旋翼飛行器時代的開端是在1907年8月。法國人保羅·科爾尼研制出一架全尺寸載人直升機，并在同年11月13日試飛成功，這是人類第一架直升機，為之后的各種類型的通航直升機的發(fā)展奠定了基礎。在20世紀90年代之后，隨著微機電系統(tǒng)研究的成熟，重量只有幾克的MEMS慣性導航系統(tǒng)被開發(fā)和運用，加之電子信息技術的高速發(fā)展，為多旋翼無人機飛控系統(tǒng)的成熟提供了良好條件。

無人機按不同平臺構型來分，主要有固定翼無人機，旋翼無人機和復合型無人機，[2]其中旋翼無人機包括多旋翼無人機和無人直升機。與固定翼無人機相比，旋翼無人機具有些方面獨特的優(yōu)勢，例如，起飛和著陸場地要求低，不需要跑道或彈道、可垂直起降、空中定點懸停等。

1 多旋翼平臺構型

顧名思義，多旋翼無人機是根據(jù)有幾個螺旋槳來定義的。以常規(guī)布局的四旋翼為例，依靠四個螺旋槳產(chǎn)生升力和推力，通過相鄰兩個螺旋槳正反布置來抵消反扭力。機械結構上只需保持重量分布的均勻且重心位于中心板的垂線上，結構簡單，機身振動小。在飛行力學上來看，多旋翼無人機是靠螺旋槳轉速的變化，來調整力和力矩的，從而實現(xiàn)多旋翼無人機的飛行運動。但是，對多旋翼無人機的槳葉來說， 一方面，槳葉尺寸越大，越難迅速改變其速度。也正是因為如此，直升機主要是靠改變槳距而不是速度來改變升力。另一方面，在大載重下，槳葉的剛性需要進一步提高。不可變距的槳葉上下振動會導致剛性大的槳葉很容易折斷，因此，槳葉的柔性是很重要的，它可以減少槳葉來回旋轉對槳葉根部的影響。所以，大載重多旋翼無人機的大槳葉少見。[3]

1.1 電動多旋翼

電動多旋翼無人機具有原理簡單，可靠性高，造價低，維護簡單，靈活輕便等一系列優(yōu)勢。由于無刷電機、電池和飛控技術的發(fā)展，使得在小載荷，低速度，短距離的應用場合，電動多旋翼近年來取得了很大的成功，在許多領域得到了廣泛應用。例如，植保，航拍等。

在工業(yè)無人機應用領域，無人機工業(yè)應用市場上更多的載荷、更大的航程、更強的環(huán)境適應能力等需求， 電動多旋翼的發(fā)展受制于電池能量密度短時間內無法取得可量產(chǎn)性重大突破，以及氣動和控制原理上的劣勢， 依靠增加電池容量、 增加旋翼個數(shù)、 放大機型尺寸等方法來獲得更高的載荷能力和飛行時間。

電動無人機鋰電池

1.2 油動多旋翼

油動多旋翼無人機采用多個發(fā)動機提供動力，每個發(fā)動機帶動一個旋翼，旋翼螺距固定， 通過調整發(fā)動機節(jié)氣門控制轉速改變升力，旋翼直接安裝在發(fā)動機的轉軸上，無需傳動結構[4]。優(yōu)點是無需減速箱傳動結構，載重量大、續(xù)航時間長。但是，油動多旋翼無人機的驅動方式和控制原理與大尺寸電動多旋翼無人機基本上是一樣的，同樣受到空氣動力學原理的限制，大尺寸固定槳導致飛行速度小，抗風能力差，震動大。

通過調整發(fā)動機節(jié)氣門控制轉速的變化比大尺寸電動多旋翼無人機控制電機轉速的響應速度更慢，飛控的控制效果更差。雖然油動多旋翼無人機相對無人直升機省去了一個變速箱傳動結構，但是增加了更多的發(fā)動機個數(shù)。發(fā)動機個數(shù)多，意味著維護工作量成倍增大，出故障的可能性也大，因而運行的安全性也大大地降低了。

油動多旋翼無人機由于技術原理上的缺陷，目前只適合用于貼近地面低速飛行的農(nóng)業(yè)植保領域。在需要大載重并且較高速度、 較大航程、較高飛行高度的應用領域無法與無人直升機競爭。

油動多旋翼

1.3 油電混合多旋翼

油電混合多旋翼，按照動力方式劃分，可分為油發(fā)電型與油加電型兩種。油發(fā)電直驅方案具有機械結構簡單，維護方便，載重量相對較大等優(yōu)點，是目前應用較多的方案。[5]油發(fā)電型其實就是普通的電動多旋翼將驅動電機的動力電池換成了油動發(fā)電機裝置。通過油動發(fā)電，利用了燃油的高能量密度，大大提高了續(xù)航時間。通過直流電驅動無刷電機和旋翼，保留了電驅動操縱靈活的特點。但是由于部分載重能力需要用于搭載油動發(fā)電裝置和燃油， 使得該種機型的載荷能力較小，并且震動和噪音也比電動多旋翼要大。汽油發(fā)電機的工況受海拔高度、溫度等環(huán)境影響較大，維護保養(yǎng)的便利性和可靠性均不如電池。油電混合多旋翼無人機在載荷尺寸小重量輕， 工作環(huán)境較好， 低速度低高度長航時的應用場合具有優(yōu)勢。由于其動力功率受制于發(fā)電機，而發(fā)電機功率的增大會導致體積和重量的急劇增加，所以不適合用于需要較大載荷能力的應用場合。而無人直升機可以同時具備較大載重能力，較高巡航速度，較高飛行高度和較長航程的飛行性能。

油電混合多旋翼

2 直升機平臺構型

無人直升機的構型原理大多在有人直升機平臺的基礎上，根據(jù)無人直升機的特性研而來。從氣動布局，結構形式等方面進行了簡化與優(yōu)化。由于直升機研發(fā)的技術復雜性和可靠性要求高等原因，采用正向專門設計的無人直升機，絕大多數(shù)上都是空機重量小于 200kg，有效載荷低于 50kg 的輕小型無人直升機，而更大級別的無人直升機研發(fā)，大多選擇成熟的有人直升機平臺進行無人化技術改造。目前的技術和市場方向， 也應定位于輕小型無人直升機這一細分領域。常見的直升機形式有，單旋翼帶尾槳，共軸雙旋翼，縱列雙旋翼，交叉雙旋翼等。

2.1 單旋翼帶尾槳

單旋翼帶尾槳直升機構造簡單， 操縱靈便，確有其顯著的優(yōu)點。[6]但是，尾槳需要不停運轉以平衡主旋翼產(chǎn)生的扭矩，要消耗發(fā)動機10%以上的功率。由于需要尾槳提供扭力因此機身需要設計的更長尺寸更大， 重心范圍小。尾槳不但易產(chǎn)生有害震動和噪聲，也是故障的多發(fā)部位。單旋翼帶尾槳的構型被廣泛應用于輕小型無人直升機， 但其載重比、 便利安全性等指標并不突出。但是就目前看，單旋翼帶尾槳平臺技術成熟度最高。

S100無人直升機

單旋翼帶尾槳最杰出的代表就是奧地利西貝爾公司的 S100 無人直升機，其最大起飛重量為 200kg，任務載荷 50kg，續(xù)航時間 4 h。驗收試驗中，氣溫超過 35℃，地面風速達到 46km/h。該機達到了 3962m的飛行高度 ( 在接近最大起飛重量的條件下 ) ，飛行速度超過 185km/h，還驗證了搭載一套25kg有效載荷續(xù)航超過 6h 的能力。

S100 采用 50HP轉子發(fā)動機提供動力， 應用了非常先進的一體式復合材料機身和結構設計，使得其空重得到有效控制，不但具有良好的飛行性能指標， 而且最大滯空時間也達到了 6 小時（普通的載人直升機一般也就 4 小時）。雖然 S100 的先進設計已經(jīng)有效地減輕了空重，將最大起飛重量控制到了 200kg，而最大有效載荷能力也僅為 50 kg。[7]

2.2 共軸雙旋翼

共軸雙旋翼直升機最顯著的特征是兩副旋翼繞同一軸線轉動，兩副旋翼轉向相反，即可抵消旋翼產(chǎn)生的反扭力。對于航向運動，上下旋翼總距差動產(chǎn)生不平衡扭矩，即可實現(xiàn)航向操縱。常用的差動形式有半差動和全差動。

在相同直升機量級下，共軸雙旋翼直升機，優(yōu)點有結構更為緊湊，外形尺寸小，飛行穩(wěn)定性好，懸停效率高。實用升限大，爬升速度大，續(xù)航時間長，載荷能力大。缺點是操縱機構和機械傳動復雜， 并且其關鍵部件的材料要求較高， 導致其出現(xiàn)機械故障和失效的風險大大增加，平臺系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性降低。

共軸有人機經(jīng)典之作就是卡莫夫的共軸雙旋翼直升機，目前也開始涉獵共軸無人直升機。從目前俄羅斯公布的數(shù)據(jù)看，“角鯊”機身長3.7米，旋翼直徑6米，最大起飛重量490千克，任務載荷120千克。這一級別的無人直升機可以應用的范圍非常廣泛。例如軍事偵察，電子戰(zhàn)平臺，高空消防等。飛行高度2000米，最大飛行速度130km/h，有效載荷120kg。[8]

角鯊無人直升機

2.3 縱列式雙旋翼

提起縱列式雙旋翼直升機，大家都會想到美國CH-47直升機。為短距離的大載重物流運輸而生。這種構型的直升機具有兩副主旋翼，一前一后，轉向相反。用于提供升力和抵消反扭力。依靠同向的總距變化來使得縱列式雙旋翼直升機滾轉運動，反向的總距變化實現(xiàn)航向運動，在結構形式上兩副旋翼完全一致。在傳動形式方面，由于兩副槳葉具有重疊部分，必須要保證兩副旋翼同步轉動。因此兩個主旋翼由一個同步變速裝置聯(lián)結傳動， 以保證兩個主旋翼即使在發(fā)動機失效的情況下也保持同步轉動。

在相同直升機量級下，縱列式雙旋翼的最大優(yōu)勢是具有較大的重心范圍， 和良好的縱向穩(wěn)定性， 可以運送尺寸較大的貨物。運載能力大。同時對于大載重的消防場景也有廣闊的前景?？v列式雙旋翼構型的主要缺點是復雜而又延伸較長的同步機械傳動裝置，對機械設計要求較高。同時重量集中在機身中部，航向力矩太長，所以航向操縱的滯后性也比較明顯；其次，對風向變化不夠敏感。體現(xiàn)在航向控制上，依靠兩副旋翼反響總距變化，也具有滯后性。

近年來隨著物流無人機的熱潮，一飛智控自主研制的泰坦無人直升機，克服了上述缺點。造出一款全新的縱列式無人直升機平臺。其具有較大的貨倉容量和較高的巡航速度，能滿足絕大多數(shù)支線端物流運輸。[9]

2.4 交叉雙旋翼

交叉式雙旋翼同樣是靠兩副主旋翼反向轉動來抵消反扭力。在傳動形式上與縱列式雙旋翼具有同樣的原理，需要靠傳動結構來避免兩副槳葉不發(fā)生噴碰撞。橫向軸距小，但在傳動結構形式上更為緊湊?？煽啃耘c穩(wěn)定性高。另外，再利用傾斜交錯空間來避免兩副主旋翼碰撞。兩副旋翼橫向傾斜一定角度。航向運動是通過增加其中一副旋翼總距完成的。橫滾和俯仰運動是通過兩副旋翼的的周期變距來是實現(xiàn)。

在相同直升機量級下，較小機身尺寸和重量的交叉雙旋翼直升機，可以獲得比單旋翼帶尾槳更大的總旋翼面積。其優(yōu)點是具有更高的升力效率和載重能力。交叉式雙旋翼抗風能力強， 在大載重情況下的穩(wěn)定性較好，其缺點是最大飛行速度不如單旋翼帶尾槳。

交叉雙旋翼無人直升機的代表作就是瑞士Dragon50。主要用于航測和航拍。該機基本參數(shù)，任務載荷50kg，最大飛行速度80km/h，最大起飛重量88kg。如果只是搭載任務相機設備5kg左右，飛行時長可達4h。可見，交叉雙旋翼不愧為空中大力士。[10]

Dragon50

3 結語

無人機的行業(yè)應用應該兼顧成本，市場規(guī)模，平臺性能指標，應用場景等多種需求。對需求按照需求分析矩陣進行多維度的論證與分析。選擇最符合需求的無人機平臺。故無人機的發(fā)展的驅動力是無人機行業(yè)應用，對于旋翼無人機平臺而言，各種飛行平臺均具有本身的優(yōu)勢與劣勢，只有結合特定的行業(yè)應用，發(fā)揮平臺最大優(yōu)勢。才能推動無人機的快速發(fā)展。