小型固定翼类无人机总体设计特点

无人机按机型划分种类繁多，分为固定翼、多旋翼、复合翼、倾转翼、直升机以及其它混合品类，且不同品类的无人机在设计上的要求不同。本文所述主要局限于以机翼作为主升力部件的无人机，包括传统固定翼、复合翼以及倾转翼。介绍这些类型的无人机在总体方面的设计特点，起飞重量则按照中国民航局的标准，将其定义于25千克以下。

25千克以下的无人机，民用需求是牵引其发展的重要推手，大量民用无人机在测绘、电力巡线、石油管道巡检、山地和海上搜救、科考等领域发挥着巨大作用，并随着需求纵深发展。而随着需求端的发展，小型无人机的设计水平也逐渐发生变化。在发展初期，众多的航模爱好者参与和推动着早期无人机的发展，该时期的产品能在一定程度上满足用户需求，但在质量上差强人意，可靠性差，作业事故率高企；在后期，随着无人机行业的整体发展，专业化公司不断涌现，有过航空从业经历的专业技术人员也不断加入这个新兴领域，使得小型无人机的设计和制造水平不断提升，质量和可靠性也出现飞跃发展。笔者曾在某测绘公司调研过，在2015年以前用固定翼飞机进行测绘作业，几年间累计的飞行事故达到数十起之多。而在2015年引入成都纵横的CW-20无人机后，4年间从未出过坠机事故。

小型无人机的市场仍处于快速发展中，作为一个新型工具能够在众多行业领域发挥作用，并由于低成本的优势，也在不断得到军方的关注和青睐。近些年无人机集群技术的发展，也有望带来小型无人机在军用领域的蓬勃发展。因此，关注小型无人机的设计是十分必要的。

与中大型无人机和有人机的设计相比，小型无人机在应用特点上有一些影响设计方法的区别，这些区别包含：

（1）小型无人机发展迅猛，功能越来越丰富，质量和可靠性越来越高，对设计要求也越来越高。

（2）小型无人机在安全可靠性方面的指标相对于其它飞行器会放宽要求，但在引发次生灾害方面的要求要高于其它飞行器。

（3）小型无人机在指标方面的总体综合要求要低于其它飞行器，但在单个指标上经常会高于其它飞行器。

（4）民用小型无人机相对于军用产品而言，在成本控制上要求很严格，但又缺乏其它耐用消费品的庞大市场带来的规模成本效应。

（5) 小型无人机有相当多的定制化需求，并且供应周期短。经常有客户要求在3个月内交付特定需求的产品。

（6)客户往往没有专业的无人机操作员，需将其非专业人员培养成操作员，这些人并不以无人机操作员作为唯一职业。

针对以上应用特点，小型无人机在总体设计上也在由粗放至精细化不断发展，在设计流程、设计方法上也开始借鉴中大型飞机，设计工具上使用专业化的工具和软件。这些专业研制模式，使小型无人机的设计摆脱了以往经验主义的方式，使设计过程规范化、专业化和精细化，从而大幅提升了最终产品质量和研发效率。从产品呈现角度，小型无人机产品在不断走向成熟化，并向多样化细分市场发展，充分发挥了小型无人机产品在民用领域的多样化应用，并逐渐在军用领域得到青睐和深入发展。

在小型无人机设计流程上，同样适合采用当前流行的系统工程方法。应用科学的系统工程方法，需要在项目实施过程中进行需求捕获、需求分析、关键技术攻关、总体技术方案设计、详细设计、原型机制造、试验试飞、生产和改型。与大型飞机研制流程相比，小型无人机在研制流程上并无不同，而在细节方面则进行剪裁和取舍，以适应小型无人机研制高效率和低成本需求。譬如，C919飞机需要进行长达数年、上千个科目、几千个起落的试飞，以验证飞机在不同工况和不同环境下的适航性，而一型用于测绘的小型无人机经过数十个起落的试飞可能就足以完成试飞任务。此外，在研制流程上与大飞机的研制流程不同，由于小型无人机较小，当原型机阶段出现问题时再进行大更改迭代所带来的资金损失和周期损失相比大飞机小，所以进行从需求到原型机试飞过程中的大迭代是可能甚至是必要的。制造成本低使能在设计的前序环节适度放宽风控，从而提高整个设计的效率，满足一些周期要求苛刻的用户需求。在长期的小型无人机研制过程中，笔者还发现，需要在精确度、效率和成本间进行取舍和平衡，由于风洞、强度试验台、铁鸟台、品模台等研保条件不可能达到大飞机的保障水平，在小型无人机的研制中，试飞承担了更多地面试验无法满足的验证和测试任务。

广泛存在一个错误的观点，认为大飞机的专业设计人员去设计小型无人机没有难度，笔者见到为之不少的航空从业人员对小型无人机的设计难度表示了不屑，最终在实践过程中遭遇失败。这是由于他们对小型无人机缺乏了解，低估了小型无人机的难度，盲目乐观造成。

由于小型无人机在成本方面的高要求，意味着研发团队往往不能够具备很大的规模（独角兽公司除外），与大型飞机设计上动则上百个专业进行设计配合相比，小型无人机的主要研发人员数量往往在10人以下。而虽然针对具体某个型号的小型无人机功能单一，但研发团队通常面临多个类型无人机的研发任务并且周期短暂，这就要求参研人员具备宽广的专业经验和专业技能。而在传统大型飞机研制中，专业技术人员往往在一个极其细分的领域工作一辈子，专业面��窄，在有限的资源条件下解决复杂问题的能力较弱。在小型无人机设计团队中，需精干的专业工程师各负责一个较宽领域，例如飞行力学工程师需要参与或独立完成需求分析、性能设计与分析、操稳特性设计与分析、性能试飞与校核，甚至需要拓展到气动特性分析中，才能保障研制工作以高效率和低差错推进。

除了设计团队成员自身需要具备宽专业领域，整机项目负责人还需要具备很强的供应链管理能力，保障优质外协资源的管理。这需要项目负责人具备很好的学习能力、沟通能力和协调能力，以及保持对于新鲜知识和技能的敏感度。

大型飞机使用的专业设计工具也逐渐应用到小型无人机的设计活动上，这些工具包含CAD制图、CFD流体分析、强度有限元分析、飞控仿真、运动仿真工具等。在早期的航模爱好者的设计中，由于大部分人不掌握专业的飞机设计工具，只能够进行逆向设计或者在现有平台基础上进行一些尝试性的更改，很少人能够达到根据功能和性能需求设计全新无人机的程度；也有一些探索者，在新机型和新技术上进行尝试，然后由于缺乏对于航空学基本原理的掌握导致无法达到设计目标，甚至原型机无法飞行。而专业人员采用专业工具，在经历了多个完整的小型无人机设计流程后，将会形成专业经验，对于设计工具的使用更加得心应手。笔者曾经经历过，小型无人机在引入飞控系统半物理仿真之后，针对飞控代码更改后试飞造成的事故率大幅降低，很多隐患在仿真中就得以暴露，而这些工具的使用都需要经验丰富的专业工程师。

总而言之，由于事物本身的不断发展，今天小型无人机的设计已经迈向了相当专业化的程度。高性能、高可靠、微系统、人工智能、全电、集群���重构、高隐身、先进材料等技术伴随着军民融合策略的深入发展，不断应用在小型无人机上，使小型无人机呈现出百花齐放的特点，对设计人员也提出了全新的挑战。

本文转自微 信公 众号《沈阳所扬州院》，作者韩来旺