Overall Design, Key Technologies, and Performance Validation of a Dual-Power Fixed-Wing UAV Based on CUADC Competition Rules
一、引言
研究背景与意义
在当前国内环境下，低空经济快速发展。对于特定物资与载荷的快速投送能力是当前无人机发展的热点方向之一1。本团队结合中国大学生飞行器设计创新大赛（以下简称CUADC）的项目竞技规则，提出了一种小体积，可以快速部署的双发固定翼无人机设计思路，并对其进行相关研究。
在研究过程中，我们看到了我国发生的一些自然灾害，本团队希望为其提供一种可以快速高效精确投送物资与搭载相关载荷的无人机。
双发动力固定翼无人机作为无人机家族中的佼佼者，融合了双发动机带来的强大动力冗余与固定翼布局的高效飞行特性2。双发动机设计不仅显著提升了无人机的飞行可靠性和任务执行能力，在单发故障时仍能保障安全返航或继续执行任务，而且为无人机提供了更强大的动力输出，使其能够携带更多、更重的任务载荷，拓展了任务的多样性和投送范围。固定翼布局则赋予了无人机高速、远航程的飞行能力，能够快速抵达目标区域，执行精确投送任务后迅速返回，有效提高了无人机出勤率和任务执行效能。在民用领域，此类无人机也可应用于边境巡逻、反恐维稳、灾害救援等任务，为维护社会稳定和保障人民生命财产安全发挥积极作用。
国内外研究现状
近年来，国内外在无人机技术领域均投入了大量的研发资源，取得了显著的进展。国外在双发动力固定翼无人机方面起步较早，技术相对成熟。美国作为全球军事科技领域的领先者，其研发的多种型号无人机在实战中得到了广泛应用。例如，“捕食者”系列无人机虽最初以单发设计为主，但在后续发展中不断改进升级，部分型号通过优化动力系统等手段提升了性能；而“死神”无人机则凭借其强大的动力和载荷能力，成为对地打击的利器，可携带多种精确制导武器，执行复杂的对地攻击任务。欧洲国家也在积极推进无人机技术的发展，一些先进的双发动力固定翼无人机项目不断涌现，注重提升无人机的智能化水平、自主作战能力和多任务适应性。
国内在无人机领域同样发展迅速，近年来取得了众多令人瞩目的成果3。众多科研机构和企业纷纷投身于无人机的研发与生产，在固定翼无人机技术方面积累了丰富的经验。从早期的技术探索到如今的自主研发与创新，国内在无人机的总体设计、飞行控制、动力系统、任务载荷等关键技术领域不断取得突破。然而，与国外先进水平相比，国内在双发动力固定翼无人机方面仍存在一定的差距，特别是在高性能发动机技术、先进航电系统集成以及复杂环境下的任务效能等方面，还需要进一步加大研发投入和技术攻关力度。
研究目的与内容
本文旨在通过对双发动力固定翼无人机的实物研究，剖析其设计原理、关键技术以及性能特点，为国内该领域提供一种有益的参考和借鉴。具体研究内容包括以下几个方面：
1、无人机总体设计分析：对双发动力固定翼无人机的气动布局、结构设计和重量分配等进行详细研究，分析不同设计参数对无人机飞行性能的影响，探索优化设计的方法和途径。
2、动力系统研究：深入研究双发动机的选型、匹配与安装技术，分析动力系统的性能特点和工作原理，研究如何通过优化动力系统提高无人机的飞行可靠性和载荷能力。
3、飞行控制系统研究：探讨无人机的飞行控制原理和算法，研究先进的飞行控制技术在双发动力固定翼无人机中的应用，实现无人机的高精度飞行控制和自主导航。
4、任务载荷系统研究：分析无人机可搭载的任务载荷类型和性能特点，研究任务载荷系统的集成与投送技术，以及如何实现特定任务载荷与无人机平台的协同工作，提高物资投送的精度和效果。
5、实物测试与性能评估：通过对实际样机的飞行测试和性能评估，验证无人机设计的合理性和各项性能指标的达成情况，分析测试过程中出现的问题并提出改进措施。
通过对以上内容的深入研究，本文期望能够为国内双发动力固定翼无人机的研发和应用提供一定的技术支撑，推动我国无人机技术在民用领域的进一步发展。
二、飞机设计
1.设计需求
体积限制长宽高之和小于 1600mm，上单翼常规布局便于装载设备，铰链卡扣连接形成折叠工艺，空机木质结构控制在 800g 以内。
采用梯形翼，升阻比尽可能高，升力主要集中于翼根，选择弯度较大的翼型。
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创新驱动实践，跨界融合赋能 —— 评《基于 CUADC 竞技规则的双发动力固定翼无人机总体设计》
《基于 CUADC 竞技规则的双发动力固定翼无人机总体设计、关键技术及性能验证》一文，以赛事需求为锚点，以技术创新为核心，以实物验证为支撑，构建了一套完整的无人机研发体系，充分彰显了青少年科技创新的实践力与前瞻性。
锚定需求，精准破题的研发导向
作品开篇即紧扣 CUADC 竞技规则与低空经济发展痛点，明确小体积、快速部署、精准投送的核心需求，既贴合赛事竞技的实用性要求，又兼顾灾害救援等民用场景的潜在价值。研发过程中，从气动布局、动力配置到控制算法，每一项设计都围绕 “提升性能、适配场景” 展开，如针对投送精度需求优化坐标转换算法，针对飞行稳定性改进结构加强方案，展现了 “需求导向、问题导向” 的科学研发思维。
多维创新，跨域融合的技术突破
作品的创新价值体现在多维度技术融合与痛点攻克上。结构设计层面，创新采用木质框架与 3D 打印模块化结合的方式，既控制空机重量至 760±10g，又通过环氧树脂 AB 胶与凯夫拉加强结构提升耐用性；智能控制层面，突破传统数字识别瓶颈，提出 “YOLOv5 识别天井 + 旋转校正” 方案，搭配 Tensorrt 部署与 CUDA 加速，解决了 “8”“6”“9” 等数字旋转识别误差问题；系统协同层面，完成 MAVLink 协议适配与多线程同步设计，实现飞控数据与图像信息的实时交互，将投送误差精准控制在米级。
闭环验证，扎实严谨的工程实践
研究构建了 “设计 - 制作 - 测试 - 优化” 的完整闭环，体现了扎实的工程素养。从 AutoCAD 绘图、激光切割零件到 CATIA 三维建模装配，从翼型气动仿真到整机飞行测试，每一个环节都兼具理论支撑与实践落地。通过多次调参优化飞控参数，验证双发动力系统的冗余优势，测试不同速度下的气动性能，形成了详实的实验数据与改进方案，让创新设计在实践中得到充分验证，也展现了严谨务实的科研态度
作为高中生完成的跨学科研究，作品不仅覆盖航空工程、智能控制、材料工艺等多个领域，更实现了竞技价值与应用价值的统一。若能补充不同海拔、气候条件下的适配性测试，将进一步提升研究的普适性。总体而言，这是一篇兼具创新意识、工程实力与实践价值的优秀科技论文，为青少年无人机研发提供了可借鉴的完整范式。
----广西产学研科学研究院副主任 刘泽霖
刘钰轩 男，汉族，共青团员，2008年生人，中国航空运动协会注册运动员，衡水市滨湖新区摄影家协会会员。担任衡水中学实验学校2023级航模队队长，多次参加各类航空航天模型和科技创新类赛事。在第39届全国青少年科技创新大赛中斩获三项国家级企业专项奖、在2024年河北省模型运动锦标赛中斩获冠军。其所带团队也在多项教育部白名单赛事和国家体育总局无线电模型运动管理中心的赛事上取得优秀成绩。
