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无人直升机优势对比研究报告1.概述相比固定翼飞机，直升机起飞和着陆场地要求低，可垂直起降、空中悬停、前向后向侧向均可机动飞行。这些特性使得直升机在某些应用场景中具有固定翼和其他垂直起降飞机所不具备的独特优势。通航有人直升机在直升机应用的主要领域目前依然具有无人直升机不可比拟的优势。其安全性高，载荷能力大，具有适航证，可在市场价值最高的城镇有人聚居区域执行飞行作业。相对于通航载人直升机，无人直升机具有投资相对较小，后勤保障简单，运营成本低，无人员伤亡风险等显著优势，必将成为有人直升机的有力补充，甚至在某些领域完全替代有人直升机作业。2.与多旋翼无人机的对比分析2.1电动多旋翼无人机电动多旋翼无人机具有原理简单，可靠性高，造价低，维护简单，灵活轻便等一系列优势。由于无刷电机、电池和飞控技术的发展，使得在小载荷，低速度，短距离的应用场合，电动多旋翼近年来取得了很大的成功，在许多领域得到了广泛应用。在机型尺寸较小时（比如对比亚拓450遥控直升机与大疆精灵4），多旋翼无人机由于结构简单，往往具有更长的续航时间。并且由于旋翼动能较小，降低了危险性，其甚至可以将旋翼设计在管道式机身内，进一步降低可能对人造成的伤害。安全性的大大提高，使得其可以贴近人群使用，大大改善了无人机的交互性。然而，当需要越来越多地增大机型尺寸以获得更多的载荷能力，更大的航程和续航时，多旋翼无人机的优势就越来越小，直到完全不如无人直升机了。当多旋翼无人机的桨叶尺寸越来越大，动能也越来越大，转速和转速变化区间却越来越小，通过改变旋翼转速来控制无人机时的响应速度也越来越慢，结果就是飞控的控制效果越来越差。从空气动力学上来说，当多旋翼无人机的桨叶尺寸增大后，必然导致其最大可飞行速度越来越小，抗风能力越来越差，飞行时的震动和涡流越来越难以控制等结果，最终导致安全性越来越差，甚至不具备实用作业能力。而无人直升机由于采用斜盘控制飞行姿态，且起飞后旋翼转速基本不变，无论是增大机型尺寸还是主旋翼尺寸，都不会出现上述问题。面对当前无人机工业应用市场上更多的载荷、更大的航程、更强的环境适应能力等需求，电动多旋翼的发展受制于电池能量密度短时间内无法取得可量产性重大突破，以及气动和控制原理上的劣势，依靠增加电池容量、增加旋翼个数、放大机型尺寸等方法来获得更高的载荷能力和飞行时间，并没有太大潜力可挖，实用效能不高。相对于多旋翼无人机，无人直升机在需要大载重量、较长续航时间，较高巡航速度的应用场合具有优势。案例分析：力德航空大载重电动多旋翼此电动多旋翼无人机的最大载荷能力达到了惊人的60kg，但是外形尺寸也达到了惊人的2.95x2.95m,空重也达到了53.6kg，完全可以与100kg起飞重量级别无人直升机一较大小和重量。但是由于原理性的劣势，其参数表中的最大可承受风速仅有8m/s，此项指标意味着此机型只能在无风或微风环境下贴近地面飞行，完全不具备安全完成超视距飞行的性能。即使在只需贴近地面可视范围内飞行的小面积植保领域，此机型由于尺寸、成本、续航时间及抗风性能上的劣势，实用效率和性价比也无法与10-15kg药箱的较小尺寸电动四旋翼相比。另外，其每次飞行需要8块22000mah电池，不论是携带主备用电池还是对电池进行充电维护保养都极为不便。以上种种缺点，使得该机型基本上失去了电动多旋翼的主要优点。2.2油动多旋翼无人机油动多旋翼无人机采用多个发动机提供动力，每个发动机带动一个旋翼，旋翼螺距固定，通过调整发动机节气门控制转速改变升力，旋翼直接安装在发动机的转轴上，无需传动结构。优点是无需减速箱传动结构，载重量大、续航时间长。但是，油动多旋翼无人机的驱动方式和控制原理与大尺寸电动多旋翼无人机基本上是一样的，同样受到空气动力学原理的限制，大尺寸固定桨导致飞行速度小，抗风能力差，震动大。通过调整发动机节气门控制转速的变化比大尺寸电动多旋翼无人机控制电机转速的响应速度更慢，飞控的控制效果更差。虽然油动多旋翼无人机相对无人直升机省去了一个变速箱传动结构，但是增加了更多的发动机个数。发动机个数多，意味着维护工作量成倍增大，出故障的可能性也大，因而运行的安全性也大大地降低了。油动多旋翼无人机由于技术原理上的缺陷，目前只适合用于贴近地面低速飞行的农业植保领域。在需要大载重并且较高速度、较大航程、较高飞行高度的应用领域无法与无人直升机竞争。案例分析：壮龙无人机大壮（DZ310）油动多旋翼无人机该电动多旋翼无人机仅用于农业植保，官方网站无任何与其他应用相关的参数介绍。机身尺寸2300*2000*900mm，机身重量85kg，单架无人机具有6个活塞式发动机。目前无人机用国产微型活塞式汽油发动机虽然价格相对低廉，但还是存在着发动机寿命短，调试和维护复杂，故障率高等问题。据业内观看过该油动多旋翼演示的技术人员所说，该机起飞前的展开、准备、调试、检查等耗时1个小时以上，起飞后噪音极大，极其迟钝，犹如空中飞行的拖拉机。2.3油电混合多旋翼无人机油电混合多旋翼，按照动力方式划分，可分为油发电型与油加电型两种。油发电直驱方案具有机械结构简单，维护方便，载重量相对较大等优点，是目前应用较多的方案。油发电型其实就是普通的电动多旋翼将驱动电机的动力电池换成了油动发电机装置。通过油动发电，利用了燃油的高能量密度，大大提高了续航时间。通过直流电驱动无刷电机和旋翼，保留了电驱动操纵灵活的特点。但是由于部分载重能力需要用于搭载油动发电装置和燃油，使得该种机型的载荷能力较小，并且震动和噪音也比电动多旋翼要大。汽油发电机的工况受海拔高度、温度等环境影响较大，维护保养的便利性和可靠性均不如电池。油电混合多旋翼无人机在载荷尺寸小重量轻，工作环境较好，低速度低高度长航时的应用场合具有优势。由于其动力功率受制于发电机，而发电机功率的增大会导致体积和重量的急剧增加，所以不适合用于需要较大载荷能力的应用场合。而无人直升机可以同时具备较大载重能力，较高巡航速度，较高飞行高度和较长航程的飞行性能。瑞深航空研发的H2型油电混合动力系统载重3kg货物续航2小时飞行3.主要轻小型无人直升机构型分析无人直升机的构型和原理基本上源自于有人直升机。由于直升机研发的技术复杂性和可靠性要求高等原因，采用正向专门设计的无人直升机，基本上都是空机重量小于200kg，有效载荷低于50kg的轻小型无人直升机，而更大级别的无人直升机研发，大多选择成熟的有人直升机平台进行无人化技术改造。我们目前的技术和市场方向，也应定位于轻小型无人直升机这一细分领域。目前在中国市场上具有应用和技术发展的无人直升机构型，主要有以下几种：1）单旋翼带尾桨无人直升机2）共轴式双旋翼无人直升机3）纵列式双旋翼无人直升机4）交叉式双旋翼无人直升机3.1单旋翼带尾桨无人直升机在直升机发展初期，没有哪一种布局的直升机占有主导地位，不同的设计者根据自己的理解和喜好，设计出各式各样的垂直飞行器。但是经过多年的实践，单旋翼带尾桨的直升机成为世界上第一种得以大规模批量生产的直升机构型，并成为目前应用最为广泛的一种直升机。多数起飞重量较大的直升机也都采用此种布局。单旋翼带尾桨直升机构造简单，操纵灵便，确有其显著的优点。但是，尾桨需要不停运转以平衡主旋翼产生的扭矩，要消耗发动机10%以上的功率。由于需要尾桨提供扭力因此机身需要设计的更长尺寸更大，重心范围小。尾桨不但易产生有害震动和噪声，也是故障的多发部位。单旋翼带尾桨的构型被广泛应用于轻小型无人直升机，但其载重比、便利安全性等指标并不突出。无人直升机的发展都是由特定领域的应用需求推动的，因而如同载人直升机的发展过程，其他构型的无人直升机越来越多地被设计和制造出来，以满足特定应用领域需要的的突出优势性能。案例分析：西贝尔S100无人直升机S-100的最大起飞重量为200kg，任务载荷50kg，续航时间4h。据英国《防务系统日刊》2006年4月26日报道，西贝尔公司研制的S-100无人直升机通过了阿联酋的验收试验。验收试验在阿布扎比的沙漠环境下进行，气温超过35℃，地面风速达到46km/h。试验中，该机达到了3962m的飞行高度(在接近最大起飞重量的条件下)，飞行速度超过185km/h，还验证了搭载一套25kg有效载荷续航超过6h的能力。奥地利西贝尔公司的S100无人直升机是目前通过正向结构设计实现的最大载重无人直升机，也是目前轻小型无人直升机领域得到应用的最为成功的无人直升机之一。S100采用50HP转子发动机提供动力，应用了非常先进的一体式复合材料机身和结构设计，使得其空重得到有效控制，不但具有良好的飞行性能指标，而且最大滞空时间也达到了6小时（普通的载人直升机一般也就4小时）。虽然S100的先进设计已经有效地减轻了空重，将最大起飞重量控制到了200kg，而最大有效载荷能力也仅为50公斤。S100民用版售价约1000万元人民币。转子发动机大修周期约为200飞行小时。案例分析：雅马哈FAZERR无人直升机雅马哈是将无人直升机应用于农业植保领域最早也是最成功的厂商之一，雅马哈设计制造的活塞发动机无人直升机也是最为经典的无人直升机设计之一。雅马哈FAZERR是其最新一代的无人直升机系列产品。在小型活塞发动机领域雅马哈具有多年的技术积累和良好的品质声誉，FAZERR无人直升机配备燃油喷射双缸活塞发动机，可提供20.6kW的功率输出，且具有较长的使用寿命和大修周期（远大于涡轴发动机和转子发动机）。FazerR无人直升机主要用于农业领域，它能在空中每次最多可携带32升药剂，向接近4公顷农田喷洒农药。FazerR可以说是雅马哈基本垄断日本植保无人机市场的RMAX的最新改进型号。FazerR无人直升机植保型售价折合人民币约87万元人民币。值得注意的是其最新推出的FazerRG2工业无人直升机。据媒体消息，雅马哈计划从2019年起正式使用工业无人直升机“FazerRG2”来运送工程用材料和设备，以提高当施工地点位于崇山峻岭等交通不便的地方时，运送物资的效率。FazerRG2无人直升机全长3.665米、宽0.734米、高1.226米、最大起飞重量81kg，使用水冷四冲程发动机，只需加注普通汽油，续航时间可达到100分钟，续航距离90千米，一次能运送35公斤货物。在操控方面，这款无人直升机拥有卫星通信功能，即使飞到通常无线电信号到不了的区域，也能借助卫星对直升机进行操控。雅马哈发动机公司在新闻公报中说，这款无人直升机从2017年起就在日本九州电力公司的输电线建设项目施工现场进行工程用材料和设备运送试验，今年5月实现了一天运送672公斤物资的目标。3.2共轴式双旋翼无人直升机共轴双旋翼直升机具有绕同一理论轴线一正一反旋转的上下两副旋翼，由于转向相反，两副旋翼产生的扭矩在航向不变的飞行状态下相互平衡。通过上下旋翼总距差动产生不平衡扭矩可实现航向操纵，共轴双旋翼在直升机的飞行中，既是升力面又是纵横向和航向的操纵面。共轴式直升机具有合理的功率消耗(无用于平衡反扭矩的尾桨功率消耗)，优良的操纵性、较小的总体尺寸等特点。与单旋翼带尾桨直升机相比，共轴式直升机的主要气动特点为：共轴式直升机具有较高的悬停效率；没有用于平衡反扭矩的尾桨功率损耗；空气动力对称；具有较大的俯仰、横滚控制力矩。通常共轴双旋翼直升机的悬停效率要比单旋翼带尾桨直升机高出17%一30%，在相同的起飞重量、发动机功率和旋翼直径下，共轴式直升机有着更高的悬停升限和爬升率。因无尾桨，不但避免了尾桨可能造成的故障和危险，机身长度也可以大大缩短。与单旋翼带尾桨无人直升机相比，通常共轴式双旋翼无人直升机从性能上来说，具有较大的实用升限、较大的爬升速度、更长的续航时间、更大的载荷能力。其他方面，共轴式双旋翼结构更为紧凑，外形尺寸小，飞行稳定性好。由于需要在同一根主轴上安装上下两个螺距调节装置及自动倾斜器，并且在轴间驱动上下两个旋翼同步反向旋转，共轴式双旋翼直升机具有非常复杂的操纵机构和机械传动，并且其关键部件的材料要求很高，从而导致其出现机械故障和失效的风险大大增加，也进一步导致了制造成本的上升。由于尺寸的限制，轻小型无人直升机采用共轴式双旋翼的