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航空仿生学:送货无人机如何利用“鸟腿”起飞?

时间:2019-08-21
能够高速飞行的无人机和运载重型货物的无人机以及可以在小区域内飞行和降落的无人机之间存在显着差异 - 前者使用固定机翼设计,后者需要转子设计。

如何设计一种可以在短距离起飞但距离较远的无人机?该行业中常用的方法是将固定翼和转子组合在一起。然而,这种设计显然太复杂了 - 目前,我们已经看到尾部无人机可以从垂直起飞转换为水平飞行;还可以看到包含可旋转的螺旋桨系统。无人机;甚至还有固定翼无人机可以增加四旋翼飞行器来实现垂直起飞和着陆能力。这些设计或多或少地发挥作用,但它们也不可避免地增加了无人机的重量,成本和复杂性,这意味着它将不可避免地失去其使命。

南非创业公司Passerine提出了一种模仿鸟类飞行思路的更好方法:使用机翼进行长期飞行,同时依靠腿/脚结构进行起飞和降落。该公司设计了一种名为“Sparrow”的无人机(如下图所示),专为运输而设计,发动机安装在机翼的上部,腿上装有弹簧,可提供80%的起飞能量。到达目的地后,无人驾驶的人放慢速度,双腿向外伸展,充当减震器。

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麻雀无人机效果图

你必须是第一个注意腿部设计的人,这将在后面详述。让我们从机身的固定翼设计开始。这些超级发动机可以产生所谓的“吹翼效应”。发动机排气将流过机翼顶部和机翼翼片的一部分,因此可以快速吹气。强制调整机翼和襟翼上方的空气将产生大量升力(是传统机翼升力的两倍或三倍),并且由于空气直接来自发动机,这意味着即使速度很快飞机不快,可以获得相当大的升力。这与大多数传统的机翼和襟翼设计不同。后者的升力很大程度上取决于飞机的速度。具有鼓风机设计的飞机可以在较短的距离内起降,并且失速极限也是很大的改进。

这里需要明确的是,鼓风机的设计并不是历史悠久的雀形目的原创性。乌克兰安东诺夫货机使用类似的机翼式发动机。美国宇航局(NASA)甚至在20世纪70年代测试了这种低噪声短程研究飞机(Quiet Short-Haul Research Aircraft,QSRA)。 ),无需弹射器?蛑贫骷纯汕崴善鸱珊徒德湓诤娇漳附⑸稀?

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图:美国宇航局的低噪声短程研究飞机在艾姆斯空军基地展出。图为该飞机的机翼设计,即发动机排气将流经机翼和襟翼。

但是,机翼发动机设计尚未真正受欢迎的原因是合理的。首先,这种设计更难以维护并且维护起来更昂贵,因为维护人员不能直接在地面上操作。此外,使用这种设计的风险也很大,因为发动机本身会产生巨大的升力,与传统的标准发动机布局相比,这种飞机在起飞或降落时可能会受到车身倾斜。当然,在大多数情况下,飞机不使用鼓风机设计的原因完全是因为没有必要。毕竟,通常跑道足够长,为了获得额外的升力,不值得的缺点。

但就无人机而言,这些问题的影响要小得多。由于机身更轻更小,无人机的翼式发动机实际上更容易维护。虽然在起飞或降落时仍有一定的翻倒风险,但问题并非特别不可接受,因为它仅用于运输货物。对于大多数无人机用例,我们通常很少或根本没有现成的基础设施借用,这意味着短距离起飞和着陆能力将是决定其可行性的关键。

麻雀无人机上使用的鼓风机设计不能单独将飞机本身抬离地面,因此您需要安装腿部结构。该腿结构可以理解为设计用于无人机的可重复使用的便携式弹性系统。它们的动力由弹簧提供,弹簧提供起飞所需的大部分(80%)动量。

起飞后,腿部结构将缩回机身旁边的整流罩,以确保没有过大的阻力,然后麻雀可以像其他常见的固定翼飞机一样平稳地飞行。一旦到达目的地,腿就会反向运转:无人机尽可能地减速(使用鼓风机设计来保持升力),并且腿被拉伸并用作减震器以便平稳着陆。

该系统的存在意味着Sparrow无人机支持固定翼无人机的所有优点(高负载能力,速度水平,射程和能量效率等)加上旋翼飞机的精确着陆能力而不必妥协。混合设计。当然,麻雀不能像旋翼机那样在空中盘旋,因此它可以执行的任务类型也会受到影响。例如,它可能不适合拍摄工作。但这没关系,因为Passerine目前专注于交付无人机,它对负载能力,航程和速度水平有很高的要求,并且没有跑道起飞和着陆的能力将开辟更多的实际应用空间。

那么,腿部结构和鼓风机设计的结合如何让麻雀无人机飞向空中? Passerine的创始人兼首席执行官Matthew Whalley接受了采访,详细介绍。

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照片:Passerine创始人兼首席执行官Matthew Whalley

你能描述飞机是如何起飞的吗?

Matthew Whalley:在启动时,飞机相当于跳跃到空中。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,它的翅膀不会产生任何升力,并且大部分的初始跳跃都来自跳跃力。许多小型鸟类在跳起翅膀之前会跳跃大约5克以加速自己。我们的飞机基本上遵循相同的原则。当它跳跃时,目标不是抬起升力机,而是向前推动无人机以获得最低的飞行速度。在那之后,它可以像传统飞机一样正常飞行。总结一下?麻雀?从起飞到实际飞行的基本过渡控制:无人机缩回腿部结构并继续加速,以大约30度的角度爬升,然后襟翼上升并进入巡航模式。

问:设计灵感在哪里?

马修非洲与基础设施层面的许多国家存在巨大差距,因此可以设计能够长途飞行并携带大型重量的无人机来弥补这一差距。有趣的是,许多年后,南非成为非洲第一个使用无人机的国家 - 大约15年前,当时我们还在努力提供医疗资源。这是无人机的灵感来源,我确切知道无人机需要什么样的能力。

此外,在发展中国家,尤其是非洲,无人机确实可以为人们的生活带来极大的便利。然而,由于严重缺乏基础设施,传统固定翼飞机或无人机的覆盖范围往往非常有限。因此,我们需要在低级基础架构环境中工作的解决方案。我们设计的无人机的支腿结构可以更有效的方式向空中提供远程飞机,而无需在其上绑定四旋翼。

问:这架无人机的腿部结构与真正的鸟腿有多相似?

Matthew Whalley:里面有一个有趣的故事。我们的初始设计看起来根本不像鸟的腿,但我们知道我们需要实现一些加速才能达到最低的飞行速度,并且在每次效率提升的迭代中,结构都开始发生变化。它变得越来越像鸟的腿。到目前为止,最新的设计已经非常接近真正的鸟腿,但这实际上是迭代设计的结果。我们最初并不打算直接模拟鸟的腿,但结果却是一个非常有效的设计方向。

问:Passerine的无人机比混合动力无人机,尾部稳定器和其他垂直起飞和着陆设计有什么优势?

Matthew Whalley:这些无人机之间有几个重要的区别。首先,悬停行动的能效最低,但我们仔细观察了无人机执行的大部分任务,发现通常不需要悬停 - 真正重要的是对基础设施没有任何要求。实现起飞和降落。因此,通过避免悬停,我们避免了这种节能的情况,这意味着我们的无人机不需要携带如此多的电池,也不需要如此强大的电机。由此产生的设计更轻,可以飞得更远或携带更高的质量。

问:与其他系统相比,您的设计有哪些优势?

Matthew Whalley:根据具体的任务和系统情况,它不能一概而论。但总的来说,我们的无人机比混合动力无人机效率高10%。当然,这也取决于实际任务:如果我们只执行低速测量任务,那么我们的性能优势将在10%以内。我们的无人机的真实之处在于远程交付或高速先进的任务,因为它可以以传统固定翼无人机的150%的速度巡航,并且能量消耗水平基本相同。这意味着更快的交付速度和对紧急情况的更快响应,这是我们超越混合动力无人机的核心优势。

问:为什么你的无人机能够达到更高的巡航速度?

Matthew Whalley:与大多数固定翼无人机相比,我们的巨大优势来自发动机布局。我们设计了一种最适合高速飞行的无人机,并且它可以设计成通过鼓风机设计实现超低速飞行,因此它仍然可以实现低速进近并且使用自动驾驶仪轻松完成着陆。这是我们的主要优势之一 - 能够在高速时保持最佳状态,同时由于机翼和发动机布局而具有低速机动性。

问:这个系统也可以用于登陆,对吗?

Matthew Whalley:是的,你可以想象这些鸟类是如何着陆的,或悬挂式滑翔机是如何着陆的 - 件下仍能产生相当大的升力。虽然不足以保持飞行,但足以将下降加速度保持在非常低的水平。因此,即使我们处于衰退的过程中,机身也只会慢慢下沉到地面。然后,我们在飞机下方部署了腿部结构,其作为减震器以抵消最后一点的剩余动能 - 而不是依靠发动机压扁。

问:着陆部分有多重要?

Matthew Whalley:就我而言,着陆过程是最重要的部分,特别是考虑到无人机携带的货物可能是脆弱和重要的。在我看来,血液样本之类的东西绝对不能以降落伞的形式传递。用户希望以及时,准确和安全的方式交付。

问:用实际负载着陆后,这种着陆方法真的有用吗?

Matthew Whalley:当然,我们对这个着陆计划充满信心。

问:那么,你的设计中是否有一个短板?例如,腿部结构是否会给无人机增加额外的重量,或者自动驾驶仪是否非常复杂?

Matthew Whalley:我们的设计存在一个很大的缺陷,那就是无人机本身无法盘旋。在某些任务中 - 尽管数据不多 - 用户希望无人机能够悬停。但抱歉,我们的产品不适合此类场景。至于你提到的其他问题,是的,这架无人机的腿部结构确实有一定的数量,但可以忽略不计,因为它的重量与大型遥控飞机的可伸缩底盘系统相似。此外,虽然这款无人机的飞行控制器非常复杂,但它比目前市场上的其他类似产品更难上手。

问:你能谈谈你理想的速度,飞行范围和负载能力目标吗?

Matthew Whalley:我们目前正在建造该公司的第一架飞机,预计这是该计划中各种版本中最小的一架,即Sparrow。巡航速度为120公里/小时,可承载2公斤的载荷,可行驶1小时。在未来,我们计划设计一个翼展6米,载重100公斤的放大版。

后记:Whalley告诉我们,Passerine将在2019年第二季度启动一个试点项目 - 在非洲多个地区部署实际任务。他们仍在进行飞行循环测试(即起飞和降落),但Whalley预计这项工作将在一到两个月内完成。

无人机很可能在不久的将来成为非洲土地上重要的物流配送工具。根据我们的观察,对于非洲等相对落后的地区,没有基础设施的起飞和降落作业的实施将成为无人机的核心发展目标。 Passerine肯定不是唯一认识到问题重要性的无人机制造商,但他们确实是最具创新性的供应商之一。

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