对于无人机来说，起飞方式决定了飞行器的使用环境。对于固定翼无人机，基本上首飞都是滑跑起飞的，甚至还要专门做滑跑试验。弹射器使无人机的起飞过程不会受到场地限制，一般使用橡筋和压缩空气作为弹射能量的传输介质。总之弹射起飞目前还不是一种能够大规模使用的成熟技术。火箭发射无人机火箭发射起飞火箭发射无人机很早就登上历史舞台，发射便捷，即使发射较大的飞行器也无须庞大的台架。......
2023-07-23
起飞方式的优化与改进
【摘要】：图4.4 美国加利福尼亚州空军基地进行跑道测试的全球鹰对于大型固定翼无人机而言，完全可以采用常规飞机的起飞方式。弹射起飞方式有利于将更大型的无人机部署到更多地点，如山地、航母等。图4.6 渡鸦无人机抛飞与检查手抛起飞一直是小型固定翼飞机的重要起飞方式。）传统固定翼无人机的起飞方式就是以上几种。
图4.4 美国加利福尼亚州空军基地进行跑道测试的全球鹰（图片来源：美国空军）
对于大型固定翼无人机而言，完全可以采用常规飞机的起飞方式。但中型固定翼无人机由于机身尺寸和载重能力受限，一般不具备搭载大型动力系统的能力，不具备大型无人机的负载与巡航能力，因此需要借助外力起飞。
图4.5 在伊拉克部署的扫描鹰无人机（图片来源：维基百科）
1896年，塞缪尔·皮尔庞特·兰利就通过“Aerodrome”奠定了弹射起飞在小型固定翼飞行器起飞中的决定性地位。对于中小型固定翼无人机而言，弹射起飞方式不但省去了与飞行无关的结构，降低了重量，提高了负载能力与续航能力，也同时赋予了固定翼无人机更短的起飞距离，这在很多应用场合，如军事侦察、特定环境的航测应用中是至关重要的。
图4.5为美国海军陆战队在伊拉克、阿富汗地区经常使用的“扫描鹰”无人机。弹射起飞方式有利于将更大型的无人机部署到更多地点，如山地、航母等。
图4.6 渡鸦无人机抛飞与检查（图片来源：维基百科）
手抛起飞一直是小型固定翼飞机的重要起飞方式。大家如果看到一个具备结实右臂、粗壮腰围的飞手，很可能是操作手抛无人机的，与体态清瘦的多旋翼飞手形成鲜明对比。手抛型无人机可以进一步提高固定翼无人机的适用环境，但要求飞手具备一定的操作经验，或者搭配额外驾驶员。（请思考问题：这样的固定翼无人机如何着陆？它的着陆特点与多旋翼无人机相比优势和劣势在哪里？）
传统固定翼无人机的起飞方式就是以上几种。但最近几年，固定翼无人机通过机身结构设计的创新具备了垂直起降能力。
图4.7 左图展示了XFV-1固定翼飞机的垂直起飞方式，右图为该飞行器平飞状态（图片来源：美国空军）
无人机方面，比较有名的例子如谷歌公司的Project Wing小型固定翼无人机，与它类似的产品有我国成飞的VMA、中航的VD200等。这类固定翼无人机通过垂直机身和旋翼上的多个定距桨提供上升动力，当垂直起飞达到所需的高度后，再借助机身下部的副翼、襟翼引导气流流向，实现无人机飞行方式的变换，从多旋翼无人机飞行方式过渡到固定翼的飞行模式。
另外一种使固定翼无人机获得VTOL能力的设计方法是在固定翼机身上部安装定距螺旋桨负责起降，而飞行过程中依然采用普通固定翼的飞行方式，即通过叠加多旋翼机特有的旋翼系统或涵道结构到固定翼机身上，构成独立的起飞系统以提供垂直起降能力。
图4.8 通过在机翼增加涵道结构实现VTOL能力的XV-5A飞行器模型
图4.8是XV-5A实验飞行器，通过双涵道结构提供垂直起降能力。垂直起飞的固定翼无人机既能获取固定翼飞机的气动效率又能具备多旋翼飞机的VTOL能力，而且还很酷，为什么尚未大规模应用呢？
传统的手抛型无人机和弹射型无人机都是借助外力起飞，这样的起飞方式使固定翼无人机具备更多的负载空间，只要能够抛得动，弹得飞，到天上去就可以借助气流提供飞行升力。而垂直放置机身的起飞模式虽然使固定翼无人机具备了VTOL能力，但由于完全依靠本身的定距桨提供升空动力，就必须增加旋翼尺寸，减小固定翼无人机本身的重量，从而降低了负载能力。而且一个旋翼往往是不够的，一般需要至少两个旋翼（一对正反桨）同时提供动力，但无人机机身尺寸有限，安装部位也受限制，导致彼此距离很近，旋翼间容易产生比较大的气流影响，难以保证垂直飞行或者垂直定点的稳定性。在机身改变飞行模式（垂飞变固定翼巡航）时，需要完成飞行模式的突变，这对控制器的要求是比较高的，系统的鲁棒性未必能够适应任务现场的实际环境。当转变为固定翼飞行模式后，垂直飞行时的动力结构又变得毫无必要，徒然提升了能量耗损和整机重量。
第二种方式可以看作是多旋翼与固定翼的直接融合，这样的设计方式同样使得固定翼无人机具备了垂直起飞能力，因为是布局在机身的平面上，空间比较宽裕，可以通过多个小旋翼提供垂直飞行需要的动力，从而增加了旋翼之间的距离，减小了气流扰动带来的影响。同时在飞行模式变化上可以直接切换，无须增添额外的中间过程。但垂直旋翼系统意味着要增加额外的动力元件——发动机或者电动机。而这类元件在小型无人机系统中既需要挤压机身内部安装空间，也必然占用固定翼无人机一部分载重能力。同时当垂飞变为巡航，也就是切换回固定翼模式后，这几个旋翼就将彻底变为累赘了。
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