倾转旋翼无人机集合了旋翼无人机与固定翼无人机的优势,凭借既能高速巡航又能垂直起降、精准悬停的性能被人们称之为空中“混血儿”,是什么样的契机造就了倾转旋翼的出现?是市场多样化的需求?亦或是技术的发展趋势使然?想了解这些,首先就要弄清楚整个无人机世界。

根据艾瑞咨询今年5月中旬制作的《2016年中国无人机行业研究报告简版》IDC预测,到2019年全球无人机年销量将达到393万架,其中消费级300万台,CAGR达到60%;工业级无人机销量为93万台,CAGR达到45%。由此可以看出,消费级无人机的“盛世”之下,工业级无人机的发展存在一定程度的滞后,长此以往将制约无人机市场发展。那么是什么制约工业级无人机的发展?作为工业无人机三大平台的多旋翼、直升机及固定翼自身又作何感想呢?

多旋翼:我要飞得更远

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多旋翼一直是微小型无人机或航模的主流,除此之外多旋翼无人机以其垂直起降,可定点盘旋的优点,同样受到多个领域的青睐,航拍领域应用中,利用多旋翼无人机搭载相机设备,并配备图像传输系统,被人们称为“可飞行的相机”,广泛应用于电力巡线、测绘等行业。然而,由于多旋翼飞行速度慢,航拍过程中不能满足航拍者们对于高空速镜头的拍摄;且飞行半径较短,不能满足工业领域对无人机大航时、长距离的需求,工业市场缺口大。

直升机:我要稳稳的幸福

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无人直升机以其大载荷,在军事领域一直享有盛誉。民用无人直升机沿用了无人直升机在军事领域的优势,植保作业中以其大载荷及强下压风场受到农民的青睐;同样具有着陆场地小、可垂直起降、空中悬停、使用灵活的特点,直升机覆盖了多旋翼作业的一系列领域。市场上无人直升机大批生产或投入实际使用的机型还很少,原因之一就是无人直升机稳定性较差,其操纵和飞行控制比固定翼无人机和有人驾驶直升机要困难的多。与多旋翼无人机一样,航速航程受限使其在工业领域应用中尚留有空白。

固定翼:我只想多看你一眼

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由于固定翼无人机巡航距离远,成本低廉、安全性好,在电力巡线中得到广泛应用。固定翼无人机搭载可见光检测仪与红外热成像仪,对输电线路进行检查和录像,具有高效率、快捷、可靠、不受地域影响等优点,一度成为工业级应用的宠儿。然而航空巡线中,固定翼无人机不能悬停,对线路的近距离观察成为它永远的痛。加之固定翼无人机对于起飞场地的苛刻要求,人们对其在工业领域中的应用总是很纠结。

综上所述,各平台在实际作业中并非得心应手,多平台整合迫在眉睫。在民用无人机下游需求日益广泛的今天,怎样兼顾农业、电力石油、检灾、林业、气象、国土资源、警用、海洋水利、测绘、城市规划等多个行业的应用呢?我们需要一个结合三大平台所有优势又能弥补各自不足的超级 “英雄”出场,来满足民用工业级市场更高的需求。那么这位英雄是谁?他有何本领?会否手持金箍棒,脚踏七彩祥云而来?

工业级市场的具体需求:

  1. 起降场地不能过多限制,要根据作业面实际地形条件,随时升空作业并安全降落。

  2. 巡查过程中要高速机动,在有限续航内,最大化的扩大搜索和巡视的范围,提高作业效率。

  3. 发现作业目标后,要能快速安全的完成由巡航状态到定点悬停状态的转换,制动距离要短。如遇较长较大且问题较多的作业环境,无人机要能满足频繁转换飞行状态的要求。

  4. 针对具体作业点,要能精准定点悬停、详细勘察。要能抵御勘察点周围大风、雾霾、扬尘、雨雪等恶劣气象条件的影响,以及高温、电磁、腐蚀等因素的影响。能够清晰、稳定、细致的勘察,并实现数据的有效采集与及时回传。

  5. 在整体载重能力范围内,尽量减轻飞行平台的自身重量,为搭载大型任务载荷预留更多的载重配额。

那么需求明确了,接下来就有请我们的各路英雄闪亮登场。

复合翼垂直起降:一加一等于二吗?

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复合翼垂直起降属于“1+1型”的垂直起降固定翼,即在固定翼无人机上叠加一套垂直升力系统,从而在结构上基本实现了多旋翼和固定翼的优势结合,基本具备了垂直起降、定点悬停、高速巡航的能力。但由于这种复合翼平台带有固定翼和多旋翼两套动力系统,一套动力系统工作时,另一套基本处于闲置状态,两套动力系统的切换采用的是跳转方式,这种方式在切换过程中稳定性较差,如遇侧风,增加了飞机坠机的风险,而且转换速度较慢、制动距离较长,很难满足频繁、快速、安全转换的实际需求。相对于单动力系统而言两套动力系统无疑增加了机体自身重量,也在一定程度上增大了飞行阻力,影响飞行速度,而且相应的在整体载重量一定的前提下,留给任务载荷的载重量就更加有限,从而相对限制了该方案未来搭载大型任务载荷的扩展能力。

立式垂直起降:大力能出奇迹吗?

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立式垂直起降就是把一款固定翼设计为可以竖起、直起直落的复合型解决方案。它不做结构上的过多变化,奉行“只要马力大,板砖飞上天”的理念。它确实解决了对起降场地的要求问题,在进入固定翼平飞姿态之后,也基本满足了巡航的速度,但由于它是通过整体机身倾转来实现从竖直到平飞的转换,转换的过程需要大幅度调整,操作复杂,转换速度慢。如果强行快速转换姿态,又势必影响飞行的稳定性,所以在实际作业过程中这种机型很难实现在空中急飞急停,急停急飞,频繁转换的具体需求。

以上两种目前常见的复合平台解决方案让我们看到,为了满足工业级市场的具体行业需求,人们确实已经绞尽脑汁,而且取得了相当大的进步,各厂家也做出了各具特色的优化与改进,涌现出了许多在现阶段各类型中非常优秀的产品,值得我们为这些创新和探索点赞。但处女座的小编仍不禁想问,还有没有更加大胆而创新的思路,能更加兼顾和贴近上述的行业需求,我们还能从哪找到一些新的启发和灵感?人们常说最先进的技术和装备往往率先应用在军事领域,那里会不会有我们想要的答案?

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首先让我们看一下军事有人机领域的一些新形势,二战后世界的军事格局正在由大规模全局性战争向局部战争转变,高效快速的特种作战日益成为各国处理局部摩擦和分歧的常用手段。与之相应的军事装备特别是战机为了满足特种作战的新需求,也在悄然发生改变。

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表-1

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表-1中的典型机型V-22鱼鹰式倾转旋翼机是由美国贝尔公司和波音公司联合设计制造的一款倾转旋翼机,在海军计划中,它被定名为HV-22,在陆军中为CV-22,而海军陆战队则称它MV-22。“鱼鹰”的技术要点就在于“倾转”,即在类似固定翼飞机机翼的两翼尖处,各装一套可在水平位置与垂直位置之间转动的旋翼倾转系统组件,当飞机垂直起飞和着陆时,旋翼轴垂直于地面,呈横列式直升机飞行状态,并可在空中悬停、前后飞行和侧飞;在倾转旋翼机起飞达到一定速度后,旋翼轴可向前倾转90°角,呈水平状态,旋翼当作拉力螺旋桨使用,此时倾转旋翼机能像固定翼飞机那样以较高的速度作远程飞行,且制动距离较短。鱼鹰V-22及它所采用的倾转旋翼技术是在美军复杂多变的特种作战需求下应运而生的。而看过我们上期专栏的细心读者一定不难发现,这种特种作战的战场需求和工业级无人机的行业需求惊人的相似。

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表-2

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从表-2的对比中我们不难看出军事上的需求和工业上的需求在根本性质上非常相似。也正是基于这种判断,鱼鹰V-22的设计制造公司之一美国贝尔公司在2003年初为美国海岸警卫队的“深水”项目提供69架“鹰眼”无人机,而“鹰眼”恰恰是缩小版的“鱼鹰”,实现了倾转旋翼技术在无人机上的应用。贝尔公司的鹰眼无人机拉开了倾转旋翼无人机发展的时代大幕,也为工业级无人机解决复杂行业问题提供了启发和借鉴。当下,最火、最大、发展最快、需求最迫切的无人机市场在中国,倾转旋翼在中国有怎样的发展和创新?这些问题,我们将在以后的文章中继续讨论。

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