上世紀的全能無人旋翼飛行器,西科斯基開路之作,賽飛無人機

2020-12-06 旋翼飛行器

▲裝配有傳感器懸艙的西科斯基賽飛(Cypher)無人機模型

起點——DARPA的一份「小合同」

1986年7月份,美國國防先進項目研究局(DARPA;Defense Advanced Projects Research Agency)找到了西科斯基公司,一番磋商之後,雙方籤署了一份「小合同」,經費不多,僅僅只是小型預研項目的規模,美國航空宇航局,也就是NASA(National Aeronautics and Space Administration),作為提供經費的中間方管理這個小項目,該項目的目的也很明確:探索非常規構型的旋翼類無人機的可行性。

雖然是小合同,西科斯基公司卻仍然分出了一支頗具實力和行動力的團隊去推進此項預研工作。到1987年3月份,西科斯基公司也終於交出了第一份答卷:他們開發了一種涵道式共軸雙旋翼複合構型的無人旋翼飛行器,這種設計一方面能夠確保無人機具備高安全性,同時也能保持其在垂直起降方面的靈活作業能力。

▲西科斯基公司早期的涵道雙旋翼無人機概念專利圖

作為DARPA每年都會啟動的一大堆小型預研項目之一,該研究局雖然對該項目有一定的興趣,但是並沒有持續投入大量的資金推進它。但是西科斯基公司卻認為這種新構型的無人機潛力巨大,所以他們啟動了聯合飛機公司的內部經費融資來進一步推進這種新構型無人機的縮比模型測試工作,以此來降低技術邁進的風險,並在進行了足夠的模型測試之後,正式啟動了概念原型機的設計和製造工作。

1988年7月13日,涵道式共軸無人機原型機正式啟動試飛工作。這架原型機本身只是一架低成本的簡化設計飛行器,但也足夠西科斯基公司針對這種新構型無人機的旋翼/機身構型、生產製造、後勤和一些無人旋翼機的關鍵操作等方面的效能進行評估。

從概念原型到真傢伙——賽飛無人機的誕生

賽飛的概念驗證原型機被稱為POC(Proof of Concept),該機的總體構型就是在一套圓環形涵道機身中央設計了一套共軸雙旋翼系統。這種圓環形的涵道能夠提升當時旋翼類無人機常被詬病的操作安全性問題,同時,涵道的存在也阻止了旋翼的槳尖三維流動效應,能夠部分增加整體升力和降低噪音。

POC型賽飛的總的直徑為1.75米,高度為55公分,重量僅20公斤。如上文所述,該機在1988年7月13日完成了首次試飛。其所採用的發動機為一臺四衝程的出軸馬力為2.85千瓦的發動機,其旋翼採用了兩套3槳葉的施呂特爾旋翼,其直徑為5英尺(1.524米)。

該型無人機的控制系統其實就是從現成的遙控模型無人機上面直接拿過來改造一番直接用的,所以其無線電遙控器也是現成的。通過無線電傳輸,賽飛-POC就能夠接收到操作員的指令信號,無線電信號轉為電信號之後就能驅動位於旋翼下方的伺服機構,然後對旋翼實現操縱。除了無線電信號之外,賽飛-POC的控制系統還會混合接收來自位於該機滾轉、俯仰軸上的速度陀螺儀的數據,速度陀螺儀的存在能夠改進賽飛-POC的速度穩定性。

賽飛-POC作為 一架概念驗證機,固然存在不少問題,但是西科斯基公司的設計師們發現該機在懸停狀態下,能夠實現任意自由度的操縱控制。不過受限於發動機的性能,該機並不能實現預期的前飛測試,於是設計師們只能採用一個折中的辦法——讓一輛平板卡車拖著賽飛-POC在跑道上來回跑——以此來觀測該機的水平飛行數據。總的來說,儘管由於發動機的限制,該機飛行測試完成度並不高,但是賽飛-POC的概念及其優越性仍然是得到了一定的驗證,並獲得了西科斯基公司設計師的認可。

賽飛-POC的飛行驗證取得的初步成功激勵了西科斯基公司的設計師,促使他們趁熱打鐵推出了賽飛技術驗證(Technology Demonstrator)原型機,簡稱賽飛-TD。該機總重250磅,總直徑6.5英尺,由一臺出軸功率52馬力的旋缸發動機驅動。

1992年4月份,賽飛-TD完成了首次系留飛行測試;1993年初,該機完成了真正意義上的首次自由飛行測試。在90年代,西科斯基的設計師們和試飛人員對賽飛-TD進行了長時間的飛行測試和演示驗證,該機的總飛行時長達到了550小時,這些珍貴的飛行測試數據最終促成了賽飛的改進版本——賽飛Ⅱ——的誕生。賽飛Ⅱ作為西科斯基公司的「真·賽飛無人機」參與了美國海軍的「垂直起降-無人機」(VT-UAV;Vertical Takeoff-Unmanned Aerial Vehicle)項目的競賽。

最初,賽飛Ⅱ是作為一種無人偵察飛行器而被開發的,其研製目的是為戰術指揮官在高風險、高對抗性的戰場環境下提供關鍵目標的實時跟蹤和定位信息。隨著賽飛無人機機載系統的成熟,該機逐漸發展成為一個多用途的綜合任務平臺,能夠執行各種軍事和非軍事任務,比如說遠程哨兵、地下探測或者有限載荷運載系統。總的來說,賽飛可以在機體上方的懸臂上安裝傳感器及其他任務載荷,或者也可以運輸重達23公斤的貨物。

西科斯基公司給賽飛Ⅱ起了個相當炫酷的綽號「龍騎士」(Dragon Warrior),最後被美國海軍陸戰隊選中來評估「無人機輔助超視距目標打擊」能力。西科斯基收到了546萬美元的初期經費合同,需要按照要求向美國海軍陸戰隊交付兩架原型機和四套地面工作站,該合同還有一個額外的價值376萬美元的附加選項,該選項要求向美國海軍陸戰隊交付10架生產型的賽飛Ⅱ無人機。

可惜的是,儘管該項目前景看起來很美好,但是實際問題卻不少。一方面,西科斯基公司碰上了不少技術難題,其中就包括給賽飛Ⅱ加裝機翼和輔助推進螺旋槳來提升其前飛性能等措施,這些技術難題的出現導致西科斯基公司的研製進度一度落後於美國海軍陸戰隊的時間進度表;另一方面,隨著研製工作的推進,初期的研製經費很快見底,西科斯基已經開始內部自籌經費推進項目,美國海軍陸戰隊卻沒法提供更多的經費。多重因素綜合之下,該項目很快就被取消了,在項目取消之前,西科斯基公司僅有兩架「龍騎士」原型機被打造出來。

除了上述的幾種賽飛構型之外,西科斯基公司的設計師早在賽飛無人機設計之初就考慮過涉及多種尺寸的賽飛無人機,以此來滿足特定任務的要求,其中有一款尤為小巧的賽飛無人機就被稱為賽飛-Mini。賽飛-Mini可以通過可攜式地面站直接操作,甚至也可以直接背在人的背上,然後通過帶有頭盔顯示器的可穿戴式計算機進行操作。和較大的賽飛無人機一樣,賽飛-Mini的操作也不需要訓練有素的飛行員,該機已經實現了較高程度的飛行自主化,一般來說,操作員只需要提供以任務為導向的指令就能夠輕鬆駕駛該型無人機。西科斯基曾嘗試向軍方和民用客戶推銷賽飛-Mini,但是卻沒有收到積極的回應。

賽飛-Mini無人機直徑36英寸,高度8英寸,空重30磅。其有效載荷為20磅,其中包括燃料和任務載荷,最大起飛重量為50磅。賽飛-Mini的總體設計與大尺寸的賽飛無人機基本一致,都是由環形涵道機體包容著共軸雙旋翼設計,以此來確保該機在高樓間、叢林間和其他障礙物附近作業的安全性。賽飛-Mini可以在各種複雜地形實現降落,其著陸面積僅需3平方米。

高度自主——賽飛無人機的設計特點

發動機:賽飛無人機由一臺汪克爾型轉子發動機(Model AR801,由英格蘭無人機發動機有限公司製造)驅動。該型發動機憑藉其出色的功重比和較低的油耗水平而被西科斯基公司的工程師所選中。從構型上來說,AR801是一種單一轉子、自然吸氣式、294cc內燃機,可選液冷或者氣冷。其內發動機轉子是一套氣冷系統,可以吸引冷空氣通過轉子殼體,空氣由安裝在外部發動機機殼上的風扇牽引。發動機殼體則通過水-乙二醇混合物冷卻,水-乙二醇混合物通過散熱器實現循環使用,這種散熱器安裝在雙旋翼之間的涵道內壁上。AR801的轉速為7000 RPM,出軸功率為50馬力,其工作狀態則通過賽飛無人機的總飛控系統監測和控制。

▲賽飛無人機所採用的汪克爾型轉子發動機

AR801的推薦使用燃油是100LL的航空汽油,不過RON 94或更高的車用汽油也是可以用作燃料的。英格蘭無人機發動機有限公司還開發了一種排量更大的核心發動機,燃油消耗高一些,但能提供60馬力的功率輸出。這種核心發動機也被西科斯基公司列入大型賽飛無人機的意向發動機之列。

起落架:賽飛-TD採用的仍然還是橇式起落架,不過到了賽飛Ⅱ,就開始採用輪式起落架了。

控制站:賽飛無人機的控制站本質上就是一臺筆記本電腦。其設計的門檻非常低,一般的非飛行員的美軍士兵只需要經過少量的訓練就能操作賽飛控制站。事實上,成熟的賽飛Ⅱ基本都不需要操作員來「駕駛」它,操作員只需要輸入任務指令,之後的整個飛行過程都是由賽飛自主完成的,而且這些任務指令隨時可以被修改。而如果任務指令中止的話,賽飛無人機則會返回基地。

賽飛系統管理器:賽飛無人機集成了當時最先進的飛行控制軟體和綜合航空電子子系統,這使得該機的任務執行可以實現高度自動化,只需要很少或者說根本不需要操作員的幹預。賽飛無人機的整個任務都可以通過系統管理器計劃、實施和實時監控。系統管理器前端分為兩部分,左側為偵測區域的電子地圖,右側則實時顯示傳感器的輸出。如果要進行任務規劃的話,操作員只需要用滑鼠選擇航路(或者目的地地點或者要監測的區域),路線規劃軟體就會自動規劃一條安全的路線到引導賽飛無人機飛往選定的目標點或者區域。

控制賽飛無人機的一些指令,如:自動起飛、穩定巡航、區域搜索等,也顯示在系統管理器屏幕的底側。操作員只需要點幾下滑鼠就能執行這些命令。

機身和共軸旋翼:賽飛的機身是一種全碳纖維結構的設計,其外形經過特別優化,兼顧了懸停和前飛狀態下的氣動效率。其共軸雙旋翼,被包容在涵道機身內部,是一種無軸承的、全複合材料設計的旋翼系統,這種設計可靠性比較高、可維護性也很好、重量當然也比較輕。共軸雙旋翼的設計使得該機不需要額外的反扭距系統,而其偏航、俯仰、滾轉等操縱則通過雙旋翼總距和周期變距的差動來實現。

▲賽飛無人機涵道共軸雙旋翼設計專利圖示

西科斯基公司的賽飛無人機可以說只是西科斯基公司歷史上的一個小插曲,並沒有引起如同該公司其他旋翼飛行器產品般的巨大反響 (如海王、黑鷹、科曼奇、種馬系列等),但是賽飛Ⅱ所展示的獨特能力,如自主飛行、空中識別、精確的有效載荷投放等,還是吸引了不少目光。

▲賽飛Ⅱ無人機的自主懸停和前飛能力都堪稱完備

可以說,在上世紀九十年代早期,這種能力已經在旋翼類無人機中佔據了領先地位。當然,賽飛無人機同時也有一些顯著的缺陷,比如說其採用的二衝程循環高性能發動機存在著噪音巨大的問題,而受限於該機的功率要求和重量限制,西科斯基公司從該項目起始到結束,都沒能有一個良好的措施來處理這個噪音問題,直到相關項目最終被取消,西科斯基為了將業務中心擺到直升機方面,也就放棄了賽飛無人機的後續工作,只能說是一個遺憾了。

相關焦點

  • 收放式單槳旋翼,噴氣動力,西科斯基40年代高速直升機概念揭秘
    在多輪激烈討論之後,一個大膽的想法在研究團隊中被提了出來:既然常規旋翼行不通,為什麼不嘗試一下只有一片槳葉的旋翼呢?說幹就幹,西科斯基的工程師都是實打實的行動派,他們敲定單片槳葉搭配配重塊的旋翼方案之後,在1948年的8月份,把造好的新旋翼系統裝到了「世界上第一型實用直升機」西科斯基R-4上進行了飛行測試。
  • 旋翼通鑑|自行車籃搞貨運,傳動用皮帶,西科斯基一代直升機詳解
    作者:丁尹 出品:旋翼飛行器弁言到底怎麼樣才能造出一架真正實用的直升機呢?上世紀早期的發明家們都不知道這個問題的答案。VS-300之於西科斯基先生,就好比小白鼠之於生物學家,針對它展開的一系列設計、試飛、修改等工作最終奠定了西科斯基直升機未來發展的基礎,也引領了大半個世紀的世界直升機潮流。
  • 組合導航系統在四旋翼無人機上的實現
    組合導航系統在四旋翼無人機上的實現 佚名 發表於 2015-07-07 09:37:39   0 引言   近年來,
  • 四旋翼無人機虛擬控制系統的設計
    無人飛行器(UAV)是由無線電遙控設備和獨立程序控制裝置操縱,或由機載計算機完全或間歇自主操縱的無人飛行器[1-3]。它們有良好的隱蔽性、強大的生命力、簡單的起飛與著陸、低成本和對傷亡的恐懼[4-7]。
  • 多旋翼無人機的結構—新疆凱蘭無人機駕駛員培訓
    多旋翼無人機是近十幾年興起的一類旋翼類飛行器,從它出現之後,因飛行控制系統技術的不斷進步,使其得到了飛速發展。早在1907年布雷格(Bregue)兄弟就進行了他們的旋翼式直升機的飛行試驗。20世紀90年代之後,隨著微機電系統(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)研究的成熟,重量只有幾克的MEMS慣性導航系統被開發運用,使製作多旋翼飛行器的自動控制器成為現實。但由於早期計算機能力不足,並且存在數據噪聲太大的問題,微型自動控制器的應用受到了限制。
  • 迎難而上,西科斯基為何接下X翼複合式直升機項目?
    奇斯曼教授將科恩達效應(又稱射流附壁效應)應用到柱形旋翼槳葉的升力控制上。科恩達效應的原理就是當氣流沿著物體表面切線運動的時候,它將傾向於黏附在物體表面流動,直到物面曲率極大之時,才會分離出去。圖——科恩達效應示意圖這種流動效應就像是為旋翼增加了一段「虛擬襟翼」,奇斯曼教授確信可以在固定翼飛行器上加裝一副這種設計的旋翼,該旋翼僅需在起飛和著陸時轉動,且能夠在飛行中實現停轉/啟動等操縱。也就是說一旦該飛行器意圖加速飛行,將可停轉旋翼並將其摺疊收起以增大巡航效率;若要垂直下降,只需展開旋翼,並啟動旋轉即可。
  • 四旋翼無人機的製作與調試
    如圖2-1所示,一臺簡單的四旋翼無人機主要包括機架、電機、飛控板、螺旋槳、電池和遙控器六部分。圖2-1 四旋翼飛行器四旋翼飛行器的旋翼結構如圖2-2所示。飛行時,以1號電機為機頭,3號電機為機尾,2號和4號電機分別位於機身的左、右側。
  • 普華鷹眼攜六旋翼無人機亮相展會
    2020第四屆世界無人機大會於9月14日在無人機之都——中國深圳火熱進行中,大會期間第五屆深圳國際無人機展覽會在隆重舉行,2.25萬平方米的國際展會、400多家中外無人機企業的無人直升機、無人固定翼機、無人多旋翼飛行器、無人飛艇(船)、無人傘翼機、撲翼式微型無人機、水下潛行器以及上下遊配套產業產品都精彩亮相。
  • 傾轉旋翼無人機—固定翼和直升機的混血兒
    固定翼無人機續航時間長、速度高但卻需要起飛跑道。自上個世紀,技術人員就開始在二者之間不斷探索,旨在尋找一種既可以垂直起降又能保障高航速和長航時的整合型技術。上世紀末,傾轉旋翼無人機技術應運而生。  傾轉旋翼無人機結合了直升機機和固定翼的優點,既有旋翼又有固定機翼,而且旋翼可以從垂直位置轉向水平位或者從水平位置轉到垂直位置,因此這種無人機兼具垂直/短距離起降和高速巡航的特點。
  • RflySim平臺+多旋翼飛行器實踐教程,將如何成就業界未來?
    第二個貢獻在於我們的平臺具有分布式構架來保證任意數量無人機集群仿真的實現,也使用了Unreal Engine 4(UE4, 虛幻4)這樣最新的三維引擎來保證逼真的顯示效果並提供視覺控制功能,有利於我們在科研上做一些大規模的飛行器仿真,加速我們的科研。」
  • 西科斯基高速直升機的細節追求
    弁言——細節決定成敗在上世紀六十年代末西科斯基公司開始考慮「前行槳葉概念旋翼」(ABC Rotor;Advanced Blade Concept Rotor)飛行器的時候,他們對於這種新構型的複合式直升機的關注焦點主要還是在「共軸剛性雙旋翼系統」上,對於輔助推進裝置,他們的想法很簡單:夠用就行。
  • 四旋翼無人機和動作捕捉系統能碰撞出哪些火花?
    要求在室內無人機從起始點起飛後沿線巡檢,拍攝線纜上異物及二維碼,繞兩桿飛行一周,時間短者獲勝。如圖1所示賽題要求。由題目可知要想完成題目最終要的是四旋翼要懸停準、飛的穩,故四旋翼的懸停至關重要。實際應用中,四旋翼所實現的功能也是建立在穩定懸停基礎上來實現其他功能的。
  • 《湄公河行動》的無人機,是如何解決單旋翼飛行器自轉問題的?
    sWRednc有網友質疑二郎的無人機下面機身是圓柱體,只有一個單旋翼螺旋槳,這種單旋翼飛行器會產生自轉,根本無法穩定,要解決自轉的問題,要麼都有一個尾漿或者同軸雙翼來抵抗這種旋轉,現實中的無人飛行器靠四旋翼甚至更多的旋翼來調節。單旋翼是不可能的,機身在自轉,你沒法穩定攝像。而且也沒有見到現實中存在的圓形的活動的光電探頭。
  • 微型四旋翼製作1———(四旋翼的介紹以及發展)
    說了半天的四旋翼,那到底什麼是四旋翼呢?四旋翼,也稱四軸飛行器,是一種用四個旋翼產生升力的多軸飛行器。和固定翼飛行不同,它通過旋翼提供的推力使飛機升空、懸停、維持姿態及平飛。它的四個旋翼大小相同,分布位置接近對稱。
  • 詳解多旋翼飛行器上的傳感器技術(上)
    2014年的六月,我在知乎「民用小型無人機的銷售現狀和前景怎麼樣? - YY碩的回答」這個問題下面發布了一篇科普多旋翼飛行器技術的回答,在知乎上至今獲得了889個贊同、近10萬次瀏覽,並且被幾十家媒體和公眾號轉發。2014年中正是多旋翼飛行器市場爆發前的風口,後來很多朋友告訴我說正是這篇文章吸引他們走入了多旋翼飛行器行業。
  • 和西科斯基對決,爭奪科幻直升機訂單
    美國陸軍要求,這款直升機要擁有多種偵察手段,能夠快速飛行並具有一定的武裝,還要能夠控制無人機,並與其進行協同作戰,以對抗各種威脅並相互支援。至於速度,美國陸軍要求其要能夠達到每小時370公裡左右。 這其中,貝爾公司提出的方案是較為傳統的貝爾360"勇士"單旋翼直升機項目,而西科斯基入圍的則是一種激進的方案,代號:"突擊者X"(Raider X)複合雙旋翼直升機項目。
  • 四旋翼航拍無人機是怎麼飛行的你知道麼?
    相比於在地面上拍攝取景視野狹窄,無人機航拍視野廣闊,更容易出大片,近年來愈發成為一種流行的攝影攝像方式。如今,無論是拍畢業照、拍電影,還是晚會直播,都可見航拍無人機的身影。
  • 無人機的發展之路,四軸飛行器的簡單製作和原理,你了解嗎?
    四軸飛行器輕輕地在天空飛行,盡其所能地控制好每個微小的動作,展現著自己精緻的舞姿。這樣的描述應該是恰如其分的吧?但是實際上,四軸飛行器與其說是與空氣偕舞,倒不如說是它和空氣進行搏鬥。時而飛行器勝出,時而空氣獲勝。無人機之美妙並不在於在天空的優雅曲線,也不是翅膀扇動時細微的形態。當然,它沒有翅膀。實際上,現代多旋翼的許多精巧設計是翅膀所不具備的。
  • 為什麼大型可載人四旋翼飛行器仍然不能取代直升機?該部件是關鍵
    近些年來,四旋翼飛行器可謂是航空領域的寵兒。無論是小巧「會飛的照相機」,還是飛行器大賽的明星選手,亦或是電力巡檢、快遞投送的小能手,甚至是披掛上陣,帶載彈執行軍用任務的空中間諜,你都能看到四旋翼飛行器的身影。當然,必須要指出的是,上述的絕大部分都是無人機。
  • Dragonfly Pictures 開創新一代多旋翼無人機
    與每 20 分鐘需要更換電池的電池供電多旋翼無人機不同,系留無人機通過一根連接基站的電線接收電源。因此,它們可以在空中停留數小時,甚至幾天時間。DPI 的系留多旋翼無人機旨在用於跟蹤尾隨移動主機平臺,包括艦船、船隻、卡車以及其它無人駕駛地面交通工具等。 與固定翼無人機相比,它們具有多項優勢,包括垂直起降功能。