混合型可垂直起降(Hybrid Vertical Takeoff and Landing,HVTOL)飞行器,简称混合模式飞行器,不但可以采用桨盘承载机体重量执行飞行任务,具备垂直起降和空中悬停能力;而且还具有较大的升力面,能够在水平巡航阶段采用翼载飞行模式降低能耗、提升巡航性能。因此,混合型可垂直起降飞行器被寄予了集直升机和固定翼飞行器优点于一身的厚望。无论是在目标监视、军事侦察、边海防无人值守、战场态势获取和用作单兵携行作战装备等军事应用领域,还是在输油输电管线检测、复杂空域快速投送、用作深空探测平台和应急减灾救灾等民用领域,混合模式飞行器都因其独特的起降-巡航性能而具有极大的应用前景。在垂直起飞、垂直降落和悬停飞行模式下,混合型可垂直起降飞行器的重量要小于机体的推力输出;而在水平巡航阶段,飞行器的重量可能会10倍于机体的推力输出。这种宽工况运行的推进系统,对能源动力选择、飞行器布局方案确定和总体设计均带来了极大的挑战。现有的设计方法和思路很难系统地解决这些问题。与此同时,飞行器的设计参数和状态参数与飞行器的性能指标之间,存在着某种内在的必然联系,揭示这些参数的作用规律,对于进一步认识混合型可垂直起降飞行器,提升其任务能力具有重要的参考意义。本文的研究旨在回答以下三个方面的问题:1.什么是混合型可垂直起降飞行器。由于混合型可垂直起降飞行器尚属新概念飞行器范畴,航空航天领域暂时还没有其明确的概念或定义。本文以美国联邦航空局对相关飞行器的划分为依据,对公开文献、网页资料进行广泛的收集和整理,对各种布局的混合模式飞行器方案进行分类总结,以几种典型的混合模式飞行器方案为例,归纳分析各自的发展历程和研究动向,对比分析各自的优缺点和技术瓶颈,以便形成初步的混合型可垂直起降飞行器树状族谱,从而为进一步的研究设计和性能分析提供依据。2.如何设计混合型可垂直起降飞行器。不同的任务需求,必然有不同的布局方案和尺寸规格选择。本文暂以中小型电动混合型可垂直起降飞行器的设计为例。基于调研结果和分类研究,选定结构简单、可靠性高且易于实现的双桨尾坐式布局方案,在建立机体质量模型、能耗模型、气动模型和电池放电模型的基础上,给出了中小型电动混合模式无人飞行器的总体设计方法。该方法的设计核心是以能量为中心,从能量供给、能量分配和能量消耗三个方面着手,研究如何配置合理的电池质量等问题以提高供给,研究如何减少垂直起降和悬停阶段的能量消耗、如何对现有能量进行分配来保证平飞续航性能。依据该设计思路和流程,在飞行任务和设计重量的约束下,开展小型电动混合模式无人飞行器的总体设计,通过数值仿真研究由电池质量占比和翼载荷所决定的可行设计域,分析设计参数和任务指标对飞行性能的影响,并将设计结果与现有的设计方案进行了对比。所述设计方法,可以为中小型电动混合模式无人飞行器的初步设计提供关键参数选择依据,为该类飞行器的进一步设计和实现做准备。3.如何评估和改善混合型可垂直起降飞行器的性能。本文主要针对混合模式飞行器的悬停时间、三维空间行程两项静态性能和飞行模式转换动态过程开展研究和分析工作。利用动量叶素组合理论计算飞行器的悬停功耗,基于电池的线性压降放电模型和推进系统各部件最优配置的思想建立了悬停性能评估模型,分析了推进系统参数对混合模式飞行器悬停时间的影响规律,设计地面模拟悬停系统并通过试验对仿真计算结果进行了验证。基于动量理论和电池的恒压放电模型建立了微型电动混合模式飞行器的三维空间行程评估方法,发现了该类飞行器非单调的空间可达包络。对混合模式飞行器任务剖面进行分解得到飞行模式转换过程的分类,针对该类飞行器低速状态下的动力学方程奇异问题,利用分段近似的方法在二维纵平面内建立了转换过程的动力学模型。针对本论文所设计的10千克量级电动混合型可垂直起降无人飞行器,以最短时间为优化目标,开展了高度跃升和垂直起降转平飞过程的优化研究,分析了推重比等参数对飞行模式转换过程的影响。针对这三类性能的分析方法和研究结论,不但可以用于混合型可垂直起降飞行器的性能评估,同时还可以为该类飞行器的进一步优化设计提供指导。本论文基于简化模型描述所开展的总体设计优化、参数影响分析、悬停性能评估与验证、以及飞行模式转换过程优化等研究工作,可为混合型可垂直起降飞行器的创新设计提供参考,为该类飞行器的工程实现和飞行试验提供技术支撑。