無人機(jī)按不同平臺構(gòu)型來分，主要有固定翼無人機(jī)，旋翼無人機(jī)和復(fù)合型無人機(jī)，[2]其中旋翼無人機(jī)包括多旋翼無人機(jī)和無人直升機(jī)。與固定翼無人機(jī)相比，旋翼無人機(jī)具有些方面獨(dú)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(diǎn)懸停等。

1 多旋翼平臺構(gòu)型

顧名思義，多旋翼無人機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單，機(jī)身振動小。在飛行力學(xué)上來看，多旋翼無人機(jī)是靠螺旋槳轉(zhuǎn)速的變化，來調(diào)整力和力矩的，從而實(shí)現(xiàn)多旋翼無人機(jī)的飛行運(yùn)動。但是，對多旋翼無人機(jī)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?yàn)槿绱?，直升機(jī)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(jìn)一步提高。不可變距的槳葉上下振動會導(dǎo)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(zhuǎn)對槳葉根部的影響。所以，大載重多旋翼無人機(jī)的大槳葉少見。[3]

1.1 電動多旋翼

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

在工業(yè)無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，無人機(jī)工業(yè)應(yīng)用市場上更多的載荷、更大的航程、更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)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(nèi)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(jī)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(jī)鋰電池

1.2 油動多旋翼

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

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

油動多旋翼無人機(jī)由于技術(shù)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(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域無法與無人直升機(jī)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(qū)方案具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，載重量相對較大等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用較多的方案。[5]油發(fā)電型其實(shí)就是普通的電動多旋翼將驅(qū)動電機(jī)的動力電池?fù)Q成了油動發(fā)電機(jī)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(qū)動無刷電機(jī)和旋翼，保留了電驅(qū)動操縱靈活的特點(diǎn)。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(jī)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(jī)的工況受海拔高度、溫度等環(huán)境影響較大，維護(hù)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(jī)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(yīng)用場合具有優(yōu)勢。由于其動力功率受制于發(fā)電機(jī)，而發(fā)電機(jī)功率的增大會導(dǎo)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(yīng)用場合。而無人直升機(jī)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(jī)平臺構(gòu)型

無人直升機(jī)的構(gòu)型原理大多在有人直升機(jī)平臺的基礎(chǔ)上，根據(jù)無人直升機(jī)的特性研而來。從氣動布局，結(jié)構(gòu)形式等方面進(jìn)行了簡化與優(yōu)化。由于直升機(jī)研發(fā)的技術(shù)復(fù)雜性和可靠性要求高等原因，采用正向?qū)ｉT設(shè)計(jì)的無人直升機(jī)，絕大多數(shù)上都是空機(jī)重量小于 200kg，有效載荷低于 50kg 的輕小型無人直升機(jī)，而更大級別的無人直升機(jī)研發(fā)，大多選擇成熟的有人直升機(jī)平臺進(jìn)行無人化技術(shù)改造。目前的技術(shù)和市場方向， 也應(yīng)定位于輕小型無人直升機(jī)這一細(xì)分領(lǐng)域。常見的直升機(jī)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(jī)構(gòu)造簡單， 操縱靈便，確有其顯著的優(yōu)點(diǎn)。[6]但是，尾槳需要不停運(yùn)轉(zhuǎn)以平衡主旋翼產(chǎn)生的扭矩，要消耗發(fā)動機(jī)10%以上的功率。由于需要尾槳提供扭力因此機(jī)身需要設(shè)計(jì)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(gòu)型被廣泛應(yīng)用于輕小型無人直升機(jī)， 但其載重比、 便利安全性等指標(biāo)并不突出。但是就目前看，單旋翼帶尾槳平臺技術(shù)成熟度最高。

S100無人直升機(jī)

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(jī)，其最大起飛重量為 200kg，任務(wù)載荷 50kg，續(xù)航時間 4 h。驗(yàn)收試驗(yàn)中，氣溫超過 35℃，地面風(fēng)速達(dá)到 46km/h。該機(jī)達(dá)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(yàn)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(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)提供動力， 應(yīng)用了非常先進(jìn)的一體式復(fù)合材料機(jī)身和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得其空重得到有效控制，不但具有良好的飛行性能指標(biāo)， 而且最大滯空時間也達(dá)到了 6 小時（普通的載人直升機(jī)一般也就 4 小時）。雖然 S100 的先進(jìn)設(shè)計(jì)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(jī)最顯著的特征是兩副旋翼繞同一軸線轉(zhuǎn)動，兩副旋翼轉(zhuǎn)向相反，即可抵消旋翼產(chǎn)生的反扭力。對于航向運(yùn)動，上下旋翼總距差動產(chǎn)生不平衡扭矩，即可實(shí)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(jī)量級下，共軸雙旋翼直升機(jī)，優(yōu)點(diǎn)有結(jié)構(gòu)更為緊湊，外形尺寸小，飛行穩(wěn)定性好，懸停效率高。實(shí)用升限大，爬升速度大，續(xù)航時間長，載荷能力大。缺點(diǎn)是操縱機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動復(fù)雜， 并且其關(guān)鍵部件的材料要求較高， 導(dǎo)致其出現(xiàn)機(jī)械故障和失效的風(fēng)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(jī)經(jīng)典之作就是卡莫夫的共軸雙旋翼直升機(jī)，目前也開始涉獵共軸無人直升機(jī)。從目前俄羅斯公布的數(shù)據(jù)看，“角鯊”機(jī)身長3.7米，旋翼直徑6米，最大起飛重量490千克，任務(wù)載荷120千克。這一級別的無人直升機(jī)可以應(yīng)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(jī)

2.3 縱列式雙旋翼

提起縱列式雙旋翼直升機(jī)，大家都會想到美國CH-47直升機(jī)。為短距離的大載重物流運(yùn)輸而生。這種構(gòu)型的直升機(jī)具有兩副主旋翼，一前一后，轉(zhuǎn)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(jī)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動，反向的總距變化實(shí)現(xiàn)航向運(yùn)動，在結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動。因此兩個主旋翼由一個同步變速裝置聯(lián)結(jié)傳動， 以保證兩個主旋翼即使在發(fā)動機(jī)失效的情況下也保持同步轉(zhuǎn)動。

在相同直升機(jī)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(yùn)送尺寸較大的貨物。運(yùn)載能力大。同時對于大載重的消防場景也有廣闊的前景。縱列式雙旋翼構(gòu)型的主要缺點(diǎn)是復(fù)雜而又延伸較長的同步機(jī)械傳動裝置，對機(jī)械設(shè)計(jì)要求較高。同時重量集中在機(jī)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(fēng)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(jī)的熱潮，一飛智控自主研制的泰坦無人直升機(jī)，克服了上述缺點(diǎn)。造出一款全新的縱列式無人直升機(jī)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(yùn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)來避免兩副槳葉不發(fā)生噴碰撞。橫向軸距小，但在傳動結(jié)構(gòu)形式上更為緊湊。可靠性與穩(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(yùn)動是通過增加其中一副旋翼總距完成的。橫滾和俯仰運(yùn)動是通過兩副旋翼的的周期變距來是實(shí)現(xiàn)。

在相同直升機(jī)量級下，較小機(jī)身尺寸和重量的交叉雙旋翼直升機(jī)，可以獲得比單旋翼帶尾槳更大的總旋翼面積。其優(yōu)點(diǎn)是具有更高的升力效率和載重能力。交叉式雙旋翼抗風(fēng)能力強(qiáng)， 在大載重情況下的穩(wěn)定性較好，其缺點(diǎn)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(jī)的代表作就是瑞士Dragon50。主要用于航測和航拍。該機(jī)基本參數(shù)，任務(wù)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(wù)相機(jī)設(shè)備5kg左右，飛行時長可達(dá)4h。可見，交叉雙旋翼不愧為空中大力士。[10]

Dragon50

3 結(jié)語

無人機(jī)的行業(yè)應(yīng)用應(yīng)該兼顧成本，市場規(guī)模，平臺性能指標(biāo)，應(yīng)用場景等多種需求。對需求按照需求分析矩陣進(jìn)行多維度的論證與分析。選擇最符合需求的無人機(jī)平臺。故無人機(jī)的發(fā)展的驅(qū)動力是無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用，對于旋翼無人機(jī)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(jié)合特定的行業(yè)應(yīng)用，發(fā)揮平臺最大優(yōu)勢。才能推動無人機(jī)的快速發(fā)展。