航空仿生學(xué)：送貨無(wú)人機如何用“鳥(niǎo)腿”起飛？

　　無(wú)人機長(cháng)期以來(lái)受制于一大基本設計問(wèn)題：能夠長(cháng)距離高速飛行并承載大重量貨物的無(wú)人機，與能夠在小范圍飛行及降落的無(wú)人機，存在顯著(zhù)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(wú)人機?業(yè)界常用的方法是組合固定翼和旋翼，然而這種設計顯然過(guò)于復雜——目前，我們已經(jīng)看到能夠由垂直起飛過(guò)渡至水平飛行的尾翼型無(wú)人機;也看到包含可旋轉螺旋槳系統的無(wú)人機;甚至還有固定翼無(wú)人機添加四旋翼以實(shí)現垂直起飛與著(zhù)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(wú)人機的重量、成本與復雜性，意味著(zhù)其在任務(wù)執行方面必然有所損失。

　　一家南非創(chuàng )業(yè)公司 Passerine 提出了更好的方法，模仿鳥(niǎo)兒的飛行思路：使用翅膀進(jìn)行長(cháng)時(shí)間飛行，同時(shí)依靠腿/腳結構進(jìn)行起飛與降落。該公司設計了一款名叫“Sparrow”的無(wú)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(wú)人機會(huì )減速，腿部伸展開(kāi)來(lái)，用作減震器。

　　Sparrow無(wú)人機渲染圖

　　大家肯定最先注意到腿部設計，后文會(huì )詳述。我們先從機身的固定翼設計說(shuō)起，這些超翼型發(fā)動(dòng)機能夠產(chǎn)生所謂的“吹翼效應”，發(fā)動(dòng)機排氣將流過(guò)機翼頂部與機翼襟翼的一部分，如此一來(lái)，快速吹過(guò)機翼與襟翼的強制性調整空氣將產(chǎn)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(lái)自發(fā)動(dòng)機，意味著(zhù)即使飛機速度不快也能獲得可觀(guān)的上升力。這一點(diǎn)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(jìn)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(zhù)陸，失速極限也得到巨大改善。

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

　　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(fā)動(dòng)機尾氣會(huì )流經(jīng)機翼與襟翼部位。

　　但翼上發(fā)動(dòng)機設計之所以一直未能真正流行，也是有理由的。首先，這類(lèi)設計的維護難度更高且維護成本更貴，因為維修人員無(wú)法在地面上直接操作。另外，使用這種設計風(fēng)險也很大，因為發(fā)動(dòng)機本身會(huì )產(chǎn)生巨大的升力，相較于傳統的標準發(fā)動(dòng)機布局，這類(lèi)飛機在起飛或降落時(shí)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(méi)有必要，畢竟通常跑道長(cháng)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(wú)人機方面，這些問(wèn)題的影響則小得多。由于機體更輕更小，所以無(wú)人機的翼上發(fā)動(dòng)機實(shí)際更易于維護。雖然起飛或著(zhù)陸時(shí)仍然存在一定的機體傾翻風(fēng)險，但由于只是用于運輸貨物，所以該問(wèn)題并不是特別無(wú)法接受。對于大多數無(wú)人機用例而言，我們往往很少或者根本沒(méi)有任何現成基礎設施可以借用，這意味著(zhù)短距離起飛與著(zhù)陸能力將成為決定其可行性的關(guān)鍵。

　　Sparrow 無(wú)人機上使用的吹翼設計無(wú)法獨力將飛機自身抬離地面，這時(shí)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(zhuān)供無(wú)人機使用的、可反復起效的便攜式彈性系統，它們的動(dòng)力由彈簧提供，能夠提供起飛所需要的大部分(80%)動(dòng)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(huì )造成過(guò)大的阻力，接下來(lái) Sparrow 就能像其它常見(jiàn)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(wú)人機會(huì )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(shí)現平穩降落。

　　這套系統的存在，意味著(zhù) Sparrow 無(wú)人機支持固定翼無(wú)人機的所有優(yōu)點(diǎn)(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(zhù)陸能力，而不必采用那種妥協(xié)式的混合設計。當然，Sparrow無(wú)法像旋翼機那樣在空中盤(pán)旋，因此其所能夠執行的任務(wù)類(lèi)型也會(huì )受到一定影響。例如，它可能不適合拍攝類(lèi)工作。但沒(méi)關(guān)系，因為 Passerine 公司目前主要關(guān)注送貨無(wú)人機，這類(lèi)產(chǎn)品對于承載能力、航程以及速度水平都有著(zhù)很高的要求，而無(wú)需跑道即可完成起飛與著(zhù)陸的能力將為其開(kāi)辟更多實(shí)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(wú)人機順利飛向空中?Passerine公司創(chuàng )始人兼 CEO Matthew Whalley 接受采訪(fǎng)做出詳細介紹。

　　圖：Passerine公司創(chuàng )始人兼CEO Matthew Whalley

　　問(wèn): 您能否描述一下飛機到底是如何啟動(dòng)升空的?

　　Matthew Whalley：在啟動(dòng)時(shí)，飛機相當于是躍起至空中。整個(gè)起飛過(guò)程與鳥(niǎo)類(lèi)的行為非常相似。當一只鳥(niǎo)從地面起飛時(shí)，它的翅膀并沒(méi)有產(chǎn)生任何升力，大多數初始飛躍來(lái)自跳躍的助力。許多小型飛鳥(niǎo)在開(kāi)始扇動(dòng)翅膀之前，會(huì )進(jìn)行一次速度約為5g的跳躍以實(shí)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(shí)，目標并非為了抬升高度，而是為了向前推動(dòng)無(wú)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(shí)際飛行的基本過(guò)渡控制：無(wú)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(jìn)入巡航模式。