工业级垂直起降固定翼无人机总体布局及发展趋势
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垂直起降固定翼无人机研究报告垂直起降固定翼无人机(Vertical Takeoff and Landing, VTOL)是一种具有垂直起降能力的固定翼无人机。
相比传统的固定翼无人机,垂直起降固定翼无人机具有更高的灵活性和多样性。
本文将对垂直起降固定翼无人机的研究进行探讨。
首先,垂直起降固定翼无人机的研究在军事领域有着广泛的应用。
由于其独特的起降方式,垂直起降固定翼无人机能够在狭小的空间内进行起降,比如在舰船上或者城市中心。
这使得垂直起降固定翼无人机成为一种重要的情报侦察和目标打击工具。
其次,垂直起降固定翼无人机的研究也在民用领域得到广泛应用。
例如,在无人货运方面,垂直起降固定翼无人机能够在城市中心等人口密集区域进行货运,减少了交通压力和环境污染。
此外,垂直起降固定翼无人机还可用于搜救、农业作业和航拍等领域,提供了更多的选择和解决方案。
垂直起降固定翼无人机的研究面临着一些挑战。
首先,由于垂直起降需要额外的动力和控制系统,这增加了无人机的复杂性和成本。
其次,垂直起降固定翼无人机在空中飞行时需要保持平衡,这对控制系统的精度和稳定性提出了更高的要求。
此外,垂直起降固定翼无人机的垂直起降能力通常意味着减少了飞行时间和有效载荷。
为了解决这些挑战,研究人员采取了许多措施。
首先,他们不断改进垂直起降系统,减少额外动力系统所占用的空间和重量。
其次,他们通过改进飞行控制算法和传感器技术来提高垂直起降固定翼无人机的飞行稳定性和精度。
此外,他们还在电池和动力系统上进行了大量研究,以提高垂直起降固定翼无人机的续航时间和有效载荷。
总而言之,垂直起降固定翼无人机是一种具有广泛应用潜力的无人机。
无论是在军事还是民用领域,垂直起降固定翼无人机都能够提供更高的灵活性和多样性。
尽管研究人员仍然面临一些挑战,但通过持续的研究和创新,垂直起降固定翼无人机有望在未来取得更多的突破。
垂直起降固定翼无人机研究报告垂直起降固定翼无人机是一种能够在垂直方向起降的固定翼飞行器。
它结合了直升机的垂直起降能力和固定翼飞机的长航程和高速飞行性能,具备了独特的优势。
本篇报告将就垂直起降固定翼无人机的技术原理、应用领域以及前景进行研究。
首先,垂直起降固定翼无人机的技术原理。
该飞行器通常由固定翼和垂直起降系统两部分组成。
固定翼部分主要负责飞行和巡航,通常使用常规的翼形和控制方式。
垂直起降系统通常由垂直升降发动机、倾转推力器或者其他垂直起降设备组成。
垂直起降无人机可以像直升机一样,从静止状态垂直起飞,并且具备固定翼飞机的远程巡航和高速飞行能力。
其次,垂直起降固定翼无人机的应用领域。
由于其独特的起降方式和多功能性,该类型无人机在军事、民用和商业领域都有广泛的应用前景。
在军事领域,垂直起降固定翼无人机可以用于侦察、监视、打击和后勤支援任务。
它们可以在短时间内从任何位置起飞,执行各种任务,并且能够在困难的地形和气候条件下操作。
在民用领域,垂直起降固定翼无人机可以用于物流运输、搜救、灾害监测和环境监测等任务。
在商业领域,垂直起降固定翼无人机可以用于快速递送、航拍摄像、物流配送等领域,具有巨大的市场潜力。
最后,垂直起降固定翼无人机的前景。
垂直起降固定翼无人机在航空领域中具有独特的优势,能够克服传统飞机和直升机的限制,具有更高的安全性和经济性。
随着无人机技术的不断发展和成熟,垂直起降固定翼无人机的性能将进一步提升,应用领域也会不断扩大。
尽管目前垂直起降固定翼无人机技术仍存在一些挑战,如飞行稳定性、垂直起降系统的可靠性和能源消耗等问题,但随着技术的不断进步和创新,这些问题将逐渐得到解决。
因此,垂直起降固定翼无人机有着广泛的发展前景。
综上所述,垂直起降固定翼无人机是一种具备垂直起降能力和固定翼飞行性能的飞行器。
它在各个领域都有广泛的应用前景,并且随着技术的发展和创新,其性能将进一步提升。
尽管目前还存在技术挑战,但相信这些问题将逐渐解决。
垂直起降无人机技术发展现状与展望发布时间:2021-04-06T13:07:40.657Z 来源:《科学与技术》2020年34期作者:于新艺马富东[导读] 通过将垂直起降技术和无人机技术相结合于新艺马富东中国人民解放军陆军航空兵学院北京 100000摘要:通过将垂直起降技术和无人机技术相结合,垂直起降无人机技术使我国在航空领域的发展有了全新的平台,垂直起降无人机技术既具备了直升机的悬停和垂直起降功能;又具备了固定翼飞机航程远的优势;不仅如此,垂直起降无人机也具备无人机的特点,在特殊任务要求下垂直起降,无人机技术将会发挥出卓越的作用。
对于垂直起降无人机技术的使用,能够采取的起降方案、飞行计划将是多种多样的。
本文将对垂直起降无人机技术的发展现状进行一定的分析,并在最后提出一个在未来发展上可以借鉴的飞行方案。
关键词:垂直起降无人机;控制设计;总体策略飞机的研发为人类在空中航行创造了全新的领域,不仅以极大的优势为人类交通提供了便捷,更在战场上发挥着至关重要的作用。
飞机具备良好的运行能力,特点是速度快、行程远,但是飞机的起降又必须依赖跑道,因此在一些特殊场地上飞机的使用受到了限制。
对此,垂直起降飞行器也就是直升机应运而生。
而直升机能够极大地弥补固定翼飞机在场地限制上的短板,不足之处是直升机受到其架构和飞行方式的限制,飞行速度最高只能达到每小时400公里,明显低于固定翼飞机。
而随着科学技术的发展进步,垂直起降无人机技术也逐渐被研发应用,带来了全新的飞行发展机遇[1]。
1 垂直起降无人机技术的发展与现状1.1 垂直起降飞行器的发展历史垂直起降飞行器的概念最初是由德国提出的,二战后德国在空中的绝对领导权逐渐丧失,而为了应对敌方的空中轰炸,德军迫切需要一种能够进行随时出击的、并且具备一定隐蔽性的防御型战斗机,垂直起降拦截机成为了德国的主要研发方向。
但是,随着二战结束,相关的研发方案还未来得及落于实际,德国作为战败国就不得不搁浅这些方案,无法继续研发。
垂直起降固定翼无人机发展趋势分析发布时间:2022-07-01T06:49:22.648Z 来源:《科学与技术》2022年第5期作者:刘佳[导读] 垂直起降固定翼飞行器能够以直升机升降方式垂直起降刘佳上海航天设备制造总厂有限公司,上海市 200245摘要:垂直起降固定翼飞行器能够以直升机升降方式垂直起降,并能以固定翼方式巡航前向飞。
与传统直升机相比较,垂直起降固定翼飞行器具有前飞速度快、航程远、航时长等显著优势,而与常规固定翼飞行器相比较,垂直起降固定翼飞行器能够定点起降和悬停,对机场跑道没有依赖,执行任务能力显著增强。
以上优点促使该类飞行器成为当今世界研究热门领域。
由于无人机无需考虑飞行员的生命保障、生理极限等问题,其机动性能得到较大的提升,将垂直起降技术应用于无人机领域将更为灵活,且更容易实现。
本文简述国内外垂直起降固定翼无人机研究进展,分析了不同种类垂直起降固定翼无人机方案技术特点,讨论垂直起降固定翼无人机技术的发展趋势。
关键词:垂直起降固定翼无人机;旋转机翼;模态转换;1垂直起降固定翼无人机技术特点1.1升推复合式垂直起降固定翼无人机技术特点如图1所示,升推复合式垂直起降固定翼无人机是在垂直起降和巡航阶段各自采用相互独立的动力系统,如采用旋翼系统和推进螺旋桨系统的无人机,其技术成熟度高,应用性能较好。
同时各动力系统只在特定阶段使用,不用兼顾其它工作状态,因此各动力单元均为单点工况设计,能够做到垂直起降阶段和巡航阶段的动力特性分别最优,是目前最为常见的垂直起降固定翼无人机布局形式。
然而,在升推复合式垂直起降固定翼无人机进行垂直起降或巡航平飞时,其垂直、水平两套升力/推力装置之一需要停止工作,完全成为废重,致使全机质量效率降半。
同时,在过渡阶段垂直起降动力依旧工作,因此动力尾流会对机翼、平尾等部件产生气动干扰,影响系统操纵和控制。
对于采用旋转机翼的升推复合式垂直起降固定翼无人机而言,尽管它将旋翼与机翼进行了结合,并从根本上避免了旋翼前飞时左右气流不对称导致的飞行速度限制。
中国无人机行业发展现状分析及投资前景预测一、无人机概述(一)无人机的分类无人机(Unmanned Aerial Vehicle,缩写:UA V)是利用无线电遥控设备和自备程序控制装置操纵的不载人飞行器。
从技术角度划分,无人机可以分为两大类:一类是垂直起降型飞机(Vertical Take-Off and Landing,缩写:VTOL)。
另一类是非垂直起降型飞机。
垂直起降型飞机主要包括飞艇、单旋翼直升机和多旋翼直升机等,其中市场应用最为广泛的是多旋翼;非垂直起降型飞机主要包括固定翼、三角翼、伞翼等,其中市场应用比较广泛的是固定翼。
图表各常用无人机的特点资料来源:产研智库固定翼的特点是一直向前飞行,续航时间长、巡航速度高、负载能力强,但是无法实现定点悬停,从而无法完成旋翼的很多功能。
与固定翼相比,旋翼的优势是可垂直起降,可悬停。
这两种特点使得飞机可以突破飞行跑道的限制,同时也使其应用范围变得十分广泛,不但可以适应各种复杂的起降环境,而且还可以从事各种各样的空中作业项目。
其中,单旋翼由于结构复杂,造价较高,现在主要用在一些军事领域。
多旋翼结构简单、造价低、操控能力好。
此外多旋翼飞机由于动力分散到多个机翼、有些还有动力冗余,有些甚至可以安装降落伞,从而可以保证多旋翼飞机较高的安全系数。
这些优势使得多旋翼飞机广泛应用于民用领域。
从行业应用的角度划分,无人机大致可分为:军工级无人机、工业级无人机和消费级无人机。
本报告中,重点介绍工业级无人机和消费级无人机,以下统称为民用无人机。
(二)无人机的构造系统无人机的构造系统可分为飞行平台、飞行控制系统、任务设备和地面设备四大部分。
飞行平台指的是飞机的结构架或机架;飞行控制系统(简称:“飞控”)相当于无人机的大脑,是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统;任务设备是指无人机搭载的任务载荷,如相机以及可见光、热成像、多光谱、高光谱设备等;地面设备主要负责飞机的任务规划,如航线规划、飞行模式等,同时还具有图像显示、处理等功能。
浅谈无人机的发展现状及发展趋势无人机是一种无人操作的飞行器,它可以通过预先设定的程序或者遥控器来执行任务。
随着科技的不断发展,无人机的应用领域也越来越广泛。
本文将从无人机的发展现状和发展趋势两个方面进行探讨。
一、无人机的发展现状1. 技术成熟度:目前,无人机的技术已经相对成熟,主要包括飞行控制系统、传感器、通信系统等。
飞行控制系统可以实现自主飞行和遥控操作,传感器可以实时获取环境信息,通信系统可以与地面指挥中心进行数据传输。
2. 应用领域:无人机的应用领域非常广泛。
在军事领域,无人机可以用于侦察、目标打击、战场监视等任务;在民用领域,无人机可以用于航拍摄影、物流配送、农业植保、环境监测等任务。
3. 市场规模:无人机市场规模不断扩大。
根据市场调研机构的数据显示,2022年全球无人机市场规模达到了1000亿美元,估计到2025年将达到2400亿美元。
4. 制约因素:无人机的发展仍面临一些制约因素。
例如,航程和续航时间有限,无人机的电池技术仍待突破;空域管理和安全问题也需要进一步解决。
二、无人机的发展趋势1. 智能化发展:未来,无人机将更加智能化。
通过引入人工智能、机器学习等技术,无人机可以自主感知和决策,提高任务执行效率和安全性。
2. 多机协同:随着技术的发展,无人机将更多地进行多机协同作战。
多架无人机可以通过网络互联,共同完成复杂任务,提高作战效果。
3. 垂直起降:垂直起降技术是无人机发展的重要方向。
传统的固定翼无人机需要一定的起降场地,而垂直起降无人机可以在狭小的空间内起降,适合于城市环境等特殊场景。
4. 高效能源:未来,无人机的能源系统将更加高效。
目前,太阳能和燃料电池等新能源技术正在被应用于无人机,可以提高续航时间和作业能力。
5. 无人机与人工智能的结合:无人机与人工智能的结合将会产生更多的创新。
例如,通过无人机配备的高分辨率摄像头和人工智能算法,可以实现自动识别和跟踪目标,广泛应用于安防、物流等领域。
垂直起降固定翼无人机技术发展及趋势分析
垂直起降固定翼无人机具有对起降场地要求低、机动性好、巡航速度高、航时长等优势,是目前航空领域研究热点。
本文阐述了国内外现有垂直起降固定翼无人机研究现状和基本特征,详细分析了不同类型垂直起降固定翼无人机的技术特点,提出更高的飞行速度、更长的续航时间、更强的任务载荷能力将是未来垂直起降固定翼无人机技术的主要发展方向和必然趋势。
尽管倾转旋翼式和尾座式仍是当今垂直起降固定翼无人机主流构型,但基于分布式电推进的高速垂直起降固定翼无人机技术将成为未来航空领域新热点,给出进一步加强对垂直起降固定翼无人机新构型、新原理的探索性研究的建议。
垂直起降固定翼无人机发展趋势分析作者:高洪波苏周张兆海来源:《科技创新导报》2019年第22期摘 ; 要:无人机种类众多,各有特点。
如固定翼无人机、多旋翼无人机、无人直升机、扑翼机,各种机型层出不穷。
不同的机型,根据其自身特点,应用场合也略有不同。
而垂直起降固定翼作为其中重要的组成部分,其发展非常迅速。
本文概述了目前常见无人机类型及特点,介绍了垂直起降固定翼无人机的最新发展,阐述了该机型所拥有的优势以及未来的发展趋势,并从人类研发无人机的初衷出发,展望了无人机未来的发展。
希望可以為无人机的发展提供借鉴。
关键词:无人机 ;垂直起降 ;固定翼中图分类号:V221.3 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文献标识码:A ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文章编号:1674-098X(2019)08(a)-0232-02随着无人技术的不断发展,无人机在世界各国军民领域的研发和应用越来越广泛。
像我国自主品牌“大疆”无人机的应用已深入航拍、测绘、侦察、电力巡线等各个领域。
固定翼无人机以其空气动力学优势,相对载重更大,能耗更少,续航时间更长,可以实现长航时远距离任务需求,因此其应用领域更加广泛。
人类研发无人机的初衷是追求更加智能、便捷,不管是军用还是民用领域,永远都不会排斥使用方便、性能优越的无人机。
近些年,垂直起降固定翼无人机逐渐映入人们眼帘。
这种机型,融合了旋翼无人机对起降场地依赖小和固定翼无人机飞行效率高的优点。
1 ;无人机机型类别及特点无人机按照机型不同,目前常见类型主要包括固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机。
其中无人直升机和多旋翼无人机都是靠螺旋桨旋转产生升力,克服无人机自身重力实现飞行。
因此都属于旋翼机类型。
显然旋翼机型的螺旋桨产生的升力必须大于其自身重力,因而其能耗很高,一般飞行时间较短,航程比较近。
优点是可以悬停,容易操控。
而固定翼无人机,是根据空气动力学原理来设计机翼的形状,靠动力装置产生推力或者拉力,使无人机获得一定速度后,会导致空气在飞机上下表面的压力不同,进而产生升力,其升力主要来源于固定的机翼。
中国无人机行业发展格局及重点企业分析内容概况:无人机行业发展之初主要是用于执行侦察、监视和精确打击等作战任务。
随着现代无人机技术的快速进步,无人机逐渐进入民用市场。
目前,国内外的无人机民用市场均处于快速发展阶段。
无人机作为一种新型的应用手段,能更高效安全的完成森林防火、应急测绘、航空物探、应急救援等具有较高危险性的任务。
关键词:无人机企业格局、航天彩虹、纵横股份一、企业格局:无人机应用领域日益广泛,无人机市场发展火热无人机,也称为远程驾驶航空器,是由控制站进行管理的航空器。
无人机可以在数据采集、高空拍摄、地质遥测、远程监控等多种作业情况下替代人工,并且更加高效安全的完成作业。
近年来,无人机技术不断迭代更新,在现代技术的进步下,无人机快速从军用市场向民用市场发展,无人机行业火热发展。
依据无人机企业的注册资本进行划分,位于第一梯队的是注册资本高于1亿元的企业,包括航天彩虹、中无人机、极飞科技、观典防务、一电航空以及中航智。
其中航天彩虹的注册资本将近10亿元,航天彩虹是目前我国无人机领域发展较早的企业,于2017年上市,是我国首家以无人机为主营业务的上市公司。
位于第二梯队的是注册资本超过1000万元的企业,包括纵横股份、时代星光、亿航智能、Yuneec、大疆创新、科卫泰以及司马航模。
其中,纵横股份的注册资本超过了8000万元,其成立于2010年,是我国首个推出垂直起降固定翼无人机的企业,推动我国工业无人机的发展。
位于第三梯队的则是注册资本少于1000万元的企业,包括星逻智能以及其他无人机企业。
无人机,也称为远程驾驶航空器,是由控制站进行管理的航空器。
无人机可以在数据采集、高空拍摄、地质遥测、远程监控等多种作业情况下替代人工,并且更加高效安全的完成作业。
近年来,无人机技术不断迭代更新,在现代技术的进步下,无人机快速从军用市场向民用市场发展,无人机行业火热发展。
依据无人机企业的注册资本进行划分,位于第一梯队的是注册资本高于1亿元的企业,包括航天彩虹、中无人机、极飞科技、观典防务、一电航空以及中航智。
垂直起降固定翼无人机研究报告伴随人工智能、半导体、传感器等快速发展,无人机系统通过技术快速迭代,不断拓展能力和应用领域。
根据《无人机系统发展白皮书》预测,2019-2029年全球无人机系统将保持CAGR20%以上,10年内产值累计超过4000亿美元,而带动的产业配套拓展和创新服务市场则更加庞大。
1)无人机自问世以来,就拥有传统飞行器和大武器系统所不具备的快速迭代能力,进化出的适用场景不断拓展,逐步从军事专用拓展到民用领域。
随着无人机产业链趋于成熟,飞控与导航技术的快速发展,无人机具备了小型化、智能化、低成本的条件。
2014年消费级爆发式增长,形成了无人机军民两用格局。
2)无人机的使用需要无人机系统的支持。
技术方面,无人机系统正向多样化、智能化、通用化趋势发展。
军用方面,无人机系统将成为先进空中作战力量的主战装备和体系化、智能化作战的关键组成部分。
民用方面:广泛的应用为无人机系统发展提供了产业化基础和市场化活力。
垂直起降固定翼飞行器凭借独特的构型,是近年来无人机乃至有人机领域最具活力的细分赛道之一。
2020年垂直起降(VTOL)无人机加速军事化应用。
因不受起降场地限制,能适应航海、山地等复杂地形环境,美将垂直起降飞行器列为美军十大未来关键装备之首。
2020年,美空军发布“敏捷至上”项目,极力推进电动垂直起降eVTOL无人机军事化应用。
多家新兴eVTOL商企参与,目前Joby和Beta两家已经进入试飞阶段。
项目预计于2023年完成飞行器适航审定,2025年初具备规模化应用的水平,实现大规模采购。
2020年垂直起降(VTOL)无人机在工业级应用领域不断拓展,同时继续加速城市交通商业化发展。
1)工业级成为全球民用无人机增长新引擎,市场逐步由toC转向toB。
随着应用场景的不断拓展,预计2020年工业无人机市场规模将首次超过消费级无人机,成为全球民用无人机的主要市场。
根据Frost&Sullivan预测,2020-2024年全球工业无人机市场CAGR高达56.43%,成为全球民用市场增长新引擎,2024年全球民用市场规模将达4157.27亿元,而垂直起降(VTOL)无人机也是发展亮点之一。
浅谈无人机的发展现状及发展趋势无人机(Unmanned Aerial Vehicle,简称无人机)作为一种新兴的航空器,近年来得到了广泛的关注和应用。
本文将从无人机的发展现状和发展趋势两个方面进行探讨。
一、无人机的发展现状1. 技术发展:无人机技术在过去几十年中取得了长足的发展。
从最早的遥控模型飞机到现在的多旋翼无人机,无人机的技术不断创新和突破,实现了更高的飞行稳定性、更长的续航时间和更强的载荷能力。
2. 应用领域:无人机的应用领域非常广泛。
在军事方面,无人机已经成为现代战争中不可或者缺的一部份,用于侦察、侦察和攻击等任务。
在民用领域,无人机广泛应用于航拍摄影、物流配送、农业植保、环境监测等领域。
此外,无人机还被用于灾害救援、边境巡逻、科学研究等特殊任务。
3. 市场规模:随着无人机技术的不断成熟和应用范围的扩大,无人机市场规模呈现出快速增长的趋势。
根据市场研究报告,2022年全球无人机市场规模达到了120亿美元,并估计到2025年将增长至400亿美元以上。
二、无人机的发展趋势1. 技术方面:(1)智能化:未来无人机将更加智能化,具备自主飞行、避障、自动驾驶等功能。
人工智能技术的应用将使得无人机能够更好地适应各种环境和任务需求。
(2)多旋翼向固定翼过渡:目前多旋翼无人机在垂直起降和悬停方面具有优势,但续航能力相对较低。
未来,随着新型材料和动力系统的发展,固定翼无人机将成为主流,具备更长的续航时间和更远的航程。
(3)无人机与人工智能的融合:无人机与人工智能的融合将开启新的应用领域。
例如,无人机配备人脸识别技术可以用于公共安全监控;无人机配备语音识别技术可以用于物流配送等领域。
2. 应用领域:(1)物流配送:随着电商行业的快速发展,无人机将成为物流配送的重要方式。
无人机能够快速、准确地将货物送达目的地,提高物流效率。
(2)农业植保:无人机可以配备喷洒设备,实现精准的农药喷洒,减少农药的使用量,提高农作物的产量和质量。
无人机技术发展趋势分析随着科学技术的不断进步,无人机技术在过去几年中得到了迅猛发展,广泛应用于各个领域。
本文将对无人机技术的发展趋势进行深入分析,探讨其在未来的应用前景。
一、应用领域的扩大无人机最初主要应用于军事领域,用于侦察、监视和执行飞行任务。
然而,随着技术的不断进步和成本的降低,无人机开始应用于民用领域。
例如,航拍摄影、农业植保、物流配送和安防监控等领域都已经开始采用无人机技术。
未来,无人机将进一步拓展应用领域,如城市交通监控、自动化建筑施工和紧急救援等。
二、技术升级的趋势无人机技术将会持续进行升级和改进,以满足不断增加的需求。
首先,无人机的通信技术将更加先进,实现更稳定、更快速的数据传输,大幅提高远程操控的能力。
其次,无人机的智能化程度将大幅提升,具备自主避障、自动化执行任务的能力,使其更加安全可靠,并且减少对人力的依赖。
此外,无人机还将采用更高效的能源供应和更轻巧的材料设计,提升其续航时间和飞行性能。
三、多元化的机型设计当前,无人机在市场上的机型多样性已经相当丰富,未来将进一步多元化。
除了常见的固定翼和旋翼无人机外,随着技术的发展,垂直起降无人机、水下无人机和卫星无人机等新型机型将不断涌现。
这些不同类型的无人机将各具特色,以满足不同需求。
四、法律法规的完善随着无人机技术的快速发展,相关的法律法规也在不断完善。
各国的政府将加强对无人机的管理与监管,制定更为严格的飞行规定和安全标准。
同时,对于商业应用无人机的准入、飞行许可和隐私保护等方面,相关法律法规将进一步健全,以保障市场的正常运行和公众的利益。
五、飞行安全技术的提升随着无人机应用范围的扩大,飞行安全成为无人机技术发展的重点之一。
在未来,无人机将拥有更完善的测控系统和飞行控制算法,以避免发生事故和碰撞。
同时,无人机的防护装置和自动返航技术也将得到进一步提升,确保其在遭受干扰或故障时能够及时返回或安全降落。
六、国际合作与竞争无人机技术的发展是一个国际化竞争的过程。
工业级垂直起降固定翼无人机总体布局及发展趋势作者:沙永祥钱凯来源:《无人机》2019年第01期垂直起降固定翼无人机具有无需跑道、续航力强、安全性高、制造难度低等优点,正成为工业级无人机发展的新趋势。
本文从其总体布局的角度,阐述了该类型无人机的发展现状,各种构型性能优缺点與差异,并对未来行业技术发展趋势做了系统分析。
随着军民融合战略的推进,近年来工业级无人机在民用领域获得了突飞猛进的发展,被广泛应用于农业、商业、能源和医疗等各个领域。
工业级无人机按照构型大致可以分为三类:无人直升机、多旋翼无人机、固定翼无人机。
无人直升机在载重、续航等指标上有着突出的优势,但其动力和操纵都来自旋翼,机构异常复杂,导致成本高,可靠性低,限制了无人直升机的推广;多旋翼无人机兴起于消费级领域,其构型简单,零部件成品化高,技术门槛相对较低,但航时和航程短的缺点极大地限制了其应用场景;固定翼飞行器具备效率高、速度快、航时长、航程远、可靠性高等优点,但其对起降条件要求高,且辅助保障设备多,部署时间长。
垂直起降固定翼无人机作为近年工业级无人机的新兴事物,融合了多旋翼无人机和固定翼无人机的特点,具有无需跑道,续航力强,安全性高,制造难度低等优点,正成为工业级无人机发展的新趋势。
工业级垂直起降固定翼无人机总体布局从总体布局形式来看,垂直起降固定翼无人机主要有以下几类:尾座式、倾转动力式(包括倾转旋翼式、倾转涵道风扇式、倾转机翼式)以及复合式。
尾座式尾座式垂直起降固定翼无人机兼具多旋翼无人机和固定翼无人机的优点。
在机尾安装有起降支架,垂直起飞时机尾坐地机头向上,达到一定高度后转入平飞,降落时先调整姿态使机头向上,随后进行垂直降落。
这种起降方式的优点是结构简单、系统废重少、效率高,但其控制系统开发难度较高,在垂直起降期间抗风性能较低,且其尾座式的特点在一定程度上降低了总体布局的灵活性。
“V-BAT”是MartinUAV公司设计的先进垂直起降固定翼无人机。
其机尾安装的涵道风扇使无人机可以直立起降,并通过涵道风扇中安装的舵面进行直立起降飞行的三轴姿态控制,在爬升到一定高度后再转换成水平飞行模式。
根据资料显示,“V-BAT”能够在移动的卡车上自主着陆,可靠性强,安全性好。
此外,高效率、高航程、高航时等优异的性能特点使“V-BAT”赢得了美国陆军的青睐。
“X-Hawk”尾座式无人机“X-Hawk”是四川傲势科技有限公司推出的一种纯电动尾座式垂直起降固定翼无人机。
其垂直起降阶段采用四旋翼作为动力来源,并通过四旋翼的控制方法进行姿态控制,在转平飞后,通过对螺旋桨进行变距的形式,实现不同巡航速度下的高效飞行。
此外,“X-Hawk”可实现完全自主飞行。
它可在使用者设定任务后,自主设计航线飞行,同时也可切换手动飞行或指令飞行模式,具有失控返航、一键返航、低电量返航、断链路返航、可设置的虚拟围栏等高级功能,系统可靠性较高。
倾转动力式倾转动力飞行器的概念最早由美国贝尔公司提出,无人机起飞时推力向上,转入水平飞行时利用倾转机构使推力向前,作为前飞动力。
由机翼承担部分或全部升力。
倾转动力式无人机推力方向变化都需要倾转机构,这样必然会存在机构可靠性与费重问题,并且垂直转平飞过渡阶段稳定性差的问题也对智能飞控技术提出了新的挑战。
倾转动力式垂直起降固定翼飞行器包括倾转旋翼式、倾转涵道风扇式以及倾转机翼式。
倾转旋翼“Quantum TRON90”是由德国慕尼黑Quantum System公司研制的一款纯电驱动倾转旋翼式垂直起降无人机。
起降时采用四旋翼模式,提供向上的拉力;平飞时,前两部旋翼水平倾转提供前飞动力,后两部旋翼向后倾转以减小飞行阻力。
根据其官方资料,该机采用模块化设计,能快速有效的适应不同应用场景。
目前该机已成功应用于电力巡检、航空测绘、农业监视等领域。
此外,Quantum System公司还推出了三旋翼布局倾转旋翼无人机。
倾转涵道风扇德国空中出租车公司Lilium推出了一款私人“百合号(Lilium)”倾转涵道风扇飞行器,该机采用纯电力驱动,垂直起降,配备可收放起落架。
百合喷气的两座版已于2017年4月首飞,该机使用36个倾转涵道电动风扇发动机(主翼24个,鸭翼12个)进行驱动,重量约600kg,最大商载200kg,最大飞行时速可达300km/h,单次充电航行距离达300km。
起飞时风扇偏转指向下方,水平飞行时风扇水平指向前方,提供前飞动力。
该无人机采用Lilium航空公司的“超冗余”概念,从安全性出发,任何一个组件的故障都不会影响正常飞行着陆。
倾转机翼美国国家航空航天局(NASA)最近研发了一款倾转机翼垂直起降无人机,简称“GL-10”。
NASA的工程师于2017年测试了这款无人机的缩比验证机,其翼展为3.05m,机翼上有8个电机,尾部有两个电机,起飞时最大重量为28.1kg。
全尺寸版本将采用电力/柴油混合驱动螺旋桨。
起飞时,机翼平尾处于倾转状态,螺旋桨推力方向向上,垂直起飞,一定高度后,机翼平尾再倾转到水平位置,螺旋桨推力向前,类似固定翼一样飞行,起飞降落均无需一些额外的地面辅助起降装置。
此外,“GL-10”螺旋桨桨尖速度设计较低,显著降低了螺旋桨的噪声。
“雷击(LightningStrike)”“雷击”无人机是美国极光公司为美国国防高级研究计划局(DARPA)的“垂直起降试验飞机”(VTOL X-Plane)项目研制的一款倾转机翼垂直起降飞机。
其正式代号为XV-24A。
由1台罗罗公司的AE1107C涡轴发动机驱动,通过其驱动3台霍尼韦尔公司的发电机来产生电力,并将电力分配至全机24个涵道式风扇上(2个鸭翼上各安装3个,2个主机翼上则各安装9个风扇),形成分布式混合电推进系统。
图 6(a)所示为“雷击”1/5等比例验证机,全机重量为147.4kg,采用电力推进,配有54.4kg的锂电池,能以185km/h的速度连续航行5min。
然而,子承包商霍尼韦尔公司在研发高性能1兆瓦级发电机时遇到了技术瓶颈,使项目在第二阶段难以制造出全尺寸原型机。
目前美国防部国防高级研究计划局(DARPA)决定取消项目第三阶段研发和相关飞行试验。
复合式复合式垂直起降固定翼无人机类似于在固定翼的基础上加装一套垂直起降动力系统,通过两套动力分别实现起降和平飞。
相对于其他垂直起降飞行器,复合式垂直起降无人机具有技术可实现性好、飞行可靠性高、生产成本较低等优点。
早期复合式无人机由于电机技术不成熟,巡航无效重量较大,但随着高功重比无刷电机的出现,配合良好的气动外形设计,复合式无人机也能达到极高的飞行性能。
“X-Swift”复合式无人机“X-Swift”是四川傲势科技有限公司研发生产的一款纯电驱动垂直起降固定翼无人机,该机采用四旋翼与固定翼复合式布局,通过四旋翼模式进行垂直起降,固定翼模式进行平飞。
“X-Swift”具备高可靠性(平均故障时间为50h)、高便捷维护性(可更换相应部件)、高安全性(防插错设计、防动力系统非指令性启动)以及载荷互换性(可配备光电吊舱、正射像机、倾斜相机、喊话器等载荷),具备全自主飞行能力,能够通过模块化的多构型配置,为航空测绘、线路巡查、侦查监视等工业级用户提供专业解决方案。
“X-Chimera”复合式无人机“X-Chimera”是四川傲势科技有限公司推出的一款纯电动高任务性能的垂直起降固定翼无人机。
该机于2018年成功实现首飞。
“X-Chimera”无人机采用了前沿的翼身融合气动设计技术,实现了该机优异的气动性能,机身采用航空钛合金、镁合金材料让该机轻盈坚固,可靠性更高。
此外,模块化设计其可智能识别多种载荷设备,仅需简单更换,便能持续完成不同任务。
据介绍,“X-Chimera”具备很强的环境适应能力,满足小雨、高海拔、高低温、强侧风、盐雾、沙尘、复杂地形、复杂电磁环境等场景下的飞行应用。
在系统部署方面,全套无人机系统可由一辆SUV携行,两人10min 内无工具完成全系统展开、飞前准备或拆收工作,极具灵活性。
综上所述,从垂直起降固定翼无人机总体布局形式来看,尾座式无人机控制难度高,起降期间抗风性能差,可靠性偏低,导致其并未得到大规模的应用;倾转动力式无人机具备航程远,航速高等特点,并且随着分布式电推进技术以及智能控制技术的成熟,倾转动力无人机将会具有广阔的应用前景;复合式垂直起降无人机具有技术可实现性好、飞行可靠性高、生产成本较低等优点,在民用领域比如航拍测绘、电力巡检、公共安全、交通城管等行业将发挥重要的作用。
发展趋势任务载荷多样化、模块化、互换性工业级无人机任务载荷多种多样,包括多拼相机、光电球、喊话器、灭火弹等等。
载荷的多样性决定了无人机从设计之初就必须考虑其载荷的模块化及互换性。
当无人机执行不同任务或者升级相关设备时,能够迅速更换其任务载荷,以更好满足特定任务需求,适应不同行业应用。
高环境适应性随着用途越来越多样化,未来无人机需要具备在任何严苛的环境条件下可靠工作的能力。
例如,在舰船起降时需要面临风力、洋流和船舶本身的运动等复杂环境,这对无人机机载智能控制系统的稳定性和鲁棒性提出了更高的要求。
纯电驱动、分布式电推进对于工业级无人机的动力推进方式,业界普遍认为零排放、高效率、低噪声的纯电推进驱动将会是垂直起降固定翼无人机主流发展方向。
分布式电推进采用電力驱动多个分布于机翼、机身或尾翼的电机,并由电机驱动螺旋桨、涵道风扇等动力装置提供全部推力。
分布式电推进系统动力分散布置,控制更为灵活,容错性能更好,系统冗余度高。
另外,小风扇能够更为方便地融入机身,利于气流附着翼面,使得气动效率更高,有助于改善飞行性能。
感知与避让感知和避让技术是防止无人机与其它飞行器相撞的重要技术保障。
利用无人机携带的设备探测感知周围环境、在当前态势感知的基础上判断是否存在飞行冲突、重新规划航迹规避冲突是感知与规避的三大关键技术。
与有人机相比,无人机感知规避技术还不够成熟,尚不具备多机、三维尺度下的感知与规避能力,而且感知、判断、规避任何一个环节出现信号传输延迟都将直接影响规避结果,感知与规避的可靠性、鲁棒性也需进一步提高。
自主性与智能化未来无人机将不仅仅是一个飞行载体,被动完成飞行任务,而是向单机智能飞行、多机智能协同、任务自主智能等方向发展,具备主动感知、自主判断、采集数据、智能学习和协同作业等各项能力。
同时,与AR、VR设备的结合,对无人机的飞行和操控也将带来全新的体验。
结论纵观国内外无人机研究成果及其应用领域,垂直起降固定翼无人机正成为工业级无人机发展的新趋势。
从总体布局来看,倾转动力式以及复合式将具有更广泛的应用前景;从推进动力来看,业界普遍认为零排放高效率低噪声的电推进方式将是未来的主流发展方向;从载荷形式来看,任务载荷多样化、模块化、互换性等特点能更好满足特定任务需求,适应不同行业应用;从飞机性能来看,高环境适应性、先进态势感知技术、自主性与智能化等关键技术也将是工业级垂直起降固定翼无人机发展的重要方向。