共轴双桨式无人直升机维护维修经验探索

褚 威 李 欣 杨树勋 易 鑫 姚钦元 龚长江

（酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉732750）

近年来，国内各类型无人机发展迅速，新型无人机系统层出不穷，在军事和民用领域的应用也越来越广泛，各类无人机系统的维护维修保障已经成为业内重点关注的问题之一。当前，共轴双桨式无人直升机因其独特的结构布局和相对优越的性能备受军内外关注，尤其在森林巡防、农林植保以及边海防巡逻、军事目标侦察、应急搜索救援等领域展现出了较高的应用价值。

然而，共轴双桨式无人直升机机械设计、结构布局等与常规无人直升机系统差异较大，当前国内无人机行业各领域对该类型无人机的使用以及维护维修保障等工作还缺少经验，尚未形成完善系统的装备服务保障体系。用户方在实际使用过程中，无人机系统出现问题后，自行维修的技术难度较大，特别是对重要部件的维修能力普遍较弱，大多需要返场进行维修，这样极大削弱了装备的使用效能，尤其对于部队用户来说，返场过程不仅耗时耗资耗力，还将影响部队的作战任务和行动。因此，进一步提高用户方对共轴双桨无人直升机的维护维修能力尤为迫切，本研究即针对某型共轴双桨无人直升机，结合下场跟学跟训、实际操作使用、日常维护维修等经验，针对重难点问题提出了关于共轴双桨式无人直升机维护维修保障的意见建议，为该类无人机用户单位提供了一定的参考。

1 共轴双桨式无人直升机特点

共轴双桨式无人直升机单个发动机上有两组并列转动的螺旋桨，这两组螺旋桨转动的角速度方向相反，在整机布局和性能上具有非常明显的特点。

1.1 无人直升机共轴双桨式布局的优点

1.1.1 无尾桨结构，安全高效

传统常规布局的无人直升机尾桨较容易出现损伤，如尾桨的异物损伤、尾梁损伤、长距离的传动轴系损伤等。共轴双桨无人直升机采用无尾桨结构布局，不仅避免了尾桨损伤，也可节省尾桨所耗用的额外功率，比常规布局可增加6%～16%的效率，维护和生存能力更强。

1.1.2 气动特性对称，机动性好

在使用相同发动机的情况下，共轴双桨布局比“单旋翼+尾桨”布局的无人直升机升力大12%，共轴式旋翼气动力对称性优于单旋翼式，各轴之间没有相互交联的影响，机动飞行更易操纵；改变航向时更容易保持飞行高度，超低空飞行和越障飞行性能更优越，飞行安全系数更高。

1.1.3 外廓尺寸紧凑，集成度高

在同等升力下，共轴双桨式无人直升机外廓尺寸较紧凑，集成度高，对起降场地和地面运输要求低，飞行中受侧风影响较小；雷达识别特征、目视识别特征和受弹面小，便于隐蔽，战斗损伤概率小；无尾桨布局可减小周期距控制的负担；机体振动也由于两副反转的旋翼而相互对消，平稳性和悬停性好。

1.1.4 安全性能优越，应急性强

在相同级别的发动机下，共轴双桨布局较常规布局的无人直升机更安全。因反扭力对等可避免传统无人直升机发动机15%的尾桨功率损耗；采用同时变换主旋翼的硬桨，避免了直升机急转弯时的打桨意外，比传统直升机的安全性增加400%；甚至可在低空发动机熄火时平稳着陆，提高了无人机迫降的装备完好率。

1.2无人直升机共轴双桨式布局的不足

1.2.1 机械设计难度大

共轴双桨式无人直升机用套筒轴驱动上下两副反转的旋翼，存在上下旋翼之间的间距问题。若间距过小，则上下旋翼发生碰撞的几率大；若间距过大，则飞行阻力增加，对驱动轴的刚度要求也相应提高，套筒轴不光要传递功率，还要传递上面旋翼的总距、周期距控制，而大功率的套筒轴在机械设计上有相当大的难度。

1.2.2 旋翼碰撞机率大

共轴双桨式无人直升机上下两副旋翼在某些特殊情况下，如在飞行时突遇变风，导致桨叶变形或损坏时，桨叶上的作用力就会失去平衡发生碰撞。由于非对称升力的缘故，上下旋翼的旋转平面有在一侧“碰撞”的倾向，这进一步增加了对上下旋翼之间间距的要求，并且如果无人机向有“碰撞”倾向一侧转弯时，必须比向另一侧转弯要谨慎，否则就有可能发生上下旋翼碰撞导致坠机的严重事故。

1.2.3 维护维修难度大

通常共轴双桨式无人直升机的外廓尺寸比较紧凑，结构布局的集成度也较高，结构重量和载重一般都集中在无人机的重心处。高集成度的结构设计虽然使直升机悬停时效率更高，但同时也给机务人员的日常维护维修增加了难度。系统与系统、部件与部件之间的空间较小，一方面对内部结构的清理维护比较麻烦，另一方面在对各系统部件进行拆卸、组装与调试时难度增加。此外，共轴双桨式无人直升机特有的传动机构也较常规直升机的传动机构更易发生问题，维修复杂度也相应提高。

2 共轴双桨式无人直升机维护维修难点

2.1 机体结构紧凑，拆卸组装难度大

共轴双桨式无人直升机整体结构以传动轴为中心，通常布设有变速箱总成、离合器、联轴器、发电机、发动机、水箱总成、惯性测量单元（IMU）、飞控计算机、电瓶等主要部件，整个机体结构十分紧凑，拆卸组装难度较大。

以某型机为例机，在实际拆卸组装过程中，若3 人配合对其进行完全拆卸并完成组装，正常情况下约需3 个工作日，并且不含组装后的调试时间。由于集成度比较高，在平时的维护维修保障工作中，若其中一个部件出现问题，可能需要将其他相邻部件全部拆卸下来才能对问题部件进行检查、维修，以发动机为例，若发动机底部某个垫片出现问题，必须将整个发动机拆卸下来才能进行相应的维修和更换。因此，共轴双桨式无人直升机由于其紧凑的结构布局，日常维护维修保障难度比常规布局的无人直升机要大得多。

2.2 飞行振动较大，部件连接易开裂

由于共轴双桨式无人直升机使用上下旋翼反向旋转来达到水平方向的力矩平衡，两层旋翼同时作用在无人机主传动轴上的力非常大，导致与传动轴紧密连接的部件均会产生较大的震动。此外，通常发动机采用螺丝硬固定，发动机与发电机采用联轴器进行连接，导致发动机给机体本身带来的振动及振动传导都比较大。

从以往飞行测试结果来看，随着无人机连续工作时间的增加，机体抖动程度明显增加，在飞行后检查中曾发现传动轴杆出现裂痕、直线舵机连接处断裂、桨叶出现裂痕、桨毂螺栓的强烈振动导致螺旋桨螺丝卡死、发动机漏油等问题，经分析，这些问题多由振动较大引起。因此，如何解决大振动问题是共轴双桨式无人直升机维修保障的一大难点。

2.3 传动结构复杂，维护维修要求高

由于共轴双桨式布局的无人直升机上下两层旋翼的变距和变速等结构均依托同一根轴安装，其整体传动机构较为复杂。通常该型机的中心传动结构主要包括变速箱组件、变速箱主轴、舵机组件、上下倾斜盘组件、上下旋翼连杆组件等，这些组件相互配合共同实现对飞机的姿态控制，若其中任一部件出现故障，均会影响到无人机的正常操控。尤其是变速箱内部传动齿轮较多，包含大小各类齿轮数十个，对整个传动起着至关重要的作用，在实际使用过程中，若这部分结构出现故障，一方面对组装拆卸的技术要求高，另一方面对安装后的调试要求高，相比常规布局的无人直升机维护维修难度更大。

2.4 电气线路复杂，合理布设难度大

由于共轴双桨式无人直升机的独特布局结构，通常内部线路和各类接口较多，整体布设复杂、合理布设难度大。以某型机为例，整机大小插头、接口50 余个，各类线路40 余股，仅与飞控计算机连接的线路就有20 路，航空插头18 个，主要与直线舵机、数传天线、GPS 天线、ECU、温度/转速传感器等连接。

在日常操作训练和维护维修过程中，由于线路复杂，一方面在进行拆解后很难恢复原有布局，导致在组装过程中外壳等部位难以精确安装，甚至安装不上；一方面还容易出现错漏问题，导致个别线路忘记安装或者安装错误等。给机务人员增加了较大的工作难度，尤其对于部队用户，机务人员的专业水平有限，难以胜任高复杂度和高难度的电气线路合理布设工作。

3 共轴双桨式无人直升机维护维修建议

3.1 不断进行结构优化，完善现有结构设计缺陷

无人机的结构布局并非是一成不变的，尤其是针对共轴双桨式这种非常规布局的无人直升机，在保证整机重心位置不变的基础上，可通过改变部分主要部件的位置来对整机布局进行调整，并通过多次试验验证来确定最为合理的结构布局设计方案。

在布局的设计上要充分考虑维护维修的便捷要求，减少各部件之间的维修关联性，使机务人员能够对故障快速定位和精准维修，避免因个别部件的小故障而对整机进行拆卸；通过对整机的结构优化尽量减少部件之间的硬连接，并在关键部位增加减震设计，以减少整机震动；在电气线路的布设上，一方面要对各类线路进行分类处理，通过设置不同颜色、标签标记等方式进行明显区分，另一方面还要对线路布设位置进行定位，对应各线路的标记同时在机体相应的布设位置也要进行明显标记，使机务操作手在线路拆解后能够快速分辨线路功能和准确定位线路的布设位置。

3.2 合理利用3D 打印，强化创新制造维修能力

虽然当前无人机设计制造技术和飞控技术越来越成熟，但仍然存在诸多不可控因素，飞行中难免会发生磕碰、撞击、摔落等问题，包括共轴双桨式无人直升机在内的多数无人机，其壳体等外部部件多采用复合材料制成，在无人机表面出现破损甚至完全损毁时，如果采用原厂部件进行整体更换，不仅花费高而且耗时长。3D 打印技术属于快速成形技术的一种，可进行产品设计定制、生产周期短、材料利用率高，为无人机机体的维护维修提供了新的解决思路，如果将3D 打印技术与3D 扫描技术结合使用，则机务维修保障效率会更高。以打印某款固定翼无人机翼尖为例：首先通过手持式的激光3D 扫描仪对翼尖进行建模，然后通过建模软件对模型进行检查完善，将处理后的模型直接导入3D 打印机中进行打印，再将打印完成的翼尖进行后处理就可得到构型和实物基本一致的翼尖模型。工作过程见图。

3D 打印无人机翼尖工作过程

对于共轴双桨式无人直升机，虽然核心部件制造工艺较为复杂，但其中一些小的易损件完全可以使用3D 打印技术完成制作，比如若机壳某部位发生损坏，可使用ABS 或PLA、光敏树脂等材料打印出贴合机体的维修件进行修补或整体替换。通过3D 打印技术的应用，可充分发挥智能制造等新技术的优势，有效提高部队或其他用户方机务人员的创新制造维修能力。

3.3 坚持两级维修体制，注重提高基层级维修能力

当前国内外军用无人机与有人机普遍采用“基层级+基地级”的两级维修作业体制。

其中，基层级维修是指外场、部队级的维修，主要包括作战支援和现场维修保障、简单的故障应急处置和训练保障等；基地级维修则指后方、工厂级的维修，主要包括复杂故障的检测、修理和定期维修等，通常在无人机达到翻修期或发生外场无法排除的故障时，返回生产厂商维修。

在共轴双桨式无人直升机维修保障方面，建议在坚持两级维修体制的基础上，注重提高基层级维修能力。基层级维修保障力量作为部队自身的维修保障力量，除了要求能够较好地完成装备的日常维护保养和飞行机务准备等任务之外，还应能够完成定期检修、中小修、紧急改装和损伤无人机的快速抢修等任务。在无人机出厂前，可通过外送机务人员到生产厂商进行跟产跟训，从制造阶段就开始了解和学习各零部件的构造和功能等相关知识；无人机出厂后，机务人员继续进行外场跟训，学习培养飞行阶段的故障应急处置和基本维修能力；无人机装配部队后，再通过一阶段的厂家随行保障来培养机务操作手实际任务的维修保障能力，将保障与作战紧密结合，并且通过不断加大外场飞行和任务飞行的随行保障训练强度，进一步提高基层级完成维修保障工作的比例。

3.4 整合无人机维修信息，建立无人机技术档案

通常情况下，无人机的维修信息较为分散，往往分布在履历本、维修工作登记本、故障登记本、无人机质量控制表、专项检查记录表等位置，不便于收集和集中使用，难于对装备分系统的技术状态进行分析、评估和预测。而对整机进行技术状态分析，数据庞杂且难于发现规律，既耗时耗力又难于进行有效分析，从而无法准确把握装备的技术状态、故障规律和变化趋势等，不利于装备保障工作的开展。

针对共轴双桨式无人机机务维护维修问题，建议围绕无人机装备全系统全寿命管理这条主线，建立无人机技术档案。主要包括无人机装备基本情况、维护负责人情况、技术状态变化情况、重大事项记录、加改装工作情况、日常维护情况、故障排除情况、飞行保障中存在的问题、飞参分析情况、单机质量评估情况等多项内容，从而较为客观、准确、全面地反映无人机装备的技术状态，基本满足科学开展无人机全系统全寿命管理的需要。

4 结论

在传统的无人机机务维修保障工作中，用户单位多依靠基地级维修或生产厂商伴随保障等方式来解决故障问题，机务人员自行解决故障问题的能力偏弱。共轴双桨式无人直升机机务维修保障虽然难度大、技术要求高，但通过一定的实践经验积累，并结合智能制造技术的合理运用、维修体制和管理机制的科学建立，可以有效减小用户单位机务人员在装备服务保障过程中的工作量，有助于规范无人机部队或其他用户单位机务维修保障工作过程，建立系统完善的无人机装备保障服务体系，对共轴双桨式无人直升机的维护维修具有一定的参考价值。