垂直起降多旋翼调研资料

一、垂直起降固定翼无人机发展历史简述

最早的固定翼垂直起降飞机出现在军事上，动力采用推力转向涡扇发动机。资料显示：1957年，英国原霍克飞机公司和布里斯托尔航空发动机公司(合并后的英国航宇公司)在法国工程师克尔·威布勒研究工作的基础上，开始研制P.1127垂直－短距起落攻击机。经过10年的失败经验和努力，并在1967年正式命名为“鹞”（Harrier）。经过后来的不断发展，“鹞”已经发展成一个系列，包括早期“鹞”系列、“海鹞”系列和“鹞”II系列。后来，俄国人，美国人相继推出自己用在军事上的固定翼涡扇垂直起降军机。最为著名的是美国洛克希德马丁公司研制的重量等值于黄金的F-35B型战斗机。

1975年，英国人率先提出固定翼倾转旋翼垂直起降飞行器设想。在垂直起飞和降落时机翼与地面为垂直状态，依靠螺桨产生的升力进行上升与下降，当飞行器上升到一定高度时，螺旋桨旋转90度，变成与普通飞机一样的方式前进。美国鱼鹰运输机就是在军事领域唯一投入服役的倾转旋翼垂直起降的有人驾驶军机。

在民用领域，可查得的资料显示，英国Aesir公司于2009年7月22～23日，在英国彼得伯勒召开的欧洲无人机会议上推出了一系列新型垂直起降(VTOL)无人机。在不到10年的时间，具有垂直起降功能的旋翼无人机在全球全面开花，首当其冲的是在消费级领域。虽然旋翼无人机因为易于起降和操控的特性受到普通消费者青睐，但并不能满足行业级客户的要求。当时其最大的挫折在于续航能力。后来安装燃料电池飞行的旋翼无人机解决了续航能力（可以留空数小时），但是撇开其昂贵的价格因素，燃料电池在地面的移动工具尚处于验证和测试阶段，自然想要广泛地普及到垂直起降固定翼飞行器上，他们认为为时尚早。

因此，全球无人飞行器的研究把目光转向了传统的具有长航时间的固定翼飞机。传统固定翼无人机最大的缺点在于起飞和降落非常麻烦，有的需要跑道，需要弹射起飞。当回收时，不携带降落伞的固定翼无人机还有可能有失控坠毁的风险。所以，全球无人飞行器技术在研究上又将民用多旋翼无人机垂直起降功能移植到固定翼无人机上。

新型垂直起降无人机按照技术特点大致分为倾转旋翼、涵道风扇、尾坐式、复合式等几种类型。

倾转旋翼无人机(包括倾转旋翼和倾转机翼两大类)发展较早，已经有产品销售和装备使用。美国贝尔直升机公司早在2005年就研制出“鹰眼”(Eagle Eye)，之后成功装备使用。

倾转涵道风扇无人机也已发展多年。美国动力飞行系统公司2007年推出AD -150倾转涵道风扇无人机方案。波音公司在竞标DARPA VTOL X - Plane试验机项目时发展了“鬼怪雨燕”( Phenom Swift)涵道风扇一倾转涵道风扇无人机。

尾坐式无人机技术验证机早在20世纪90年代就开始发展。包括波音公司的Heliwing验证机和航境公司(Aero Vimnment)的“空中提包”( Sky Tote )。近期，西科尔斯基公司在竞标DARPAVTOL X-Plane试验机项目时提出新的尾坐飞机方案。

复合式无人机近年得到发展。小型固定翼——四旋翼复合无人机成功研制，即将投放市场。更大的产品正在研制中。固定翼一旋翼复合式无人机也在发展中，典型机型是瑞士莱茵金属航空系统公司的TU-150。

一、国内VTOL无人机现状调研

2017年，是中国垂直起降固定翼无人机发展的呈现井喷态势的一年。最近北京高博特公司在北京中关村国家自主创新示范区展示中心所主办的“尖兵之翼”-第八届中国国际无人系统成果交易展览会上，最引人注目的就是十数家中国无人机制造商所推出的垂直起降固定翼无人机。

一个行业，不可能允许和容纳这么多同类和同质化的产品。当然，这个细分领域才创始的初期，百花齐放的局面是再正常不过的。随着时间的推移，我们设想，未来数年甚至十年，通过市场和技术的涤荡，垂直起降无人机市场必定走向融合、兼并之路，回归正常的商业本质。事实上，我们看全球民用航空领域，空中客车和波音公司长达数十年垄断这个数万亿的市场。因为技术门槛和规模效应，使得无数国家在这个行业虽跃跃欲试，最后依然铩羽而归。我们无比欣喜的看到，作为一个大国，中国在无人航空领域必有自己一席之地，“中国制造”在垂直起降无人机领域正强势崛起。

三、国外VTOL无人机现状调研

1. U-Lion无人机

2017年三月，在新加坡国立大学B.M. Chen教授的带领下，Wang Kangli和Ke Yijie两名博士生研制出了垂直起降无人机U-Lion。

U-Lion是这种尾座式无人机。通常情况下，垂直起降的无人机会采用四个或者更多的引擎/推进器单元，然而U-Lion则简化至2个。这两个引擎安装在一个万向节上，允许根据需求调整各种角度，从而让无人机在垂直状态下起飞，并在空中转换角度。

该无人机的三大特点：

（1）矢量推力：U-Lion具有Himax CR3516同轴对转电机。提供的最大推力发动机是由一个3芯锂聚合电池供电,大约30N的推力。它提供了1.7的推重比。万向环固定在两个万向环类似的设计如图1a所示。平衡环的变化通过伺服推力的方向运动。框架伺服系统是硝酸钾HS85MG伺服系统，提供最大6.5 rad/s的转速。带推力矢量的控制运动在垂直起落的六个等级的模式之外，还提供了额外的巡航模式。带推力矢量的最大倾斜角度倾斜方向是30°。带推力矢量直接驱动推进系统依赖输入气流控制表面所需的执行机构。因此U-Lion的飞控性能在垂直起落模式和风力扰动下的过渡过程方面表现很卓越。

（2）可折叠的机翼：“Reconfigurable-wing”设计使U-Lion更有效地适应不同的飞行模式。Reconfigurable函数触发的四杆机构同之前的原型如图1a所示。在垂直起落模式下,折叠机翼来降低风速的影响,也可以用来引导螺旋桨气流尾翼,可以提高尾翼控制的有效性。折叠的机翼也减少偏航方向的惯性矩,拥有更大的偏航可控性。在巡航模式下,展开机翼来提供升力。

（3）多控制面尾翼。先前的VTOL设计碳管十字形结构，用来在着陆打滑。这里U-Lion同样设计这样的尾部结构用于着陆打滑。其尾翼目前的原型（一个十字形结构由碳纤维板）如图1(b)所示。控制表面在垂直起落尾提供额外的控制输入模式,作为在巡航模式中，俯仰和偏航控制致动器。

2.瑞士Wingtra无人机

2016年3月，Wingtra由一家从苏黎世理工学院无人机实验室分离出来建立的企业所创造。研发的复合型无人机采用复合翼方案，配有固定翼，翼前装有螺旋桨。

Wingtra(威特)的优势：

使用方便：

一键垂直起降，全自动执行任务，无需飞控手 ►双桨垂直起飞，双桨固定翼飞行，双桨垂直降落；

使用WingtraPilot任务规划软件进行直观的任务规划；

Wingtra(威特)无人机无人机的激光测距降落系统可以控制无人机降落的准确性，误差小于2米 ►可以在任何地方起飞降落，无需在为找场地而发愁（5平方米的区域即可起飞降落） ►一套供电系统，便可垂直起降，固定翼飞行 ►体积小，单人轻便携带，单人操控作业；

可更换挂载：

同时使用多种传感器采集数据；

热成像与多光谱传感器等多种传感器。

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