會飛的“竹蜻蜓”

石一文

很多人兒時的記憶里，常常浮現“竹蜻蜓”在空中旋轉飛舞的影子，每個人都懷揣著像“竹蜻蜓”一樣飛翔的夢。如今，一群執著夢想、敢于創新的年輕團隊，將一只大大的“竹蜻蜒”放飛，也放飛了他們的夢想這只大大的“竹蜻蜓”就是“彩虹”新型無人自轉旋翼機。近日，該機圓滿完成了首次全自主飛行試驗，在國際上也是大型自轉旋翼機完全自主起降及空中飛行的首次試驗（題圖）。

西班牙人西爾瓦研制的C30自轉旋翼機

無人自轉旋翼機是采用自轉旋翼技術實現飛行的飛行器，之所以將其比作“竹蜻蜓”，是由于在飛行過程中，飛機兩片大大長長的旋翼看上去很像放大的竹蜻蜓，而且它依靠前飛過程中空氣氣流持續的氣動力使旋翼自轉，從而維持旋翼轉速并提供全機所需升力，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的動力，有的自轉旋翼機還裝有較小的機翼提供部分升力。自轉旋翼機不是由發動機驅動旋翼來提供升力的，而是在飛行過程中由前方氣流吹動旋翼旋轉產生升力的。由于旋翼為自轉式，傳遞到機身上的扭矩很小，因此自轉旋翼機無需單旋翼直升機那樣的尾槳，而采用類似固定翼飛機的尾翼，以實現穩定飛行。

何方神圣？

實際上，有人駕駛的自轉旋翼機出現較早，甚至早于直升機。上世紀20年代，西班牙人西爾瓦為了設計一種不失速且具有低速起飛和降落功能的飛行器，將旋翼升力原理應用于飛行器，經反復試驗研制出了帶自轉旋翼的一種新型飛行器，即自轉旋翼機。他于1934年成功地設計出C30自轉旋翼機，并實現了跳躍起飛。但隨著西爾瓦的去世和直升機的興起，自轉旋翼機的發展跌入谷底。自轉旋翼機與直升機相比最大的劣勢在于不能懸停，這是其沉寂多年的主要原因。然而，自轉旋翼機所具有的技術優勢沒有被航空界忘記，特別是該機型具有更高的安全性和經濟性，因而在近十幾年得到了迅速發展。

目前，有人自轉旋翼機技術已經非常成熟，國際上有40多個國家研制和生產該類機型。其中，美國Carter公司研制的Carter copter自轉旋翼機和美國GBA公司研制的Hawk-4自轉旋翼機最具有代表性，技術較為先進。Hawk-4已取得了適航許可證，用于美國警方空中治安巡邏。國內近些年也出現了較多國外自轉旋翼機產品的代理商和引進國外技術實現國產化的制造商，他們的產品已經廣泛用于航空旅游、農業植保、航空攝影等。

網絡上披露的一型國產雙人旋翼機

自轉旋翼機的旋翼槳轂特寫

技術優勢何在？

有人駕駛的自轉旋翼機在國內外的廣泛生產和應用喚起了人們對這一機型的重新認識。

自轉旋翼機旋翼槳轂通常采用蹺蹺板式，這一形式非常簡單，可靠性高、拆裝方便、易于維護;尾翼也只有方向舵，沒有升降舵，升降運動和縱向姿態控制通過縱向傾轉旋翼槳盤和調節發動機油門改變螺旋槳推力來實現。起飛時，通過地面旋翼預轉，自轉旋翼機可以實現超短距起飛，或者近似垂直起飛（又稱“跳飛”）。降落時，自轉旋翼機可以超短距降落或者“點”式著陸。

自轉旋翼機結構簡單，效費比高，故障率低，安全性高，即使發動機空中熄火，也可以憑借旋翼慣性轉動產生的升力，確保飛機安全迫降。此外，自轉旋翼機可以在小型機場、公路、平坦土地等場地起降，對起降條件要求很低，可以替代完成直升機的絕大多數任務。

無人更出色

自轉旋翼機要實現良好的飛行性能，首先需要確定合適的總體參數，包括氣動布局、重量重心、旋翼參數、動力參數等：同時需要合理布置設備位置，旋翼、螺旋槳、尾翼等需要選擇合適的相對重心的位置，以獲得良好的飛行穩定性：空速、旋翼槳盤后倒角、螺旋槳推力等需要合理匹配以控制飛行：建立準確可靠的飛行動力學模型，設計合理的飛行控制律以實現無人化飛行。此外，自轉旋翼機具有旋翼、螺旋槳兩個振動源，需要考慮結構動力學問題。因此，自轉旋翼機要實現良好的飛行性能，需要突破氣動、控制、動力、結構一體化、總體綜合優化設計技術。該過程涉及多個方面，需要從全局把握好研制過程的關鍵技術點，包括合理的總體布置、性能的估算、全機配平、操穩特性分析及與各專業的銜接。

自轉旋翼機的飛行特性與直升機和固定翼飛機既有相同點，又有不同點。在偏航控制方面，與固定翼飛機類似，方向舵為操縱面;在俯仰、滾轉及側向控制方面，與直升機類似，旋翼為操縱面;速度和高度控制方面，具有自身特點，采用旋翼槳盤縱向傾斜控制速度，螺旋槳推力控制高度：在起降階段，需要同時操縱方向舵和旋翼槳盤。這些特點給自轉旋翼機的自主飛行控制帶來一定技術難度。因此，自轉旋翼機要實現全自主飛行控制，需要建立全量非線性飛行動力學機理模型，完成基于機理模型的飛控仿真。同時可以采用參數辨識，建立基于參數的飛行控制律，然后對機理模型進行修正，最終完成無人自轉旋翼機自主飛行控制系統設計。

試飛多艱難

經過近五年的努力攻關，通過大量理論計算與大型試驗等途徑，“彩虹”新型無人自轉旋翼機總體設計技術、飛行動力學建模及飛控系統設計得到了有效突破。其樣機為單尾撐構型旋翼機，前三點式起落架，最大起飛重量550千克，巡航速度120～140千米/小時，最大航時10小時，實用升限4 000米。本次飛行試驗起飛重量為420千克，飛行速度126千米/小時，飛行高度為1600米。

2016年7月，在內蒙古某機場，“彩虹”新型無人自轉旋翼機迎來了首次全自主飛行試驗。飛機很快爬升至預定高度，在沿預定航線平穩飛行35分鐘后安全降落在跑道上。

此次試驗面臨的最大挑戰就是環境。由于此次是首飛試驗，需要驗證飛行控制程序，測量飛行參數，所以要選擇無風或者風小的天氣進行試驗，避免危及飛行安全，影響數據采集。但是，位于內蒙的試驗基地卻經常風起云涌，漫天黃沙，白天大部分時間風力都極大，而且風往往變幻無常，時大時小，無法準確預測，這一度給試驗帶來了很大困難。時間一天一天過去，試驗隊心急如焚，大家都在想破局之法。功夫不負有心人，經過多日的“頭腦風暴”和實地觀察、蹲守、測量，試驗隊發現日出后有短暫的無風期，但如果抓住這一窗口就意味著全體試驗人員凌晨三點半必須起床準備試驗。但是沒有任何一個人對此抱怨，大家立刻準備，保證試驗進度的正常推進。試驗場地海拔在1000多米以上，紫外線非常強烈，每一天試驗下來，試驗隊員的臉明顯就會比前一天更黑。

某天，一次滑跑試驗發生了一次美麗的意外，但這恰恰給大家多天來疲憊的身軀打了一針強心劑?；軠蕚湟磺姓?，總體和飛控人員在逐項核對試驗參數，其它分系統已進入試驗崗位，等待本次滑跑試驗的開始。隨著“準備滑跑”指令的發出，發動機啟動，旋翼預旋，滑跑開始。說時遲、那時快，跑道上突然來了一陣強大的逆風，總體指揮立即提示全體試驗人員注意突發情況。大家嚴陣以待，只見飛機在滑跑過程中平穩離地起飛，3～4秒后順利著陸。指揮艙內響起掌聲，這再次驗證了“彩虹”新型無人自轉旋翼機飛行控制策略的可行可靠。

艱難困苦，玉汝于成?！安屎纭睙o人自轉旋翼機完成了國際首次大型自轉旋翼機完全自主起降及空中飛行，突破了無人自轉旋翼機全自主飛行控制技術，填補了我國在無人自轉旋翼機領域的空白，為我國后續無人自轉旋翼機的發展奠定了堅實基礎。

長袖善舞

無人自轉旋翼機可廣泛用于軍事和民用領域。

在軍用領域，無人自轉旋翼機系統可在起降條件困難的邊境地區執行巡邏任務，也可執行偵察、監控、察打一體等作戰任務。無人自轉旋翼機系統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，飛機通過光電載荷對地面目標進行偵察、監視、搜索、識別和跟蹤，以及對目標進行激光測距和激光照射。在察打模式中，以激光制導小型空地導彈為例，飛機主要是通過光電載荷對戰區地面實施偵察，指揮控制站識別、確認目標并執行攻擊流程。

在民用領域，無人自轉旋翼機可承擔森林防火、氣象勘測、海洋測繪、地質勘探和檀物保護等諸多任務。

在執行森林防火任務時，無人自轉旋翼機可搭載各種測量監控設備，發現林火后可第一時間確定林火點位置，為撲救工作提供數據支持。例如，可使用基于GPS系統和攝像機的監控設備對林區進行掃描監控，發現火情立即定位，并將火情提供給消防系統，既降低了人力成本又提高了防火效率。

隨著地球環境的不斷惡化，由地震、臺風、海嘯和暴雨引起的自然災害對于人類和環境的影響越來越大，諸如汶川地震、印度洋海嘯和近期的長江洪澇等，均給人類的生命和財產造成了巨大的威脅。無人自轉旋翼機安全、可靠、續航時間長，可攜帶相關氣象監測平臺全天候監測自然災害重災區，獲得實時氣象數據。

不同國家對于海權的重視程度不斷提高，人類對海洋礦產資源的依賴不斷加深，海洋環境變得與人類愈發息息相關，了解海洋、利用海洋成為了環境研究的題中之義。無人自轉旋翼機可搭載相關測繪儀器全天候進行海洋測繪任務，可大大提高測繪效率，降低測繪風險。

無人自轉旋翼機具備超低空、低速飛行的能力，因此可掛載配備電、磁綜合系統的拖吊吊艙，用于地形復雜地區的大比例尺詳查工作。在礦產勘查方面，國內許多成礦遠景區帶的地形比較復雜，而無人自轉旋翼機能滿足國土資源調查的需要。

目前國際上普遍采用無人直升機進行植保作業。我國地域遼闊，地理及氣象條件復雜多變，農業人口眾多，農作物的病蟲害每年都大面積發生，且18億畝耕地中大多為山地、丘陵。無人自轉旋翼機用于植物保護具備諸多優勢，如安全方便、短距離起降等，且病蟲害防治效果好、效率高，最關鍵的是，其使用成本遠遠低于無（有）人直升機。例如，“彩虹”新型無人自轉旋翼機可加裝130升的藥箱，噴幅達10～15米，作業效率達45畝/分鐘。

前路仍漫漫

自轉旋翼機具有獨特的優勢，目前許多國家都擁有成熟的自轉旋翼機設計技術和產品，并且都在發展大型旋翼機，而我國在這一領域的研究還非常薄弱。同時，由于無人自轉旋翼機用途廣泛、優勢突出，因此，開展該領域研究具有積極的經濟和社會意義。

無人自轉旋翼機將沿著更快、更大、可垂直起降的路線發展。未來，“彩虹”新型無人自轉旋囂機將開發出可垂直起降型，起飛重量可達到1000千克量級，最大飛行速度高達500千米/小時。相信這只美麗的“竹蜻蜒”一定會飛得更遠、更高、更穩健。

[編輯/山水]