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倾转旋翼技术存在的几大难点

倾转旋翼技术应用在无人机领域对于满足工业级需求的巨大优势,而从世界范围来看,倾转旋翼技术还处于起步阶段,仅有美国和以色列少数国家技术相对成熟。

我国在这个技术领域的研究起步相对较晚,且面临严密的技术封锁,进展较慢。究其原因归根结底还是因为倾转旋翼技术有许多难点难以攻克,这些难点成为制约研发倾转旋翼无人机企业共同的问题,谁能率先攻克这些难点,取得更多阶段性的实质成果,直至将国产倾转旋翼无人机投入市场应用,谁就能先拔头筹成为万众瞩目的焦点。

倾转旋翼技术存在的几大难点

下面就让我们首先一起了解一下业界公认的倾转旋翼技术存在的几大难点(前方技术高能,请带好字典前行):

总体来讲倾转旋翼无人机具有三种飞行模式:悬停/小速度前飞的直升机(或多旋翼)飞行模式,巡航和高速前飞的固定翼飞机飞行模式以及从直升机(或多旋翼)模式向固定翼飞机模式转换的过渡飞行模式。过渡飞行模式是倾转旋翼技术的关键所在。在不同飞行模式转换的过程中,旋翼的流场与尾迹都很复杂,加之桨叶非正常变化的气动力直接影响飞行器的平衡和操纵,使快速转换、平稳过渡成为难点。具体来看:

难点一:气动干扰研究

倾转旋翼无人机在兼具直升机(或多旋翼)和固定翼无人机优点的同时也兼具二者的动力学问题,其复杂性也大于二者之和。倾转旋翼的气动干扰问题涉及到旋翼-机翼、旋翼-旋翼、旋翼-机身、旋翼-尾翼等多个方面,其中以垂直飞行和悬停时旋翼-机翼的气动干扰最为严重。由于定点悬停时机翼是固定不动的,受旋翼桨尖脱落的螺旋形桨尖涡干扰,诱导产生的下洗流以接近90°方向撞击机翼,继而在机翼上表面形成阻塞的三维效应流场,严重影响无人机的稳定性。

而且,倾转旋翼无人机性能的一个重要指标是它的有效载荷。在悬停状态下,旋翼-机翼气动干扰对该有效载荷具有重大影响。实验研究发现,机翼上的下洗载荷占旋翼总拉力的一部分,这种不利的气动干扰造成飞机有效载荷的降低。只有正确处理旋翼/机翼气动干扰,才能提高倾转旋翼无人机的有效载荷。

另外,由于悬停状态下的倾转旋翼机存在横向对称性,左右机翼上方的气流在接近飞行器对称面处相遇,因而气流转为向上运动。这种运动形成了特有的附着涡分离和气流再入等复杂现象,直接影响倾转旋翼的气动特性。

悬停状态下倾转旋翼流场示意图

悬停状态下倾转旋翼流场示意图

难点二:飞行控制研究

为实现多种飞行模式多种飞行状态的操纵控制,倾转旋翼无人机的操纵控制系统可能是世界上最复杂的飞行器控制系统之一。除了用于普通的固定翼螺旋桨飞机与横列式直升机(或多旋翼)的操纵控制系统外,倾转旋翼无人机的操纵控制系统还须操纵控制旋翼轴的倾转,以实现不同飞机模式的功能。在倾转过程中,要同时进行飞机和直升机(或多旋翼)两种控制系统的操纵,即同时通过操纵旋翼和飞机的常规空气动力操纵面,以实现对旋翼倾转和飞机飞行状态的控制。其操纵和飞行控制比单一的固定翼无人机和无人直升机(或多旋翼)都要困难许多。特别,倾转旋翼无人机在过渡模态时,存在明显的拉力矢量控制特性,由于拉力矢量的存在,三通道之间出现较强的耦合。同时,还存在着气动舵面操纵与拉力矢量控制之间的协调问题,使得过渡模态下飞行控制系统设计变得更加复杂。因此飞行控制技术是倾转旋翼无人机的另一个关键难点。

倾转旋翼俯仰控制示意图

俯仰控制示意图

难点三:结构设计研究

倾转旋翼无人机为了适应直升机(或多旋翼)模式的垂直起降、飞机模式的高速巡航飞行以及各种飞行状态的控制,在结构设计方面有诸多考究。具体来说,倾转旋翼系统既要适用于高速前飞,又要兼顾垂直悬停效率,桨叶的形状、扭转及桨毂形式的设计都不同于常规的旋翼。

而且,在机翼两翼尖处要安装旋翼系统,旋翼轴要相对机翼倾转,这就对机翼强度和气弹稳定性提出了更高的要求。这其中也涉及到复合材料方面的技术工艺研究,比如桨叶需要采用弯扭耦合特性更强的复合材料制造,通过复合材料机翼塑造出理想状态的气动,同时也需要复合材料设计优化桨尖形状。另外,如何在不影响飞机的整体强度的前提下,减轻飞机自身的重量,使飞机承担更多的负载,实现更远的航程,需要精细和合理的结构设计。

因此,综合考量各方面要求的设计才能很好的保证飞机的控制精度,减少控制难度,保证飞机的飞行安全,且合理的解决重量与强度之间的矛盾问题。

旋翼机模型的绘制

旋翼机模型的绘制

倾转旋翼无人机
倾转旋翼技术存在的几大难点认证作者,无人机行业知名站长,知乎无人机专栏创作者。
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