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航空仿生学:送货无人机如何用“鸟腿”起飞?

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。

航空仿生学:送货无人机如何利用“鸟腿”起飞?

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。

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