系留无人机常见核心技术详解

　　系留无人机是将无人机和系留综合缆绳结合起来实现的无人机系统，根据应用场景的不同，系留无人机系统分为地面固定式、车载移动式和舰载移动式，三种工作方式很好的满足了各种工作环境的需求。然而，在其中还是存在着几个核心的技术问题还没解决。

　　系留旋翼无人机的市场需求来源于系留气球升空平台系统。

　　系留气球升空平台系统是为定点监测电子装备提供的空基平台。美国的TCOM公司是著名的系留气球系统的生产厂商，美国西海岸的对海警戒雷达网都是由TCOM系留气球作为空基平台部署的。

　　然而，系留气球体积庞大升降困难，机动性适应性都很差。业内一直在进行着，通过系缆从地面供电，由电机驱动螺旋桨替代气球作为升空动力，创新出系留旋翼升空平台系统的研究。但上个世纪稀土电机尚待开发，电机自身重量过重，功重比不足以支持系留旋翼系统的开发应用。

　　近年来，多旋翼无人机的快速发展，为实现系留旋翼升空平台系统提供了技术上的支持，许多无人机厂家也开展了系留旋翼系统的研发，称为系留旋翼无人机。

　　说说系留旋翼无人机几个技术难点：

　　1、驱动电机的功重比。

　　功重比是指电机输出功率与电机自身重量之比，单位是千瓦/千克。根据旋翼类航空器升力/功率比的经验数值，每千瓦功率大约产生5～10千克的升力，电机的功重比低于1千瓦/千克将比较难设计系统了。

　　在此强调的是，电机功率指的是额定功率，而不是最大功率；电机重量包括电机和电调以及为其正常工作的冷却设备。系留旋翼必须是长期持续工作的，不象多旋翼无人机可短期间歇工作，驱动电机是动力的核心部件，一定要工作在额定的功率范围内。

　　2、高压供电系统。

　　系留旋翼和多旋翼无人机最大的区别在于供电方式不同。从地面向空中的系留旋翼平台供电必须经过一定的输电距离，采用高压供电方式可减小输送电流，从而减少电源损耗，同时可减小传输导线的截面积，减轻电源电缆的重量。

　　高压供电并不是电压越高越好，而要根据实际的系统要求综合考虑。一种方式是，输电电压可直接匹配高压电机，电压不需转换直接驱动电机，结构较为简单。但这种方式要进行高压电机的设计，受到电机电调大功率高压控制器件的限制，尤其在成本上难以接受。另一种方式，要在平台上设计降压用的开关电源，用多旋翼现有低压电机驱动；但开关电源同样存在功重比的要求和大功率高压控制器件的制约，也是要付出一定代价的。

　　3、系留系缆。

　　系缆除了传输动力电源之外，还设计有光纤以传输平台载电子设备的光电信号，因此系缆是一种动力/信号复合缆线。

　　平台载电子设备为减少升空设备的重量，普遍将天线、发射机之外的设备放在地面，而通过系缆光纤保障平台与地面设备之间电子信号的连接。这样可节省出平台升力，增加升空高度，提高升空增益。

　　系缆自身也需要减少重量，目前可采用合金铝材料作为动力导线，比铜线要轻不少重量。

　　4、飞行控制功能。

　　系留旋翼平台主要是在定点周围悬停，不会有过多复杂的飞行动作。这看上去比多旋翼的飞控简单，其实并非如此。系留旋翼的飞控需要充分考虑系缆对其飞行的影响，尤其是在各种风场条件下，系缆随风产生的摆动会使平台失去控制。

　　民用系留旋翼无人机至少要达到恒风6级阵风8级的要求，才能有实际使用意义。在6～8级的风场中，系缆并没有固定的运动规律可言，要靠飞控对旋翼平台控制的鲁棒性来调整，难度是很大的。

　　5、旋翼平台气动力设计。

　　考虑到系统旋翼平台要在强风场中运行，平台的气动力设计就尤其显得重要。系统旋翼平台在风场中悬停，实际上相当于平台在沿来风方向做平面飞行。6～8级风速为10.8～20.7米/秒，相当于旋翼平台要有最高时速不小于75千米的能力。

　　要达到这样的时速，固定翼的气动力设计较为合理。近期演化出一种垂直起降固定翼无人机，实际上是多旋翼+固定翼两套动力系统简单组合，从无人机本身效益讲并不经济，但能解决特定场合固定翼起降的问题。

　　垂直起降固定翼的气动力设计应用于系统旋翼具有较大的优势，系留旋翼由地面供电，能源比较充足；两套动力系统在强风场中各有用途，垂直动力系统保持平台悬停姿态；水平动力系统使平台逆风飞行；固定翼外形可为平台产生升力，减轻垂直动力系统的负担。

　　系留旋翼无人机已经面临着广泛应用的阶段，但从能够使用到实际使用得好还有一些距离，有望业内同行共同努力创新。