垂直起降固定翼无人机具有对起降场地要求低、机动性好、巡航速度高、航时长等优势，是目前航空领域研究热点话题。垂直起降固定翼无人机有不同的技术特点，包括复合式、尾座式、倾转动力式等。更高的飞行速度、更长的续航时间、更强的任务载荷能力将是未来垂直起降固定翼无人机技术的主要发展方向和必然趋势。国外企业和机构在垂直起降固定翼无人机方面有些先进成果可供借鉴。
垂直起降固定翼飞行器能够以直升机方式垂直起降，并能以固定翼方式巡航前飞。与传统直升机相比较，垂直起降固定翼飞行器具有前飞速度快、航程远、航时长等显著优势，而与常规固定翼飞行器相比较，垂直起降固定翼飞行器能够定点起降和悬停，对机场跑道没有依赖，任务能力显著增强。近年来，随着无人机在军事、民用领域的用途越来越广泛，对无人机起降方式的要求也越来越多样化，因此，将垂直起降技术应用到无人机上已经成为必然。而由于无人机无需考虑飞行员的生命保障、生理极限等问题，将垂直起降技术应用于无人机领域将更为灵活，且更容易实现。与有人驾驶飞行器相比，无人机系统组成更为简单，更适合垂直起降技术应用和发展，按照总体构型及动力形式的不同，可以将目前主流垂直起降固定翼无人机划分为升推复合式、尾座式、倾转动力式共3种形式。升推复合式垂直起降固定翼无人机升推复合式垂直起降固定翼无人机大多都是直接在固定翼的基础上加装多旋翼或升力螺旋桨，在垂直起降阶段由多旋翼或螺旋桨系统提供升力，在平飞阶段则切换回固定翼模式。TU-战术多用途无人机
莱茵金属机载系统有限公司与瑞士无人机公司于年联合研制的TU-战术多用途无人机应用“双复合”设计，即旋翼-固定翼复合和混合动力：两侧翼尖各装配一副三叶旋翼来提供垂直升力，使其在旋翼模式下具有直升飞行能力;而在固定翼模式下，将旋翼停止，靠机翼升力平衡重力，由机身末端电机驱动的推进螺旋桨提供前进推力。TU-垂直起降固定翼无人机的设计目标是“具有低保障要求的高性能系统”。TU-重磅，包括旋翼在内翼展为26英尺，最大起飞重量约为kg，最大任务载荷质量约为30kg，可配装多种传感器，执行多种任务，最大飞行速度约为km/h，续航时间约8h(使用副油箱为11小时)。TU-由涡轮发动机组产生的动力，同时驱动电动转子和推进式螺旋桨，该装置以机动车柴油(F54)或煤油(F34/F40)为燃料。
随着TU-的推出，莱茵金属机载系统公司正在扩大其战术无人机系统产品系列。除了KZO**和TR-50SCOUT固定翼无人机外，未来还将提供一个机载系统，该系统由联合地面和数据链基础设施支持，涵盖包括海洋领域在内的广泛的民用和军用任务场景。
Songbird无人机
采用类似方案的还有Songbird无人机，专门设计的飞行控制器允许在垂直起降模式和固定翼模式之间的过渡阶段的每个状态稳定飞行。这种可以始终保持稳定的飞行过程，使得Songbird上可以使用昂贵的有效载荷，如高光谱传感器或先进的光学相机。
所有Songbird系列飞机都具有出色的水平飞行性能，最高速度超过km/h，拥有良好的滑翔性能和长达1小时的飞行时间。在风速高达18m/s时也可以稳定飞行。Songbird可用于从0.5kg到2kg的不同有效载荷。在每次飞行时，都可以随时中断任务并在任一状态上进行详细调查。
Songbird的整个飞行，包括起飞和着陆，都可以由自动驾驶完成。Songbird专为在专业环境中的日常使用而设计，由玻璃纤维和碳复合材料制成，使用寿命长。在安全保障方面，Songbird配备了冗余飞行控制器和传感器、先进的电源管理系统和成熟的故障安全程序，此外Songbird还可以拆成小部件进行运输。
上述两种升推复合式垂直起降固定翼无人机，直升机模式和平飞模式时，都有一套动力系统处于完全无用状态，不仅成为“死重”，还影响垂直飞行或平飞时的飞行效率。为此设计人员提出了一种“在巡航时将旋翼停转并锁定，进而转变成机翼或其他翼面以提供气动力”的旋转机翼创新思路。
X-50A美国波音公司鬼怪工厂于年研制的X-50A“蜻蜓”概念验证机即采用“旋转机翼+鸭翼+尾翼”布局形式，其垂直起降和悬停时的飞行模式与直升机相似，但其旋翼旋转运动是依靠“桨尖喷气驱动”技术实现，而抗自旋扭矩则是通过“无尾桨”系统实现。当无人机进入固定翼模式，旋翼停转变为主机翼以提供巡航升力。
X-50A项目的诞生源于美国陆军、海军和海军陆战队对用于支持沿海和城市地区的分散部队使用的可负担的、可生存的、垂直起降(VTOL)飞行器的需求。X-50A鸭翼旋翼/机翼(CRW)飞机，与其他垂直起降概念相比，它提供了垂直起降无人机的快速响应能力，并且具有显着的航程和隐身改进。CRW的概念来源于波音公司之前在反作用驱动旋翼系统方面的工作中的特定专业知识，包括年代初的XH-17和年代中期的XV-9A。
X-50A三种飞行状态下发动机排气位置
X-50A无人机长17.7英尺，高6.5英尺。转子叶片的直径为12英尺。X-50A由单个常规涡扇发动机提供动力，分流阀将发动机排气引导至旋翼尖端或尾部推力喷管。对于垂直起飞、悬停、低速飞行和垂直着陆时，发动机的排气被转移到旋翼桨叶尖端的喷嘴，从而驱动旋翼旋转。由于旋翼直接由喷气推力驱动，因此不需要像传统直升机那样需要尾桨抵消扭矩。X-50A还有一个“鸭式”前翼和一个传统的尾翼，在平飞时提供升力。一旦旋翼机达到足够的前进速度，所需的升力就会从旋翼传递到鸭翼和水平尾翼。在过渡飞行期间，发动机排气同时被导入旋翼尖端和飞机尾部的喷管。当飞机过渡到完全向前飞行时，发动机排气被引导至飞机后部的喷嘴，旋翼停止并被锁定在一个固定位置，起到传统机翼的作用。此外由于CRW概念消除了对重型和复杂机械传动系统、传动装置和反扭矩系统的需要，CRW比传统旋翼机更轻、更简单，因此操作和支持成本也更低。由于CRW的旋翼停止以允许高速向前飞行，因此旋翼的翼型横截面必须是椭圆形的，这是传统旋翼飞行的最佳翼型和高速停旋翼飞行的最佳翼型之间的折衷。
预想中的X-50A可以演变成能够执行特殊任务的更大的有人驾驶的飞行器，执行包括侦察、武装护送、城市作战、战术空中支援、通信/数据中继和补给的任务。但是在年3月23日X-50A原型机的第三次飞行中，由于控制系统中的交叉耦合，飞行器坠毁。第二个改进的原型机也在年4月12日的一次坠机事故中损毁。随后的调查显示，该飞机的机身受到了剧烈的空气动力学俯仰力矩的影响。由于在完成的试飞计划中，两架飞机都无法过渡到完全平飞模式。年9月，DARPA认识到了固有的设计缺陷并撤回了对该计划的资助。
尾座式垂直起降固定翼无人机
尾座式垂直起降固定翼无人机是将动力系统固连在机体上，并随全机整体偏转的一种特殊布局无人机。该类型无人机将起落架安装在尾部，起飞时，全机纵轴垂直地面从而“坐地”起飞;当满足一定的高度和速度条件后低头过渡进入固定翼巡航模式;降落前需全机抬头恢复“坐地”姿势后垂直降落。
Aerovel公司于年研制的弹性旋翼尾座式无人机Flexrotor是具有垂直起降(VTOL)功能Group2小型战术无人机系统(STUAS)。它可以被美国和盟军用于昼夜陆地和海上的各种情报、监视、目标获取和侦察(ISTAR)。Flexrotor具备全天候飞行的能力，拥有超过30小时的飞行续航时间和公里的通信范围，可以在一些恶劣的条件下执行。Flexrotor非常适合远征任务，可快速组装起飞，并且可由一个人在几分钟内完成装箱和存放，发射和回收只需要20英尺x20英尺的区域，可以垂直起飞和降落，并且可以轻松过渡到水平飞行。在起飞后完全自动飞行，无需飞行员干预。
Flexrotor的螺旋桨直径2.2米，机身长度2米，翼展3米，最大发射重量25千克。Flexrotor实现了小尺寸、大有效载荷/航程、经济性、自主性和灵活性的结合。
Flexrotor无人机参数
Flexrotor上的可操纵、可缩放的成像系统使用日光或红外摄像机执行搜索和目标跟踪，可以实时查看视频图像，随后在联网显示器、Wi-Fi设备和智能手机上查看，通过检测异常和威胁活动以及爆炸装置来帮助保护军事基地和其他重要资产。必要时可以从单个操作站管理多架Flexrotor无人机，以便可以同时监控多个区域。
另一款典型的尾座式垂直起降无人机是美国诺斯罗普·格鲁曼公司年即提出且目前正在研制的TERN“燕鸥”尾座式无人机。TERN是一项先进的技术开发计划，旨在实现未来小型船舶上飞行器的发射、回收和操作，使未来的飞行器能够提供超越现有直升机平台提供的有限航程和持续的情报、监视侦察(ISR)和打击能力。TERN“燕鸥”尾座式无人机采用飞翼布局，前置大型对转螺旋桨，根据美国国防高级研究计划局(DARPA)的设想，TERN可以在5级海况下在驱逐舰或更小的舰船上垂直起降。
TERN“燕鸥”尾座式无人机艺术概念图
“燕鸥独特的速度、长续航、航程和高度组合将使海军和海军陆战队具有成本效益的转型能力，可以在超过海里的范围内从海上执行ISR、轻型打击和其他任务”，诺格公司TERN项目负责人表示“即使在没有传统航母舰载机或陆基巡逻机的情况下，TERN也可以满足海军任务需求，以提供情报和决定性的进攻和防御能力。”TERN可以携带多达磅的载荷，包括传感器、通信数据链路和外挂武器，磅的载荷足以装载6枚地狱火导弹，此外Tern将监视可能从数百海里外发射的导弹。这些表明，从一开始，诺格公司就没有将TERN仅仅设计成一种“侦察”飞行器，而是一种武装无人机，可以为任何足够大的战舰提供空中打击能力，TERN将支持新出现的美国海军陆战队远征任务对大型舰载、远程、长航时无人机系统的需求。TERN采用同轴对转螺旋桨，可以不需要尾翼通过产生偏航力矩来抵消扭矩。TERN的螺旋桨在必要时共同改变角度，以获得最大的垂直升力，并可以单独产生所需的俯仰力矩和滚转力矩，以保持飞机在垂直飞行时的稳定，并在过渡到水平飞行时改变攻角。TERN可以在不同飞行角度中变化，一旦进入水平巡航飞行，旋翼只起到螺旋桨的作用，而由机翼和飞行控制部件来操纵飞机。在推进方面，诺格公司选择改装通用电气T涡轮轴发动机，该发动机同时也是海军的MH-60海鹰直升机所用的发动机。为了适应T发动机在TERN起飞和着陆时垂直放置的设计要求，通用公司会对T做出一些修改，包括设计和制造新齿轮和新变速箱，以确保发动机和变速箱在垂直位置的工作性能。独立的升推复合式垂直起降固定翼无人机受其工作效率限制，目前仅用于小型无人机领域，且目前来看不具备大型无人机的应用前景，而复合的升推复合式方案目前还无法解决气动和效率问题。尾座式垂直起降方案在上世纪五十年代就已提出，但由于对驾驶员操作要求高而被放弃，近些年由于无人机电控水平的提升，又重新回归主流设计方案。无论哪种设计方案，动力，效率和飞行气动控制都是垂直起降设计中的难点。倾转动力式垂直起降固定翼无人机
倾转动力式垂直起降固定翼无人机是指无人机在垂直起降和平飞过程中按需求对动力部件进行向上或向前的倾转。传统倾转动力式垂直起降固定翼无人机主要包括倾转旋翼和倾转涵道两种形式，是目前国内外各军种垂直起降固定翼飞行器的主流构型。但随着近年来分布式电推进技术、分布式动力的发展热潮，倾转分布式动力的垂直起降形式逐渐兴起，亦已成为国内外研发重点。
(1)倾转旋翼式
倾转旋翼式垂直起降固定翼无人机技术发展较早，其最具代表的机型是美国V-22舰载无人机版“鹰眼”。“鹰眼”无人机与V-22有人机的总体布局十分相像，都采用中单翼布局，双垂尾内倾，两副旋翼由机身内部的一台发动机驱动，推力转向则是通过翼尖旋翼的倾转来实现。
“鹰眼”无人机
“鹰眼”无人机设计包含倾转旋翼配置，每个翼尖上有两个旋翼系统和传输机舱。飞机整体结构包括前机身、中机身、后机身、机翼和挂架。机械同步旋翼系统由位于机身中央部分的单个发动机提供动力。塔架结构包括上半部和下半部。复合机翼结构由前后翼梁、上下层压板组成，作为复合元件的襟副翼连接到机翼。
“鹰眼”无人机机身长5.56米，翼展7.37米，高1.88米，由一台PrattWhitneyCanadaPWD涡轮轴发动机提供动力，主旋翼直径3.05米。最大飞行速度千米/小时，续航达6小时，可携带91千克的有效载荷。
在继承V-22和“鹰眼”成熟技术的基础上，美国贝尔公司于年又提出了V-“警惕”倾转旋翼无人机方案，其采用的呈纺锤体的机体外形使全机趋于流线型，且将发动机固定安装于机身内，缩小了旋翼短舱截面，有效提高了全机阻力特性。同时为进一步提高全机续航性能，V-“警惕”无人机在旋翼短舱外侧特别设计增加了一段机翼，有效提高了机翼展弦比和升阻比。
V-
V-的设计空重为7千克，可携带千克的燃料、武器和传感器，最大起飞重量10千克，大约是MQ-9的三倍。V-翼展20米，倾转旋翼直径为9.1米，比V-22小2.4米。与V-一样，它有一个V形尾翼和一个与机身顶部配合的长翼片。为了与美国海军阿利伯克级导弹驱逐舰的尺寸兼容，机翼和旋翼可沿机身旋转，与UH-1Y毒液直升机具有相同的占地面积;两架折叠后的V-可装入一架C-17运输机。V-目标巡航速度千米/小时，最高时速千米/小时，实用升限7米，具有千米的作战半径和11-15小时的停留时间，同时携带千克的有效载荷，V-配备三个内部有效载荷舱、一个中心线有效载荷，并且能够在每侧容纳两个翼下挂架，用于各种有效载荷，包括额外的燃料、雷达系统、激光雷达模块、声纳浮标、Mark50鱼雷、AGM-地狱火和联合空对地导弹(JAGM)。
(2)倾转涵道式
倾转涵道式垂直起降固定翼无人机的垂直起降方式与倾转旋翼式相同，不同之处是将旋翼换成了涵道，这种几何特征上的改进使得动力部件可以更好的融入机身/机翼中。
零号项目ProjectZero倾转涵道风扇验证机是于年开始研制，是无人电动垂直起降(eVTOL)混合倾转旋翼/涵道风扇技术孵化器，零号项目采用飞翼布局，包括可拆卸机翼和中央翼，其中央翼面积很大，于两侧各开有一个圆环以安装内埋式涵道风扇，并通过安装罩上装有的转轴按任务需求绕机身横轴进行倾转。
ProjectZero倾转涵道风扇验证机
全尺寸演示器的转子由可充电电池供电的先进电动机驱动。零项目试验台还计划测试混合动力解决方案，例如驱动发电机的柴油发动机。飞机的飞行控制系统、机舱倾斜机构和起落架都使用机电执行器(EMA)，取代了机上的全部液压系统。全电动方法消除了传统旋翼飞机所需的复杂而笨重的传输系统，并且在飞行中具有非常低的声学和热学特征。在巡航过程中，机翼提供了大部分升力，混合机身和旋翼周围的护罩也提供了升力。升降副翼在向前飞行时提供俯仰和滚转控制，而小翼和短V尾翼提供横向稳定性。该飞机设计有可拆卸的外翼，主要用于在直升机模式下执行的短程任务。
美国波音公司鬼怪工厂于提出的“幽灵雨燕”倾转涵道式无人机，装有四个轴驱动的涵道式风扇，其中两个风扇装在机身内，另外两个装在翼尖。垂直飞行时四个风扇全部工作，机身风扇下方的导流片和可旋转的翼尖风扇提供飞行控制。前飞时，机身风扇不再工作，上部的舱门和下部的导流片将涵道封闭起来以降低阻力。创新的可变面积喷管根据垂直飞行和水平前飞对涵道进行优化。
“幽灵雨燕”倾转涵道式无人机(3)倾转分布式动力式
倾转分布式动力式垂直起降固定翼无人机与倾转旋翼、倾转涵道的最大区别在于其分布式动力部件与机翼的融合度或一体化程度相对更高，且需要利用位于机身内部的倾转机构操纵机翼/动力融合体的旋转运动来实现推力转向。其外形特征与倾转机翼式垂直起降飞行器相类似，但本质上仍是倾转动力的一种特殊体现。
NASA兰利中心于年推出了GL-10闪电无人机,采用分布式螺旋桨-固定翼常规布局形式，利用机翼上8个螺旋桨和平尾上2个螺旋桨共同驱动实现垂直起降和前飞，每侧机翼上的四个螺旋桨和尾翼上的两个螺旋桨分别共同控制以协同工作。机翼前缘上的螺旋桨提供高速气流，从而在机翼上提供升力，即使在低速前飞中也能在从悬停到前飞的关键过渡阶段提供俯仰、滚转和偏航控制。此外，螺旋桨设计选用相对较低的叶尖速度，从而显着降低噪音。目前GL-10已经过多次验证飞行，证明了分布式电推进技术应用于垂直起降飞机具有十分明显的优势，借助于分布式螺旋桨与机翼的一体化设计，全机功重比有效提升，同时电机在整个转速范围内都有较高的效率，且全机巡航阶段飞行的可靠性明显提升。理论上GL-10无人机综合效率能够达到常规直升机的4倍，但其不足之处在于全电驱动下飞行航时相对较短，预计后期采用油电混合动力后此问题可以得到改善。在未来的全尺寸版本中，动力将由两个6千瓦(8马力)柴油发动机提供，这些发动机将为锂离子电池充电。
GL-10
美国极光飞行科学公司针对VXP项目联合罗·罗公司和霍尼韦尔公司于年推出了XV-24“雷击”无人机，致力于将垂直起降飞行器的飞行速度在现有基础上提升50%。雷击无人机采用鸭翼布局的倾转分布式动力/机翼融合体设计，由1台罗·罗公司的AE7C涡轴发动机提供动力，该发动机与V-22鱼鹰上使用的类型相同，通过3台霍尼韦尔公司发电机产生电力，进而驱动全机共计24个变距涵道风扇(机翼18个、鸭翼6个)。XV-24不像其他飞行器一样使用传统发动机，而是依靠“分布式电力推进”，其中三个发电机产生3兆瓦(马力)的电力，为驱动风扇的单个电机供电;机翼上每个风扇使用kW电机，鸭翼上每个风扇使用70kW电机。该飞行器的重量在-kg之间，大约相当于UH-1Y毒液的大小，巡航速度超过节。
XV-24艺术渲染图
年4月，项目团队完成了1∶5缩比验证机试飞，验证了分布式电推进系统、倾转分布式动力等设计的可行性。尽管该项目由于在研发高性能1兆瓦级发电机热管理方面遇到技术瓶颈、没有找到合适军方合作伙伴等原因被取消，但XV-24“雷击”无人机所采用的分布式混合电驱动变距涵道风扇、创新的同步电驱动系统、用于垂直起降的可倾转的分布式动力/机翼融合体、高效的悬停/平飞双模态适应性等特点，让其被誉为最具革命性的新型未来垂直起降飞机。
目前国内外在研垂直起降固定翼无人机仍是以倾转旋翼式和尾座式为主流构型，但由于现有技术尚无法满足未来战场对垂直起降固定翼无人机快速响应能力、快速到达能力的极高要求，需要在已有成果的基础上进一步进行突破创新。而随着分布式电推进技术在飞机总体、气动、动力、控制上逐渐展示出无可比拟的潜力，基于分布式电推进的高速垂直起降固定翼无人机技术或将成为未来航空领域新热点，因此需要深入挖掘分布式电推进技术在飞行器总体/动力/气动/控制等方面的效益，加强对垂直起降固定翼无人机新构型、新原理的探索性研究，为我国未来的垂直起降固定翼无人机装备发展提供技术更成熟、性能更先进、选择更多样的解决方案。
来源
高端装备产业研究中心
作者
太阳谷
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