无人直升机的共轴技术

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　　首届“中航工业杯”国际无人飞行器创新大奖赛开幕在即，《兵器知识》杂志社作为协办单位，再次走进正在紧张备战的参赛队。这一次走入我们采访镜头里的是天津大学联合研究室，他们最经典的产品就是复合式共轴双桨无人直升机。
　　我们都知道，在有人驾驶的直升机领域，卡－28舰载机采用的就是共轴式双桨布局。这种布局使直升机可以省去尾梁和尾桨，从而使得直升机结构紧凑、外形尺寸小、气动力平衡、对风向和风速不敏感，以此提高飞行性能，特别适合舰载。
　　共轴双桨布局的这种特性应用到无人直升机领域又会产生哪些特殊的效果呢?到无人机，大家多半想到的是美国研制“全球鹰”、“捕食者”等，其实这些都只是无人机家族中的一个分支。无人机分固定翼无人机和无人直升机，其用途各不相同。固定翼适合于远距离高空巡航，而无人直升机可以做低空、低速(以至于悬停)和机头方向不变的机动飞行，特别是可在比机体稍大的场地垂直起降。相对来说，无人直升机可以飞得更低，更靠近目标，且在山地及部分极端地形游刃有余，尤其是需要从低点位往外观察，无人直升机具有天然优势。此外，无人直升机由于不需要跑道，所以机动性能更好。
　　从20世纪60年代开始，由于军事上的需要，一些国家开始研制无人直升机。近年来，无人直升机已成为国内外航空领域内的研究热点。比较成熟的有加拿大的CLL-227、德国的Sea－mos、美国的OH-50等。这些先进的无人直升机共同特点是均采用了共轴式双旋翼结构。
　　这是因为单桨直升机起飞重量有限，如果要增大起飞重量，就要增加旋翼长度、增加发动机转速，在增加旋翼面积的同时还要增加传动机构的强度，这些都增加了旋翼系统的机械复杂性和重量。旋翼直径和转速还要受到翼尖速度不能超过音速的限制，否则音障带来的阻力和振动将不可忍受。更大的旋翼面积也注定了必须增加尾撑长度，结构重量也会增加。较大的旋翼还会造成更为明显的地面效应，对直升机的安定性是个巨大的挑战。
　　共轴双桨直升机主要优点是结构紧凑，重心稳定。机体部件可以紧凑地安排在直升机重心处，飞行稳定性好，也便于操纵。同时保留尾桨设计，使航向控制更为简便，尾桨纵向安装可以增加其飞行速度，横向安装可提升其控制安全性。与单旋翼直升机相比，其操纵效率明显提高，只要改变直升机的油门和桨距，即可完成垂直起落。
　　与单旋翼直升机相比，共轴式直升机的主要气动特点是：具有较高的悬停效率；没有用于平衡反扭矩的尾桨功率损耗；空气动力对称；正常单桨直升机尾桨在起飞、悬停状态下的功率消耗为7％～12％，而共轴直升机只要是零度，甚至无尾桨都可以保持航向；具有较大的俯仰、横滚控制力矩。因此具有了合理的功率消耗，从而使得操纵性优良、机械结构稳定等。
　　共轴双桨直升机的振动也由于采用双桨的设计而较好地对消了，平稳性和悬停性明显转好。共轴双桨在同等升力下，旋翼直径可以较小，直升机总尺寸较紧凑，占地面积较小，特别适合特殊的需要。
　　共轴双桨直升机系统作为高自由度的无人飞行器来说，自主驾驶系统是核心技术之一。天津大学联合研究室推出的无人直升机搭载的是自主研发的自主驾驶仪，可实现一键式自主起飞、巡航、悬停、降落。图像传输方面可实现对静止目标的定点跟踪、对运动目标的自主移动跟踪。并且该自主驾驶系统可实现一个地面控制平台同时控制多机(最多16架)自主编队飞行，其控制距离可达到100千米。
　　天津大学无人机联合研究室的负责人告诉记者，这款共轴双桨无人直升机系统，横跨光电子学、信息图像处理、射频微波无线电、机械动力等多个学科，涵盖了无人机研制的各个方面。研究室还拥有占地45亩的飞行测试基地，基地有国际标准的各类飞行场地与教学维修等配套设施，并且有自己的生产加工车间，能迅速将科研成果转化成产品进行量产。天津大学无人机研究室的成员正在为参加比赛加紧进行各种调试工作，希望赛出好成绩。
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