高速旋翼飛行器的案例
推薦||民用高速旋翼飛行器發展戰略分析及關鍵技術展望
民用高速旋翼飛行器發展戰略分析及關鍵技術展望
吳希明，呂樂豐，張廣林
（中國航空研究院，北京 100029）
摘要：面向直升機高速化的發展趨勢，總結了國外高速旋翼飛行器的發展歷程，開展了高速旋翼飛行器與直升機、通航飛機、公路、鐵路等交通運輸工具的效能仿真對比，基于潛在的民用市場需求，綜合分析了高速旋翼飛機器在交通運輸系統和應急救援體系中的優勢與劣勢。結果表明，民用高速旋翼飛行器在中國具有明確的戰略發展定位，一方面可作為交通體系干支通、全網聯的重要節點，以突出的任務效能融入交通運輸應用體系；另一方面，面向中遠程應急救援的需要，可滿足敏捷救援體系響應速度的需求，填補現有直升機應用領域的空白。最后，針對重點發展構型，展望了中國未來民用高速旋翼飛行器的關鍵技術。
關鍵詞：民用高速旋翼飛行器；效能分析；交通運輸應用；中遠程應急救援；關鍵技術；發展戰略
作者簡介：吳希明，男，研究員，博士生導師，南京航空航天大學 80 級校友，國務院特殊津貼專家、航空工業飛行器總體技術首席技術專家、直 10 及直 19 武裝直升機型號總設計師，研究方向：直升機總體設計、高速旋翼飛行器總體設計等。
展開 雙旋翼飛行器如何在旋翼故障時避免墜毀
雙旋翼飛行器（兩軸飛行器，Bi-copter）是一種新構型的無人機，可以通過改變兩個電機的角度來控制姿態。與四旋翼相比，雙旋翼使用更少的電機，因此重量和能耗都更低。在續航能力上，目前續航時間已經是四旋翼無人機的一大痛點，雙旋翼飛行器要比四旋翼更勝一籌，因此更加靈活高效的雙旋翼有較好的發展空間。與四旋翼相比，其僅有的兩個旋翼意味著當某個電機或旋翼發生故障時后果更加嚴重：一旦某個旋翼的拉力減小，機體便會側翻墜落，造成危險。因此，對雙旋翼飛行器的容錯控制研究是很有必要的。
圖1：極飛科技V40無人機
圖2：零零科技V-Coptr Falcon
圖3：一種雙旋翼模型機
本文介紹了雙旋翼飛行器的原理和模型，設計了容錯控制器，可以控制雙旋翼正常飛行，并在不做故障診斷和控制器重構的情況下，發生單側旋翼效率下降或失效故障時使飛行器通過自旋來避免側翻墜落，保持高度和降落。
本文導讀
1. 研究問題
2. 控制器設計
3. 綜合仿真與視景顯示
1. 研究問題
本文所要解決的是雙旋翼飛行器的容錯控制問題，即使得雙旋翼在一側旋翼拉力減小時避免翻轉墜落，保證飛行器的安全，甚至使飛行器可以實現對位置的完全跟蹤。采用被動容錯的方法，不使用故障檢測和隔離（FDI），在正常情況和故障情況下使用同一種控制策略，控制器自行得出當前飛行器的最佳狀態并保持。
展開 飛行器中的“精靈”——CA-X4810四旋翼飛行器
近年來，四旋翼飛行器可謂是航空領域的寵兒。無論是“小巧會飛的照相機”，還是飛行器大賽的種子選手，亦或是電力巡檢、快遞投送、救援搶險的小能手，甚至是披掛上陣，執行軍用任務的空中間諜，你都能看到四旋翼飛行器的身影。
從1970年，法國人發明的世界第一架有人駕駛的四旋翼飛行器升上天空，到近年來逐漸成為主流的微小型多旋翼無人機飛行器，四旋飛行器的發展并不能說是一帆風順。但隨著新材料、微機電、飛機控制等技術的不斷發展，多旋翼飛行器在實現微小轉化后，已經擁有了廣闊的民用和商用前景。
目前，棲云通航公司已上市了CA-X4810四旋翼飛行器。CA-X4810是一款超長續航，融合多功能的四旋翼飛行器。機身使用超輕碳纖維材料與航空鋁合金，相較于傳統金屬材料，結構性增強的同時，質量可以減輕25%。超輕機身巨能飛！
CA-X4810四旋翼飛行器使用了自主研發的超高密度鋰電池，比常用的鋰聚合物電池提高了50%的續航性能，在-40℃的環境下，容量保留率仍能達到70%。高密度電池實現超長續航！
CA-X4810四旋翼飛行器還使用了自主研發的高效率超輕無刷電機，電能轉化效率高達81.9%，最大速度可達到70KM/h，最大爬上速度可達5m/s,懸停時長最高可達100分鐘。輕量化動力系統，實現超高的巡航里程！
展開 傾轉旋翼飛行器旋翼傾轉過程氣動仿真
傾轉旋翼飛行器旋翼傾轉過程氣動仿真
多旋翼+螺旋槳型eVTOL飛行器飛行性能簡要評估
電動旋翼位置兩兩對稱，旋翼前行槳葉和后行槳葉產生的升力差，能夠相互抵消，不需特別調節處理。
參閱《直升機高速之路》
電動旋翼能夠較為容易地調節槳距和轉速，在高速飛行時，能夠降低轉速防止前行槳尖發生局部激波；電動旋翼甚至能夠轉換為自轉旋翼狀態，進一步提高飛行速度。
前向飛行時，電動旋翼可用功率有較大的充裕，能夠靈活調配提高飛行品質，如做大坡度轉向機動。
整機性能：
多旋翼+螺旋槳型 eVTOL 飛行器，電動旋翼和電動螺旋槳在直徑尺寸和數量上，能夠根據飛行器需要功能靈活配置，易于翼身融合整體設計。
參閱《為武裝直升機改裝涵道風扇飛行翼》
電動旋翼和電動螺旋槳直徑尺寸小，機械結構簡單，轉速可調可控，易于飛行器減振降噪設計。
同型號的電動旋翼使用數量多，便于模塊化系列化標準化設計制造，能夠提高產品質量，簡化飛行器的研發制造過程。使用保障時，便于維護修理，備件貯備。
多旋翼能夠建立表決系統可靠性模型，相比直升機單/雙旋翼串聯系統可靠性模型，可靠性程度大為提高。通俗來講，多旋翼能夠保證在幾個電動旋翼不工作時，飛行器仍然可以安全飛行或安全著陸。
適用場景：
多旋翼+螺旋槳型 eVTOL 飛行器，在垂直起降、懸停作業、慢速飛行和快速飛行等綜合性能方面有較大的優勢。適用于山區空中交通運輸、農林工業航空作業、航空應急救援等場合。在軍事應用上，適合于武裝直升機應用場景。
文章來源： 民用無人機產業
展開 旋翼飛行器結構模態分析與調整
對超小型無人旋翼機的機體進行了結構分析．先利用了catia的有限元分析軟件包對結構動力學特性進行分析,計算出了旋翼機的各階頻率與振型。其后通過結構試驗對其計算的結果進行驗證,并且根據計算和實驗的結果進行了結構修正。通過結構的調整和強化,超小型無人旋翼機的機體振幅有所減小,并根據機體的振型模態,飛行控制系統的各類傳感器均安裝在機體振幅較小的位置,改善了傳感器的工作性能。
旋翼飛行器結構模態分析與調整.PDF
四旋翼微型飛行器設計
四旋翼微型飛行器設計.pdf
ABAQUS四旋翼無人飛行器仿真分析
旋翼無人飛行器具有垂直起降／著陸、可懸停、機動性好及結構簡單等多種優點，無論是在軍事領域還是民用領域，都有非常廣泛的應用價值。
作為垂直／短距起降飛行器，多旋翼無人飛行器不受起降場地的限制，具有很強的適應性，一直是各國軍方關注的焦點。多旋翼無人飛行器與常規的飛行器相比，具有垂直起降、著陸、懸停、縱飛和側飛等飛行特性。隨著近年來微電子、微機械、計算機技術及電池等技術的飛速發展，小型四旋翼無人機的體積、重量、靈活性和機動性等多個方面有了長足的進步。根據動力配置形式的不同，旋翼無人飛行器一般有四旋翼、六旋翼和八旋翼等。根據飛行器的飛行方式，一般分為自由型及系留型。目前的產品主要集中在自由型多旋翼，其載重量較小，主要面向航模愛好者，應用領域為航拍，單塊電池僅能支持飛行器滯空１５ｍｉｎ左右。而系留型多旋翼飛行器具有覆蓋面積大、留空時間長、機動性能強及效能費用比高等顯著的特點，無論是在軍事領域還是民用領域，都有非常廣泛的應用價值。四旋翼無人飛行器在結構上更為簡潔：四只旋翼相互抵消扭矩，不需要專門的反扭矩槳；具有更簡潔的控制方式，僅通過改變四只旋翼的轉速即可實現各種姿態控制。因此，系留型四旋翼無人飛行器備受國內外很多專家和學者的關注和研究。
本文以系留型四旋翼無人飛行器為研究對象，采用通用大型有限元分析軟件ABAQUS建立了對應的力學仿真模型。應用該仿真模型對該旋翼無人飛行器在旋翼升力、風載荷及降落沖擊等工況下的結構強度和剛度響應進行了仿真分析，得到了對應的安全裕度數據，為該無人機的結構設計提供了理論依據。
系留型四旋翼飛行器系統是一種有４個螺旋槳且螺旋槳呈十字交叉形式的飛行器，如圖１所示。整個飛行平臺結構包含中心架（設備艙）、支撐臂、起落架及其他系統的受力結構等。
圖１ 系留型四旋翼無人飛行器結構示意圖
在Ａｂａｑｕｓ軟件中建立的有限元模型如圖２所示。
展開 四旋翼無人飛行器仿真分析
四旋翼無人飛行器仿真分析
旋翼無人飛行器具有垂直起降／著陸、可懸停、機動性好及結構簡單等多種優點，無論是在軍事領域還是民用領域，都有非常廣泛的應用價值。
作為垂直／短距起降飛行器，多旋翼無人飛行器不受起降場地的限制，具有很強的適應性，一直是各國軍方關注的焦點。多旋翼無人飛行器與常規的飛行器相比，具有垂直起降、著陸、懸停、縱飛和側飛等飛行特性。隨著近年來微電子、微機械、計算機技術及電池等技術的飛速發展，小型四旋翼無人機的體積、重量、靈活性和機動性等多個方面有了長足的進步。根據動力配置形式的不同，旋翼無人飛行器一般有四旋翼、六旋翼和八旋翼等。根據飛行器的飛行方式，一般分為自由型及系留型。目前的產品主要集中在自由型多旋翼，其載重量較小，主要面向航模愛好者，應用領域為航拍，單塊電池僅能支持飛行器滯空１５ｍｉｎ左右。而系留型多旋翼飛行器具有覆蓋面積大、留空時間長、機動性能強及效能費用比高等顯著的特點，無論是在軍事領域還是民用領域，都有非常廣泛的應用價值。四旋翼無人飛行器在結構上更為簡潔：四只旋翼相互抵消扭矩，不需要專門的反扭矩槳；具有更簡潔的控制方式，僅通過改變四只旋翼的轉速即可實現各種姿態控制。因此，系留型四旋翼無人飛行器備受國內外很多專家和學者的關注和研究。
本文以系留型四旋翼無人飛行器為研究對象，采用通用大型有限元分析軟件Ａｂａｑｕｓ建立了對應的力學仿真模型。應用該仿真模型對該旋翼無人飛行器在旋翼升力、風載荷及降落沖擊等工況下的結構強度和剛度響應進行了仿真分析，得到了對應的安全裕度數據，為該無人機的結構設計提供了理論依據。
系留型四旋翼飛行器系統是一種有４個螺旋槳且螺旋槳呈十字交叉形式的飛行器，如圖１所示。整個飛行平臺結構包含中心架（設備艙）、支撐臂、起落架及其他系統的受力結構等。
展開 直升機旋翼的轉速到底變不變？事實可能與你想的不一樣
但是，直升機飛行狀態是在變化的，飛行姿態在槳距操縱中也會有輕微的改變，因而自動油門系統調整之后，旋翼的拉力大小和方向也會有一定的變化，旋翼的轉速平衡點也會因此有所改變，從總體來說，這個改變幅度是非常小的，因而可以在理論分析中可以認為是不變的。
## 自動油門控制系統
自動油門控制系統將會監控總距的增加，也就是說，如果直升機駕駛員，提拉總距的時候，自動油門系統就會自動的跟隨你提拉的幅度來改變油門的開度來保持旋翼的轉速，一方面這個自動系統能補償的比較準確，另一方面也減輕了飛行員的負擔；但是這個系統也不是萬能的，在某一些特殊的大機動情況下，可能他也不能準確的改變油門開度，這時候呢，還是需要駕駛員手動的調整的。
# 旋翼變轉速的例外情況
## 傾轉旋翼機
傾轉旋翼機可以算是當前在軍民領域都相當熱門的機型了，因為其本身就具有直升機模式和螺旋槳飛機兩種模式，所以它的旋翼至少要有兩套轉速，這也是大型傾轉旋翼機研制難點之一。
## 轉速優化旋翼直升機
轉速優化直升機，例如美國的A160，這類新型直升機為了獲得更長的航時和航程，配備有兩套轉速，懸停一套，巡航一套，巡航時候一般是降低轉速，這樣可以節省燃油和功率消耗。
## 新構型高速旋翼飛行器
當前的高速構型旋翼飛行器，比如前歐洲直升機公司的單旋翼帶機翼帶尾推螺旋槳的高速復合旋翼機：X-3，以及西科斯基的高速剛性共軸雙旋翼復合直升機S-97 掠奪者就都屬于這一類，這類直升機為了提高前飛速度，都會在高速前飛的時候，降低旋翼轉速，因而也有兩套旋翼轉速，他們的旋翼有個新的名稱，叫——Slowed Rotor 。
展開 風干擾下傾轉旋翼飛行器直升機模態預設性能跟蹤控制
關鍵詞
傾轉旋翼機；非線性系統；干擾觀測器；預設性能；神經網絡；跟蹤控制
1 引 言
傾轉旋翼機具有高速飛行、起降不受地形約束等能力，兼具固定翼飛機與直升機的優點
［1］。基于傾轉旋翼機表現出來的優異性能，針對傾轉旋翼機控制問題的研究開始引起國內外研究者的密切關注。
傾轉旋翼機雖然各方面性能突出，但是其結構繁雜，在飛行時機體各構件的相互干擾十分強烈，如雙旋翼的誘導速度干擾、旋翼尾流對機翼的下洗作用等
［2］，所以整個系統的空氣動力學特性求解十分困難。不僅如此，系統還會受到外部風干擾以及系統不確定性的影響，這些都增加了系統建模的難度。傾轉旋翼機還是一個多體、高度耦合、欠驅動的機械系統
［3］。
如何實現對期望信號的快速準確跟蹤也是一個具有挑戰性的問題。在現有的控制技術中，基于系統辨識的控制方法、智能算法（如人工神經網絡）等都可以滿足傾轉旋翼機一定的性能要求
［4］。比如，文獻［
5］提出了一種基于增益調度的多模型方法，針對傾轉旋翼機進行控制器設計；為了消除對模型的精確要求，文獻［
6］提出了一種自適應非線性分層控制器框架，實現了位置系統和姿態系統的控制；文獻［
7］采用非線性模型預測控制實現了傾轉旋翼機自轉和前飛的控制，設計約束和成本函數提高非線性優化的可靠性。但當系統出現大幅度不確定變化以及外部干擾時，這些方法無法保證系統的動態特性，也很難實現對系統的穩定控制。
由于傾轉旋翼機會受到諸如陣風之類的復雜干擾影響，所以為了提高系統的抗干擾能力與動態飛行品質，需要設計干擾觀測器來補償干擾。干擾觀測器的應用十分廣泛。例如，針對萬向節系統中存在的多重干擾問題，文獻［
8］提出了一種基于精細擾動觀測器的速度跟蹤控制器，用于處理多個擾動并提高跟蹤性能。
展開 
我國超高速風洞預計2022年建成，天地往返飛行器高超音速飛行器曝光
8月22日消息，我國JF-22超高速風洞此前已進入現場安裝階段，并已通過專家組中期檢查。在央視報道中，出現了疑似中國新型天地往返飛行器和高超音速飛行器的影子。
風洞被譽為是飛行器的搖籃。在位于北京懷柔科學城，一支幾代人傳承的科研團隊打造出了最新一代JF-22超高速風洞將于明年建成。
飛行器在天上飛，空氣不動，但是我們在地面上的時候，沒有辦法讓飛行器去飛，需要做一個飛行器的模型固定在這，在風洞產生高速的氣流吹這個模型，模擬它在天上飛的過程，這個就是風洞。
爆轟驅動超高速高焓激波風洞簡稱為JF22超高速風洞于2018年3月正式啟動，現在已進入現場安裝階段，完成真空艙、試驗艙和噴管的安裝，并通過專家組中期檢查，將于2022年建成。
▲JF22超高速風洞儀器安裝現場
就是這樣一個項目，經歷數代研發者的不懈努力，在錢學森、郭永懷部署的戰略方向上一路攻關，從高溫材料、到異型構造、再到傳感器設計，科研團隊在無人區反復探索，終于實現了從理論創新到技術創新的跨越。
直到2012年，總長265米、試驗段直徑達3.5米的JF-12復現風洞研制成功，可復現5到9倍聲速的飛行條件，實驗時間超過100毫秒，比其它同類型的激波風洞提高1個量級，成為國際最大、整體性能最先進的激波風洞，為我國航空航天重大任務研制提供了關鍵支撐。
作為研制新一代飛行器的搖籃，JF-22超高速風洞可以復現相當于約30倍聲速的飛行條件。JF-22最核心的技術就是通過正向爆轟驅動器為基本功能，提供平穩的驅動氣流，風洞的試驗能力要比JF-12驅動能力提高10倍。
展開 ElectraFly公司測試單人多旋翼、傾轉機翼復合推進飛行器
美國一家研發單人混合動力電動多旋翼飛行器的初創公司ElectraFly，目前正在研究公司產品的潛在軍事應用，作為軍事后勤保障和士兵運送工具。ElectraFly公司已簽署諒解備忘錄，將于2019年初在猶他州的德塞雷特（Deseret，美國猶他州的別名）無人機系統（UAS）試驗場進行試飛。
公司的創始人約翰·曼寧表示，ElectraFly公司的成立是為了解決多旋翼飛行器的行動范圍和有效載荷受限的問題。這家初創公司的目標是開發混合動力電動私人飛行器，但預計在產品初始階段，主要的用途將是無人機快遞運送。
01
ElectraFlyer原型機作為概念驗證機，展示了飛行器性能和飛行能力。
與傳統的四軸旋翼飛行器相比，ElectraFly公司開發的ElectraFlyer有一些明顯的區別。為了克服限制多旋翼無人機有效載荷和飛行范圍的電池能量密度較低的問題，該飛行器配備了渦輪發動機，在垂直起降過程中渦輪發動機可以向下傾斜產生推力，在平飛時渦輪發動機水平傾轉，產生向后的推力推動飛行器向前飛行。
在重量為75磅飛行器上，渦輪噴氣發動機在其重心附近可產生大約50磅的推力。曼寧表示，這將飛行器垂直起降過程中旋翼需要產生的升力降低到30磅。在初期生產的飛行器中，電力系統與渦輪發動機相互獨立，但渦輪發動機可用于產生電能。
多軸旋翼無人機往往是利用處于同一水平面的旋翼保持空中懸停和盤旋飛行，當機頭向下傾斜時向前飛行前進。曼寧表示，這種飛行方式將導致飛行器的升力降低、阻力增加。
展開 噴氣四軸飛行器AB6 JetQuad，最高速可達402km/h
AB6 JetQuad由位于德克薩斯州的航空航天公司FusionFlight制造，被認為是一個擁有四個微型渦輪噴氣發動機而不是旋翼的四旋翼飛機。
跟AB5相比，發動機得到了改進，燃料和電氣系統、框架（現在可以保護發動機）和推力矢量系統也得到了改進--后者允許發動機噴嘴獨立地向前和向后傾斜，這能讓飛機進行垂直起飛和降落、在原地懸停并過渡到向前飛行。
FusionFlight CEO兼創始人Alex Taits告訴媒體，根據計算機模擬，該無人機應該能以高達250mph（402km/h）的速度飛行--這是在其現有的實用但笨拙的框架下。添加一個空氣動力學套件，理論上可以將這一數字一直提高到400mph（644Km/h）。
AB6的20升油箱據稱可用于25分鐘的盤旋或15分鐘的極速飛行，如果攜帶最大18公斤的有效載荷的話--這些性能數字在較輕的載荷下會有所增加。貨物可以安裝在起落架上，或（如果它足夠小）放置在無人機內的一個隔間里。新機載發電機則可用于為攝像頭或傳感器等設備供電。
飛機本身重24公斤--燃料增加了20公斤--尺寸為長1205毫米、寬931毫米、高402毫米。它使用柴油、煤油或噴氣式A型燃料，其四個發動機可提供700牛頓的綜合推力。用戶可以為自主飛行設定航點或實時遠程控制無人機，最大續航里程為50公里。也就是說，如果增加一個SATCOM接收器，AB6可以從世界上幾乎任何地方進行衛星控制。
該無人機的一些可能的用途包括緊急醫療用品運送和遠程監控。由于它沒有任何可能結冰的外部氣膜，所以它應該比旋翼或固定翼無人機能更好地處理惡劣的天氣。此外，它的噴氣發動機使它能夠達到11千米的高度。
展開 共軸剛性旋翼構型高速直升機發展研究
針對以上現實缺陷，
2008
年美國國會旋翼飛行器核心小組要求制定未來旋翼飛行器戰略發展計劃。在此背景下，未來垂直起降飛行器（
future vertical lift,FVL
）項目被提出，并于
2009
年經美國國防部批準實施。該項目由美國陸軍領銜負責，海軍、空軍、特殊作戰指揮部、海軍陸戰隊和海岸警衛隊等軍兵種參與。
FVL
項目以旋翼飛行器的發展為主，主要著眼于美國軍方和工業部門垂直起降能力和技術的發展，提出充分利用現有資源研發出滿足實戰需求的旋翼飛行器構型，為美國軍方提供更優的旋翼飛行器解決方案，并通過
FVL
項目，充分研究、驗證高速旋翼飛行器的各項關鍵技術，確保美國旋翼飛行器技術領先并持續發展。
FVL
項目計劃在未來
50
多年里替換
6100
多架面臨老齡化的旋翼飛行器，并為此提出了
“
系統家族
”
的概念，強調通用、開放和系列化，涉及輕型、中型和重型直升機研發。輕型將用于替代
“
基奧瓦勇士
”OH-58
直升機；中型將用來替代陸軍的
“
黑鷹
”UH-60
、
“
阿帕奇
”AH-64
和海軍的
“
海鷹
”SH-60
等直升機，大約
4100
架；重型主要用于替代
“
支奴干
”CH-47
直升機。由于
FVL
項目由美軍多軍兵種共同參與，參與方對裝備需求有顯著差異，為此項目團隊于
2015
年引入了
“
任務能力集
”
（
Cap Set
）概念，通過能力集的不同組合構建不同的作戰需求，并牽引不同的平臺研發。
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