飛控技術要求高低排序:多旋翼>;;直升機>;;固定翼(微型>;;軍用>;;民用)
固定翼是自穩定系統,即飛上天、助推發動機穩定工作后,不需怎么控制就能自身抵抗氣流的干擾保持穩定;飛行器姿態控制角度看,固定翼是完整驅動系統,任何姿態下可調整到任意姿態且保持住。
直升機是不穩定系統,飛上天后如不施加控制,氣流吹過就可能發生側翻。但直升機也是完整驅動系統,可自由調整姿態,主要鑒于直升機的槳面不但可 產生相對機身向上的推力,也可產生向下的推力。且直升機沒有失速問題,何時都能調整姿態,可在天上自由運動。所以直升機雖不穩定、很難控制好,但姿態翻時 完全可控制回到正常姿態。
多旋翼是不穩定系統,也不是完整驅動系統(欠驅動系統)。它的槳只能產生相對機身向上的升力,不能產生相對向下的推力,所以它不穩定、很難控制好,飛行器側翻后基本沒辦法控制回來,容易墜機。
自穩定和驅動差異決定飛行控制難度。固定翼和直升機控制難度相對不高,其自動控制器相對容易研制,而多旋翼不穩定且欠驅動,其自動控制器性能要 求極高。飛行器自動控制器通常需要慣性導航系統獲取自身的姿態,但20世紀90年代前,慣性導航系統一般重達十幾公斤。為把這么重放到多旋翼飛行器上,飛 行器載荷必須很大,可不管是用油機還是電機做多旋翼飛行器的動力系統,都很難得到足夠載荷,這使得多旋翼無人機很長一段時間內發展緩慢。直到2005年, 僅幾克重的MEMS(微機電系統)慣性導航系統技術才開始成熟,微型多旋翼無人機才開始進入快速發展期,也開始廣泛應用于航拍。但由于還是較前沿的技術, 飛行控制技術成為了微型無人機(多旋翼機)競爭的焦點,軍用無人機由于對飛行器機動性要求高,飛控系統要求相對復雜,而民用無人機則不需要很高端的飛控系 統。
發動機性能要求排序:軍用>;;民用>;;微型
航空飛機對發動機的要求遠高于汽車發 動機,飛機代數的升級背后往往由發動機的升級支撐,“一代發動機鑄就一代戰斗機”(經歷的四代戰機背后就有四代發動機)。航空發動機主要包括活塞發動機和 噴氣發動機。而噴氣發動機由分為渦噴、渦軸(提供軸動力,直升機)、渦槳(提供軸動力,低速大載重飛機)和渦扇發動機。
從發動機推重比(推力和自身重量比重)、耗油量等角度考慮,活塞發動機劣于噴氣發動機,而噴氣發動機中,以渦扇發動機性能最好,這也符合發動機的發展歷程。
軍用無人機高空、大載重、長航時、高機動特性,需高性能發動機。軍用無人機性能要求很高,對發動機品質要求十分苛刻。美國的捕食者、全球鷹和 X-47B等高端無人機用的都是原有人機的四代發動機改造而來,中國的CH-4、翔龍和利劍無人機用的都是俄羅斯的四代發動機(全文發動機代際劃分采用俄 羅斯分類)。
民用無人機本質為“空中貨車”,飛行載重為主要功能,低端發動機就可滿足需求。中科院工程熱物理所專家認為,航空活塞發動機或一代二代渦噴發動 機就可完全滿足民用無人機需求。而我國活塞發動機或中低端渦噴發動機相關技術已經很成熟,故民用無人機在推進動力方面不存在發展瓶頸。
微型無人機的發動機多為電力驅動。由于微型多旋翼無人機體積小、載荷下,不適合安裝體積大量重的內燃發動機,目前多使用電力發動機,使用鋰電 池,續航時間大多小于30分鐘。而小型電力發動機技術也較成熟,需要突破的是電池蓄電技術(如增加電池能量密度、發展高效太陽能電池)。
總結來說,只有軍用無人機需要高代際(四代甚至未來的五代)高性能的發動機,這些高品質發動機是中國技術薄弱之處。
有效載荷技術:軍用、微型無人機要求高,民用低
軍用無人機高空、高速、高機動、長航時飛行,還要執行偵察、通信中繼和精確武力打擊等功能,這必然對其載荷技術有很高要求。微型多旋翼無人機體 積小、載荷小,如要承載相對體積龐大的相機進行工作,必然對載荷的科學設計要求很高。相反,民用無人機只是充當“空中貨車”,所以對其如何高效載荷要求并 不特別高。
軍用、民用、微型無人機核心技術壁壘總結如下:
軍用無人機民用無人機微型無人機
飛行控制技術中低高
發動機技術高中低
有效載荷技術高低高