航空仿生學(xué)：送貨無(wú)人機(jī)如何用“鳥(niǎo)腿”起飛？

　　無(wú)人機(jī)長(zhǎng)期以來(lái)受制于一大基本設(shè)計(jì)問(wèn)題：能夠長(zhǎng)距離高速飛行并承載大重量貨物的無(wú)人機(jī)，與能夠在小范圍飛行及降落的無(wú)人機(jī)，存在顯著的差異——前者使用固定翼設(shè)計(jì)，后者則需要旋翼設(shè)計(jì)。

　　如何設(shè)計(jì)能夠短距起飛但航程較遠(yuǎn)的無(wú)人機(jī)?業(yè)界常用的方法是組合固定翼和旋翼，然而這種設(shè)計(jì)顯然過(guò)于復(fù)雜——目前，我們已經(jīng)看到能夠由垂直起飛過(guò)渡至水平飛行的尾翼型無(wú)人機(jī);也看到包含可旋轉(zhuǎn)螺旋槳系統(tǒng)的無(wú)人機(jī);甚至還有固定翼無(wú)人機(jī)添加四旋翼以實(shí)現(xiàn)垂直起飛與著陸能力的方案。這些設(shè)計(jì)或多或少起到一定作用，但也不可避免地增加了無(wú)人機(jī)的重量、成本與復(fù)雜性，意味著其在任務(wù)執(zhí)行方面必然有所損失。

　　一家南非創(chuàng)業(yè)公司 Passerine 提出了更好的方法，模仿鳥(niǎo)兒的飛行思路：使用翅膀進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間飛行，同時(shí)依靠腿/腳結(jié)構(gòu)進(jìn)行起飛與降落。該公司設(shè)計(jì)了一款名叫“Sparrow”的無(wú)人機(jī)(如下圖所示)，為運(yùn)貨設(shè)計(jì)，引擎安裝在機(jī)翼上部，其腿部有受載彈簧，提供了起飛所需的八成能量，到達(dá)目的地后，無(wú)人機(jī)會(huì)減速，腿部伸展開(kāi)來(lái)，用作減震器。

　　Sparrow無(wú)人機(jī)渲染圖

　　大家肯定最先注意到腿部設(shè)計(jì)，后文會(huì)詳述。我們先從機(jī)身的固定翼設(shè)計(jì)說(shuō)起，這些超翼型發(fā)動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生所謂的“吹翼效應(yīng)”，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣將流過(guò)機(jī)翼頂部與機(jī)翼襟翼的一部分，如此一來(lái)，快速吹過(guò)機(jī)翼與襟翼的強(qiáng)制性調(diào)整空氣將產(chǎn)生大量升力(可達(dá)到傳統(tǒng)機(jī)翼升力的兩倍或三倍)，且由于空氣直接來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)，意味著即使飛機(jī)速度不快也能獲得可觀(guān)的上升力。這一點(diǎn)與多數(shù)傳統(tǒng)機(jī)翼與襟翼設(shè)計(jì)不同，后者的上升力很大程度取決于飛機(jī)的前進(jìn)速度，而采用吹翼設(shè)計(jì)的飛機(jī)能夠在更短的距離內(nèi)完成起飛與著陸，失速極限也得到巨大改善。

　　這里需要明確一點(diǎn)，吹翼設(shè)計(jì)并非 Passerine 公司的獨(dú)創(chuàng)，此類(lèi)技術(shù)歷史悠久。烏克蘭 Antonov 公司的貨運(yùn)飛機(jī)就采用了類(lèi)似的翼上發(fā)動(dòng)機(jī)，NASA(美國(guó)宇航局)甚至早在上世紀(jì)七十年代就測(cè)試過(guò)這種低噪短程研究型飛機(jī)(Quiet Short-Haul Research Aircraft，簡(jiǎn)稱(chēng)QSRA)，其能夠在無(wú)需彈射器或者制動(dòng)裝置的情況下在航空母艦上輕松完成起飛與降落。

　　圖：NASA的低噪短程研究型飛機(jī)在艾姆斯空軍基地展出。圖片展示了這款飛機(jī)的吹翼設(shè)計(jì)，即發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣會(huì)流經(jīng)機(jī)翼與襟翼部位。

　　但翼上發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)之所以一直未能真正流行，也是有理由的。首先，這類(lèi)設(shè)計(jì)的維護(hù)難度更高且維護(hù)成本更貴，因?yàn)榫S修人員無(wú)法在地面上直接操作。另外，使用這種設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)也很大，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)本身會(huì)產(chǎn)生巨大的升力，相較于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)布局，這類(lèi)飛機(jī)在起飛或降落時(shí)很有可能出現(xiàn)機(jī)體傾翻等情況。當(dāng)然，在大多數(shù)情況下，飛機(jī)之所以不使用吹翼設(shè)計(jì)，完全是因?yàn)闆](méi)有必要，畢竟通常跑道長(zhǎng)度足夠，不值得為了獲得額外的升力而承受上述弊端。

　　但在無(wú)人機(jī)方面，這些問(wèn)題的影響則小得多。由于機(jī)體更輕更小，所以無(wú)人機(jī)的翼上發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際更易于維護(hù)。雖然起飛或著陸時(shí)仍然存在一定的機(jī)體傾翻風(fēng)險(xiǎn)，但由于只是用于運(yùn)輸貨物，所以該問(wèn)題并不是特別無(wú)法接受。對(duì)于大多數(shù)無(wú)人機(jī)用例而言，我們往往很少或者根本沒(méi)有任何現(xiàn)成基礎(chǔ)設(shè)施可以借用，這意味著短距離起飛與著陸能力將成為決定其可行性的關(guān)鍵。

　　Sparrow 無(wú)人機(jī)上使用的吹翼設(shè)計(jì)無(wú)法獨(dú)力將飛機(jī)自身抬離地面，這時(shí)就需要配合一下腿部結(jié)構(gòu)了。這種腿部結(jié)構(gòu)，可以理解為一種專(zhuān)供無(wú)人機(jī)使用的、可反復(fù)起效的便攜式彈性系統(tǒng)，它們的動(dòng)力由彈簧提供，能夠提供起飛所需要的大部分(80%)動(dòng)量。

　　起飛之后，腿部結(jié)構(gòu)將回縮至機(jī)身旁邊的整流罩內(nèi)，以確保不會(huì)造成過(guò)大的阻力，接下來(lái) Sparrow 就能像其它常見(jiàn)固定翼飛機(jī)一樣平穩(wěn)飛行。而一旦到達(dá)目的地，腿部又反向起效：無(wú)人機(jī)會(huì)盡可能減速(使用吹翼設(shè)計(jì)保持上升力)，伸展腿部并將其作為減震器以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)降落。

　　這套系統(tǒng)的存在，意味著 Sparrow 無(wú)人機(jī)支持固定翼無(wú)人機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)(高承載能力、速度水平、航程與能源效率等)，外加旋翼飛機(jī)的精確著陸能力，而不必采用那種妥協(xié)式的混合設(shè)計(jì)。當(dāng)然，Sparrow無(wú)法像旋翼機(jī)那樣在空中盤(pán)旋，因此其所能夠執(zhí)行的任務(wù)類(lèi)型也會(huì)受到一定影響。例如，它可能不適合拍攝類(lèi)工作。但沒(méi)關(guān)系，因?yàn)? Passerine 公司目前主要關(guān)注送貨無(wú)人機(jī)，這類(lèi)產(chǎn)品對(duì)于承載能力、航程以及速度水平都有著很高的要求，而無(wú)需跑道即可完成起飛與著陸的能力將為其開(kāi)辟更多實(shí)際應(yīng)用空間。

　　那么，究竟腿部結(jié)構(gòu)與吹翼設(shè)計(jì)的組合如何讓 Sparrow 無(wú)人機(jī)順利飛向空中?Passerine公司創(chuàng)始人兼 CEO Matthew Whalley 接受采訪(fǎng)做出詳細(xì)介紹。

　　圖：Passerine公司創(chuàng)始人兼CEO Matthew Whalley

　　問(wèn): 您能否描述一下飛機(jī)到底是如何啟動(dòng)升空的?

　　Matthew Whalley：在啟動(dòng)時(shí)，飛機(jī)相當(dāng)于是躍起至空中。整個(gè)起飛過(guò)程與鳥(niǎo)類(lèi)的行為非常相似。當(dāng)一只鳥(niǎo)從地面起飛時(shí)，它的翅膀并沒(méi)有產(chǎn)生任何升力，大多數(shù)初始飛躍來(lái)自跳躍的助力。許多小型飛鳥(niǎo)在開(kāi)始扇動(dòng)翅膀之前，會(huì)進(jìn)行一次速度約為5g的跳躍以實(shí)現(xiàn)自我加速。我們的飛機(jī)基本上遵循同樣的原理。當(dāng)它躍起時(shí)，目標(biāo)并非為了抬升高度，而是為了向前推動(dòng)無(wú)人機(jī)以獲得最低飛行速度。在此之后，它就能像傳統(tǒng)飛機(jī)一樣正常飛行了?？偨Y(jié)一下 Sparrow 由起飛到實(shí)際飛行的基本過(guò)渡控制：無(wú)人機(jī)收回腿部結(jié)構(gòu)并繼續(xù)加速，并以大約30度的角度向上爬升，然后襟翼升起并進(jìn)入巡航模式。