电动无人机锂电池

1.2 油动多旋翼

油动多旋翼无人机采用多个发动机提供动力，每个发动机带动一个旋翼，旋翼螺距固定， 通过调整发动机节气门控制转速改变升力，旋翼直接安装在发动机的转轴上，无需传动结构[4]。优点是无需减速箱传动结构，载重量大、续航时间长。但是，油动多旋翼无人机的驱动方式和控制原理与大尺寸电动多旋翼无人机基本上是一样的，同样受到空气动力学原理的限制，大尺寸固定桨导致飞行速度小，抗风能力差，震动大。

通过调整发动机节气门控制转速的变化比大尺寸电动多旋翼无人机控制电机转速的响应速度更慢，飞控的控制效果更差。虽然油动多旋翼无人机相对无人直升机省去了一个变速箱传动结构，但是增加了更多的发动机个数。发动机个数多，意味着维护工作量成倍增大，出故障的可能性也大，因而运行的安全性也大大地降低了。

油动多旋翼无人机由于技术原理上的缺陷，目前只适合用于贴近地面低速飞行的农业植保领域。在需要大载重并且较高速度、 较大航程、较高飞行高度的应用领域无法与无人直升机竞争。

油动多旋翼

1.3 油电混合多旋翼

油电混合多旋翼，按照动力方式划分，可分为油发电型与油加电型两种。油发电直驱方案具有机械结构简单，维护方便，载重量相对较大等优点，是目前应用较多的方案。[5]油发电型其实就是普通的电动多旋翼将驱动电机的动力电池换成了油动发电机装置。通过油动发电，利用了燃油的高能量密度，大大提高了续航时间。通过直流电驱动无刷电机和旋翼，保留了电驱动操纵灵活的特点。但是由于部分载重能力需要用于搭载油动发电装置和燃油， 使得该种机型的载荷能力较小，并且震动和噪音也比电动多旋翼要大。汽油发电机的工况受海拔高度、温度等环境影响较大，维护保养的便利性和可靠性均不如电池。油电混合多旋翼无人机在载荷尺寸小重量轻， 工作环境较好， 低速度低高度长航时的应用场合具有优势。由于其动力功率受制于发电机，而发电机功率的增大会导致体积和重量的急剧增加，所以不适合用于需要较大载荷能力的应用场合。而无人直升机可以同时具备较大载重能力，较高巡航速度，较高飞行高度和较长航程的飞行性能。

油电混合多旋翼

2 直升机平台构型

无人直升机的构型原理大多在有人直升机平台的基础上，根据无人直升机的特性研而来。从气动布局，结构形式等方面进行了简化与优化。由于直升机研发的技术复杂性和可靠性要求高等原因，采用正向专门设计的无人直升机，绝大多数上都是空机重量小于 200kg，有效载荷低于 50kg 的轻小型无人直升机，而更大级别的无人直升机研发，大多选择成熟的有人直升机平台进行无人化技术改造。目前的技术和市场方向， 也应定位于轻小型无人直升机这一细分领域。常见的直升机形式有，单旋翼带尾桨，共轴双旋翼，纵列双旋翼，交叉双旋翼等。

2.1 单旋翼带尾桨

单旋翼带尾桨直升机构造简单， 操纵灵便，确有其显著的优点。[6]但是，尾桨需要不停运转以平衡主旋翼产生的扭矩，要消耗发动机10%以上的功率。由于需要尾桨提供扭力因此机身需要设计的更长尺寸更大， 重心范围小。尾桨不但易产生有害震动和噪声，也是故障的多发部位。单旋翼带尾桨的构型被广泛应用于轻小型无人直升机， 但其载重比、 便利安全性等指标并不突出。但是就目前看，单旋翼带尾桨平台技术成熟度最高。

S100无人直升机

单旋翼带尾桨最杰出的代表就是奥地利西贝尔公司的 S100 无人直升机，其最大起飞重量为 200kg，任务载荷 50kg，续航时间 4 h。验收试验中，气温超过 35℃，地面风速达到 46km/h。该机达到了 3962m的飞行高度 ( 在接近最大起飞重量的条件下 ) ，飞行速度超过 185km/h，还验证了搭载一套25kg有效载荷续航超过 6h 的能力。

S100 采用 50HP转子发动机提供动力， 应用了非常先进的一体式复合材料机身和结构设计，使得其空重得到有效控制，不但具有良好的飞行性能指标， 而且最大滞空时间也达到了 6 小时（普通的载人直升机一般也就 4 小时）。虽然 S100 的先进设计已经有效地减轻了空重，将最大起飞重量控制到了 200kg，而最大有效载荷能力也仅为 50 kg。[7]

2.2 共轴双旋翼

共轴双旋翼直升机最显著的特征是两副旋翼绕同一轴线转动，两副旋翼转向相反，即可抵消旋翼产生的反扭力。对于航向运动，上下旋翼总距差动产生不平衡扭矩，即可实现航向操纵。常用的差动形式有半差动和全差动。

在相同直升机量级下，共轴双旋翼直升机，优点有结构更为紧凑，外形尺寸小，飞行稳定性好，悬停效率高。实用升限大，爬升速度大，续航时间长，载荷能力大。缺点是操纵机构和机械传动复杂， 并且其关键部件的材料要求较高， 导致其出现机械故障和失效的风险大大增加，平台系统可靠性与稳定性降低。

共轴有人机经典之作就是卡莫夫的共轴双旋翼直升机，目前也开始涉猎共轴无人直升机。从目前俄罗斯公布的数据看，“角鲨”机身长3.7米，旋翼直径6米，最大起飞重量490千克，任务载荷120千克。这一级别的无人直升机可以应用的范围非常广泛。例如军事侦察，电子战平台，高空消防等。飞行高度2000米，最大飞行速度130km/h，有效载荷120kg。[8]

角鲨无人直升机

2.3 纵列式双旋翼

提起纵列式双旋翼直升机，大家都会想到美国CH-47直升机。为短距离的大载重物流运输而生。这种构型的直升机具有两副主旋翼，一前一后，转向相反。用于提供升力和抵消反扭力。依靠同向的总距变化来使得纵列式双旋翼直升机滚转运动，反向的总距变化实现航向运动，在结构形式上两副旋翼完全一致。在传动形式方面，由于两副桨叶具有重叠部分，必须要保证两副旋翼同步转动。因此两个主旋翼由一个同步变速装置联结传动， 以保证两个主旋翼即使在发动机失效的情况下也保持同步转动。

在相同直升机量级下，纵列式双旋翼的最大优势是具有较大的重心范围， 和良好的纵向稳定性， 可以运送尺寸较大的货物。运载能力大。同时对于大载重的消防场景也有广阔的前景。纵列式双旋翼构型的主要缺点是复杂而又延伸较长的同步机械传动装置，对机械设计要求较高。同时重量集中在机身中部，航向力矩太长，所以航向操纵的滞后性也比较明显；其次，对风向变化不够敏感。体现在航向控制上，依靠两副旋翼反响总距变化，也具有滞后性。

近年来随着物流无人机的热潮，一飞智控自主研制的泰坦无人直升机，克服了上述缺点。造出一款全新的纵列式无人直升机平台。其具有较大的货仓容量和较高的巡航速度，能满足绝大多数支线端物流运输。[9]

2.4 交叉双旋翼

交叉式双旋翼同样是靠两副主旋翼反向转动来抵消反扭力。在传动形式上与纵列式双旋翼具有同样的原理，需要靠传动结构来避免两副桨叶不发生喷碰撞。横向轴距小，但在传动结构形式上更为紧凑。可靠性与稳定性高。另外，再利用倾斜交错空间来避免两副主旋翼碰撞。两副旋翼横向倾斜一定角度。航向运动是通过增加其中一副旋翼总距完成的。横滚和俯仰运动是通过两副旋翼的的周期变距来是实现。

在相同直升机量级下，较小机身尺寸和重量的交叉双旋翼直升机，可以获得比单旋翼带尾桨更大的总旋翼面积。其优点是具有更高的升力效率和载重能力。交叉式双旋翼抗风能力强， 在大载重情况下的稳定性较好，其缺点是最大飞行速度不如单旋翼带尾桨。

交叉双旋翼无人直升机的代表作就是瑞士Dragon50。主要用于航测和航拍。该机基本参数，任务载荷50kg，最大飞行速度80km/h，最大起飞重量88kg。如果只是搭载任务相机设备5kg左右，飞行时长可达4h。可见，交叉双旋翼不愧为空中大力士。[10]

Dragon50

3 结语

无人机的行业应用应该兼顾成本，市场规模，平台性能指标，应用场景等多种需求。对需求按照需求分析矩阵进行多维度的论证与分析。选择最符合需求的无人机平台。故无人机的发展的驱动力是无人机行业应用，对于旋翼无人机平台而言，各种飞行平台均具有本身的优势与劣势，只有结合特定的行业应用，发挥平台最大优势。才能推动无人机的快速发展。

4 参考文献

[1] 董明明.某直升机起落架参数设计及其动力学特性分析[D].南京：南京航空大学，2010.

[2] 李斌.小型混合式无人机动力系统研究[D].安徽大学，2018.

[3] LS.简述多旋翼无人机总体设计思路[J].走近无人机，2019.

[4,5] 新科技.多旋翼无人机的优缺点以及作用和未来[J].电子发烧友网，2017.

[6] 葛云建.仿生感知机器人实验平台相关技术研究[D].安徽：中国科学技术大学，2007.

[7] 徐明.刘泽坤.欧洲无人直升机研发的新特点[J].航空科学技术，2008(6):5-9.

[8,9,10] 源于网路

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