會(huì)飛的“竹蜻蜓”

石一文

很多人兒時(shí)的記憶里，常常浮現(xiàn)“竹蜻蜓”在空中旋轉(zhuǎn)飛舞的影子，每個(gè)人都懷揣著像“竹蜻蜓”一樣飛翔的夢(mèng)。如今，一群執(zhí)著夢(mèng)想、敢于創(chuàng)新的年輕團(tuán)隊(duì)，將一只大大的“竹蜻蜒”放飛，也放飛了他們的夢(mèng)想這只大大的“竹蜻蜓”就是“彩虹”新型無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。近日，該機(jī)圓滿完成了首次全自主飛行試驗(yàn)，在國(guó)際上也是大型自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)完全自主起降及空中飛行的首次試驗(yàn)（題圖）。

西班牙人西爾瓦研制的C30自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)

無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是采用自轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛行的飛行器，之所以將其比作“竹蜻蜓”，是由于在飛行過(guò)程中，飛機(jī)兩片大大長(zhǎng)長(zhǎng)的旋翼看上去很像放大的竹蜻蜓，而且它依靠前飛過(guò)程中空氣氣流持續(xù)的氣動(dòng)力使旋翼自轉(zhuǎn)，從而維持旋翼轉(zhuǎn)速并提供全機(jī)所需升力，這一飛行原理也同“竹蜻蜓”有著相似之處。它除了機(jī)體頂部的旋翼外，還帶有一副水平放置的螺旋槳以提供前進(jìn)的動(dòng)力，有的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)還裝有較小的機(jī)翼提供部分升力。自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)不是由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋翼來(lái)提供升力的，而是在飛行過(guò)程中由前方氣流吹動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力的。由于旋翼為自轉(zhuǎn)式，傳遞到機(jī)身上的扭矩很小，因此自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)無(wú)需單旋翼直升機(jī)那樣的尾槳，而采用類似固定翼飛機(jī)的尾翼，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。

何方神圣？

實(shí)際上，有人駕駛的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)出現(xiàn)較早，甚至早于直升機(jī)。上世紀(jì)20年代，西班牙人西爾瓦為了設(shè)計(jì)一種不失速且具有低速起飛和降落功能的飛行器，將旋翼升力原理應(yīng)用于飛行器，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)研制出了帶自轉(zhuǎn)旋翼的一種新型飛行器，即自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。他于1934年成功地設(shè)計(jì)出C30自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了跳躍起飛。但隨著西爾瓦的去世和直升機(jī)的興起，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)展跌入谷底。自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)與直升機(jī)相比最大的劣勢(shì)在于不能懸停，這是其沉寂多年的主要原因。然而，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)所具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)沒(méi)有被航空界忘記，特別是該機(jī)型具有更高的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因而在近十幾年得到了迅速發(fā)展。

目前，有人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，國(guó)際上有40多個(gè)國(guó)家研制和生產(chǎn)該類機(jī)型。其中，美國(guó)Carter公司研制的Carter copter自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)和美國(guó)GBA公司研制的Hawk-4自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)最具有代表性，技術(shù)較為先進(jìn)。Hawk-4已取得了適航許可證，用于美國(guó)警方空中治安巡邏。國(guó)內(nèi)近些年也出現(xiàn)了較多國(guó)外自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)產(chǎn)品的代理商和引進(jìn)國(guó)外技術(shù)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的制造商，他們的產(chǎn)品已經(jīng)廣泛用于航空旅游、農(nóng)業(yè)植保、航空攝影等。

網(wǎng)絡(luò)上披露的一型國(guó)產(chǎn)雙人旋翼機(jī)

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的旋翼槳轂特寫(xiě)

技術(shù)優(yōu)勢(shì)何在？

有人駕駛的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在國(guó)內(nèi)外的廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用喚起了人們對(duì)這一機(jī)型的重新認(rèn)識(shí)。

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)旋翼槳轂通常采用蹺蹺板式，這一形式非常簡(jiǎn)單，可靠性高、拆裝方便、易于維護(hù);尾翼也只有方向舵，沒(méi)有升降舵，升降運(yùn)動(dòng)和縱向姿態(tài)控制通過(guò)縱向傾轉(zhuǎn)旋翼槳盤(pán)和調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門改變螺旋槳推力來(lái)實(shí)現(xiàn)。起飛時(shí)，通過(guò)地面旋翼預(yù)轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可以實(shí)現(xiàn)超短距起飛，或者近似垂直起飛（又稱“跳飛”）。降落時(shí)，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可以超短距降落或者“點(diǎn)”式著陸。

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效費(fèi)比高，故障率低，安全性高，即使發(fā)動(dòng)機(jī)空中熄火，也可以憑借旋翼慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的升力，確保飛機(jī)安全迫降。此外，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可以在小型機(jī)場(chǎng)、公路、平坦土地等場(chǎng)地起降，對(duì)起降條件要求很低，可以替代完成直升機(jī)的絕大多數(shù)任務(wù)。

無(wú)人更出色

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)要實(shí)現(xiàn)良好的飛行性能，首先需要確定合適的總體參數(shù)，包括氣動(dòng)布局、重量重心、旋翼參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)等：同時(shí)需要合理布置設(shè)備位置，旋翼、螺旋槳、尾翼等需要選擇合適的相對(duì)重心的位置，以獲得良好的飛行穩(wěn)定性：空速、旋翼槳盤(pán)后倒角、螺旋槳推力等需要合理匹配以控制飛行：建立準(zhǔn)確可靠的飛行動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)合理的飛行控制律以實(shí)現(xiàn)無(wú)人化飛行。此外，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具有旋翼、螺旋槳兩個(gè)振動(dòng)源，需要考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。因此，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)要實(shí)現(xiàn)良好的飛行性能，需要突破氣動(dòng)、控制、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)一體化、總體綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。該過(guò)程涉及多個(gè)方面，需要從全局把握好研制過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，包括合理的總體布置、性能的估算、全機(jī)配平、操穩(wěn)特性分析及與各專業(yè)的銜接。

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行特性與直升機(jī)和固定翼飛機(jī)既有相同點(diǎn)，又有不同點(diǎn)。在偏航控制方面，與固定翼飛機(jī)類似，方向舵為操縱面;在俯仰、滾轉(zhuǎn)及側(cè)向控制方面，與直升機(jī)類似，旋翼為操縱面;速度和高度控制方面，具有自身特點(diǎn)，采用旋翼槳盤(pán)縱向傾斜控制速度，螺旋槳推力控制高度：在起降階段，需要同時(shí)操縱方向舵和旋翼槳盤(pán)。這些特點(diǎn)給自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的自主飛行控制帶來(lái)一定技術(shù)難度。因此，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)要實(shí)現(xiàn)全自主飛行控制，需要建立全量非線性飛行動(dòng)力學(xué)機(jī)理模型，完成基于機(jī)理模型的飛控仿真。同時(shí)可以采用參數(shù)辨識(shí)，建立基于參數(shù)的飛行控制律，然后對(duì)機(jī)理模型進(jìn)行修正，最終完成無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

試飛多艱難

經(jīng)過(guò)近五年的努力攻關(guān)，通過(guò)大量理論計(jì)算與大型試驗(yàn)等途徑，“彩虹”新型無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)、飛行動(dòng)力學(xué)建模及飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到了有效突破。其樣機(jī)為單尾撐構(gòu)型旋翼機(jī)，前三點(diǎn)式起落架，最大起飛重量550千克，巡航速度120～140千米/小時(shí)，最大航時(shí)10小時(shí)，實(shí)用升限4 000米。本次飛行試驗(yàn)起飛重量為420千克，飛行速度126千米/小時(shí)，飛行高度為1600米。

2016年7月，在內(nèi)蒙古某機(jī)場(chǎng)，“彩虹”新型無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)迎來(lái)了首次全自主飛行試驗(yàn)。飛機(jī)很快爬升至預(yù)定高度，在沿預(yù)定航線平穩(wěn)飛行35分鐘后安全降落在跑道上。

此次試驗(yàn)面臨的最大挑戰(zhàn)就是環(huán)境。由于此次是首飛試驗(yàn)，需要驗(yàn)證飛行控制程序，測(cè)量飛行參數(shù)，所以要選擇無(wú)風(fēng)或者風(fēng)小的天氣進(jìn)行試驗(yàn)，避免危及飛行安全，影響數(shù)據(jù)采集。但是，位于內(nèi)蒙的試驗(yàn)基地卻經(jīng)常風(fēng)起云涌，漫天黃沙，白天大部分時(shí)間風(fēng)力都極大，而且風(fēng)往往變幻無(wú)常，時(shí)大時(shí)小，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，這一度給試驗(yàn)帶來(lái)了很大困難。時(shí)間一天一天過(guò)去，試驗(yàn)隊(duì)心急如焚，大家都在想破局之法。功夫不負(fù)有心人，經(jīng)過(guò)多日的“頭腦風(fēng)暴”和實(shí)地觀察、蹲守、測(cè)量，試驗(yàn)隊(duì)發(fā)現(xiàn)日出后有短暫的無(wú)風(fēng)期，但如果抓住這一窗口就意味著全體試驗(yàn)人員凌晨三點(diǎn)半必須起床準(zhǔn)備試驗(yàn)。但是沒(méi)有任何一個(gè)人對(duì)此抱怨，大家立刻準(zhǔn)備，保證試驗(yàn)進(jìn)度的正常推進(jìn)。試驗(yàn)場(chǎng)地海拔在1000多米以上，紫外線非常強(qiáng)烈，每一天試驗(yàn)下來(lái)，試驗(yàn)隊(duì)員的臉明顯就會(huì)比前一天更黑。

某天，一次滑跑試驗(yàn)發(fā)生了一次美麗的意外，但這恰恰給大家多天來(lái)疲憊的身軀打了一針強(qiáng)心劑?；軠?zhǔn)備一切正常，總體和飛控人員在逐項(xiàng)核對(duì)試驗(yàn)參數(shù)，其它分系統(tǒng)已進(jìn)入試驗(yàn)崗位，等待本次滑跑試驗(yàn)的開(kāi)始。隨著“準(zhǔn)備滑跑”指令的發(fā)出，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，旋翼預(yù)旋，滑跑開(kāi)始。說(shuō)時(shí)遲、那時(shí)快，跑道上突然來(lái)了一陣強(qiáng)大的逆風(fēng)，總體指揮立即提示全體試驗(yàn)人員注意突發(fā)情況。大家嚴(yán)陣以待，只見(jiàn)飛機(jī)在滑跑過(guò)程中平穩(wěn)離地起飛，3～4秒后順利著陸。指揮艙內(nèi)響起掌聲，這再次驗(yàn)證了“彩虹”新型無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)飛行控制策略的可行可靠。

艱難困苦，玉汝于成?！安屎纭睙o(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)完成了國(guó)際首次大型自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)完全自主起降及空中飛行，突破了無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)全自主飛行控制技術(shù)，填補(bǔ)了我國(guó)在無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)領(lǐng)域的空白，為我國(guó)后續(xù)無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

長(zhǎng)袖善舞

無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可廣泛用于軍事和民用領(lǐng)域。

在軍用領(lǐng)域，無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)系統(tǒng)可在起降條件困難的邊境地區(qū)執(zhí)行巡邏任務(wù)，也可執(zhí)行偵察、監(jiān)控、察打一體等作戰(zhàn)任務(wù)。無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)系統(tǒng)可配置多種類型的載荷，其典型的使用模式分為偵察和察打兩種。在偵察模式中，飛機(jī)通過(guò)光電載荷對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行偵察、監(jiān)視、搜索、識(shí)別和跟蹤，以及對(duì)目標(biāo)進(jìn)行激光測(cè)距和激光照射。在察打模式中，以激光制導(dǎo)小型空地導(dǎo)彈為例，飛機(jī)主要是通過(guò)光電載荷對(duì)戰(zhàn)區(qū)地面實(shí)施偵察，指揮控制站識(shí)別、確認(rèn)目標(biāo)并執(zhí)行攻擊流程。

在民用領(lǐng)域，無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可承擔(dān)森林防火、氣象勘測(cè)、海洋測(cè)繪、地質(zhì)勘探和檀物保護(hù)等諸多任務(wù)。

在執(zhí)行森林防火任務(wù)時(shí)，無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可搭載各種測(cè)量監(jiān)控設(shè)備，發(fā)現(xiàn)林火后可第一時(shí)間確定林火點(diǎn)位置，為撲救工作提供數(shù)據(jù)支持。例如，可使用基于GPS系統(tǒng)和攝像機(jī)的監(jiān)控設(shè)備對(duì)林區(qū)進(jìn)行掃描監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)火情立即定位，并將火情提供給消防系統(tǒng)，既降低了人力成本又提高了防火效率。

隨著地球環(huán)境的不斷惡化，由地震、臺(tái)風(fēng)、海嘯和暴雨引起的自然災(zāi)害對(duì)于人類和環(huán)境的影響越來(lái)越大，諸如汶川地震、印度洋海嘯和近期的長(zhǎng)江洪澇等，均給人類的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大的威脅。無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)安全、可靠、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，可攜帶相關(guān)氣象監(jiān)測(cè)平臺(tái)全天候監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害重災(zāi)區(qū)，獲得實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)。

不同國(guó)家對(duì)于海權(quán)的重視程度不斷提高，人類對(duì)海洋礦產(chǎn)資源的依賴不斷加深，海洋環(huán)境變得與人類愈發(fā)息息相關(guān)，了解海洋、利用海洋成為了環(huán)境研究的題中之義。無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可搭載相關(guān)測(cè)繪儀器全天候進(jìn)行海洋測(cè)繪任務(wù)，可大大提高測(cè)繪效率，降低測(cè)繪風(fēng)險(xiǎn)。

無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具備超低空、低速飛行的能力，因此可掛載配備電、磁綜合系統(tǒng)的拖吊吊艙，用于地形復(fù)雜地區(qū)的大比例尺詳查工作。在礦產(chǎn)勘查方面，國(guó)內(nèi)許多成礦遠(yuǎn)景區(qū)帶的地形比較復(fù)雜，而無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)能滿足國(guó)土資源調(diào)查的需要。

目前國(guó)際上普遍采用無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)。我國(guó)地域遼闊，地理及氣象條件復(fù)雜多變，農(nóng)業(yè)人口眾多，農(nóng)作物的病蟲(chóng)害每年都大面積發(fā)生，且18億畝耕地中大多為山地、丘陵。無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)用于植物保護(hù)具備諸多優(yōu)勢(shì)，如安全方便、短距離起降等，且病蟲(chóng)害防治效果好、效率高，最關(guān)鍵的是，其使用成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無(wú)（有）人直升機(jī)。例如，“彩虹”新型無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可加裝130升的藥箱，噴幅達(dá)10～15米，作業(yè)效率達(dá)45畝/分鐘。

前路仍漫漫

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，目前許多國(guó)家都擁有成熟的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和產(chǎn)品，并且都在發(fā)展大型旋翼機(jī)，而我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究還非常薄弱。同時(shí)，由于無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)用途廣泛、優(yōu)勢(shì)突出，因此，開(kāi)展該領(lǐng)域研究具有積極的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)將沿著更快、更大、可垂直起降的路線發(fā)展。未來(lái)，“彩虹”新型無(wú)人自轉(zhuǎn)旋囂機(jī)將開(kāi)發(fā)出可垂直起降型，起飛重量可達(dá)到1000千克量級(jí)，最大飛行速度高達(dá)500千米/小時(shí)。相信這只美麗的“竹蜻蜒”一定會(huì)飛得更遠(yuǎn)、更高、更穩(wěn)健。

[編輯/山水]