★中國航空工業(yè)集團公司西安飛行自動(dòng)控制研究所

1　方案目標

依據2018年~2030年民用無(wú)人機系統發(fā)展路線(xiàn)圖，無(wú)人機系統在國民經(jīng)濟建設發(fā)展中的服務(wù)民生、資源檢測和保護、氣象探測、自然災害應對、公共安全服務(wù)和科考研究等六大方向三十多個(gè)領(lǐng)域共有上百種應用需求。近年來(lái)，無(wú)人機在民用市場(chǎng)的應用受到越來(lái)越多的關(guān)注，如在警用安防、農林植保、遙感測繪等多個(gè)領(lǐng)域，無(wú)人機系統需求較為迫切，且已形成一定的市場(chǎng)規模，其他行業(yè)的潛在需求也在逐步顯現，民用無(wú)人機市場(chǎng)應用前景廣闊、潛在市場(chǎng)空間巨大，將進(jìn)入快速發(fā)展期。

無(wú)人機主要包括固定翼構型無(wú)人機、多旋翼（多軸）無(wú)人機、無(wú)人直升機、特殊構型無(wú)人機等四大構型無(wú)人機。固定翼構型無(wú)人機是多數行業(yè)級無(wú)人機的主流平臺，其技術(shù)特點(diǎn)為續航時(shí)間長(cháng)、飛行半徑大、巡航速度快、負載能力強等，但其起降要求高且無(wú)法定點(diǎn)懸停；多旋翼（多軸）無(wú)人機是消費級無(wú)人機的主流平臺，其技術(shù)特點(diǎn)為起降要求低、可懸停、操控性佳、成本低，但續航時(shí)間短且負載能力弱；無(wú)人直升機適用于需垂直起降和自由懸停的應用場(chǎng)所，其巡航時(shí)間、負載能力和巡航速度等指標高于多軸無(wú)人機，但弱于固定翼無(wú)人機；特殊構型無(wú)人機（復合翼、傾轉旋翼機、撲翼等）兼具固定翼無(wú)人機和旋翼無(wú)人機的特性，性能指標一般介于旋翼類(lèi)和固定翼無(wú)人機兩者之間。

隨著(zhù)智能無(wú)人系統飛速發(fā)展及無(wú)人機系統在經(jīng)濟建設中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用，近十年來(lái)，自控所密切跟蹤國外智能無(wú)人系統發(fā)展動(dòng)態(tài)和民用無(wú)人機系統市場(chǎng)應用態(tài)勢，經(jīng)過(guò)深入調研，國內垂直起降無(wú)人機平臺均為常規復合翼構型，沒(méi)有類(lèi)似美國V_bat系列的尾座式垂直起降無(wú)人機系統平臺。

本項目旨在研發(fā)40公斤尾座式垂直起降無(wú)人機系統平臺，充分發(fā)揮自控所GNC專(zhuān)業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，充分利用自控所二十多年無(wú)人機配套系統研發(fā)經(jīng)驗，推進(jìn)智能無(wú)人系統發(fā)展，促進(jìn)無(wú)人系統在國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮更大的作用。

該無(wú)人機系統平臺主要功能包括：

（1）全天候長(cháng)時(shí)間偵察監視、動(dòng)目標指示等功能。標配載荷采用制冷紅外/可見(jiàn)光/激光測距三光光電載荷，具備全天時(shí)工作能力；采用制冷紅外傳感器提高了紅外探測與識別距離，安裝有激光測距機，可對地面慢速動(dòng)態(tài)目標進(jìn)行持續定位與指示。

（2）快速載荷替換能力。載荷艙段采用了快捷拆卸方式，可以快速適配搭載多種載荷類(lèi)型；系統采用標準載荷通信接口、兼容多種載荷協(xié)議，可適配多種載荷的控制與通信；通過(guò)快速載荷替換，實(shí)現多種載荷搭載，可拓展多種應用能力，如通信中繼、氣象探測、災害監測、農林植保、地質(zhì)勘查、遙感測繪、警用安防等。

（3）具備較高的自主飛行能力。飛控系統具備全過(guò)程飛行控制、飛行管理、設備管理、健康管理、應急處理等自主控制與管理功能，自主化控制程度高；飛控系統設計有一鍵起飛、一鍵返航、快捷設置興趣點(diǎn)等便捷功能，降低了無(wú)人機系統操作人員能力要求；無(wú)人機操縱面、飛控系統、電氣系統、數據鏈路均采用了冗余技術(shù)，具備故障降級工作能力。

（4）快速拆卸、組裝及便捷運輸能力。無(wú)人機系統采用模塊化設計，5分鐘內可實(shí)現快速拆卸與組裝。無(wú)人機系統拆卸包裝后可通過(guò)普通物流運輸車(chē)進(jìn)行運輸，具有良好的運輸便捷性。

2　方案介紹

2.1　無(wú)人機系統平臺組成

該無(wú)人機系統平臺主要由無(wú)人機、控制站等組成。其中，無(wú)人機主要由平臺、動(dòng)力裝置、飛控系統、任務(wù)載荷與數據鏈機載終端等組成，設備總體布局如圖1所示。

圖1  無(wú)人機平臺主要部件布局示意圖

飛機平臺：采用大展弦比后掠中單翼身融合布局，機翼分為內外兩段，后緣布置升降副翼，以實(shí)現俯仰和滾轉控制；機身尾段加裝上下垂尾，垂尾后緣布置方向舵，以實(shí)現偏航控制；動(dòng)力裝置分為電驅動(dòng)四軸對稱(chēng)與尾推兩部分，皆采用螺旋槳發(fā)動(dòng)機。圖2為該無(wú)人機平臺平飛時(shí)的固定翼狀態(tài)，圖3為起降時(shí)的旋翼狀態(tài)。

圖2  固定翼狀態(tài)

圖3  旋翼狀態(tài)

動(dòng)力裝置：動(dòng)力裝置采用油電動(dòng)力混合推進(jìn)，其中電動(dòng)裝置僅在無(wú)人機起飛和降落階段提供動(dòng)力，而重油發(fā)動(dòng)機則在整個(gè)飛行階段運轉。

飛控系統：主要實(shí)現無(wú)人機在飛行過(guò)程中的狀態(tài)管理、能源管理、飛行控制、飛行管理、應急處置、設備管理、健康管理等，保證無(wú)人機全飛行過(guò)程的飛行安全以及任務(wù)的完成。配套有ADS-B設備，可進(jìn)入集成空域。

任務(wù)載荷：采用快卸快裝設計，可靈活實(shí)現載荷替換，最大任務(wù)載荷重量可達8千克。

數據鏈：采用主、輔鏈路設計，構成數據鏈路的安全冗余。

控制站：主要包括2臺便攜式工控本、測控鏈路地面終端等設備，包裝運輸、展開(kāi)撤收方便?？刂普救藱C功效良好，軟件操作簡(jiǎn)便，可單手操控載荷，使用便捷?？刂普緦?shí)物如圖4所示。

圖4  便攜式地面站

2.2　無(wú)人機系統主要技術(shù)特點(diǎn)

該無(wú)人機系統平臺主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）采用尾座式垂直起降復合旋翼構型并采用了模塊化設計，實(shí)現迅速出動(dòng)、安全起降能力；

（2）大量采用冗余技術(shù)，具有較高的使用安全性和任務(wù)可靠性；

（3）采用多操縱面實(shí)現氣動(dòng)冗余，具備了多操縱面故障容錯能力；

（4）起降階段采用氣動(dòng)+直接力復合控制；提高抗風(fēng)能力，提升安全性；

（5）飛控系統采用雙余度系統，具備一次故障安全工作的能力；

（6）采用主、備導航模式，提高導航定位信息完備性，提升使用安全性；

（7）采用主、輔鏈路配置，提高抗干擾能力；

（8）采用電動(dòng)和油動(dòng)混合推進(jìn)方式，提高發(fā)動(dòng)機失效時(shí)平臺成功著(zhù)陸概率；

（9）采用發(fā)電和應急能源供電兩種能源方式，提高供電可靠性；

（10）采用集成可見(jiàn)光、紅外、激光測距的光電吊艙，實(shí)現晝夜偵察等任務(wù)能力和測距定位能力。

2.3　無(wú)人機系統主要技術(shù)優(yōu)勢

目前，市場(chǎng)上40公斤級起飛重量的無(wú)人機平臺主要有無(wú)人直升機、多旋翼機、常規復合翼無(wú)人機等，該尾座式垂直起降無(wú)人機系統平臺具有的主要技術(shù)優(yōu)勢如下。

該無(wú)人機系統平臺與市場(chǎng)上同等起飛重量級別的無(wú)人直升機、旋翼無(wú)人機相比，續航時(shí)間、作業(yè)半徑、飛行速度、飛行高度、抗風(fēng)能力、任務(wù)載重能力、實(shí)用升限、安全性等主要指標均具有明顯優(yōu)勢，續航時(shí)間等指標在一倍以上，系統通用質(zhì)量特性也優(yōu)勢明顯。

該無(wú)人機系統平臺與市場(chǎng)上同等起飛重量級別的常規復合翼無(wú)人機相比，飛行速度、安全性等主要指標也具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。

3　代表性及推廣價(jià)值

40公斤級尾座式垂直起降無(wú)人機平臺國是行業(yè)內首創(chuàng )，在國內處于技術(shù)領(lǐng)先地位。

多個(gè)用戶(hù)采用該無(wú)人機平臺（總共數十架無(wú)人機）很好地完成了區域巡查、目標監視、損傷評估等作業(yè)任務(wù)，獲得了用戶(hù)的一致好評。截至目前，該型無(wú)人機平臺由用戶(hù)方經(jīng)過(guò)數百架次、總飛行上千小時(shí)的試飛作業(yè)，系統工作穩定、質(zhì)量可靠、操作簡(jiǎn)單、使用便捷，總體應用效果良好。

該無(wú)人機平臺起/降場(chǎng)地要求低，降落點(diǎn)控制精度高（米級），可滿(mǎn)足絕大多數應用場(chǎng)景對應場(chǎng)地起降要求，也可在臨時(shí)搭建的起降場(chǎng)地（如水平放置的木板等）實(shí)現起降，起降使用便捷；該無(wú)人機平臺通過(guò)替換載荷可適應服務(wù)民生、資源監測和保護、氣象探測、自然災害應對、公共安全服務(wù)、科考研究等六大方向的大部分領(lǐng)域的數十種應用，具有十分廣闊的應用前景和較大的國民經(jīng)濟建設價(jià)值。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年6月刊