努力拓展无人机飞行能力

在2017（第七届）中国国际无人驾驶航空器系统暨中国无人机系统峰会上，航空工业成都飞机设计所副总师、歼10和“枭龙”飞机副总设计师、中国航空学会无人机暨飞行器分会委员戴川针对当前无人机的飞行能力，结合具体实例，分析了存在的技术限制，并从几个方面对相关的关键技术进行了解读，提出了深耕现有技术领域、通过技术组合和采用创新技术等途径来拓展无人机飞行能力的建议。

中国无人机行业的进步

中国无人机的大发展从1996年开始起步，最初阶段工作主要集中在三所航空院校：北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学，而后航空工业等工业部门、民营企业强力进入并快速推进。从四个方面来看，中国无人机经过20年的发展，已经接近国际无人机领域的前列。

第一，从覆盖的飞行速度-高度区域来看。如图所示，美国无人机行业研制和生产的无人机代表着国际无人机研制和生产的前列。其中，左下角的蓝色方框内，是属于低速、轻型、小型固定翼无人机的领域，小红框是当前旋翼类无人机（包括无人直升机、四旋翼/六旋翼无人机）的领域。从媒体公开报道和航展上的公开展示可以看出，中国研制的无人机已经全部覆盖了这些领域，代表着技术能力日益增强。

第二，从军民用应用领域来看。以公开报道，中国生产的军用无人机创造了多个世界无人机作战使用的先例。比如说，中国生产的无人机在用户使用过程中，击毁了发射架上正在点火中的“飞毛腿”导弹，这是世界上第一例。在民用方面，中国的大疆、极飞、零度智控等很多企业在旋翼无人机市场创造了中国独秀。

第三，从生产的机型和数量规模来看。在数量上，除了美国之外，现在中国军用无人机的机型、数量可以处于第二位。民用无人机机型之多、数量之大，已近乎无法统计。

第四，从从业的企业数量和产值规模来看。2016年8月，在中国航空学会无人机分会桂林年会上报告的统计数据，当时，中国在工商局登记的民用无人机企业大约有400多家，而涉及无人机的民营企业为1400多家。就产值规模而言，中国无人机的产值超过百亿元人民币。

变化中的飞行能力指标

无人机正在引领航空技术的变化。传统上，表征非格斗型飞行器飞行能力的综合指标有两个：

（1）运载重量×距离（运输类）

即克服地球重力，把更多的东西从一个地点运送到另一个地点，一般运输类飞行器是这样。

（2）运载重量×速度（作战投放类）

即克服地球重力，把更多的东西从一个地点更快地运送到另一个地点。例如，把两吨炸弹在多少时间内投放到预定地点，这是作战类飞行器。

无人机继承了这两个指标，但在实践过程中又明确地发展出了三个新的指标。

（1）“运载重量×飞行时间”指标

如图所示，横坐标是运载重量，纵坐标是飞行时间，“捕食者”无人机携带200kg载荷可以飞行40h，“全球鹰”携带900kg载荷可以飞行36h。從中发现一个问题，直观而言，“全球鹰”只是比“捕食者”多携带了一些载荷，无法表征全部能力，但是加上飞行高度指标后，“全球鹰”无人机在总体性能方面明显更强。

（2）“运载重量×飞行时间×飞行高度”指标

从三维指标图上看出，蓝色的代表“全球鹰”，红色代表“捕食者”。“捕食者”的飞行时间略比“全球鹰”长一些，但是，从飞行高度和运载重量来看，不可相比。

（3）“运载重量×速度×高度”指标

对于强突防的无人机来说，以D-21无人侦察机为例，光讲重量和速度不行，还有看高度。所以，运载质量、飞行速度和飞行高度成为一个衡量指标。

同时，最新型的无人机指标正呼之欲出。

（1）“传感器覆盖面积×飞行时间”指标

目前，国内外研究的传感器飞机没有载重重量的概念，传感器和结构一体化，表征无人机能力的是无人机上传感器单位时间对目标区域的覆盖面积和持续观察时间。

（2）“传感器覆盖面积×飞行时间×工作距离”指标

这个指标表征的是指定距离外，如1000km、1500km或2000km以外无人机上传感器单位时间对目标区域的覆盖面积，和持续观察时间。

（3）“信息采集数据比特量×飞行时间”指标

以前，无人机执行一次任务只是拍摄几张照片，现在，无人机执行一次任务记录的数据量以T为单位进行计量，这就是无人机能力的增强。

当前，令人目不暇给的，无人机飞行能力的指标反映了无人机应用需求的多样化变化特点。同时，这些指标还反映出新技术涌入无人机领域的低门槛特点。

关注三个技术基础限制

解决限制着无人机发展的技术基础问题是当前是重大课题，必须关注三个方面：

第一个是升力效率，这是人类克服地球重力，把目标重量从一个地方运送到另一个地方的能力；

第二个是发动机效率。发动机效率既是搬运东西的能力，也代表着能够承受的经济性；

第三个是抗大气扰动能力。这是无人机作为飞行器最基础的三个能力。

下面分析两个实例。

以色列“飞行骡子”无人机在中国的推广

以色列研制的“飞行骡子”是一种天才的设计，也是很多无人机领域人士关注的对象。“飞行骡子”的投资商之一是中国企业，自然关心“飞行骡子”在中国的推广前途。

研究和分析表明，这是一个天才的设计，定位准确，适合高价值用途，运送伤病员，也可自主货物运输。它的空机重量1000kg，载荷重量440kg，巡航速度190km/h，飞行距离300km。它在推向市场过程中会遇到两个问题：

一是飞行效率。“飞行骡子”采用涵道风扇型推进系统，飞行效率要低于旋翼类的无人机，而旋翼类无人机又要低于倾转旋翼类的无人机，飞行效率不高，在推广普及和市场竞争过程中会因经济性受到限制。

二是抗低层湍流和低空风切变能力还需进一步考察。

所以，从飞行效率、抗低空大气扰动能力来看，“飞行骡子”普及受到这些因素的限制。

发展太阳能无人机的风险

目前，太阳能飞机是一个投资热点。投资方很积极。

现在国外和国内发展太阳能飞机都存在一个风险，对大气扰动风险的认识不足，不论是当年NASA研制的“太阳神”（Helio）太阳能无人机，还是后来研制的商业太阳能无人机，包括扎克伯格投资研制的“阿奎拉”（Aquila）无人机，都存在大气扰动问题：低层湍流、中低空的风切变和高空急流。任何一种太阳能无人机都必须经受这些因素的考验。

在20km高度，大气密度只有海平面的1/14，在25km高度，大气密度只有海平面的1/31。为了保证所需的升力，太阳能无人机的机翼面积必须相应增加，而随着翼展的增加，即使采用现有新型材料，机翼结构也变得相当脆弱，难以抵抗大气扰动的影响。“太阳神”无人机因此而坠毁，“阿奎拉”无人机在2016年也因此摔了一架。

因此，发展太阳能无人机的前提是：或者可以承受大气扰动损失，10～20个架次摔一架太阳能无人机；要么找到规避大气扰动时间窗口的气象保障方法；找到抗大气扰动的技术途经，这是研制工作的途径。

分析三个技术基础限制

（1）升力效率

升力效率，是克服地球重力运送物体所必须付出代价的能力。升力效率越高，代价越小。

在计算固定翼飞机航程时，根据布雷盖公式的原始形式，采用不同类型动力装置的固定翼飞机在具体计算公式上有所差别，关键都是升阻比L/D。

从固定翼无人机的速度-高度图上可以看出，以M0.65画了一根红色虚线。右边是可压缩区，在可压缩区，中国的无人机已经走在世界的前列，有些本身就是世界指标，达到国际先进水平；左边为不可压缩区，各国无人机性能参差不齐，有的还是美国无人机领先，有的是中国无人机走在前面，这些都是今后我们努力的方向。

旋翼类无人机的升力效率是悬停效率，在中国已经达到0.8，基本达到了国际先进水平。

在发动机技不如人的条件下，升力效率是攻关的着力点。在这点上，中国的无人机设计具有优势。

（2）发动机效率

发动机决定无人机飞行范围，决定运送物体所付出代价的方式和经济性。目前，大致是这样一个情况：

电池/电动机/桨叶发动机效率方面，中国在电池、电动机方面接近国际水平，桨叶的效率设计参差不齐；

活塞式发动机效率低于国际先进水平，可选型谱很少，但是一些企业正在加大投入，这块市场相当大，可以看到，在不久的未来，这个问题可以得到解决；

而涡轮类发动机的问题相对较大，包括涡喷、涡扇、涡桨、涡轴发动机，发动机效率都低于国际先进水平，可选型谱少。目前来看，涡轮发动机是一个国际上关注的问题。

（3）抗大气扰动能力

大气扰动是客观存在的。从低层到高层，与无人机有关的大气扰动包括低空湍流、中低空风切变、高空急流。其中，低空湍流通常在90m高度以下，尤其是接近城市时更加明显；中空风切变是当前民航飞机的主要威胁；在9000～10000m左右存在高空急流，其速度可以达到400km/h左右；在高空18000m左右，存在高层风。这些都会在实际飞行中经常遇到。

增强抗扰动能力采取三个措施：一个是感知，目前比较弱；二是策略，干線飞机做得比较好，简单说四条措施：速度覆盖，即飞机的速度远远大于大气扰动的速度；质量压舱，即飞机尺寸大、惯性大，对低层湍流具有比较好的抗干扰作用，但是，所有民航飞机在着陆时也都有高风险；机上探测，加装机载气象雷达；机场空域地面保障。三是控制，这方面的工作更差一些。

从专业角度来看，跨越高度层越大，筛选后留下的可用技术组合方案越少。可以看到一个现象，波音飞机、空客飞机和中国的C919飞机的总体构型高度相似，原因在于要通过各种包括抗大气扰动约束的技术筛选，实现商业运输能力。导致同空域、同构型相似，这几乎成为一个强制性规律。这个现象与海上船舶的设计有类似的情况。即，越是远洋的船舶，船型越相似，遵循同样的道理。

现在，抗大气扰动能力技术现状是最薄弱的环节，无人机要想快速发展所面临的最大问题是如何抗大气扰动，需要引起行业的重点关注。目前，干线空运领域已有成套技术来应对风切变扰流，包括飞机设计、速度覆盖、质量压舱和加装气象雷达等措施。通用航空领域正在起步，技术发展落后于规模扩展，这里面存在高风险，因为我们在抗扰动能力方面差得太远，美国人在通用航空方面吃亏不少，我国差得更远。无人机领域在抗大气扰动方面基本上是各自为战，大多数都在遭遇和处理、损伤中探索，还没有成体系地起步。

推进技术发展的可能方向

从无人机用户需求与技术推动高频率迭代来看，技术发展是基础，需要深耕现有技术、探索技术组合、创新技术，保持飞行能力持续提高，形成相对和绝对的技术优势，是推动无人机行业持续良性循环的基础。

深耕现有技术领域

通过细分应用，研制会飞的相机、会飞的WiFi、……，是当前持续推进无人机产业的商业途径。必须关注几个方面：在低空、低速不要做大质量平台，在效益和损失/损害之间寻找平衡；在高速范围，持续用升力效率弥补发动机效率不足。

探索组合各项技术

探索在传统技术结合部扩展飞行能力。旋翼机是一个办法，如倾转旋翼、四旋翼+固定翼等模式。目前，值得关注的是倾转展向推力，如美国国防部先进研究项目局（DARPA）与极光飞行科学公司实施的X-24A验证计划。另外，多体组合可能是下一个技术突破点，如有人机+Nx无人机、无人机+Nx无人机、……。

积极发展创新技术

通过创新技术，提升升力效率，如机翼表面引射增升、局部流畅激励增升、超声速新布局等。通过创新技术提高发动机效率。目前，中国电动推进的无人机存量大、基础好，可以更高效，而传统燃油类发动机差距大，提升空间大，市场潜力大，应该加大力度研制新型发动机。同时，发展高效敏捷大气传感器和非定常飞行模式。

结束语

通过以上介绍可以看出：

中国无人机发展在技术水平、社会效益、市场效益方面的发展非常快速，正在推动传统航空飞行能力指标发生深层次变化。这种变化在无人机领域发生，必然回馈到有人机领域。

升力效率、发动机效率、抗大气扰动能力是无人机飞行能力的技术基础，必须持续加以关注和推进。中国在提升无人机升力效率方面的成绩很不错；也知道发动机效率的问题所在，正在努力；而抗大气扰动能力基本上还处于被忽略状态，今后将为此付出代价。

深耕现有技术、探索技术组合、发展创新技术，保持飞行能力持续提高，形成相对和绝对的技术优势，是推动无人机行业持续良性循环的基础。

展望未来，在实践中走向未来，努力去尝试。无人机最大特点是创意，需要我们努力去试。

（责任编辑：温杰）