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設(shè)備與工具涵道無人機(jī)(Ducted Fan UAV)正如其英文名一樣對我們而言比較陌生。
提起“涵道”，這兩個(gè)字大家可能比較熟悉，但對于“涵道”涉及到的飛行器及其它概念，大家可能很不陌生。比如“涵道發(fā)動(dòng)機(jī)”，“涵道風(fēng)扇”這兩個(gè)概念是否一樣呢？
上圖是俄制HK-93涵道發(fā)動(dòng)機(jī)
上圖是最近比較有名的以色列快騾-Fast Mule，屬于涵道類無人機(jī)，其中很明顯的是涵道風(fēng)扇。
從上圖來看“涵道發(fā)動(dòng)機(jī)”和“涵道風(fēng)扇”明顯是不同的。但更令人容易產(chǎn)生疑惑的是，在飛行器設(shè)計(jì)中兩者在很大程度上是“一樣”的：涵道風(fēng)扇技術(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)研究基本是照搬上個(gè)世紀(jì)50年代對常規(guī)布局飛行器動(dòng)力裝置的喊到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究所得出的結(jié)論與數(shù)據(jù)。簡單來說，在涵道無人機(jī)的設(shè)計(jì)上，普遍采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論都是從涵道發(fā)動(dòng)機(jī)中獲得的。
1.涵道無人機(jī)機(jī)型特點(diǎn)
相對于固定翼型無人機(jī)、直升機(jī)型無人機(jī)、多旋翼型無人機(jī)，“涵道無人機(jī)”更體現(xiàn)出飛行器構(gòu)造概念在表現(xiàn)形式上的靈活性。
上圖為美國Sikorsky公司研制的Cypher-1型涵道無人機(jī)。
上圖看上去有著很強(qiáng)的固定翼飛行器結(jié)構(gòu)，但確實(shí)由Sikorsky公司設(shè)計(jì)的Cypher-2型涵道無人機(jī)。
在CES2016中被很多媒體稱為“球型”無人機(jī)的Fleye其實(shí)和2000年成功試飛的美國Allied Aerospace公司研發(fā)的i-STAR無人機(jī)有著類似的飛行器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
上面子這些涵道無人機(jī)從外形來看區(qū)別非常顯著，有些機(jī)型看上去似乎是兩種類型的混合型(如：Cypher-2)，但事實(shí)上它們都是貨真價(jià)實(shí)的、徹徹底底的涵道飛行器。
因此飛行器結(jié)構(gòu)概念的區(qū)分不是以外型作為區(qū)分出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)以姿態(tài)控制方式，扭矩平衡方式來進(jìn)行區(qū)分。
2.涵道無人機(jī)控制方式
一般說道無人機(jī)的控制方式只涉及到姿態(tài)控制方式，比如固定翼。
對于有些機(jī)型如直升機(jī)型、多旋翼類型除了姿態(tài)控制外也涉及反扭矩的提供，而且提供反扭矩的方式在上述兩種機(jī)型中都非常明顯了：直升機(jī)通過尾槳總距控制提供機(jī)體坐標(biāo)系偏航方向上的反扭矩，多旋翼無人機(jī)通過相同數(shù)目不同轉(zhuǎn)向定距槳提供反扭矩平衡。
對于相對定義范疇異常寬泛而結(jié)構(gòu)表現(xiàn)相對封閉的涵道無人機(jī)而言，姿態(tài)控制方式和扭矩平衡都異常靈活。
涵道無人機(jī)的姿態(tài)控制方式可以分為兩大類：耦合姿態(tài)控制;解耦姿態(tài)控制
2.1耦合姿態(tài)控制常見的結(jié)構(gòu)有：單旋翼結(jié)構(gòu);共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)
其中單旋翼結(jié)構(gòu)常見的機(jī)型如I-star，以及在CES2016中被很多媒體報(bào)道的“球型”無人機(jī)Fleye。常見內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上圖。
耦合類涵道無人機(jī)一般采用環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以i-STAR為例，上部中間體中安裝動(dòng)力系統(tǒng)(活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，螺旋槳，有效載荷等)。其中螺旋槳為常見的定距槳，沒有變距，沒有揮舞，直接由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。下部中間體由8塊固定翼板穩(wěn)定于涵道中央，內(nèi)部搭載反饋系統(tǒng)。這個(gè)8個(gè)固定翼板(固定片)安置角不變，產(chǎn)生平衡單旋翼扭矩的效果?？刂埔戆?導(dǎo)流片)由伺服電機(jī)控制角度產(chǎn)生姿態(tài)控制力矩。
共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)如上圖所示。前文提到的Cypher-2型涵道無人機(jī)就屬于這一類設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。共軸雙旋翼無人機(jī)提供反扭矩的方式顯而易見：共軸旋翼等速對轉(zhuǎn)。
該類涵道結(jié)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)傾斜器，通過變距拉桿改變旋翼周期變距從而控制飛行器姿態(tài)。類似于直升機(jī)的主旋翼結(jié)構(gòu)。MR.城堡并未接觸過采用共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)，耦合飛行的涵道無人機(jī)產(chǎn)品，因此不確定是否完全采用直升機(jī)主旋翼那種鉸接式，還是采用半鉸式，但從上圖來看應(yīng)該是采用半鉸式結(jié)構(gòu)。
2.2解耦姿態(tài)控制
上圖為傾轉(zhuǎn)涵道無人機(jī)。
解耦姿態(tài)控制方式非常直接：主涵道提供偏航力矩，調(diào)節(jié)涵道提供橫滾力矩，尾槳涵道提供前飛推力，水平涵道共同提供垂向升力。
3.涵道型飛行器特點(diǎn)
涵道無人機(jī)的研究起始于上世紀(jì)80年代，美國漢軍陸戰(zhàn)隊(duì)需要空中遠(yuǎn)程遙控裝置(AROD)實(shí)現(xiàn)空中偵察和監(jiān)視。桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室按要求開發(fā)出具備VTOL能力的首款涵道飛行器，該項(xiàng)目由于受限于當(dāng)時(shí)的飛行控制技術(shù)，于90年代終止。之后包括1992年美國的“多用于安全與監(jiān)視任務(wù)平臺(tái)”項(xiàng)目;2001年美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)啟用的建制無人機(jī)計(jì)劃(OAV)等等表明涵道型無人機(jī)具備的獨(dú)特特點(diǎn)與軍事需求緊密相連。
3.1安全性
涵道無人機(jī)(不管何種設(shè)計(jì)方案)旋翼都穩(wěn)穩(wěn)的安置在涵道內(nèi)部。這使得該類型飛行器對于操作者和周圍環(huán)境有著無與倫比的安全性。面對環(huán)境復(fù)雜的林地，人口稠密的城市地區(qū)，涵道無人機(jī)都是執(zhí)行短時(shí)任務(wù)的首選。
3.2機(jī)動(dòng)性
涵道型無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性特別適合城市復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)。與固定翼無人及相比，涵道無人機(jī)具備VOTL能力，相比于多旋翼及直升機(jī)型無人機(jī)，涵道機(jī)可以在非常狹小的環(huán)境中進(jìn)行起降和作業(yè)。同樣優(yōu)良的定點(diǎn)懸停能力使得涵道型無人機(jī)具備多旋翼機(jī)型的圖像數(shù)據(jù)獲取能力。
3.3飛行效率
同無人直升機(jī)相比，同等功耗下，涵道風(fēng)扇較同直徑孤立旋翼會(huì)產(chǎn)生更大拉力：首先在低空速下增加飛行器的推理;其次在所有的飛行傾角下都可以提供氣動(dòng)升力;第三，將飛行器的升力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)有效地結(jié)合起來;最后涵道壁可以有效地將螺旋槳滑流轉(zhuǎn)換成推力，從而產(chǎn)生附加升力。
3.4隱蔽性
這個(gè)特點(diǎn)是涵道型飛行器很受軍方青睞的重要原因。螺旋槳位于涵道內(nèi)部，氣動(dòng)噪聲被阻擋從而物理地降低了飛行器噪音的強(qiáng)度和傳播距離。同行，由于動(dòng)力系統(tǒng)被涵道環(huán)擴(kuò)，從而降低了整體飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射擴(kuò)散。
涵道型無人機(jī)現(xiàn)階段并未受到市場的太多重視，原因更多在于控制難度與產(chǎn)品成熟度。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)本身具備的安全性，機(jī)動(dòng)性使得該機(jī)型非常適用于家庭、室內(nèi)應(yīng)用。
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