碟形飞行器发展现状及其关键技术

碟形飞行器是一种新型旋翼式飞行器。它既可以用于民用事业、满足国防需求，也可以用于开发和利用太空资源、进行太空操作和试验等。相对于其它旋翼式飞行器来说，碟形飞行器能够共享电池和控制电路板等，结构更为紧凑，能产生更大的升力，并且可以通过反扭矩作用使飞行器的扭矩平衡，不需要专门的反扭矩桨，因此，对其进行研究具有重大的现实意义。

对碟形飞行器特别是微型碟形飞行器的研究，不仅可以拓展飞行器的研究领域，探索新型飞行器，不断满足民用、国防以及太空开发等方面的需求，还可以推动相关学科的进一步发展，因此逐渐成为国内外飞行器的一大研究热点。

国内外研究现状

从目前国内外的研究情况来看，对碟形飞行器的研究主要包括非共轴式碟形飞行器和共轴式碟形飞行器两大类。

1.非共轴式碟形飞行器研究情况

(1)美国克莱斯勒公司为美国陆军研制的VZ－7

克莱斯勒公司于1958年为美国陆军研制的VZ－7也称为“飞车”，总共有两个原型，如图1所示。该飞行器长5.2m，宽4.9m，最大起飞重量为770kg，可以运载250kg的载荷，由310kW的涡轴发动机驱动。VZ－7 操作简便，容易起飞，但不能满足速度和高度的要求。

(2)美国德拉甘飞行公司研制的“德拉甘飞行器”3和“德拉甘飞行器”X－Pro

“德拉甘飞行器”3属于四桨碟形飞行器，采用碳纤维和高性能塑料制作本体，具有双重变换调频接收机的CPU控制系统独立控制四个电机，并采用了三个压电晶体陀螺仪来增强机体在俯仰、横滚和偏航方向的稳定性。当利用9.6V、600mAh的镍镉电池时，能飞行5min，负载30g。

“德拉甘飞行器”X－Pro为“德拉甘飞行器”3的改进型。与“德拉甘飞行器”3相比，它具有如下特点：每个电机到螺旋桨之间采用带传动；固定电机用的四根臂可以根据具体情况折叠，以方便运输和保存；采用9通道遥控装置进行俯仰、横滚、偏航以及飞行高度等的控制；电源采用17.5V、3000mAh的镍氢电池，飞行时间为5～6min。

(3)日本基恩斯公司研制的“交战者”GS III E－770和“陀螺蝶形飞行器”II E－570

日本基恩斯公司研制的“交战者”GS III E－770通过压电陀螺进行三轴控制，并允许自由倾斜，可以在无线遥控下飞行3min。该飞行器长500mm, 宽400mm，高120mm，重300g，采用重约120g的7.2V、550mAh的镍镉电池组。

“陀螺蝶形飞行器” II E－570是基恩斯公司研制的四桨碟形飞行器。该飞行器装有两个陀螺，用于位姿和旋转控制，拥有训练模式和初学者模式两种模式，可以进行杂技飞行。飞行器本体由泡沫聚苯乙烯材料制成，本体直径为250mm，桨叶直径为135mm，重90g，遥控半径为10m。它在无缆时可以飞行1到3min，有缆时可以飞行30min。

(4)美国斯坦福大学的Mesicopter

斯坦福大学的Mesicopter是一种厘米尺寸大小的微型直升机。其前期工作阶段主要是研究低雷诺数下的空气动力学特性，对旋翼翼型进行优化设计，研究微型旋翼的加工方法，完成实验样机在一竿臂上的离地起飞。下一步的工作是完成自主飞行和由多个飞行器协助完成具体任务。该飞行器的四个螺旋桨分别由直径3mm、重325mg的微电机驱动，每个螺旋桨直径为1.5cm，厚度仅0.08mm，机身为16mm×16mm的方型框架。

(5)上海交通大学的微型直升机

上海交通大学研制的双螺旋桨直升机机身长16mm，高5mm，重100mg，可在两颗花生米大小的“飞机场”上做垂直升降。当转速达到21000转/min时，机身便微微颤动轻微而起。

2.共轴式碟形飞行器的研究情况

(1)美国西科斯基公司研制的“密码”

“密码”无人共轴式碟形飞行器(见图8)可以垂直起降，并能够悬停。它既可以按照地面的指令飞行，又可以脱离地面的指令自主飞行。“密码”的直径为2m，采用高效率涵道共轴式4桨ABC旋翼系统，两副旋翼反向旋转，以抵消反扭矩。其动力系统为35kW的发动机。“密码”能承载23kg以80节的速度巡航3个小时，升限为2400m，起飞重量为115kg。其操作系统为电传操纵系统，采用差分GPS进行定位和导航。“密码”综合了一系列先进技术，如复合材料技术、无轴承旋翼、电传飞控系统和先进的电子设备。它在军事上可用于侦察、通信中继、电子干扰等；在民用上可用于公用事业，如探测地下管道、反走私、森林防火和灾害中的搜救等。

“密码”2(见图9)是“密码”的改进型，增加了一对机翼，总重100kg，最高飞行速度为230km/h，可以载重20kg进行2个小时的航行，航程180km。

关 键 技 术

微型碟形飞行器目标小、灵活性好、成本低，具有很高的研究价值，目前主要朝着微型化和智能化方向发展。碟形飞行器的研究面临着控制方式、空气动力学、增强稳定性以及动力与能源和通信等方面的问题。

1.新型控制方式的探索

碟形飞行器有两副或者两副以上的升力桨，通过这一特点可以探索新型控制方式。

以四桨碟形飞行器为例。四桨碟形飞行器可以通过控制四个桨翼的转速来控制飞行器实现垂直升降、悬停、转向、左右侧移以及俯仰运动。

(1)垂直升降与悬停。如图10所示，当飞行器的四个桨翼等速度旋转，各桨产生的升力相等，总升力大于或者小于自身重力时，飞行器实现垂直升降；等于自身重力时，实现悬停。

(2)左右侧移与俯仰运动。如图11所示，当右边两桨翼转速低于左边两桨翼转速时，右边两桨翼产生的总升力小于左边两桨翼产生的总升力，机体向右侧移；同理，可以使机体向左侧移及俯仰。

(3)机体旋转。如图12所示，当同一对角线上的一组桨翼转速相同，不同对角线上的桨翼转速不同时，由于反扭矩不能相互抵消，从而可以实现飞行器的转向。

2.空气动力学

旋翼式飞行器具有多变量、非线性交耦和柔性结构的动力学特性，尤其是小型飞行器飞行时，层流起主导作用，能产生相当大的力和力矩。这就需要采用全三维的空气动力学方法进行分析。与二维机翼相比，三维更缺少可用的数据。微小飞行器的翼载很低，惯性几乎不存在，很容易受气流影响。因此很难建立准确的动力学模型。

3.稳定性以及快速响应能力

旋翼式飞行器稳定性差，不易控制，特别是微型飞行器体积小、重量轻、惯性小，而且飞行速度低，因此飞行器容易受气流等外部环境影响，在稳定性方面提出了更高的要求，需要飞行器具有快速响应能力，及时进行自适应调整，确保飞行器稳定性。

4.动力与能源问题

目前用于飞行器的动力主要有内燃机、电动机、脉动式喷气发动机、蒸汽循环式发动机、转子发动机以及火箭发动机等。内燃发动机的热效率只有5％左右，功率密度约1W/g。因此，动力系统的微型化、高密度化以及提高飞行器的续航时间是有待解决的关键问题。

5.机载元件的微型化

飞行器姿态控制系统中的微型地平仪和微型高度计，导航系统中的微型加速度计和微陀螺仪，飞行控制系统中的微型空速计、微型舵机以及在飞行器上应用的微型摄像机、通信系统等，目前的尺寸和重量还偏大。如何实现这些机载元件的微型化和轻型化，是需要解决的又一关键问题。

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