科创中国

行业领域

高端装备制造产业,航空装备产业

需求背景

当前国际和地区形势正经历深刻复杂的变化，在新冠疫情冲击等客观因素和各国政策调整等主观因素的作用下，国际形势中的不稳定、不确定因素明显上升。美国已将中国视为最大威胁，企图挑起新“冷战”，全方面打压遏制中国。拜登上台后致力于与澳大利亚、日本和韩国的条约联盟，并加强从印度到印度尼西亚的伙伴关系，加强对我国的围追堵截。台湾当局甘当“马前卒”，沿着分裂的道路越走越远。印度妄图转移国内矛盾，持续故意制造与我国边境摩擦，并购买大量西方先进战机扩充军力。俄罗斯面对以美国为首的北约组织步步紧逼东扩，开展对乌克兰“特别军事行动”，冲突已引发俄乌双方及国际社会未曾遭遇的新的重大挑战。无论是美国发动“代理人”战争或“赤膊上阵”，还是全球地区复杂局部冲突，中国都要做好积极应对。为破解目前美国对我国东南沿海方向形成的包围态势，瓦解美国遏制我国海上贸易与军事通道的险恶意图，我国正在全力打造一岛链区域绝对控制、二岛链范围有效拦截、三岛链远程战略威慑的作战能力。

      短距/垂直起降飞机是海军主要舰载航空装备类型，是新一代海军装备体系建设的重要支撑。短距/垂直起降飞机对跑道条件要求低，能在前沿和攻击舰上跟随地面部队部署和攻击，对前方支援回应速度快，使用非常灵活，同时能在恶劣气象条件下起降，生存能力相比普通战斗机强。美军创造性地把垂直起降战机放到了两栖舰上，解决了轻型航母无法起降常规舰载机的问题。目前短距/垂直起降飞机一方面发展了海鹞/AV-8B和F-35B等典型型号，主要搭载两栖攻击舰，承担两栖编队/闪电航母编队防空、对海对陆打击、登陆火力支援等任务；另一方面也发展了倾转旋翼机（如V-22鱼鹰和V-280等典型型号），主要搭载于航母和大型两栖舰船，承担运输、兵力投放等任务，可拓展搜救和反潜等任务。

      飞行器构型的变化是实现飞行性能提升的必要途径。为提高我国海军作战能力，本项目拟开展新概念变体短距飞行器平台设计研究，探索气动、控制、变体设计及相关新技术应用途径。通过构型变化实现飞行全程较优气动布局，有力提高未来舰载机飞行性能和作战效能，在未来短距飞机研发中走出独立自主、创新发展的道路。

需解决的主要技术难题

1．可变涵道机翼机构/气动设计技术

舰载可变涵道机翼无人机具有独特布局形式，其通过涵道变构型实现不同飞行状态气动性能需求，具备低速超短距模式、变体过渡模式、高速全涵道模式三种飞行模式，有力提高舰载无人机作战效能。然而可变涵道机翼多模式飞行过程中气动干扰特性复杂，尤其变体过程中的流场迟滞效应、附加运动效应、固壁牵连效应等因素，都会削弱空气动力学模型对时变气动特性的预测精度和准确性。目前仍缺乏对舰载可变涵道机翼非定常气动动态特性的了解，其属于学科方向的研究空白。同时变构型机构与结构是实现舰载无人机变体的核心和根本，机构设计期望实现刚度大、响应快、承载能力强等优点，但尚缺少可变涵道机翼变构型机构设计理论与方法。因此，可变涵道机翼机构/气动设计是本项目核心创新点，也是最为需要解决的关键技术之一。

2. 变体过渡模式的复杂飞行动力学建模及控制律设计

舰载可变涵道机翼无人机作为新概念无人机平台，传统的气动力建模等经验公式可能不再适用，并且变体过渡模式下气动特性复杂（产生气动力的部件多、部件之间的耦合影响严重），过渡飞行状态不确定性，导致变体过渡模式的飞行动力学问题复杂。同时过渡模式的舰载可变涵道机翼无人机是一个多通道耦合、输入非仿射的非线性系统，还存在过驱动问题，因此给控制器的设计带来很大挑战。此外，在过渡模式，涵道变构型对无人机姿态、空速、稳定性都会产生极为重要的影响。因此，变体过渡模式的复杂飞行动力学建模及控制律设计是本项目的关键技术之一。

3. 多工况、多约束条件的总体布局设计技术

在低速超短距模式下考虑螺旋桨抽吸作用的低速飞行能力；在高速涵道模式下，直机翼、平尾和环形翼三部分产生的升力总和等于飞机总重，并且要满足高效巡航升阻比；同时变体过渡模式需要实现半涵道和全涵道构型的相互转换，过渡过程中既存在升力面的转移，又存在操纵权限的交接，飞行动力学特性和气动稳定性也在变化。因此，面对多工况、多约束条件，综合考虑机身、直机翼、可变涵道环形翼、螺旋桨和平尾相互影响的总体布局设计是本项目的关键技术之一。

期望实现的主要技术目标

1.获得短距起降可变涵道机翼无人机多模式下气动特性影响规律；

2.给出满足舰载特性要求的短距起降可变涵道机翼无人机总体方案；

3.建立变速变构型短距起降可变涵道机翼无人机全飞行模态飞行动力学模型，螺旋桨和环形翼气动力建模计算与风洞试验误差小于10%，典型飞行状态配平操纵量及姿态角误差小于15%；

4.发展1套适合于变速变构型短距起降可变涵道机翼无人机智能自适应变体策略，较好实现飞行距离和飞行时间的最大化

5.完成1架舰载可变涵道机翼无人机电子样机，并给出1架原理验证机。

需求解析

解析单位：“科创中国”航空制造产业科技服务团（中国航空学会） 解析时间：2023-11-23

杨亮

中国航空学会

高工

综合评价

油动力四涵道垂直起降无人机系统(以下简称四涵道)是依托相关成熟技术，以国家战略背景和无人机发展背景为需求研发的多功能小型无人机系统。当前的多旋翼垂直起降无人机多存在航时短、载重小、安全性不高等缺陷。特别是在高端民用及军贸领域市场，针对安保、反恐、边境巡逻及武装作战等使用领域的无人机研发还有待拓展。带矢量推力涵道发动机的垂直起降无人机，包括机身，所述机身中部和尾部分别固装有机翼和垂直尾翼，所述机翼末端有翼尖小翼，所述机翼下方安装有矢量推力涵道发动机，所述垂直尾翼与所述翼尖小翼均设置有起降缓冲机构；所述无人机通过起降缓冲机构进行垂直起降、停放，一方面使其具备了固定翼无人机的飞行速度，另一方面可以像旋翼无人机一样进行垂直起降、悬停，大幅度降低了无人机对场地跑道的依赖。

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