航空创新火花的集中迸发

胡芳蕾+罗馥佳

中航工业杯国际无人飞行器创新大赛是中国航空学会与中国航空工业集团公司联袂主办的面向社会、面向国际，以无人机为主题的大型综合性航空科普活动，大赛每2年举办一次，从2011年9月首届举办以来，至今已成功举办了两届。整个活动由创意赛、竞技赛、国际航模大师秀、创新论坛、创新作品展5部分组成，其中又以竞技赛和创意赛为活动的核心。

竞技赛旨在考察评判参赛作品完成竞技任务的能力，两届竞技赛的主要内容是要求设计制作无人飞行器，用全程自动控制的方式完成规定航路的飞行、定点投掷和模拟航母甲板上的钩索拦阻着舰。首届采用固定平台，第2届添加了沿航向匀速位移的动平台。第2届还增加了旋翼类竞技，即完成2个动平台之间的物品拾取和码放任务。

创意赛旨在倡导和推动原始创新，鼓励飞行原理、气动布局、机构结构、控制系统等方面一切形式的创意创新，是该赛事最独特、最重要的部分。要求参赛者通过设计制作、现场介绍与答辩飞行演示环节，把新航空器创意展示出来。

两届赛事集中反映了5个方面的科技创新成果：

第一，聚焦仿生飞行、变体/变向飞行、特种构型等的新样式飞行器；

第二，聚焦固定翼旋翼模态转换、新增升机构与结构、新的升力混合体垂直/短距起降飞行器；

第三，聚焦翼身融合、自稳定控制、等离子技术应用的新控制系统飞行器；

第四，聚焦双旋翼共轴、高速飞行、特殊构型的新布局旋翼飞行器；

第五，聚焦航路与姿态自动控制、引导与着舰方式创新的竞技赛固定翼飞行器。

两届赛事先后涌现出一大批面向现实的应用，极具创新价值的新思维、新概念，并引发专业研究单位和潜在用户的极大关注。2014年8月28日，中国航空工业集团公司和中国航空协会共同举办了中航工业杯国际无人机飞行器创新大赛汇报推介会，对两届大赛中涌现的创新成果进行了推介。

“灵龙”旋翼固定翼转换飞行器

该飞行器由西北工业大学研发，获首届大奖赛创意大奖。

“灵龙”采用与美国X-50相似的总体布局，但控制方式更加成熟可靠。“灵龙”无人机飞行原理验证机最大起飞质量为11千克，飞行速度范围为0～35米/秒。

“灵龙”将直升机与固定翼飞机的操纵控制相结合，采用了组合动力形式，降低了飞行控制难度。采用T型尾翼三翼面布局，减小了各翼面间的气动干扰，为飞机的稳定可控飞行奠定了基础。其直升机与固定翼飞机的特点有效融合，使飞行器兼具垂直起降与高速飞行的能力。

“灵龙”无人机既可以是无人的，也有潜力发展为有人飞行器和多发动机驱动的大吨位型飞行器。其特殊的垂直起降能力使其具有极大的使用灵活性，可广泛用于侦察搜索、地质勘探、武装护卫、战术空中支援、交通管理、中继通信、数据传输和后勤补给等。西北工业大学研究团队对采用“灵龙”布局的中型多用途无人机进行了研究，估算了其大致性能，预计其起飞重量为500～2000千克，有效载荷为50～300千克，前飞速度可达300～650千米/小时。

“紫电”等离子体无人飞行器

“紫电”等离子体无人飞行器由南京航空航天大学研制，获第二届大赛创意大奖。

“紫电”无人机是依靠等离子体进行气动性能改善，实施姿态控制的无人飞行器，是新原理与应用方向的创新。之所以取名“紫电”一方面是因为等离子体激励器在放电过程中会发出淡淡的紫光；另一方面是借用唐代诗人王勃《滕王阁序》中的“紫电青霜”的诗句，“紫电”意为上好的武器。

根据已知科学实践的成果表明，等离子体可改善飞行器的空气动力学性能，实现增升减阻，提高升阻比。同时，等离子体可产生力矩，实现飞行控制。同时等离子体可多个方面提升飞行器的隐身性能，首先等离子体具有折射和吸波效应，可大大减小雷达发射面积；其次，使用等离子体进行飞行控制后，飞行器操纵舵面可大幅度减少，简化了飞行器结构，减少空隙的出现，飞行时一些气动翼面可保持静止，这都显著降低了飞行器的雷达信号特征。“紫电”等离子体飞行器机翼的不同位置布置有等离子体激励器，控制激励器放电产生等离子体。“紫电”飞行器的一系列成功试飞结果表明，等离子体在气动性能改善、姿态控制和隐身性能提升方面均达到了预想的结果，可以说极具应用前景。

“四舵面飞翼”飞行器

“四舵面飞翼”飞行器由中航沈阳飞机设计研究所和沈阳航空航天大学联合研制，获得了首届大赛优秀创意奖，是首届大赛中唯一同时参加创意赛和竞技赛，并均有出色表现的作品，是专家和观众公认完成度最高的作品，也是最接近实用装备的无人机。

无尾飞翼布局装载空间大，气动效率高，隐身性能好，是高隐身轰炸机和无人机作战飞行器的理想布局形式。但这种气动布局的飞行控制难度大，特别是航向稳定性不足。尽管备受世界各航空大国瞩目，但成功方案并不多。

“四舵面飞翼”飞行器采用小展弦比、大后掠全无尾飞翼布局。背部设置进气道，采用二元喷管，碳纤维机身结构，配装1台10千克级电动涵道风扇发动机，前3点可收放式起落架。该飞行器总重约18千克，翼展2.2米，机身长2.2米，飞行速度约70～120千米/小时，起飞滑跑距离不大于50米，着陆滑跑距离不大于80米。飞行品质达到珀-哈珀飞行品质评分等级中的1级（共分10级，1级最优，10级最差，一般应高于3.5）。

该飞行器的意义在于，从航空装备的实际应用出发，创造性地提出了“四舵面”控制思路，并研制出合理而可靠的飞行控制系统，较好地解决了困扰世界航空界的技术难题。飞行器机翼后缘设置了4个操纵舵面，每侧2个后缘操纵面为1组，两组操纵面同向偏转时控制飞机俯仰，两组操纵面反向偏转时控制滚转。进行航向操纵时，同组两个操纵面差动偏转时，形成两翼阻力差，进而产生航向偏转控制。在首届大赛中，该飞行器实际飞行的表现表明其飞行控制设计是成功的，飞行器的飞行非常稳定，竞技赛中无论是空中盘旋、低空通场，还是最终模拟着舰挂索，均一气呵成，异常精准。endprint

该机所代表的技术成果的潜在应用价值包括，应急状态下的航向稳定与控制；作为技术验证机，验证关键技术；减少气动舵面，提升隐身性能；提供长航时高亚声速巡航飞行能力；提供较大的装载能力等。

“飞云”号旋翼无人飞行器

“飞云”号旋翼无人飞行器由中科院沈阳自动化研究所研制，获得第二届大赛竞技一等奖。

“飞云”号无人直升机采用单旋翼带尾桨的常规布局，无副翼结构。主要部分包括：无副翼电动直升机机体、3自由度机械手、导航与飞行控制计算机、组合导航传感器（惯性测量单元、磁罗盘、GPS）、单目摄像机以及无线传输模块。该飞行器具有包括自主起降功能在内的全自主任务执行能力，能以较高的精度自主完成目标的跟踪、抓取与投放；采用3自由度机械手，可实现对目标任意角度的抓取与放置。在竞技赛中，该无人机以极高的效率，准确无误地完成了在2个动平台之间进行物品的拾取、转移和码放。

其貌不扬的“飞云”飞行器实际上解决了无人机导航控制领域的2个世界级难题—扰动控制和动态跟踪。

在扰动控制方面，无人飞行器在吊挂载荷时，载荷质量可能随时发生变化，载荷也可能受到侧风、撞击的影响发生横向的晃动，如果不能有效抑制载荷扰动，就很难能够保证无人机能正常飞行。为此中科院沈阳自动化所研究团队采用了无人直升机主动模型控制理论，有效解决了扰动的实时在线估计与抑制控制问题。

在动态跟踪方面，无人直升机需要对运动目标进行跟踪判别，并控制自身进行相对运动，无人直升机自主着舰是其最典型的应用。研究团队使用动目标运动模型在线识别跟踪控制理论，有效解决了动态目标跟踪控制问题。

“飞云”号无人机直升机所代表的技术实际上已经有了非常现实的应用。在抑制扰动控制方面，已经有无人机用于高压输电线路初级导引线绳的牵引和架设，极大提高了工作效率。随着导引绳的不断释放，无人直升机牵引的重量在不断增加，与此同时，牵引绳会因风扰等各种因素产生晃动，这都对无人机的飞行产生显著影响。“飞云”号的控制技术完美地解决了这一问题，目前沈阳自动化所的无人直升机至今还保持着高压输电线初级导引绳架设跨度的世界纪录。在动目标跟踪方面，已经实现无人直升机的舰载自主起降。

使用同样的技术，沈阳自动化所还发展有一系列起飞重量不等的无人机直升机系统，如SIA-40、SIA-100、SIA-700，其中SIA-700的起飞重量达到700千克，最大载荷达160千克，最大空速达120千米/小时，标准续航时间为2小时。

“珈”共轴双旋翼无人机直升机

“珈”（音加聪）共轴双旋翼无人直升机由中航工业庆安集团有限公司研发团队为验证中置集成操纵作动系统专利技术而研制的，在第2届大赛中获得创意二等奖。

传统的共轴双旋翼无人直升机操纵机构的舵机均处于下桨盘下方机体内部，操纵变矩时，杆系需要穿过下桨盘，间接控制上浆，传递环节多，杆系刚度差，杆系旋转造成气动性较差，还需考虑杆系与下桨盘之间的干涉。针对上述问题，研发团队研制了中置桨矩控制装置，将变矩操纵机构和舵机均移至上下桨盘之间，采用全差动控制方式改变航向姿态，从而减少了变矩机构传递路线，具有传递紧凑，环节少，刚度好，控制精度和效率高，稳定性好等优点，而且不用考虑机构与上下桨盘的干涉问题。

这种结构上的创新进而引发了该机在控制方式上的创新—航向操纵系统采用全差动总矩控制；在传动系统上的创新—中置式集成操作系统中心轴固定，有下空心轴将动力传递给下桨，并通过锥齿轮、反向齿轮将动力传递给上空心轴，同时驱动上下桨等速反向转动；以及应用创新—机身内部空间更大，可以容纳更多任务载荷，中心轴固定不动，在最上端留有机械、电气接口，可进一步扩展，安装任务载荷。

“珈”无人机为原理样机，目前庆安公司正在研制起飞重量为300千克级的中置桨矩控制装置工程样机。

Z字型折叠飞机

Z字型折叠飞机由河北科技大学和中航通飞华北飞机公司研制，该机在第2届大赛中获得创意一等奖。

河北科技大学的研发团队认为，无人飞行器在其全寿命中，90%以上的时间处于储运状态。为了解决无人驾驶飞行器存在的储运尺寸大、质量密度低的问题，他们构思、设计、制作了采用折叠机翼设计的Z字型折叠无人机。其独特的折叠方式既保证了折叠机构的可实现性，又保证了展弦比和翼面积等基本指标。

在获得良好的折叠性能的同时，该机着重解决了非对称气动布局下飞行器的控制问题。研发团队通过理论分析和实际飞行试验，掌握了该布局的控制特性，实现了Z字型飞行器无自动控制系统下的纯手动控制飞行。

Z字型折叠飞机具有折叠后占地面积小，体积小的特点，在1立方米空间内，可容纳装有起飞助推装置的16架Z字型无人机。由于两片机翼分别安装机身首尾两端，机身中段留有几何形状规则的任务载荷舱，便于布置不同种类的载荷物。机身各段功能相对独立，便于实现模块化设计，能够针对不同任务更换不同种类的载荷舱，从而具备更为优异的任务适应能力。上述优点对于需要携带无人机、巡飞弹药的武器平台来说显得非常重要。

据研制者介绍，尽管该机已在大赛上实现可靠的手控飞行，但这一概念无人机的发展仍尚处于早期阶段，还有很大的发展空间，例如应进一步为其编写飞行控制软件，实现自主化控制；目前折叠翼展开只有1个与机身垂直的角度，未来在自动飞行控制模式下，应能够根据任务需要变后掠角；使用任务适应性更强的前缘控制，提高控制效率；采用更多的动力方式等。

“风火轮”滚翼机

“风火轮”滚翼机由西北工业大学研发团队研制，先后参加了两次大奖赛，获首届大赛创意奖。“风火轮”是一种以摆线桨作为升力来源的飞行器，也是世界上第一种实现自主飞行的垂直起降滚翼机。它不同于固定翼、扑翼机、直升机，是一种颇为独特的飞行器。

摆线桨是2片以上桨叶组成的高效的全向矢量推力装置，其叶片旋转轴线与叶片平面平行，叶片运动轨迹呈圆周状或摆线状，故被称为摆线桨。摆线桨桨叶在做圆周运动或摆线运动过程中，桨叶迎角呈周期性变化，使桨叶在不同方位能始终获得一个恒定方向的桨叶升力，该桨叶升力既可作为飞行器克服重力的升力，又可作为推进飞行器运动的动力。与空气螺旋桨相比，摆线桨具有以下优势：endprint

第一，具有比螺旋桨高近一倍的拉力，高15%以上的气动效率，从而带来更低的油耗，更远的航程，更小的尺寸。

第二，具有极低的转速（仅为普通螺旋桨的1/10）和均匀分布的升力，因此具有更高的碰撞安全性，极低的气动噪声，更高的隐蔽性，而极低的桨尖速度可带来高速飞行的可能性。

第三，具有平面内360°的全向矢量推力，从而具备优异的机动性、场地起降适应性和通过能力。

第四，摆线桨很大的转动惯量产生很大的陀螺力矩，通过对其合理利用，可使飞行器具备极佳的飞行稳定性。

由于摆线桨具有上述性能优势，因此其拥有广阔的应用前景。基于摆线桨可发展有人和无人型滚翼机，承担战场救援、特种侦察渗透、监视侦察、物资运输等任务。摆线桨还可与重型飞艇相结合，执行长距离物资运输，油田补给，抢险救灾等任务。

“风火轮”滚翼机的动力装置是1对左右对称的摆线桨，可以同时产生推力和升力，依靠其可实现空中飞行。在垂直于摆线桨轴线方向布置1对常规螺旋桨，用于平衡摆线桨产生的扭转力矩，进而实现飞行器的平衡和姿态控制，调节螺旋桨的转速，可实现俯仰方向的平衡与控制；调节摆线桨的转速，可实现翻滚方向的平衡与控制。由于此类飞行器特殊的升力原理和控制方式，能够进行前飞、后飞、左右侧飞、垂直起降，其机动性可与昆虫媲美。

以胡峪副教授为首的研究团队在“风火轮”飞行器的研发过程中解决了摆线桨迎角周期变化问题；实现了全向推力矢量控制，使飞行器获得了满意的稳定性和操纵性；实现了摆线桨扭矩自配平，有效削弱了非定常气动力带来的振动；在桨叶叶片选型，飞行参数调节等方面获得了宝贵的经验；首次实现滚翼机的自主稳定飞行。在2013年的第2届大赛上，该研究团队又推出了“风火轮V2.0”滚翼机，该机已经实现遥控操作飞行，是世界上首个可以执行侦察任务的滚翼机。

“绝影8”高速直升机

“绝影8”高速直升机由中国直升机设计研究所团队研制，在第2届大赛中获创意二等奖。

“绝影8”小型无人直升机布局上采用双轴双旋翼+前拉力桨形式。以大功率无刷电机驱动，锂聚合物电池提供电力，无线电目视操纵遥控飞行。具备前飞、垂直起降、悬停、偏航等飞行性能。该飞行器由旋翼系统、拉力桨、传动系统、驱动电机、电池、机身、尾面、起落装置、飞行控制系统、操纵系统等部分组成。

“绝影8”为新构型复合高速无人直升机，布局上采用刚性共轴双旋翼、流线型机身及拉力螺旋桨构型，复合高速直升机的性能要求，具有直接的工程应用前景。该构型既保留了直升机的特点，有能有效解决常规构型直升机速度难以提高的问题，可将速度提升60%～80%。在大速度前飞时，2副旋翼后行侧卸载，升力由外侧的前行侧提供，避免了后行侧大迎角失速问题，前行侧桨叶类似于固定的机翼，可以充分发挥升力潜力，悬停效率高，前飞性能好；整个机身结构更加紧凑，迎风阻力更小，更适合于高速飞行。新构型不需要复杂的旋转机构和倾转过渡状态的操纵机构及其控制系统。

“跃龙”超短距起降技术验证机

“跃龙”超短距起降技术验证机由中航工业成都设计研究所设计团队研制，在第2届大赛中获创意新星奖。

“跃龙”是一种非常规布局固定翼无人机，采用双层串列翼布局，通过上下舵面的配合形成滑流矢量通道，可在极低的飞行速度下，充分利用螺旋桨滑流为无人机提供部分升力，同时上翼的下洗气流也可以做一部分升力贡献。双发推力可调，可在无人机低速状态提供航向控制力矩。后翼尖短板有垂直安定面的作用。除外段机翼外，所有舵面都可以被被预偏作为襟翼使用。该无人机无需专门的跑道，可以在狭小的空地、公路以及舰船上超短距起降。该机在相同翼面积的情况下，飞行器尺寸比常规固定翼设计要小得多，更适合作为舰载机使用。endprint