城堡里學無人機：涵道型無人機飛行原理
涵道無人機（Ducted Fan UAV）正如其英文名一樣對我們而言比較陌生。
提起「涵道」，這兩個字大家可能比較熟悉，但對於「涵道」涉及到的飛行器及其它概念，大家可能很不陌生。比如「涵道發動機」，「涵道風扇」這兩個概念是否一樣呢？
上圖是俄制HK-93涵道發動機
上圖是最近比較有名的以色列快騾-Fast Mule，屬於涵道類無人機，其中很明顯的是涵道風扇。
從上圖來看「涵道發動機」和「涵道風扇」明顯是不同的。但更令人容易產生疑惑的是，在飛行器設計中兩者在很大程度上是「一樣」的：涵道風扇技術的理論與實驗研究基本是照搬上個世紀50年代對常規布局飛行器動力裝置的喊到發動機進行研究所得出的結論與數據。簡單來說，在涵道無人機的設計上，普遍採用的實驗數據和理論都是從涵道發動機中獲得的。
1.涵道無人機機型特點
相對於固定翼型無人機、直升機型無人機、多旋翼型無人機，「涵道無人機」更體現出飛行器構造概念在表現形式上的靈活性。
上圖為美國Sikorsky公司研製的Cypher-1型涵道無人機。
上圖看上去有著很強的固定翼飛行器結構，但確實由Sikorsky公司設計的Cypher-2型涵道無人機。
在CES2016中被很多媒體稱為「球型」無人機的Fleye其實和2000年成功試飛的美國Allied Aerospace公司研發的i-STAR無人機有著類似的飛行器設計結構。
上面子這些涵道無人機從外形來看區別非常顯著，有些機型看上去似乎是兩種類型的混合型（如：Cypher-2），但事實上它們都是貨真價實的、徹徹底底的涵道飛行器。
因此飛行器結構概念的區分不是以外型作為區分出發點，而如系列文章第三篇「城堡里學無人機（三）：多旋翼型飛行器原理」所述應以姿態控制方式，扭矩平衡方式來進行區分。
2.涵道無人機控制方式
一般說道無人機的控制方式只涉及到姿態控制方式，比如固定翼。
對於有些機型如直升機型、多旋翼類型除了姿態控制外也涉及反扭矩的提供，而且提供反扭矩的方式在上述兩種機型中都非常明顯了：直升機通過尾槳總距控制提供機體坐標系偏航方向上的反扭矩，多旋翼無人機通過相同數目不同轉向定距槳提供反扭矩平衡。
對於相對定義範疇異常寬泛而結構表現相對封閉的涵道無人機而言，姿態控制方式和扭矩平衡都異常靈活。
涵道無人機的姿態控制方式可以分為兩大類：耦合姿態控制；解耦姿態控制
2.1耦合姿態控制常見的結構有：單旋翼結構；共軸雙旋翼結構
其中單旋翼結構常見的機型如I-star，以及在CES2016中被很多媒體報道的「球型」無人機Fleye。常見內部結構如上圖。
耦合類涵道無人機一般採用環形結構設計，以i-STAR為例，上部中間體中安裝動力系統（活塞式發動機，發動機控制器，螺旋槳，有效載荷等）。其中螺旋槳為常見的定距槳，沒有變距，沒有揮舞，直接由發動機驅動。下部中間體由8塊固定翼板穩定於涵道中央，內部搭載反饋系統。這個8個固定翼板（固定片）安置角不變，產生平衡單旋翼扭矩的效果。控制翼板（導流片）由伺服電機控制角度產生姿態控制力矩。
共軸雙旋翼結構如上圖所示。前文提到的Cypher-2型涵道無人機就屬於這一類設計結構。共軸雙旋翼無人機提供反扭矩的方式顯而易見：共軸旋翼等速對轉。
該類涵道結構採用旋轉傾斜器，通過變距拉杆改變旋翼周期變距從而控制飛行器姿態。類似於直升機的主旋翼結構。MR.城堡並未接觸過採用共軸雙旋翼結構，耦合飛行的涵道無人機產品，因此不確定是否完全採用直升機主旋翼那種鉸接式，還是採用半鉸式，但從上圖來看應該是採用半鉸式結構。
2.2解耦姿態控制
上圖為傾轉涵道無人機。
解耦姿態控制方式非常直接：主涵道提供偏航力矩，調節涵道提供橫滾力矩，尾槳涵道提供前飛推力，水平涵道共同提供垂向升力。
3.涵道型飛行器特點
涵道無人機的研究起始於上世紀80年代，美國漢軍陸戰隊需要空中遠程遙控裝置（AROD）實現空中偵察和監視。桑迪亞國家實驗室按要求開發出具備VTOL能力的首款涵道飛行器，該項目由於受限於當時的飛行控制技術，於90年代終止。之後包括1992年美國的「多用於安全與監視任務平台」項目；2001年美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟用的建制無人機計劃（OAV）等等表明涵道型無人機具備的獨特特點與軍事需求緊密相連。
3.1安全性
涵道無人機（不管何種設計方案）旋翼都穩穩的安置在涵道內部。這使得該類型飛行器對於操作者和周圍環境有著無與倫比的安全性。面對環境複雜的林地，人口稠密的城市地區，涵道無人機都是執行短時任務的首選。
3.2機動性
涵道型無人機的機動性特別適合城市複雜環境下執行任務。與固定翼無人及相比，涵道無人機具備VOTL能力，相比於多旋翼及直升機型無人機，涵道機可以在非常狹小的環境中進行起降和作業。同樣優良的定點懸停能力使得涵道型無人機具備多旋翼機型的圖像數據獲取能力。
3.3飛行效率
同無人直升機相比，同等功耗下，涵道風扇較同直徑孤立旋翼會產生更大拉力：首先在低空速下增加飛行器的推理；其次在所有的飛行傾角下都可以提供氣動升力；第三，將飛行器的升力系統和推進系統有效地結合起來；最後涵道壁可以有效地將螺旋槳滑流轉換成推力，從而產生附加升力。
3.4隱蔽性
這個特點是涵道型飛行器很受軍方青睞的重要原因。螺旋槳位於涵道內部，氣動雜訊被阻擋從而物理地降低了飛行器噪音的強度和傳播距離。同行，由於動力系統被涵道環擴，從而降低了整體飛行器的發動機熱輻射擴散。
涵道型無人機現階段並未受到市場的太多重視，原因更多在於控制難度與產品成熟度。其設計結構本身具備的安全性，機動性使得該機型非常適用於家庭、室內應用。
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