四旋翼垂直起降固定翼的前景如何?

最近出現了好幾款多旋翼垂直起降固定翼,希望與大家探討這種飛行器的發展前景


謝邀,很久之前就想寫這個,未來最大的市場需求在哪裡,寫了幾千字就丟一邊了,搬磚實在太忙 T_T

簡單答一下,畫個圖吧

大概就是這麼回事:

多軸續航時間和航程都坑爹

直機造價和操縱/飛控難度坑爹

固定翼起降要求坑爹

人們自然想搞個能飛得久飛的遠又不挑場地的飛行器。

從商用/工業/科研/軍事角度看,對於能做到重載VTOL並且能以較高升阻比巡航的方案是有著巨大市場的。

多軸簡單粗暴的負數升阻比的巡航方式簡直是愧對飛行器這個稱呼,固定翼的巡航推力只需要幾分之一到即十幾分之一的重量那麼大而已,航程自然要佔優。但是固定翼起降的跑道需求十分限制應用。

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雖然總的市場空白出現在坐標的右上方,值得注意的是市場需求有分化:

  • 一部分需求在於長航程,不挑場地起降即可,這個應用範圍很廣。主要的實現方式就是在固定翼的基礎上加裝垂直起降模塊,也就是本題所問的四旋翼固定翼。當然小型機的實現方式還有手拋/彈射起飛,攔網/傘降著陸等等。
  • 另一種需求在於保證懸停性能的前提下,帶相對大的載荷,並且具有一定的懸停機動性的基礎上大幅度擴大航程或留空時間。比如線路巡視,航拍,空中監視等等需要懸停的場合。

先說第一種:

如果想要垂直起降,那麼固定翼一樣需要大於重力的推力,也就是說巡航中多了死重,更坑的是大幅度增加了系統複雜度。起飛的時候機翼是多餘的,巡航的時候大部分動力系統是多餘的。為巡航優化的推力系統在垂直起降時不是那麼有效的,想要大起飛重量很難。這個很尷尬,所以目前的這種飛行器很難做到太大。

還有個玩法是谷歌之前搞的尾座式起降,其實蠻有搞頭的,美帝海軍最近也在玩這個。。。

第二種可以看作是從旋翼飛行器的基礎上改變:

一條路是多軸改燃油動力,氣動上依然是多旋翼老路子,純靠燃油的能量密度優勢。難度在與動力傳動和槳葉變矩,其實沒什麼難度,已經有產品了。

另一條路是改變巡航姿態,Amazon的這個無人機基本上是這個路。但是amazon這個做的極其坑,沒覺得可以提升多少,更像是商業噱頭。。。

還有一條路我就先不說了,自己腦洞了幾個方案,貌似值得申申專利。。。

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總結:

市場需求大,有前途

目前成熟產品少,有搞頭

從某種角度上來說,目前的小型無人機市場嚴重畸形發展。所謂「多軸飛行器」,研發過程中卻從來不需要航空工程師,搞電子和搞控制的工程師就搞定了,純粹靠蠻力飛行則意味著效率低下,未來發展絕對離不開氣動方向的投入。

你們這些開無人機公司的老闆想要贏下一個10年,得多搶一些搞氣動和飛設的航空工程師了

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我腦洞過很多東西,但都是畫個草圖丟在紙堆里積灰,後來發現一個一個都被人做了,傷心。以後腦洞得找個地方立刻發出來才行。。。


考完試把坑填了……

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不謝邀,@ 人形自走賣萌裝置 浪費我寶貴時間,我comprehensive exam要是過不了全是你的鍋。不過這大概是整個逼乎最適合我來答的問題了。我們的AirEz在2015年美國直升機協會(AHS)設計競賽中獲得了研究生組第一名(比賽鏈接:2015 Student Design Competition Awards)。任務的目標是設計一套系統(含無人機),能在50x50 km的城市地區內,在每日的10小時中遞送5000件貨物,使得下單到送達的時間小於2小時。我們的設計就是四旋翼雙翼機(quadrotor biplane),本質上是一種尾坐式垂直起降無人機(tail-sitter)。我在裡面負責了全部氣動部分,其中的重點就是旋翼設計。上CDR report封面:

(這麼看這封面還真夠直男癌的,明明小組裡還有一個妹子的……)

畢設么,本來有個圖紙機參賽了得獎了也就完了,但我們的教授很喜歡這貨,後來還出了兩版這東西的縮小比例實機,一個1:5,一個1:2。過渡飛控,送貨機制都已經完成了,旋翼變矩正在調試中,後面會詳述。上些圖唄:

(這是那個小傢伙在報告上的樣子,當時還沒有實現完全平飛)

(這是那個大傢伙。圖是視頻里截的,因為這貨平飛起來很快,一下子就飛遠了,所以拍攝效果不咋地。完整視頻在此:https://www.youtube.com/watch?v=W11XAoe1AZo ,需要科學上網)

那麼在這裡,我要回答三個問題:

為什麼選擇這種奇葩造型(構型選擇)?

這種構型怎麼才能靠譜起來(設計要點)?

這類無人機以後有沒有卵用(發展前景)?

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第一,為什麼選擇這種構型?

先來看看我們都有什麼選擇:

(報告里直接截的圖)

要想在城市裡送貨,垂直起降基本是必不可少的,這樣就可以排除掉普通固定翼飛機(我猜你不想用鷂式和肥電送貨,再說直升機協會的競賽你提交個固定翼飛機是要砸場子么)和旋翼機(autogyro)。那麼我們的選擇無非是傳統直升機,共軸,縱列,多軸,混合直升機,傾翼機(圖中的tilt-rotor, tilt-duct, fan-in-wing本質都是這個),尾坐式。那麼,我們要如何選擇呢?

首先,為了效率你想用推力克服阻力,用氣動力克服重力。你絕對不想用推力硬懟重力。

(靈魂畫師,將就著看吧……框起來的力需要由引擎直接提供)

對固定翼飛機來說,在定常飛行時,用來克服重力W的力是機翼產生的升力L,而引擎只需要提供足夠抵消阻力D的推力T。對直升機來說,重力W和阻力D都要靠旋翼產生拉力Tr的分量克服,而且還要浪費動力在尾槳上。對混合直升機來說,旋翼拉力Tr和短翼產生的升力L共同克服重力W,而向前推進的螺旋槳拉力Tp用來抵消阻力D。一架用來帶載荷巡航的飛機(客機,運輸機,轟炸機之類),其升阻比都在15以上。也就是說在巡航時,引擎只需要產生相當於重力1/15的推力就可以了。反觀直升機,本身升阻比就不行(5左右)又要花費巨量推力來抵消自身重量。所以說除必須垂直起降的場合之外,用直升機/混合直升機來載貨巡航實在是血虧。這也是為什麼沒有直升客機這種東西,而運輸直升機全是軍用的原因。

其次,一架直升機想稍微飛快點就需要複雜的結構,而且即使如此還是飛不了太快。

和表面看起來不同,直升機的旋翼在前飛時是高度不對稱的。想像一個劍聖在施展劍刃風暴的同時像指定方向移動,那麼相對於空氣而言,當他的劍往前轉動時(迎風面advancing side),其劍尖速度是劍向前轉動速度Omega*R和劍聖前移的速度Vf的疊加。而當劍轉回來時(順風面retreating side),其速度就是較慢的Omega*R-Vf(建議遊戲中增加迎風面的傷害!)。那麼問題來了,我們知道升力正比於攻角AoA和該位置平行方向來流速度的平方,那麼如果攻角沒有變化,迎風面產生的升力必然高於順風面,直升機在前飛時就會自行滾轉翻倒了。所以,我們需要用旋轉斜盤(swash plate)來人為地減小迎風面的槳矩,增加順風面的槳矩來維持力矩平衡。

在這裡肯定有人要問,那我做個四軸,讓兩邊的旋翼反著轉不就可以維持平衡了?可即使如此,我們也需要用鉸接槳葉來卸除因為一片槳葉轉一圈時在不同位置產生升力不同所產生的振動荷載,否則受力的大幅高頻變化很快就會廢掉一片槳葉。沒有旋轉斜盤和鉸接槳葉,你的前飛速度得和槳尖速度相比可以忽略不計才行……這樣的直升機或者多軸飛行器註定只能是玩具級別的。

在這裡必須黑一下億航,你就拿四軸放大一下就拿出來現了,想忽悠誰呢?問:為啥億航的載人飛行器看著就是個四軸無人機?答:人都被億航丟光了……

(一般的直升機槳轂應該長這樣)

(槳轂既沒有旋轉斜盤,槳葉又沒有鉸接,這東西的極速應該和玩具四軸在一個水平線上,比小汽車還差不少)

可即使都搞這麼複雜了,直升機的速度還會被槳尖的音障限制。對於那個劍聖而言,劍向前轉動速度和劍聖前移的速度之和不能突破音速(固定翼飛機可以突破音障,但直升機的一條槳葉可沒那麼結實,而且旋翼的運動不是穩態的,槳葉每旋轉一圈就打破一次音障可不是好主意)。就算為了增加前飛速度Vf強行降低旋翼轉速Omega*R,也會使得整個旋翼變得更加不對稱,並在順風面生成逆流區(reverse flow region)。那裡動態失速肆虐,氣流從槳葉的後緣流到前緣,也產生不了啥升力,總之就是一種很不靠譜的飛行狀態……

(陰影部分就是逆流區,在那裡氣流從槳葉的後緣流到前緣……也是我的PhD課題orz。衷心希望你們一輩子也別和這個扯上關係)

(S-97就在巡航時降低懸疑轉速來增加前飛速度,其成功試飛應該是2016年直升機界最大的新聞。即使這樣,這東西的速度還是比V-22差了一大截)

這樣,我們就可以排除掉除了傾翼機和尾坐式的全部其他選項了。其實這兩種構型已經很相近了,都是推力向下起飛,推力向後巡航,巡航中推力用來克服阻力即可,也不存在不對稱的問題,所以不需要旋轉斜盤和鉸接槳葉。只不過其中一個傾轉推力部件,另一個傾轉整個機身而已。那麼,為什麼不選擇傾翼機?

(我知道你們最愛看圖,但是魚鷹估計都看膩了,故上個新鮮物:AW609。和同樣8-10座的灣流價格差不多,飛得慢點,但是不用跑道就能起飛。我要是土豪就選擇這個)

因為傾翼機太複雜了。它有一套轉動推力部件的結構,這個機構除了在飛行姿態過渡的時候,在整個航行過程中都毫無卵用。你想帶更多的貨或者要更多的航程的話,你就不想把這套又重又容易出毛病的機構帶上天。而尾坐式飛機傾轉整個機體,就不需要帶這套額外的玩意了。這裡一定有人想問了,那為啥V-22魚鷹,還有土豪新貴AW609還都要做成傾翼機呢?答案也很簡單……因為上面必須得要帶愚蠢的地球人!

愚蠢的地球人是個很差的負載。其缺點包括但不限於:有形狀,而且是直立的,會讓你的機體變得很厚;不喜歡被顛來倒去;不能承受高過載。載人的尾坐式飛機也不是沒人搞過,但是看一眼就知道不是個太聰明的主意……但如果是無人機,拿手柄操作一下就不會有爬梯子還有頭朝上起降的蛋疼啦!

(50年代的XFY-1。試飛員:MDZZ)

那麼最後的選擇就只剩下尾坐式了。當然,尾坐式飛機也是個不小的家族,其實我最喜歡的是這個:

(Aurora的Goldeneye系列,看起來萌萌噠)

旋翼有了函道護體就不容易傷人,又有效率加成。不過這貨屬於複合升力體,沒有大量CFD建模的話很難設計,而且這個形狀也不好安置貨艙,據說抗風性還有一定問題。所以經過一番討論,我們最終還是選擇了四旋翼雙翼機!

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第二,這種構型怎樣設計才能充分發揮其潛力?

(我知道你們肯定對這東西的飛控,尤其是過渡狀態的控制很有興趣,可是那一塊並不是我做的……我只能說那是相對成熟的技術,對於控制的硬體部分我還可以談談,具體演算法還是不妄言了,還是揀我懂的說吧)

我想講三個重點:你得有變矩;你得用電機;你得有個合適的翼平台設計。

第一,兩用旋翼/螺旋槳(proprotor)必須有變矩,這是為了飛得快。

因為四軸雙翼機不會快速向平行於旋翼的方向移動——起飛時或懸停時基本沒速度,平飛時旋翼像螺旋槳一樣迎風而行,所以上文提到的旋轉斜盤和鉸接槳葉都可以沒有。但是變矩卻是必須有的。只要看看固定翼飛機螺旋槳(propeller)和直升機旋翼(rotor)的區別,其中原因就不難理解了。

(隨便舉個栗子,大名鼎鼎的塞斯納和UH-1)

可以很明顯地看出,固定翼飛機的螺旋槳有著大槳矩和大扭度,而直升機的旋翼槳矩和扭度都小很多。這是由不同的來流狀態決定的。

(從課件上搬張圖)

對任何一段槳葉來說,該位置局部槳矩theta等於攻角AoA與來流角phi之和。對於螺旋槳來說,Up相對比較大,約等於前飛速度Vf;而對於旋翼來說,Up只有那一點誘導速度(induced velosity,可以理解為旋翼自己吸入氣流的速度)。很明顯,螺旋槳的來流角phi總體都較大,趨勢是內大外小(因為外面的Ut=Omega*r較大),而旋翼的來流角普遍不大。而我們知道,對於給定翼型(airfoil),其最大升阻比的攻角AoA是一定的,一般8度左右。看圖說話就是,圖上的紅色攻角是一定的,螺旋槳有大的藍色速度,旋翼有小的藍色速度,兩種狀態下的最優槳矩差別巨大!如果懸停時使用高槳矩,基本就是全面失速狀態;如果在前飛時使用低槳矩,來流角把攻角全吃掉了就沒得提供拉力了。如果直接折中槳矩,兩用旋翼/螺旋槳在兩種狀態下的性能都會是慘不忍睹的!

兩個常見問題。首先,扭度怎麼辦?螺旋槳的最優扭度顯然要高於旋翼的。答案是涼拌,扭度只能被折中,而不可能同時達到兩種最優狀態,但通常折中出的總體性能還是不錯的(懸停FM&>0.65,55節巡航eff&>0.8)。這是所有使用兩用旋翼/螺旋槳飛行器的宿命,包括傾翼機。可以由任務條件(需要懸停多久,巡航多久)來尋求總體最優的折中方案,魚鷹就是這麼做的。其次就是變矩裝置的結構複雜性和控制複雜性。這東西在結構上絕對是成熟技術而且便宜,就多一個舵機完全不是問題。另一方面,舵機本身就可以提供推力控制,有了舵機我們甚至可以考慮簡化動力系統,用一個電機通過皮帶輪來驅動四個旋翼,這樣,4個轉速控制+4個槳矩控制就變成了1個轉速控制+4個槳矩控制,並不算太複雜。

(我們第二版樣機的變矩系統。看著挺複雜?其實在Hobby King上賣13美元一個……)

第二,最好用電機作為主動力,這是為了大幅調節轉速又不損失太多效率。

懸停時需要用旋翼拉力克服重力,而巡航時旋翼拉力只要克服阻力就夠了。而就算設計得再爛,巡航時的升阻比也不大會低於5。也就是說,巡航時我們需要的推力不會超過懸停時的20%。而通過變矩系統,我們的兩用旋翼在兩種狀態時的效率都不錯,那麼很顯然,我們需要在巡航時削減轉速——在AirEz的設計中,巡航RPM只有懸停RPM的40%不到!而上文提到的降低轉速來增加前飛速度的S-97隻削減了20%的RPM。想要在這麼廣的範圍里還有靠譜的效率,看來只能選擇無刷電機了。如果強行使用熱機,就必須要上又重又坑爹的變速箱來保證效率,而且尾坐機還涉及一個要求RPM平穩變化的過渡飛行狀態,所以只要可能,用電機准沒錯。

不過我雖然極力推薦電機,但沒說一定要用電池作為能量物質,特別是在現在電池能量密度如此低下的情況下。只要能在保證效率的前提下有效控制轉速,燃料電池/混動也是個不錯的選擇。

(當時的PPT找不到了,隨便股溝了一張圖,大意就是電機可以在相對大的RPM範圍內都有相對高的效率,熱機不用變速箱就很難了)

最後,你得有個合適的翼平台設計,才能有個好氣動。可怕的是迭代中你可能會改整體結構。

這其實是我在搞AirEz時做得不好的地方。因為任務目標中,要搭載的物體尺寸相當大(雖然並不重),一開始就欽點了適合帶大貨倉的雙翼布局,然後又定了巡航速度,很後面才做機翼設計。結果發現其實不需要雙翼那麼多的翼面積(升力等於重力,正比於翼面積和巡航速度平方,速度定大了翼面積就用得少了),但當時已經沒那麼多時間改總體設計了,只好放棄大改。選擇了雙翼,其翼平台(wing platform)的設計空間就不大了,最後就成了倆無扭度的方塊機翼這種比較敷衍的樣子。如果單翼的話,展弦比,扭度和翼平台就都還有文章可做,到最後多半會變成這樣:

(Google Wing project,是我看到的設計里比較靠譜的一種。巡航,懸停,吊貨一次完成,是送貨機里的豪傑!)

如果比較一般尾坐機Google Wing和四軸雙翼機AirEz,前者顯然會有更好的氣動,從而具有更高的升阻比和更好的巡航技能。但AirEz也有自己的優勢:大貨艙,基於四軸的高懸停穩定性,不需要舵面控制的操控。我不知道四軸單翼機會不會是集兩家之長的下一代設計!

(隨手畫的AirEz和Google Wing的俯視示意圖,還有它們可能被改成四軸單翼機的形態)

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第三,這種構型當前的應用前景如何?

我不得不先潑上一盆冷水。在我看來,在解決兩個問題之前,這東西當前並沒什麼卵用。

問題一,慘不忍睹的電池能量密度。

前文提到這個設計最好使用電機作動力,但用電本身就很成問題。打開維基,查詢一下LiPo電池和燃油的能量密度。電池:0.36–0.95 MJ/kg,普通汽油:44.4 MJ/kg。當然了,相對於電機的效率而言(可達90%),活塞式汽油機效率並不高(大概30%,限於體積我們也不會考慮效率更高的渦軸),可即便如此,單位重量燃油中的可用能量也是電池的十倍以上。也就是說,如果帶同樣重量的能量物質起飛,帶電池的飛機只能飛燒油的飛機不到十分之一的時間(實際情況甚至更糟,因為燒油的飛機是越飛越輕的)!如果你在乎載荷,這駭人的死重基本宣判了這個設計的死刑。

解決方法也不是沒有。雖然用電機很好,但這不意味著能量必須被儲存在電池裡。像混動汽車那樣用內燃機燒油驅動發電機,再給電機供電就是個辦法,不過多出來的內燃機和發電機本來就比較重。這也是AirEz報告里的解決方案。燃料電池是個更靠譜的辦法,不過現階段因為電極的關係只能燒氫,液氫罐子也是又大又重,而且還死貴。如果有大神搞出了天頂星電池(石墨烯電池?電容電池?),那我們就可以直接拿來主義了!或者直接把金屬氫拿給我們來燒?

(我隨便搜了下,似乎已經有人試圖這麼搞了。看底下那罐子)

問題二,缺乏行之有效的空管系統。

這不是個人性問題,人性總可以通過博弈得到一個可以接受的結果。如果有人毀壞送貨無人機,就多裝幾個攝像頭來逮人(教授原話),然後施以嚴懲,就和管理公共自行車差不多。如果有人不能適應一個轟鳴的大傢伙飛到頭頂上送貨,也不必強求,但是不用遷就他們。最後應該會達成類似轉基因食品的平衡,少數人頑固反對,多數人得到好處。當送貨系統的安全性變得可控,保險公司就會因有利可圖而介入,形成成熟的事故賠付機制,就像現在的民航保險。可問題就在於,這其實是個技術問題。

可以看看現在的汽車。毫不誇張地說,當代的城市是以使用汽車為中心而設計的。能想像一個沒有機動車道,停車場,紅綠燈,公路警察的城市嗎?如果汽車無法通行,城市通勤就要癱瘓,甚至連輸送生活必需品都很難做到,大規模城市根本無法存在。無人機至少不需要專門設計道路,其停放也可以利用樓頂空間,問題相對較小。不過如果你想用很多無人機在城市裡飛,類似紅綠燈的機制總要有吧?而且這紅綠燈還不能光給人看,必須對有自主性的無人機也有效。在我的想像中,這應該是一種升級版的Geo fence。在每架無人機上都安裝某種信號發生器,允許每架無人機「看」到一定範圍內的所有其他(合法)無人機,並規定它們之間的最小距離。

另一個問題是對無人機行為的限制,也就是空中道路上的巡警。說句實話,現在如果有人用無人機搞恐怖襲擊,基本沒有什麼好的應對策略。這東西飛得太快了,又可以從任何方向接近目標,甚至可以用多架來實現飽和攻擊,把幾磅炸彈糊在人臉上。而其所用材料又容易獲得,如果幾個研究生要報復社會,很快就能用網購來的合法材料弄出幾架(所以說現在的恐怖分子還是輸在沒文化!)。現在的反制措施基本是干擾其控制信號,但如果別人使用自製的,頻率未知的通訊裝置呢?如果使用GPS/環境掃描導向的自尋的系統呢?如果繳獲一架合法無人機,然後加以改裝呢?甚至更極端一點,直接造架又大又快的咋辦?這也就是為啥FAA和Google, Amazon他們的無人機送貨計劃尿不到一個壺裡去了……

(總不能真的靠這個吧……)

(這個更靠譜點……嗎?至少看上去科幻一些)

如果能有更好的電機供能方式,並且出現了實用的三維紅綠燈和三維巡警,我們的這個貨就能夠開始體現其價值,不過這估計還需要不少時間(十年到二十年)。那個時候應該還會有更加牛逼的東西出現,比如城市空中通勤,還有超級物流。不過這個話題太大,就不在這裡詳述啦……

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這樣就寫完啦……一點花絮:

我們的報告封面簡直是坑爹的典範,逼乎縮略圖也這麼想:

(我們就變成了房地產公司!)

舉劍聖做例子是有原因的,劍聖不是Blade Master嗎,Blade PhD比劍聖高到不知哪裡去了!

在西科的一個大佬眼裡,不是直升機又能垂直起降的東西裡面只有一個不是坑爹貨,就是鷂式。我問他肥電坑不坑爹,他說「不好說」。

高贊答案說得好:

你們這些開無人機公司的老闆想要贏下一個10年,得多搶一些搞氣動和飛設的航空工程師了

所以說我畢業的時候就等你們搶我啦!


前面幾個回答很豐富了。

任何一種改動都必然在帶來新的優勢的同時也會犧牲掉很多傳統優點,垂直起降的固定翼必然附加更多動力設備,這部分設備限於固定翼尺寸容易帶來氣動干擾,並且必然增加負重,在切換至固定翼模式後垂飛的動力變成拖累。

上個星期在專欄里寫了一篇固定翼的文章:http://zhuanlan.zhihu.com/castleofUAV/20521140,

,其中提到各種固定翼及改進機型:

傳統不具備垂直起降的垂直起降的固定翼:

RQ-11B無人機,和沙漠鷹無人機

傳統的手拋型無人機和彈射型無人機都是藉助外力起飛,這樣的起飛方式使得固定翼無人機具備更多的負載空間與負載能力,只要能夠拋得動,彈得飛,等到天上去就可以藉助氣流提供飛行。

垂直機身,旋翼起飛,切換固定翼和旋翼模式的無人機,如谷歌的project wing,成飛的VMA,中航的VD200

垂直放置機身的起飛模式使得固定翼具備了垂飛能力,但由於完全依靠本身的定距槳提供升空動力,就必須增加旋翼尺寸,減小固定翼無人機本身的重量以及攜帶的設備重量。往往一個旋翼還不夠,需要至少兩個旋翼提供動力,但無人機機身尺寸有限制,安裝部位也受限制,導致彼此距離很近,旋翼間容易產生比較大的氣流影響,難以保證垂直飛行或者垂直定點的穩定性。在機身改變飛行模式(垂飛變固定翼巡航)時是一個非線性過程的線性化控制,此時對擾動,內部操作都非常敏感。同時當轉變為固定翼飛行模式後,強大的動力又變得毫無必要,徒然提升了能量耗損。

另外一類固定翼是具備水平旋翼結構的垂飛/巡航系統如Prime Air和 Jump VTOL

增添垂飛旋翼系統的設計方式同樣使得固定翼無人機具備了垂直起飛能力,因為是布局在機身的平面上,空間比較寬裕,可以通過多個小旋翼拉大彼此間距,在提供足夠升空動力的前提下避免旋翼間擾流。同時在飛行模式變化上可以直接切換,無需增添額外的中間過程。但垂直旋翼系統意味著要增加額外的動力元件——發動機或者電機。而這類元件在小型無人機系統中既需要擠壓機身內部安裝空間也需要固定翼讓出一部分載重能力。同時當垂飛變為巡航,也就是切換回固定翼模式後,這幾個旋翼將變為徹底的累贅。

看到有朋友特別提到了V-22魚鷹

魚鷹嚴格來說屬於「傾轉旋翼式」結構,該種類型結構特點是將「直升機」和固定翼飛機的結合。優點顯而易見,就不提了。

但缺點是傾轉機構複雜,成本和技術難度都高於傳統直升機,而且的複雜的動力和飛行控制系統是可靠性和飛行安全存在缺陷。

魚鷹光是在日本就出過很多次事情了。相信當年試驗飛行的時候出事更多了。

而這類有人駕駛系統都是配備CAS,SAS系統的,依然體現了較高的事故率。

固定翼傳統模式有著非常好的載重,航速,航時,可以開發的商用與消費領域很多,而Parrot就剛推出了Disco,該款產品具備非常優秀的設計和飛行能力(但對於消費機,這麼快的速度,分分鐘就飛出了控制範圍。。。)

作者:無人機中的城堡,公眾號:CastleUAVStudio

MR.城堡為您提供涵蓋無人機技術分析與分享,無人機產品評測(參評、機評),行業分析等領域的專業內容

作者為環球網無人機頻道,深圳灣,UAVSNEWS等行業媒體特約撰稿人。


這方面的設計國外早就有啦,只是一直是diy性質的玩意兒,有四旋翼直接疊加到固定翼上的,起降和巡航用不同的發動機,也有旋翼可以傾斜的,旋翼傾斜的又分機臂改變角度的和單純發動機改變角度的。

從"飛行模式轉換上看旋翼傾斜的過程類似魚鷹,比較複雜,姿態的控制不是很好,簡單疊加的實現起來可以說是簡單粗暴垂直向水平轉換就是直接加大水平推進發動機的油門到了空速關多軸發動機,水平向垂直轉換就是直接給多軸解鎖,然後關閉水平發動機。

從應用上看更接近於固定翼應用,但對場地要求較小,簡單疊加可以採用混合動力方案,水平推進發動機可以用油動進一步增大巡航時間,但起飛重量仍然受到多軸的極限限制

總體來說對於常規航拍和植保之類的用途不大,對於巡線類用途還要看自動化程度,如還是人工操作優勢也不是很明顯


最近放假,閑來沒事,寫點有意思的東西。

旋翼類或者VTOL類飛行器,我校NUAA 還是很有發言權的。

從我了解的各方面信息來看,目前 既實現VTOL又能高速巡航的解決方案只有一個—傾轉旋翼機

1.發展介紹

這貨(V-22)估計大家都挺熟悉了,巡航速度500km/h左右,是直升機兩倍快。不妨猜猜從開始到出這個成熟方案老美用了多少年?

呵呵,一個人的半輩子---40年。

這款飛行器的最早版本是50年代左右 bell 研製的VZ-3 傾轉旋翼機,如下圖:

Bell VZ-3

看著和V-22挺像對吧,你並不知道成功的背後還有更多的失敗,估計沒人知道下面這個。

Vertol VZ-2

同時期著手研製的一款 傾轉翼飛行器,這貨旋翼和機翼是固連在一起的,而V-22隻是旋翼和短艙固連。

後來也搞出過這種:

Bell x-22

採用涵道式旋翼,看起來美感實在不足。

後來bell 和boeing開始合作研製V-22,直到1989年,V-22才完成首飛

2. 技術難點

1. 模式轉換問題:旋翼直升機模式到前飛螺旋槳模式轉換,這個轉換速度區間過小,操縱和控制難度很大。

2. 氣動干擾問題:機翼就在旋翼下邊,機翼阻塞旋翼下洗流,一則產生噴泉效應(旋翼下洗流打到機翼上後產生上涌),二 下降時容易進入渦環狀態(旋翼進入自己的尾流中,操縱基本失效,導致墜機)。

3.動力學問題:由旋翼模式向固定翼模式轉換時,旋翼和機翼容易發生耦合的氣彈穩定性問題,如顫振等。

無人機送貨有兩種應用方式: 第一個是面向消費者,第二個是站點之間送貨。從固定翼和旋翼結合設計的目的來看,主要是面向第二種用途。

第一種用途的無人機發展前景就不評價了,只要電池給力再考慮一下安全問題,把控制做好就行。

第二種用途對性能要求還是很高的,V-22是軍用,民用的話對成本控制要求更高

不知道這兩款飛行器的尺寸如何,如果還是很小的話,或許他們這樣設計可行。不過當輸運要求較高時,它們的設計思路感覺就不是很正確,應該盡量採用成熟方案-小型和民用化V-22

這兩款飛行器看起來吸引力不強-不協調,如果一款飛行器不夠優美,那麼其性能也肯定不會好。或許他們只是想先把無人機弄出來,之後考慮提高載荷、降低油耗,然而這種想法往往只會導致前面的設計最終成為無用功。

比如說大鵬CW-20,採用用四副小旋翼,效率很低(旋翼越小,轉速越快,效率越低),我很懷疑它能產生多大有效載荷。而且平飛時,旋翼完全成了累贅。固定翼和旋翼結合的飛行器,一定有長航程要求,然而這個設計在大部分巡航過程中這個只能憑白增加阻力。一旦他們發現根本載不了多少貨或者成本太高無法承受時,前面的隨意設計基本都得推翻。不採用V-22這種成熟的方案,雖然避免了模式轉換問題,但是也帶來了旋翼成為阻力結構的問題。

其實,我倒是覺得另一種完全不同於固定翼和旋翼的升力系統更有前途,目前國外做的比較先進,但是還不到應用階段,國內也是我們實驗室老師做的最早。

FanWing 飛行器--國內叫風扇翼飛行器,別見著不認識。這種升力系統的優點就是高效、升力係數大,而且可以實現垂直起降或者短距起降。

這是我本科組隊參加Airbus競賽的參賽作品--短途運輸空中大巴

對這種飛行器感興趣的不妨看看 FanWing,他們的概念機要好看多了。

國內的一窩蜂去搞四軸八軸的,能有幾個活下來?就沒人試試這個?


謝邀,

首先,單從旋翼與固定翼組合的方式來看,這顯然在某些方便存在著優勢,

下圖是美軍列裝的魚鷹運輸機,可以說,這是時間上最先進的運輸機之一,它所使用的飛行方式,與作者所提一般無二,所以這種方式單從技術角度來說,可行性是已經經過軍用方面時間檢驗的,其民用領域必然大有拳腳。

V-22魚鷹式傾轉旋翼機是由美國貝爾公司和波音聯合設計製造的一款傾斜旋翼機,也是一款中型運輸機。傾轉旋翼機具備直升機的能垂直升降能力及固定翼螺旋槳飛機具有高速、航程較遠及耗油量較低的優點。V-22設計基於貝爾負責的實驗機XV-15,早於80年代開始研發,於2007年開始在美國海軍陸戰隊服役,取代CH-46 Sea Knight作拯救及作戰任務,2009年,美國空軍也開始配備。(百度介紹)

然後,我們接下來就要分析這種飛行方式的優缺點了,以支持我們進行針對性分析,

優點:

顯而易見的

①.更自由的起降距離(垂直起降)

②.更高的氣動效率(飛的更遠,滯空時間更長)

③.更炫酷的體驗

④.雜訊小傾轉旋翼機因巡航時一般以固定翼飛機的方式飛行,因此雜訊比直升機小得多缺點:

以下是魚鷹的缺點,大家可以對照以下:

①.技術難度高傾轉旋翼機因既有旋翼又有機翼,並且要實現旋翼從垂直位置向水平位置或水平位置向垂直位置傾轉,因此在旋翼傾轉過程中氣動特性的確定;旋翼/機翼、旋翼/旋翼、旋翼/機體之間的氣動干擾問題;結構設計;旋翼在傾轉過程中的動力學分析、旋翼/機翼耦合動載荷和穩定性問題;操縱控制技術及操縱系統動力學設計等方面都遇到了許多技術難題。

②.旋翼效率低與直升機旋翼相比,螺旋槳旋翼的扭轉角比較大,這對於確保槳葉根部能夠在前飛狀態下產生較大的拉力是十分有必要的。但在懸停狀態時,採用大扭轉角設計螺旋槳旋翼,其工作效率會大大降低,這就意味著由發動機輸送過來的可用功率有很大一部分都被損耗了。

③.氣動特性複雜在直升機前飛速度很低且下降速度較大時,它就會陷入到自身的下洗氣流當中,此時極易導致渦環狀態的發生。在渦環狀態下,空氣會繞著旋翼槳葉的葉尖呈環形流動,形成了類似於炸麵包圈的渦流。渦流內部的空氣壓力下降,這就導致旋翼會損失一部分升力。

如果此時飛行員試圖通過加大油門、增大槳葉工作迎角的方法來彌補因渦流而損失的那部分升力,那麼渦環運動將會加速,導致旋翼損失更多的升力,情況就變得更加糟糕。一旦在飛行過程中出現一側旋翼進入渦環狀態,而另一側則正常工作的情況,就會導致左右兩側的升力失衡,飛機就會向著受到渦環影響的一側旋翼方向滾轉。(可靠性不強,事故率高,用航模的話叫,容易炸機)。

④.可維修性差。

總結起來就是「混血」的確是比媽媽聰明比爸爸好看,但同時比媽媽醜比爸爸傻

話說撲翼機和飛艇也不錯哦,怎麼沒動靜呢::&>_&<::


感覺有點多此一舉。用四軸不僅僅是為了垂直起降,空中懸停,更重要的是看重它的穩定性。如果只是為了垂直起降,兩軸甚至一軸就夠了。當然不在乎這點死重的隨便玩。


我認為是一種行業變革,解決固定翼了無人機的很多劣勢,以後估計會推廣開來。

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看看這個?


航空愛好者表示v22魚鷹完美解決問題。

可惜這種傳動系統略複雜,飛行姿態控制可能有些問題。

說到底還是民用化成本太高,看來還是我們太窮...


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