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★中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所

1　方案目標(biāo)

依據(jù)2018年~2030年民用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展路線圖，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展中的服務(wù)民生、資源檢測(cè)和保護(hù)、氣象探測(cè)、自然災(zāi)害應(yīng)對(duì)、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(yīng)用需求。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在民用市場(chǎng)的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注，如在警用安防、農(nóng)林植保、遙感測(cè)繪等多個(gè)領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)需求較為迫切，且已形成一定的市場(chǎng)規(guī)模，其他行業(yè)的潛在需求也在逐步顯現(xiàn)，民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)應(yīng)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(jī)主要包括固定翼構(gòu)型無(wú)人機(jī)、多旋翼（多軸）無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)、特殊構(gòu)型無(wú)人機(jī)等四大構(gòu)型無(wú)人機(jī)。固定翼構(gòu)型無(wú)人機(jī)是多數(shù)行業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)的主流平臺(tái)，其技術(shù)特點(diǎn)為續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、飛行半徑大、巡航速度快、負(fù)載能力強(qiáng)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(jī)是消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的主流平臺(tái)，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(xù)航時(shí)間短且負(fù)載能力弱；無(wú)人直升機(jī)適用于需垂直起降和自由懸停的應(yīng)用場(chǎng)所，其巡航時(shí)間、負(fù)載能力和巡航速度等指標(biāo)高于多軸無(wú)人機(jī)，但弱于固定翼無(wú)人機(jī)；特殊構(gòu)型無(wú)人機(jī)（復(fù)合翼、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、撲翼等）兼具固定翼無(wú)人機(jī)和旋翼無(wú)人機(jī)的特性，性能指標(biāo)一般介于旋翼類(lèi)和固定翼無(wú)人機(jī)兩者之間。

隨著智能無(wú)人系統(tǒng)飛速發(fā)展及無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，近十年來(lái)，自控所密切跟蹤國(guó)外智能無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展動(dòng)態(tài)和民用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)市場(chǎng)應(yīng)用態(tài)勢(shì)，經(jīng)過(guò)深入調(diào)研，國(guó)內(nèi)垂直起降無(wú)人機(jī)平臺(tái)均為常規(guī)復(fù)合翼構(gòu)型，沒(méi)有類(lèi)似美國(guó)V_bat系列的尾座式垂直起降無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)。

本項(xiàng)目旨在研發(fā)40公斤尾座式垂直起降無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)，充分發(fā)揮自控所GNC專(zhuān)業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，充分利用自控所二十多年無(wú)人機(jī)配套系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，推進(jìn)智能無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展，促進(jìn)無(wú)人系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。

該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)主要功能包括：

（1）全天候長(zhǎng)時(shí)間偵察監(jiān)視、動(dòng)目標(biāo)指示等功能。標(biāo)配載荷采用制冷紅外/可見(jiàn)光/激光測(cè)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(cè)與識(shí)別距離，安裝有激光測(cè)距機(jī)，可對(duì)地面慢速動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)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(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)多種載荷搭載，可拓展多種應(yīng)用能力，如通信中繼、氣象探測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)林植保、地質(zhì)勘查、遙感測(cè)繪、警用安防等。

（3）具備較高的自主飛行能力。飛控系統(tǒng)具備全過(guò)程飛行控制、飛行管理、設(shè)備管理、健康管理、應(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)有一鍵起飛、一鍵返航、快捷設(shè)置興趣點(diǎn)等便捷功能，降低了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)操作人員能力要求；無(wú)人機(jī)操縱面、飛控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路均采用了冗余技術(shù)，具備故障降級(jí)工作能力。

（4）快速拆卸、組裝及便捷運(yùn)輸能力。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，5分鐘內(nèi)可實(shí)現(xiàn)快速拆卸與組裝。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)拆卸包裝后可通過(guò)普通物流運(yùn)輸車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸，具有良好的運(yùn)輸便捷性。

2　方案介紹

2.1　無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)組成

該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)主要由無(wú)人機(jī)、控制站等組成。其中，無(wú)人機(jī)主要由平臺(tái)、動(dòng)力裝置、飛控系統(tǒng)、任務(wù)載荷與數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端等組成，設(shè)備總體布局如圖1所示。

圖1  無(wú)人機(jī)平臺(tái)主要部件布局示意圖

飛機(jī)平臺(tái)：采用大展弦比后掠中單翼身融合布局，機(jī)翼分為內(nèi)外兩段，后緣布置升降副翼，以實(shí)現(xiàn)俯仰和滾轉(zhuǎn)控制；機(jī)身尾段加裝上下垂尾，垂尾后緣布置方向舵，以實(shí)現(xiàn)偏航控制；動(dòng)力裝置分為電驅(qū)動(dòng)四軸對(duì)稱(chēng)與尾推兩部分，皆采用螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)。圖2為該無(wú)人機(jī)平臺(tái)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(jī)起飛和降落階段提供動(dòng)力，而重油發(fā)動(dòng)機(jī)則在整個(gè)飛行階段運(yùn)轉(zhuǎn)。

飛控系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)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(yīng)急處置、設(shè)備管理、健康管理等，保證無(wú)人機(jī)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(shè)備，可進(jìn)入集成空域。

任務(wù)載荷：采用快卸快裝設(shè)計(jì)，可靈活實(shí)現(xiàn)載荷替換，最大任務(wù)載荷重量可達(dá)8千克。

數(shù)據(jù)鏈：采用主、輔鏈路設(shè)計(jì)，構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路的安全冗余。

控制站：主要包括2臺(tái)便攜式工控本、測(cè)控鏈路地面終端等設(shè)備，包裝運(yùn)輸、展開(kāi)撤收方便。控制站人機(jī)功效良好，軟件操作簡(jiǎn)便，可單手操控載荷，使用便捷。控制站實(shí)物如圖4所示。

圖4  便攜式地面站

2.2　無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)

該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）采用尾座式垂直起降復(fù)合旋翼構(gòu)型并采用了模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)氣動(dòng)冗余，具備了多操縱面故障容錯(cuò)能力；

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

（5）飛控系統(tǒng)采用雙余度系統(tǒng)，具備一次故障安全工作的能力；

（6）采用主、備導(dǎo)航模式，提高導(dǎo)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(jī)失效時(shí)平臺(tái)成功著陸概率；

（9）采用發(fā)電和應(yīng)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(cè)距的光電吊艙，實(shí)現(xiàn)晝夜偵察等任務(wù)能力和測(cè)距定位能力。

2.3　無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)

目前，市場(chǎng)上40公斤級(jí)起飛重量的無(wú)人機(jī)平臺(tái)主要有無(wú)人直升機(jī)、多旋翼機(jī)、常規(guī)復(fù)合翼無(wú)人機(jī)等，該尾座式垂直起降無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)具有的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下。

該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)與市場(chǎng)上同等起飛重量級(jí)別的無(wú)人直升機(jī)、旋翼無(wú)人機(jī)相比，續(xù)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(biāo)均具有明顯優(yōu)勢(shì)，續(xù)航時(shí)間等指標(biāo)在一倍以上，系統(tǒng)通用質(zhì)量特性也優(yōu)勢(shì)明顯。

該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)與市場(chǎng)上同等起飛重量級(jí)別的常規(guī)復(fù)合翼無(wú)人機(jī)相比，飛行速度、安全性等主要指標(biāo)也具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3　代表性及推廣價(jià)值

40公斤級(jí)尾座式垂直起降無(wú)人機(jī)平臺(tái)國(guó)是行業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，在國(guó)內(nèi)處于技術(shù)領(lǐng)先地位。

多個(gè)用戶采用該無(wú)人機(jī)平臺(tái)（總共數(shù)十架無(wú)人機(jī)）很好地完成了區(qū)域巡查、目標(biāo)監(jiān)視、損傷評(píng)估等作業(yè)任務(wù)，獲得了用戶的一致好評(píng)。截至目前，該型無(wú)人機(jī)平臺(tái)由用戶方經(jīng)過(guò)數(shù)百架次、總飛行上千小時(shí)的試飛作業(yè)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、操作簡(jiǎn)單、使用便捷，總體應(yīng)用效果良好。

該無(wú)人機(jī)平臺(tái)起/降場(chǎng)地要求低，降落點(diǎn)控制精度高（米級(jí)），可滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)應(yīng)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(xiàn)起降，起降使用便捷；該無(wú)人機(jī)平臺(tái)通過(guò)替換載荷可適應(yīng)服務(wù)民生、資源監(jiān)測(cè)和保護(hù)、氣象探測(cè)、自然災(zāi)害應(yīng)對(duì)、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(shù)十種應(yīng)用，具有十分廣闊的應(yīng)用前景和較大的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)價(jià)值。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年6月刊