20千克。該機翼展為5.4米，最大飛行速度為144公里每小時，負載續航可達4—8小時。

上海峰飛航空2019年推出一款V400信天翁大載重長航時垂直起降無人機[5]，該機機身長度6.67米、高度1.11米，機翼翼展9米，具有"8"升"2"推多冗余控制系統，最大起飛重量"400"千克，最大載荷可達100"千克，航程可達1000千米。

煙臺壹通無人機系統有限公司2024年成功研制了一款大型無人運輸機"TR100[6]，該無人機是一款"600"千克級大型垂直起降固定翼無人機，采用主流復合翼布局，電混動力系統，具有6個垂起電機和一臺后推發動機，載重"150"千克，具有長航時、適應性強的特點，可用于支線到末端貨物轉運及配送。

2"大載重復合翼無人機優缺點分析

2.1"優勢分析

2.1.1"載重能力強

這些無人機的顯著特點是它們的大載重能力。無論是Dragon"Warrior的20.4千克、TU-150的25千克、Nuuva"V300的300千克、CW-100的20千克、V400信天翁的100千克、還是TR100的150千克，它們都遠超一般復合翼無人機的載重能力。

這類復合翼無人機的機身往往比較大，具備較寬的翼展，比如TU-150翼展為7.9米，Nuuva"V300無人機的翼展甚至達13.2米，較大的翼展可以分散和支撐更多的重量。這些設計有助于提升飛機的穩定性和承載能力，使其在保持空氣動力學平衡的情況下攜帶較大重量。另一方面這類復合翼無人機通常配備功率足夠大的電機和適合無人機尺寸和功率的螺旋槳，以提供更大的升力。比如Dragon"Warrior無人機為提高升力而使用了涵道風扇設計；TU-150無人機采用了尺寸較大的三葉旋翼；Nuuva"V300無人機采用了8個垂起電機提供升力。

2.1.2"續航能力長

續航能力長也是這類無人機的一個重要特點，Dragon"Warrior可續航3～5小時，TU-150約為8小時，Nuuva"V300在滿油情況下可達12個小時，CW-100的負載續航可達4～8小時，V400的航程更是可達1000千米。長航時飛行能力使得這些無人機能夠執行更長時間的任務，提高了任務執行的靈活性和效率。

續航能力長的一個主要原因是采用了油電混合的動力形式，復合翼無人機只在起飛和降落時采用電動形式，而巡航階段采用油動形式。巡航階段無人機對飛行姿態和震動沒有太高的要求，而燃油的能量密度遠高于電池，油動發動機能夠在長時間巡航中提供持續的動力。與電池相比，燃油發動機攜帶的燃料在續航方面更具優勢，因此更適合長距離飛行任務。為了進一步增強續航能力，Dragon"Warrior和Nuuva"V300無人機甚至采用了重油發動機。

2.1.3"環境適應性好

美國海軍陸戰隊將Dragon"Warrior無人機用在了城市環境中的偵察任務上，TU-150無人機被用作戰術多用途無人機，CW-100無人機被廣泛應用于測繪地理信息、巡檢、安防監控、應急等領域的多種應用場景上，這是固定翼和多旋翼無人機無法完成的，究其原因是復合翼無人機的環境適應能力較強。

復合翼無人機具備旋翼功能，能夠實現垂直起降（VTOL），不需要跑道，適合在復雜或狹窄的場地起降。這使它特別適用于山區、海上或其他難以部署傳統跑道的場地，極大擴展了任務環境的適應性。復合翼無人機具備懸停能力，使得它能夠在特定位置進行長時間觀察和監測，為各種任務提供了便利。

另外由于兼具旋翼懸停和固定翼巡航能力，復合翼無人機既能進行穩定的低速飛行和懸停偵察，也能切換到高效的固定翼巡航模式，在同一飛行中兼顧不同飛行需求，適用于偵察、監測、救援等多種任務場景。

2.2"缺點分析

2.2.1"飛行速度相對較慢

長航時大載重復合翼無人機的飛行速度相較于固定翼無人機比較慢，Dragon"Warrior無人機是幾款中速度中最快的，其最高速度才為2315千米每小時，而美國全球鷹無人機的最大速度可達740千米每小時，捕食者B的最大速度可達444千米每小時，中國的翼龍-2無人機最大飛行速度也可達370千米每小時。

復合翼無人機設計為兼具固定翼和旋翼的特點，以支持垂直起降和巡航飛行。這種復合結構帶來了額外的空氣阻力，降低了氣動效率，不利于高速飛行。尤其是旋翼在高速飛行時會產生較大阻力，限制了飛行速度。復合翼無人機的翼型和旋翼結構更注重提升升力而非推力。這種設計在低速飛行中有優勢，但在高速飛行時會顯著增加空氣阻力，導致速度受限。為實現多功能飛行，復合翼無人機的結構通常更復雜，帶有額外的機翼、旋翼和冗余設備，這些部件增加了機體重量，影響了加速性能，較重的機體需要更大的推力才能提升速度。

2.2.2"自重問題仍然明顯

復合翼無人機的“自重”問題主要指其結構中存在的無效載重，即在飛行中某些部件不同時發揮作用，從而增加了重量和能量消耗。

復合翼無人機集成了多旋翼和固定翼的功能，需要安裝多旋翼的電機和螺旋槳，同時還要配備固定翼的機翼和尾翼。這導致了結構上冗余，增加了飛機的整體重量。

復合翼無人機的結構相對復雜，需要設計合理的轉換機構來實現旋翼和固定翼之間的切換。這些轉換機構增加了無人機的重量和復雜性。

在多旋翼模式下，固定翼部分通常不參與升力的提供；而在固定翼巡航階段，多旋翼的電機和螺旋槳則基本閑置，成為無效的載荷。這種階段性“自重”使得整機有效載重比例降低。比如TU-150戰術多用途無人機具有兩個較大的旋翼，在起降階段可以提供比較大的升力，但在巡航階段卻成為負擔，其他無人機的多個旋翼會帶來更大的負擔。

2.2.3"造價和維護成本高

大載重復合翼無人機的設計需要配備固定翼、旋翼、多個電機或發動機以及復雜的控制系統。這種多功能的集成帶來顯著的制造和裝配成本。

為實現平穩切換和精確控制，復合翼無人機通常需要先進的飛控系統來管理固定翼和多旋翼模式的轉換。這涉及高精度的傳感器、更多的控制器及專用的軟件算法。這些精密設備和算法研發增加了設計、調試和生產的成本。

另一方面為了加強整體結構，減輕機體重量，大載重復合翼無人機在材料選擇上可能更傾向于輕量高強度的復合材料，進一步推高了材料成本。

由于復合翼設計涉及多旋翼、電機、發動機等多種動力系統組合，結構復雜，對機體、電子系統和動力系統的維護要求較高。這種復雜性增加了維護成本，且在高強度使用中容易出現故障，需要頻繁檢查和保養。

3"優化分析

針對大載重多旋翼無人機的主要缺點，應從以下幾個方面進行優化。

3.1"優化無人機的氣動布局和重量

深入研究無人機的空氣動力學性能，通過建立精確的三維幾何模型和仿真平臺，優化其機翼、機身及尾翼的氣動布局，減少突出的旋翼支架，將旋翼設計為折疊或收起形式，通過減少空氣阻力和提高升力系數，使無人機的飛行速度得到提高。對于大載重飛行任務，特別關注機體結構的輕量化設計，使用高強度、輕質復合材料（如碳纖維、鈦合金等）來減輕整體重量，但同時確保機體的結構強度和抗疲勞性能，將動力裝置進行集成化設計，減少零部件數量和重量，以進一步減輕無人機的自重問題。

3.2"開發高效推進系統

為了進一步提升無人機的載重和續航能力，需要開發高效的推進系統，包括電動、燃油推進系統或混合動力推進系統。對推進系統的推力-功率比進行優化、電池能量密度進行提升、燃油效率進行提高等。針對電動推進系統，應重點關注高能量密度的電池系統選配及其散熱管理上，以延長續航時間并確保安全性；對于燃油推進系統，則需要通過改進發動機的燃燒效率、降低能源消耗，實現更大載重和更長航時的飛行。

3.3"降低使用和維護成本

第一，通過模塊化設計，將不同的飛行模式組件（如旋翼、電機、固定翼等）分解成可替換的模塊。這樣在維護時，只需更換或修理受損模塊，無須對整個無人機進行復雜的檢修。模塊化設計還可以允許更靈活的配置，根據任務需求增減不同模塊，從而降低制造成本。

第二，針對固定翼和多旋翼組合部分的關鍵結構，選用更耐用的材料，如碳纖維或高強度塑料，以延長部件壽命、減少維修頻率。

第三，建立嚴格的定期維護和預防性保養計劃，避免小問題累積成大故障，通過有規律的檢修來保持無人機的健康狀態。

參考文獻

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[4]谷火平觀察.中國之翼，守護美好世界丨縱橫股份CW100二代衛通版發布[EB/OL].（2022119）[20241111].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1748990913137251916amp;wfr=spideramp;for=pcl.

[5]前沿崗哨.高原后勤補給神器：中國大型垂直起降無人機亮相，續航1000公里[EB/OL].（20200914）"[20241111]."https：//baijiahao.baidu.com/s？id="1677790376323618363.html.

[6]齊魯壹點.一飛沖天！“煙臺造”TR100大型垂直起降無人運輸機首飛成功.[EB/OL].（20240130）[20241111].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1789514401762498631.html.