科技行者航空仿生学:送货无人机如何利用“鸟腿”起飞?

航空仿生学:送货无人机如何利用“鸟腿”起飞?

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2019年2月11日 科技行者
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如何设计能够短距起飞但航程较远的无人机?

来源:科技行者 2019年2月11日

关键字:无人机 送货无人机 物流 人工智能

无人机长期以来受制于一大基本设计问题:能够长距离高速飞行并承载大重量货物的无人机,与能够在小范围飞行及降落的无人机,存在显著的差异——前者使用固定翼设计,后者则需要旋翼设计。

如何设计能够短距起飞但航程较远的无人机?业界常用的方法是组合固定翼和旋翼,然而这种设计显然过于复杂——目前,我们已经看到能够由垂直起飞过渡至水平飞行的尾翼型无人机;也看到包含可旋转螺旋桨系统的无人机;甚至还有固定翼无人机添加四旋翼以实现垂直起飞与着陆能力的方案。这些设计或多或少起到一定作用,但也不可避免地增加了无人机的重量、成本与复杂性,意味着其在任务执行方面必然有所损失。

一家南非创业公司 Passerine 提出了更好的方法,模仿鸟儿的飞行思路:使用翅膀进行长时间飞行,同时依靠腿/脚结构进行起飞与降落。该公司设计了一款名叫「Sparrow」的无人机(如下图所示),为运货设计,引擎安装在机翼上部,其腿部有受载弹簧,提供了起飞所需的八成能量,到达目的地后,无人机会减速,腿部伸展开来,用作减震器

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Sparrow无人机渲染图

大家肯定最先注意到腿部设计,后文会详述。我们先从机身的固定翼设计说起,这些超翼型发动机能够产生所谓的「吹翼效应」,发动机排气将流过机翼顶部与机翼襟翼的一部分,如此一来,快速吹过机翼与襟翼的强制性调整空气将产生大量升力(可达到传统机翼升力的两倍或三倍),且由于空气直接来自发动机,意味着即使飞机速度不快也能获得可观的上升力。这一点与多数传统机翼与襟翼设计不同,后者的上升力很大程度取决于飞机的前进速度,而采用吹翼设计的飞机能够在更短的距离内完成起飞与着陆,失速极限也得到巨大改善。

这里需要明确一点,吹翼设计并非 Passerine 公司的独创,此类技术历史悠久。乌克兰 Antonov 公司的货运飞机就采用了类似的翼上发动机,NASA(美国宇航局)甚至早在上世纪七十年代就测试过这种低噪短程研究型飞机(Quiet Short-Haul Research Aircraft,简称QSRA),其能够在无需弹射器或者制动装置的情况下在航空母舰上轻松完成起飞与降落。

航空仿生学:送货无人机如何利用“鸟腿”起飞?

图:NASA的低噪短程研究型飞机在艾姆斯空军基地展出。图片展示了这款飞机的吹翼设计,即发动机尾气会流经机翼与襟翼部位。

但翼上发动机设计之所以一直未能真正流行,也是有理由的。首先,这类设计的维护难度更高且维护成本更贵,因为维修人员无法在地面上直接操作。另外,使用这种设计风险也很大,因为发动机本身会产生巨大的升力,相较于传统的标准发动机布局,这类飞机在起飞或降落时很有可能出现机体倾翻等情况。当然,在大多数情况下,飞机之所以不使用吹翼设计,完全是因为没有必要,毕竟通常跑道长度足够,不值得为了获得额外的升力而承受上述弊端。

但在无人机方面,这些问题的影响则小得多。由于机体更轻更小,所以无人机的翼上发动机实际更易于维护。虽然起飞或着陆时仍然存在一定的机体倾翻风险,但由于只是用于运输货物,所以该问题并不是特别无法接受。对于大多数无人机用例而言,我们往往很少或者根本没有任何现成基础设施可以借用,这意味着短距离起飞与着陆能力将成为决定其可行性的关键。

Sparrow 无人机上使用的吹翼设计无法独力将飞机自身抬离地面,这时就需要配合一下腿部结构了。这种腿部结构,可以理解为一种专供无人机使用的、可反复起效的便携式弹性系统,它们的动力由弹簧提供,能够提供起飞所需要的大部分(80%)动量。

起飞之后,腿部结构将回缩至机身旁边的整流罩内,以确保不会造成过大的阻力,接下来 Sparrow 就能像其它常见固定翼飞机一样平稳飞行。而一旦到达目的地,腿部又反向起效:无人机会尽可能减速(使用吹翼设计保持上升力),伸展腿部并将其作为减震器以实现平稳降落。

这套系统的存在,意味着 Sparrow 无人机支持固定翼无人机的所有优点(高承载能力、速度水平、航程与能源效率等),外加旋翼飞机的精确着陆能力,而不必采用那种妥协式的混合设计。当然,Sparrow无法像旋翼机那样在空中盘旋,因此其所能够执行的任务类型也会受到一定影响。例如,它可能不适合拍摄类工作。但没关系,因为 Passerine 公司目前主要关注送货无人机,这类产品对于承载能力、航程以及速度水平都有着很高的要求,而无需跑道即可完成起飞与着陆的能力将为其开辟更多实际应用空间。

那么,究竟腿部结构与吹翼设计的组合如何让 Sparrow 无人机顺利飞向空中?Passerine公司创始人兼 CEO Matthew Whalley 接受采访做出详细介绍。

航空仿生学:送货无人机如何利用“鸟腿”起飞?

图:Passerine公司创始人兼CEO Matthew Whalley

问: 您能否描述一下飞机到底是如何启动升空的?

Matthew Whalley:在启动时,飞机相当于是跃起至空中。整个起飞过程与鸟类的行为非常相似。当一只鸟从地面起飞时,它的翅膀并没有产生任何升力,大多数初始飞跃来自跳跃的助力。许多小型飞鸟在开始扇动翅膀之前,会进行一次速度约为5g的跳跃以实现自我加速。我们的飞机基本上遵循同样的原理。当它跃起时,目标并非为了抬升高度,而是为了向前推动无人机以获得最低飞行速度。在此之后,它就能像传统飞机一样正常飞行了。总结一下 Sparrow 由起飞到实际飞行的基本过渡控制:无人机收回腿部结构并继续加速,并以大约30度的角度向上爬升,然后襟翼升起并进入巡航模式。

问:这样的设计灵感源自哪里?

Matthew Whalley:我读大学时,长时间思考一个问题:非洲在基础设施层面与很多国家存在巨大差距,因此应该设计出能够远程飞行并携带大重量货品的无人机以弥合这种差距。有趣的是,多年后,南非成为非洲首个使用送货无人机的国家——那大约是在15年前,当时我们还在努力借此实现医疗资源交付。这就是这款无人机的灵感来源,我很清楚我们需要无人机实现怎样的能力。

此外,在发展中国家,特别是非洲,无人机确实能够为人们的生活带来巨大便利。但由于基础设施严重缺少,传统固定翼飞机或者无人机的覆盖范围往往非常有限。因此,我们需要一些能够在低水平基础设施环境下起效的解决方案。我们设计的无人机的腿部结构能够以更高效的方式将远航程飞机送到空中,而无需在上面绑定一套四轴飞行器。

问:这款无人机的腿部结构与真实的鸟腿之间有多么相似?

Matthew Whalley:这里面有个有趣的故事。我们最开始的设计看起来其实一点也不像鸟腿,但我们很清楚,需要借此实现一定的加速能力以达到最低飞行速度,而在进行效率提升的每一次迭代中,这套结构开始变得越来越像鸟腿。到现在,最新设计已经与真实鸟腿非常接近了,但这实际是迭代设计的结果,我们起初并不打算直接模拟鸟腿,只是事实证明这是一种非常有效的设计方向。

问:相对于混合无人机、尾部稳定器以及其它垂直起降设计方案,Passerine的无人机拥有哪些优势?

Matthew Whalley:这些无人机之间存在几种重要的差别。首先,悬停动作的能源效率最低,然而我们认真观察了无人机执行的大部分任务,发现实际上往往都不需要悬停功能——真正重要的是在不对基础设施提出任何要求的情况下实现起飞与着陆。因此,通过避免悬停动作,我们回避了这种能源效率最低的场景,意味着我们的无人机不需要携带那么多电池,不需要那么强大的电机。最终得出的设计方案更轻量化,也就能够飞得更远,或者承载更大的货品质量。

问:那么与其它系统相比,您的设计方案又有哪些优势?

Matthew Whalley:不能一概而论,取决于特定任务与系统场景。但总的来说,我们的无人机的效能比混合无人机高出10%。当然,这同样取决于实际任务:如果只是进行低速测量任务,那么我们的效能优势将在10%以内。我们的无人机真正出彩的地方在于远程送货或者高速先进类任务,因为它能够以150%于传统固定翼无人机的速度巡航,且能耗水平与后者基本持平。这意味着能够更快完成送货行动,更快响应紧急情况,这正是我们相较于混合无人机产品的核心优势。

问:为什么您的无人机能够实现更高的巡航速度?

Matthew Whalley:与大多数固定翼无人机相比,我们的巨大优势来自于发动机布局。我们设计出了一种最适合高速飞行的无人机,加上它本身就能配合吹翼设计实现超低速飞行,因此其仍然可以实现低速进场,并利用自动驾驶仪轻松完成降落。这是我们的主要优势之一——能够在高速先进时保持最佳状态,同时凭借着机翼与发动机布局实现低速机动能力。

问:这套系统也可以用来着陆,对吧?

Matthew Whalley:是的,你可以试想一下鸟类是如何着陆的,或者说悬挂式滑翔机是如何着陆的——基本上,我们会快速降低飞机行进速度,导致机翼失速并将飞机整体作为风阻制动器。当到达极低的高度与速度水平时,驾驶者会再次启用动力,从而阻止飞机以更快的速度坠向地面。我们的发动机与机身布局拥有一大核心优势,其喇叭形的设计在失速状态下仍然能够产生相当可观的上升力。虽然不足以继续保持飞行,但却足以将下降的加速度控制在极低的水平。因此,即使我们处于下降过程,机身也只会缓慢地向地面下沉。而后,我们将腿部结构部署在飞机下方,其负责充当减震器以抵消最后一点剩余的动能——而非依靠发动机拉平。

问:降落部分到底有多重要?

Matthew Whalley:就我个人来讲,降落过程是最重要的一环,特别是考虑到无人机携带的货物可能易碎又重要。在我看来,血液样品之类的东西绝对不应该以降落伞的方式投递,用户希望送货及时、准确且安全。

问:在配合实际载重后,这种着陆方式真的能够顺利起效吗?

Matthew Whalley:当然,我们对于这种着陆方案信心满满。

问:那么,您的设计中是否存在短板?例如,腿部结构是否给无人机增加了较大的额外重量,或者说自动驾驶仪是不是非常复杂?

Matthew Whalley:我们的设计方案确实存在一大缺陷,就是无人机自身无法悬停。在某些任务——虽然数据不多——当中,用户希望无人机能够实现悬停。但抱歉,我们的产品并非为此类场景所设计。至于你提到的其它问题,是的,这款无人机的腿部结构确实有一定份量,不过可以忽略不计,因为它的重量与大型遥控飞机的可伸缩底盘系统差不多。另外,虽然这款无人机的飞行控制器相当复杂,但绝对不比目前市面上在售的其它同类产品更难上手。

问:您能谈谈您理想当中的飞行速度、飞行范围以及载重能力目标吗?

Matthew Whalley:目前我们正在打造公司的第一款飞机,预计它会是计划内各版本中体积最小的一款,也就是Sparrow。巡航速度为 120 km/h,能携带 2 公斤的负荷,飞行时间能达到一小时未来,我们计划设计放大版本,翼展达到 6 米,负荷达到 100 公斤。

后记:Whalley告诉我们,Passerine公司将在2019年第二季度启动试点项目——在非洲的多个区域部署实际任务。目前他们仍然在进行飞行周期测试(即起飞与降落),但 Whalley 预计这项工作再有一到两个月就能够彻底完成。

无人机有可能在不久的将来成为非洲土地上重要的物流交付工具。据我们观察,针对非洲这类较为落后的地区,在无基础设施范围内实现起飞与降落操作将成为无人机的核心发展目标。Passerine公司当然不是唯一一家意识到问题重要性的无人机厂商,但他们确实是最具创新性的厂商之一。