如何找到一種既能垂直起降又具備較長續(xù)航時間的無人機，這一直是無人機市場的痛點問題，也是人們一直在思考的問題。在該需求的推動下，人們從動力、結構、飛行器布局等方面提出了很多方案。首先在動力方面，國內外均提出了油動多旋翼或是油電混合多旋翼的概念，通過汽油發(fā)動機直驅旋翼或是通過發(fā)電機將汽油化學能轉換為電能提供給旋翼進而提升多旋翼無人機續(xù)航時間；其次在結構方面，有人提出在多旋翼機體外部增加流線型外型，使其在前飛過程中起到增升減阻的作用，但實際效果并不太顯著。
而在飛行器布局方面，國內外研究人員均提出大量兼具垂直起降能力與長續(xù)航能力的設計方案。其中包括傾轉旋翼無人機、尾座式無人機、復合式無人機以及涵道式無人機等。四者既有相同點又有不同點，相同點是四者綜合了固定翼長續(xù)航能力與旋翼無人機垂直起降能力的優(yōu)點，不同點則是其實現方式不一致，傾轉旋翼無人機是通過將旋翼軸線傾轉90°為固定翼提供動力來實現飛行狀態(tài)的改變；尾座式無人機通過改變飛行器的飛行姿態(tài)來實現飛行狀態(tài)的改變；復合式無人機以及涵道式無人機均是通過操縱不同的執(zhí)行機構來實現飛行模態(tài)的改變。
傾轉旋翼飛行器在保證固定翼高速巡航的前提下，兼具旋翼飛行器的垂直起降能力，起降受場地限制較小，有很高的靈活性，在軍事方面具有廣闊的應用領域。傾轉旋翼的設計概念提出時間很早，早在上個世紀三四十年代就已經有傾轉旋翼的設計方案。早期的設計方案一般是雙旋翼類型的傾轉旋翼，即在機翼兩端安裝旋翼系統(tǒng)，內部通過渦輪發(fā)動機來驅動旋翼系統(tǒng)，發(fā)動機部分可以繞著機翼軸轉動，當處于垂直起降模式時，發(fā)動機向上，過渡到固定翼模式飛行時，發(fā)動機向前傾轉，提供固定翼水平向前動力，如圖所示。
圖1 傾轉旋翼機
美國早在上個世紀四十年代開始對傾轉旋翼技術進行研究，但其發(fā)展過程中十分曲折。1955年，美國貝爾公司成功研制傾轉旋翼原型樣機XV-3，采用兩臺活塞發(fā)動機安裝在機翼兩側，通過變速箱與傳動軸分別驅動兩副旋翼系統(tǒng)，1958年12月成功完成兩副旋翼系統(tǒng)傾轉飛行實驗，驗證了傾轉旋翼概念的可行性，如圖所示。
圖2 XV-3 傾轉旋翼機
美國先后繼續(xù)研制出XV-15，V-22等系列傾轉旋翼機，其中V22在機翼兩端各有一可變向的旋翼推進轉置，各包含渦輪軸發(fā)動機及三槳葉組成的旋翼，整個推進裝置可以在向上到向前之間轉動變向，產生向上或向前的推力，分別用于直升機垂直起降或懸停以及固定翼飛行階段。V-22“魚鷹”傾轉旋翼機是世界上第一種投入使用的傾轉旋翼機，如圖所示。
圖3 V-22傾轉旋翼機
傾轉旋翼無人機的發(fā)展較晚，在上個世紀90年代美國貝爾公司基于V22“魚鷹”有人駕駛傾轉旋翼機的基礎開始研制“鷹眼”無人機，外形上類似于傳統(tǒng)固定翼飛機，使用機翼兩端的兩旋翼結構實現無人機的垂直起降與固定翼巡航，主要用于海事巡邏，機長5.18米，翼展4.6米，最高飛行速度可達388公里/小時，飛機重量1.3噸，載重量90-130千克，如圖所示。
圖4 鷹眼傾轉旋翼無人機
但是雙旋翼傾轉旋翼在垂直起降模式下，由于螺旋槳位于機翼的翼尖上方，旋翼產生的下洗氣流不僅降低了旋翼的有效升力，而且也會影響飛行器的穩(wěn)定性，增加了控制難度。此外雙旋翼的結構非常復雜，需要對螺旋槳進行機械變距實現垂直起降模式下的飛行器的穩(wěn)定控制。
四旋翼飛行器具有結構簡單，控制方便等優(yōu)點，使用四旋翼代替原來的雙旋翼結構可以減少雙旋翼類型的傾轉旋翼中氣動干擾的問題，同時也避免了雙旋翼結構復雜，難以控制的缺點。
傾轉旋翼（四旋翼）無人機具有三種飛行模式：四旋翼飛行模式、傾轉過渡飛行模式、固定翼飛行模式。四旋翼飛行模式主要使用在無人機垂直起降過程中，一是爬升高度準備切換固定翼飛行，二是垂直降落結束飛行；傾轉過渡飛行模式可以具體細分兩個階段，一是旋翼軸向前傾轉，由四旋翼模式切換至固定翼模式，二是旋翼軸向上傾轉，由固定翼模式切換至多旋翼模式；固定翼飛行模式是飛行器巡航工作的飛行模式，在此模式下，飛行器巡航速度快，續(xù)航時間長，能夠充分完成飛行任務。傾轉過渡飛行模式是傾轉旋翼無人機飛行過程中最為核心的環(huán)節(jié)，在旋翼傾轉過程中，不僅改變了飛行器整體的受力狀態(tài)，而且飛行器的控制模式、執(zhí)行機構均隨之變化，極易導致飛行器異常甚至墜機，因此保證飛行器在傾轉過渡過程中姿態(tài)平穩(wěn)，實現四旋翼模式與固定翼模式之間平滑穩(wěn)定的切換，是研究重點難點。
黑豹是以色列航空工業(yè)公司研制生產的新一代傾轉旋翼無人機，黑豹屬于傾轉三旋翼布局，其中在機翼兩端各有一可傾轉的旋翼結構，可在向上與向前之間傾轉，尾部安裝有可左右偏轉的旋翼結構，起降過程中，通過三旋翼垂直向上提供升力，穩(wěn)定姿態(tài)與航向；正常巡航時，位于機翼兩側的旋翼傾轉至向前提供前飛動力，以固定翼模式進行巡航飛行。黑豹無人機起飛重量65千克左右，可以更換模塊化機翼，有2米，6米，8米等多種翼展的機翼可供選擇，在使用6米翼展機翼時，能攜帶8千克設備飛行6小時，如圖所示。
圖5 黑豹傾轉旋翼無人機
Songbrid1400是由德國AeroLution公司研發(fā)制造的一種傾轉四旋翼布局無人機，這款飛行器是結合固定翼飛行器與四旋翼飛行器的優(yōu)點，在固定翼飛行器的機翼上增加四旋翼機構，在機翼兩側分別各有兩旋翼結構與機翼通過可變形軸連接，前部旋翼軸可向下旋轉，后部旋翼軸可向上旋轉。起降過程中，四旋翼結構垂直向上，提供向上升力；當切換至固定翼時，Songbrid飛行器首先上升一定高度，四旋翼結構傾轉90°提供固定翼前飛動力。由于在切換過程中無傾轉過渡階段，因此會出現掉高現象，不利于飛行安全，如圖所示。
圖6 Songbrid 1400傾轉旋翼無人機
Quantum TRON是由Quantum System公司研制的一款傾轉四旋翼布局無人機，與Songbrid1400類似，均是通過在固定翼機翼兩側增加四旋翼機構，實現固定翼飛行器與四旋翼飛行器的結合。不同點是Quantum TRON僅傾轉旋翼結構，而且固定翼前飛動力僅由前部兩旋翼向前傾轉90°提供，后部兩旋翼在固定翼飛行時停轉并向后傾轉以減少固定翼飛行阻力。Quantum TRON翼展3.5米，最大起飛重量14千克，載重2千克，巡航速度60-90公里/小時。
圖7 Quantum TRON傾轉旋翼無人機
優(yōu)雷特航空技術有限公司研制的VTOL350是一款十字形四旋翼布局傾轉式無人機。采用優(yōu)雷特獨有的專利技術，左右兩側旋翼傾轉過程中帶動機翼中段同步傾轉，實現了穩(wěn)定的全流程飛行。
圖8 VTOL350傾轉旋翼無人機
深圳智航無人機公司研制的V330傾轉旋翼無人機也是一款傾轉四旋翼布局無人機。V330在機身縱向前后分別安裝兩根軸管，四旋翼結構搭載在軸管上，在飛行切換過程中傾轉前部軸管實現前部兩旋翼傾轉完成固定翼模態(tài)切換。
圖9 智航V330傾轉旋翼無人機
如下圖所示的三旋翼布局也是一款技術成熟的傾轉式無人機。和黑豹無人機不同的是它的中后部電機座固定，多旋翼模態(tài)下前部左右兩個電機以垂直為中心，靠傾轉機構差動實現航向控制；固定翼模態(tài)下，中后電機停轉，前部左右兩個電機傾轉為水平態(tài)，變?yōu)楣潭ㄒ韯恿?。此種三旋翼布局傾轉式無人機廢重較少，整體效率相對較高，適合10kg以下小型電動機型。
圖10 三旋翼布局傾轉式無人機
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