科创中国
基于连接翼布局的新型多功能大载重长航时垂直起降无人机
成果类型：: 发明专利
发布时间: 2023-11-02 13:36:00
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：“科创中国”航空制造产业科技服务团| 杨亮 | 2023-11-16 11:04:25
本参赛作品是一款基于连接翼构型的新型垂直起降无人机，该型无人机将联接翼这一优势气动布局与多旋翼构型巧妙融合，形成一种全新的垂直起降无人机。采用这种联接翼布局的无人机相比普通构型具有较轻的结构重量和较高的强度刚度、较小的诱导阻力、较大的升力系数，能够大大增加载重和续航时间。同时该构型还具有良好的操纵性直接气动力控制能力，可为飞机提供独立的姿态或轨迹控制，改善飞行的响应品质。这种无人机设计能够实现垂直起降，高速巡航，且能在巡航过程中随时由平飞状态转为悬停状态，便于精细作业。相比市面上的同尺寸级别现有垂直起降无人机产品，具有升阻比高、载重大、航时长的特点，同比最大起飞重量多50%-70%，续航时间多30%-50%。此外，该无人机的另一创新优势是其垂直起降旋翼动力模块能够一键快拆，从而在1-2分钟内由垂直起降机型转换为弹射或者滑跑机型，可以在条件允许的情况下经弹射或者滑跑起飞，开伞回收。转换后的弹射或滑跑机型相较市面上的同尺寸级别现有垂直起降无人机产品最大起飞重量多100%-150%，最大续航时间多80%-100%。在需要进一步增大载重或者续航性能的情况下，连接翼端部还支持快速外接机翼，以增大
本创意已获得1项发明专利（ZL201910260979.9）与1项实用新型专利（ZL201920443194.0）授权。 a.本创意创新采用联接翼为垂直起降无人机的主要构型，在同等外形尺寸的条件下，载重与航时显著增加。目前市面上的垂直起降无人机绝大多数都采用了常规布局，为了增大起飞重量，提高升阻比，延长航时，常规布局的垂直起降无人机只能通过增大翼展来提高展弦比以降低诱导阻力，这很大程度上要牺牲结构重量来提高机翼强度和刚度，而且无人机尺寸较大，飞行速度较慢，战场使用隐蔽性、便携性不好。而连接翼布局无人机前后翼端连接,能够在降低诱导阻力的同时，前后机翼相互承载具有的较高强度刚度，有利于降低结构重量。并且在同等翼展下升力更大，升阻比也更高，载重与续航性能大大增强，便携性隐蔽性也更好。相比同等翼展的常规垂直起降无人机最大起飞重量多50%-70%，续航时间多30%-50%。 b.目前市面上的垂直起降无人机旋翼动力需要通过额外增加管状机臂的方式来安装，势必会增加死重。同时旋翼工作时会对机翼产生较大的交变扭转载荷，而大展弦比直机翼本就不适合抗扭，这势必需要在机翼材料和结构上加强，进一步增加了结构重量
目前经过多轮迭代优化已经在警用安防与城市交通巡查治理等场景进行了部分试点应用。未来在民用方向还可用于巡查测绘、物流运输、应急救灾等场景；在军用领域可用于战场侦查与中短补给途物资的快速输送投放。后期经过设计改进，该无人机还可以被用于进行中短途战斗人员快速机动与投放。本创意在陆军作战场景中也有很大应用前景，如连排级单位利用其大载重特性搭载小型空射武器进行战术侦查与即时打击；单兵使用便携式发射筒发射折叠连接翼的巡飞弹进行定点打击，相较现有“弹簧刀”串列翼巡飞弹或自杀式无人机，飞行速度更快，能够搭载更大重量的战斗部，作战效果更好。在海军航母上，连接翼无人机利用其直接力控制特性可改进为大载重STOL机型，实现航母甲板上的超短距起降，同时机翼方便折叠适合甲板和机库中节省停机空间。 本成果翼展2.5米，最大起飞重量为22kg，可在1-2分钟内快速转换为弹射/滑跑状态，垂起状态最大载荷8kg，转换弹射/滑跑状态后最大载荷12kg，垂起状态载重3kg时最大续航时间3.5小时，载重1kg时最大续航4.5小时；弹射/滑跑状态载重8kg时最大续航时间2.5小时，载重1kg时最大续航时间6小时。以西安羚控科技FCD-20复合翼垂直起降无人机为对标，官方公布翼展2.8米，起飞重量20kg，最大载荷3kg，续航时间1.5小时；以国内垂直起降无人机龙头企业——纵横无人机的主打产品大鹏CW-007型为对标，官方公布其翼展2.2m，最大续航时间55分钟，最大载荷1kg；以成都纵横大鹏CW-15型为对标，官方公布其翼展3.54m，最大续航时间3小时，最大载荷3kg，巡航速度61km/h；以垂直起降无人机新锐——天峋创新主打产品“朱雀”垂直起降无人机为对标，官方公布其翼展2.4m，最大起飞重量为10kg，最大载荷1.6kg，续航时间为3.5小时；以天峋创新“玄武”串列翼垂直起降无人机为对标，官方公布其翼展2.86m，最大起飞重量为15kg，最大载荷3kg，续航时间为2.5小时。上述几款无人机均为国内垂直起降无人机中性能较好的产品，可见本成果的载重与续航优势明显，并且市场前景与应用范围广阔。
项目研发团队具有良好的航空工程特别是无人机工程研发人才优势，拥有硕士2名，本科5名，二级技师1名。项目人员均为无人机专业教师，长期承担无人机专业教学科研任务，其中民航无人机执照持有者1名，中国航空运动协会ASFC执照委任考官1名，UTC慧飞无人驾驶航空器系统操作手合格证委任考官1名，3名项目成员被编入呼和浩特警备区应急保障民兵营无人机排并担任骨干职务。
项目负责人夏季风，工程师，技师，长期从事无人机总体设计领域工作，拥有中国民用航空无人飞行器固定翼教员、垂直起降固定翼教员、多旋翼超视距驾驶员等级执照，是国内较早获得资质认证的无人机专业人员。曾长期负责中国人民解放军空军工程大学第二课堂和航模队训练，多次个人或带队参加航空类高等级竞赛，并获得“第三届中航工业杯国际无人飞行器创新大奖赛创意之星特别奖”、“第一届中国研究生未来飞行器创新大赛一、二等奖”、“2014年全国航空模型锦标赛单项团体三等奖”等多个奖项。2015年5月航模队队员代表中国空军参加在土耳其举行的“国际未来飞行器设计大赛”力压世界知名高校师生获得第一名。
目前该成果收到呼和浩特市科技经费支持，累计投入50万元。目前，本成果经过四轮优化迭代已基本定型，性能指标达到国内先进水平，并已经在警用安防与城市交通巡查治理等场景进行了部分试点应用，收效良好。预期将在2年内再投入100万元进行60kg级和200kg级产品的研发工作，获得经济效益的同时，助力自然生态尤其是沿黄河流域生态高质量发展，推动社会生活智能化治理，为50-100人提供就业岗位。同时，2-3年内可带来新增无人机行业从业人员200-500人。区域内垂直起降固定翼无人机执照考试人数增加300%以上。
希望的转化方式可以为产品委托开发、合作开发、创业融资、技术入股等，希望能够尽快将技术转化为成熟产品投放市场，充分发挥该成果的技术优势，占领市场高地，实现客观的经济与社会效益。
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