一款新双发构型的垂直起降技术获得发明专利

陕西捷恒航空技术有限责任公司的斜积矢量两轴飞行器控制结构专利（专利号：ZL.6）日前获得国家知识产权局的授权。自年成立至今，该公司是一家从事无人机技术研发的科创型企业，其发明的斜积矢量两轴飞行器控制结构相较现有的多旋翼无人机飞行效率提升20%。

公司成立之时，正是消费级无人机大发展的时期，并以多轴旋翼机居多，但随着时间的推移，逐渐发现多轴旋翼机的飞行效率和载重方面遇的瓶颈愈发凸显。为了提高飞行时长和载重量，只得增加电池或旋翼数量，但同时这也增加了飞行器的自重，使得增加的动力又大部分消耗在克服自重上了，无法显著提高飞行效率，似乎陷入了死循环。

而在效率和载重方面，固定翼飞机无疑有着先天的优势。那么如何将直升机(多轴飞行器)和固定翼的优势结合起来呢？ 代表性的应该是美国的鱼鹰运输机（V-22）。

V-22是怎样一架飞机？目前的定义称之为倾转旋翼飞机，其意义在于不但可以垂直起降，又可以固定翼方式高速飞行，还可以悬停在空中，因此可作为运输机在战争、特别是海战中，向海岛投运兵力和给养，也可以在机场跑道损坏情况下正常起降，其战略意义不言而喻；在和平时期，同样可以发挥巨大作用。如物流、勘察、巡视、环保等等，当然在消费级市场同样具有竞争力。

国际上，除了美国的V-22外，还涌现出了欧洲的奥古斯塔“零方案”，韩国年也发布了其海*研发的双发倾转旋翼飞机的消息。与此同时俄罗斯、日本等国均在大力研发倾转旋翼飞机。

国内目前固定翼飞机、直升机和多轴旋翼机发展迅速，但是倾转旋翼机的研究尚处于起步阶段。尽管有机构发布了多轴倾转旋翼机的成果，甚至京东等物流公司也在大力研发多轴倾转旋翼机，然而由于过多的电机、舵机增加了其自重，同时旋翼尺寸也未与旋翼合理匹配，致使其综合效率还是太低，而且只适合于小型无人机。

为什么没有机构推出双发倾转旋翼机这种高效的飞机？主要原因来自于双发飞机垂直起降时的俯仰稳定性困扰：如同我们日常生活中没有两条腿的桌椅板凳一样，究其原理是两点不能决定一个平面，所以双发飞机很难在垂直起降时解决俯仰稳定性的问题，虽然尾座式的固定翼飞机可以垂直起降，但那是以非常高的能耗为代价的，只适合于战术飞机。

那么美国的V-22和欧洲的“零方案”是怎么解决俯仰稳定性问题的？他们都采用了直升机式的斜盘变螺距方式，可以看作是两架直升机刚性并联在一起，其结构复杂、自重大、故障率高，生产制造和维护成本非常高。这种构型在小型无人机上使用则得不偿失。

通常情况下，螺旋桨叶越大、动力装置和桨叶数量越少，效率越高，所以两轴飞行器在效率和机械复杂性做到了较好的折中，这就是为什么美欧等纷纷研制开发倾转旋翼飞机的原因。基于V-22和“零方案”的不足，采用简单的定螺距桨来替代变螺距桨，将极大简化结构，降低故障率，同时生产制造和维护成本也大大下降。

有没有这样一个方案，增加一个虚拟点，化解两点不能决定一个平面的问题，变为三点决定一个平面，从而解决了双发飞机垂直起降和悬停的俯仰稳定性的问题？捷恒公司通过大量的理论和实验数据总结，达到主动平衡稳定的要求，发明了“斜积矢量两轴飞行器控制结构”，并申请了国家发明专利，现已经获得授权。

斜积矢量两轴飞行器改变了传统两轴飞行器的对称式控制结构，通过独特的矢量轴前掠角设计，引入了两桨反扭力叠加力矩这一新的俯仰控制力矩，通过对数学模型和实验数据的分析，得出了这种独特控制结构中前掠角和重心位置之间的配合关系，有效地解决了两轴飞行器俯仰控制稳定性问题，消除了传统两轴飞行器上容易出现的俯仰震荡现象。作为一种可靠、实用的新型两轴飞行器控制结构，是替代传统倾转旋翼飞行器两桨斜盘变螺距控制结构的理想方案。其优势在于，在满足垂直起降飞行器稳定性要求的前提下，大幅简化系统结构，提高飞行可靠性和效率。

这种构型主要由以下几个部分组成：动力装置和安装在其上的螺旋桨构成了动力总成，左右动力总成水平对称布置在机身两侧，并安装在左右矢量机构的矢量座上，矢量机构的底座与机身刚性链接。在伺服器驱动下，使安装在矢量座上的动力总成绕矢量机构输出轴旋转。飞行过程中，通过动力输出方向同方向旋转控制俯仰姿态，反方向旋转控制偏航姿态，左右两动力装置差动加减速控制横滚姿态，同步加减速控制动力大小，两桨反扭力由桨叶相对旋转而抵消。由此可见，两轴飞行器的动力可矢量变化，所以其俯仰及偏航响应速度更快，而机械结构比采用斜盘变螺距机构的倾转旋翼飞行器要简单。

具体分析：

两轴飞行器改变俯仰姿态控制的方法，是依靠动力与重心间的距离产生俯仰力矩，使机身姿态发生变化。这一控制力矩是以动力作用点到重心距离为半径的圆周函数，而且其半径会随着机身姿态的变化而改变，因此该俯仰控制力矩的变化是非线性的。

同时，因为桨叶的陀螺效应，矢量机构在改变动力输出方向的过程中，会对机身主体产生反向扭矩，大小可近似为常量，这一反向扭矩与动力对重心的俯仰控制力矩方向相反，所以两轴飞行器在俯仰控制过程中会产生震荡。通常采用的办法是降低重心高度，因为重心与动力作用点距离越大，俯仰控制力矩近似线性范围也就越大。然而，重心偏离动力作用点的距离增大，会同时增加俯仰和横滚轴上的运动惯量，使飞行器控制变得迟钝。这也是目前的倾转旋翼飞行器采用两桨斜盘变螺距机构的原因。桨叶螺距绕回转轴周期变化的升力差，对回转轴产生直接的扭矩作用，而回转轴方向保持不变，则桨叶陀螺效应的法线方向不变，较不容易产生俯仰震荡。

与常见的四旋翼无人机相比较，矢量机构可以直接改变推力方向，无需旋翼转速上的调节，在姿态控制及响应方面更为敏捷可靠，控制功耗也相对四旋翼小，因为四旋翼的姿态控制是通过旋翼转速的前后和左右差动来实现的。

近年来不断有新构型的无人机概念推出，有双旋翼，还有一种被称为复合翼的无人机面世，然而这些方案的实际效果并不理想。其中双旋翼无人机并没有很好的解决俯仰控制问题，在飞行过程中会出现俯仰震荡现象；而复合翼无人机则是四旋翼安装在固定翼上，再加上一个尾推风扇，这种构型是一款过渡构型，它解决了垂直起降和高速前飞的结合问题，但由于其升力旋翼在平飞中不但没有作用成为“死重”，而且因为升力旋翼破坏了合理的气动外形，导致控制并不容易。

随着人们的深入研究以及电池技术的进步，无人飞行器概念也在不断拓展，已经有包括特斯拉在内的机构提出了飞行汽车这样的载人交通工具设想，相信在未来，大载重高效飞行器一定会在少旋翼、大桨叶的方向上进一步发展，斜积矢量两轴飞行器控制结构也会拥有相应的地位。