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★中國航空工業集團公司西安飛行自動控制研究所

1　方案目標

依據2018年~2030年民用無人機系統發展路線圖，無人機系統在國民經濟建設發展中的服務民生、資源檢測和保護、氣象探測、自然災害應對、公共安全服務和科考研究等六大方向三十多個領域共有上百種應用需求。近年來，無人機在民用市場的應用受到越來越多的關注，如在警用安防、農林植保、遙感測繪等多個領域，無人機系統需求較為迫切，且已形成一定的市場規模，其他行業的潛在需求也在逐步顯現，民用無人機市場應用前景廣闊、潛在市場空間巨大，將進入快速發展期。

無人機主要包括固定翼構型無人機、多旋翼（多軸）無人機、無人直升機、特殊構型無人機等四大構型無人機。固定翼構型無人機是多數行業級無人機的主流平臺，其技術特點為續航時間長、飛行半徑大、巡航速度快、負載能力強等，但其起降要求高且無法定點懸停；多旋翼（多軸）無人機是消費級無人機的主流平臺，其技術特點為起降要求低、可懸停、操控性佳、成本低，但續航時間短且負載能力弱；無人直升機適用于需垂直起降和自由懸停的應用場所，其巡航時間、負載能力和巡航速度等指標高于多軸無人機，但弱于固定翼無人機；特殊構型無人機（復合翼、傾轉旋翼機、撲翼等）兼具固定翼無人機和旋翼無人機的特性，性能指標一般介于旋翼類和固定翼無人機兩者之間。

隨著智能無人系統飛速發展及無人機系統在經濟建設中發揮著越來越重要的作用，近十年來，自控所密切跟蹤國外智能無人系統發展動態和民用無人機系統市場應用態勢，經過深入調研，國內垂直起降無人機平臺均為常規復合翼構型，沒有類似美國V_bat系列的尾座式垂直起降無人機系統平臺。

本項目旨在研發40公斤尾座式垂直起降無人機系統平臺，充分發揮自控所GNC專業技術優勢，充分利用自控所二十多年無人機配套系統研發經驗，推進智能無人系統發展，促進無人系統在國民經濟建設中發揮更大的作用。

該無人機系統平臺主要功能包括：

（1）全天候長時間偵察監視、動目標指示等功能。標配載荷采用制冷紅外/可見光/激光測距三光光電載荷，具備全天時工作能力；采用制冷紅外傳感器提高了紅外探測與識別距離，安裝有激光測距機，可對地面慢速動態目標進行持續定位與指示。

（2）快速載荷替換能力。載荷艙段采用了快捷拆卸方式，可以快速適配搭載多種載荷類型；系統采用標準載荷通信接口、兼容多種載荷協議，可適配多種載荷的控制與通信；通過快速載荷替換，實現多種載荷搭載，可拓展多種應用能力，如通信中繼、氣象探測、災害監測、農林植保、地質勘查、遙感測繪、警用安防等。

（3）具備較高的自主飛行能力。飛控系統具備全過程飛行控制、飛行管理、設備管理、健康管理、應急處理等自主控制與管理功能，自主化控制程度高；飛控系統設計有一鍵起飛、一鍵返航、快捷設置興趣點等便捷功能，降低了無人機系統操作人員能力要求；無人機操縱面、飛控系統、電氣系統、數據鏈路均采用了冗余技術，具備故障降級工作能力。

（4）快速拆卸、組裝及便捷運輸能力。無人機系統采用模塊化設計，5分鐘內可實現快速拆卸與組裝。無人機系統拆卸包裝后可通過普通物流運輸車進行運輸，具有良好的運輸便捷性。

2　方案介紹

2.1　無人機系統平臺組成

該無人機系統平臺主要由無人機、控制站等組成。其中，無人機主要由平臺、動力裝置、飛控系統、任務載荷與數據鏈機載終端等組成，設備總體布局如圖1所示。

圖1  無人機平臺主要部件布局示意圖

飛機平臺：采用大展弦比后掠中單翼身融合布局，機翼分為內外兩段，后緣布置升降副翼，以實現俯仰和滾轉控制；機身尾段加裝上下垂尾，垂尾后緣布置方向舵，以實現偏航控制；動力裝置分為電驅動四軸對稱與尾推兩部分，皆采用螺旋槳發動機。圖2為該無人機平臺平飛時的固定翼狀態，圖3為起降時的旋翼狀態。

圖2  固定翼狀態

圖3  旋翼狀態

動力裝置：動力裝置采用油電動力混合推進，其中電動裝置僅在無人機起飛和降落階段提供動力，而重油發動機則在整個飛行階段運轉。

飛控系統：主要實現無人機在飛行過程中的狀態管理、能源管理、飛行控制、飛行管理、應急處置、設備管理、健康管理等，保證無人機全飛行過程的飛行安全以及任務的完成。配套有ADS-B設備，可進入集成空域。

任務載荷：采用快卸快裝設計，可靈活實現載荷替換，最大任務載荷重量可達8千克。

數據鏈：采用主、輔鏈路設計，構成數據鏈路的安全冗余。

控制站：主要包括2臺便攜式工控本、測控鏈路地面終端等設備，包裝運輸、展開撤收方便。控制站人機功效良好，軟件操作簡便，可單手操控載荷，使用便捷。控制站實物如圖4所示。

圖4  便攜式地面站

2.2　無人機系統主要技術特點

該無人機系統平臺主要技術特點如下：

（1）采用尾座式垂直起降復合旋翼構型并采用了模塊化設計，實現迅速出動、安全起降能力；

（2）大量采用冗余技術，具有較高的使用安全性和任務可靠性；

（3）采用多操縱面實現氣動冗余，具備了多操縱面故障容錯能力；

（4）起降階段采用氣動+直接力復合控制；提高抗風能力，提升安全性；

（5）飛控系統采用雙余度系統，具備一次故障安全工作的能力；

（6）采用主、備導航模式，提高導航定位信息完備性，提升使用安全性；

（7）采用主、輔鏈路配置，提高抗干擾能力；

（8）采用電動和油動混合推進方式，提高發動機失效時平臺成功著陸概率；

（9）采用發電和應急能源供電兩種能源方式，提高供電可靠性；

（10）采用集成可見光、紅外、激光測距的光電吊艙，實現晝夜偵察等任務能力和測距定位能力。

2.3　無人機系統主要技術優勢

目前，市場上40公斤級起飛重量的無人機平臺主要有無人直升機、多旋翼機、常規復合翼無人機等，該尾座式垂直起降無人機系統平臺具有的主要技術優勢如下。

該無人機系統平臺與市場上同等起飛重量級別的無人直升機、旋翼無人機相比，續航時間、作業半徑、飛行速度、飛行高度、抗風能力、任務載重能力、實用升限、安全性等主要指標均具有明顯優勢，續航時間等指標在一倍以上，系統通用質量特性也優勢明顯。

該無人機系統平臺與市場上同等起飛重量級別的常規復合翼無人機相比，飛行速度、安全性等主要指標也具有一定的技術優勢。

3　代表性及推廣價值

40公斤級尾座式垂直起降無人機平臺國是行業內首創，在國內處于技術領先地位。

多個用戶采用該無人機平臺（總共數十架無人機）很好地完成了區域巡查、目標監視、損傷評估等作業任務，獲得了用戶的一致好評。截至目前，該型無人機平臺由用戶方經過數百架次、總飛行上千小時的試飛作業，系統工作穩定、質量可靠、操作簡單、使用便捷，總體應用效果良好。

該無人機平臺起/降場地要求低，降落點控制精度高（米級），可滿足絕大多數應用場景對應場地起降要求，也可在臨時搭建的起降場地（如水平放置的木板等）實現起降，起降使用便捷；該無人機平臺通過替換載荷可適應服務民生、資源監測和保護、氣象探測、自然災害應對、公共安全服務、科考研究等六大方向的大部分領域的數十種應用，具有十分廣闊的應用前景和較大的國民經濟建設價值。

摘自《自動化博覽》2023年6月刊