符長青

多旋翼電動(dòng)垂直起降飛行器案例

德國初創(chuàng)公司Volocopter的多旋翼eVTOL產(chǎn)品方案

多旋翼電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）是最早進(jìn)入人們視野，最早獲得大家認(rèn)可的機(jī)種，例如世界上第一架載人試飛成功的電動(dòng)垂直起降飛行器就是一架德國的多旋翼無人機(jī)，共有18個(gè)開放螺旋槳（旋翼）。2011年10月21日原型機(jī)載人首飛成功后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員隨后成立了初創(chuàng)公司Volocopter，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并投入正式生產(chǎn)，如圖1所示。

現(xiàn)在，德國eVTOL初創(chuàng)公司Volocopter宣布已獲得歐洲航空安全局（EASA）的制造商許可證，有望成為首家提供商業(yè)空中出租車服務(wù)的公司。此外，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）于2020年12月22日宣布，已接受了該公司的適航審批申請(qǐng)。一旦FAA完成這項(xiàng)工作，德國Volocopter公司將能夠在美國提供飛行出租車服務(wù)。

空客公司的多旋翼eVTOL產(chǎn)品方案

空中客車公司，簡稱空客公司是歐洲一家民航飛機(jī)制造公司，由德國、法國、西班牙與英國聯(lián)合創(chuàng)立，于1970年在法國圖盧茲成立。2019年3月11日，該公司研制的“城市空中客車”（CityAirbus）eVTOL驗(yàn)證機(jī)，在德國因戈?duì)柺┧厥泄_亮相，并在該市進(jìn)行了可行性測試，完成了首次懸停飛行。德國聯(lián)邦交通部長安德烈亞斯·舍耶在該機(jī)亮相時(shí)表示：德國將迅速采取行動(dòng)，為電動(dòng)垂直起降空中出租車制定法律框架。

CityAirbus氣動(dòng)布局為4軸8槳分布式電力推進(jìn)系統(tǒng)模式（如圖2所示），采用4個(gè)下半涵道風(fēng)扇，布局在駕駛艙頂部的兩側(cè)。每個(gè)下半涵道風(fēng)扇由一對(duì)同軸反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳組成，其中每個(gè)下螺旋槳外面安裝了一個(gè)涵道；上螺旋槳為開放螺旋槳，外面沒有安裝涵道，其安裝位置經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高巡航飛行性能。

該型號(hào)外形尺寸：長8m，寬8m，高3m，螺旋槳直徑2.8m，最大起飛重量2.2t，乘客人數(shù)4人，飛行速度120km/h，續(xù)航時(shí)間15min，動(dòng)力系統(tǒng)為全電動(dòng)，節(jié)能減排，無污染，噪聲低。缺點(diǎn)是續(xù)航時(shí)間短，航程受限。

駿馬集團(tuán)的多旋翼eVTOL產(chǎn)品方案

駿馬集團(tuán)（Workhorse）位于美國俄亥俄州，主要業(yè)務(wù)包括無人機(jī)和卡車生產(chǎn)制造。因此，該公司既能從卡車業(yè)務(wù)中獲得自動(dòng)駕駛技術(shù)，又能從無人機(jī)業(yè)務(wù)中獲得油電混合動(dòng)力技術(shù)，然后將這兩種關(guān)鍵技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于“確信飛行”（SureFly）電動(dòng)垂直起降飛行器。

2017年6月“確信飛行”電動(dòng)垂直起降飛行器在法國舉行的巴黎航展上正式亮相。2018年4月在美國俄亥俄州辛辛那提市倫肯機(jī)場成功完成首次飛行，并于同年8月開展了多次飛行測試（如圖3所示）。2018年11月，美國陸軍與駿馬集團(tuán)簽訂合作研究與開發(fā)協(xié)議（CRADA），旨在探索該輕型飛行器的潛在作戰(zhàn)能力。2019年底，“確信飛行”電動(dòng)垂直起降飛行器獲得美國聯(lián)邦航空管理局頒發(fā)的型式認(rèn)證。

上升飛機(jī)公司的多旋翼eVTOL產(chǎn)品方案

美國上升（LIFT）飛機(jī)公司2021年6月21日宣布與美國Qarbon航宇公司建立合作伙伴關(guān)系，共同開發(fā)制造該公司取名為“六面體”（Hexa）的電動(dòng)垂直起降飛行器。

該機(jī)采用多旋翼無人機(jī)類型的氣動(dòng)布局，機(jī)體上方配備有18個(gè)開放螺旋槳。全機(jī)空重190kg，由全電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力。機(jī)體下方安裝了浮筒起落架，浮力可以支撐其在水面漂浮，是一款單座、兩棲的產(chǎn)品，如圖4所示。由于“六面體”滿足美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的103部超輕機(jī)水上型的重量相關(guān)規(guī)定，因此該機(jī)理論上可以按照103部超輕機(jī)進(jìn)行飛行，即無須進(jìn)行適航審定，飛行員無須飛行執(zhí)照和體檢，但不能飛越人群密集地區(qū)。該型號(hào)通過招標(biāo)程序，成功入選為美國空軍“敏捷至上”試飛機(jī)型項(xiàng)目。

2022年6月，“六面體”成功通過了在美國俄亥俄州的希利亞德市舉行的“緊急救援應(yīng)用場景”實(shí)際飛行測試，測試的內(nèi)容包括eVTOL快速響應(yīng)、低空空域管理、先進(jìn)空中交通（AAM）系統(tǒng)整合等內(nèi)容，參與測試的單位包括該市的警察、醫(yī)療急救、搜救、消防等機(jī)構(gòu)。

阿拉卡技術(shù)公司的氫燃料多旋翼eVTOL產(chǎn)品方案

美國阿拉卡技術(shù)（Alakai Technologies）公司成立于2006年，總部位于美國馬薩諸塞州。2019年5月推出了世界上第一個(gè)使用氫燃料電池的電動(dòng)垂直起降飛行器，命名斯楷（Skai）。氫燃料電池是一種零排放、可靠、安全和環(huán)境清潔的能源，能量轉(zhuǎn)換效率高，容量大，比能量高、功率范圍廣。燃料電池主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本高，僅限于一些特殊用途方面。

斯楷采用多旋翼無人機(jī)類型的氣動(dòng)布局，機(jī)體上方安裝有6個(gè)開放螺旋槳，最大續(xù)航時(shí)間為4h，最大航程600km，最多可乘坐5名乘客，如圖5所示。機(jī)體頂部上方安裝了迫降用降落傘裝置，以防萬一遇到極端情況時(shí)能進(jìn)行整機(jī)傘降，確保乘客生命安全。

以色列飛機(jī)公司的多旋翼eVTOL產(chǎn)品方案

以色列公司Air是一家科技初創(chuàng)企業(yè)，于2018年在以色列成立，總部位于特拉維夫。其第一架電動(dòng)垂直起降飛行器為Air One。2021年6月，全尺寸驗(yàn)證機(jī)完成了首次懸停試飛。2022年5月，該公司在美國進(jìn)行了巡回展，展品為橙紅色動(dòng)感涂裝的雙座樣機(jī)?，F(xiàn)在，該機(jī)正在進(jìn)行各項(xiàng)試飛測試工作，如圖6所示。

Air One為雙座電動(dòng)垂直起降飛行器，具有一個(gè)大展弦比、安裝角設(shè)計(jì)得很大的固定機(jī)翼和一個(gè)4軸8槳的升力螺旋槳系統(tǒng)；沒有平尾，兩個(gè)垂尾可以保證航向穩(wěn)定性，垂尾略內(nèi)傾，與后部機(jī)身氣流流場匹配設(shè)計(jì)。全機(jī)沒有舵面，所有方向的控制均由升力螺旋槳系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，機(jī)身上表面曲線非常流暢。當(dāng)它進(jìn)行巡航飛行時(shí)，固定機(jī)翼、旋翼都產(chǎn)生升力，同時(shí)旋翼還產(chǎn)生推力分量。多旋翼氣動(dòng)布局為前低后高，巡航時(shí)旋翼的氣流盡量避開了主機(jī)翼，降低阻力。飛行器下部截面類似乘波構(gòu)型，下端面下垂延伸，保證兩個(gè)前起落架及其支架的剛度需求，機(jī)身與4個(gè)輪式起落架、固定機(jī)翼翼面或支架連接處均有減阻減重設(shè)計(jì)，綜合考慮了氣動(dòng)與工業(yè)造型需求。

雖然Air One外表看起來像一架常規(guī)氣動(dòng)布局的復(fù)合eVTOL，因?yàn)樗惭b了固定機(jī)翼，但實(shí)際上它不是，而是一架多旋翼氣動(dòng)布局的eVTOL。從外表上看，它機(jī)身上面確實(shí)安裝了傾斜的固定機(jī)翼，不過由于它既沒有安裝可用來提供向前飛行所需推力的推力螺旋槳，又沒有采用頃轉(zhuǎn)旋翼或頃轉(zhuǎn)機(jī)翼等技術(shù)手段提供前飛所需的推力，它只能如其他多旋翼eVTOL一樣向前傾斜著機(jī)體往前飛。換言之，它傾斜安裝的固定機(jī)翼不能承載復(fù)合eVTOL的高效飛行模式，只是在前飛過程中由于機(jī)體向前傾斜，使得原先處于傾斜狀態(tài)的固定機(jī)翼擺平了，在迎面氣流的作用下會(huì)提供一些向上的升力，為升力螺旋槳系統(tǒng)和純電動(dòng)力系統(tǒng)分擔(dān)一些壓力。從氣動(dòng)布局分類來看，它屬于多旋翼eVTOL的范疇。其最大飛行速度為250km/h，巡航速度約為160km/h，最大有效載荷為250km，最大航程約177km，續(xù)航時(shí)間約1h。目前，Air公司聲稱已經(jīng)賣出了150多架，基礎(chǔ)價(jià)格為15萬美元，預(yù)計(jì)2024年將獲得認(rèn)證并交付首批客戶。

復(fù)合無人機(jī)氣動(dòng)布局分析

固定翼無人機(jī)具備飛行速度快、飛行高度高、飛行時(shí)間長、經(jīng)濟(jì)性好（省油或省電）等優(yōu)點(diǎn)；旋翼無人機(jī)具備垂直起降、懸停、低空樹梢高度飛行等特點(diǎn)。復(fù)合無人機(jī)氣動(dòng)布局上既有固定機(jī)翼，又有旋翼，目的是將這兩種無人機(jī)的優(yōu)勢結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高飛行性能，增大應(yīng)用范圍和降低使用成本等。

復(fù)合無人機(jī)氣動(dòng)布局的定義

常規(guī)旋翼無人機(jī)，如無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)可在原地垂直起降，可做低空高機(jī)動(dòng)飛行，應(yīng)用范圍廣，但由于受前行槳葉波阻和后行槳葉失速的限制，飛不快，巡航速度很難超過300km/h。相比之下，固定翼無人機(jī)既省油又飛的快，但不能垂直起降，起降受跑道限制，使用不方便。如何將這兩種氣動(dòng)布局無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來？航空工程師在實(shí)際工作中采用復(fù)合的辦法，將固定翼無人機(jī)與旋翼無人機(jī)兩者混合起來，形成一種新型無人機(jī)機(jī)種：復(fù)合無人機(jī)（Composite UAV）。復(fù)合無人機(jī)氣動(dòng)布局的定義是指在固定翼無人機(jī)氣動(dòng)布局的基礎(chǔ)上，加上多個(gè)旋翼后而得到的一種全新的氣動(dòng)布局。

設(shè)計(jì)復(fù)合無人機(jī)氣動(dòng)布局，除了需要對(duì)空氣螺旋槳有比較清晰的了解以外，還需要對(duì)其進(jìn)行復(fù)合的基礎(chǔ)，即對(duì)固定翼無人機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)特性的概況有比較完整深入的了解。

固定翼無人機(jī)總體結(jié)構(gòu)及其組成部件

固定翼無人機(jī)總體結(jié)構(gòu)

大多數(shù)傳統(tǒng)的固定翼無人機(jī)總體結(jié)構(gòu)都是由機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、起落裝置、動(dòng)力裝置和推力螺旋槳6個(gè)主要部分組成，如圖7所示。

（1）機(jī)翼。機(jī)翼的主要功用是產(chǎn)生升力，以支持固定翼無人機(jī)在空中飛行，同時(shí)也起到一定的穩(wěn)定和操控作用。

（2）機(jī)身。機(jī)身的主要功用是裝載武器、貨物和各種設(shè)備，并將固定翼無人機(jī)的其他部件，如機(jī)翼、尾翼及動(dòng)力裝置等連接成一個(gè)整體。

（3）尾翼。尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼。尾翼的作用是操縱固定翼無人機(jī)俯仰和偏轉(zhuǎn)，保證固定翼無人機(jī)能平穩(wěn)飛行。

（4）起落裝置。起落架是指固定翼無人機(jī)在地面停放、滑行、起飛著陸滑跑時(shí)用于支撐固定翼無人機(jī)重力，承受相應(yīng)載荷的裝置。

（5）動(dòng)力裝置。動(dòng)力裝置是指發(fā)動(dòng)機(jī)及其一系列保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的系統(tǒng)。

（6）推力螺旋槳。用來產(chǎn)生推力使固定翼無人機(jī)能夠向前飛行的空氣螺旋槳。

固定翼無人機(jī)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)特性

機(jī)翼是固定翼無人機(jī)最重要的組成部件之一，其主要功用是產(chǎn)生升力，以支持無人機(jī)在空中飛行，同時(shí)也起一定的穩(wěn)定和操縱作用。在固定機(jī)翼上一般安裝有無人機(jī)的主操作舵面：副翼，還有輔助操縱機(jī)構(gòu)襟翼、縫翼等。另外，固定機(jī)翼上還可安裝發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架等無人機(jī)設(shè)備，機(jī)翼的主要內(nèi)部空間經(jīng)密封后，作為存儲(chǔ)燃油的油箱之用。

無人機(jī)機(jī)翼的剖面形狀

當(dāng)固定翼無人機(jī)空中飛行時(shí)，作用在無人機(jī)上的升力主要由機(jī)翼產(chǎn)生，而空氣動(dòng)力的大小和方向會(huì)受到機(jī)翼形狀的影響。無人機(jī)機(jī)翼的形狀與有人機(jī)機(jī)翼的形狀基本類似，主要是指機(jī)翼的剖面形狀、平面形狀和安裝位置。

機(jī)翼的剖面形狀，簡稱為翼型，是用平行于對(duì)稱平面的切平面切割機(jī)翼所得的剖面。最早的飛機(jī)，翼型是平板剖面，這種機(jī)翼升力很小。后來出現(xiàn)了彎板剖面，對(duì)升力特性有所改進(jìn)。再后來隨著飛機(jī)的發(fā)展又出現(xiàn)了平凸形、雙凸形、對(duì)稱形、層流形、菱形、網(wǎng)弧形等翼型，如圖8所示。其中平凸形和雙凸形翼型的空氣動(dòng)力特性不錯(cuò)，制造和加工上也比較方便，是現(xiàn)代低速固定翼飛機(jī)廣泛采用的翼型。對(duì)稱形翼型，前緣比較尖，最大厚度位置靠后，阻力小，這種翼型常用于各種飛機(jī)的尾翼和某些高速飛機(jī)的機(jī)翼。層流形翼型，前緣較尖，最大厚度一般在50%～60%弦長位置，可推遲附面層轉(zhuǎn)捩，減小摩擦阻力，這種翼型常用于速度較高的飛機(jī)。圓弧形和菱形翼型常用在超聲速飛機(jī)上，特點(diǎn)是前端很尖，相對(duì)厚度很小，也就是很薄，超聲速飛行時(shí)阻力很小，很有利，但在低速飛行時(shí)的空氣動(dòng)力特性不好，使飛機(jī)起落性能變差。

無人機(jī)機(jī)翼的平面形狀

（1）無人機(jī)機(jī)翼平面形狀是指從上往下看時(shí)機(jī)翼在平面上的投影形狀，是決定無人機(jī)性能的重要因素，如圖9所示。早期的飛機(jī)，機(jī)翼平面形狀大都做成矩形，矩形機(jī)翼制造簡單.但阻力較大。為了適應(yīng)高速飛行的需要，解決阻力與飛行速度之間的矛盾，后來又制造出了梯形翼和橢圓翼。橢圓翼的阻力（誘導(dǎo)阻力）最小，但因制造復(fù)雜，成本較高，只有少數(shù)的飛機(jī)采用。梯形機(jī)翼結(jié)合了矩形翼和橢圓形機(jī)翼的優(yōu)缺點(diǎn)，阻力較小，制造也簡單，因而是目前活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)用得最多的一種機(jī)翼。矩形翼、橢圓翼和梯形翼三種機(jī)翼統(tǒng)稱平直翼，隨著噴氣式飛機(jī)的出現(xiàn)，為適應(yīng)高速飛行，出現(xiàn)了后掠翼、三角翼等機(jī)翼，并獲得廣泛應(yīng)用。

（2）表示機(jī)翼平面形狀的主要參數(shù)有機(jī)翼面積、翼展、展弦比、梯形比和后掠角等。其中，機(jī)翼面積是指基本機(jī)翼在機(jī)翼基本平面上的投影面積，用S表示；在機(jī)翼之外剛好與機(jī)翼輪廓線接觸，且平行于機(jī)翼對(duì)稱面（通常是無人機(jī)參考面）的兩個(gè)平面之間的距離稱為機(jī)翼的展長，簡稱翼展，用b表示；機(jī)翼翼展的平方與機(jī)翼面積之比，或者機(jī)翼翼展與機(jī)翼平均幾何弦長之比，稱為機(jī)翼的展弦比；機(jī)翼翼尖弦長與中心弦長之比，稱為機(jī)翼的梯形比，又稱尖削比；描述翼面特征線與參考軸線相對(duì)位置的夾角稱為后掠角。

機(jī)翼上的各部分裝置

（1）副翼是指安裝在機(jī)翼翼梢后緣外側(cè)的一小塊可動(dòng)的翼面，翼展長而翼弦短。副翼的翼展一般約占整個(gè)機(jī)翼翼展的1/6到1/5左右，其翼弦占整個(gè)機(jī)翼弦長的1/5到1/4左右。副翼作為無人機(jī)的主操作舵面，操縱左右副翼差動(dòng)偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)力矩可以使無人機(jī)做橫滾機(jī)動(dòng)。

（2）前緣縫翼是安裝在基本機(jī)翼前緣的一段或者幾段狹長小翼，主要功用是靠增大無人機(jī)臨界迎角來獲得升力增加的一種增升裝置。

（3）襟翼是安裝在機(jī)翼后緣內(nèi)側(cè)的翼面，襟翼可以繞軸向后下方偏轉(zhuǎn)，主要是靠增大機(jī)翼的彎度來獲得升力增加的一種增升裝置。

（4）擾流板，有的稱之為“減速板”、“阻流板”或“減升板”等，這些名稱反映了它們的功能。分為飛行、地面擾流板兩種，左右對(duì)稱分布，地面擾流板只能在地面才可打開，實(shí)際上擾流板是鉸接在機(jī)翼上表面的一些液壓致動(dòng)板，向上翻起時(shí)可增加機(jī)翼的阻力，減少升力，阻礙氣流的流動(dòng)達(dá)到減速、控制無人機(jī)姿態(tài)的作用。

固定翼無人機(jī)機(jī)身的功用和氣動(dòng)外形

機(jī)身也是無人機(jī)最重要的部件之一。它是無人機(jī)結(jié)構(gòu)的基體，是整架無人機(jī)的軀干和受力基礎(chǔ)，不僅要固定和支持無人機(jī)的其他部件，如機(jī)翼、尾翼、旋翼、起落裝置及動(dòng)力裝置等，將整架無人機(jī)連接成一個(gè)整體，還要承受各連接部件傳來的載荷，承受裝載在機(jī)身內(nèi)部的設(shè)備、任務(wù)載荷及本身的重力和慣性力?，F(xiàn)代無人機(jī)機(jī)身大量采用復(fù)合材料，用模子一次澆鑄而成，使空機(jī)重量大為降低，并提高了彈傷容限和抗墜毀性能。

無人機(jī)機(jī)身的功用

（1）構(gòu)成氣動(dòng)外形。無人機(jī)機(jī)身是直接承受和產(chǎn)生空氣動(dòng)力的部件，是產(chǎn)生最大廢阻的結(jié)構(gòu)體。具有良好氣動(dòng)外形的機(jī)身可以減小無人機(jī)的迎風(fēng)阻力，提高飛行性能，改善無人機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性。

（2）承載和傳力。無人機(jī)機(jī)身具有承載和傳力的作用。在各種工作狀態(tài)下，機(jī)身除了承受自身的重量之外，還要承受由裝載物和連接部件傳來的靜載荷及由動(dòng)部件、外掛、貨物吊裝及投放產(chǎn)生的動(dòng)載荷。

無人機(jī)機(jī)身的氣動(dòng)外形

無人機(jī)機(jī)身的氣動(dòng)外形主要指機(jī)身的橫截面形狀和側(cè)面形狀。

無人機(jī)機(jī)身橫截面形狀取決于無人機(jī)的功用、使用條件和無人機(jī)的氣動(dòng)布局。從減小阻力和受力有利的角度，機(jī)身的橫剖面應(yīng)盡量選擇圓形或橢圓形，這是因?yàn)樵诮o定的容積下，圓形機(jī)身的表面面積最小，因此摩擦阻力也就較??；此外，圓形剖面的機(jī)身蒙皮在內(nèi)壓作用下，只受拉伸，而不受彎曲。若無法采用圓形時(shí)，則應(yīng)盡量用圓弧組成。

圖10表示美國“全球鷹”固定翼無人機(jī)機(jī)身橫截面形狀的變化，機(jī)身靠前面的橫截面形狀（A-A剖面）為半徑為r的圓形，如圖10a所示。順著機(jī)身往后到了B-B剖面處，為了在機(jī)身內(nèi)部擺放安裝體積較大的衛(wèi)星通信天線，不得不加大機(jī)身橫截面的面積，于是在該處機(jī)身上半部分結(jié)構(gòu)改為半徑R較大的圓形，使機(jī)身橫截面形狀變成了由大小兩個(gè)圓組合的近似橢圓形，如圖10b所示。

機(jī)身的側(cè)面形狀與無人機(jī)用途、最小阻力要求、設(shè)備和有效裝載的具體布置以及機(jī)翼、尾翼、動(dòng)力裝置的形狀和位置等有關(guān)。通常，機(jī)身是一個(gè)中間大，兩頭（前機(jī)身、后機(jī)身）緩慢均勻收斂的流線體（紡錘形）。在一些超聲速無人機(jī)上，為了減小跨聲速飛行時(shí)的阻力，采用中部收縮的蜂腰形機(jī)身，稱為面積律機(jī)身，同時(shí)其機(jī)頭往往很尖，以削弱激波強(qiáng)度，減小波阻。

無人機(jī)機(jī)翼相對(duì)機(jī)身的安裝位置

固定翼無人機(jī)機(jī)翼安裝在機(jī)身上的相對(duì)位置有以下三類，如圖11所示。

上單翼是指機(jī)翼的安裝位置在機(jī)身上方。上單翼（圖11a）多用于運(yùn)輸無人機(jī)，因?yàn)檫\(yùn)輸機(jī)需要足夠大的內(nèi)部空間，所以將機(jī)翼布置在機(jī)身上方，機(jī)身中沒有了機(jī)翼的阻擋，會(huì)便于裝載貨物。同時(shí)，運(yùn)輸機(jī)經(jīng)常需要重載，需要一個(gè)穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，在飛行時(shí)上單翼的設(shè)計(jì)更有利于保持機(jī)身的穩(wěn)定性。但是上單翼的設(shè)計(jì)使得機(jī)翼距離地面的高度很大，導(dǎo)致起落架很難布局在機(jī)翼上，為了能夠容納起落架，機(jī)身就需要額外考慮全套的起落架艙的空間，起落架的主輪距受到機(jī)身寬度的嚴(yán)重影響，就需要有較大的橫向支撐的外斜臂，這需要有較大的緩沖行程，避免著陸沖擊對(duì)機(jī)身和起落架主要結(jié)構(gòu)星辰過大的應(yīng)力沖擊。

中單翼（圖11b）是指機(jī)翼的安裝位置在機(jī)身中間。很多軍用無人機(jī)（戰(zhàn)斗機(jī)）使用了中單翼結(jié)構(gòu)形式，民用無人機(jī)采用中單翼的情況較少，因?yàn)橹袉我硪砗袝?huì)直接穿過客艙，將客艙分為兩段。雖然外面看只是機(jī)翼，但其實(shí)機(jī)身里面有個(gè)翼盒結(jié)構(gòu)，是固定翼無人機(jī)主要受力部件。機(jī)翼的升力、機(jī)身的重力以及扭曲變形等都靠這個(gè)部位來承擔(dān)。在地面上，主起落架也在這個(gè)位置，也就是說，不管在空中在地面，兩邊機(jī)翼和機(jī)身交叉的這個(gè)部位都是受力的部位。因?yàn)閼?zhàn)斗機(jī)內(nèi)部不需要裝載貨物或者運(yùn)送人員，所以可以接受這種設(shè)計(jì)，但對(duì)于運(yùn)輸無人機(jī)和載客無人機(jī)來說就十分不合理了。

下單翼（圖11c）是指機(jī)翼的安裝位置在機(jī)身下部。下單翼的設(shè)計(jì)常見于民用載客無人機(jī)，這主要是考慮到了無人機(jī)的安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)型。使用下單翼的布局無人機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，可以在飛行時(shí)提供更大的升力，操控性也好，另外下單翼能夠物理隔絕發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，從而減低傳到座艙內(nèi)的噪聲。下單翼的設(shè)計(jì)方案更便于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼的維修。

無人機(jī)機(jī)翼相對(duì)于機(jī)身的安裝角度

傳統(tǒng)常規(guī)固定翼無人機(jī)的機(jī)翼相對(duì)于機(jī)身的角度通常用機(jī)翼的安裝角和上反角來說明。機(jī)翼弦線與機(jī)身中心線之間的夾角叫安裝角。機(jī)翼翼面與垂直于無人機(jī)對(duì)稱平面的平面之間的夾角，稱為機(jī)翼的上反角或下反角。通常規(guī)定上反為正，下反為負(fù)，如圖12所示。機(jī)翼上反角一般不大，通常不超過10°。使用下單翼的無人機(jī)一般采用上反角的安裝；使用上單翼的無人機(jī)一般采用下反角的安裝。

翼身融合（Blended Wing Body，BWB）也稱飛翼，是將傳統(tǒng)的機(jī)身與機(jī)翼結(jié)構(gòu)融合，變成類似飛行翼的外型，如圖13所示。它的特點(diǎn)是沒有機(jī)身，只有機(jī)翼結(jié)構(gòu)。雖然這或許會(huì)使部分結(jié)構(gòu)從機(jī)翼內(nèi)突出，但可使飛機(jī)的升力以及燃油效率提升。采用翼身融合設(shè)計(jì)的飛機(jī)，有平坦且有翼剖面形狀的機(jī)身，能產(chǎn)生一部分的升力。它的機(jī)翼與其它部位則是平滑的與機(jī)身接合。

固定翼無人機(jī)尾翼的結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)特性

一般固定翼無人機(jī)尾翼包括了垂直尾翼和水平尾翼兩部分，常規(guī)的平尾包括水平安定面和升降舵，用于保證固定翼無人機(jī)的縱向穩(wěn)定性和操縱性；垂尾一般由垂直安定面和方向舵組成，用于保證固定翼無人機(jī)的航向穩(wěn)定性和操縱性。尾翼結(jié)構(gòu)對(duì)全機(jī)的氣動(dòng)彈性品質(zhì)及疲勞斷裂性有很大的影響，直接影響著無人機(jī)性能的優(yōu)劣。由于尾翼的功用是通過它所產(chǎn)生的升力來實(shí)現(xiàn)的，所以從本質(zhì)上說，尾翼與機(jī)翼一樣都是升力面，因而尾翼的設(shè)計(jì)要求和構(gòu)造與機(jī)翼十分類似，包括完成它所承擔(dān)的空氣動(dòng)力任務(wù)，同時(shí)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、壽命，而質(zhì)量盡可能輕。

實(shí)現(xiàn)尾翼功用的效率主要取決于固定翼無人機(jī)速壓、尾翼結(jié)構(gòu)形式、尾翼面積、尾翼自身的剛度及其尾翼的支持剛度等。相對(duì)于機(jī)體結(jié)構(gòu)，尾翼結(jié)構(gòu)占全機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量（相對(duì)質(zhì)量）的1.5%～2.5%。固定翼無人機(jī)常見的尾翼結(jié)構(gòu)形式如圖14所示。

常規(guī)尾翼如圖14a所示，其特點(diǎn)是這種尾翼構(gòu)造擁有很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與可靠度，.在制作生產(chǎn)、試飛調(diào)整上比較容易判斷誤差以利修正。為了避免飛行過程中尾翼受到機(jī)翼尾流的干擾，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免將尾翼與機(jī)翼的安裝位置處于同一水平線上。

T型尾翼如圖14b所示，其特點(diǎn)是平尾抬高后避開了機(jī)翼尾流的干擾，使其操縱效率提高，從而可以減小平尾的面積，減輕結(jié)構(gòu)重量。缺點(diǎn)是對(duì)機(jī)身尾部結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度要求有所提高。

十字型尾翼如圖14c所示，其特點(diǎn)既避開了機(jī)翼尾流的干擾，又不像T型尾翼那樣需要過大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度去滿足穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是相對(duì)于T型尾翼，由于沒有端板效應(yīng)，導(dǎo)致垂尾面積增大。

V型尾翼如圖14d所示，其兩翼左右對(duì)稱分布，兼有垂尾和平尾的功能。翼面既可分為固定的安定面和鉸接的舵面兩部分，也可做成全動(dòng)型式。呈V形的兩個(gè)尾面在俯視和側(cè)視方向都有一定的投影面積，所以能同時(shí)起縱向（俯仰）和航向穩(wěn)定作用。當(dāng)兩邊舵面作相同方向偏轉(zhuǎn)時(shí)，起升降舵作用；分別作不同方向偏轉(zhuǎn)（差動(dòng)）時(shí)，則起方向舵作用。與常規(guī)尾翼相比面積更小，結(jié)構(gòu)重量更輕，因而誘導(dǎo)和寄生阻力比較小，便于制造。V型尾翼的缺點(diǎn)是操縱系統(tǒng)要稍微復(fù)雜一些。

倒V型尾翼如圖14e所示，在氣動(dòng)特性上，倒V尾翼和正V尾翼在空中飛行時(shí)完全一樣，沒有不同，但倒V結(jié)構(gòu)強(qiáng)度略好一些。

雙尾撐倒U型尾翼如圖14f所示。雙尾撐結(jié)構(gòu)支撐較好，對(duì)長航時(shí)無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)較大的尾翼翼展設(shè)計(jì)，同時(shí)可適合布置尾部推力螺旋槳安裝裝置。與其他類型尾翼氣動(dòng)布局相比，雙尾撐結(jié)構(gòu)重量大，阻力大，操作系統(tǒng)更復(fù)雜，敏捷度降低。但從整體考慮，雙尾撐也有著突出優(yōu)勢，它讓翼展擁有更大的設(shè)計(jì)空間，也提供了更大的機(jī)內(nèi)空間。

雙立尾翼如圖14g所示，其結(jié)構(gòu)適合尾部較寬，垂尾間不利干擾小的無人機(jī)。雙立尾翼主要特點(diǎn)是能提高大攻角時(shí)的機(jī)動(dòng)性，單立尾在大攻角時(shí)因機(jī)身阻擋氣流受干擾，會(huì)減弱和失掉機(jī)動(dòng)操控能力，所以單立尾布局多采用腹鰭補(bǔ)救；雙立尾在大攻角時(shí)則可避開機(jī)身干擾，因而可獲得較好的大迎角機(jī)動(dòng)能力。同時(shí)雙立尾可以提高操縱力矩，也就是在同樣操縱力矩的情況下可以降低立尾的高度。雙立尾的缺點(diǎn)是：由于多了一套空氣動(dòng)力平面，雙立尾之間的互相干擾，以及雙立尾與其他翼面的相互作用就比較復(fù)雜，同時(shí)由于多了一套操縱機(jī)構(gòu)，重量和復(fù)雜性都有相應(yīng)的增加。

雙尾撐雙立尾翼如圖14h所示，其結(jié)構(gòu)既具有雙尾撐倒U型尾翼的特點(diǎn)，又具有雙立尾翼的特點(diǎn)。

無人機(jī)起落裝置的結(jié)構(gòu)和配置形式

無人機(jī)每次飛行總是以起飛開始，以著陸結(jié)束。起飛和著陸是無人機(jī)兩個(gè)重要的飛行狀態(tài)。無人機(jī)起落裝置是無人機(jī)用于起飛、著陸和停放的專門裝置，主要功用是承受無人機(jī)與地面接觸時(shí)產(chǎn)生的靜載荷和動(dòng)載荷，防止無人機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞。

根據(jù)無人機(jī)的類型、尺寸大小和起飛重量的不同，無人機(jī)采用的起飛的方式也不同。大中型固定翼無人機(jī)需要在地面滑跑才能起降，必須采用輪式起落裝置。具有垂直起落性能的無人機(jī)，如無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)，既可以采用輪式起落裝置，也可以采用滑橇式或支架式起落裝置。此外，微型和小型無人機(jī)還可采用其他多種不同的起飛升空方式，如采用滑車起飛、車載起飛、滑軌彈射、空中投放或人工手投放等方式。

輪式起落裝置是無人機(jī)廣泛使用的一種起落裝置，它位于無人機(jī)下部，用于起飛降落、地面滑行和停放時(shí)支撐無人機(jī)，是大中型固定翼無人機(jī)不可或缺的主要部件之一。輪式起落裝置性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到無人機(jī)的使用安全，除了應(yīng)當(dāng)滿足重量輕、工藝性好等一般技術(shù)要求外，還必須保證無人機(jī)能在地面上順利滑跑或自由滑行，要能平穩(wěn)地吸收無人機(jī)著陸時(shí)的碰撞能量，同時(shí)要求在飛行中的阻力最小，因此當(dāng)無人機(jī)起飛后，可以視飛行性能的要求能將起落裝置收入無人機(jī)機(jī)體內(nèi)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力型式，輪式起落裝置分為以下幾種結(jié)構(gòu)型式，如圖15所示。

（1）簡單支柱式起落架。簡單支柱式起落架的主要特點(diǎn)是：減震器與承力支柱合而為一，機(jī)輪直接固定在減震器的活塞桿上。減震支柱上端與機(jī)翼的連接形式取決于收放要求。對(duì)收放式起落架，撐桿可兼作收放作動(dòng)筒，如圖15a所示。扭矩通過扭力臂傳遞，亦可以通過活塞桿與減震支柱的圓筒內(nèi)壁采用花鍵連接來傳遞。這種形式的起落架構(gòu)造簡單緊湊，易于放收，而且重量較輕，是無人機(jī)上廣泛采用的形式之一。缺點(diǎn)是機(jī)輪通過輪軸與減震器支柱直接連接，減震器不能很好的吸收前方來的撞擊。

（2）搖臂式起落架。搖臂式起落架主要是在支柱下端安有一個(gè)搖臂，搖臂的一端支柱和減震器相連，另一端與機(jī)輪相連，如圖15b所示。這種結(jié)構(gòu)多用于前起落架，優(yōu)點(diǎn)是搖臂改變了起落架的受力狀態(tài)和承受迎面撞擊的性能，提高了再跑道上的適應(yīng)性，降低了起落架的高度。缺點(diǎn)是構(gòu)造和工藝比較復(fù)雜，質(zhì)量大，機(jī)輪離支柱軸線較遠(yuǎn)，附加彎矩較大，收藏空間大。

（3）斜撐桿式起落架。斜撐桿支柱式起落架主要構(gòu)件是減震支柱、扭力臂、機(jī)輪、收放作動(dòng)筒和斜撐桿，與簡單支柱式不同之處是多了一個(gè)或幾個(gè)斜撐桿，如圖15c所示。斜撐桿支柱式起落架在收放時(shí)，撐桿可以作為起落架的收放連桿，有時(shí)撐桿本身就是收放作動(dòng)筒。當(dāng)受到來自正面水平撞擊，減震支柱不能很好地其減震作用，在著陸時(shí)，支柱必須承受彎矩，減震支柱的密封裝置易受磨損。

（4）多輪小車式起落架。多輪小車式起落架由車架、減震支柱、拉桿、阻尼器、輪架和及輪組等組成，在一個(gè)支柱上安裝4～8個(gè)機(jī)輪，一般用于載重量大的無人機(jī)上。小車是鉸支在支柱上的，當(dāng)通過不平跑道、起飛著陸時(shí)飛機(jī)軸線與地面夾角發(fā)生改變或起落架收放時(shí)，小車可以繞支柱轉(zhuǎn)動(dòng)。多輪小車式起落架由于載荷分散在幾個(gè)機(jī)輪上，如圖15d所示。其優(yōu)點(diǎn)有：提高了起落架的生存力，降低了輪胎的磨損程度，提高了剎車效率，起落架支柱的重量和機(jī)輪收放艙所需面積小。缺點(diǎn)是地面運(yùn)動(dòng)靈活性不好，因?yàn)橐顾D(zhuǎn)動(dòng)，需要很大的力矩。

（5）桁架式起落架。桁架式起落架由空間桿系組成的桁架結(jié)構(gòu)和機(jī)輪組成，其主要特點(diǎn)是：它通過承力構(gòu)架將機(jī)輪與機(jī)翼或機(jī)身相連，如圖15e所示。承力構(gòu)架中的桿件及減震支柱都是相互鉸接的。它們只承受軸向力而不承受彎矩。因此，這種結(jié)構(gòu)的起落架構(gòu)造簡單，重量也較小，但由于難以收放，通常只用在飛行速度不大的無人機(jī)上。

無人機(jī)起落裝置的配置形式和參數(shù)選取不僅要保證無人機(jī)在機(jī)場上運(yùn)動(dòng)時(shí)有必需的操穩(wěn)性能，而且也決定了支柱的受載、起落裝置的重量特性，以及連接起落裝置部件的重量特性，因此受到無人機(jī)設(shè)計(jì)師的高度重視。無人機(jī)起落裝置的配置形式如圖16所示。

（1）前三點(diǎn)式。無人機(jī)上使用最廣泛的輪式起落裝置是前三點(diǎn)式，它的兩個(gè)主輪保持一定間距左右對(duì)稱地布置在無人機(jī)重心稍后處，前輪布置在無人機(jī)頭部的下方。無人機(jī)在地面滑行和停放時(shí)，機(jī)身基本處于水平位置，如圖16a所示。這種布置形式的優(yōu)點(diǎn)是滑跑方向穩(wěn)定性好，起飛滑跑阻力小，加速快，起飛距離短，剎車效率高，可以縮短起降距離。缺點(diǎn)是前輪承受的載荷大、尺寸大、構(gòu)造復(fù)雜，重量較重，收藏較難。

（2）后三點(diǎn)式。后三點(diǎn)式起落裝置形式的特點(diǎn)是兩個(gè)主輪布置在無人機(jī)的重心之前并靠近重心，尾輪（尾支撐）遠(yuǎn)離重心布置在無人機(jī)的尾部，如圖16b所示。在停機(jī)狀態(tài)時(shí)，無人機(jī)90%的重量落在主起落裝置上，其余的10%的重量由尾支撐來分擔(dān)。這種布置形式的優(yōu)點(diǎn)是起落裝置系統(tǒng)整體構(gòu)造比較簡單，重量較輕，而且尾輪結(jié)構(gòu)簡單，尺寸、重量都較小。缺點(diǎn)是地面滑跑時(shí)方向穩(wěn)定性差，地面轉(zhuǎn)彎不夠靈活，剎車過猛時(shí)無人機(jī)容易翻跟斗。

（3）自行車式。自行車式起落裝置的前輪和主輪前后布置在無人機(jī)對(duì)稱面內(nèi)，重心距前輪與主輪的距離幾乎相等。為防止轉(zhuǎn)彎時(shí)傾倒，在機(jī)翼下還布置有輔助小輪，如圖16c所示。這種布置形式的優(yōu)點(diǎn)是解決了部分薄機(jī)翼無人機(jī)主起落裝置的收放問題。缺點(diǎn)是前起落裝置承受的載荷較大，因而使其尺寸、重量增大，起飛滑跑距離增大。

（4）四點(diǎn)式。四點(diǎn)式起落裝置（如圖16d所示）可以認(rèn)為是雙自行車式。

滑橇式起落裝置（如圖17所示）主要用在具有垂直起落能力的無人機(jī)上，如無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)等，通常由彎曲鋼管構(gòu)成的支架和連接在它上面的兩根鋁合金滑橇管子組成，這些支架是由接耳組件連接到滑橇管上的，而它們之間是由橫管或連接桿相互連接在一起的?；两M件是由4個(gè)夾子或帶子連接到機(jī)身結(jié)構(gòu)上的，這種連接方式便于拆裝，橡膠襯套可裝在夾子內(nèi)用于降低振幅。滑橇式起落裝置上安裝有地面移動(dòng)輪，用于在地面移動(dòng)無人機(jī)，可以用人力移動(dòng)，也可以使用牽引車牽引。