导读
随着无人机在物流、测绘、农业等领域的广泛应用，兼具固定翼（FW）高效巡航与多旋翼（VTOL）垂直起降能力的混合构型无人机成为研究热点。然而，传统设计方法往往将固定翼与垂直起降系统分开优化，导致重量冗余或性能不足。韩国建国大学团队提出了一种综合初步尺寸调整方法，通过耦合气动、推进、能源等子系统，实现FW-VTOL无人机的高效设计，其预测误差控制在10%以内，显著提升了设计效率。
摘要
垂直起降固定翼飞机是一种新型飞机，它继承了多翼飞机的悬停、垂直起降和机动特性，以及固定翼飞机的节能巡航特性。本文提出了一种FW-VTOL电动无人机综合选型方法。该方法采用了最新发展的综合分析方法，该方法将垂直起落飞机推进系统尺寸确定方法与改进的FW飞机尺寸确定理论结合起来。性能要求被指定为一组函数关系。利用已有的数据推导出了几个新的经验公式。所需的蓄电池容量和总质量由包括垂直起落和FW使命段的使命分析确定。当选择了推进系统的实际部件时，反复调整设计的大小。以3.5 kg FW-VTOL电动无人机为例进行了研究。确定尺寸和重新确定尺寸的结果与实际制造的飞机的参数相比较。大多数参数的预测保持在10%的误差阈值内
主要研究内容
研究团队提出两阶段设计流程，结合理论分析与实际组件选型，确保设计可行性：确定尺寸过程的目的是根据一组设计要求确定未来飞机的质量、几何形状和推进力的主要参数，并利用推进系统和蓄电池的确切部件的信息对这些参数进行改进。图1显示了FW-VTOL电动无人机的尺寸确定过程
图1电动无人机的尺寸确定过程
基于飞行性能（如巡航速度、爬升率、失速速度）生成可行设计空间推进系统建模：采用动量理论计算旋翼推力，结合统计模型预测电机效率。质量估算：通过质量分数法（Mass Fraction）分解结构、电池、载荷等重量，根据初始设计选择实际电机、螺旋桨、电池型号，更新总质量与几何参数。通过固定点迭代（Fixed-Point Iteration）确保设计收敛。文章利用了统计回归模型：基于85组电机-螺旋桨实验数据构建效率模型。
案例验证：3.5 kg无人机设计设计要求：载荷0.3 kg，悬停5分钟，巡航速度30 m/s，爬升率3 m/s。结构质量占比40%，电池比能量130 Wh/kg。
图2案例设计要求
总质量：预测3.865 kg vs 实际3.688 kg（误差+4.8%）。关键几何参数：翼展误差+4.4%，尾翼面积误差<5%。推进系统：实际选用T-Motor U3电机，13英寸VTOL螺旋桨，满足推力需求。最小翼展设计点（1.7 m）兼顾紧凑性与性能，验证了方法的实用性。设计矩阵图：
图3几个质量和结构参数的尺寸矩阵图
结论和展望
本研究提出了一种新的确定FW-VTOL电动无人机尺寸的方法。整个尺寸调整过程由两个主要部分组成。初始尺寸确定将设计要求转化为未来飞机的基本参数。推进系统和电池组的实际部件是根据初始尺寸确定的结果选择的。在下一阶段进行飞机尺寸调整。调整大小使用有关所选零件的信息来更新飞机的参数。初步规模确定的核心是综合分析。将FW约束分析、电推进选型、使命电池计算、总质量计算和几何分析等方法结合起来，对FW-VTOL电动无人机进行了综合分析。提出了两种方法来确定未来发展的候选配置：图形（尺寸矩阵图）和数值（优化）。这两种方法可一起使用或单独使用。优势是首次整合固定翼与VTOL的尺寸设计流程。通过统计模型减少高保真仿真需求。局限性在于电池热管理、噪声控制未纳入模型。高精度气动干扰（如旋翼-机翼干扰）需进一步实验验证。
参考文献：
Comprehensive Preliminary Sizing/Resizing Method for a Fixed Wing - VTOL Electric UAV
