开拓创新的电动无人机

林一平

电动无人机是当前无人机发展的一大方向，有其产生的背景，也有其发展的多样性。发展不同构型的电动无人机，设计需要开拓、创新，但仍然离不开学科交叉、技术融合、巧思和优化。

电动技术符合绿色环保、节能要求，具有旋翼结构的无人机则满足大载荷及重载、多用途、起降灵活的实际需要。这两大技术集成融合不仅优势互补，而且开拓创新。

电动技术背景

人类研制电动无人机的理想久远，但目前技术有局限性，量产电机的功率普遍偏小，电池的功率密度偏低，还无法在短期内直接将单电机作为大中型无人机的动力，发展电动无人机面临如下三种选择。

一是放弃发展，认为没有实际的使用价值，没有必要去研制；

二是等待大功率电机供货，高功率密度电池技术过关，这样需要付出长时间研制和持续大投资的代价；

三是坚持发展。抓住发展机遇，争取时间，从小机型着手，边干边完善，实现可持续发展。而需要承担的是，短时间的付出和小投资的代价。另一方面，在不断使用中促进大功率电机、高功率密度电池的研发。

令人满意的是，绝大多数国家和团队选择了第三种做法，坚持发展，并且经过数年努力已研制出不同构型的电动无人机。

基本类型

电动无人机从构型上可分为多旋翼式、涵道风扇式、倾转旋翼式、复合翼式及其他类型。其中，涵道风扇式又可分为多涵道风扇式、涵道风扇分体式，其他类型如扇翼+X式等。这些电动无人机的共同特点是应用了分布式组合动力设计。

目前具有双旋翼、三旋翼、四旋翼、五旋翼、六旋翼、八旋翼等不同构型的电动无人机，极大丰富了无人机的构型设计和应用，不断满足市场和用户的需求，并拓宽了这些新科技产品在多个领域的创新应用。

双倾转旋翼复合式无人机

无人机采用三发上单翼、垂直尾翼配短舱式机身总体布局见图1。双倾转旋翼和一个涵道风扇形成“两前一后”的动力配置，即双发双倾转旋翼安装在翼尖，另有一个涵道风扇安装在后机身上方，由此组成三点动力平衡面，能很好控制重心位移，保障无人机完成垂直起降。而且此处的双倾转旋翼也非固定式，其电机能伴随转动机构的变动在0～90°范围内倾转并锁定位置，巡航时双倾转旋翼处于水平前飞状态。机翼上的2台电机实际起到4台固定式小型电机的作用，在技术上是个进步。既简化了结构，又减小了气动阻力，还减轻了无人机重量。美中不足的是，由于后机身采用了涵道风扇结构，电机只能驱动旋翼水平旋转，飞行中会增加气动阻力，削弱平尾的效能，有待设法改进。

图1 双倾转旋翼复合式无人机布局设计。

三旋翼复合式无人机

无人机采用三发上单翼、V型尾翼配短舱式机身总体布局见图2。三副旋翼形成“两前一后”的布局，即双发双旋翼安装在机翼前缘，另有一发和一副旋翼安装在后机身上方，由此组成三点动力平衡面，能很好控制重心位移，同样能保障无人机完成垂直起降。而且此处的双旋翼也非固定式，其电机能伴随转动机构的变动在0～90°范围内倾转并锁定位置，巡航时旋翼随电机倾转到水平位置，处于水平前飞状态。机翼上的2台电机实际起到常规状态下4台固定式电机的作用，即2台电机驱动旋翼转动提供水平前飞的升力，另外1台电机驱动旋翼全程提供升力，技术上既简化了结构，又减小了气动阻力，还减轻了无人机重量。美中不足的是，后机身安装的电机由于结构原因，旋翼只能处于水平状态，飞行中会增加气动阻力，削弱尾翼的效能，有待设法改进。

图2 三旋翼复合式无人机。

四旋翼无人机

无人机机身具有四根旋翼杆，安装4台电机驱动四副旋翼旋转提供升力，以外形简洁、结构简单、对称性佳、通用性好、容易操控、维修方便为特征。也是最典型、拥有数量最多、使用最广泛的无人机构型见图3。作为空中平台，广泛应用在空中目标搜寻、航拍、快递、交通监管、电力巡线、农业植保及播种、科普教学等诸多领域。其优点是整体性好，结构重量轻、机身下方可搭载多种任务载荷，便于控制重心位移，确保飞行平稳，并能够垂直起降。

图3 典型四旋翼无人机。

四旋翼一桨复合式无人机

无人机采用四副旋翼、双尾撑门框型尾翼布局见图4，即含有四副旋翼和一副螺旋桨。其中，四副两叶旋翼为无人机垂直起降提供升力，机身尾舱的三叶螺旋桨提供水平飞行的升力。双尾撑采用碳纤维复合材料杆嵌入机翼结构，保证前、后、左、右的对称性。该机翼略带后掠角含翼梢小翼，以减小诱导阻力改善巡航性能。被抬高的门框型尾翼具有下反角，很好地提供螺旋桨滑流通道，减小机翼、机身洗流的不利影响，则以最小结构重量取得俯仰及航向操纵性和稳定性。

图4 四旋翼一桨复合式无人机。

四旋翼复合式无人机

四旋翼复合式无人机将电动垂直起降和水平推进的功能合二为一。其双碳纤维复合材料旋翼杆被插入机身的前部和中部，采取上单翼和V型尾翼总体布局见图5。该机注重长航时飞行，依靠张臂式大展弦比机翼产生的高升阻比获得优良的空气动力性能，完善巡航性能，提高经济性。且电机可以驱动旋翼在90°范围内倾转，完成垂直起降和水平前飞。该机张臂式上单翼采用斜撑结构，帮助增加强度并减重。后三点起落架的两个主轮靠近机头下方，机尾使用斜杆架，起到共同保护旋翼不触地免遭损坏。

图5 四旋翼复合式无人机。

图6中同样带有四副旋翼的无人机，其双碳纤维复合材料杆则被左右对称地嵌入机翼中段。按照一切就简原则，该无人机采用滑橇式起落架，V型尾翼配尾鳍布局，除提供方向稳定功能外，还增添了着陆时的支撑点，起到一物多用的作用。

图6 四旋翼复合式无人机。

六旋翼复合式无人机

无人机采用四发双涵道风扇、双旋翼、下单翼、双垂直尾翼配短舱式机身总体布局见图7。双碳纤维复合材料杆组成双尾撑结构，与四副旋翼形成“两前两后”的布局，即四发四旋翼分别安装在机翼前后方，另有一对涵道风扇安装在机翼两侧的翼尖处，由此组成六点动力平衡面，能很好控制重心位移，保障无人机完成垂直起降。而且位于机翼前缘的双旋翼也非固定式，其电机能伴随机构的变动在0～90°范围内倾转并锁定位置，巡航时倾转旋翼提供水平前飞升力。下单翼既作为该型无人机的主要升力部件，又作为连接机身、双尾撑、双涵道风扇、双托架的重要构件，被高抬的上层机翼具备上单翼的功能，能提供附加升力，双垂直尾翼则提供方向操控与稳定，水平尾翼则提供俯仰操纵与稳定。短舱式机身则适合任务载荷方便进出无人机货舱。

图7 六旋翼复合式无人机。

该无人机与其他构型无人机相比，总体布局显得较繁琐，会增加飞行时的气动阻力和干扰阻力，也会增加结构重量，导致电动系统复杂化，增加飞控系统负担，同样有待简化结构与系统，并具体落实多方面的改进。

八旋翼无人机

研制多旋翼无人机的初衷并不是追求配置的电机或旋翼数量越多越好，而是迫于无奈。一个现实难题是随着任务载荷增加，无人机原有功率不够，动力不足。并且，由于大电机重量过重，耗电量亦大，于是最简单的办法就只能增加电机或旋翼数量，但要考虑如何布置电机和旋翼来满足需要。

典型四旋翼无人机大众都非常熟悉，倘若将四根旋翼杆延长，每根中间再增加1个机座，那么总计可以设置八台小电机和八副旋翼见图8，八旋翼无人机就此诞生。不仅起飞重量增加，而且任务载荷重量也同时增加，飞行性能得到提升。

图8 电动八旋翼无人机。

上海交通大学师生曾研制出十六旋翼电动无人机，机身采用碳纤维复合材料，配置高性能锂电池，既能垂直起降，又能空中悬停，飞行速度50km/h，实用升限1000m。

电动无人机已经成为当前乃至今后无人机发展的一大方向，构型琳琅满目，极大丰富了无人机科学的内涵，促进了无人机技术进步，正不断结出硕果。