无人机油电混合动力系统（四）

符长青

本文阐述油电混合动力无人机总体设计、气动布局、复合材料结构设计技术，并介绍旋翼无人机的类型，以及油电混合动力复合式无人机的类型和飞行原理。

油电混合动力无人机是典型的高复杂度、技术密集型产品，总体设计须要在性能、功能、安全性、研制和运行成本、研制风险等方面寻求平衡，更深入地集成气动、控制、结构、动力、复合材料等专业技术，并在设计细化的过程中找到尽可能优化的技术方案和实施路径。

油电混合动力无人机总体设计

不论是电动无人机还是油动无人机，它们的能量来源都是单一物质。油电混合动力无人机的能源系统将电能和热能组合在一起。因此，油电混合动力无人机的总体设计必须考虑这一特点，充分发挥这两类不同性质能源的优势。

与航空器传统的燃油动力系统相比，电推进系统具有一定程度的功率相对尺度无关性。电动无人机和油电混合动力两类无人机的总体设计可突破航空器传统架构的限制，具有广阔的设计空间；另一方面，受限于电池等部件的功率密度水平，与采用传统燃油动力装置和常规布局的航空器相比，其电推进系统会影响飞行器的航程和任务载荷等指标。因此，电动和油电混合动力无人机对总体结构/推进系统一体化设计和气动布局创新设计提出了许多新的需求。

对于油电混合动力无人机而言，其总体结构/推进系统一体化设计技术要求对油电混合动力无人机的燃油发动机、发电机、电动机、旋翼或螺旋桨、机翼、短舱等部件开展综合权衡分析和迭代优化设计，综合考虑油电混合动力无人机的尺寸、气动力、重量、动力系统等参数，开展关键参数的敏感性分析与协调，进行方案评估，支撑布局方案选型。

油电混合动力无人机总体设计采用总体结构/推进系统一体化设计方法，既能克服油动无人机动力装置与机体结构分开设计方式的缺点，又能发挥电动无人机气动布局、推进系统设计具有较高自由度且高度耦合的优点，有效提高无人机的飞行性能。

旋翼无人机的类型

常见的不同总体结构旋翼无人机详见图1。发动机驱动旋翼旋转，旋翼给周围空气以扭矩，根据物体作用力与反作用力的物理学基本原理，空气必定以大小相等、方向相反的扭矩作用于旋翼，这种反扭矩继而传递到机体，如果不采取补偿措施，反扭矩将使机体发生逆向旋转。为了消除旋翼反扭矩作用，保持旋翼无人机机体的航向，可以采用不同的补偿方式，在设计层面就出现了不同类型的旋翼无人机。

（1）单旋翼带尾桨式无人直升机

该型无人直升机只有一个主旋翼，采用尾桨推力来平衡主旋翼反扭矩。这种类型是传统直升机中最流行的型式，详见图1（a），其结构比双旋翼无人直升机简单，但要多付出尾桨的功率消耗。

（2）双旋翼共轴式无人直升机

该无人直升机如图1(b)所示，其两副旋翼在同一轴线上，相逆旋转，因此反扭矩彼此抵消。这种型式无人直升机外形尺寸较小，但其传动和操纵机构复杂。

（3）双旋翼纵列式无人直升机

图1(c)是双旋翼纵列式无人直升机，其两副旋翼纵向前后布置，相逆旋转，反扭矩彼此抵消。这种型式的优点是，机身宽敞，容许机体重心位置移动较大；缺点是后旋翼的空气动力效能较差。

图1 不同类型的旋翼无人机示意图。

（4）双旋翼横列式无人直升机

双旋翼横列式无人直升机的两副旋翼分别安装在左右支臂或固定在左右机翼上，相逆旋转，反扭矩彼此抵消，如图1(d)所示。这种型式的优点是，构造对称，稳定性和操纵性较好；缺点是迎面空气阻力较大。

（5）多旋翼无人机

多旋翼无人机的旋翼数量多达4个或4个以上，通常分为4、6、8、12、16、18、24、36……旋翼无人机。每两副旋翼相逆旋转，因而反扭矩彼此抵消，如图1(e)所示。

（6）其他型式

为了提高旋翼飞行器的任务载荷、前飞速度、实用升限和航程等指标，人们设计研制出复合式、涵道风扇式、倾转机翼式以及图1(f)的倾转旋翼式等一些特殊型式的旋翼飞行器。

油电混合动力复合式无人机气动布局

油电混合动力无人机气动布局设计方案多种多样，它们大多具有固定翼和旋翼布局，是一种新构型无人机。

什么是复合？复合就是混合，是两种或多种不同的物质混合在一起，从而产生出一种新的物质。例如，复合材料就是由两种或两种以上性质不同的物质经固化而成为一种多相固体材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又具备原组分材料所没有的新性能。在生物学上，复合称之为杂交，例如杂交水稻。

常规旋翼无人机具有垂直起降功能，可完成低空高机动飞行，应用范围广。但是，受前行桨叶波阻和后行桨叶失速的限制，其飞行速度不高，巡航速度很难超过400km/h。相比之下，固定翼无人机既省油又飞得快，但起降须要跑道，使用不方便。如何将这两种布局无人机的优点结合起来？

图2 数架多旋翼载客无人机同时在城市上空飞行。

图3 不同总体结构的复合式无人机。

通过一系列理论研究和分析后，人们开始实践，设计复合式布局，以融合这两种无人机的优点，使复合式无人机既具有固定翼无人机的飞行性能和优点，如续航时间长、飞行速度快、飞行效率高和任务载荷重量大等，又具有旋翼无人机的飞行性能和优点，如垂直升降、空中悬停、原地回转和低空树梢高度飞行等。当然，任何事物并不都是完美无缺，两者混合的结果，必然也会继承各自前辈的一些缺点。例如，复合式无人机与固定翼无人机相比，具有飞行速度低、耗油量较高、航程较短等缺点；与旋翼无人机相比，其垂直升降、空中悬停性能，以及稳定性和安全性常会略逊一筹。

但不管怎么说，复合式无人机的优势仍然存在，近年来取得了很多突破性进展。现在，无人机的发展速度之快确实无法想象，无人机的应用已深入到人们生活和工作的各个领域。复合式无人机越来越智能，优势越来越明显，发展速度越来越快。

油电混合动力复合式无人机的类型与飞行原理

为了得到一种飞行速度快、飞行高度高、任务载荷重量大、省油的垂直起降无人机，人们绞尽脑汁，想出了一个又一个办法，设计出许多不同构型的复合式无人机方案，而且制造出各种复合式无人机。复合式无人机主要有如下6种构型。

（1）喷气式垂直起降无人机

垂直起降（VTOL）无人机按照动力装置类型，可分为喷气式和螺旋桨（旋翼）式两大类。其中，喷气式垂直起降无人机采用喷气式发动机提供垂直起降所须的升力。产生升力的方法有三种，一是偏转发动机的喷管产生升力；二是直接使用升力发动机提供升力；三是前两种方法的组合，同时使用升力发动机和主发动机提供升力。喷气式垂直起降无人机的缺点是，造价和使用成本高，通常不在民用领域应用。军用喷气式垂直起降无人机的飞行原理与军用有人机（如美国F-35B）相同。喷气式垂直起降无人机在垂直起降时，其发动机尾喷管从向后方向转为垂直向下，无人机在空中由平飞转向悬停状态，最后完成垂直降落。

（2）倾转旋翼无人机

倾转旋翼无人机是一种同时具有旋翼无人机和固定翼无人机特点的复合式无人机。其飞行原理与倾转旋翼有人机（如美国V-22倾转旋翼有人机）相同。当其旋翼处于垂直位置时，倾转旋翼无人机类似于双旋翼横列式无人机，可悬停、侧飞、后飞、垂直起降，此时它的单位功率起降重量接近典型旋翼机。当其旋翼处于水平位置时，倾转旋翼无人机相当于固定翼无人机，飞行速度快，能完成远程飞行。

（3）倾转机翼无人机

倾转机翼无人机是一种整个机翼都可以倾转的复合式无人机，这是它与倾转旋翼无人机最大的区别，因为倾转旋翼无人机的机翼固定不动，仅倾转安装在机翼上的旋翼。根据不同的倾转模式，倾转机翼无人机所处的飞行模式也不相同，当倾转机翼处于垂直状态时，倾转机翼无人机可完成悬停、侧飞、后飞、垂直起降等飞行动作。当倾转机翼处于水平状态时，倾转机翼无人机相当于固定翼无人机，飞行速度快，完成远程飞行。

其实，在V-22倾转旋翼有人机问世之前，美国已经研制出有人驾驶倾转机翼运输机XC-142。该型运输机于1964年9月首飞，采用4台T64-GE-1型发动机提供动力，可搭载2名机组人员，最大起飞重量20t。它的主机翼和水平尾翼都能进行旋转切换，而且机尾安装有一副旋翼，以保证机身的整体平衡。由于机翼改平时的状态，出现了发动机功率过剩的情况。另一方面，航程为6000km的垂直起降运输机能承担的任务，许多其他运输机也能完成，而且效费比更高。于是，美国三大军种陆续对XC-142运输机丧失了兴趣。最终，5架XC-142仅有1架保存下来。

图4 中国航天空气动力技术研究院研制的“彩虹”-10 倾转旋翼无人机。

图5 倾转机翼无人机。

图6 从地面腾空而起的XC-142倾转机翼运输机。

（4）单旋翼复合式无人机

单旋翼复合式无人机是在固定翼无人机机身上增加一个主旋翼而构成的复合结构体。它既有固定翼无人机的气动特性，又有旋翼无人机的气动特性，因此能够旋翼无人机模式进行垂直起飞或降落，又能采用固定翼无人机模式，以较高的飞行速度完成巡航飞行。

在垂直起降阶段，单旋翼复合式无人机完全由主旋翼提供升力，相当于直径比较大的单副旋翼承担无人机的全部重量；当转入前飞状态时，由固定机翼和旋翼共同承担无人机的重量。单副大直径主旋翼能够产生比较大的升力，例如单旋翼带尾桨无人机的最大起飞重量可超过10t。单旋翼复合式无人机比较适合森林消防使用，包括空中巡查、火场侦察、灯光照明、火点快速定位、火情确定，以及外挂吊桶直接参与扑灭林火等任务，其结构形式较适合作为大中型森林消防无人机的设计方案。

（5）多旋翼复合式无人机

多旋翼复合式无人机是在固定翼无人机机体上增加多副旋翼（大多数为4副旋翼）而构成的复合结构体。它能够以旋翼无人机模式进行垂直起飞或降落，又能采用固定翼无人机模式，以较高飞行速度完成巡航飞行。

图7 单旋翼复合式无人机。

图8 多旋翼复合式无人机。

在垂直起降时，多旋翼复合式无人机所能承载的重量只相当于多旋翼无人机所能承载的重量，其任务载荷重量比较小。所以，这种复合构型一般比较适合作为中小型无人机的设计方案。多旋翼复合式无人机的飞行原理和过程可分为以下几个阶段。

无人机启动朝上安装的所有旋翼电机，依靠所有旋翼产生的升力（合力）进行垂直起飞，此时机头的拉力螺旋桨（或机尾的推力螺旋桨）电机不工作。

②从悬停转向平飞的阶段

多旋翼复合式无人机依靠多旋翼系统产生的升力，可稳定悬停在特定高度的位置，机头的拉力螺旋桨（或机尾的推力螺旋桨）电机启动，进入最大功率状态，螺旋桨产生向前的最大拉力（或推力），使多旋翼复合式无人机在最短时间内达到预定转换的前飞速度，然后，朝上安装的所有旋翼电机停止工作。

③平飞阶段

在平飞阶段，多旋翼复合式无人机像固定翼无人机一样，由机头的拉力螺旋桨（或机尾的推力螺旋桨）提供升力进行水平飞行，完成从起飞点至作业区的转移飞行、任务巡航、任务区作业、从任务区至着陆点的返航等一系列飞行姿态和任务。

④从平飞转向悬停的阶段

当多旋翼复合式无人机从平飞姿态转向悬停姿态时，首先须减速到预定转换速度，然后启动朝上安装的所有旋翼电机，当所有旋翼产生的升力（合力）达到能够支撑无人机的总重量并符合空中悬停的条件后，机头的拉力螺旋桨（或机尾的推力螺旋桨）电机关闭，由多旋翼提供悬停所须的升力。

⑤垂直降落阶段

通过技术研究，研制了一种多功能硫磺皮带机集成清扫装置，经性能评价验证，达到了研究目的，满足现场使用条件，硫磺粉尘质量浓度降低至6.1 mg/m3，远小于未安装前25.1 g/m3的现场平均粉尘质量浓度。形成的多功能硫磺皮带机集成清扫装置，可以从最前端将皮带上黏附的物料处理掉，有效减少硫磺粉尘污染，实现硫磺输送系统安全平稳运行，为后续硫磺皮带机清扫装置改进提供了指导依据，对解决皮带输送机沿线粉尘污染具有重要意义。研究成果可为国内同类型装置提供借鉴参考。

该阶段与垂直起飞阶段相反，无人机由多旋翼提供升力，是典型的多旋翼无人机垂直降落方式。

（6）带索引推进器旋翼无人机

除了上面介绍的5种复合式无人机之外，另一种更实用、更有发展前途的方案也获得不少人的青睐。该型复合式无人机是一种带推进器的旋翼无人机，它的构型设计借鉴了世界上飞行速度最快的S-97双旋翼共轴式直升机，其最大飞行速度超过480km/h。

由图9可见，该型双旋翼共轴式无人机的机头增加了一个水平螺旋桨，该水平螺旋桨是索引器推进，因而这种复合式无人机称为双旋翼共轴式带索引推进器无人机。其飞行原理是，当无人机垂直起降和悬停时，水平螺旋桨停止工作，无人机处于“双旋翼共轴式无人机”的工作状态。当无人机前飞时，水平螺旋桨启动工作，开始旋转，为无人机前飞提供拉力（索引力），以提高无人机的前飞速度，无人机处于“复合式无人机”的工作状态。

图9 双旋翼共轴式带推进器无人机。

油电混合动力无人机复合材料结构设计

油电混合动力无人机机体采用高比强度、高比刚度复合材料制成。复合材料的使用一方面减轻了整机重量；另一方面，复合材料拥有优异的耐疲劳性能和耐介质腐蚀性能，延长了机体寿命和无人机的维修间隔。同时，其结构优化设计、材料和工艺不断改进，提高了无人机结构强度、性能和效能，使运营成本下降。

所谓设计，是将人的某种目的转换为一个具体的物体或工具。无人机结构设计是指，运用航空器结构设计的相关理论与技术方法，设计出满足总体设计方案要求的无人机。无人机结构设计与所选用的结构材料密切相关，而无人机复合材料结构设计分为两个互相关联的层次：结构设计层次和材料设计层次。这是复合材料结构设计不同于金属材料结构设计的主要特点之一。

无人机复合材料结构设计的特点

油电混合动力无人机复合材料结构设计目标与通用结构设计（如金属材料）目标基本相同，但是复合材料在性能、失效摸式、耐久性和损伤容限机理，以及制造工艺、质量控制等方面与金属材料有显著差异。无人机复合材料结构设计具有以下特点。

（1）材料性能的可设计性

复合材料结构设计已从各向同性材料（如金属材料）结构设计，转化为单层基本力学性能为正交异性的铺层剪裁优化设计。充分利用复合材料性能可设计性的特点，选择适当的纤维取向、铺层比例和铺层顺序，发挥沿纤维方向的优良性能优势，并避免使用弱横向性能和剪切性能，即通过剪裁材料和优化铺层来满足结构设计要求，以实现结构优化设计。

（2）设计与制造一体化

为保证结构成形与材料形成同时完成，复合材料部件的制造工艺方法选择和质量控制至关重要。一体化设计与制造技术可以实现设计和结构组织的协同制造及流程协同，从而提高产品的质量。结构成形工艺方法不仅应保证增强纤维取向、铺层比例和铺层顺序达到设计确定的要求，还应满足结构尺寸和构型对工艺设备、模具以及质量稳定的要求。

（3）材料的缺陷敏感性

复合材料对缺口、裂纹、分层等缺陷具有敏感性，复合材料破坏模式多样，损伤扩展往往缺乏规律性。因此，设计值通常以初始缺陷/损伤对结构的影响为基础，并考虑结构、载荷、破坏模型等按静力覆盖疲劳的原则而确定。针对复合材料结构设计，须注意对某些敏感区的局部铺层设计，例如，连接区、局部冲击、应力集中点、开口附近等处的铺层应进行局部调整和加强；结构尺寸和结构外形的突变区须要设计铺层过渡；采取相应措施解决层压复合材料的某些区域易产生分层，以及可能引发的结构承载能力下降或失效的问题。

（4）结构的整体性

复合材料具有整体化成形的优点，可制造大型复杂部件。在无人机结构设计中，在不增加工装复杂程度的情况下，应尽量减少零件数量而设计整体部件，如大型机翼整体壁板。这样可不用紧固件或减少紧固件的数量，减轻结构重量，提高结构效率，并减少钻孔、装配和由孔引起的应力集中等问题，以及降低制造成本。

（5）承载路径的连续性

复合材料结构件与金属结构件不同，除具有一定的形状外，还具有不同的层级组织。为了保证结构件中各元件之间的正常载荷传递路径，蒙皮和桁、冀肋、翼梁等构件之间，以及各构件中的梁的缘条和腹板之间的承载路径应尽量连续。连接的形式和方法应与传递载荷的性质（拉压、剪切等）和方向相适应，尽量避免偏心和切口效应。同一部件须要拼接时，其纤维取向也应连续。

（6）良好的工艺性

无人机复合材料结构工艺性主要指固化成形工艺性和装配工艺性。复合材料结构设计必须考虑工艺分离面划分、成形工艺方法和整体化成形的可行性。不同成形工艺方法，结构工艺性考虑的重点不同。装配工艺性设计考虑的重点在于配合精度、连接技术和组装方法。为了保证制造出高质量和低成本复合材料，在成形和装配时，应尽量避免可能出现的各种缺陷。

无人机复合材料结构设计过程

油电混合动力无人机综合设计思想是，在最大限度满足无人机复合材料结构设计实质性要求的前提下，按照无人机结构设计各项基本要求及复合材料的特性，对结构设计方案进行综合评估，并将综合评估的结果以权值方式融入无人机结构设计中。无人机复合材料结构设计过程大致分为4个阶段。

（1）设计要求

无人机复合材料结构设计应满足空气动力学，强度、刚度和重量，结构力学，最小重量，最短传力路线，耐损性，使用维护和形状尺寸等要求。

（2）材料设计

材料设计包括组分材料选用、结构性能要求、工艺要求，使用环境要求，以及单层性能确定、层级组织设计等内容。

（3）结构设计

结构设计包括结构形式的确定、结构打样设计、零构件设计和装配图设计等内容。

（4）结构验证

实现复合材料结构件尺寸和变形控制，不仅要进行分析计算，更重要的是进行必要的工艺试验，总结积累经验和教训。在整个设计过程中，应视不同阶段进行相应试验，包括某些工艺试验。其中复合材料试样、零构件、组件和部件4个层次验证试验，对保证复合材料满足无人机结构设计要求非常重要。在无人机复合材料结构设计的最后阶段，还要进行损伤容限的评定，以保证结构满足完整性要求。

油电混合动力无人机复合材料组分设计

材料设计是无人机复合材料结构设计的基础，关系到结构完整性、结构效率、耐久性、工艺性和成本。油电混合动力无人机复合材料组分设计充分反映了复合材料的性能特点，以及复合材料结构与金属结构之间的显著差异。

无人机复合材料组分设计是指，应用已知理论与信息，通过计算，预报新材料的组分与性能，或者说，采用一种理论方法，设计具有特定性能的新材料方案。根据设计对象所涉及的空间尺度，材料组分设计可划分为显微结构层次、原子分子层次和电子层次设计，以及综合考虑各个层次的多尺度材料设计。从工程角度看，材料设计是依据产品所须材料的各项性能指标，利用各种有用理论知识和信息，建立相关模型，设计出能满足预想要求的微观结构和性能的材料，以及材料生产工艺方法，以满足特定产品对新材料的需求。

材料设计的目的是，按指定性能指标要求，确定材料成分或相的组合，按生产要求设计最佳的制备方法和工艺流程，以制造出满足产品要求的各种材料。材料设计包括三方面内容。

（1）材料各组分性能研究与设计

（2）材料使用性能预测设计

（3）材料成分结构研究与设计

无人机复合材料选材的基本要求

树脂基体和增强纤维是无人机复合材料的主要组成。

复合材料选材的基本要求与金属材料大体相同，但必须重点考虑复合材料特有的性能。选材应按无人机复合材料结构件的具体使用部位（如主承力结构还是次承力结构）、承载和工作环境条件，选择具有良好环境适应性（耐湿热、抗冲击、耐介质等）的复合材料品类型。所选材料的性能应与结构设计性能要求相匹配，综合考虑结构完整性、强度、刚度、稳定性、结构疲劳/耐久性，材料耐腐蚀性、热性能、力学性能、工艺性、成本、使用经验、材料来源等因素而择优选材。 ■