以创新思维构筑无人机的未来梦想——2019中国通用航空创新创业大赛总决赛成功举办

田云/北京航空航天大学，北京市 海淀区 100037

作为一个重金打造的“选秀”平台，2019中国通用航空创新创业大赛展示了若干好项目，发现了一批优秀人才，也发掘了不少商业机会。在参赛的23支队伍中，无人机就有7支，已经成为了名副其实的主角。

11月22日，由中国航空工业集团有限公司、青岛市人民政府主办的“2019中国通用航空创新创业大赛”总决赛，在青岛市即墨区举行。

本届大赛总决赛分成“科技创新”和“创业成长”两个组进行，其中，科技创新项目14个，评审委员均为知名航空科技专家，他们依据项目的创新及先进性、成熟性、应用价值、团队实力，以及入围赛、半决赛成绩，尽职调查情况等综合打分并排定名次；创业成长项目9个，评审委员多为国内知名投资机构的代表，项目评比主要以商业价值为考量，采用实战实评、实评实投方式，按照意向投资金额大小，排定名次。

作为一个重金打造的“选秀”平台，本次大赛展示了若干好项目，发现了一批优秀人才，也发掘了不少商业机会。

经过一天的激烈角逐，各个奖项各归其主。其中，中国航空研究院团队的“虚拟舵面”射流飞控技术获得科技创新组特等奖，卓尔宇航研发团队的卓尔“飞虎”涵道风扇推进系统、西北工业大学团队的消防灭火救援无人机获得科技创新组一等奖；空域低慢小净空管服一体化系统获得创业成长组一等奖。

“虚拟舵面”射流飞控技术

中国航空研究院团队“虚拟舵面”射流飞控技术其在理论探索、数值分析、试验验证等方面取得重大突破，研究成果达到世界先进水平，为此摘得科技创新组特等奖的桂冠。

据项目负责人徐悦介绍，现有固定翼飞机绕俯仰、滚转和偏航轴的控制多是由升降舵、副翼和方向舵来实现，这些活动的操纵舵面发生偏转改变飞行器的外形，从而产生飞行控制所需的气动力和气动力矩。而“虚拟舵面”射流飞控技术(简称“虚拟舵面”技术)是一种革命性的飞控理念，抛弃了传统的飞行控制原理，通过引入外部能量直接改变飞行器周围的流场流态，从而产生飞行控制所需的气动力和气动力矩。

与传统机械舵面相比，“虚拟舵面”技术具备多项潜在的技术优势。该技术的应用可以大幅降低飞机重量和飞机构造的复杂程度，从而降低维护成本，增加载荷能力或航程。而消除掉机械舵面的鼓包、缝隙、尖锐边缘、开口、台阶等雷达散射源，又可以进一步提高战机的隐身性能。因此，该技术在军/民领域均具有广阔的市场前景。

中国航空研究院团队研发的“虚拟舵面”技术，其基本理论来源于经典环量控制理论的科恩达效应(Coanda Effect)，即在飞机机翼的钝后缘施加吹气射流来改变后缘驻点位置，进而增加机翼的环量，多自由度匹配状态下，产生飞行器飞行控制所需的气动力和气动力矩。具体的射流飞控机构由离心压气机、连接管路和科恩达吹气后缘组成。空气由压气机带动，通过连接管路到达科恩达吹气后缘排出。控制模式方面，采用双向双缝道组合控制，实现飞行器的滚转、偏航、俯仰控制。研发团队后续还将引入射流推力矢量喷口技术强化飞机的俯仰控制，而气源将由压气机供气改进为发动机直接引气，实现全机协同的射流控制。

图1 中国航空研究院团队的“虚拟舵面”射流飞控技术获得科技创新组特等奖。

图2 “虚拟舵面”技术原理示意图

近两三年来，国际主流研究机构对“虚拟舵面”技术给与了高度关注。据徐悦介绍，英国BAE系统公司是最早系统地开展“虚拟舵面”技术研究的机构，2017年12月，BAE公司研制的新型隐身无人机MAGMA正式完成首飞，该无人机由BAE公司与英国曼彻斯特大学联合设计，外形采用飞翼布局，机尾上方配有略外倾的双垂直尾翼。该无人机采用射流控制系统代替金襟副翼实现升空和机动。北约针对“虚拟舵面”技术(其称为主动射流控制技术)，成立两个任务组进行演示验证无人机的开发和试飞评估工作。北约科技组织(STO)的研究人员在2019年1月的AIAA科学科技大会上介绍了其主动射流控制技术的进展，评估结果认为该技术对于无尾无人作战飞机(UCAV)目前已经“合理可用”，至少可用于打击任务的进入战场阶段(最高速度Ma0.9)。在国内，中国航空研究院团队设计制造的“虚拟舵面”技术验证机分别于2018年12月和2019年10月完成了两轮试飞。

徐悦还谈到，国内外在“虚拟舵面”技术的研究均处于初期的概念验证和技术可行性验证阶段，对国外技术路线的充分借鉴让其团队少走了很多弯路，但受限于起步较晚和经费投入有限，团队对射流飞控的控制机理认知方面尚存在不足。因此，团队还有必要加大人力、物力投入，加强系统性研究，充分掌握其机理机制，尽早进入工程实用。

卓尔“飞虎”涵道风扇推进系统

卓尔宇航研究院参赛的“飞虎”涵道风扇推进系统”是一款直径38cm，最大拉力20kg的涵道风扇推进器。基于该推进系统，卓尔宇航研究院已研发成功一款总重60kg，载荷20kg的四涵道风扇垂直起降无人机。据卓尔宇航CEO徐强介绍，该无人机尺寸较同类型无人机更加紧凑、抗风能力更强，更适合采用系留式供能，具有无限留空的能力，未来可广泛应用于舰载平台、边境巡逻、战场监视以及特种环境下的通信中继等应用场景。

据了解，涵道风扇是一种既传统又新颖的推进系统，NASA自20世纪60年代开始对此展开了一系列实验研究，但由于涵道风扇的高速性能不理想，极大限制了其在传统航空领域的应用。

随着当前电动及低速短距垂直起降飞行器的大量涌现，涵道风扇推进系统优势凸显。团队负责人欧阳星表示，相比于传统裸露式螺旋桨，涵道风扇动力系统具有推力高、噪声小、安全性高、抗风能力强等优点：在同样功率消耗下，涵道风扇与相同直径的孤立螺旋桨相比，能产生更大的推力(同等迎风面积推力提高30%)；风扇与涵道壁间隙的减小能够减小桨尖涡流噪声，同时由于有涵道壁将风扇包裹起来，可以有效抑制风扇旋转时产生的噪声；将高速旋转的风扇与外界隔离，对使用者而言会更加安全，也可以保证风扇叶片的安全，降低部件损毁的可能性；此外，由于有涵道的遮挡，可以将侧风对旋翼的影响降到最低。

表 卓尔“飞虎”涵道风扇与国外同类产品性能对比

图3 卓尔“飞虎”涵道风扇推进系统”

图4 卓尔宇航研发团队的卓尔“飞虎”涵道风扇推进系统、西北工业大学团队的消防灭火救援无人机获得科技创新组一等奖。

随着电动航空的发展，在固定翼飞机领域，以空客E-Fan为代表的涵道风扇推进系统将逐步应用到通用航空及支线飞机上；在垂直起降飞行器尤其是城市飞行汽车领域，涵道风扇推进系统的优势将更加明显。

据团队技术负责人田云介绍，目前公司已经完成了80kg级推力高速涵道风扇推进系统研发工作，同时已经开展了基于该推进系统的500kg级固定翼无人机的研发以及150kg级三涵道风扇短距/垂直起降无人机设计；另外，公司还在开展基于分布式涵道风扇推进的高效动力增升系统研究，相信在不久将带来更加振奋人心的新成果。除了在航空领域外，公司正在开展基于涵道风扇推进的复杂水域高速快艇研发以及其他民用领域拓展应用研究。

谈及与国外先进水平的差距，田云坦言，从悬停拉效以及高速推进效率来看，卓尔“飞虎”涵道风扇与其他国家公布的几款涵道风扇推进系统水平相当；但受制于国内大功率电机及涵道内壁降噪技术的制约，目前涵道风扇推进系统整体效率及噪声水平还有待提高。

其他参赛项目

西北工业大学“天龙”团队带来的研发的消防灭火无人机同样获得了科技创新一等奖，其针对高层建筑失火等应用场景，采用多旋翼飞行平台，将无人机技术、火箭弹技术、激光测距技术与消防灭火技术相融合，搭载多种任务载荷，有望解决城市消防中“够不着、进不去、展不开”的问题。

中交遥感天域科技江苏有限公司开发的“空域‘低慢小’净空管服一体化系统”，专门针对低空“低慢小”目标的管控与服务，已经在重大社会活动中得到实际应用。中交遥感与中国铁塔公司的经营思路，使其摘得创新成长组一等奖的桂冠。■