全对称矢量推进飞行器

尹伟明

综观飞行器的发展历史和未来的发展方向，从曾经闻名于世的英国“鹞”式战斗机到美国的F-35联合攻击机，以及V-22“鱼鹰”倾转旋翼机，无论在军事应用领域还是民用领域，垂直起降已经成为飞行器的一项重要能力。然而，普通直升机由于其旋翼机构复杂、前飞速度比较低、航程短等缺点，难以适应远程飞行或长时间飞行。普通常规布局的飞机虽然航程远、续航能力强，但需要起降跑道，且不能在空中悬停，故野外生存及使用性能略逊一筹。

飞行器的研究在近几十年间取得了长足的进展，不少新的飞行器应运而生（见图1）。可惜的是，这些飞行器大多不能把垂直起降与高速飞行两者兼顾起来。本文要介绍的全对称矢量推进飞行器具有垂直起降高速飞行平台，可兼顾垂直起降和高速飞行，能适应未来世界的激烈竞争。

一、飞行原理

1. 直升机模态飞行原理

全对称矢量推进飞行器验证机采用了4台电动机，及一对正桨和一对反桨作为动力组，产生直升机模态下的飞行升力。

通过调节4台发动机的转速，来得到平衡力矩，以控制飞行姿态。横滚控制是通过调节左右两台发动机转速，使其产生转速差，来改变左右两侧升力；俯仰控制则是改变前后两台发动机转速。

偏航力矩是通过增大（或减小）正桨转速、减小（或增大）反桨转速而产生的反扭矩差来得到的，这样做可使总升力保持不变，即保证不掉高度，与共轴反桨直升机得到偏航力矩的原理相似。

因此，本项目飞行器的6个飞行自由度得到了有效的控制，它可以沿任意方向灵活飞行。

2. 固定翼模态飞行原理

在固定翼模态飞行时，4台发动机产生前进的推力。同样也是通过调节4台发动机的转速，来得到平衡力矩，以控制飞行姿态，如图2、图3。

3. 模态转化过程分析

本飞行器从“直升机”模态飞行转化为“固定翼”模态飞行，是通过增大某一台电机转速来实现的，以使飞行器姿态发生改变，而发动机相对机身位置不变，最终使一对翼面与前进方向有一定迎角，即成为了提供升力的机翼，便可进行平飞，如图4。平飞速度积累越多，保持升力不变的情况下，机翼迎角便可越小。

美国的V-22“鱼鹰”（图5）从“直升机”模态飞行转化为“固定翼”模态飞行，是通过改变发动机相对机身位置来实现的，以使飞行器产生向前的推进力，积累前飞速度，机翼得到足够的升力，但在转化过程中，机身姿态始终保持不变。因此，“鱼鹰”可以说是一架拥有垂直起降能力的固定翼飞机，而本飞行器更是一架能够高速平飞的直升机。

二、动力系统与机动性

1. 动力系统

当今先进的高机动飞行器都在研究用改变发动机尾喷管喷流的方向来控制推力的技术，即机械式矢量喷管技术和射流矢量喷管技术。而全对称矢量推进飞行器采用了全新的“全对称矢量推进”方式，即飞行器的4台发动机以“十”字形布置，通过调节各台发动机的功率来改变推力的方向，同时可以在任意方向产生控制力矩。这样的动力布置方式结构简单、调节方便、工作可靠。

2. 机动性

与目前顶尖的倾转旋翼机相比，本飞行器的显著特点就是能实现“直升机”和“固定翼”两种模态间稳定、迅速地转化，模态转化周期为4秒，即从“直升机”模态飞行转化为“固定翼”模态飞行（或“固定翼”模态飞行转化为“直升机”模态飞行）只需要4秒的时间，而V-22“鱼鹰”的模态转化时间最快为12秒。

本飞行器还可以完成苏-27那样的“眼镜蛇”动作。由于这种新概念的动力布置方式可以在任意方向产生力矩，使该飞行器不用滚转便可直接进入机动飞行，就像导弹机动飞行那样。这种迅速的转化和高机动飞行动作正体现了本飞行器良好的机动性能。

三、控制系统

我们知道稳定性与机动性是一对矛盾。以英国的“鹞”式战斗机为例，为提高战斗机速度和自身稳定性，其机翼后掠角很大，导致操纵迟钝，机翼不得不采用一定下反角来提高机动性，如图6。

同样，要保持高机动性，飞行器自身的稳定性必会受到影响。就大多数固定翼飞机和直升机而言，都是通过空气动力实现气动稳定的，要求飞行员能够及时作出反应并调整飞行姿态。然而，过高的静稳定性意味着机动性差，飞行器对舵面偏转的反应迟钝；对于一架高机动性的战机来说，它的静稳定性就不高，在某些特殊情况下出现气动不稳定是完全可能的，飞行员很难在狂风中对一架气动稳定性不够高的飞机完全借助于人力进行迅速、有效地控制。在实践中我们也深有体会，要控制一架非常“灵敏”的微型飞行器是相当困难的，往往当飞行器快要触地时，操控者根本来不及作出反应，就眼睁睁地看着它撞向地面。

四、先进性分析

本飞行器不同于一般模型飞机，它可以在原地垂直起降，对起降场地基本没有要求，其生存性较强。通过调节4台发动机的转速来控制飞行姿态，因此相比于直升机，其机械结构简单；相比于固定翼飞机，虽然没有任何舵面，但低速时却不会存在因舵效过低而无法控制的问题。平飞时“十”字布局的翼面产生一定的升力，在同等情况下比普通直升机航程更远，续航性能大大提高。并且4台发动机提供全动力，飞机迎风面积小，故与直升机相比可进行高速飞行。

此外，本飞行器还拥有以下优势及特点：

（1）尺寸小，重量轻，操作方便，便于携带到任务地区上方执行任务，从而大大弥补了目前电池运行时间短的缺陷。

（2）以电池-电动机为动力，可使噪音保持在较低的水平（噪音小于45分贝），也可在烟尘等缺氧环境下运行。

（3）不携带燃油，塑料螺旋桨叶片不易伤人，从而意外坠机后的安全性大大增加，特别适于在人口密集的城区运行。

利用本飞行器这种推进系统布置方式，可以制作出各式各样、大小不一的飞行器，根据不同要求来设定相应的方案，装载多种任务设备，以完成各类特殊的空中飞行任务，充分体现其平台的通用性。

五、适应范围及前景

本飞行器对起降场地没有苛刻的要求，这样就大大减少了飞行场地成本的投入，有利于大规模推广；同时又具有高速机动的性能，能够非常快速地赶到事故现场，减少了时间上的损耗。当它在街道或人群的上空巡逻时，可以从更广的范围拍摄下面发生的情况。只有50厘米大小的本飞行器在飞到50米以上高度时，就很难被地面上的人发现了，如此将成为打击犯罪和恐怖分子的高新科技工具。面对火情、洪涝灾害和紧急救助时，本飞行器亦可成为“一名优秀的移动瞭望手”。

附：模型验证机主要技术指标

（1） 最大起飞质量：1000克

（2） 空机质量：850克

（3） 有效载荷：150克

（4） 翼展：1米

（5） 最大推进力：14牛

（6） 最大平飞速度：70千米/时

（7） 巡航速度：50千米/时

（8） 续航时间：8～10分钟

（9） 使用半径：1千米