飛控技術(shù)要求高低排序:多旋翼>;;直升機>;;固定翼(微型>;;軍用>;;民用)
固定翼是自穩(wěn)定系統(tǒng),即飛上天、助推發(fā)動機穩(wěn)定工作后,不需怎么控制就能自身抵抗氣流的干擾保持穩(wěn)定;飛行器姿態(tài)控制角度看,固定翼是完整驅(qū)動系統(tǒng),任何姿態(tài)下可調(diào)整到任意姿態(tài)且保持住。
直升機是不穩(wěn)定系統(tǒng),飛上天后如不施加控制,氣流吹過就可能發(fā)生側(cè)翻。但直升機也是完整驅(qū)動系統(tǒng),可自由調(diào)整姿態(tài),主要鑒于直升機的槳面不但可 產(chǎn)生相對機身向上的推力,也可產(chǎn)生向下的推力。且直升機沒有失速問題,何時都能調(diào)整姿態(tài),可在天上自由運動。所以直升機雖不穩(wěn)定、很難控制好,但姿態(tài)翻時 完全可控制回到正常姿態(tài)。
多旋翼是不穩(wěn)定系統(tǒng),也不是完整驅(qū)動系統(tǒng)(欠驅(qū)動系統(tǒng))。它的槳只能產(chǎn)生相對機身向上的升力,不能產(chǎn)生相對向下的推力,所以它不穩(wěn)定、很難控制好,飛行器側(cè)翻后基本沒辦法控制回來,容易墜機。
自穩(wěn)定和驅(qū)動差異決定飛行控制難度。固定翼和直升機控制難度相對不高,其自動控制器相對容易研制,而多旋翼不穩(wěn)定且欠驅(qū)動,其自動控制器性能要 求極高。飛行器自動控制器通常需要慣性導航系統(tǒng)獲取自身的姿態(tài),但20世紀90年代前,慣性導航系統(tǒng)一般重達十幾公斤。為把這么重放到多旋翼飛行器上,飛 行器載荷必須很大,可不管是用油機還是電機做多旋翼飛行器的動力系統(tǒng),都很難得到足夠載荷,這使得多旋翼無人機很長一段時間內(nèi)發(fā)展緩慢。直到2005年, 僅幾克重的MEMS(微機電系統(tǒng))慣性導航系統(tǒng)技術(shù)才開始成熟,微型多旋翼無人機才開始進入快速發(fā)展期,也開始廣泛應(yīng)用于航拍。但由于還是較前沿的技術(shù), 飛行控制技術(shù)成為了微型無人機(多旋翼機)競爭的焦點,軍用無人機由于對飛行器機動性要求高,飛控系統(tǒng)要求相對復雜,而民用無人機則不需要很高端的飛控系 統(tǒng)。
發(fā)動機性能要求排序:軍用>;;民用>;;微型
航空飛機對發(fā)動機的要求遠高于汽車發(fā) 動機,飛機代數(shù)的升級背后往往由發(fā)動機的升級支撐,“一代發(fā)動機鑄就一代戰(zhàn)斗機”(經(jīng)歷的四代戰(zhàn)機背后就有四代發(fā)動機)。航空發(fā)動機主要包括活塞發(fā)動機和 噴氣發(fā)動機。而噴氣發(fā)動機由分為渦噴、渦軸(提供軸動力,直升機)、渦槳(提供軸動力,低速大載重飛機)和渦扇發(fā)動機。
從發(fā)動機推重比(推力和自身重量比重)、耗油量等角度考慮,活塞發(fā)動機劣于噴氣發(fā)動機,而噴氣發(fā)動機中,以渦扇發(fā)動機性能最好,這也符合發(fā)動機的發(fā)展歷程。
軍用無人機高空、大載重、長航時、高機動特性,需高性能發(fā)動機。軍用無人機性能要求很高,對發(fā)動機品質(zhì)要求十分苛刻。美國的捕食者、全球鷹和 X-47B等高端無人機用的都是原有人機的四代發(fā)動機改造而來,中國的CH-4、翔龍和利劍無人機用的都是俄羅斯的四代發(fā)動機(全文發(fā)動機代際劃分采用俄 羅斯分類)。
民用無人機本質(zhì)為“空中貨車”,飛行載重為主要功能,低端發(fā)動機就可滿足需求。中科院工程熱物理所專家認為,航空活塞發(fā)動機或一代二代渦噴發(fā)動 機就可完全滿足民用無人機需求。而我國活塞發(fā)動機或中低端渦噴發(fā)動機相關(guān)技術(shù)已經(jīng)很成熟,故民用無人機在推進動力方面不存在發(fā)展瓶頸。
微型無人機的發(fā)動機多為電力驅(qū)動。由于微型多旋翼無人機體積小、載荷下,不適合安裝體積大量重的內(nèi)燃發(fā)動機,目前多使用電力發(fā)動機,使用鋰電 池,續(xù)航時間大多小于30分鐘。而小型電力發(fā)動機技術(shù)也較成熟,需要突破的是電池蓄電技術(shù)(如增加電池能量密度、發(fā)展高效太陽能電池)。
總結(jié)來說,只有軍用無人機需要高代際(四代甚至未來的五代)高性能的發(fā)動機,這些高品質(zhì)發(fā)動機是中國技術(shù)薄弱之處。
有效載荷技術(shù):軍用、微型無人機要求高,民用低
軍用無人機高空、高速、高機動、長航時飛行,還要執(zhí)行偵察、通信中繼和精確武力打擊等功能,這必然對其載荷技術(shù)有很高要求。微型多旋翼無人機體 積小、載荷小,如要承載相對體積龐大的相機進行工作,必然對載荷的科學設(shè)計要求很高。相反,民用無人機只是充當“空中貨車”,所以對其如何高效載荷要求并 不特別高。
軍用、民用、微型無人機核心技術(shù)壁壘總結(jié)如下:
軍用無人機民用無人機微型無人機
飛行控制技術(shù)中低高
發(fā)動機技術(shù)高中低
有效載荷技術(shù)高低高