航空仿生學:送貨無人機如何用“鳥腿”起飛?
問:這樣的設計靈感源自哪里?
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201902/397674.htmMatthew 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(xiàn)醫(yī)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(xiàn)怎樣的能力。
此外,在發(fā)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(tǒng)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(huán)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(xiàn)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(xiàn)在,最新設計已經(jīng)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(wěn)定器以及其它垂直起降設計方案,Passerine的無人機擁有哪些優(yōu)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(zhí)行的大部分任務,發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)量。
問:那么與其它系統(tǒng)相比,您的設計方案又有哪些優(yōu)勢?
Matthew Whalley:不能一概而論,取決于特定任務與系統(tǒng)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(yōu)勢將在10%以內(nèi)。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(tǒng)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(chǎn)品的核心優(yōu)勢。
問:為什么您的無人機能夠?qū)崿F(xiàn)更高的巡航速度?
Matthew Whalley:與大多數(shù)固定翼無人機相比,我們的巨大優(yōu)勢來自于發(fā)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(xiàn)超低速飛行,因此其仍然可以實現(xiàn)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(yōu)勢之一——能夠在高速先進時保持最佳狀態(tài),同時憑借著機翼與發(fā)動機布局實現(xiàn)低速機動能力。
問:這套系統(tǒng)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?shù)竭_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(fā)動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(fā)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(huán),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(shù)據(jù)不多——當中,用戶希望無人機能夠?qū)崿F(xiàn)懸停。但抱歉,我們的產(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)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(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(qū)域部署實際任務。目前他們?nèi)匀辉谶M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(jù)我們觀察,針對非洲這類較為落后的地區(qū),在無基礎設施范圍內(nèi)實現(xiàn)起飛與降落操作將成為無人機的核心發(fā)展目標。Passerine公司當然不是唯一一家意識到問題重要性的無人機廠商,但他們確實是最具創(chuàng)新性的廠商之一。
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