複合翼無人機成為趨勢，多種設計構型大PK

回首2017年的工業級無人機技術，新構型的爆髮式發展成為了最明顯的趨勢，以至於有媒體認為2017年是 「垂直起降固定翼無人機元年」。姑且不提此種說法對於先行者們的稍有不公，至少絕大多數工業級無人機廠商都紛紛推出了各種具有垂直起降能力的固定翼無人機產品。當然，大趨勢中的發展方向也是魚龍混雜，各出奇招昏招。

本文將對近年來出現和發展的複合翼構型無人機做簡要梳理，添幾根柴火，潑幾盆冷水，以期為行業健康發展盡微薄之力。

在飛機設計技術已經發展了一百多年的今天，固定翼這種構型在多數應用場景中已經近乎完美了，但是其垂直起降能力的發展仍步履蹣跚，以至於到現在我們都還在針對垂直起降固定翼的基本結構做創新和設計，這幾乎已經能說明在動力系統有革命性的進展之前，實現垂直起降都將以大幅度的效率損失為代價。

鑒於此，我們評判一種設計優劣與否，最重要的指標就是其效率損失較小，而不是只要有效率下降便嗤之以鼻。下面就對近年來出現的固定翼垂直起降構型做簡要梳理。

一、多旋翼固定翼複合構型

如果十年前一個飛機設計專家被告知這種構型的飛機將成為一種趨勢，那對他很可能是一種暴擊，就像在二十年前，被告知多旋翼構型會火一樣(約二十年前的書籍《無人機系統導論》中，作者明確表示不看好四旋翼這種低效率的飛行器)。

按照常規的飛機設計原則，這種設計一定是最不得已而為之的。這可能正是2015年底，成都縱橫發布國內第一款垂直起降固定翼飛控時，還特地發了好幾篇文章闡明是在掙扎三年之後才最終確定這個方案的原因。而此時，開源飛控APM的QuadPlane支持也進入測試階段。

於是，一場大戲在點滴之間悄然拉開帷幕。到2017年底，APM，PX4開源飛控均能很好地支持這種構型的全自動飛行，大多數的工業級無人機整機廠商也都推出了各自的機型，既然是要做總結，那麼不可避免地要再來理一遍這種構型的缺點：

但是，對於部分應用場景，以上所有的缺點，都掩蓋不了可垂直起降這一優點，這也是這種構型無人機爆發的原因，只是很多廠商可能並沒有很好地思考這背後的邏輯，本文將最適合運用垂直起降固定翼無人機的應用場景特點總結如下表：

垂直起降固定翼構型結構上易於實現，在現有的固定翼平台上增加多旋翼動力部分，且加強機翼扭轉強度即可。在控制方面的優勢就是控制系統相對簡單，最簡單的情況下就是固定翼和多旋翼兩套飛控硬切換就可以實現正常飛行。還有一個不太被關注的優勢，就是前拉槳的效率。多旋翼槳和固定翼槳典型工作條件下的來流速度不同，因此設計時翼型和槳距也有很大區別，正常的工業級無人機都採用定距槳，多旋翼槳只能高效運轉於多旋翼模態，固定翼槳用於多旋翼模態時效率也低很多，因此這種構型中，多旋翼槳只工作在多旋翼模態，固定翼槳只工作在固定翼模態，在槳的效率運用上是個不小的優勢。

正如每種飛行器都有其適用場景，同樣沒有一種飛行器是萬能的，例如，5-20kg起飛重量的飛行器，其靈活性要求一般都是高於載荷能力的，因此能夠在很小的區域內快速組裝、起飛就成為很大的優勢;但是起飛重量小於5kg時，要想實現這種複合構型就困難了，而採用純固定翼構型，手拋起飛或彈射起飛加傘降更合適;而起飛重量過大時，複合翼構型的缺點也同時被放大，加上這種情況下的載荷能力要求一般更高，此時採用純固定翼構型，利用通航機場甚至小型開闊道路滑跑起飛可能更合適。因此近期出現的用垂直起降固定翼飛機運送貨物、攜帶較重的設備，甚至把起飛重量做到100kg以上，則屬於一葉障目不見泰山了。

至於多旋翼固定翼複合構型的產品，則是以成都縱橫的「大鵬」系列為代表，採用快速拆裝結構，最大起飛重量涵蓋10-30kg級別，載荷能力也覆蓋了1-6kg。

光點科技的「游龍」也是應用較多的產品，起飛重量約14kg，載荷能力1.5kg，也處於較為實用的參數範圍。

二、傾轉旋翼固定翼複合構型

傾轉旋翼固定翼構型在思路上明顯比多旋翼固定翼構型要高明許多，至少有一部分動力是多旋翼模態和固定翼模態共用的，減小了整個飛行過程的死重，而代價只是增加一套(或多套)旋轉機構。例如V-22魚鷹運輸機，依靠兩套傾轉旋翼完成了垂直起降和固定翼飛行。但是有得必有失，下表總結了傾轉旋翼構型相對於多旋翼固定翼構型的缺點：

因此，與多旋翼固定翼複合型類似，起飛重量要求非常小(小於5kg)時，也不宜採用傾轉旋翼布局，而對於載荷重量要求比較大的應用中，傾轉旋翼的效率提升就可以彌補結構、控制複雜的劣勢了，特別是如果有野外的大載重、長航時需求，由於現在大載重直升機的飛控仍有很多不足，傾轉旋翼不失為一種折中策略。當前多旋翼固定翼複合構型市場已經成為紅海，PX4等開源飛控也都支持了傾轉旋翼，可用預見，下一步傾轉旋翼的產品和應用也將越來越多。

產品方面，有深圳智航一直在進行傾轉旋翼固定翼構型的研發和測試，並且推出了面向物流(V330)和測繪(V400)的兩款產品，智航產品的一個優點是旋翼下洗流不會打到機翼上，因此垂直起降模態的動力損失較少，而在實際應用中，這兩款產品具有不錯的載荷能力和續航時間。

瀋陽無距則推出了串列翼布局的傾轉旋翼，只是我們看到的都只是概念模型。

雖然實用化的產品還較少，但筆者還是對創新設計的傾轉旋翼寄予希望，也相信設計合理的傾轉旋翼無人機在未來幾年也將大放異彩。

三、尾座式垂直起降

相對於傾轉旋翼構型的將旋翼軸轉90度轉平飛，尾座式垂直起降無人機則是將自己整體轉90度轉平飛，這樣設計的絕妙之處在於省略了旋翼的傾轉機構，具有更高的機械可靠性。單從結構上看，尾座式垂直起降構型只比固定翼構型多出了尾部支撐機構，但是由於省下了起落架系統，因此很可能會比相同起飛重量的固定翼重量更輕。從氣動布局上看，尾座式構型可用設計成飛翼布局，翼身融合布局，甚至是常規布局，因此氣動效率優勢明顯。

但是由於較大的機翼面積，尾座式構型飛行器在垂直飛行階段更容易受到氣流擾動影響，而由於涉及控制策略轉換以及姿態的迅速變化，垂直和平飛的轉換過程也較難控制，因此現在尚沒看到哪個飛控可用非常好地實現尾座式構型飛行器的全自動飛行。不過一旦這個問題得以完善解決，尾座式構型將是垂直起降固定翼無人機構型最好的解決方案。

既然尾座式構型的氣動效率很高，且垂直起降階段容易受側風乾擾，那麼可以開個腦洞，在物流運輸行業中，高附加值或者急需物資的倉對倉、倉對櫃運輸就可以考慮這種構型，因為無論是倉庫，還是大型快遞櫃，為尾座式無人機設置供起降進入的天井，而倉庫貨快遞櫃內完全可以提供無風的起降空間。當然，這些想法都是基於飛控已經成熟的前提下。

尾座式無人機的產品方面，除了軍用的有611所研發的VD200，民用的也有四川傲勢科技X-Hawk概念機，從外觀上看還是有一定新意，大展弦比機翼配合翼梢前掠，只要控制得當，續航和機動性都有一定保證。

事實上，2017年市場上能見得到產品、樣機甚至概念機且相對靠譜的，也就以上這幾種構型了，而且假以時日，隨著民用無人機結構、氣動、飛控等技術的進展，這些構型的無人機都將有自己的用武之地。下面就來看幾種少見的、新型的複合翼構型。

四、其他複合構型

LightningStrike，這是一款分布涵道式旋翼與固定翼混合構型的飛行器，動力系統為一台渦軸發動機帶動三台發電機，進而為24台涵道螺旋槳提供動力，其小型無人縮比驗證機也已完成測試。鑒於小直徑涵道式螺旋槳的效率，這種飛行器也不是沖著高效飛行而設計的，我寧願相信DARPA為了測試和改進其混合動力輸配電系統而故意做出一台十分費電的飛機。

Carter Copter，這是Carter Aviation公司推出的一款自轉旋翼和固定翼複合構型飛機，這種飛行器結合了自轉旋翼機的結構簡單、可跳飛性能，以及固定翼飛機高速飛行時的高升阻比，由於採用電傳操縱，未來也是要成為無人機的一種可行方案。

X-50A，這架混合構型飛機雖然距離2017年比較遠(首飛於2003年)，但是看在其不拘一格的設計思路以及NASA的背景，則有必要提及一下。X-50A的主旋翼在垂直起降和低速飛行時為槳尖噴氣動力的旋翼，同時，槳尖噴氣也提供前飛動力。隨著前飛速度的提高，鴨翼和尾翼逐步提供足夠的升力，從而卸載主旋翼的轉速，並最終轉為固定翼模態。由於採用了槳尖噴氣技術，其旋翼並沒有反力矩，因此在垂直起降階段，並不需要類似於直升機的尾槳。不過由於驗證機完全沒有達到預期的效果，我們現在才看不到以此為原型的產品。

本文簡單梳理了近年來出現的幾種既能夠完成垂直起降，有在一定程度上具有固定翼續航優勢的複合翼構型，但是無人機的設計千變萬化，應用場景也多種多樣，我們既要從理論和試驗出發探索不同飛行器的優勢和不足，又要避免對某些技術盲目自信，固守並過分誇大其應用範圍，這才是無人機技術能一直向前發展的有效保證。

文章來源：宇辰網

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