倾转旋翼垂直起降固定翼无人机技术解析

　　无人机从1917年第一架配备了自动陀螺稳定仪的“斯佩里空中鱼雷号”问世以来，经历了一次又一次技术和应用革命，已经从最早的飞出去就回不来的飞行炸弹发展成可以完成从空中摄影，航空测绘到植保喷药，物流运输等多种使命和战场侦察，地面打击等军事用途的空中载体，无人机的动力布局也从最初的固定翼到如今多旋翼、复合翼垂直起降固定翼和倾转旋翼垂直起降固定翼无人机。

　　固定翼无人机的优点是航速快，航程长，缺点是起降场地受限需要跑道或者手抛，弹射起飞、降落只能采用滑降或者伞降，安全性和灵活性都比较差。

　　多旋翼无人机的优点是操作相对简单、垂直起降、对起降场地要求不高，可以随时悬停，缺点是飞行速度慢、续航时间短，控制范围和工作效率都不高。

　　垂直起降固定翼无人机的出现很好的解决了这个矛盾，。它兼顾了旋翼机垂直起降安全便捷和固定翼飞机航速快，航程长的优点，所以一经推出就受到了市场的广泛接受和各个行业无人机使用者的热烈欢迎！ 但是这种动力布局带来巨大的方便和安全性之余有一个缺点，无人机在起飞和降落阶段是在多旋翼模式下工作，这样固定翼动力是死重（对飞行和作业都无效的重量），而固定翼模式时，多旋翼动力和动力臂是死重，以及多旋翼动力部件会在无人机以固定翼模式飞行时造成多余的气动阻力和扰流，降低机翼升阻比，这些都会降低飞机的带载能力和续航时间，可谓是一个美中不足的事情。

　　哪里有问题，哪里就有办法！ 脱胎于军工科技的“倾转旋翼”技术非常完美的解决了这个问题。比较典型的就是美军的“V-22鱼鹰式”双螺旋桨倾转旋翼机。

　　新一代的倾转旋翼垂直起降固定翼无人机，采用三旋翼或四旋翼结构，在垂直起降过程中，到达一定高度和水平速度之后，一个或两个旋翼通过倾转机构转成水平方向，成为固定翼模式飞行的动力，这样有部分动力机构是多旋翼模态和固定翼模态共用的，减小了整个飞行过程的死重和空气阻力，可以最大程度的提高无人机的飞行时间和能效比。

　　倾转旋翼技术做为一项无人机产品的尖端科技， 对无人机的飞行控制系统和倾转动力结构有较高的要求， 还需要各种工作状态下大量的试验和测试数据来优化控制软件，技术门槛比较高，目前民用市场真正掌握倾转旋翼技术的生产企业不多，众多的无人机用户对使用倾转旋翼技术的无人机也有着强烈的好奇和一些顾虑，这种飞机安全吗？在起飞和降落时，旋翼倾转过程会不会有危险？我做为普通使用者能不能简单方便的操控和使用它呢？做为倾转旋翼垂直起降固定翼无人机研发和生产的国内领军研制企业厦门天源欧瑞科技有限公司来为您答疑解惑，一起带您来揭开它神秘的面纱。

　　倾转旋翼垂直起降固定翼是在垂起固定翼飞机的旋翼动力部分采用旋翼倾转结构，一般是在前端的两个旋翼上使用。整个装置可以绕机翼轴由朝上与朝前之间转动变向，并能固定在所需方向，因此能产生向上的升力或向前的拉力。起飞时旋翼倾转装置处于垂直位置时,飞行器类似多旋翼飞机进行垂直起飞，达到预定高度后倾转旋翼装置开始绕机翼轴朝前倾转，逐渐增加向前的水平拉力，配合另外两个旋翼在维持飞行高度的同时使无人机产生前进的速度，当平飞速度达到固定翼飞行的要求之后，旋翼倾转装置完全转成水平位置,无人机开始进入固定翼模式飞行，极大地增大飞行速度，航程和留空时间。降落阶段与起飞阶段类似，在到达降落区域上空后，无人机开始减速，旋翼倾转装置逐渐由水平改为垂直。转换成多旋翼模式，垂直降落。我们可以发现，在起飞和降落阶段过渡飞行模式转换的过程中，倾转旋翼一直是在矢量控制状态下工作，一旦出现侧风或其他情况， 无人机可以迅速地进行飞行姿态调整，或者切换成旋翼模式，安全操作，平稳降落。

　　目前倾转旋翼垂直起降固定翼无人机倾转系统主要采用舵机直驱式和蜗轮蜗杆驱动式两种。

　　蜗轮蜗杆驱动式： 倾转机构是通过舵机带动蜗轮蜗杆实现倾转轴的转动，再利用蜗轮蜗杆的自锁特性保证倾转后的状态稳定。但是这种结构受到蜗轮蜗杆自身结构的限制，在倾转时，舵机输出经过蜗轮蜗杆的旋转后，使得倾转过程的即时性较差，旋翼机的螺旋桨的姿态变换较慢，不利于灵活控制旋翼机切换飞行模式。且该结构复杂，只能通过差速在多旋翼模式进行控制，不能进行矢量控制，蜗轮蜗杆直接配合摩擦力较大，易于磨损，不利于长期使用。

　　厦门天源欧瑞科技有限公司的“天源·瑶光”和“天源·闿阳”采用的是舵机直驱式，这种方式优势在于倾转响应速度快，倾转舵机的倾转姿态变换最快可达到60°/0.1S，飞行控制系统不仅可以通过旋翼差速对飞行姿态进行控制，还可以通过舵机对倾转旋翼进行矢量控制，尤其表现在起降时旋翼加速或减速（也称刹车），飞控根据风速、风向等参数，控制舵机矢量调整螺旋桨倾转姿态的角度，达到灵活平稳切换飞行模式， 安全平稳的操控飞机。

　　既然舵机直驱式有这么多优点， 那为什么还有人选用蜗轮蜗杆式呢？ 答案在于舵机直驱式的难点在于无人机处于固定翼模态下的倾转位置会产生不平衡力矩，反向传递给驱动装置，导致倾转舵机需要持续性修正，这对倾转舵机的机体结构和抗扭强度、稳定性和使用寿命具有极大的考验， 市场上普通品牌的舵机根本达不到质量要求，一旦出现故障，很容易出现“炸机”的情况。考虑到上述因素，天源欧瑞与德国专业舵机制造厂商合作，旗下所有系列无人机均采用了扭矩大于40kg-cm，寿命高达50万次以上的倾转舵机。针对倾转舵机的性能我们进行了详细的测试。

　　扭矩测试

　　通过直流电源为舵机供电，使舵机处于工作状态下，将舵机放进专业的扭矩测试仪中进行测试，测试结果舵机的扭矩均可超过40kg-cm。大扭矩倾转舵机使倾转轴能够更稳定且迅速地进行自转。

　　寿命测试

　　要解决倾转舵机的可靠性问题，需要对舵机进行失效分析和寿命试验，并采集数据，从而基于失效数据对舵机进行深入分析，我们对倾转舵机加上10kg-cm的扭矩负载，连续不间断对倾转姿态做最大范围变化，通过舵机测试仪计数倾转次数均超过了50万次。

　　稳定性说明

　　自2016年起天源欧瑞已生产超过100架倾转旋翼垂直起降固定翼无人机，累计超过1万小时飞行时间，没有出现过一例因为倾转舵机故障造成的飞行故障和事故，安全性和可靠性得到了市场客户的充分认可，目前仍有超过60架的订单等待生产完成交付给最终用户。

　　考虑到倾转舵机自身的重量和最大扭力等限制， 我们认为舵机直驱的倾转旋翼垂起固定翼无人机目前最好不要超过16kg的起飞重量，除非未来有更高质量的倾转舵机面市，不过虽然天源·闿阳最大起飞重量只有13.5公斤，但是最大有效载荷可以超过2公斤，带全画幅正摄载荷时续航时间更是超过了120分钟， 这就是倾转旋翼无人机带来的优势！天源·闿阳可以携带全画幅正射相机，五镜头相机，甚至全画幅五镜头相机， 30倍单光，双光吊舱等中型设备， 满足绝大多数无人机行业应用的需求！