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2025-09-29
站在巨人的肩膀上：讨论无人飞行器的布局设计和应用
【摘要】：牛顿说，看得远是因为站在巨人的肩膀上。飞机平台就是这个巨人，而布局形式决定了这个巨人的高度。固定翼的布局固定翼无人机主要针对长航时的应用，其中侦察监视工作占到了绝大部分。所以无人飞行器的布局设计主要目标是保证载荷系统的视野和平稳。后推发动机的捕食者无人机和双尾撑设计的影子200无人机彩虹3型无人机是鸭式布局无人机的典型代表。鸭式布局在无人机当中比较少见。常规布局无人直升机和共轴无人直升机
牛顿说，看得远是因为站在巨人的肩膀上。这话放在无人机身上，却不能算作一种比喻，而是一句大实话。飞机平台就是这个巨人，而布局形式决定了这个巨人的高度。所谓布局，可以理解为飞行器升力、动力部件的位置组合方式。任何一种飞行器都有多种布局，适用于多种不同的应用。
固定翼的布局
固定翼无人机主要针对长航时的应用，其中侦察监视工作占到了绝大部分。所以无人飞行器的布局设计主要目标是保证载荷系统的视野和平稳。而固定翼无人机上最好的观察位置是在头部和前腹部，然而最常见的传统飞机的发动机也在头部，这会导致载荷振动，无法保证监视效果，所以无人机一般不采用传统飞机的布局方式，而把发动机放置在别的地方。另外为了提高无人机航时，采用V形尾翼，机翼的大展弦比设计，翼尖小翼，翼身融合等技术的飞行器比比皆是。
我们把机翼在前，水平尾翼、垂直尾翼在后的飞行器叫作常规布局飞行器。捕食者无人机是后推发动机常规布局飞机的典型代表，它采用了V形尾翼，来简化尾翼并降低阻力。而影子200无人机则使用双尾撑设计，将发动机置于飞机中部，这样做可以简化飞行器尾部设计，因为此类无人机没必要拥有尾部空间来安放设备。常规布局的优点是气动特性稳定，因为有尾翼产生下压的稳定力矩，可以很容易做到全机力矩平衡。但是成也萧何败也萧何，尾翼产生的负升力会降低全机升力，还要额外带来阻力，垂直尾翼又使飞行器外形变得非常不紧凑。
后推发动机的捕食者无人机和双尾撑设计的影子200无人机
彩虹3型无人机是鸭式布局无人机的典型代表。鸭式布局在无人机当中比较少见。将水平尾翼安装在飞机前方，向上的升力可以保持飞机稳定。相对于常规布局，这样的设计避免了负升力翼面的使用，可以提高整机效率。但是这种布局形式下，前面的鸭翼容易比主翼面先失速，使得主翼力矩无法平衡，失去控制能力，所以只有在装备了复杂飞控系统的中大型无人机中才会使用。
采用鸭式布局的彩虹3型无人机
那么能不能去掉尾翼呢？当然可以，不使用尾翼而只使用机翼的布局我们叫作飞翼布局。飞翼布局是固定翼中结构最简单的，不但取消了水平尾翼，还可以把垂直尾翼安装在机翼两端，同时起到翼尖小翼的作用，进一步简化结构提高气动效率。一般飞翼无人机会使用后推发动机，扫描鹰是这种布局方式的代表。
飞翼布局的扫描鹰无人机
固定翼的一个先天缺陷就是必须具备一定的水平速度才能够起飞，所以滑跑或者弹射起飞才能满足它的需求，那么能不能让固定翼无人机也垂直起降呢？当然也可以，从第二次世界大战时期开始，科学家们就在研究这种飞行器，他们叫作VTOL（Vertical Take-Offand Landing，垂直起降）。其中比较有代表性的，是一种四旋翼和固定翼结合的产物“QuadPlane”。这种飞行器既有垂直起降的特性，又能够长时间高效率飞行。但是在长时间飞行的过程中，多旋翼部分会成为费重，因而它的性能介于多旋翼与固定翼之间，是一种即兼而有之、折中的方案。(https://www.chuimin.cn)
垂直起降固定翼无人机
垂直起降固定翼机型最早出现在军事领域，后来军用技术向民用外溢。在国外，亚马逊致力于用垂直起降固定翼无人机实现送货；在国内，成都纵横的“大鹏”系列垂直起降固定翼无人机已用于测绘、电力、石油管道巡线、环保监测、灾害监测、空中执法等领域，意味着垂直起降固定翼无人机产业化逐渐落地。“CW-20大鹏”采用油电混合动力，起飞、降落时由电池提供动力，平飞作业时则为汽油发动机提供动力，留空时间可达6小时，巡航速度为25米/秒，最大飞行速度40米/秒；而采用电力驱动的“CW-10大鹏”，续航时间也达到了90分钟，巡航速度20米/秒，最大飞行速度30米/秒。成都纵横CEO任斌认为，垂直起降固定翼无人机的产业化，将有助于解决工业级无人机“用不了，用不起，用不好”的难题，对工业级市场而言是个利好消息。
多旋翼的布局
多旋翼布局种类比较多，按旋翼数量分类有四旋翼、六旋翼、八旋翼等，按旋翼分布位置分类有十字形、X形、梯形等。还有双层对置的三轴六旋翼、四轴八旋翼等。其中三旋翼是个特殊的例子，它的尾旋翼需要左右摆动。
特殊的三旋翼
与固定翼只追求气动效率不同，各种多旋翼布局有着迥异的特性。四旋翼相对航时长，但是可靠性和稳定性偏低；八旋翼载荷能力最好，但是尺寸庞大，航时最短；六旋翼则介于两者之间；双层对置布局则能够在有限的尺寸下获得很大的载荷能力，可惜效率损失近半。飞行器是平衡的机器，没有完美的设计，这点在多旋翼无人机上体现得淋漓尽致。
直升机的布局
直升机的布局种类比较少，常见的只有常规布局与共轴双旋翼两种。其他形式直升机也有使用，比如并列式、复合式自转旋翼机等，但是因为结构复杂不适合用作无人机。常规布局直升机使用一个主旋翼通过周期变距机构控制飞行器的升降和各种姿态运动，使用一个尾桨抵消主旋翼的反扭力矩，并控制飞行器的航向。由此可知，尾桨的动力输出对飞行器的升力不起任何作用，浪费了动力。因此出现了共轴双桨布局形式，使用两个主旋翼对转抵消反扭。这种布局升力效率高于常规布局，但是由于两个主旋翼要分别控制周期变距，其机构复杂程度可想而知。
常规布局无人直升机和共轴无人直升机
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