随着技术的进步，直升机在国防和通用航空领域的应用不断拓展。到目前为止，直升机技术已经历了四代发展。近年，多旋翼无人机在大众消费领域的普及以及在行业应用领域的拓展，使垂直起降飞行器在民用市场得到了广泛关注。但目前市场上作为主流的多旋翼无人机由于其固有的载重小、航程短的限制，无法满足重载、长航时的应用需求，制约了其在更广泛领域的应用。近两年火热的城市空中交通概念中，垂直起降飞行器是关键环节之一。在重载垂直起降飞行器方面，传统布局的直升机形式仍然是气动效率最高、可靠性最高的主流交通工具。面向不同应用，在世界各地出现了许多新构型垂直起降飞行器，如倾转旋翼飞行器、垂直起降固定翼飞行器等，同时人工智能技术在航空领域也得到了更深入的探索和应用，比如基于视觉的自主飞控等方面。那么当下垂直飞行器技术所面临的主要挑战是什么？国内外技术发展状态如何？国外高速直升机技术的发展情况如何？随着信息、能源、新材料、人工智能等技术的发展，直升机的功能也在不断拓展，在今后一段时间内，直升机将呈选怎样的发展趋势？希望通过此次嘉宾的分享给予关注垂直起降飞行器技术的各界人士一些启发与指导。
▲嘉宾直播视频回放：《北航无人直升机技术发展与应用》——陈铭
从事直升机设计专业教学与科研30年；现任北航直升机研究所所长，主持设计并试飞成功总重50公斤到500公斤8个型号；指导毕业博士、硕士研究生数十名。担任国内第一架共轴式无人直升机BZK-010副总设计师、总设计师职务，主讲直升机气动设计、直升机总体设计课程，承担并完成多项来自科研院所、军工集团、电力部门的无人直升机研制项目。曾获得第四届中国航空创新创业大赛第一名。
1.北航30年工业级无人直升机研发历程
2.北航重载工业级无人直升机技术特点
3.北航重载工业级无人直升机行业应用
直 播 回 顾
REVIEW
大家好，我是北京航空大学直升机研究所的所长，是北航无人直升机技术团队的负责人。今天给大家介绍一下北航无人直升机技术发展与应用。
下面先介绍一下北航直升机所的概况。北航直升机所有30年的历史。从89年开始论证国内第一架共轴式无人直升机，后来92年立项，开始研制，95年首飞，研制成功了国内第1架共轴式无人直升机，填补了国内这个领域的空白。
在人才培养方面，北航直升机所2002年就开设了直升机设计的专业，开始承担直升机设计的教学任务。直升机所的研究生几乎都参与了无人直升机的设计与计算，我们先后培养了10个博士、40多名硕士，获得数十项专利，发表数十篇论文被SCI，EI检索。另外就是科研成果，30余年来承担北京科委、陆航、中电集团、兵器集团、中船、南方电网、中国移动等多家单位项目。形成了无人直升机工程化，系列化的特色，解决了大量技术难题。先后有8个型号试飞成功。具备完整的直升机设计、调试、生产、服务能力。我们还开设了直升机的专业课，学生结合我们自主研发的直升机、无人直升机进行研讨和学习，这是我们车间的一个型号F-120。我们研究的一系列的无人直升机都是国内首创、自主研发的。
首先是1995年我们首飞成功了，国内第一架共轴式无人直升机海欧，总重在300公斤；在2003年研制的小型无人直升机M22首飞成功，总重有50公斤；后来在2006年，我们研制100公斤的共轴式无人直升机 FH-1首飞成功；08年f60首飞成功，这是单翼带旋尾桨的60公斤。09年我们成功研制成功国内第一架120公斤级的无人直升机F-120，并成功首飞。2012年我们研制300公斤级的F-300并首飞成功，这是双发共轴式无人直升机，2017年我们首飞成功500公斤级的共轴式无人直升机。2018年，我们研制国内第一架电动的共轴式无人机，它是50公斤级的。另外在去年，我们已经开始研制一吨级共轴式无人机F-1000，目前已经进入到样机状态。2018年我们研制出国内第一架2吨级三桨叶电控共轴双旋翼系统，用于研制2吨级垂直起降飞行器。北航直升机所多年来坚持无人直升机全系统设计及研制的发展思路。坚持从总体设计、气动设计、结构部件设计、飞控建模到试制、试装、试调、试验、试飞、行业应用的全过程攻关。我们的机型覆盖50公斤到一吨级别的无人直升机。双发共轴是我们从气动布局上的首创，同时还有单旋翼布局的无人直升机。
专业化，由北航飞机设计专业的教授和研究生团队、硕士生以及专业的技术人员组成了技术团队，目前我们挂靠在北航无人系统研究院，这是一个既有专业基础和专业背景的团队，另外从理论到技术的发展具有持续性。共轴式，共轴式直升机是北航第一个研制，它有体积小，无尾桨的特点，便于运输和起降，气动效率比较高，填补了国内的空白。共轴式直升机有好几种不同的构型与多项专利，在技术层面我们属于领先地位。工程化，按型号研制流程，数百次实验，数千架飞行，数千飞行小时，累计各种实验报告300份，MTBF达到数十小时。系列化，从7公斤到500公斤级有8型无人直升机试飞成功，未来还会有一吨、两吨的重载共轴式直升机。重载长航时，载荷都在250到1吨，航时都在5个小时以上。创新性：从未停止对无人直升机技术的探索和研发，坚持全系统设计，追求高气动效率、重量效率及可靠性。创新是有目的的，创新不代表先进，我们的创新是为了追求先进而创新。
先进是有指标的，先进靠什么？气动效率、重量效率、可靠性，拿出来指标去比，这才能代表先进。这是我们面向工程应用的特点。在高校里，我认为大部分不是面向工程应用，而是面向论文的。什么叫面向工程应用？ 我们做了各种实验，光各类试验计算报告274篇；试验项目120项；总计飞行架次2600多次；飞行时间：1286小时。这是系留飞行试验。每架直升机至少要做100多个小时的系留飞行试验，才敢去飞。这是桨叶振动特性及强度试验，要测量桨叶的振动特性和强度，这是共轴缩比风洞试验，共轴的缩比模型在俄罗斯进行的试验。这是航电设备环境试验。这是台架试验，测量旋翼系统的振动特性。这是机体激振试验，机体的固有频率是多少，要通过这个实验来进行测量。另外还研制飞控导航系统，具有非线性系统辨识技术、非线性控制技术、多任务管理系统、加密指令通讯系统，这是它的硬件和软件，所达到了功能和采用的一些方法。
这是1995年首架共轴式无人直升机，1992年立项；1995年首飞；2005年实现50公里往返自主飞行。2008年陆上鉴定。填补国内空白；这架M16直升机是国内首架共轴式单座有人直升机，1997年首飞成功，进行了较完整的适航工作（只差自转下滑）。
后来又进行了各种的研制。这是2004-2006年完成FH-1的设计及研制。这架直升机第一次采用双发布局，即左右两台发动机，这样既可以提高安全性，也为发动机进行维护使用提供方便，另外在前后机身拥有很大的装载空间。同时这架直升机我们也是第一次采用上旋翼加稳定杆的机械增杆系统这样一个形式，从而增加了飞行稳定性；可手动飞行。另外我们在旋翼操作系统上，第一次实现半差动航向+CCPM操纵模式，解决了遥控器与舵机通道的操纵融合问题。这是在原有的基础上进一步提高。直升机的任务载荷25公斤，可飞行2小时，是用于近区时实图象传输、对地观测、中继转发的多用途无人直升机。2013年，通过国防科工局的技术鉴定，具有多项创新技术，先后交付用户12家。
这是FH-1的一些实用案例，通过放个录像给大家看一下。这是在电力巡线实验，这是夜间侦察试验。这是北京的林业撒农药的项目。
接下来是F-300双发共轴式无人直升机，它的最大起飞重量实际上是300公斤，空机重量150公斤。这架直升机是2011年完成设计，2012年完成样机制造，经过实验达到自主起降与自主导航飞行功能。这架直升机也是双发共轴，我们利用旋翼滑流的水冷散热系统，效果很好。省去了风扇，节约了能源和重量，同时散热器还可以当平尾使用。这是我们的一个创新。
F-300双发共轴式无人直升机针对当时国外的s100，这种直升机在国际上比较知名，但是国内又没有这类型的无人直升机，只能从国外引进。针对这架直升机的性能，想在空机重量与 s100无人机相当，体积与尺寸也与之相差不多，采用共轴双旋翼超过其性能的目标。
任务载荷与续航时间的不同搭配能力超过S100无人直升机（同样任务载荷，续航时间超S100；同样续航时间，任务载荷超S100）；飞行性能（速度、航程、航时、升限）全面超过S100无人直升机；发动机功率超过S100无人直升机，采用双发布置；最大起飞重量超过S100无人直升机。当时的目标是这样的，后来我们试飞成功，而且完成一次中国移动的空中基站的任务，我们可以看到直升机的双发、前后油箱的对称，有很大的装载空间，这是我们F-300共轴直升机。
下面这张是F-120无人直升机，它是2009年完成设计，并进行首飞，经过两轮设计更改，到了目前这种状态，这架直升机平均无故障时间超过10小时，经过大量的实验，成为了国内的一个品牌，这架直升机的最大起飞重量是130公斤，空机重量75公斤，最大耗油率10升/小时。
当时研制F-120，是因为2017年日本禁止向中国出口Yamaha，国内没有这种量级直升机。在这种情况下，我们自筹资金、自主研发F-120的无人直升机。直升机采用盒型件结构和模块化设计，达到比较高的重量效率和气动效率。汪洋副总理2013、2014年先后两次在河南现场视察该机作业。在性能指标上F-120已经超过了Yamaha。在同等量级当中，在性能上也是超过其他国家。
这是F-120的编队飞行实验。在2019年我们又完成了一次F-120的海上飞行，是配合中国渔政海上联合执法，观察海上的是否有违法的行为？我们看一下，这是F-120第一次在海上执行任务。同时也看到在国内目前还没有这样级别的无人直升机能够在海上这种应用的。F-120还用于森林防火的巡查。这是在吉林进行了一次巡检。另外 F-120还完成了探矿任务，这是在江西赣州完成一个铀矿的探测，在方圆10平方公里进行扫描，在地面站上进航迹规划，无人机按照规划进行飞行。同时完成中广核的核污染的探测，内蒙公安侦查项目，搭载单光子探测雷达环境检测任务。
下面介绍一下F-500共轴式无人直升机，这架无人直升机是2016年完成设计，2017年实现自主飞行，后来又经过大量试验，达到执行任务状态。
最初设计目标是察打一体、物流运输、应急救援。这架直升机的气动效率和重量效率都是非常高的。F-500总体重量500公斤，空机重量250公斤。在纯负载150公斤的情况下，它可以飞行5个小时，如果负载50公斤的情况下，可以飞行12个小时，升限超过6千米，到海拔7000米仍然还有140公斤的载荷能力。耗油率20L/小时，这是真正意义上的重载长航时无人直升机。
F-500共轴式无人直升机的采用共轴双旋翼，旋翼直径6米、机长2.3米、机高1.8米、机宽1.2米，用小型厢式货车即可运载，有较高的气动效率和重量效率。目前载荷、续航能力超过国内同等量级无人直升机。F-500是属于高原型的，采用带涡轮增压器发动机，海拔7000米是还有100多公斤的载荷能力。另外还具有振动小的特点。
F-500共轴式无人直升机采用了很多创新技术，包括合理旋翼转速、桨距分控系统、高升阻比翼型、大扭矩离合器、旋翼系统隔振、多点外载连接、钛合金机身、发动机减振、抗疲劳设计、无尾翼设计。另外它飞行时前后左右和垂直方向的振动，主阶频率就不超过0.05g。这在行业内是比较低的振动水平，这是通过隔震、减震，包括挥舞摆振方面的设计，达到这样的水平。我们看下F-500的飞行试验视频。
2019年，F-500还完成了一次山区的吊运工作。把几百公斤的钢结构件从半山腰吊运到山上去，我们看到用一辆小型厢式货车就把F-500运到山腰，在半山腰进行起降。这是一个典型的应用案例，如果用人力，需要8个人3匹马用耗时25到30天完成这个任务，但用我们的F-500完成这个任务，只用了6个架次，历时两天，单次最大吊运重量150公斤。这就为这种没有路，点对点的运输，无人直升机提供了很有用的工具，大大提高了效率，这实际上也是未来重载无人直升机发展的重要方向和重要应用。
我们可以看到山区的地形非常复杂，这里是山顶，直升机要越过山谷，把物品吊运上去，如果直升机出问题，那么直升机不仅损失，还会带来火灾。因为直升机是用燃油作为动力，所以这对直升机的可靠性要求是非常高的。我们的F-500进行大量的飞行试验，经过几百小时的飞行试验，就是为了能够可以放心使用。我们的团队在这个工作中不仅大胆谨慎，同时还承担了很大的压力。为了完成任务，技术团队做了大量细致的工作，表现出了很好的科研和工程应用能力。我们可以看到，直升机在投放重物后，机体姿态稳定，具备很好的飞控导航精度。我们技术团队在接到任务后用了半个月的时间完成了吊运系统研制及试验。下面是任务飞行视频。
2018年我们又研制出电动共轴无人直升，它采用两个电机，实现共轴反转，它的最大起飞重量是55公斤，这个载荷能力达到最大是23公斤可以飞到22分钟，这个5公斤可以飞40分钟，它的空机重量只有18公斤，这是在不算电池的情况下，具有尺寸小、载荷大的优点。这是它的关键技术：传动系统、操纵系统。
我们现在正在研发一吨级的共轴式无人直升机，目前已经完成样机装配，下一步要做开展实验工作。这架直升机旋翼直径是8米，机高2.4米，功率是230马力，空机重量小于500公斤，最大起飞重量是一吨，载荷达到500公斤，这是是真正意义上的重载无人直升机。
未来无人直升机的发展可能会向两端发展，一个是重载，一个是微小型。作为交通工具来说，它一定要能装东西，还有一个要看一看，大部分都是这种光电吊舱侦查的情况，这是满足大部分市场需求。还有一种是特殊的特殊设备，例如F-120作为一种勘察测量的装置，属于特殊的行业应用。
那么现在我们还在研制两吨级无人直升机，现在旋翼系统已经研究出来，后期要把机身作为飞车构型进行研制。这个共轴旋翼系统能传递的功率达到500千瓦，负载能力达到两吨，所以这也是更重的一级。未来的无人直升机或者叫陆空两用的飞车，这是作为下一步的研究内容。
以上说的是我们团队的研发直升机以及它的应用和技术特点。在此我们来说一下油电无人直升机相互比较的特点，在市场上我们看到一种是用燃油做为动力发动机，一种是用锂电池作为动力电机。这两种最大的区别就是能量密度不同，燃油能量密度是每公斤12.2千瓦时，锂电池能量密度约每公斤185千瓦时，之间差距100多倍，同时燃油是消耗型，越用越轻，而锂电池则是重量不变。这是二者之间最大的区别，多旋翼一般都是采用锂电池作为动力。
说到旋翼功率就要谈功率载荷和飞行器重量之间的关系。它有一个经典的公式，这个公式反映出总起飞重量，功率、旋翼、直径三者这么一个关系。三者这么一关系，还有功率系数与拉力系数之间，旋翼需用功率与拉力（重量）不成正比；比拉力增加得快，是它的3/2次方拉力，比拉力增加的快，这说明小型无人直升机的功率载荷（桨效）是比较高。而越大的直升机，它的功效会差一些。 举个例子，像多旋翼无人机功率载荷能达到每千瓦12-15公斤，但是在重型直升机上，它一般是每千瓦6到7公斤，这是很高的重量载荷。这是从功率、载荷和重量之间的这种关系来衡量。下面我们从续航时间来看，有了桨效、功率载荷、能量密度，我们就可以分析电动执行的续航时间，假设电池质量为y，机体质量为x，滞空时间是h，能量密度是200瓦时每公斤，这样我可以列出：200能量密度乘以电池质量就是在功率情况下所能持续的时间，在除以时间h就是能量了。这是从能量角度去思考。接下来我们从桨效考虑，x+y是机体质量和电池质量全部加起来，就是总重，再除以桨效，就可以等到功率，也就是电池所提供的功率，就是满足旋翼所需的功率。两边相等，能够得出公式。根据公式，我们知道即使没有载荷，没有结构，没有旋翼，只有电池重量；x=0； h=3（小时） 这是桨效很高的小载旋翼。对于重载直升机，功率载荷（桨效）是其一半，则航时减半。因此多旋翼无人机与传统布局的直升机是分两部分，一部分是气动设计，一部分是能源。在气动设计方面，不是旋翼越多越好，而是越少越好，大家看一看外国飞的重载有人直升机，哪有这么多旋翼？多旋翼只用电，只是电加小桨叶。多旋翼用油不行，用大桨叶也不行，这就限制住它的能力。多旋翼无人机是通过变转速来实现，而直升机是变距来实现，直升机的大桨叶不能变速，所以这两个结构特点和气动布局是不同的。这就注定电动多旋翼是不能进行大载荷长航时飞行的。我认为北航无人直升机的发展历史就是中国无人直升机发展历史的重要组成部分，北航是自主研发、从无到有的无人直升机发展历史，在此我也感谢曾经支持过我们无人直升机发展的单位、研究所、企事业单位。在此表示感谢。我们下一步还是征途艰险，继续前行，不忘初心，牢记使命，也希望大家能够继续支持中国无人直升机的发展，支持北航无人直升机的发展！
Q
关于垂直起降飞行器的动力系统，现在国外都往纯电动方向或油电混合研究方向去发展。请问您对国外的这种发展趋势有什么样的看法？哪种动力系统会是主流呢？A
纯电动和油电混合，我认为目前还在研究阶段。它起源于能源问题，也就是最大航时的问题。假如用每公斤200瓦时的能量密度来说，以现在的纯电池肯定是不能够满足长航时、大载荷，的要求。现在国外出现的情况，主要是发动机要用涡轮扇或涡喷发动机发电，发电之后再去带动旋翼，这种情况比较多。纯电的情况下，依靠电池的状态，目前来讲还没有达到实用状态，还是探索的过程。
Q
目前共轴直升机的研制难点主要在哪里？共轴旋翼的气动结合耦合效应以及流动控制的方法，这方面您能不能给大家稍微简单的介绍一下？A
这个问题北航已经做了几十年，气动干扰肯定是存在的，上下旋翼的气动干扰。从气动特性来说，两个旋翼的干扰比单旋翼一副旋翼气动效率要低一些。但是综合起来的话，因为单旋翼有尾桨平衡反扭矩，也要消耗功率，尾桨功率大概消耗了10~15%。
另外共轴直升机，它可以通过加大旋翼直径，减小桨盘载荷来提高它的效率，而且不会影响机身的结构。共轴双旋翼是大旋翼就像F-500，机身两米多，旋翼直径有六米。这样的话可以把桨盘载荷降低，把功率载荷提高，达到高效。可以去进行设计。实际上大旋翼是最占便宜的，直径越大的旋翼越占便宜，比很多的小旋翼放在一起效率高。这是从整个动量法和能量法角度出发。
关于气动干扰的问题，气动干扰存在，但它不影响飞行或者不影响研制。不要太学术化，这个问题工程上能实现，最主要的问题是两个旋翼不要让它相碰。现在已经有很多的方法去解决。
Q
共轴无人直升机现阶段最大的飞行速度是一个什么样的水平？主要受制于哪些因素？A
俄罗斯的卡50是共轴直升机也是武装直升机，最大的飞行速度达到300公里时速。你们可以查一下直升机手册。双旋翼速度可以更高一些，复合式刚性旋翼可能会更高。
Q
请问旋翼减振设计的主流方向是什么？A
旋翼减振设计很多方面，旋翼本身需要调频设计，避开旋翼转速与旋翼主阶固有频率重合，并留有余度。挥舞与摆振的设计要考虑减振。另外机体隔振减振有多种方法。机体固有频率也要与旋翼转速在某几阶避开。需要多方考虑，结合具体型号，具体问题。
随着直升机在国防和通用航空领域的应用不断拓展。旋翼无人机在大量领域的普及和应用，使垂直起降飞行器在民用市场得到了广泛关注。近两年火热的城市空中交通概念中，垂直起降飞行器是关键环节之一。面对不同应用，在世界各地出现了许多新构型垂直起降飞行器，如倾转旋翼飞行器、垂直起降固定翼飞行器等，人工智能技术在航空领域也得到了更深入的探索和应用。作为专注航空产业创新创业与国际投资促进的平台，中国航空创新创业大赛CAIEC和空天界一直在关注疫情的发展，我们坚信疫情是暂时的。一定能转危为机，让这段痛苦的时期成为我们反思、转型升级的绝地反击，成为中国航空航天产业和欧美国家重建格局的机遇。
第五届中国航空创新创业大赛已于一月开启报名通道，疫情当下大赛全面调整赛程设置，围绕中小企业经营难、融资难推出《CAIEC在线》——空天创客营LIVE和伯乐计划LIVE系列公益直播，开展在线帮扶、对接、培训工作。CAIEC与中国空天创客共克时艰！本文为CAIEC在线直播的文字内容整理
分享嘉宾：北京航空航天大学直升机研究所所长/飞行器设计专业教授/博士生导师—陈铭
整理人：仰望