新型复合飞行器的特点及应用

摘 要：旋翼飞机对起降的地理位置要求低，飞行稳定，但是速度容易受到自身结构限制，而且负载不能超过最大拉力；固定翼飞机飞行速度快，负载高，却需要很长的滑行距离。可见两者各有优缺点，如果把四旋翼的动力和控制系统加入到固定翼中，让两者取长补短，形成一种兼具两者优点的复合飞行器，是未来飞行器发展的主要方向。

关键词：旋翼；固定翼；机械结构；分析和优化；垂直起降。

0引言

传统四旋翼，灵活性强，能够完成短距离小范围的飞行任务，但是（由于续航问题和旋翼机的爬升原理的限制）在中高空、远航程、高航速应用领域表现欠佳；传统固定翼载重量大、远程快速，但起飞条件高，往往需要长距离的平直跑道，这对发挥固定翼飞机的性能，是不利的，导致使用场地受限，无形中了增加使用成本。

垂直起降型无人机作为无人机家族的重要组成部分，凭借其起降方式灵活、发射回收方便等优点，获得了世界各军事大国的广泛应用和发展。近些年来垂直起降（VTOL）飞行器发展迅速，并获得了一些突破性进展，但仍有许多尚未解决的问题。

1实现原理

要研究垂直起降技术是怎样实现的，就要知道比空气重的飞机是如何飞行的。飞机飞行需要克服两种力—重力和阻力。重力是由飞机的气动面，即机翼和尾翼产生的垂直升力平衡的；阻力则是由发动机提供的水平推力克服的。正常飞机的起飞过程就是飞机在发动机的推动下，在跑道上克服阻力向前滑跑，机翼在空气中直线平移运动，利用特定翼型和飞行状态产生的空气压差获取升力。随着速度的加快，升力也越来越大，当滑跑速度足够大到使机翼产生的升力大于飞机的重量时，飞机就可以离开地面升空飞行了。由于在一定的条件下飞行的阻力远小于飞机的重量，所以飞机的飞行可以实现以小推力托起大重量，也就是推重比小于1，是一种省力的飞行方式。从上面可以看出，飞机要想飞行必须克服重力，而垂直起落飞机由于不需要滑跑，就不可能由机翼产生克服重力的升力。那到底如何才能实现在原地的垂直起降呢？只能有两种方法，一种是喷气反作用力，一种是利用空气动力。喷气反作用力，就是由发动机向下喷气产生的反作用力升力来克服重力实现垂直起降的。办法有三个，一个是偏转发动机的喷管（如英国的鹞式），第二种是直接使用升力发动机提供升力，第三个是前两种办法的组合，同时使用升力发动机和主发动机（如前苏联的雅克）。根据牛顿第三定律，作用力与反作用力大小相等，也就是发动机的的推力与升力相等，那么垂直起降时的推重比就得大于1才能垂直起降，与推重比小于1的飞机的飞行相比，这种反作用力升力并不省力，耗能太多，不实用，因此很难推广。

垂直起降复合飞行器集合了传统两种飞机的优点，取长补短，是未来飞行器方面的主要研究方向，它将把无人机的安全系数提高一个档次，将无人机工作效率提高数倍。

2应用

2.1、物流运输方面：现在国内快递市场容量全球第一，并且以非常高的速度在发展。关于“最后一公里”的问题----中国的快递行业是劳动密集型行业，服务人员的职业素养欠缺；且电子商务企业往往集中在大城市，而越来越多的订单来自于中西部或者三四级中小城市，也使得快递业面临复杂局面。所以真正的问题在于连接网购的两端，物流的发展困局解决应该在分货和最终几公里的配送上面，也就是从配送中心到用户手里的过程，这个环节现有的物流公司不好解决。，但总体的趋势是明确的。即：科技化、自动化、绿色化。目前，农村快递可行的一大关键问题是，如何降低远离仓储空间的偏远地区的快递成本？一些地区基础设施差，以划算的价格抵达这些地点几乎不可能。而无人机能改变这一切，在路修好前把货物送达。无人机团队在两地之间规划了一条固定的航线，避开了学校、居民区等人员密集的场所，并且全程通过GPS进行定位和监控。无人机配送模式，并非真正通过无人机把快递直接送到村民的家里，而是会首先配送到各个村的“乡村推广员”手上，再由他们送到村民手中。

2.2、军用方面。飞行器可在数米至数百米的空中贴近目标执行侦查任务，尤其是在地势险要或者人员无法到达的地区，四轴飞行模式轻松地解决复杂地形问题，能把侦查到的信息传送回来；两种模式都可以用来作为攻击性武器，用于摧毁敌方雷达等电子设备，也可携带武器执行攻击； 未来，复合四旋翼在解决一些相关问题之后在舰载使用方面很有潜力。

2.3、救援方面。向偏远地区提供医疗物资，搜寻灾难的幸存者。 另外在科学研究方面，复合飞行器的设计和研制包含了多种学科高、精、尖技术，涉及一系列综合性科学问题，如：空气动力学，MEMS技术，动力能源，图像处理和通信技术等等。

参考文献：

[1]张啸迟.旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器概念设计研究【J】.航空学报.2015-12-4

[2]何小九.国外垂直起降无人机发展现状及设计制造关键技术【J】.飞航导弹.2016-6-15

[3]刘凯.垂直起降飛行器的发展动态和趋势分析【J】.航空工程进展2015-5-28

[4]万德旺.四旋翼垂直起降机控制问题的研究【D】.哈尔滨工业大学

[5]Magnetorheological finishing of low-gradient curved surfaces based on four-axis linkage technique 【D】. National University of Defense Technology

[6]Study on Disturbance Rejection of Four-axis Turntable in Coaxial Work Mode【D】. Harbin Institute of Technology

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