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無距科技發布傾轉系列無人機,從飛控邁向整機

無距科技發布傾轉系列無人機,從飛控邁向整機

今天(6月14日),無距科技在北京中關村國家自主創新示範區展示中心召開發布會,現場發布了多款新品,包括國內首款串列翼傾轉旋翼無人機「無距」、「遼」系列矢量多軸旋翼無人機、工業級THONE-I型飛控。

無距科技總經理蘇文博在發布會上介紹產品/圖 來源宇辰網

瀋陽無距科技有限公司(以下簡稱「無距科技」)總經理蘇文博表示,本次發布的兩款無人機,是無距科技從核心飛控產品升級融合到整機產品發展的一個里程碑。

不是所有的複合翼都叫傾轉旋翼

自從民用無人機的市場被打開后,消費級無人機風頭不減,但不少業內人士認為無人機的潛力應該在具體的行業應用,比如植保、測繪、巡檢、安防等。

目前市場上充斥著多軸旋翼,其優點顯而易見,結構簡單、易操作、可垂直起降,對場地要求低,但囿於無人機平台的可靠性與續航,多軸在很多應用領域並不見得是最優的選擇。考慮到續航與載荷的問題,在測繪等對滯空時間要求較高的領域,更多的採用固定翼方案,但固定翼對場地的要求較高,需要較長的跑道或者彈射起飛,局限性同樣明顯。

偏偏行業應用大多需要在複雜情況下起飛,又對續航和載荷有較高的要求,因此,複合平台解決方案應運而生。目前,行業級無人機中,較為常見的是複合翼垂直起降(或者垂直起降固定翼)。

蘇文博表示,「無距」這款串列翼傾轉旋翼無人機就是針對市場的痛點來研發的。

在此,首先要區分一下垂直起降固定翼機與傾轉旋翼機。

垂直起降固定翼是在固定翼無人機上疊加一套垂直升力系統,從而在結構上基本實現了多旋翼和固定翼的優勢結合,基本具備了垂直起降、定點懸停、高速巡航的能力。

垂直起降固定翼/圖 來源網路

這種組合是典型的取長補短模式,固定翼續航時間長,但起降需要跑道;多旋翼可垂直起降又能懸停,但續航問題無法解決,乾脆把二者捆綁,功能也就疊加了,但這其中沒有考慮太多的動力復用和氣動減阻。

不過,複合翼平台搭載固定翼和多旋翼兩套動力系統,工作原理是:在起降及低速狀態下按照多軸模式飛行,通過多個螺旋槳產生的拉力克服重力和氣動阻力進行飛行;而在高速狀態下,切換至固定翼模式飛行,通過氣動升力克服重力,通過拉力向前的螺旋槳克服氣動阻力實現飛行。可見,在其中一套動力系統工作時,另一套基本處於閑置狀態,兩套動力系統之間切換採用的是跳轉方式,這種方式在切換過程中穩定性較差,如遇側風,增加了飛機墜機的風險,這就對飛行平台控制的自適應能力有較高的要求。

另外,相對於單動力系統而言兩套動力系統無疑增加了機體自身重量,也在一定程度上增大了飛行阻力,影響飛行速度,在整體載重量一定的前提下,留給任務載荷的載重量就較為有限,從而相對限制了該方案未來搭載大型任務載荷的擴展能力。

無距科技發布會現場/圖 來源宇辰網

蘇文博指出,垂直起降固定翼的問題在於無法實現多點懸停,負責多旋翼的動力通常是鋰電池,懸停十分耗費能源,飛機整機需要考慮整體的效率,一旦分配給多旋翼的能量增加了,勢必要增加鋰電池的用量,而鋰電池的體積和重量增大,會影響到整機的效率。所以,垂直起降固定翼的鋰電池能量,只夠起飛和降落,不能支撐其實現懸停。

而無距科技今天發布的傾轉旋翼機,則是在類似固定翼飛機機翼的兩翼尖處,各裝一套可在水平位置與垂直位置之間轉動的旋翼傾轉系統組件,當飛機垂直起飛和著陸時,旋翼軸垂直於地面,呈橫列式直升機飛行狀態,並可在空中懸停、前後飛行和側飛;在傾轉旋翼機起飛達到一定速度后,旋翼軸可向前傾轉90°角,呈水平狀態,旋翼當作拉力螺旋槳使用,此時傾轉旋翼機能像固定翼飛機那樣以較高的速度作遠程飛行。

在兩種模式間轉換時,如果只有旋翼/驅動軸傾轉,發動機艙保持不動的,則為傾轉旋翼/驅動軸式;發動機艙跟著旋轉的,即為傾轉旋翼式;連同整個機翼一起旋轉的,即傾轉機翼式。「無距」屬於第一種,據蘇文博解釋,該方案在控制方面的突破更難。

根據上文簡單的介紹,儘管垂直起降固定翼與傾轉旋翼均屬於複合翼平台,但兩者在設計理念、機體結構、工作原理等方面皆不相同。

無距科技研發的串列翼傾轉旋翼無人機「無距」/圖 來源宇辰網

不過,也有專家承認垂直起降固定翼是費效比最高的設計,在小體積的飛機上為了一點點的效率提升,去做傾轉旋翼或者機臂摺疊等,那麼可靠性和成本都會大幅度提升。

蘇文博反問:都考慮費效比,那麼誰來做呢?最後這一點效率就不提升了嗎?

做飛碟一樣的無人機

此前有業內人士指出,目前的技術,要用傳統旋翼動力解決旋翼機慢速、短航程、低載荷最有效的方案,就是傾轉旋翼系統。

傾轉旋翼機最早應用於軍事,傾轉旋翼飛行器的概念最早可追溯到上個世紀三十年代。當時,Weserflug飛機製造公司的德國工程師們開始研製橫列式雙旋翼飛行器,但二戰結束后,該項目不了了之,1950年,貝爾直升機公司推出了XH-33傾轉旋翼方案,通過控制傾角實現垂直起飛、過渡前飛和平飛動作。80年代后,傾轉旋翼機獲得了美國陸軍的支持,由此引出了V-22「魚鷹」。

目前全球惟一成熟的傾轉旋翼機V-22可以說是集五十年之大成,並且V-22 也是歷史上第一架且僅有的一架可以垂直/短距起落的量產型運輸機。

這主要是由於傾轉旋翼機的研製技術難度大,不僅擁有固定翼飛機和直升機所擁有的各種技術難點,同時還有許多傾轉旋翼機獨特的技術問題,其結構、氣動、控制等技術比一般飛機或直升機複雜得多。

V-22在研發過程中七架原型機摔了一半,總投資在500億美元以上。可見研發難度之大、投入成本之高,技術和資金不到位的企業不敢輕易接觸。

隨著軍民融合的趨勢加快以及軍用技術的外溢,再加上行業級應用中對複合平台的迫切需求,民用市場上也有人研發傾轉旋翼系統。宇辰網記者在各類展會上也曾見到傾轉旋翼無人機展出過,但大多是概念機、原型機或工程機,離正式上市量產還有一定的距離。

對此,蘇文博解釋到,目前很多團隊沒有攻克傾轉旋翼系統的關鍵在於人才的整合還不到位,「懂控制的不懂結構,懂結構的不懂氣動,懂氣動的不懂飛控,」蘇文博說,「傾轉旋翼是個系統工程,缺了哪一環都不行。」

無距科技研發的串列翼傾轉旋翼無人機「無距」/圖 來源宇辰網

在技術這一塊,無距科技核心技術團隊擁有中科院背景,「無距」串列翼傾轉旋翼無人機擁有11項關鍵技術專利,主要在飛控、氣動、結構等方面有所創新和突破。並且,改善了垂直起降固定翼在多種模態下切換的不及時,在多旋翼模態、傾轉多旋翼模態和固定翼模態之間切換時具備高度的敏捷性。

蘇文博認為,未來的無人機就該像科幻電影中的飛碟一樣,能垂直起降,能高速飛行,想懸停立馬就能停住。

蘇文博(左三)向參觀者介紹傾轉旋翼的原理/圖 來源宇辰網

宇辰網記者注意到「無距」無人機使用的是串列雙翼布局,關於為何採用該布局,無距科技總經理助理韓來旺表示,使用雙翼能有效減少翼展長度,同時降低飛機的慣量,從而使其更具機動性。

自20世紀70年代以來,串列雙翼就成為受歡迎的布局,該布局除了能夠增加整體結構剛度,還能通過改變機翼之間的升力分佈,使飛機的配平阻力降低,性能更加優異。

串列雙翼的前後機翼通常不處於同一平面。可以採用前翼下置,后翼上置,這樣前翼的下洗氣流不至於對后翼造成不利影響;也可以前翼上置,后翼下置,這樣可以利用前翼的下洗氣流為後機翼上的表面氣流加速,增強后翼的升力。「無距」串列翼傾轉旋翼無人機採用的就是前者。

由於串列雙翼布局重心分佈與兩翼之間,前後翼在飛行中均產生正升力,其巡航氣動性能要略優於單機翼布局。正因如此,「無距」的最大飛行速度可達120km/h,續航時間達90min,巡航距離90km。

據無距科技工作人員介紹,「無距」無人機可廣泛應用於電力巡檢、油氣管道巡線、地質勘測、軍用偵查、安防巡護、森林防火、環境監測、搜索救援、農作物數據監測等領域。

旋翼還能這麼玩?

除了推出的「無距」串列翼傾轉旋翼無人機外,無距科技還發布了一款全新的四旋翼無人機——矢量多旋翼無人機「遼」。在蘇文博看來,「遼」也是屬於未來的無人機。

常見的多旋翼無人機,其搭載的光電感測器設備通常在無人機重心處,「普通的四軸航拍機,雲台都是掛在無人機下方的,」韓來旺說,「這樣很穩定,但是不可避免造成相機的視場角有限。」傳統的無人機工作時在頂部及其他角度存在視覺盲區——被機體本身擋住或者受制於雲台的角度。

「遼」矢量多旋翼無人機/圖 來源宇辰網

但「遼」矢量多旋翼無人機利用傾轉技術,最大限度的減少盲區,「在飛行時,『遼』可以通過改變旋翼的傾角,實現飛機姿態的俯仰變化,」韓來旺指出,「在俯仰方向上,機身角度最大可以上仰或下俯45度。」因此,「遼」可實現全向巡檢,滿足橋樑、隧道巡檢等對巡檢視角要求高的場合。

多旋翼是通過改變槳葉轉速實現方向的改變,因此,在向前飛行時,機身是傾斜的,與地面有很大的姿態角,而「遼」僅需要通過槳面的傾斜,使機身始終保持與地面平行,大大減少了空氣阻力,也節省了能耗,能實現0-100km瞬間加速僅需6秒。並且,在同等無人機體積條件下,飛行過程中受外力干擾影響降低33%以上。

另外,「遼」憑藉X型獨立旋轉旋翼結構,可任意改變飛行模態並保持精準懸停,同時其抗風性能也大大增強。「抗風性一方面是指在風中飛機的速度要大於風速,這樣才能抵抗風速,防止被風吹跑;」韓來旺說,「另一方面是指,在陣風環境中飛機能快速反應,用極高的靈敏性和機動性調整自己的姿態和速度,達到在陣風中穩定懸停的目的。」據了解,「遼」的抗風性達到7級,正是得益於其高度的飛行機動性和敏捷性。

另外,「遼」可以提供多種掛載系統方案,滿足不同行業應用需求。

蘇文博強調,無距科技更注重的專業,而不是具體的行業應用,公司看重的是技術,甚至願意開放給企業,做定製型的平台。但「教會徒弟,餓死師傅」這事還少嗎?

「不怕競爭對手太多麼?」

「給我該有的尊嚴就行。」

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