清華大學航天航空學院王浩文團隊針對中國大田航化噴灑需求自主研制了專業植保無人直升機XV-2，并完成了面向大田植保作業任務的飛行測試，為精準農業、智慧農業時代的到來做好了準備。
提起無人機，很多人首先想到的是軍事應用及航拍；而實際上，無人機的應用早已不局限于此。其中一個重要的用途就是農業航空植保。在廣闊的耕地上空，無人機可以攜帶藥液，跨越或泥濘或崎嶇的道路，精準地將藥液噴灑到作物上，甚至可以檢查作物的生長狀況。與傳統的人工操縱地面設備進行灑藥的方式（主要是人工背負式打藥和行走式機械噴灑）相比，無人機噴灑藥物的航空植保方式可以有效地實現人藥分離，避免人與藥液接觸，因而不會發生中毒事件；同時由于航化噴灑過程中飛行器無須與作物進行物理接觸，即使對于密植的作物，也不會帶來行走式設備碾壓造成的減產問題。
中國作為農業大國，無人機航空植保無疑是農業現代化發展的重要方向。國務院發布的《全國農業現代化規劃（2016—2020年）》明確指出，到2020年，國家將力爭完成10億畝集中連片、穩產、高產的高標準農田，因此需要載藥量大、航時長、可自主進行航跡噴灑的無人機以滿足我國航化噴灑的需求。
早在2010年，清華大學航天航空學院的團隊就已經開始了無人直升機項目的研發。團隊致力于打造具有完全自主知識產權的無人直升機，并針對國內大田航化噴灑需求，研發出XV-2專業植保無人機。該無人機的最大起飛重量達230公斤，最大載藥量70公斤，與目前國內其他農業植保無人機相比，載藥量有了明顯提升。這款無人機作為全球最大的專業植保無人直升機，可實現超視距定高、定速模式下的精準航跡自主飛行，保證了大田作業過程中的精準噴灑。
團隊在XV-2無人直升機的研發過程中突破了多項關鍵技術，并根據農業植保的特點和需求進行了有針對性的優化。其研發設計過程中所使用的直升機空氣動力學、旋翼動力學、飛行動力學與控制仿真和設計軟件均源自團隊多年來的研究成果，其有效性及先進性已得到多個型號的驗證。同時整機飛控系統也由團隊自行研發，具有自主知識產權。另外，XV-2所使用的發動機由隆鑫通用動力股份有限公司生產和提供。如果說發動機是無人機的心臟，那么升力系統和飛控系統就是無人直升機的翅膀和大腦。可以說，XV-2無人直升機的誕生真正實現了“中國制造”向“中國創造”的轉變。
動力系統、升力系統設計是一項極具挑戰性的工作。在XV-2無人直升機的技術創新中，團隊對這兩個系統進行了高度集成化。團隊利用國產先進摩托車發動機功重比高、集成度高、核心部件批量大、配套容易、成熟度高等特點，提出了發動機、主減速器、起動機、發電機、離合器一體化的設計思想，根據無人直升機的動力輸出要求，將無人直升機的發動機、傳動系統、旋翼系統、操縱系統、燃油系統、滑油系統合并為模塊化的動力單元，以提高動力單元的功重比（專利編號：201210209175.4）。另外，團隊還對散熱系統進行優化設計，既能夠滿足動力單元熱機部分和傳動部分的散熱需求，又可以對集成在動力單元內部的大功率發電機進行冷卻，從而使動力單元適用于植保無人直升機重復起降、長時間懸停、低速前飛的特殊航化噴灑使用模式。
團隊使用自主研發的旋翼綜合氣動彈性動力學軟件，對XV-2的槳葉進行氣動及復合材料結構優化設計，首次將槳尖下反技術應用在國產直升機上，使其懸停效率接近0.8，達到了國際第四代直升機旋翼槳葉的技術水平。通過旋翼形成的下洗流，配合低高度飛行，可以讓藥液充分附著在農作物表面，從而實現最優的噴灑效果。
團隊所研發的XV-2無人直升機的另一個特點在于，它是一款混合動力無人直升機：其主旋翼由發動機動力單元直驅，尾槳由大功率電動機直驅。為了實現無人機這一混合動力設計，團隊提出了電動機直驅尾槳概念，去除了傳統直升機尾槳所需的傳動機構，在一體化動力系統內部通過集成大功率高效發電機，為尾槳電機和機載設備提供能量。另外，去除傳統直升機尾槳所需的減速器和傳動裝置等復雜結構，也提高了整機可靠性。
為了使XV-2無人機更好地進行農業植保作業，團隊自主研發了一體化飛控系統，該系統集成了飛行控制、導航、發動機外環控制等功能。一體化飛控系統的軟硬件完全由團隊自主研發，通過算法與軟硬件的一體化設計，保證了算法執行效率的最優。一體化飛控系統使用微機電系統（MEMS）慣性測量單元，通過濾波算法與溫控轉臺標定提高導航精度；通過使用實時動態差分法（RTK）定位模塊，實現對當前位置的準確測量；采用毫米波雷達高度計和氣壓傳感器融合的方法對直升機的地形跟隨高度進行精確測量。另外，團隊還針對XV-2飛行動力學特性研發了自抗擾、自適應飛控算法，可以實現定高定速模式下的精準航跡自主飛行。地面站軟件的自主航跡規劃功能結合精準航跡飛行控制，可以有效降低植保工作人員的負擔，提高作業效率，實現精準噴灑。一體化飛控系統中集成的整機狀態監測單元可對直升機的振動等關鍵信息進行實時監測，內部集成的自主返航功能可在緊急狀況下或農藥灑盡后實現直升機的安全返航，從而保證無人機的飛行安全。
團隊針對中國農業大田植保需求而研發的XV-2專業植保無人機，已于2016年9月在哈爾濱市雙城區完成了符合大田作業模式要求的超視距（高于550米）、低高度（低于10米）、額定作業速度（15米/秒）的自主航跡飛行科目測試驗證工作，并于2016年11月1日正式亮相第11屆珠海航展。
目前XV-2無人直升機的可靠性測試工作正在緊鑼密鼓地進行之中，包括關鍵零部件振動試驗、沙塵試驗、溫度濕度振動三綜合試驗、霉菌試驗、鹽霧試驗等。同步開展的耐久性飛行試驗，在不斷提高整機可靠性的同時，為地面人員操控方式的優化積累經驗。
未來，團隊將與農業信息化服務緊密結合，順應國內精準農業、智慧農業的大趨勢；同時針對不同領域的使用需求，細分無人直升機市場，打造全系列的無人直升機平臺，使無人直升機的每一次飛行更安全、更智能、更高效。
作者：王浩文、姜辰
（王浩文，清華大學航天航空學院航空宇航工程系教授、博導、首席研究員。一直從事飛行器設計和直升機動力學方面的研究和教學工作，研究方向包括直升機非定常載荷計算、直升機旋翼/機身耦合系統綜合氣彈分析、直升機振動與控制技術、以及無人直升機設計，建立了一套直升機旋翼/機身耦合系統綜合氣彈分析新方法，在國內多個直升機型號研制中得到成功應用，并在國內率先開展新概念電控旋翼系統研究。曾擔任某型號無人直升機常務副總師，并作為副總師參與某武器裝備創新項目及“863”課題各1項，自主研發200kg級無人直升機TH150。）
