航空仿生學(xué)：送貨無人機(jī)如何用“鳥腿”起飛？

　　問：這樣的設(shè)計(jì)靈感源自哪里?

　　Matthew Whalley：我讀大學(xué)時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間思考一個(gè)問題：非洲在基礎(chǔ)設(shè)施層面與很多國(guó)家存在巨大差距，因此應(yīng)該設(shè)計(jì)出能夠遠(yuǎn)程飛行并攜帶大重量貨品的無人機(jī)以彌合這種差距。有趣的是，多年后，南非成為非洲首個(gè)使用送貨無人機(jī)的國(guó)家——那大約是在15年前，當(dāng)時(shí)我們還在努力借此實(shí)現(xiàn)醫(yī)療資源交付。這就是這款無人機(jī)的靈感來源，我很清楚我們需要無人機(jī)實(shí)現(xiàn)怎樣的能力。

　　此外，在發(fā)展中國(guó)家，特別是非洲，無人機(jī)確實(shí)能夠?yàn)槿藗兊纳顜砭薮蟊憷?。但由于基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重缺少，傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)或者無人機(jī)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(chǔ)設(shè)施環(huán)境下起效的解決方案。我們?cè)O(shè)計(jì)的無人機(jī)的腿部結(jié)構(gòu)能夠以更高效的方式將遠(yuǎn)航程飛機(jī)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(jī)的腿部結(jié)構(gòu)與真實(shí)的鳥腿之間有多么相似?

　　Matthew Whalley：這里面有個(gè)有趣的故事。我們最開始的設(shè)計(jì)看起來其實(shí)一點(diǎn)也不像鳥腿，但我們很清楚，需要借此實(shí)現(xiàn)一定的加速能力以達(dá)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(jié)構(gòu)開始變得越來越像鳥腿。到現(xiàn)在，最新設(shè)計(jì)已經(jīng)與真實(shí)鳥腿非常接近了，但這實(shí)際是迭代設(shè)計(jì)的結(jié)果，我們起初并不打算直接模擬鳥腿，只是事實(shí)證明這是一種非常有效的設(shè)計(jì)方向。

　　問：相對(duì)于混合無人機(jī)、尾部穩(wěn)定器以及其它垂直起降設(shè)計(jì)方案，Passerine的無人機(jī)擁有哪些優(yōu)勢(shì)?

　　Matthew Whalley：這些無人機(jī)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(rèn)真觀察了無人機(jī)執(zhí)行的大部分任務(wù)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際上往往都不需要懸停功能——真正重要的是在不對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施提出任何要求的情況下實(shí)現(xiàn)起飛與著陸。因此，通過避免懸停動(dòng)作，我們回避了這種能源效率最低的場(chǎng)景，意味著我們的無人機(jī)不需要攜帶那么多電池，不需要那么強(qiáng)大的電機(jī)。最終得出的設(shè)計(jì)方案更輕量化，也就能夠飛得更遠(yuǎn)，或者承載更大的貨品質(zhì)量。

　　問：那么與其它系統(tǒng)相比，您的設(shè)計(jì)方案又有哪些優(yōu)勢(shì)?

　　Matthew Whalley：不能一概而論，取決于特定任務(wù)與系統(tǒng)場(chǎng)景。但總的來說，我們的無人機(jī)的效能比混合無人機(jī)高出10%。當(dāng)然，這同樣取決于實(shí)際任務(wù)：如果只是進(jìn)行低速測(cè)量任務(wù)，那么我們的效能優(yōu)勢(shì)將在10%以內(nèi)。我們的無人機(jī)真正出彩的地方在于遠(yuǎn)程送貨或者高速先進(jìn)類任務(wù)，因?yàn)樗軌蛞?50%于傳統(tǒng)固定翼無人機(jī)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(dòng)，更快響應(yīng)緊急情況，這正是我們相較于混合無人機(jī)產(chǎn)品的核心優(yōu)勢(shì)。

　　問：為什么您的無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的巡航速度?

　　Matthew Whalley：與大多數(shù)固定翼無人機(jī)相比，我們的巨大優(yōu)勢(shì)來自于發(fā)動(dòng)機(jī)布局。我們?cè)O(shè)計(jì)出了一種最適合高速飛行的無人機(jī)，加上它本身就能配合吹翼設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超低速飛行，因此其仍然可以實(shí)現(xiàn)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(shì)之一——能夠在高速先進(jìn)時(shí)保持最佳狀態(tài)，同時(shí)憑借著機(jī)翼與發(fā)動(dòng)機(jī)布局實(shí)現(xiàn)低速機(jī)動(dòng)能力。

　　問：這套系統(tǒng)也可以用來著陸，對(duì)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(jī)是如何著陸的——基本上，我們會(huì)快速降低飛機(jī)行進(jìn)速度，導(dǎo)致機(jī)翼失速并將飛機(jī)整體作為風(fēng)阻制動(dòng)器。當(dāng)?shù)竭_(dá)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(jī)以更快的速度墜向地面。我們的發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身布局擁有一大核心優(yōu)勢(shì)，其喇叭形的設(shè)計(jì)在失速狀態(tài)下仍然能夠產(chǎn)生相當(dāng)可觀的上升力。雖然不足以繼續(xù)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(jī)身也只會(huì)緩慢地向地面下沉。而后，我們將腿部結(jié)構(gòu)部署在飛機(jī)下方，其負(fù)責(zé)充當(dāng)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(jī)拉平。

　　問：降落部分到底有多重要?

　　Matthew Whalley：就我個(gè)人來講，降落過程是最重要的一環(huán)，特別是考慮到無人機(jī)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(duì)不應(yīng)該以降落傘的方式投遞，用戶希望送貨及時(shí)、準(zhǔn)確且安全。

　　問：在配合實(shí)際載重后，這種著陸方式真的能夠順利起效嗎?

　　Matthew Whalley：當(dāng)然，我們對(duì)于這種著陸方案信心滿滿。

　　問：那么，您的設(shè)計(jì)中是否存在短板?例如，腿部結(jié)構(gòu)是否給無人機(jī)增加了較大的額外重量，或者說自動(dòng)駕駛儀是不是非常復(fù)雜?

　　Matthew Whalley：我們的設(shè)計(jì)方案確實(shí)存在一大缺陷，就是無人機(jī)自身無法懸停。在某些任務(wù)——雖然數(shù)據(jù)不多——當(dāng)中，用戶希望無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)懸停。但抱歉，我們的產(chǎn)品并非為此類場(chǎng)景所設(shè)計(jì)。至于你提到的其它問題，是的，這款無人機(jī)的腿部結(jié)構(gòu)確實(shí)有一定份量，不過可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗闹亓颗c大型遙控飛機(jī)的可伸縮底盤系統(tǒng)差不多。另外，雖然這款無人機(jī)的飛行控制器相當(dāng)復(fù)雜，但絕對(duì)不比目前市面上在售的其它同類產(chǎn)品更難上手。

　　問：您能談?wù)勀硐氘?dāng)中的飛行速度、飛行范圍以及載重能力目標(biāo)嗎?

　　Matthew Whalley：目前我們正在打造公司的第一款飛機(jī)，預(yù)計(jì)它會(huì)是計(jì)劃內(nèi)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(fù)荷，飛行時(shí)間能達(dá)到一小時(shí)。未來，我們計(jì)劃設(shè)計(jì)放大版本，翼展達(dá)到 6 米，負(fù)荷達(dá)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(xiàng)目——在非洲的多個(gè)區(qū)域部署實(shí)際任務(wù)。目前他們?nèi)匀辉谶M(jìn)行飛行周期測(cè)試(即起飛與降落)，但 Whalley 預(yù)計(jì)這項(xiàng)工作再有一到兩個(gè)月就能夠徹底完成。

　　無人機(jī)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(jù)我們觀察，針對(duì)非洲這類較為落后的地區(qū)，在無基礎(chǔ)設(shè)施范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)起飛與降落操作將成為無人機(jī)的核心發(fā)展目標(biāo)。Passerine公司當(dāng)然不是唯一一家意識(shí)到問題重要性的無人機(jī)廠商，但他們確實(shí)是最具創(chuàng)新性的廠商之一。