无人机精准降落_奇思妙想起飞,精准沉稳降落
时间：2020-03-03 07:30:42 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
在各大媒体和大批模型爱好者、军迷的关注中，首届“中航工业杯-国际无人飞行器创新大奖赛”于2011年9月22～25日在北京小汤山中国航空博物馆举行。这是国内首次以创新和技术竞技为主题的无人飞行器大型赛事。据主办方介绍，共有来自中国北京、上海、南京、西安、成都、哈尔滨、沈阳、长沙等20多个省市自治区以及美国、韩国的107支参赛队参加比赛，参赛运动员近400名。其中包括北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学、清华大学、北京理工大学、国防科技大学、哈尔滨工程大学等高等院校，还有业内知名企业和科研院所，以及地方机构和民营企业，特别值得一提的是还有15位民间航空爱好者参赛。
在比赛进行的同时，70余家无人机相关企业在中国航空博物馆洞库中参加了集中展览。作为本次活动主办单位的中国航空工业集团公司召集旗下无人机企业联合参展，是本次展览活动中的一大亮点。另外，珠海银通、耐威时代、深圳大疆、天宇创通、华力创通等企业以及一些知名无人机研究院所也一同参展。展出无人飞行器总数量达80余架。
本次活动得到了社会各界的高度关注，60多家大众媒体和行业媒体进行跟踪报道。中国航空学会理事长、大赛组委会执行主任刘高倬，中国航空工业集团公司科技委副主任、中国科学院院士、中国工程院院士、大赛仲裁委员会主任顾诵芬，空军装备部部长、中国航空学会副理事长、大赛组委会副主任魏钢，中国航空工业集团公司副总经理、大赛组委会副主任高建设，大赛总裁判长刘文章教练，大赛副总裁判长Robert C.Michelson(美国)，大赛副总裁判长Jangwhan Park(韩国)等嘉宾出席了大赛开幕式，中国航空学会秘书长、大赛组委会执行委员会主任吴松担任开幕式主持（图1）。
本届无人机大奖赛分为创意大奖赛和竞技大奖赛两部分。创意大奖赛倡导飞行器飞行原理创新和气动布局的原始创新，要求参赛作品是可依靠自身动力离地飞行和着陆的不载人新型飞行器，根据突破性、可实现性、可用性（现实与潜在）进行综合评定，通过展示、答辩和飞行表演等环节评定名次，最高奖金额为30万元。竞技大奖赛要求参赛的无人飞行器依靠自身动力、以全程自动控制的方式，在规定的时间内起飞、飞行（按规定航线）和降落（定点拦阻着陆），按照参赛飞行器完成任务的能力和符合程度，进行评分和综合排序，最高奖金额为50万元。比赛进行期间，中国人民解放军空军司令员许其亮、空军装备部部长魏钢参观了比赛（图2），对参赛队作品表示出了极大的关心。为了增加活动的观赏性，比赛间隙大赛组织者还邀请到国内外航空模型高手进行高端航模表演。
创意大奖赛
创意赛中很多作品可圈可点。获得创意赛大奖的“灵龙”是一款成功的旋翼/机翼转换式飞行器。该机具有固定的鸭式前翼和T形尾翼。其机翼兼具旋翼机与固定翼飞机（图3，图4）的双重功能，在垂直起飞时依靠电机驱动旋转提供升力，当飞机加速至平飞速度后旋翼角度锁定为平直翼状态，依靠来流速度产生升力。为了克服垂直起飞时旋翼产生的反扭力矩，该机在垂尾根部安装了类似直升机的尾桨。为提供平飞时的拉力，在机头还安装了一根电机驱动的螺旋桨。从比赛期间的飞行表演情况看，该机能够平稳地在旋翼状态和固定翼状态之间切换，实现了垂直起降、高速平飞的研制目标。
中航工业沈阳所与沈阳航空航天大学联合研制的“四舵面”飞翼同时参加了创意大赛与竞技大赛（图5）。该机采用无尾飞翼布局，依靠飞控系统真正实现了去掉垂直尾翼后的稳定可控飞行。因为使用一台电动涵道发动机作为动力，这架飞翼从外形上看与美欧等国在研的新一代无人作战飞机十分相似，所以其飞行过程吸引了场内外所有参赛选手与观众。更具挑战性的是，该机在创意大赛中的飞行内容，完全照搬到了之后的竞技大赛，以完整无尾状态完成跑道滑跑起飞，并在模拟航母甲板上成功钩到了第3根拦阻索，顺利平稳着陆。
西北工业大学的“风火轮”可谓全场比赛中布局最独特的一个（图6）。该机被称为“滚翼机”，依靠两个装有机翼并反向转动的“滚轮”提供飞行所需的升力和向前的拉力。在国外，新加坡大学完成了这种布局验证机的系留悬停和一部分室内飞行测试，澳大利亚的一家公司与英国克兰菲尔德大学联合研制的该类飞行器完成了系留试飞。根据制作者介绍，“风火轮”是全世界第一个飞起来的“滚翼机”。
西北工业大学研制的“信鸽”（图7）和南京航空航天大学研制的“金鹰”（图8）是本届比赛中最为令人瞩目的扑翼飞行器。两型扑翼机在机体大小、控制方式上略有不同。“信鸽”外形比较小巧，依靠扑翼产生向上的升力和前飞的动力，通过V形尾翼控制飞行器姿态。“金鹰”除依靠尾翼操纵外，还可通过两侧扑翼差动扑动提供飞行器姿态操纵力矩。两型扑翼机均安装了自动驾驶系统，能够在地面人员手掷起飞后自主飞行，完成特定航线的飞行任务。
中航工业成都所研制的“狂战士”变体鸭式无尾布局技术验证机的创意十分新颖：采用亚声速正飞、机动和超声速倒飞的飞行方式。亚声速正飞时，该机鸭翼打开，翼梢安定面放下，发动机位于机身背部（图9）。此时翼面积、展弦比最大，有利于提升巡航时的升阻比。由于发动机位于机身上方且没有垂尾，因此提升了该机巡航时的隐身性能。“狂战士”机动时采用倒飞，使发动机获得了更好的进气效率，同时翼尖向下折叠使其不受到机身遮蔽影响，有益于提升方向安定性（图10）。当超声速飞行时，“狂战士”利用倒飞构型以获得激波升力，利用机身对气流的预压缩作用提升进气效率，利用鸭翼的收放调节焦点的变化量，而且其下折的翼尖有利于弥补飞行器超声速航向安定性下降的问题。尽管在模型飞行演示中，该机无法演示超声速飞行情况，但其理念却值得认真思考。
同为中航工业成都所研制的垂直起降变体飞行器直立于地面垂直起飞（图11），改为平飞后折叠外翼伸开，返回时外翼折叠、垂直降落。在垂直起飞时，该机依靠两台电动机产生拉力实现垂直离地，在低速时借助螺旋桨滑流作用在舵面上的速度增量获得足够的操纵力矩。当飞机从垂直起飞改为平飞模式后，折叠的机翼可以展开（图12），通过增加机翼展弦比进一步提高巡航效率。
北京理工大学的垫升式起降技术验证机提出了利用气垫取代传统飞行器起落架的思想（图13）。该验证机采用4个电动涵道向垫升系统提供增压空气，使验证机在地面滑行时能够依靠气垫漂浮在地面上，从而减小了起飞滑跑过程中来自地面的摩擦力，提高了验证机的短距起降能力。同时，该机由两个电动涵道提供前飞动力。
中国航空博物馆研制的仿真鹰无人机从外形上模拟了老鹰，在飞行时对地面人员具有很强的迷惑效果，有助于其较为隐蔽地在低空进行侦察飞行（图14）。该机加装的一套模拟真实老鹰叫声的音响系统，为该机赋予除侦察外又一个任务――驱鸟。它酷似真实老鹰的气动外形和模拟叫声，能够驱使鸟类离开机场空域以防止飞机与鸟群相撞的事故。
竞技大奖赛
如果说创意大赛比拼的是参赛队的思维理念之软实力，那么竞技大赛比拼的则是将理念转化为工程应用的硬实力。与创意赛的自由飞行不同，竞技赛要求飞行器从起飞至降落均采用自主控制，从跑道滑跑起飞，并在1/4缩比航母甲板上钩挂拦阻索完成降落。比赛要求无人机翼展2～4m，起飞重量8～20kg，翼载不低于100g/dm2，动力除燃气喷气式发动机和火箭式发动机外皆可。其评分涵盖从起飞到降落的每一个阶段。起飞阶段最高得分150分，要求滑跑距离短、滑跑和离地平稳准确。降落阶段满分850分，要求飞行器落点准确、全机结构完好，以挂住模拟航母上的第2根拦阻索为最高分，挂到第1根至第4根拦阻索的分数依次为100、500、300、200，从分值上可看出挂住第2根拦阻索为赢得比赛的重中之重。此外，比赛还增设了加分项，鼓励采用GPS和差分GPS之外的导引方式、采用更大的起飞重量等，加分项最高不超过300分。尽管竞技大赛的飞行器设计不如创意赛那样出彩，但其难度和投入需求更大，更能考验参赛者飞行器和导航控制系统的设计水平。
中航工业沈阳所与沈阳航空航天大学联合队的“四舵面”飞翼（图15）虽然没能取得最终大奖，但其在场上的表现和达到的效果堪称一流。与其他队伍为保名次而选用常规布局的做法不同，中航沈阳所与沈航联合队敢于大胆采用飞翼布局的技术胆量与魄力着实令人钦佩。早在之前的创意大赛上，该队就以挂住第3根拦阻索的出色表演获得了在场所有人的大声喝彩。竞技大赛中，或许是出于降低风险或满足规则中“常规固定翼”的要求，该机增加了一对外倾的垂直尾翼。从细节上看已十分接近全尺寸飞机。其起落架采用油气减震器，能够承受更大的下沉率以适应着舰定点需求，而且在比赛过程中没有出现一次明显的着陆后跳起现象。其拦阻钩也完全按照全尺寸飞机拦阻钩标准设计，尽管尺寸小巧却从未出现脱钩现象。遗憾的是，在竞技赛中该机一次挂到1号索，一次挂到3号索，与大奖失之交臂，令人扼腕。
西北工业大学在竞技赛中的表现同样值得称道。该校参赛队中，有两队使用了光学引导方式进行着舰指引，是所有参赛单位中唯一不依赖GPS进行着陆导航的队伍（图16、图17）。这种敢为人先的科学探索精神得到了场上裁判和场下观众的充分肯定。比赛过程中，其中一队飞行中出现问题撞树，结果“大力士”队成为比赛中唯一一个依靠光学引导系统完成着舰的队伍。该队设计的飞机也十分出色，通过在内段机翼使用双缝襟翼，获得了十分出色的低速性能。得益于襟翼的高升力特性，该机获得了起飞重量相关加分。在第二轮比赛中，其飞行过程十分平稳，依靠GPS导引完成了起飞和航线飞行。在下降着陆阶段，尽管大赛组委会启动GPS干扰装置，“大力士”还是完全依靠地面的光学引导装置完成着舰动作。虽然该机的第一落点正好位于第二道拦阻索前，但由于其着陆钩触地弹起，结果只挂到了第3根拦阻索，未能赢得大奖。
与前述两支队伍相比，最终赢得大奖的南京天一公司飞行器方案走的是相对中庸的路线――采用平直翼常规布局、倒置V尾（图18）。其着陆钩采用常态放下的构型，通过钢丝与机身弹性固联，可在一定程度上避免着陆钩触地后弹起的情况。
在竞技大赛的参赛队伍中，除了广大国内无人机从业者及爱好者外，还有着一支国外队伍――韩国科学技术院（韩国KAIST大学）的“AEROK”队。该队采用一架经过改装的“赛斯纳”172像真模型飞机，在主起落架位置增设了拦阻钩（图19）。令人遗憾的是，两轮比赛，该队均由于故障原因在空中切换为手动操纵状态，使其未取得有效成绩。
获奖情况
经过4天紧张激烈的比赛角逐，万众瞩目的创意赛大奖、竞技赛大奖终于尘埃落定，分别被西北工业大学和南京天一公司收入囊中，奖金额各为30万元和50万元（图20）。与此同时，其他队伍也取得了不俗的成绩。
创意赛中，西北工业大学的“信鸽”侦察系统、中航工业沈阳所和沈阳航空航天大学联合队的“四舵面飞翼”获得优秀创意奖，奖金20万元；中航工业成都所的“垂直起降变体飞行器”获得“使命之星”创意奖，奖金10万元；南航“‘金鹰’差动式仿鸟扑翼飞行器”获得“未来之星”创意奖，奖金10万元；中国航空博物馆的“遥控老鹰”获得“希望之星”创意奖，奖金10万元；创意奖由北京理工大学、西飞公司、天津大学等10支参赛队夺得，奖金2万元。
竞技赛中，南昌航空大学的“昌盛通用无人机”和西北工业大学与国防科大联队的“大力士飞机”夺得一等奖，奖金30万元；北京理工大学和中科院大气所联队的“远征5号”、北京航空航天大学的“P3000”、 南京理工大学的“海星号”参赛队获得二等奖，奖金10万元；北京航空航天大学的“X Aviators”、中航工业沈阳所和沈阳航空航天大学联队的“天弩”、 厦门大学的“南强号”、上海交通大学的“YY03”、南京航空航天大学的“鱼鹰号舰载机”获得三等奖，奖金5万元。
2011年9月25日大赛落下帷幕，全国政协原副主席、宋庆龄基金会主席胡启立，中国航空学会名誉理事长朱育理，国家科技部副部长曹健林，大赛组委会主任、中国航空工业集团公司总经理林左鸣，大赛组委会执行主任、中国航空学会理事长刘高倬，大赛组委会副主任、空军装备部部长魏钢，大赛组委会副主任、中国航空工业集团公司副总经理顾惠忠，共青团中央学校部副部长杜汇良，大赛总裁判长刘文章，大赛副总裁判长、来自美国的Robert C. Michelson教授等领导和专家出席闭幕式并为获奖者颁奖。主办方在闭幕式上介绍，“中航工业杯-国际无人飞行器创新大奖赛”以后将每两年举行一次，争取成为一个高水平、高层次的国际知名赛事。未来的无人飞行器大赛将进一步推进航空科技创新、普及航空科技知识、提高国民航空意识、营造航空文化氛围、培养航空创新人才、促进中国航空工业发展。
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