航空仿生學(xué):送貨無(wú)人機如何用“鳥(niǎo)腿”起飛?
問(wèn):這樣的設計靈感源自哪里?
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/201902/397674.htmMatthew Whalley:我讀大學(xué)時(shí),長(cháng)時(shí)間思考一個(gè)問(wèn)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(wú)人機以彌合這種差距。有趣的是,多年后,南非成為非洲首個(gè)使用送貨無(wú)人機的國家——那大約是在15年前,當時(shí)我們還在努力借此實(shí)現醫療資源交付。這就是這款無(wú)人機的靈感來(lái)源,我很清楚我們需要無(wú)人機實(shí)現怎樣的能力。
此外,在發(fā)展中國家,特別是非洲,無(wú)人機確實(shí)能夠為人們的生活帶來(lái)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(wú)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(huán)境下起效的解決方案。我們設計的無(wú)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(wú)需在上面綁定一套四軸飛行器。
問(wèn):這款無(wú)人機的腿部結構與真實(shí)的鳥(niǎo)腿之間有多么相似?
Matthew Whalley:這里面有個(gè)有趣的故事。我們最開(kāi)始的設計看起來(lái)其實(shí)一點(diǎn)也不像鳥(niǎo)腿,但我們很清楚,需要借此實(shí)現一定的加速能力以達到最低飛行速度,而在進(jìn)行效率提升的每一次迭代中,這套結構開(kāi)始變得越來(lái)越像鳥(niǎo)腿。到現在,最新設計已經(jīng)與真實(shí)鳥(niǎo)腿非常接近了,但這實(shí)際是迭代設計的結果,我們起初并不打算直接模擬鳥(niǎo)腿,只是事實(shí)證明這是一種非常有效的設計方向。
問(wèn):相對于混合無(wú)人機、尾部穩定器以及其它垂直起降設計方案,Passerine的無(wú)人機擁有哪些優(yōu)勢?
Matthew Whalley:這些無(wú)人機之間存在幾種重要的差別。首先,懸停動(dòng)作的能源效率最低,然而我們認真觀(guān)察了無(wú)人機執行的大部分任務(wù),發(fā)現實(shí)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(shí)現起飛與著(zhù)陸。因此,通過(guò)避免懸停動(dòng)作,我們回避了這種能源效率最低的場(chǎng)景,意味著(zhù)我們的無(wú)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(zhì)量。
問(wèn):那么與其它系統相比,您的設計方案又有哪些優(yōu)勢?
Matthew Whalley:不能一概而論,取決于特定任務(wù)與系統場(chǎng)景。但總的來(lái)說(shuō),我們的無(wú)人機的效能比混合無(wú)人機高出10%。當然,這同樣取決于實(shí)際任務(wù):如果只是進(jìn)行低速測量任務(wù),那么我們的效能優(yōu)勢將在10%以?xún)?。我們的無(wú)人機真正出彩的地方在于遠程送貨或者高速先進(jìn)類(lèi)任務(wù),因為它能夠以150%于傳統固定翼無(wú)人機的速度巡航,且能耗水平與后者基本持平。這意味著(zhù)能夠更快完成送貨行動(dòng),更快響應緊急情況,這正是我們相較于混合無(wú)人機產(chǎn)品的核心優(yōu)勢。
問(wèn):為什么您的無(wú)人機能夠實(shí)現更高的巡航速度?
Matthew Whalley:與大多數固定翼無(wú)人機相比,我們的巨大優(yōu)勢來(lái)自于發(fā)動(dòng)機布局。我們設計出了一種最適合高速飛行的無(wú)人機,加上它本身就能配合吹翼設計實(shí)現超低速飛行,因此其仍然可以實(shí)現低速進(jìn)場(chǎng),并利用自動(dòng)駕駛儀輕松完成降落。這是我們的主要優(yōu)勢之一——能夠在高速先進(jìn)時(shí)保持最佳狀態(tài),同時(shí)憑借著(zhù)機翼與發(fā)動(dòng)機布局實(shí)現低速機動(dòng)能力。
問(wèn):這套系統也可以用來(lái)著(zhù)陸,對吧?
Matthew Whalley:是的,你可以試想一下鳥(niǎo)類(lèi)是如何著(zhù)陸的,或者說(shuō)懸掛式滑翔機是如何著(zhù)陸的——基本上,我們會(huì )快速降低飛機行進(jìn)速度,導致機翼失速并將飛機整體作為風(fēng)阻制動(dòng)器。當到達極低的高度與速度水平時(shí),駕駛者會(huì )再次啟用動(dòng)力,從而阻止飛機以更快的速度墜向地面。我們的發(fā)動(dòng)機與機身布局擁有一大核心優(yōu)勢,其喇叭形的設計在失速狀態(tài)下仍然能夠產(chǎn)生相當可觀(guān)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(guò)程,機身也只會(huì )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(diǎn)剩余的動(dòng)能——而非依靠發(fā)動(dòng)機拉平。
問(wèn):降落部分到底有多重要?
Matthew Whalley:就我個(gè)人來(lái)講,降落過(guò)程是最重要的一環(huán),特別是考慮到無(wú)人機攜帶的貨物可能易碎又重要。在我看來(lái),血液樣品之類(lèi)的東西絕對不應該以降落傘的方式投遞,用戶(hù)希望送貨及時(shí)、準確且安全。
問(wèn):在配合實(shí)際載重后,這種著(zhù)陸方式真的能夠順利起效嗎?
Matthew Whalley:當然,我們對于這種著(zhù)陸方案信心滿(mǎn)滿(mǎn)。
問(wèn):那么,您的設計中是否存在短板?例如,腿部結構是否給無(wú)人機增加了較大的額外重量,或者說(shuō)自動(dòng)駕駛儀是不是非常復雜?
Matthew Whalley:我們的設計方案確實(shí)存在一大缺陷,就是無(wú)人機自身無(wú)法懸停。在某些任務(wù)——雖然數據不多——當中,用戶(hù)希望無(wú)人機能夠實(shí)現懸停。但抱歉,我們的產(chǎn)品并非為此類(lèi)場(chǎng)景所設計。至于你提到的其它問(wèn)題,是的,這款無(wú)人機的腿部結構確實(shí)有一定份量,不過(guò)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(pán)系統差不多。另外,雖然這款無(wú)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(lèi)產(chǎn)品更難上手。
問(wèn):您能談?wù)勀硐氘斨械娘w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(huì )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(shí)間能達到一小時(shí)。未來(lái),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(dòng)試點(diǎn)項目——在非洲的多個(gè)區域部署實(shí)際任務(wù)。目前他們仍然在進(jìn)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(gè)月就能夠徹底完成。
無(wú)人機有可能在不久的將來(lái)成為非洲土地上重要的物流交付工具。據我們觀(guān)察,針對非洲這類(lèi)較為落后的地區,在無(wú)基礎設施范圍內實(shí)現起飛與降落操作將成為無(wú)人機的核心發(fā)展目標。Passerine公司當然不是唯一一家意識到問(wèn)題重要性的無(wú)人機廠(chǎng)商,但他們確實(shí)是最具創(chuàng )新性的廠(chǎng)商之一。
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