未來仿生無人機橫空出世!鳥類跳躍垂直起飛,仿蒲公英增加升力

2020-12-05 汗青院

作者:DAGGER X

仿生,是未來無人機發展的一個重要方向,最終目標就是優化無人機的設計外形、內在結構,提高飛行性能和飛行品質以及解決無人機的任務環境適應性問題。

目前,無人機在仿生方面主要是設計外形的功能性仿生,例如模仿鳥類,昆蟲和蝙蝠的撲翼性飛行,這些都是應用碳纖維複合材料和高分子彈性膜材料來構成仿生型無人機的機翼和內在結構。撲翼式無人機的好處在於噪音小,相對於電機螺槳無人機功耗小,在軍事戰術應用方面具有一定的欺騙性,而且撲翼式無人機起降場地條件不受限制,但這一類無人機由於發動機功率和體積限制,其速度較慢、載重較輕(一般為1-2kg)。

那麼如何實現小型無人機擁有大載重能力而不受場地限制起飛並具備較高的飛行速度則是無人機發展的另一個重點方向。目前,混合推進無人機確實可以做這一點,但操控程序仍較複雜,綜合功耗大。這時,鳥類的跳躍起飛功能將會是小型無人機的一個仿生發展方向。目前,一家南非初創公司Passerine試圖顛覆之前的設計,給固定翼無人機裝上了腿。用翅膀實現有效飛行,用腿來實現起降。Passerine公司資料顯示,這款名為「麻雀」(Sparrow)的無人機為貨運無人機,主要採用吹氣襟翼技術,將飛機引擎安裝在機翼上部。

早在上世紀70年代,吹氣襟翼已開始應用,通過向飛機襟翼上噴氣,機翼在低空速時也能獲得傳統機翼2-3倍的升力,實現優秀的低速短距起降能力。但對於Sparrow來說,引擎帶來的動力不足以推動飛機起飛,「腿」才是起飛的關鍵。Sparrow的腿部裝有兩個類似於彈射器的受載彈簧,可以提供起飛所需的80%的能量。

彈射起飛後,無人機會以大約30度的角度爬升,同時腿部像起落架一樣收回到機身中,隨後,襟翼升起,飛機進入巡航配置。到達目的地後,無人機會減速,腿部會再次伸展開來,用作減震器。這其中的原理就是仿生鳥類通過跳躍來提供較高的初始起飛速度實現無人機的垂直起飛功能。目前,Sparrow還只是小型版,巡航速度為120 km/h,能攜帶 2公斤的負荷,飛行時間約一小時。下一步,研究團隊計劃將翼展達到6米,有效載荷提升至100公斤。

在提高無人機氣動飛行效能方面,植物的外形結構也是一個重要仿生方向。據英國《每日郵報》報導,英國科學家徹底解開了蒲公英種子僅憑風力可以遠飛500英裡(800公裡)的謎團,將借鑑其飛行模式,用於隱形無人機的製造。研究人員將超長曝光與高速成像技術結合起來,發現當空氣穿過蒲公英種子上的硬毛時,會有環形氣泡形成,增加阻力,減緩每顆種子下降到地面的速度,這使得羽毛設計比翼狀膜能更加有效地分散輕量級種子的重量。

研究人員認為蒲公英的多孔降落傘可能會促進小型無人機的研發,這種無人機幾乎不耗電,可用於遙感或空氣汙染監測。因此,未來無人機的固定機翼或旋翼表面可通過應用高分子材料設計成蒲公英種子的剛毛結構增加翼面的氣動升力效能,從而提高無人機的長時間滯空能力。可見,大自然這種巧妙的飛行模式可以最大限度地降低材料和能源成本,還可以應用於可持續發展技術工程。

可以說,仿生工程在未來無人機上的應用方興未艾,潛力巨大。

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