蛇油精
引⾔
旋翼飞⾏器时代的开端是在1907年8⽉。法国⼈保罗·科尔尼研制出⼀架全尺⼨载⼈直升机，并在同年11⽉13⽇试飞成功，[1]这是⼈类第⼀架直升机，为之后的各种类型的通航直升机的发展奠定了基础。在20世纪90年代之后，随着微机电系统研究的成熟，重量只有⼏克的MEMS惯性导航系统被开发和运⽤，加之电⼦信息技术的⾼速发展，为多旋翼⽆⼈机飞控系统的成熟提供了良好条件。 高频整流器⽆⼈机按不同平台构型来分，主要有固定翼⽆⼈机，旋翼⽆⼈机和复合型⽆⼈机，[2]其中旋翼⽆⼈机包括多旋翼⽆⼈机和⽆⼈直升机。与固定翼⽆⼈机相⽐，旋翼⽆⼈机具有些⽅⾯独特的优势，例如，起飞和着陆场地要求低，不需要跑道或弹道、可垂直起降、空中定点悬停等。
1 多旋翼平台构型
顾名思义，多旋翼⽆⼈机是根据有⼏个螺旋桨来定义的。以常规布局的四旋翼为例，依靠四个螺旋桨产⽣升⼒和推⼒，通过相邻两个螺旋桨正反布置来抵消反扭⼒。机械结构上只需保持重量分布的均匀且重⼼位于中⼼板的垂线上，结构简单，机⾝振动⼩。在飞⾏⼒学上来看，多旋翼⽆⼈机是靠螺旋桨转速的变化，来调整⼒和⼒矩的，从⽽实现多旋翼⽆⼈机的飞⾏运动。但是，对多旋翼⽆⼈机的桨叶来说，⼀ ⽅⾯，桨叶尺⼨越⼤，越难迅速改变其速度。也正是因为如此，直升机主要是靠改变桨距⽽不是速度来改变升⼒。另⼀⽅⾯，在⼤载重下，桨叶的刚性需要进⼀步提⾼。不可变距的桨叶上下振动会导致刚性⼤的桨叶很容易折断，因此，桨叶的柔性是很重要的，它可以减少桨叶来回旋转对桨叶根部的影响。所以，⼤载重多旋翼⽆⼈机的⼤桨叶少见。[3]
1.1 电动多旋翼
电动多旋翼⽆⼈机具有原理简单，可靠性⾼，造价低，维护简单，灵活轻便等⼀系列优势。由于⽆刷电机、电池和飞控技术的发展，使得在⼩载荷，低速度，短距离的应⽤场合，电动多旋翼近年来取得了很⼤的成功，在许多领域得到了⼴泛应⽤。例如，植保，航拍等。
在⼯业⽆⼈机应⽤领域，⽆⼈机⼯业应⽤市场上更多的载荷、更⼤的航程、更强的环境适应能⼒等需求，电动多旋翼的发展受制于电池能量密度短时间内⽆法取得可量产性重⼤突破，以及⽓动和控制原理上的劣势，依靠增加电池容量、增加旋翼个数、放⼤机型尺⼨等⽅法来获得更⾼的载荷能⼒和飞⾏时间。
电动⽆⼈机锂电池
1.2 油动多旋翼
一个度导航
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
鸟笼拉手
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。
导光条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。
分子筛膜
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
⽆⼈机编队新玩法：⽆⼈机烟⽕烟花秀
