会飞的“竹蜻蜓”

石一文

很多人儿时的记忆里，常常浮现“竹蜻蜓”在空中旋转飞舞的影子，每个人都怀揣着像“竹蜻蜓”一样飞翔的梦。如今，一群执著梦想、敢于创新的年轻团队，将一只大大的“竹蜻蜒”放飞，也放飞了他们的梦想这只大大的“竹蜻蜓”就是“彩虹”新型无人自转旋翼机。近日，该机圆满完成了首次全自主飞行试验，在国际上也是大型自转旋翼机完全自主起降及空中飞行的首次试验（题图）。

西班牙人西尔瓦研制的C30自转旋翼机

无人自转旋翼机是采用自转旋翼技术实现飞行的飞行器，之所以将其比作“竹蜻蜓”，是由于在飞行过程中，飞机两片大大长长的旋翼看上去很像放大的竹蜻蜓，而且它依靠前飞过程中空气气流持续的气动力使旋翼自转，从而维持旋翼转速并提供全机所需升力，这一飞行原理也同“竹蜻蜓”有着相似之处。它除了机体顶部的旋翼外，还带有一副水平放置的螺旋桨以提供前进的动力，有的自转旋翼机还装有较小的机翼提供部分升力。自转旋翼机不是由发动机驱动旋翼来提供升力的，而是在飞行过程中由前方气流吹动旋翼旋转产生升力的。由于旋翼为自转式，传递到机身上的扭矩很小，因此自转旋翼机无需单旋翼直升机那样的尾桨，而采用类似固定翼飞机的尾翼，以实现稳定飞行。

何方神圣？

实际上，有人驾驶的自转旋翼机出现较早，甚至早于直升机。上世纪20年代，西班牙人西尔瓦为了设计一种不失速且具有低速起飞和降落功能的飞行器，将旋翼升力原理应用于飞行器，经反复试验研制出了带自转旋翼的一种新型飞行器，即自转旋翼机。他于1934年成功地设计出C30自转旋翼机，并实现了跳跃起飞。但随着西尔瓦的去世和直升机的兴起，自转旋翼机的发展跌入谷底。自转旋翼机与直升机相比最大的劣势在于不能悬停，这是其沉寂多年的主要原因。然而，自转旋翼机所具有的技术优势没有被航空界忘记，特别是该机型具有更高的安全性和经济性，因而在近十几年得到了迅速发展。

目前，有人自转旋翼机技术已经非常成熟，国际上有40多个国家研制和生产该类机型。其中，美国Carter公司研制的Carter copter自转旋翼机和美国GBA公司研制的Hawk-4自转旋翼机最具有代表性，技术较为先进。Hawk-4已取得了适航许可证，用于美国警方空中治安巡逻。国内近些年也出现了较多国外自转旋翼机产品的代理商和引进国外技术实现国产化的制造商，他们的产品已经广泛用于航空旅游、农业植保、航空摄影等。

网络上披露的一型国产双人旋翼机

自转旋翼机的旋翼桨毂特写

技术优势何在？

有人驾驶的自转旋翼机在国内外的广泛生产和应用唤起了人们对这一机型的重新认识。

自转旋翼机旋翼桨毂通常采用跷跷板式，这一形式非常简单，可靠性高、拆装方便、易于维护;尾翼也只有方向舵，没有升降舵，升降运动和纵向姿态控制通过纵向倾转旋翼桨盘和调节发动机油门改变螺旋桨推力来实现。起飞时，通过地面旋翼预转，自转旋翼机可以实现超短距起飞，或者近似垂直起飞（又称“跳飞”）。降落时，自转旋翼机可以超短距降落或者“点”式着陆。

自转旋翼机结构简单，效费比高，故障率低，安全性高，即使发动机空中熄火，也可以凭借旋翼惯性转动产生的升力，确保飞机安全迫降。此外，自转旋翼机可以在小型机场、公路、平坦土地等场地起降，对起降条件要求很低，可以替代完成直升机的绝大多数任务。

无人更出色

自转旋翼机要实现良好的飞行性能，首先需要确定合适的总体参数，包括气动布局、重量重心、旋翼参数、动力参数等：同时需要合理布置设备位置，旋翼、螺旋桨、尾翼等需要选择合适的相对重心的位置，以获得良好的飞行稳定性：空速、旋翼桨盘后倒角、螺旋桨推力等需要合理匹配以控制飞行：建立准确可靠的飞行动力学模型，设计合理的飞行控制律以实现无人化飞行。此外，自转旋翼机具有旋翼、螺旋桨两个振动源，需要考虑结构动力学问题。因此，自转旋翼机要实现良好的飞行性能，需要突破气动、控制、动力、结构一体化、总体综合优化设计技术。该过程涉及多个方面，需要从全局把握好研制过程的关键技术点，包括合理的总体布置、性能的估算、全机配平、操稳特性分析及与各专业的衔接。

自转旋翼机的飞行特性与直升机和固定翼飞机既有相同点，又有不同点。在偏航控制方面，与固定翼飞机类似，方向舵为操纵面;在俯仰、滚转及侧向控制方面，与直升机类似，旋翼为操纵面;速度和高度控制方面，具有自身特点，采用旋翼桨盘纵向倾斜控制速度，螺旋桨推力控制高度：在起降阶段，需要同时操纵方向舵和旋翼桨盘。这些特点给自转旋翼机的自主飞行控制带来一定技术难度。因此，自转旋翼机要实现全自主飞行控制，需要建立全量非线性飞行动力学机理模型，完成基于机理模型的飞控仿真。同时可以采用参数辨识，建立基于参数的飞行控制律，然后对机理模型进行修正，最终完成无人自转旋翼机自主飞行控制系统设计。

试飞多艰难

经过近五年的努力攻关，通过大量理论计算与大型试验等途径，“彩虹”新型无人自转旋翼机总体设计技术、飞行动力学建模及飞控系统设计得到了有效突破。其样机为单尾撑构型旋翼机，前三点式起落架，最大起飞重量550千克，巡航速度120～140千米/小时，最大航时10小时，实用升限4 000米。本次飞行试验起飞重量为420千克，飞行速度126千米/小时，飞行高度为1600米。

2016年7月，在内蒙古某机场，“彩虹”新型无人自转旋翼机迎来了首次全自主飞行试验。飞机很快爬升至预定高度，在沿预定航线平稳飞行35分钟后安全降落在跑道上。

此次试验面临的最大挑战就是环境。由于此次是首飞试验，需要验证飞行控制程序，测量飞行参数，所以要选择无风或者风小的天气进行试验，避免危及飞行安全，影响数据采集。但是，位于内蒙的试验基地却经常风起云涌，漫天黄沙，白天大部分时间风力都极大，而且风往往变幻无常，时大时小，无法准确预测，这一度给试验带来了很大困难。时间一天一天过去，试验队心急如焚，大家都在想破局之法。功夫不负有心人，经过多日的“头脑风暴”和实地观察、蹲守、测量，试验队发现日出后有短暂的无风期，但如果抓住这一窗口就意味着全体试验人员凌晨三点半必须起床准备试验。但是没有任何一个人对此抱怨，大家立刻准备，保证试验进度的正常推进。试验场地海拔在1000多米以上，紫外线非常强烈，每一天试验下来，试验队员的脸明显就会比前一天更黑。

某天，一次滑跑试验发生了一次美丽的意外，但这恰恰给大家多天来疲惫的身躯打了一针强心剂。滑跑准备一切正常，总体和飞控人员在逐项核对试验参数，其它分系统已进入试验岗位，等待本次滑跑试验的开始。随着“准备滑跑”指令的发出，发动机启动，旋翼预旋，滑跑开始。说时迟、那时快，跑道上突然来了一阵强大的逆风，总体指挥立即提示全体试验人员注意突发情况。大家严阵以待，只见飞机在滑跑过程中平稳离地起飞，3～4秒后顺利着陆。指挥舱内响起掌声，这再次验证了“彩虹”新型无人自转旋翼机飞行控制策略的可行可靠。

艰难困苦，玉汝于成。“彩虹”无人自转旋翼机完成了国际首次大型自转旋翼机完全自主起降及空中飞行，突破了无人自转旋翼机全自主飞行控制技术，填补了我国在无人自转旋翼机领域的空白，为我国后续无人自转旋翼机的发展奠定了坚实基础。

长袖善舞

无人自转旋翼机可广泛用于军事和民用领域。

在军用领域，无人自转旋翼机系统可在起降条件困难的边境地区执行巡逻任务，也可执行侦察、监控、察打一体等作战任务。无人自转旋翼机系统可配置多种类型的载荷，其典型的使用模式分为侦察和察打两种。在侦察模式中，飞机通过光电载荷对地面目标进行侦察、监视、搜索、识别和跟踪，以及对目标进行激光测距和激光照射。在察打模式中，以激光制导小型空地导弹为例，飞机主要是通过光电载荷对战区地面实施侦察，指挥控制站识别、确认目标并执行攻击流程。

在民用领域，无人自转旋翼机可承担森林防火、气象勘测、海洋测绘、地质勘探和檀物保护等诸多任务。

在执行森林防火任务时，无人自转旋翼机可搭载各种测量监控设备，发现林火后可第一时间确定林火点位置，为扑救工作提供数据支持。例如，可使用基于GPS系统和摄像机的监控设备对林区进行扫描监控，发现火情立即定位，并将火情提供给消防系统，既降低了人力成本又提高了防火效率。

随着地球环境的不断恶化，由地震、台风、海啸和暴雨引起的自然灾害对于人类和环境的影响越来越大，诸如汶川地震、印度洋海啸和近期的长江洪涝等，均给人类的生命和财产造成了巨大的威胁。无人自转旋翼机安全、可靠、续航时间长，可携带相关气象监测平台全天候监测自然灾害重灾区，获得实时气象数据。

不同国家对于海权的重视程度不断提高，人类对海洋矿产资源的依赖不断加深，海洋环境变得与人类愈发息息相关，了解海洋、利用海洋成为了环境研究的题中之义。无人自转旋翼机可搭载相关测绘仪器全天候进行海洋测绘任务，可大大提高测绘效率，降低测绘风险。

无人自转旋翼机具备超低空、低速飞行的能力，因此可挂载配备电、磁综合系统的拖吊吊舱，用于地形复杂地区的大比例尺详查工作。在矿产勘查方面，国内许多成矿远景区带的地形比较复杂，而无人自转旋翼机能满足国土资源调查的需要。

目前国际上普遍采用无人直升机进行植保作业。我国地域辽阔，地理及气象条件复杂多变，农业人口众多，农作物的病虫害每年都大面积发生，且18亿亩耕地中大多为山地、丘陵。无人自转旋翼机用于植物保护具备诸多优势，如安全方便、短距离起降等，且病虫害防治效果好、效率高，最关键的是，其使用成本远远低于无（有）人直升机。例如，“彩虹”新型无人自转旋翼机可加装130升的药箱，喷幅达10～15米，作业效率达45亩/分钟。

前路仍漫漫

自转旋翼机具有独特的优势，目前许多国家都拥有成熟的自转旋翼机设计技术和产品，并且都在发展大型旋翼机，而我国在这一领域的研究还非常薄弱。同时，由于无人自转旋翼机用途广泛、优势突出，因此，开展该领域研究具有积极的经济和社会意义。

无人自转旋翼机将沿着更快、更大、可垂直起降的路线发展。未来，“彩虹”新型无人自转旋嚣机将开发出可垂直起降型，起飞重量可达到1000千克量级，最大飞行速度高达500千米/小时。相信这只美丽的“竹蜻蜒”一定会飞得更远、更高、更稳健。

[编辑/山水]