科技行者航空仿生學:送貨無人機如何利用“鳥腿”起飛?

航空仿生學:送貨無人機如何利用“鳥腿”起飛?

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2019年2月11日 科技行者
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如何設計能夠短距起飛但航程較遠的無人機?

來源:科技行者 2019年2月11日

關鍵字:無人機 送貨無人機 物流 人工智能

無人機長期以來受制于一大基本設計問題:能夠長距離高速飛行并承載大重量貨物的無人機,與能夠在小范圍飛行及降落的無人機,存在顯著的差異——前者使用固定翼設計,后者則需要旋翼設計。

如何設計能夠短距起飛但航程較遠的無人機?業界常用的方法是組合固定翼和旋翼,然而這種設計顯然過于復雜——目前,我們已經看到能夠由垂直起飛過渡至水平飛行的尾翼型無人機;也看到包含可旋轉螺旋槳系統的無人機;甚至還有固定翼無人機添加四旋翼以實現垂直起飛與著陸能力的方案。這些設計或多或少起到一定作用,但也不可避免地增加了無人機的重量、成本與復雜性,意味著其在任務執行方面必然有所損失。

一家南非創業公司 Passerine 提出了更好的方法,模仿鳥兒的飛行思路:使用翅膀進行長時間飛行,同時依靠腿/腳結構進行起飛與降落。該公司設計了一款名叫「Sparrow」的無人機(如下圖所示),為運貨設計,引擎安裝在機翼上部,其腿部有受載彈簧,提供了起飛所需的八成能量,到達目的地后,無人機會減速,腿部伸展開來,用作減震器。

航空仿生學:送貨無人機如何利用“鳥腿”起飛?

Sparrow無人機渲染圖

大家肯定最先注意到腿部設計,后文會詳述。我們先從機身的固定翼設計說起,這些超翼型發動機能夠產生所謂的「吹翼效應」,發動機排氣將流過機翼頂部與機翼襟翼的一部分,如此一來,快速吹過機翼與襟翼的強制性調整空氣將產生大量升力(可達到傳統機翼升力的兩倍或三倍),且由于空氣直接來自發動機,意味著即使飛機速度不快也能獲得可觀的上升力。這一點與多數傳統機翼與襟翼設計不同,后者的上升力很大程度取決于飛機的前進速度,而采用吹翼設計的飛機能夠在更短的距離內完成起飛與著陸,失速極限也得到巨大改善。

這里需要明確一點,吹翼設計并非 Passerine 公司的獨創,此類技術歷史悠久。烏克蘭 Antonov 公司的貨運飛機就采用了類似的翼上發動機,NASA(美國宇航局)甚至早在上世紀七十年代就測試過這種低噪短程研究型飛機(Quiet Short-Haul Research Aircraft,簡稱QSRA),其能夠在無需彈射器或者制動裝置的情況下在航空母艦上輕松完成起飛與降落。

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圖:NASA的低噪短程研究型飛機在艾姆斯空軍基地展出。圖片展示了這款飛機的吹翼設計,即發動機尾氣會流經機翼與襟翼部位。

但翼上發動機設計之所以一直未能真正流行,也是有理由的。首先,這類設計的維護難度更高且維護成本更貴,因為維修人員無法在地面上直接操作。另外,使用這種設計風險也很大,因為發動機本身會產生巨大的升力,相較于傳統的標準發動機布局,這類飛機在起飛或降落時很有可能出現機體傾翻等情況。當然,在大多數情況下,飛機之所以不使用吹翼設計,完全是因為沒有必要,畢竟通常跑道長度足夠,不值得為了獲得額外的升力而承受上述弊端。

但在無人機方面,這些問題的影響則小得多。由于機體更輕更小,所以無人機的翼上發動機實際更易于維護。雖然起飛或著陸時仍然存在一定的機體傾翻風險,但由于只是用于運輸貨物,所以該問題并不是特別無法接受。對于大多數無人機用例而言,我們往往很少或者根本沒有任何現成基礎設施可以借用,這意味著短距離起飛與著陸能力將成為決定其可行性的關鍵。

Sparrow 無人機上使用的吹翼設計無法獨力將飛機自身抬離地面,這時就需要配合一下腿部結構了。這種腿部結構,可以理解為一種專供無人機使用的、可反復起效的便攜式彈性系統,它們的動力由彈簧提供,能夠提供起飛所需要的大部分(80%)動量。

起飛之后,腿部結構將回縮至機身旁邊的整流罩內,以確保不會造成過大的阻力,接下來 Sparrow 就能像其它常見固定翼飛機一樣平穩飛行。而一旦到達目的地,腿部又反向起效:無人機會盡可能減速(使用吹翼設計保持上升力),伸展腿部并將其作為減震器以實現平穩降落。

這套系統的存在,意味著 Sparrow 無人機支持固定翼無人機的所有優點(高承載能力、速度水平、航程與能源效率等),外加旋翼飛機的精確著陸能力,而不必采用那種妥協式的混合設計。當然,Sparrow無法像旋翼機那樣在空中盤旋,因此其所能夠執行的任務類型也會受到一定影響。例如,它可能不適合拍攝類工作。但沒關系,因為 Passerine 公司目前主要關注送貨無人機,這類產品對于承載能力、航程以及速度水平都有著很高的要求,而無需跑道即可完成起飛與著陸的能力將為其開辟更多實際應用空間。

那么,究竟腿部結構與吹翼設計的組合如何讓 Sparrow 無人機順利飛向空中?Passerine公司創始人兼 CEO Matthew Whalley 接受采訪做出詳細介紹。

航空仿生學:送貨無人機如何利用“鳥腿”起飛?

圖:Passerine公司創始人兼CEO Matthew Whalley

問: 您能否描述一下飛機到底是如何啟動升空的?

Matthew Whalley:在啟動時,飛機相當于是躍起至空中。整個起飛過程與鳥類的行為非常相似。當一只鳥從地面起飛時,它的翅膀并沒有產生任何升力,大多數初始飛躍來自跳躍的助力。許多小型飛鳥在開始扇動翅膀之前,會進行一次速度約為5g的跳躍以實現自我加速。我們的飛機基本上遵循同樣的原理。當它躍起時,目標并非為了抬升高度,而是為了向前推動無人機以獲得最低飛行速度。在此之后,它就能像傳統飛機一樣正常飛行了?偨Y一下 Sparrow 由起飛到實際飛行的基本過渡控制:無人機收回腿部結構并繼續加速,并以大約30度的角度向上爬升,然后襟翼升起并進入巡航模式。

問:這樣的設計靈感源自哪里?

Matthew Whalley:我讀大學時,長時間思考一個問題:非洲在基礎設施層面與很多國家存在巨大差距,因此應該設計出能夠遠程飛行并攜帶大重量貨品的無人機以彌合這種差距。有趣的是,多年后,南非成為非洲首個使用送貨無人機的國家——那大約是在15年前,當時我們還在努力借此實現醫療資源交付。這就是這款無人機的靈感來源,我很清楚我們需要無人機實現怎樣的能力。

此外,在發展中國家,特別是非洲,無人機確實能夠為人們的生活帶來巨大便利。但由于基礎設施嚴重缺少,傳統固定翼飛機或者無人機的覆蓋范圍往往非常有限。因此,我們需要一些能夠在低水平基礎設施環境下起效的解決方案。我們設計的無人機的腿部結構能夠以更高效的方式將遠航程飛機送到空中,而無需在上面綁定一套四軸飛行器。

問:這款無人機的腿部結構與真實的鳥腿之間有多么相似?

Matthew Whalley:這里面有個有趣的故事。我們最開始的設計看起來其實一點也不像鳥腿,但我們很清楚,需要借此實現一定的加速能力以達到最低飛行速度,而在進行效率提升的每一次迭代中,這套結構開始變得越來越像鳥腿。到現在,最新設計已經與真實鳥腿非常接近了,但這實際是迭代設計的結果,我們起初并不打算直接模擬鳥腿,只是事實證明這是一種非常有效的設計方向。

問:相對于混合無人機、尾部穩定器以及其它垂直起降設計方案,Passerine的無人機擁有哪些優勢?

Matthew Whalley:這些無人機之間存在幾種重要的差別。首先,懸停動作的能源效率最低,然而我們認真觀察了無人機執行的大部分任務,發現實際上往往都不需要懸停功能——真正重要的是在不對基礎設施提出任何要求的情況下實現起飛與著陸。因此,通過避免懸停動作,我們回避了這種能源效率最低的場景,意味著我們的無人機不需要攜帶那么多電池,不需要那么強大的電機。最終得出的設計方案更輕量化,也就能夠飛得更遠,或者承載更大的貨品質量。

問:那么與其它系統相比,您的設計方案又有哪些優勢?

Matthew Whalley:不能一概而論,取決于特定任務與系統場景。但總的來說,我們的無人機的效能比混合無人機高出10%。當然,這同樣取決于實際任務:如果只是進行低速測量任務,那么我們的效能優勢將在10%以內。我們的無人機真正出彩的地方在于遠程送貨或者高速先進類任務,因為它能夠以150%于傳統固定翼無人機的速度巡航,且能耗水平與后者基本持平。這意味著能夠更快完成送貨行動,更快響應緊急情況,這正是我們相較于混合無人機產品的核心優勢。

問:為什么您的無人機能夠實現更高的巡航速度?

Matthew Whalley:與大多數固定翼無人機相比,我們的巨大優勢來自于發動機布局。我們設計出了一種最適合高速飛行的無人機,加上它本身就能配合吹翼設計實現超低速飛行,因此其仍然可以實現低速進場,并利用自動駕駛儀輕松完成降落。這是我們的主要優勢之一——能夠在高速先進時保持最佳狀態,同時憑借著機翼與發動機布局實現低速機動能力。

問:這套系統也可以用來著陸,對吧?

Matthew Whalley:是的,你可以試想一下鳥類是如何著陸的,或者說懸掛式滑翔機是如何著陸的——基本上,我們會快速降低飛機行進速度,導致機翼失速并將飛機整體作為風阻制動器。當到達極低的高度與速度水平時,駕駛者會再次啟用動力,從而阻止飛機以更快的速度墜向地面。我們的發動機與機身布局擁有一大核心優勢,其喇叭形的設計在失速狀態下仍然能夠產生相當可觀的上升力。雖然不足以繼續保持飛行,但卻足以將下降的加速度控制在極低的水平。因此,即使我們處于下降過程,機身也只會緩慢地向地面下沉。而后,我們將腿部結構部署在飛機下方,其負責充當減震器以抵消最后一點剩余的動能——而非依靠發動機拉平。

問:降落部分到底有多重要?

Matthew Whalley:就我個人來講,降落過程是最重要的一環,特別是考慮到無人機攜帶的貨物可能易碎又重要。在我看來,血液樣品之類的東西絕對不應該以降落傘的方式投遞,用戶希望送貨及時、準確且安全。

問:在配合實際載重后,這種著陸方式真的能夠順利起效嗎?

Matthew Whalley:當然,我們對于這種著陸方案信心滿滿。

問:那么,您的設計中是否存在短板?例如,腿部結構是否給無人機增加了較大的額外重量,或者說自動駕駛儀是不是非常復雜?

Matthew Whalley:我們的設計方案確實存在一大缺陷,就是無人機自身無法懸停。在某些任務——雖然數據不多——當中,用戶希望無人機能夠實現懸停。但抱歉,我們的產品并非為此類場景所設計。至于你提到的其它問題,是的,這款無人機的腿部結構確實有一定份量,不過可以忽略不計,因為它的重量與大型遙控飛機的可伸縮底盤系統差不多。另外,雖然這款無人機的飛行控制器相當復雜,但絕對不比目前市面上在售的其它同類產品更難上手。

問:您能談談您理想當中的飛行速度、飛行范圍以及載重能力目標嗎?

Matthew Whalley:目前我們正在打造公司的第一款飛機,預計它會是計劃內各版本中體積最小的一款,也就是Sparrow。巡航速度為 120 km/h,能攜帶 2 公斤的負荷,飛行時間能達到一小時。未來,我們計劃設計放大版本,翼展達到 6 米,負荷達到 100 公斤。

后記:Whalley告訴我們,Passerine公司將在2019年第二季度啟動試點項目——在非洲的多個區域部署實際任務。目前他們仍然在進行飛行周期測試(即起飛與降落),但 Whalley 預計這項工作再有一到兩個月就能夠徹底完成。

無人機有可能在不久的將來成為非洲土地上重要的物流交付工具。據我們觀察,針對非洲這類較為落后的地區,在無基礎設施范圍內實現起飛與降落操作將成為無人機的核心發展目標。Passerine公司當然不是唯一一家意識到問題重要性的無人機廠商,但他們確實是最具創新性的廠商之一。

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